CN202066219U - 碟式太阳能集热系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种碟式太阳能集热系统，包括太阳能采集装置、热量吸收装置、自动跟踪装置、反射镜以及支架系统，太阳能采集装置、热量吸收装置、反射镜均安装在系统支架上，其特征在于在碟式太阳能集热系统旋转中心与碟式聚光镜主光轴的交点处设置有光路调节器，光路调节器包括平面反射镜，平面反射镜的方位角与碟式聚光镜的方位角保持一致，自动跟踪装置设有光路调节器自动跟踪装置，所述热量吸收装置采用螺旋形吸热管，螺旋形吸热管的表面涂有耐高温的太阳能选择性吸收涂层，热量吸收装置安装在系统支架的支架底座上。本实用新型结构简洁，能量吸收效率高，克服了传统碟式聚光系统焦点随太阳运动而变化的缺点。

Description

碟式太阳能集热系统

技术领域

本实用新型涉及一种碟式太阳能集热系统，主要用于各种工业过程，商业和民用建筑供热，空调制冷，及发电等方面。

背景技术

在塔式发电系统中，通常采用双轴跟踪的镜面场，即所谓定日镜，将光线集中聚焦在位于塔中心顶部位置的接收装置中。该接收装置利用导热介质（导热油或熔融盐）所携带的热量产生蒸汽来推动汽轮机组发电。除了热传导之外，导热介质还提供能量储存功能。槽式系统使用抛物线或U型聚光器使太阳光线沿着接收器的焦线聚焦，在焦线上放置接收管，只需单轴跟踪。被加热的介质（导热介质或水/蒸汽）携带所采集到的热能，通过蒸汽发生器产生蒸汽从而带动汽轮发电机组发电。

碟式聚焦系统通常包含一个形状类似于卫星接收天线的点聚焦采集装置，一个接收装置，还有一个位于聚光器焦点位置上的热引擎/发电机，引擎通常为斯特林机。就碟式聚光系统而言，其反射面通常由抛物线旋转而得到。碟式聚光系统的优点是：通过对太阳运动轨迹进行跟踪，使得入射光总是垂直入射。由于是点聚焦，因而聚焦比高，可获得很高的温度，转换效率在三种聚焦方式中最高。碟式聚光系统的缺点是，焦点随着太阳的运动而变化，由于接收器在焦点处，因此将随着焦点的移动而同步移动，不便于光热利用。

这一特性带来一系列的问题：首先，接收装置的几何尺寸将受到限制。因为接收器尺寸过大势必会对阳光造成遮挡，减小聚光镜的有效接收面积，降低集热效率。其次，接收装置的重量也必须严格控制，因为如果该装置重量过重，势必极大地增加驱动系统的负担。第三，由于接收装置的位置不固定，各种管道连接变得相当困难，不利于组成阵列式结构，因此也就不适合大规模的工业化太阳能热利用。最后，同样由于接收装置的位置不固定，所以很难将集热器所收集到的能量传递到其它地方加以利用。

各种焦点固定的聚光式反射镜（例如塔式系统中的定日镜），虽然其焦点固定但存在余弦效应。而碟式聚光镜，虽然没有余弦效应，但其焦点随着太阳的运动而变化。为了解决这一问题，使得接收装置的位置固定，研究者们提出了许多不同的解决方案，包括将反射镜面设计成双向可变曲率，使用高次曲面反射镜，采用夏季和冬季两面不同的聚光镜，整个聚光镜围绕焦点运动，还有利用调节螺丝对聚光镜的曲率和仰角进行调节等方案。这些方案都或多或少地取得了较好的效果，但也同时存在一些不足。例如申请号为200910132985.2，名称为“可调聚焦比的碟式定焦装置”的专利申请，其吸热器为球形，光线只在球的法线处与球表面垂直，影响了对太阳光能的吸收效果。

实用新型内容

本实用新型的目的是克服原有技术的不足之处，而提供了一种新型的碟式聚光装置，保留其聚光镜时刻垂直于入射太阳光的特性，同时克服其焦点随太阳运动而变化的缺陷，并且不存在余弦效应。

本实用新型解决上述技术问题所采用的技术方案为：该碟式太阳能集热系统由以下几个主要部分组成：

太阳能采集装置，用于太阳光的采集，由碟式聚光镜组成。该装置表面形状为旋转抛物面，表面反光材料可选用经阳极氧化处理的高纯铝，或其它反光材料。

热量吸收装置，由金属制成，其形状以金属螺旋形环管为佳。对该装置的要求是其位置必须固定（即不随太阳的移动而移动），该装置的表面涂有选择性吸收涂层。

自动跟踪装置，用于驱动碟式聚光镜对太阳运动轨迹进行双轴跟踪，保证聚光镜时刻垂直于入射太阳光，以达到最高的接收效率，并且设有光路调节器自动跟踪装置。

凸面（或凹面）反射镜，将经过碟式聚光镜反射后的汇聚光线变为一束平行光线并改变其方向。

光路调节器，用于光路的调节，主要由平面反射镜组成。

支架系统，用于支撑整个设备，包括太阳能采集装置，自动跟踪装置，光路调节器，和螺旋形吸热管等。

上述结构设计达到了本实用新型的目的。

上述实用新型中自动跟踪装置是通过对太阳的方位角和高度角分别进行跟踪来实现双轴跟踪的，碟式聚光镜在太阳光自动跟踪系统的控制下，其主光轴与入射太阳光始终保持平行。平行入射的太阳光经碟式聚光镜反射后，其所携带的能量集中在旋转抛物面的焦点上。

高度角-方位角跟踪又叫做地平坐标系双轴跟踪系统，在该系统中，方位轴是垂直于地平面的，俯仰轴则是平行于地平面的。工作时聚光镜绕方位轴转动改变方位角，绕俯仰轴转动改变高度角，使聚光镜与太阳光线垂直。在自动跟踪时，方位轴与俯仰轴的交点是固定不动的，而焦点则随着太阳的运动而变化，主光轴是连接这两点的一条直线。

可以看出，如果将接收装置放置在焦点附近，则接收装置必将随着焦点的移动而移动，上面已经分析过，这样的结构存在许多缺陷，因而不适合采用。我们的设计目标是，第一，接收装置的位置必须固定；第二，碟式聚光镜的支架必须固定，不能随着太阳的移动而移动；第三，不允许余弦效应的出现。为了达到以上目标，我们在光路中将凸面反射镜安装在碟式聚光镜的焦点附近，凸面反射镜的光轴与碟式聚光镜的主光轴相重合。凸面反射镜与碟式聚光镜之间的距离是固定不变的，等于碟式聚光镜的焦距减去凸面反射镜的焦距。换句话说，凸面反射镜的虚焦点与碟式聚光镜的焦点是重合的。此时，经凸面反射镜反射回来的光是一束平行光。如果我们在光路中采用凹面反射镜，则凹面反射镜与碟式聚光镜之间的距离也是固定不变的，等于碟式聚光镜的焦距加上凹面反射镜的焦距。换句话说，凹面反射镜的焦点与碟式聚光镜的焦点是重合的。此时，经凹面反射镜反射回来的光也是一束平行光。究竟采用凸面反射镜还是凹面反射镜可根据实际情况来决定，在原理上没有本质差别。由于经凸面（或凹面）反射镜反射回来的平行光的方向是沿着碟式聚光镜的主轴方向，因此，在碟式聚光镜的中心处需要开一个圆孔。该圆孔的直径大小，以不对光斑有任何遮挡为条件来决定。这样，入射阳光经过碟式聚光镜和凸面（或凹面）反射镜两次反射后，以一束平行光的形式沿着阳光原来的入射角穿过碟式聚光镜中心的圆孔。在系统的旋转中心与碟式聚光镜主光轴的交点处，安装光路调节器，调节器由平面反射镜组成。随着太阳一天的运动，通过光路调节器自动跟踪装置对平面反射镜的角度进行调节，以达到下列目的：不论经凸面（或凹面）反射镜反射回来的光入射角度如何，平面反射镜反射后的光线均沿着与地面垂直的方向到达位于支架下方的螺旋形吸热管。正因为我们将光路调节器安排在整个系统的旋转中心处，才保证了螺旋形吸热管的位置可以固定不变，并且完全不受入射太阳光角度的影响。可以这样认为，我们通过平面反射镜的移动，克服了碟式聚焦系统焦点随太阳运动而变化的缺陷。不仅如此，该装置还避免了余弦效应。由于平面反射镜的角度控制与整个碟式聚光镜的角度控制有直接的关联，可由同一个单片机软件来实现。热量吸收装置可由金属/合金材料制成的螺旋管组成，工质在循环泵的作用下在螺旋管当中循环，并不断地吸收热量，经过加热后被存入能量存储装置当中。所采用的金属/合金材料必须具有很高的导热系数，受到高度聚焦的光束照射后，能迅速地将热量传给内部的工质。金属/合金螺旋管除了起到循环，加热的作用以外，还起导向的作用，而热量吸收装置的大小与碟式聚光镜的面积有直接的关系。系统支架需要起到以下作用：a)支撑碟式聚光镜的全部重量；b）承载用于碟式聚光镜自动跟踪的旋转机构；c）为光路调节器提供必要的支撑和足够的空间；d）对螺旋形吸热管起到固定作用。为了实现以上几项要求，可以采用垂直于地面的柱形支架。本系统有两套自动控制机制，一套用来控制碟式聚光镜，另外一套用来控制光路调节器，它们的实现都靠支架系统结构来支持，因此，支架的设计至关重要。本实用新型保留了碟式聚焦系统的所有优点，同时克服了其焦点随太阳运动而变化的缺点，结构紧凑，便于阵列化，特别适合于各种工业过程，商业和民用建筑供热，空调制冷，及发电等应用。

附图说明

图1是本实用新型实施例的结构示意图。

图2是本实用新型一种太阳能热量吸收装置实施例的示意图。

图3是本实用新型一种光路调节器实施例的示意图。

图4为本实用新型调整平面反射镜高度角的控制程序示意图。

图中，1-太阳光入射光线，2-反射镜，3-碟式聚光镜，4-光路调节器， 5-光路调节器高度角转轴，6-光路调节器高度角调节电机，7-旋转套筒， 8-太阳光出射光线，9-支架方位角调节电机，10-碟式聚光镜高度角调节电机， 11-螺旋型吸热管，12- 支架旋转轴， 13-支架底座，14-阀门，15-循环泵，16-能量存储装置,41-平面反射镜,42-高度角调节拉杆。

具体实施方式

如图1至图4所示，一种碟式太阳能集热系统（固定焦点的碟式聚光集热系统），该系统由以下几个主要部分组成：

太阳能采集装置，用于太阳光的采集，由碟式聚光镜3组成。该碟式聚光镜3表面形状为旋转抛物面，表面反光材料可选用经阳极氧化处理的高纯铝，或其它反光材料。

热量吸收装置，由金属制成，其形状以螺旋型吸热管11为佳。对该装置的要求是其位置必须固定（即不随太阳的移动而移动），该装置的表面涂有耐高温的太阳能选择性吸收涂层。螺旋形吸热管11的一端与能量存储装置16一端连接，螺旋形吸热管11另一端通过阀门14和循环泵15与能量存储装置16另一端连接.

自动跟踪装置，用于驱动碟式聚光镜3对太阳运动轨迹进行双轴跟踪，保证聚光镜时刻垂直于入射太阳光，以达到最高的接收效率。主要包括三部分：通过曲柄连杆机构调节碟式聚光镜3高度角（俯仰角）的碟式聚光镜高度角自动跟踪装置；通过齿轮连接机构驱动旋转套筒7转动，从而调节碟式聚光镜3方位角的碟式聚光镜方位角自动跟踪装置；通过曲柄连杆机构调节光路调节器4的光路调节器自动跟踪装置。

凸面（或凹面）反射镜2，将经过碟式聚光镜3反射后的汇聚光线变为一束平行光线并改变其方向。

光路调节器4，用于光路的调节，由平面反射镜组成。

系统支架，用于支撑整个设备，包括碟式聚光镜3，自动跟踪装置，光路调节器4和螺旋形吸热管11等。

    所述的太阳能采集装置，由碟式聚光镜3组成，其底端开有一圆形孔，孔的大小形状与凸面(或凹面)反射镜2的大小形状相配合。该装置安装在支架系统上方，并在双轴自动跟踪系统的控制下分别沿方位轴和俯仰轴对太阳的方位角和高度角进行跟踪。

    所述的热量吸收装置，其表面涂有耐高温的太阳能选择性吸收涂层。位于柱形旋转套筒7内部的下方，其法线与地面垂直。螺旋形吸热管11所在平面与来自光路调节器4的入射光线始终保持垂直。工质在螺旋型吸热管11中一边被加热，一边缓缓流动，加热后的工质在循环泵15的作用下流向能量存储装置16。

    所述的自动跟踪装置，包括双轴自动跟踪装置（碟式聚光镜高度角自动跟踪装置和碟式聚光镜方位角自动跟踪装置），工作时聚光镜在该装置的控制下绕方位轴转动改变方位角，绕俯仰轴转动改变高度角，使聚光镜与太阳光线始终保持垂直。还包括光路调节器自动跟踪装置，光路调节器自动跟踪装置设置有光路调节器高度角转轴5和光路调节器高度角调节电机6，对光路调节器4的俯仰角（高度角）进行调节，以便经平面反射镜反射后的光线沿着与地面垂直的方向到达位于支架下方的螺旋形吸热管11。

    所述的凸面（或凹面）反射镜2，位于碟式聚光镜3的主轴上，与碟式聚光镜3中心点的距离等于碟式聚光镜3的焦距减去凸面反射镜2的焦距（或碟式聚光镜3的焦距加上凹面反射镜2的焦距），通过支撑装置和碟式聚光镜3连接为一个整体。

    在碟式太阳能集热系统旋转中心（即支架旋转轴12与光路调节器高度角旋转轴5的交点处）与碟式聚光镜主光轴的交点处设置有光路调节器4，通过光路调节器高度角转轴5固定于柱形旋转套筒7上，经凸面（或凹面）反射镜2反射后的平行光进入光路调节器4，由平面反射镜反射后最后到达热量吸收装置。

    所述的系统支架，包括两部分：支架和支架底座13。支架采用柱形旋转套筒结构，通过其顶端的光路调节器高度角转轴5将光路调节器4以及碟式聚光镜3连接成一个整体，起到支撑碟式聚光镜3，承载自动跟踪装置，为光路调节器4提供空间，和固定螺旋形吸热管11相对位置等作用； 支架底座13，位于柱形旋转套筒结构的下方，起到支撑柱形旋转套筒7，承载自动跟踪装置以及螺旋形吸热管11等作用。

本实施例中，碟式聚光镜3在太阳光自动跟踪装置的控制下，其主光轴与入射太阳光始终保持平行。平行入射的太阳光经碟式聚光镜3反射后，其所携带的能量集中在旋转抛物面的焦点上。为了保持接收装置的位置固定，我们在光路中将凸面（或凹面）反射镜2安装在碟式聚光镜3的焦点附近，凸面（或凹面）反射镜2的光轴与碟式聚光镜3的主光轴相重合。凸面（或凹面）反射镜2的虚焦点（或实焦点）与碟式聚光镜3的焦点是重合的。此时，经凸面（或凹面）反射镜2反射回来的光是一束平行光。由于经凸面（或凹面）反射镜2反射回来的平行光的方向是沿着碟式聚光镜3的主轴方向，因此，在碟式聚光镜3的中心处需要开一个圆孔。入射阳光经过碟式聚光镜3和凸面（或凹面）反射镜2两次反射后，以一束平行光的形式沿着阳光原来的入射角穿过碟式聚光镜3中心的圆孔。在该圆孔的下方，安装光路调节器4。随着太阳一天的运动，通过自动跟踪装置对平面反射镜的角度进行调节，使得不论经凸面（或凹面）反射镜反射回来的光入射角度如何，平面反射镜反射后的光线均沿着与地面垂直的方向到达位于支架下方的螺旋形吸热管11。在循环泵15的作用下，工质在螺旋吸热管11中一边被加热，一边缓缓流动，加热后的工质流向能量存储装置16。

    参见图2，太阳能热量吸收装置由金属或合金制成的螺旋型吸热管11组成，工质在螺旋型吸热管11中一边被加热，一边缓缓流动。螺旋管的直径及厚度直接影响到其工作效率，随着管道直径的增加，其表面面积也随之增加（L=2πr），而管道的热传导特性与其表面积和与环境的温差直接相关。此外，螺旋管管壁的厚度也对导热性能有直接的影响。因此，在设计过程中，应对这些参数进行优化，以使得整个吸收装置的工作效率达到最佳。为了进一步减小热损失，可以在螺旋型吸热管11的下侧安装保温材料。

    参见图3，光路调节器4包括平面反射镜41。平面反射镜41的旋转中心与碟式聚光镜的旋转中心重合，位于碟式聚光镜3的旋转中心线31上，通过光路调节器高度角转轴5和旋转套筒7固定为一体。在方位角上保证与碟式聚光镜3的转动角度一致。其具体尺寸与光斑的尺寸相对应，而光斑的大小是由螺旋管吸热器11的几何尺寸来决定的。因此，在光路上凡是光线所经过的光学器件，其各项参数都必须配合光斑的要求。而光斑的选择必须根据系统的各项参数特别是碟式聚焦镜3的面积，对聚焦比的要求，对系统工作温度的要求等来确定。平面反射镜41的底部连接有高度角调节拉杆42，与光路调节器高度角调节电机6相连。经平面反射镜反射后的光线与螺旋型吸热管11所在的平面严格垂直，从而可以避免余弦效应。

参见图4，碟式太阳能集热系统通过控制程序来调整平面反射镜的高度角，包括以下步骤：取当前碟式聚光镜高度角Ф； 则θ=Ф/2 + 45°，θ为当前平面反射镜高度角的理论值，比较当前平面反射镜高度角理论值与前次的平面反射镜高度角，当其差值大于0.5°时，调节平面反射镜高度角，然后进入等待（30分钟）；而当其差值小于0.5°时则直接进入等待（30分钟）；若当前时间超过下午16时，则结束，否则跳转到取当前碟式聚光镜高度角Ф之步骤。本实用新型设计简单，有效地利用了碟式聚光镜3的测量值，节约测量设备。

以上均为本实用新型技术方案框架下的具体实施，凡是本实用新型实施例技术方案和技术特征的简单变形或组合，均应认为落入本实用新型的保护范围。

Claims (4)

1.一种碟式太阳能集热系统，包括太阳能采集装置、热量吸收装置、自动跟踪装置、反射镜以及系统支架，太阳能采集装置、反射镜均安装在系统支架的旋转套筒上，太阳能采集装置采用碟式聚光镜，碟式聚光镜的中心处开有圆孔，反射镜的光轴与碟式聚光镜的主光轴相重合，反射镜的焦点与碟式聚光镜的焦点重合，自动跟踪装置包括双轴自动跟踪装置，其中碟式聚光镜高度角自动跟踪装置安装在旋转套筒上，碟式聚光镜方位角自动跟踪装置安装在支架底座上，其特征在于：在碟式太阳能集热系统旋转中心与碟式聚光镜主光轴的交点处设置有光路调节器，光路调节器包括平面反射镜，平面反射镜的方位角与碟式聚光镜的方位角保持一致，自动跟踪装置设有光路调节器自动跟踪装置，所述热量吸收装置采用螺旋形吸热管，螺旋形吸热管的表面涂有耐高温的太阳能选择性吸收涂层，热量吸收装置安装在系统支架的支架底座上。

2.根据权利要求1所述的碟式太阳能集热系统，其特征在于：所述光路调节器自动跟踪装置设置有光路调节器高度角转轴和光路调节器高度角调节电机，光路调节器高度角调节电机与光路调节器高度角转轴连接，对光路调节器的高度角进行调节，平面反射镜通过光路调节器高度角转轴安装在旋转套筒上。

3.根据权利要求2所述的碟式太阳能集热系统，其特征在于：光路调节器高度角调节电机通过高度角调节拉杆与平面反射镜连接。

4.根据1～3任一权利要求所述的碟式太阳能集热系统，其特征在于：所述螺旋形吸热管所在平面与来自光路调节器的入射光线始终保持垂直。

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