CN203036877U - 太阳能收集器装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种用于太阳能收集和发电的改进型系统，所述系统包括太阳能收集器装置，所述装置包括成排布置的方形菲涅尔透镜阵列，模块化能量吸收装置位于下方，其中，所述阵列安装到位于地面以上较低高度处的臂件(160)上，成排的所述阵列能够绕其垂直跟踪轴线(210)沿水平方向旋转，并且阵列安装到绝缘可旋转基座(170)上。系统进一步包括收容存储介质的可运送绝缘存储罐、斯特林发动机和发电机。太阳能收集装置加热存储介质，所述存储介质向斯特林发动机供热，并且每个发动机与发电机耦合。在优选的实施方案中，系统另外包括使用实时算法的嵌入式控制器，所述实时算法提供对所述系统的智能动态管理。

Description

太阳能收集器装置

技术领域

本发明涉及由太阳热能产生电能。特别地，本发明涉及太阳热能的收集和存储以及随后通过太阳热能产生电能。 

背景技术

已经提出了许多与将太阳能热转换成更有用的类型的能量相关的系统。例如，国际专利公布WO81/03220公开了这样一种尤其涉及家用的完整系统，其包括与用于发电的发电机耦合的斯特林发动机。然而，该系统具有很多缺点，即，使用热空气或石头作为热传导和存储介质，这有点不切实际且效率极低，以及使用配置为安装到房屋屋顶上的太阳能收集器的略微复杂且低效的系统。证实这种系统对于较大规模发电是低效且不切实际的。 

通常，适用于较大规模发电的系统采用更先进的使用某类型抛物形反射器的太阳能收集器，如美国专利4,335,578中所公开的。然而，美国专利4,335,578中所述的盘型反射器极易受到风的影响，因为其安装得高于地面，难以保持清洁并且因此工作效率高，另外制造成本昂贵。高度易受风影响意味着系统不能在较大风力时工作，因为收集器随后必须沿水平方向对准以避免损坏。而且，该系统采用的热吸收和传送方法非常复杂，使用两种不同的流体、这些流体的状态变化、换热器等，从而使得系统的制造和维护成本昂贵。然而，美国专利4,335,578的特征在于各种流体作为热传导和存储介质的适用性的详细讨论，表明了例如熔盐具有用作这种流体的高的可能性。 

诸如在美国专利申请2006/0225729A1中公开的更加现代化的系统试 图通过使用较小凹槽型收集器来避免盘型太阳能收集器的高度易受风影响性，所述较小凹槽型收集器通常具有热传导和存储流体能够流过其中的在凹槽的聚焦线处的管等类似部件。这种装置可被安装为更靠近地面。然而，它们也具有很多确定。凹槽趋于充当灰尘收容器，大幅度降低了效率，除非由某种透明覆盖物覆盖，这种覆盖物也降低它们的效率。而且，由于其线性布局，这种系统仅能够绕一个轴线跟踪太阳，降低它们的总效率。 

与将抛物形反射器(无论是盘型或凹槽型)用作太阳能收集器相关联的一些缺点可通过使用菲涅尔透镜来克服，如美国专利6,775,982B1中公开的。然而，其中公开的斯特林发动机的功率要求使得要使用例如直径为20m的极大型菲涅尔透镜。尽管如此，这种大型菲涅尔透镜非常重且昂贵，由于它们实质上的焦距，必须安装得高于地面，再次使得极易受风的影响。 

而且，如美国6,775,982B1中公开的，通过光导纤维从菲涅尔透镜到斯特林发动机的功率传递要求相当程度的进一步细化，因为通过光导纤维直接加热斯特林发动机将会由于所达到的高温(近似2000℃，但是斯特林发动机的典型工作温度为700-1000℃)而破坏发动机。 

发明内容

本发明的目的 

因此，本发明的目的是提供一种改进型太阳能收集器装置。该装置包括：成排布置的菲涅尔透镜阵列，所述菲涅尔透镜具有焦距；以及能量吸收装置，其以与其焦距大致对应的距离定位到每个菲涅尔透镜的下方，其中阵列安装到处于地面以上的与菲涅尔透镜的焦距大致对应的高度处的臂件上，其中成排的所述菲涅尔透镜阵列配置为使得它们能够绕所述排的纵向水平轴线旋转，其中设置用于使成排的菲涅尔透镜绕其纵轴线旋转的器件，并且其中，菲涅尔透镜阵列能够绕垂直轴线旋转。因此，收集器装置可安装到地面以上较低位置处，因为其包括可具有相对短的焦距的多个较小型菲涅尔透镜。所实现的配置使能进行高效的两轴线太阳跟踪。 

在一个实施方案中，菲涅尔透镜为大致方形形状，这使得它们能够进行更加高效地布置并且降低制造成本。 

在另一实施方案中，每排菲涅尔透镜具有自动擦拭清洁系统。因此，菲涅尔透镜能够保持清洁，确保太阳能收集器装置持续高效工作。 

在另外的实施方案中，菲涅尔透镜阵列安装到能够绕垂直轴线旋转的基座上，可旋转基座形成用于热传导和存储流体的存储罐的绝缘盖。因此，使得热传导和存储介质与用于加热流体的器件之间的距离最小化。 

在优选的实施方案中，每个能量吸收装置包括热导体、安装到热导体上方的透明板以及在热导体未被透明板覆盖的地方围绕所述热导体的绝缘外壳，其中热导体和透明板均具有圆心位于透明板上方的圆的扇形段的形状，其中热导体通过绝缘外壳中的开口延伸到热传导和存储流体中，热导体的浸入热传导和存储介质中的部分为大致鳃状件形。 

在另外的优选实施方案中，每个能量吸收装置包括光导纤维(或者可选地光导纤维束)，光导纤维具有端部、用于调节光导纤维的端部的位置的器件以及围绕光导纤维和用于调节其端部的位置的器件的外壳，其中所述外壳的上侧是由透明板形成的，所述透明板具有其圆心位于透明板上方的圆的扇形段的形状，其中光导纤维通过外壳中的开口延伸到热传导和存储介质中。发散透镜可以安装为与光导纤维的端部相邻以调节受光角。因此，设置有模块化能量吸收装置，其能够吸收来自菲涅尔透镜的焦点的热并且将该热传递至热传导和存储介质。 

在另外的实施方案中，每个能量吸收装置另外包括用于透明板的自动擦拭清洁系统。因此，透明板能够保持清洁，确保太阳能收集器装置持续高效工作。 

在另外的实施方案中，用于使成排的菲涅尔透镜绕其纵轴线旋转的器件与用于调节光导纤维的端部在包括这种纤维的那些能量吸收装置中的位置的器件附接。因此，成排的菲涅尔透镜的太阳能跟踪与光导纤维的定位关联，确保它们总是保持在相应的菲涅尔透镜的聚焦区域中。 

在第二方案中，本发明的目的是提供用于太阳能收集和发电的改进型系统。该系统包括如上文提供的太阳能收集器装置、具有热能传导和存储介质的热存储系统、将热能变换成电能的至少一个器件、将太阳能收集器装置与热存储系统连接的器件、将热存储系统与用于将热能变换成电能的至少一个器件连接的器件，其中太阳能收集器装置经由相应的器件来加热 热能传导和存储介质，并且其中，所述热能传导和存储介质经由相应的器件向用于将热能变换成电能的至少一个器件供给热能。因此，提供了用于由太阳热能产生电能的完整且高效的系统。该系统能够利用例如热电发电机(基于塞贝克效应)直接将热能转换成电能。 

在优选的实施方案中，用于将热能变换成电能的器件包括采用热力循环的热机，所述热机与用于由机械能产生电能的器件耦合。 

在特别优选的实施方案中，所述热机为斯特林发动机。 

在一个实施方案中，热存储系统具有收容热传导和存储介质的至少一个绝缘存储罐，所述介质为固体。 

在另一实施方案中，热传导和存储介质为流体，并且所述热存储系统具有收容所述流体的至少一个绝缘存储罐。 

在优选的实施方案中，热传导和存储固体为石墨，而在另外的优选实施方案中，热传导和存储流体为熔盐。石墨和熔盐均被证实在由太阳热系统所大致达到的温度范围内为极高效的热传导和存储介质。 

在另外的实施方案中，用于太阳能收集和发电的系统包括用于更换所述至少一个绝缘存储罐的器件，其中，所述绝缘存储罐被构造为是能够运送的。 

在另一实施方案中，将太阳能收集器装置与所述热存储系统连接的器件被构造为使得至少一个绝缘存储罐是从下方被加热的。 

在另外的实施方案中，将热存储系统与至少一个热机连接的器件被构造为使得热从至少一个绝缘存储罐的顶部传递至至少一个热机。因此，利用固态存储介质中的传导和液态存储介质中的对流，确保在绝缘存储罐内的高效热传递。 

在另一实施方案中，用于太阳能收集和发电的系统另外包括使用实时算法的嵌入式控制器，所述算法能够考虑到天气预报数据。因此，提供了系统的智能化、自动化动态管理，并且能够考虑到天气预报。 

该目的是通过如独立权利要求中所述的本发明来实现的。在从属权利要求中描述了有益的实施方案。 

即使未列出多个后引用的权利要求，权利要求中的特征的全部合理组合也应当被公开。 

附图说明

可通过结合其中的附图来阅读说明书和随附的权利要求书来确定本发明的其它目的和优点。 

为了更加全面理解本发明，参照结合附图进行的详细说明，在附图中： 

图1将菲涅尔透镜与常规透镜进行了比较； 

图2示出了工业应用的典型实施例； 

图3和图4示出了菲涅尔透镜阵列如何替代单个菲涅尔透镜； 

图5和图6示出了菲涅尔透镜阵列替代单个菲涅尔透镜； 

图7示出了水平和垂直轴线太阳跟踪的俯视图； 

图8和图9示出了垂直轴线太阳跟踪的侧视图； 

图10示出了带有嵌入式热导体的绝缘俘获插口的侧视图； 

图11示出了带有嵌入式热导体的绝缘俘获插口的俯视图； 

图12示出了光导纤维位于下方位置的绝缘俘获插口； 

图13示出了光导纤维位于上方位置的绝缘俘获插口； 

图14示出了带有光导纤维的两个绝缘俘获插口的前视图； 

图15示出了用于熔盐的传导加热的导体鳃状件； 

图16示出了存储罐的侧视图； 

图17示出了可运送存储罐的布局的侧视图； 

图18示出了带有两个嵌入式可运送存储罐的大型IRB的俯视图； 

图19示出了定时Kripke结构； 

图20示出了基本的JCTL算子；以及 

图21示出了存储罐的星形拓扑互连。 

附图标记 

10：菲涅尔透镜 

20：常规光学透镜 

50：现有技术的工业应用 

100：单个大型菲涅尔透镜 

110：菲涅尔透镜阵列 

150：太阳俘获阵列(SCA) 

160：臂件 

170：绝缘可旋转基座(IRB) 

180：圆形轨道 

200：框架 

210：垂直跟踪轴线 

250：垂直跟踪 

260：弯曲透明板 

270：绝缘俘获插口(ICS) 

280：热导体 

300：垂直跟踪齿轮 

305：透镜排齿轮 

310：纤维跟踪齿轮 

315：导链 

320：纤维引导插口 

325：光导纤维 

330：滑槽 

335：IRB顶部 

340：IRB底部 

345：纤维导轮 

350：传动链 

355：垂直跟踪电动机 

360：垂直跟踪传动齿轮箱 

400：热存储介质，例如熔盐 

410：热导体鳃状件 

430：斯特林发动机的安装件 

450：斯特林发动机 

470：用于与便携式存储罐连接的结构 

480：便携式存储罐 

490：支撑存储罐的轨道 

500：主存储罐 

510：辅存储罐 

具体实施方式

技术方案 

1.热机的地面放置 

使用抛物形反射器的系统具有焦点F，斯特林发动机放置于焦点F处，焦点F位于地面以上很高位置处，这导致了许多严重缺点： 

●易受风力影响性要求系统在高风速时中断它们的工作，并且移动到水平位置，直到风速降低。 

●系统不能受益于热能的存储。 

●要求昂贵的重载构造。 

●要求大量的较小的、较轻型斯特林发动机，这显著提高了总成本和维护成本。 

●导致另外的高维护成本(例如，清洁)。 

为了保持热机接近地面，点F必须降低，这能够利用光学透镜而不是抛物形反射器来实现。 

2.利用光学透镜设计太阳热生成系统 

●低重量 

市场上制造的一些最大型的斯特林发动机输送近似40kW。大地接收1.413-1.321W/m²的太阳辐照(为了简化假设为1W/m²)。在典型的30％效率时，这种发动机需要近似133kW的太阳辐照，要求133m²的透镜面积，即近似13m的直径。这种透镜的重量和成本均是庞大的。 

为了一次性克服这两个问题，我们使用菲涅尔透镜10，而不是常规的光学透镜20(图1)。菲涅尔透镜的特征在于大的孔径和短的焦距，而不具有常规设计的透镜所要求的质量和体积。市场上以低成本可用的菲涅尔透镜通常是由正方形形状的PVC制成的。 

●放置于地面以上的低位置处 

覆盖133m²的面积将要求菲涅尔透镜具有近似11.5m×11.5m的尺寸。即使由PVC制成，这种透镜仍将具有大的重量和成本。 

此外，这种大透镜的焦距f要求安装于地面以上很高的高度处。图2示出了极易受风力影响的工业应用的典型实施例50。 

为了解决该问题，我们引入了包括菲涅尔透镜阵列(或矩阵)而不是单个菲涅尔透镜的系统，如图3和图4所示。较小的菲涅尔透镜110的阵列覆盖与单个大型菲涅尔透镜100相同的总面积，但是阵列中的较小透镜110的焦距f_m显著短语单个透镜100的焦距f_s，如图5和图6所示。因此，阵列使得我们可以将太阳能俘获系统安装到地面以上极低的位置处。 

●以低成本供应大型斯特林发动机 

为了使得安装和维护成本最小化，我们考虑使用大型斯特林发动机。作为实施例，我们考虑为斯特林发动机供应144kW热的144m²的面积。具有典型30％效率的发动机将输送近似43.2kW的功率。我们实现了12m×12m的太阳能俘获阵列(SCA)，包括144个单菲涅尔透镜，每个菲涅尔透镜具有仅1m×1m＝1m²的尺寸。这种菲涅尔透镜通过商业方式广泛地制造，意味着这种阵列的总成本可以保持得极低。 

●清洁和维护 

由于其形状(盘或凹槽)，大部分收集器系统还充当了灰尘的收集器。灰尘反射器表面大幅降低了系统的性能，为了进行清洁和维护，需要频繁中断。另一方面，由于其平坦表面，我们的系统极易清洁。这可通过自动清洁系统来进行，自动清洁系统的特征在于在阵列中的每单排透镜上设有擦拭器。 

3.进行两轴线太阳跟踪 

为了在水平轴线上进行太阳跟踪，我们引入绝缘可旋转基座170，太阳能俘获阵列(SCA)150安装到绝缘可旋转基座170上。整个系统放置到圆形轨道180上，以使其可以旋转(见图7)。四个或更多个臂件160将SCA保持在轨道水平以上的高度f_m处(图8和图9)。 

为了在垂直轴线上进行太阳跟踪，我们将SCA分成透镜排，将所有排相互分离并且将它们置于它们自身单独的框架中。每个框架的特征在于垂直跟踪轴线210并且单独地安装到外部主框架200上，外部主框架200安 装到臂件160上，如图7所示。然后，通过其垂直跟踪轴线210允许每排进行垂直移动，如图8和图9所示。 

4.使得避免遮挡所需的面积最小化 

在我们的方法中，使得防止太阳能收集器相互遮挡所需的面积最小化。太阳能俘获阵列沿x轴线(水平)旋转整排菲涅尔透镜。因此，允许在每排中的单个菲涅尔透镜之间不存在任何距离。 

如图8和图9所示，为了允许系统的免遮挡工作，在排进行它们的垂直移动(沿y轴线)时，仅需要排之间的距离为δ，必须正确地选择该距离。 

5.聚焦太阳能的俘获 

为了防止能量损失，可旋转基座必须具有极良好的热绝缘性。能够以两种不同的方式来俘获由SCA输送的太阳能。 

a.通过热导体俘获聚焦太阳能 

为此目的，IRB的特征在于位于SCA的每个菲涅尔透镜下方的模块化绝缘俘获插口(ICS)，如图10和图11所示。 

每个绝缘俘获插口(ICS)270收容热导体280，热导体280俘获由位于其上方的菲涅尔透镜10输送的聚焦太阳能。 

为了保持在太阳跟踪期间连续聚焦的SCA的透镜，热导体在其上侧具有分段拱形的形状。 

每个ICS的特征还在于，弯曲的透明板260安装到热导体的上方，透明板保障了其在上侧的热绝缘并且同时避免了灰尘进入。为了保持在菲涅尔透镜的不同垂直角度处具有均等的光折射，透明板也具有类似于热导体的分段拱形的形状。 

此外，每个ICS的特征在于用于其弯曲的透明板的自动擦拭清洁系统。 

b.通过光导纤维来俘获聚集太阳能 

为此目的，采用了如图12、图13和图14所示的专用绝缘俘获插口(ICS)。 

IRB的特征在于热绝缘底部340并且形成了密封绝缘盒，密封绝缘盒封闭了系统所有必要的零件，从而防止能量损失，而且免受灰尘侵害。 

为了热绝缘和灰尘防护，每个ICS270安装到IRB335的顶部上并且 封闭了纤维跟踪盒、光导纤维325的一端、纤维导轮345以及弯曲的透明板260。 

水平跟踪是通过IRB的旋转移动来进行的。 

用于垂直跟踪的驱动器封闭在垂直跟踪传动齿轮箱360中。为了对菲涅尔透镜10和光导纤维325进行同时跟踪，在垂直跟踪传动齿轮箱360中，电动机355驱动传动链350。 

纤维跟踪盒封闭垂直跟踪齿轮300、纤维跟踪齿轮310、导链315和纤维引导插口320。纤维引导插口320围绕光导纤维325并且进行圆形运动，这使能对焦点进行跟踪。为此目的，纤维跟踪盒的特征在于，滑槽330作为用于纤维引导插口320的圆形运动的导件。纤维引导插口320的特征在于，沿着滑槽330滑动的适当的滑动翼片。纤维引导插口320在其下端处具有角状物的形状，从而使能平滑地引导光导纤维325并且防止其尖端磨边或折叠。用于纤维引导插口320的圆形运动的驱动是通过导链315执行的。 

为了保持在轨道上，垂直跟踪齿轮300的直径必须与用于成排透镜的齿轮305的直径具有正确的传动比。根据该传动比，纤维引导插口320以正确的角速率移动，从而跟随其上方的菲涅尔透镜10的旋转。 

ICS的主要优点在于它们与环境的良好绝缘性。每个ICS作为密封盒工作，避免了热损失和灰尘进入。在菲涅尔透镜10和光导纤维325之间没有接触。用于整排菲涅尔透镜的全部焦点的跟踪的驱动仅通过单个垂直跟踪轴线210实现。 

每个光导纤维325在纤维导轮345上方穿过IRB的顶部和底部之间，这防止了尖端磨边或折叠。此外，每个ICS270的特征在于，用于其弯曲的透明板260的自动擦拭清洁系统。 

6.热存储系统 

IRB能够将由SCA输送的全部能量传递至热存储系统。这种系统使得太阳热厂能够在恶劣天气或夜间运行。用于保持收集到的热能的最成熟方法之一是以熔盐进行存储。可选地，可以使用例如石墨的固态介质。两种材料均被保持在存储罐中，存储罐的绝缘性如此良好以至于热能能够有用地存储直至两个月之久。 

本文提出的系统能够优选地使用熔盐或石墨来传热和供应热机，同时得益于嵌入式热存储系统。主要构思不是直接加热热力发动机，而是首先加热存储介质，存储介质为热机供给能量。可通过传导或这借助于光导纤维来加热存储介质。 

i.通常传导来加热熔盐 

为了使得用于能量传递的移动零件最少化，我们将主要的热存储罐直接放置于绝缘的可旋转基座(IRB)的下方。为了防止能量损失，IRB必须具有极其良好的热绝缘性。主存储罐还能够放置到地面。 

此处，IRB形成热存储罐的密封(但是旋转的)盖。ICS热导体的每个下端的特征在于鳃状件410，鳃状件410浸入到盐400中，如图15所示。 

ii通过光导纤维来加热熔盐或石墨 

在此情况下，IRB的特征在于热绝缘底部(图12至图14中所示)并且不形成存储罐的盖，存储罐是单独密封的。光导纤维能够将能量引导至多个存储罐。 

存储罐可以嵌入其底部的短的光导纤维为特征，因此能够从下方将热引导至存储介质，如图16所示。嵌入式光导纤维与引导来自IRB的太阳能并且将该能量转送至存储罐中的较长的光导纤维耦合。 

将熔盐视为存储介质，存储罐设计利用的是对流原理，并且因此可以对熔盐进行加热，而且可使热机运转，而不使用泵。该设计示于图16中。我们通过光导纤维325来引导存储罐下方的太阳能并且从这些最低点处加热熔盐400，使得流体由于对流而移动。加热后的熔盐流到存储罐的顶部，使得熔盐在底部具有较低的温度。因此，通过光导纤维来加热较冷的熔盐。移动继续，直到下部较冷的侧部达到与上部较热的侧部相似的温度。 

斯特林发动机450能够安装430到存储罐顶部上。斯特林发动机吸收用于其运转的大量热量，实质上使得熔盐冷却。因此，我们在整体存储罐的上方获得较冷的熔盐，这使得较热的流体进一步朝向斯特林发动机移动。冷却后的熔盐流到存储罐的底部。 

将石墨视为存储介质，存储罐设计利用的是传导原理，因此使得可以对石墨进行加热，而且使得热机运转，而不使用机械零件。 

斯特林发动机450也能够安装430到存储罐顶部上。斯特林发动机吸 收用于其运转的大量热量，实质上使得石墨上侧冷却，因此使得热从较热的下侧传递至较冷的上侧。 

7.不使用电网络传递太阳能 

在大多数情况下，热能可有用地存储在绝缘罐中长达两个月之久。因此，本发明提出的装置还以安装系统为特征，所述安装系统使上述提出的存储罐能够连接和断开。因此，还使得能够将整个存储罐转移至期望位置，在期望位置处存储罐可用于发电，例如，通过斯特林发动机、涡轮机等。因此，发电不需要在与太阳能收集相同的位置处发生。 

考虑图17：系统的连接和断开部分包括结构470，为了与斯特林发动机450和光导纤维连接，一个或多个存储罐可放置于结构470的下方。该结构以顶板为特征，斯特林发动机450安装到顶板上。光导纤维通往结构470的底部，如图17所示。在底部，光导纤维与嵌入到存储罐底部的短的光导纤维325耦合(见图17)，以将太阳能引导到存储罐中。结构的一侧以开口机构为特征，开口机构允许一个或多个存储罐进入或退出。 

为了处理其高的热存储能力，石墨块以及诸如FLiNaK或FLiBe的公认熔盐可能需要极大的太阳能俘获阵列。 

在这种情况下，优选的是，考虑将一个或多个可运送的存储罐480嵌入到大的绝缘可旋转基座170，如图18所示。为此目的，IRB放置到多个圆形轨道180上并且以多个臂件160为特征。从而达到较好的静态行为。通过光导纤维在存储罐480下方直接转移能量。存储罐480跟随绝缘可旋转基座170的旋转。为此目的，存储罐在它们自身的圆形轨道490上移动。该设计使得可以进行可运送存储罐的安装和拆卸。 

太阳热电厂的年扩展运行 

本章涉及到具有非可运送的热存储罐的太阳能电厂，从而具有有限的存储能力。 

a.极低的材料成本 

不使用任何存储罐的太阳能系统仅能够在接收到足够太阳辐照的情况下运行。对于这种系统，我们得出 

每年运行小时数≤每年日照小时数 

因此，对于较长的运行小时数，我们必须为系统装备超出其最大能量 消耗的能量俘获能力以及存储过剩俘获能量的容量。 

因此，用存储罐运行系统需要大幅增加太阳能俘获表面积。另一方面，该增加主要取决于系统位置处的每年太阳辐照小时数。 

与不具有存储能力的系统相比，以热存储为特征的太阳能电厂的额外投资涉及 

i.为了覆盖所需的额外俘获表面积，太阳能俘获装置的大幅增加； 

ii具有用于过剩俘获能量的足够容量的热存储罐；以及 

iii.额外占地。 

为了增加其太阳能俘获表面积，本发明提出的系统仅需要额外的菲涅尔透镜及其框架、绝缘俘获插口(ICS)以及热导体或光导纤维。所有这些部分构成了通用材料并且能够以极低的成本购买或制造。 

b.存储罐的智能管理 

能量存储系统的投资基本上集中在两个主要目标： 

●在天气好以及白天的时间段，存储尽可能多的能量，而同时使系统以最大容量运行。 

●在恶劣天气或黑暗的时间段，使能运行尽可能多。 

然而，如果我们考虑带有非可运送的存储罐的电厂，则其容量受限制并且通常能够处理固定量的能量。而且，实际上为了在冬季使用而在夏季月份存储热是很难的。在大多数情况下，热能仅能有用地存储达到两个月。因此，容量问题将出现： 

●在长时间段的良好天气期间，俘获能量的持续存储极有可能超过存储罐的容量。 

●在长时间段的恶劣天气期间，俘获能量将不足，例如不足以保持熔盐为液体。这会使电厂遭受破坏。 

结果，已知应用仅以覆盖达到几个小时扩展运行的极有限的热存储能力为特征。 

为了克服这些问题，本发明提出的系统的特征在于 

I.同时运转的热机组， 

II.互连的存储罐组，以及 

III.嵌入式控制器，其以实时算法为特征，对系统进行智能动态管理。 

本发明消耗了用于发电的总俘获太阳能并且使得至少热机的分组可近似非停止的运转。 

必须面临两个实际限制： 

a.存储罐的容量受限制。 

b.热能仅能够存储达到两个月。 

与实时算法为特征的一个或多个嵌入式控制器对系统及其全部参数进行监督并且进行能量的动态智能管理。这些实时控制器的主要优点在于它们考虑到天气预报的能力。 

为了获取满足系统要求的数学证明，控制器的特征在于实时的形式化方法。这以3个步骤来进行。 

在第一个步骤中，控制器将整个太阳热厂P建模为实时系统： 

其中 

E为热机组 

为互连的存储罐组 

为太阳俘获矩阵组 

S为电厂的总俘获表面积 

C为电厂的总存储容量 

θ为存储介质的温度 

W为有价值的天气预报参数组 

在第二个步骤中，控制器将模型转换成定时Kripke结构(参见Logothetis，G.：“Specification，Modelling，Verification and Runtime Analysis of Real Time Systems”，章节3.1)。定时Kripke结构的实施例示于图19中。 

定时Kripke结构的主要特点如下： 

●该结构为离散时间模型。 

●该结构具有有限数量的状态。 

●该结构的路径是无限的并且表示系统的行为。 

●每个转变消耗一个或多个单位的时间。转变的选择是非确定性的。 

●公式表示系统在任意既定状态的特性。 

●带标记的边缘表示定时动作。 

公式的实施例： 

-p：＝第5个辅存储罐的温度为532.5℃ 

-q：＝根据天气预报的27％的降雨可能性(brollability) 

转变的实施例： 

●根据天气预报，在55个小时内降雨可能性将从23％变为31％ 

●在17个小时之后，第2个辅存储罐将达到其最大热容量 

代表实时系统的定时Kripke结构通常具有多于10²⁰⁰个状态。 

在第三个步骤中，控制器应用JCTL算法。JCTL(参见Logothetis，G.：“Specification，Modelling，Verification and Runtime Analysis of Real Time Systems”，章节3.2)为分时时间逻辑，其考虑建模为定时Kripke结构的实时系统(见图20)。JCTL具有下述特性： 

●JCTL使用模态算子、路径量化算子(quantor)和时间约束。 

●JCTL公式精确地描述了系统的规格。 

●JCTL算法探索整个状态空间来验证JCTL公式。 

因此，我们继续如下： 

○控制器使用JCTL公式来描述系统的要求规格，从而确保非停止运转。 

○然后，JCTL算法应用，从而探索整个状态空间以获取存在满足要求规格的路径的数学证明。 

○一旦找到路径，控制器跟踪这些路径中的至少一个。 

○系统跟随跟踪路径的动作。 

如果不存在这样的路径，则控制器自动考虑下一个较不紧的约束并且开始对其进行检验，等等。 

实施例：验证路径的存在，使得第2个、第5个和第7个存储罐的温度在至少48个小时内保持在617.3℃以上。 

9.电厂的实现 

本章涉及带有非可运送热存储罐的太阳电厂，从而具有有限的存储能力。 

a.定义 

消耗表面积S_cons为电厂中的一个热机为了在最大功率下运行而要求的最小太阳俘获表面积。 

集中到非停止运转，我们考虑俘获表面积的增加要求。该增加主要取决于在电厂位置处太阳辐照的年小时数。 

存储表面积S_stor为在一年的时间段内收集使一个热机能够在其特定位置处一年内真正非停止运转的能量所要求的最小太阳俘获表面积。 

增加因子

为比率S_stor/S_cons，表示根据电厂位置处的太阳辐照而真正非停止运转所要求的表面积增加。 

例如，在平均太阳辐照小时数为2,200的位置处，非停止运转将要求以

的因子增加S_cons，即S_stor≌4·S_cons。 

表面积乘子确定与热机数量相关的俘获表面积的最优尺寸。 

非停止表面积要求是为了实现至少λ个热机非停止运转所需的最小俘获表面积。 

非停止发动机要求

是为了实现至少λ个热机近似非停止运转所需的热机的最小数量。 

b.实施例 

我们考虑系统，包括 

●ε_nst热机组， 

●ε_nst/λ太阳俘获阵列(SCA)组，每个具有（λ·S_nst)/ε_nst的表面积， 

●ε_nst/λIRB组，每个承载λ个热机， 

●主存储罐(安装到其上方的热机为主发动机)， 

●辅存储罐组(安装到它们上方的热机为辅发动机)，以及 

●一个或多个嵌入式实时控制器。 

图21示出了上述的极简化实现，其中λ＝1且ε_nst＝4：使用一个主存储罐和三个辅存储罐。 

1.为了保持最优工作温度且为了在长时间的恶劣天气之后实现罐内含物的快速加热，将主存储罐500保持得尽可能小。辅存储管510均在星 形拓扑中与主罐直接连接。 

2.每个热机被供有来自IRB下方的存储罐的能量，存储罐安装到IRB的上方。 

3.所有的太阳能俘获阵列(SCA)将它们的能量直接发送至主存储罐。 

4.S_nst的总表面积为主存储罐供给能量。该俘获表面积允许λ个热机的真正非停止运转。 

5.在长时间段的良好天气期间内，主热机不能将全部俘获的热转换成电。当主存储罐的容量被超出时，控制器作如下判定： 

a.如果至少一个辅罐的温度适于其热机的运转，则根据天气预报， 

i.允许一些辅热机运转；或者 

ii为了存储全部能量，允许从主存储罐到一些辅罐的热交换；或者 

iii.允许上述两种情况； 

b.否则(没有一个辅罐具有足以使其热机运转的温度)，根据天气预报， 

i.为了使其温度升高，允许从主存储罐到仅一个辅罐的热交换；或者 

ii允许从主存储罐到多于一个的辅罐的热交换。 

6.如果也达到一个或多个辅罐的容量，则控制器以类似方式根据天气预报对于主存储罐做出判定。 

7.如果达到全部存储罐的容量，则控制器允许全部热机运转。因此，避免了俘获太阳能的损失。特别地，如果S_plant为整个电厂的总俘获表面积，我们得出 

S_plant＝((λ·S_nst)/ε_nst)·(ε_nst/λ)＝s_nst

$\⇔S_{\mathrm{plant}}={\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{nst}}\·S_{\mathrm{cons}}$

电厂的总俘获能量不超过全部热机的最大能量消耗。因此，如果全部发动机运行，则所有俘获能量被消耗而用于发电。 

8.在长时间的恶劣天气期间，控制器首先确定允许运转的热机的数量。为此目的，考虑到天气预报是至关重要的： 

a.使过多的热机运转将过快地消耗存储的能量。如果恶劣天气持续，则这可能导致盐的温度低。 

b.如果恶劣天气的持续时间是能够预测的，则使较少数量的发动机运转可能导致不充分发电。 

9.随着存储罐的温度降低，控制器基于天气预报做出判定， 

a.使一些热机停止运转；或者 

b.中断主罐和一些辅罐之间的热交换；或者 

c.执行上述两者。 

10.辅罐和主罐之间的热交换的中断发生在存储介质温度T_int处。在为熔盐的情况下，T_int必须高于所使用的盐的熔点。在为石墨的情况下，T_int必须足够高以确保电厂的进一步运转。控制器基于天气预报来选择最优T_int。 

11.在最坏情况的方案计划中，为了始终将所选盐的温度保持在熔点以上，系统允许使用外部能源。 

尽管已经结合多个具体的实施方案对本发明进行了说明和阐释，本领域技术人员将理解的是，可以在不偏离如本文阐述的、所说明以及所要求权利的本发明的原理的情况下做出变型和改进。可以在不偏离本发明的精神或实质特点的情况下，可以其它具体形式来实施本发明。所述的实施方案的所有方面均被视为示例性的，而非限制性的。因此，本发明的范围由所附的权利要求书表示，而不是由前面的说明书表示。落在权利要求的等同内容的含义和范围内的所有变动均应包含在其范围内。 

引用的参考文献 

专利文献 

US4,335,578 

US6,775,982B1 

US2006/0225729A1 

WO81/03220 

非专利文献 

Logothetis，G.：“Specification，Modelling，Verification and Runtime Analysis of Real Time Systems”.Vol.280of Dissertations in Artificial Intelligence，IOSPress2004，ISBN978-1-58603-413-9 

Claims (23)

1.太阳能收集器装置，包括： 

a)成排布置的菲涅耳透镜阵列，所述菲涅耳透镜具有焦距；以及 

b)以与所述菲涅耳透镜的焦距基本对应的距离定位于每个所述菲涅耳透镜下方的能量吸收装置； 

其中 

c)所述成排的所述菲涅耳透镜阵列能够绕所述排的纵向水平轴线旋转；并且其中 

d)所述成排的菲涅耳透镜能够绕垂直轴线旋转。 

2.如权利要求1所述的太阳能收集器装置， 

其中，所述菲涅耳透镜为大致方形形状。 

3.如权利要求1所述的太阳能收集器装置， 

其中，每排所述菲涅耳透镜具有自动擦拭清洁系统。 

4.如权利要求1所述的太阳能收集器装置， 

其中，所述成排的所述菲涅耳透镜安装到能够绕垂直轴线旋转的基座上；并且 

其中，能够旋转的所述基座形成了用于热传导和存储流体的存储罐的绝缘盖。 

5.如权利要求1所述的太阳能收集器装置， 

其中，每个能量吸收装置包括 

a)热导体； 

b)透明板，其安装到所述热导体的上方；以及 

c)绝缘外壳，其在所述热导体未被所述透明板覆盖的地方围绕所述热导体； 

d)其中，所述热导体和所述透明板均具有圆心位于所述透明板上方的圆的扇形段的形状。 

6.如权利要求5所述的太阳能收集器装置， 

a)其中，所述热导体通过所述绝缘外壳中的开口延伸到所述热传导和存储流体中；并且 

b)其中，所述热导体的浸入所述热传导和存储流体中的部分为大致鳃状件形。 

7.如权利要求5所述的太阳能收集器装置， 

其中，每个能量吸收装置另外包括用于所述透明板的自动擦拭清洁系统。 

8.如权利要求1所述的太阳能收集器装置， 

其中，每个能量吸收装置包括： 

a)具有端部的光导纤维； 

b)用于调节所述光导纤维的所述端部的位置的器件；以及 

c)外壳，其围绕所述光导纤维和用于调节其端部的位置的所述器件； 

d)其中，所述外壳的上侧是由透明板形成的，所述透明板具有圆形位于所述透明板上方的圆的扇形段的形状； 

e)其中，所述光导纤维通过所述外壳中的开口延伸到热传导和存储介质。 

9.如权利要求8所述的太阳能收集器装置， 

其中，每个能量吸收装置另外包括用于所述透明板的自动擦拭清洁系统。 

10.如权利要求8所述的太阳能收集器装置， 

包括用于使所述成排的菲涅尔透镜绕其纵轴线旋转的器件， 

其中，所述器件与用于调节所述光导纤维的所述端部的位置的所述器件附接。 

11.如权利要求8所述的太阳能收集器装置， 

另外包括与所述光导纤维的所述端部相邻安装的发散透镜。 

12.用于太阳能收集和发电的系统，包括： 

a)如权利要求1所述的太阳能收集器装置； 

b)具有热能传导和存储介质的热存储系统； 

c)用于将热能变换成电能的至少一个器件； 

d)将所述太阳能收集器装置与所述热存储系统连接的器件； 

e)将所述热存储系统与用于将热能变换成电能的所述至少一个器件连接的器件；以及 

g)其中，所述太阳能收集器装置经由相应的器件来加热所述热能传导和存储介质；以及 

h)其中，所述热能传导和存储介质经由相应的器件为用于将热能变换成电能的所述至少一个器件供给热能。 

13.如权利要求12所述的用于太阳能收集和发电的系统， 

其中，用于将热能变换成电能的所述器件包括采用热力循环的热机， 

其中，所述热机与用于由机械能产生电能的器件耦合。 

14.如权利要求13所述的用于太阳能收集和发电的系统， 

其中，所述热机为斯特林发动机。 

15.如权利要求12所述的用于太阳能收集和发电的系统， 

其中，所述热存储系统具有收容所述热传导和存储介质的至少一个绝缘存储罐，并且 

其中，该介质为固体。 

16.如权利要求15所述的用于太阳能收集和发电的系统， 

其中，所述热传导和存储固体为石墨。 

17.如权利要求15所述的用于太阳能收集和发电的系统， 

包括用于更换所述至少一个绝缘存储罐的器件； 

其中，所述绝缘存储罐被构造为是能够运送的。 

18.如权利要求12所述的用于太阳能收集和发电的系统， 

其中，所述热存储系统具有收容所述热传导和存储介质的至少一个绝缘存储罐，并且 

其中，该介质为流体。 

19.如权利要求18所述的用于太阳能收集和发电的系统， 

其中，所述热传导和存储流体为熔盐。 

20.如权利要求18所述的用于太阳能收集和发电的系统， 

包括用于更换所述至少一个绝缘存储罐的器件； 

其中，所述绝缘存储罐被构造为是能够运送的。 

21.如权利要求12所述的用于太阳能收集和发电的系统， 

其中，将所述太阳收集器装置与所述热存储系统连接的所述器件被构造为使得所述至少一个绝缘存储罐是从下方加热的。 

22.如权利要求12所述的用于太阳能收集和发电的系统， 

其中，将所述热存储系统与所述至少一个热机连接的所述器件被构造为使得热从所述至少一个绝缘存储罐的顶部传递至所述至少一个热机。 

23.如权利要求12所述的用于太阳能收集和发电的系统， 

另外包括嵌入式控制器。 

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