TW201351674A - 太陽能發電系統及其太陽能集熱裝置 - Google Patents

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Abstract

一種太陽能集熱裝置，包括一凹形聚光板、一熱管與一翼狀結構，其中凹形聚光板具有一槽形拋物面，且槽形拋物面具有一對稱軸與一聚焦軸，熱管設置於槽形拋物面的聚焦軸上，且一工作流體流通於熱管內，翼狀結構連接熱管並朝熱管的側向延伸，其中翼狀結構的延伸方向平行於對稱軸。

Description

太陽能發電系統及其太陽能集熱裝置
本發明係有關於一種太陽能集熱裝置及太陽能發電系統，特別是有關於一種在熱管上設置翼狀結構之太陽能集熱裝置及太陽能發電系統。
一般太陽能集熱發電係透過聚光器將光線聚集於熱管上，加熱在熱管內流通的工作流體，並透過工作流體將熱能傳遞至熱電裝置，進而將熱能轉換為電能以供儲存或利用。由於熱管表面相對於聚光器的拋物面而言較小，且太陽會隨著時間在天空中移動，故聚光器需要透過精密且昂貴的追日裝置頻繁地調整其追日角度，才能持續地將光線聚集在熱管上，且當具有追日角度誤差時，大部分光線將偏離熱管表面使收光效率大幅度降低。
本發明之一實施例提供一種太陽能集熱裝置，包括一凹形聚光板、一熱管以及至少一翼狀結構，其中凹形聚光板具有一槽形拋物面，且槽形拋物面具有一對稱軸與一聚焦軸，其中聚焦軸垂直於對稱軸，聚焦軸與對稱軸定義出一對稱平面，且聚焦軸與對稱軸位於對稱平面上，熱管設置於對稱平面上並形成有一管體，且一工作流體流通於管體內，翼狀結構連接熱管並朝熱管的側向延伸，其中翼狀結構平行於對稱平面。
於一實施例中，前述太陽能集熱裝置更包括一透光外管，且翼狀結構與熱管設置於透光外管內。
於一實施例中，前述透光外管內部為真空。
於一實施例中，前述透光外管為一玻璃管。
於一實施例中，前述太陽能集熱裝置更包括一光學鍍膜，形成於透光外管表面。
於一實施例中，前述光學鍍膜含有氟化鎂(MgF2)。
於一實施例中，前述熱管與翼狀結構以焊接或一體成型方式連接。
於一實施例中，前述太陽能集熱裝置更包括一複合材料，形成於翼狀結構表面，且複合材料具有吸熱性。
於一實施例中，前述複合材料包括鉬/三氧化二鋁(Mo-Al2O3)、鎢/三氧化二鋁(W-Al2O3)或鎳/三氧化二鋁(Ni-Al2O3)。
於一實施例中，前述翼狀結構具有一腔室，且腔室與熱管的管體相連通。
於一實施例中，前述腔室與管體形成有毛細結構。
本發明之另一實施例更提供一種太陽能發電系統，包括一如前所述之太陽能集熱裝置、一儲熱裝置以及一熱電裝置，其中儲熱裝置連接太陽能集熱裝置，太陽能集熱裝置透過工作流體將熱能傳遞至儲熱裝置儲存，熱電裝置連接儲熱裝置以及太陽能集熱裝置，用以將熱能轉換為電能。
於一實施例中，儲熱裝置為熔鹽(molten salt)儲熱裝置，且熱電裝置具有熱機引擎(heat engine)、蒸氣渦輪機或熱電材料(thermoelectric materials)。
本發明另一實施例提供一種太陽能集熱裝置，包括一凹形聚光板、一熱管以及兩個翼狀結構，其中凹形聚光板具有一槽形拋物面，且槽形拋物面具有一對稱軸與一聚焦軸，其中聚焦軸垂直於對稱軸，聚焦軸與對稱軸定義出一對稱平面，且聚焦軸與對稱軸位於對稱平面上，熱管設置於聚焦軸上並形成有一管體，且一工作流體流通於管體內，兩個翼狀結構分別連接於熱管相對兩側並朝熱管的兩側方向延伸，其中翼狀結構平行於對稱平面。
首先請參閱第1圖，本發明一實施例之太陽能集熱裝置10包括一凹形聚光板300、一熱管100和至少一翼狀結構200，其中凹形聚光板300具有一槽形拋物面301，槽形拋物面301具有一對稱軸V與一聚焦軸I，其中聚焦軸I垂直於對稱軸V，聚焦軸I與對稱軸V並定義出一對稱平面S，且聚焦軸I與對稱軸V位於對稱平面S上。熱管100設置於槽形拋物面301的聚焦軸I(平行於Z軸方向)上並沿聚焦軸I沿伸，二個翼狀結構200則連接熱管100，並分別朝X軸以及-X軸方向延伸，其中翼狀結構200的延伸方向係平行於槽形拋物面301的對稱平面S。亦即二個翼狀結構200對稱地分別連接設置於熱管100兩側。其中熱管100位於聚光板300的聚焦軸I上。因此，二個翼狀結構200可位於對稱平面S上，亦即翼狀及構200近似垂直或垂直於聚光板300的拋物面301。
特別地是，聚光板300內側的槽形拋物面301可反射 光線L，並將光線L反射聚焦在熱管100以及翼狀結構200上，藉以加熱在熱管100內部流動的工作流體(未圖示)。其中，前述入射之光線L大致平行於X軸方向，且藉由翼狀結構200能大幅度地增加太陽能集熱裝置10的受光面積，使光線L能充分地照射在熱管100和翼狀結構200上以吸收熱能。
接著請參閱第2圖，於本實施例中，二個翼狀結構200係對稱地連接熱管100兩側，並可將熱能傳遞至熱管100之管體101內部中的工作流體。
於另一實施例中，亦可在翼狀結構200內部形成有腔室201(如第3圖所示)，且腔室201與熱管100的管體101相連通，故工作流體可在腔室201和熱管100的管體101內部流動，藉以將熱能帶離熱管100和翼狀結構200。
在製作上，二個翼狀結構200可分別焊接或一體成型於熱管100兩側，如第2圖所示。焊接為可選擇之一種方法，但並不以此為限。如第3圖所示，熱管100具有槽孔102，而翼狀結構200設置有一內凹的開放腔室201。製造時可將翼狀結構200之開放腔室201與熱管100之槽孔102對準並予相互焊接。接著，將熱管100一端封閉，另一端則利用真空裝置抽真空後予以封閉，進而形成熱管結構。
接著請參閱第4圖，此圖為第3圖中A部分的放大圖。於一實施例中，前述熱管100的內表面和翼狀結構200的腔室201內表面均形成有毛細結構202，其可增加熱管100、翼狀結構200與工作流體之間的接觸面積，並可透過毛細原理加速工作流體的流動以提升熱傳效率。前述毛細 結構202可為金屬網結構、溝槽結構等等之等效毛細結構均為本發明之創作精神範疇。此外，翼狀結構200的外表面更可披覆有一複合材料203，此複合材料203具有吸熱的特性，故能增加翼狀結構200的吸熱性並增加可傳遞之熱量。前述複合材料例如可包含鉬/三氧化二鋁(Mo-Al2O3)、鎢/三氧化二鋁(W-Al2O3)、鎳/三氧化二鋁(Ni-Al2O3)等。
再請參閱第5圖，本發明另一實施例之太陽能集熱裝置10更包括一透光外管500，光線L經過槽形拋物面301反射，可穿過透光外管500至熱管100和翼狀結構200上，前述透光外管500可為玻璃管等。如第5圖所示，翼狀結構200與熱管100皆設置於透光外管500內，其中在透光外管500內部可形成真空，藉以防止熱管100和翼狀結構200所吸收的熱能因熱傳遞作用而散失。此外，透光外管500的表面可形成一光學鍍膜501，例如可為氟化鎂(MgF2)等材料，藉此能將特定頻帶之光線L選擇性地穿過透光外管500，藉以提升光線L的利用率。此外，透光外管500係可固定於熱管100上，並使翼狀結構200設置於透光外管500內。
當入射光線L未平行於槽形拋物面301的對稱軸V且與對稱軸V產生一傾斜角度時，入射光線L經由槽形拋物面301反射後雖然會偏離聚光板300的聚焦軸I，但是透過朝向熱管100外側延伸的翼狀結構200仍可接收絕大部分的偏離光線，故能在入射光線L並未平行於對稱軸V的情況下維持極佳的收光效率。此外，亦可依據實際環境需求 調整太陽能集熱裝置10的尺寸和形狀設計，以達到最佳的收光效率。
接著請一併參閱第6A、6B圖，本發明另一實施例之太陽能集熱裝置10亦可僅具有一個翼狀結構200，其連接熱管100並朝X軸(第6B圖)或-X軸(第6A圖)方向延伸，其中翼狀結構200的延伸方向係平行於槽形拋物面301的對稱平面S。其中，熱管100與翼狀結構200整體的結構中心大致位於聚焦軸I上，使太陽能集熱裝置1可接收大部分的光線。
如第7圖所示，本發明更提供一種太陽能發電系統1，包括至少一前述之太陽能集熱裝置10、一儲熱裝置20和一熱電裝置30，其中儲熱裝置20可為熔鹽(molten salt)儲熱裝置，熱電裝置30可具有熱機引擎(heat engine)、蒸氣渦輪機或熱電材料(thermoelectric materials)。太陽能集熱裝置10可透過熱管100中的工作流體將熱能傳遞至儲熱裝置20儲存，熱電裝置30則連接儲熱裝置20以及太陽能集熱裝置10，用以將熱能轉換為電能。於一實施例中，複數個太陽能集熱裝置10可透過熱管100相連串接並形成一太陽能集熱裝置陣列，如此更能有效率地使用太陽能集熱裝置10。
此外，由第7圖可以看出，太陽能集熱裝置10裝設於一可旋轉的追日裝置400上，使用時可根據太陽在天空的方位調整太陽能集熱裝置10的角度。由於本發明的集熱裝置10在熱管100上設有翼狀結構200，且能在具有收光角度誤差時仍維持良好的收光效率，因此不需使用昂貴的精 密定位裝置，且不必頻繁地啟動追日裝置400即可達到良好的收光效率，進而能達到節省裝置成本之目的。
雖然本發明以前述之實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明。本發明所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可做些許之更動與潤飾。因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
1‧‧‧太陽能發電系統
10‧‧‧太陽能集熱裝置
20‧‧‧儲熱裝置
30‧‧‧熱電裝置
100‧‧‧熱管
101‧‧‧管體
102‧‧‧槽孔
200‧‧‧翼狀結構
201‧‧‧腔室
202‧‧‧毛細結構
203‧‧‧複合材料
300‧‧‧聚光板
301‧‧‧槽形拋物面
400‧‧‧追日裝置
500‧‧‧透光外管
501‧‧‧光學鍍膜
I‧‧‧聚焦軸
L‧‧‧光線
V‧‧‧對稱軸
S‧‧‧對稱平面
第1圖表示本發明一實施例之太陽能集熱裝置示意圖；第2圖表示本發明一實施例之熱管與翼狀結構剖面圖；第3圖表示本發明另一實施例之熱管與翼狀結構剖面圖；第4圖表示第3圖中A部分之放大圖；第5圖表示本發明另一實施例之太陽能集熱裝置示意圖；第6A圖表示本發明另一實施例之太陽能集熱裝置示意圖；第6B圖表示本發明另一實施例之太陽能集熱裝置示意圖；以及第7圖表示本發明一實施例之太陽能發電系統示意圖。
10‧‧‧太陽能集熱裝置
100‧‧‧熱管
200‧‧‧翼狀結構
300‧‧‧聚光板
301‧‧‧槽形拋物面
I‧‧‧聚焦軸
L‧‧‧光線
V‧‧‧對稱軸
S‧‧‧對稱平面

Claims (14)

  1. 一種太陽能集熱裝置，包括：一凹形聚光板，具有一槽形拋物面，且該槽形拋物面具有一對稱軸與一聚焦軸，其中該聚焦軸垂直於該對稱軸，該聚焦軸與該對稱軸定義出一對稱平面，且該聚焦軸與該對稱軸位於該對稱平面上；一熱管，設置於該對稱平面上並形成有一管體，且一工作流體流通於該管體內；以及至少一翼狀結構，連接該熱管並朝該熱管的側向延伸，其中該翼狀結構平行於該對稱平面；
  2. 如申請專利範圍第1項所述之太陽能集熱裝置，其中該太陽能集熱裝置更包括一透光外管，且該翼狀結構與該熱管設置於該透光外管內。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之太陽能集熱裝置，其中該透光外管內部為真空。
  4. 如申請專利範圍第2項所述之太陽能集熱裝置，其中該透光外管為一玻璃管。
  5. 如申請專利範圍第2項所述之太陽能集熱裝置，其中該太陽能集熱裝置更包括一光學鍍膜，形成於該透光外管表面。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之太陽能集熱裝置，其中該光學鍍膜含有氟化鎂(MgF2)。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之太陽能集熱裝置，其中該熱管與該翼狀結構以焊接或一體成型方式連接。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之太陽能集熱裝置，其中 該太陽能集熱裝置更包括一複合材料，形成於該翼狀結構表面，且該複合材料具有吸熱性。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之太陽能集熱裝置，其中該複合材料包括鉬/三氧化二鋁(Mo-Al2O3)、鎢/三氧化二鋁(W-Al2O3)或鎳/三氧化二鋁(Ni-Al2O3)。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之太陽能集熱裝置，其中該翼狀結構具有一腔室，且該腔室與該熱管之該管體相連通。
  11. 如申請專利範圍第10項所述之太陽能集熱裝置，其中該腔室與該管體形成有毛細結構。
  12. 一種太陽能發電系統，包括：一如申請專利範圍第1項所述之太陽能集熱裝置；一儲熱裝置，連接該太陽能集熱裝置，該太陽能集熱裝置透過該工作流體將熱能傳遞至該儲熱裝置儲存；以及一熱電裝置，連接該儲熱裝置以及該太陽能集熱裝置，用以將該儲熱裝置所儲存之熱能轉換為電能。
  13. 如申請專利範圍第12項所述之太陽能發電系統，其中該儲熱裝置為熔鹽儲熱裝置，且該熱電裝置具有熱機引擎、蒸氣渦輪機或熱電材料。
  14. 一種太陽能集熱裝置，包括：一凹形聚光板，具有一槽形拋物面，且該槽形拋物面具有一對稱軸與一聚焦軸，其中該聚焦軸垂直於該對稱軸，該聚焦軸與該對稱軸定義出一對稱平面，且該聚焦軸與該對稱軸位於該對稱平面上；一熱管，設置於該聚焦軸上並形成有一管體，且一工 作流體流通於該管體內；以及兩個翼狀結構，分別連接於該熱管相對兩側並朝該熱管的兩側方向延伸，其中該些翼狀結構平行於該對稱平面。
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