WO2013107258A1 - 塔碟式太阳能综合利用系统 - Google Patents

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Abstract

一种塔碟式太阳能综合利用系统包括塔身(1),发电系统(4),发电系统(4)安装在塔身(1)的端部,利用太阳能接收装置接收的太阳光发电;太阳能接收装置(2),太阳能接收装置(2)通过支架(15)安装至所述塔身(1),用于接收太阳光;和安装在塔身(1)上的二维太阳追踪系统(13),用于驱动太阳能接收装置(2)跟踪太阳,使其接收太阳光的能力最大化。该系统还包括用于在光线不足时使发电系统继续工作的燃气系统(3)和自然光照明系统(6),从而构成综合利用太阳能的复合式系统。

Description

塔碟式太阳能综合利用系统 领 本发明涉及太阳能应用技术、 斯特林发电动力系统等技术领域, 是一种太阳 能综合利用系统。 此外, 还可以加装燃气动力系统, 从而获得利用太阳能和燃气 两种能源动力, 互为补充地驱动斯特林发电系统发电。 斯特林发电系统产生的热 能加热冷却水, 可直接用于提供生活热水或用于空调系统的制冷供热; 聚集的太 阳光能通过光纤传导, 不经过转换直接用于自然光照明。 背景 术 太阳能已在光伏发电、 塔式、 碟式和槽式光热发电、 碟式和槽式供热系统和 自然光照明方面有广泛应用。 目前的各种太阳能利用系统还不能把光热发电、 光 热供暖和自然光照明有机地结合在一起, 还不能实现用最佳的结构形式组合和最 先进的零部件技术来发挥最大的太阳能综合利用效率。 例如, 现有的塔式太阳能 发电系统依然沿用传统的先加热水产生蒸汽, 再推动蒸汽轮机发电的方式, 发电 效率低, 定日镜跟踪控制困难, 只有达到几十到几百兆瓦级的大规模发电系统才 有应用价值。 现有的碟式太阳能发电系统的抛物面反光镜的焦点随太阳的移动而 在空间移动, 从而发电系统也要随焦点在空间移动, 如若加上供热系统, 输水管 路难以在空间大范围移动, 给设计、 制造带来困难。 以上种种原因限制了塔式、 碟式太阳能利用系统的应用, 难以向更深层次的商业化运作和产业化发展。
鉴于上述技术问题, 本发明提供了一种塔碟式太阳能综合利用系统。 该塔碟 式太阳能综合利用系统既能小规模分布式单独使用, 又能大规模阵列模块化集成 应用。 该系统可以利用太阳能和燃气两种能源互为补充, 全天候持续、 稳定地提 供热能; 反射聚光镜的焦点始终聚集在安装在塔身顶端的斯特林发电系统的高温 陶瓷吸热器的前端, 直接利用聚集的太阳光产生的热能 (或处于同一位置的燃气 供气系统) 发电, 减少转换环节, 提高热能利用率。 冷却斯特林发电系统的冷却 水循环管路系统方便地固定于塔身, 被加热的冷却水可用于提供生活热水或空调 系统的制冷供热。 再加上自然光照明系统, 就成为集光导、 光电、 光热技术为一 体的太阳能燃气双动力发电、 冷热联供及自然光照明系统。 在一个实施例中, 本发明的塔碟式太阳能综合利用系统包括: 塔身; 发电系 统, 所述发电系统安装在塔身的端部, 利用太阳能接收装置接收的太阳光发电; 太阳能接收装置, 所述太阳能接收装置通过支架安装至所述塔身, 用于接收太阳 光; 和二维太阳追踪系统, 所述二维太阳追踪系统安装在塔身上, 用于驱动所述 太阳能接收装置跟踪太阳, 使其接收太阳光的能力最大化。 优选地, 所述太阳能接收装置包括反光镜, 所述反光镜为球曲面反光镜或由 大量小平面镜沿球面布置而成, 其中球曲面反光镜的焦点或所述大量小平面镜的 反光焦点被设置在发电系统前端的吸热器上。 优选地, 所述发电系统是斯特林发电系统。 优选地, 所述二维太阳追踪系统可用于驱动所述太阳能接收装置绕相互垂直 的 X轴和 Y轴旋转。 优选地, 所述发电系统被设置成沿 Y轴与水平面成 45 ° 角。 优选地, 所述二维太阳追踪系统包括太阳跟踪电器控制器、 太阳跟踪导向柱、 多个光敏电阻、 Y轴旋转驱动系统和 X轴旋转驱动系统, 其中多个光敏电阻被设置 在太阳跟踪导向柱的一端并环绕所述太阳跟踪导向柱设置, 当所述多个光敏电阻 接收的光强度产生差异时, 所述太阳跟踪电器控制器控制 Y轴旋转驱动系统和 X 轴旋转驱动系统使所述太阳能接收装置绕 X轴和 /或 Y轴旋转作空间二维运动, 直 到所述多个光敏电阻的光强度一致。 优选地, 所述太阳跟踪导向柱沿 Y轴与所述太阳能接收装置垂直, 并且所述 发电系统的前端也在 Y轴上且与所述太阳能接收装置的焦点重合。 优选地, 所述塔身采用固定式塔身。 优选地, 所述塔碟式太阳能综合利用系统还包括燃气系统, 用于在光线不足 时使发电系统继续工作。 优选地, 所述塔碟式太阳能综合利用系统还包括自然光照明系统。 本发明的有益效果如下:
1、 改变了以往只有碟式太阳能利用系统与斯特林发电系统直接联接应用的模 式, 由于斯特林发电系统固定不动, 便于设计、 制造, 便于实现 (冷) 热电光联 供系统;
2、 改变了以往塔式发电系统中用加热的蒸汽推动蒸汽轮机发电的方式, 减少 了这一转换环节, 直接利用光热转换的热能推动斯特林发电系统发电;
3、 自然光照明与光热发电、 供暖 (制冷) 结合, 构成太阳能的全面综合利用 系统。 rnim
图 1是本发明的塔碟式太阳能综合利用系统的优选的结构示意图。 图 2是本发明的塔碟式太阳能综合利用系统的系统运动示意图。 图 3是图 1所示塔碟式太阳能综合利用系统的发电系统部分的放大图。 附图标记列表如下:
1、 塔身; 2、 太阳能接收装置; 3、 燃气系统; 4、 发电系统; 5、 电力输送系 统; 6、 自然光照明系统; 7、 冷却水循环系统; 8、 太阳跟踪电器控制器; 9、 太 阳跟踪导向柱; 10、 光敏电阻; 11、 沿 Y轴旋转驱动系统; 12、 沿 X轴旋转驱动 系统; 13、 二维太阳追踪系统; 14、 连接件; 15、 支架。 具体实施方式
图 1 示出了本发明的优选实施例的结构示意图。 如图所示, 本发明的塔碟式 太阳能综合利用系统包括: 塔身 1 ; 安装在塔身 1端部的发电系统 4, 用于利用太 阳能接收装置 2接收的太阳光发电; 通过支架 15安装至塔身 1的太阳能接收装置 2, 用于接收太阳光; 和安装在塔身上的二维太阳追踪系统 13, 用于使太阳能接收 装置 2接收太阳光的能力最大化。 其中, 太阳能接收装置 2产生的焦点固定在发 电系统 4上。 优选的, 发电系统 4设置在塔身 1的端部内 (见图 3)。 参见图 1-3,塔身 1作为整个塔碟式太阳能综合利用系统的支架是固定不动的。 在本实施例中, 太阳能接收装置 2可以是反光镜, 而发电系统 4可以是斯特林发 电系统。 斯特林发电系统 4固定在塔身 1的端部, 其中心轴设为 Y轴, 优选地设 置成与水平面成 45 ° 角, 便于反光镜 2在空间二维运动时焦点始终对准固定的斯 特林发电系统 4的前端, 产生的高温使斯特林发电系统 4做功发电, 经电力输出 系统 5输送到电网。 斯特林发电系统 4周围设置有固定支架 15,在固定支架 15上可旋转地安装反 光镜 2。 固定支架 15本身可在斯特林发电系统 4外周绕 Y轴旋转, 并且在该支架 15 上另设有一枢转结构, 使反光镜 2可通过该枢转结构绕 X轴旋转, 其中 Y轴与 X 轴垂直。 反光镜 2 可以是一个整体形成的球曲面反光镜, 也可以由大量小平面镜沿球 面布置而成, 球曲面反光镜的焦点或所述大量小平面镜的反光焦点被设置在斯特 林发电系统 4的前端的高温陶瓷吸热器上。 斯特林发电系统 4利用吸收的热量做 功发电。 发出的电经电力输送系统 5输送至需要的场所。 同时, 冷却斯特林发电系统 4的冷却水循环系统 7将输入的凉水加热, 输出 的热水用于生活热水或供暖。 在一些应用中, 如果加上制冷系统, 斯特林发电系 统 4还可以进行制冷。 自然光照明系统 6中的光纤及太阳光灯具可将反光镜 2聚集的太阳光直接传 导, 用于室内、 地下及海洋等地点的自然光照明。 自然光照明系统 6 已在同属于 本申请人的中国专利号 200410010807. X中有详细描述, 该文献在此以其全文形式 被结合入本文作为引用。 当阳光不足或夜晚时, 整个联供系统自动切换到燃气系 统 3, 用燃烧燃气产生的热能驱动斯特林发电系统 4, 继续发电、 供热, 保证整个 联供系统始终处于工作状态。 优选的, 自动切换到燃气系统 3 可利用不同的光强 度完成。 例如, 晴天或阴天的光强度不同, 在光敏电阻上产生的电信号强度不同, 再由电器控制系统控制联供系统进行太阳能系统与燃气系统的切换。 燃气系统 3 可通过将燃气管道固定在塔身, 使喷嘴的火苗 (如图 3中附图标记 33所示) 与光 斑重合, 从而连接至本系统。 在斯特林发电系统 4外部的固定支架上还设有二维太阳追踪系统 13。 如图 2 所示, 二维太阳追踪系统 13包括太阳跟踪电器控制器 8、 太阳跟踪导向柱 9、 光 敏电阻 10、 沿 Y轴旋转驱动系统 11和沿 X轴旋转驱动系统 12。 其中, 太阳跟踪 电器控制器 8安装在太阳跟踪导向柱 9的一端(例如朝向太阳的一端), 而光敏电 阻 10环绕太阳跟踪导向柱 9安装在太阳跟踪导向柱的另一端。 并且, 太阳跟踪电 器控制器 8、 太阳跟踪导向柱 9和光敏电阻 10通过连接件 14安装至固定支架 15 上。 因此, 太阳跟踪电器控制器 8、 太阳跟踪导向柱 9和光敏电阻 10连同连接件 14可随固定支架 15绕 Y轴旋转, 并且还可通过枢转结构绕 X轴旋转, 其中 Y轴与 X轴垂直。 在工作时, 当太阳跟踪导向柱 9精确指向太阳 (即太阳光沿 Y轴照射), 照射 到数个环周排列 (即设置在太阳跟踪导向柱 9的一端并环绕太阳跟踪导向柱 9排 列) 的光敏电阻 10上的光强度一致, 此时太阳跟踪电器控制器 8控制 Y轴旋转驱 动系统 11和 X轴旋转驱动系统 12保持不动。 当太阳移动后, 太阳跟踪导向柱 9 产生的阴影会使一部分光敏电阻 (例如背向太阳光的光敏电阻) 接收到的太阳光 照的光强度下降, 与不在阴影区域的光敏电阻光强度产生差异。 此时, 在太阳二 维跟踪电器控制器 8的控制下, Y轴旋转驱动系统 11和 X轴旋转驱动系统 12同时 (或分别)被驱动, 带动反光镜 2绕 Y轴和 /或 X轴转动, 直到照射到数个环绕导 向柱 9环周排列的光敏电阻 10上的光强度一致, SP, 使太阳跟踪导向柱 9沿 Y轴 重新精确指向太阳。 太阳跟踪导向柱 9沿 Y轴在结构上与反光镜 2垂直, 即能保 证焦点在 Y轴上。 同时, 斯特林发电系统 4的前端也在 Y轴上, 且与反光镜 2的 焦点重合。 当沿 Y轴旋转驱动系统 11转动时, 反光镜 2的焦点始终会落在斯特林 发电系统 4的前端。结构上 X轴通过斯特林发电系统 4的前端, 且 X轴为反光镜 2 的旋转轴线, 从而保证反光镜 2的焦点始终落在斯特林发电系统 4的前端范围内。 也就是说, 反光镜 2二维跟踪聚焦太阳光, 使得反光镜 2的焦点始终对准斯特林 发电系统 4的前端的高温陶瓷吸热器(即焦点不动)。 反光镜 2在太阳二维跟踪电 器控制器 8控制下, 沿 X轴和 Y轴做空间二维正反向旋转运动, 跟踪太阳从日出 到日落的轨迹, 从而能够获得最佳的采光效果。 应当指出, 本发明的上述原理同样适用于其它太阳能系统, 例如槽式太阳能 系统。 工业实用性 本发明中燃气系统所用的燃气可以是天然气、 沼气和氢气等各种清洁能源, 也可以是生物材料燃烧后产生的热气体。 作为太阳能的补充能源, 阴天或夜晚时 可驱动系统发电、 供热。 太阳能光热发电与现有电网匹配性好、 光电转化效率高、 发电连续稳定和调峰发电能力较强, 发电设备生产过程绿色环保, 不产生任何有 毒物质, 容易实现直接并网供电。 本发明既能小规模分布式单独应用, 又能够大规模阵列模块化集成应用。 适 用于别墅或农村单户居民使用, 也可用于居民楼、 写字楼等建筑。 也可以用于构 建大规模电站及集中供热系统。 太阳能作为取之不尽的绿色环保能源, 不仅有益于人们的身体健康, 节约大 量电能和热能, 还减少因发电、 供热而对环境造成的污染。 本发明不局限于上述具体实施方式, 本领域的技术人员可以根据本发明的教 导对本发明的塔碟式太阳能综合利用系统作出各种修改和变化。 所有这些修改和 变化均应落在本发明的保护范围之内, 并且本发明的保护范围应根据权利要求的 内容加以确定。

Claims

木又利要 书、
1、 一种塔碟式太阳能综合利用系统, 包括- 塔身;
发电系统, 所述发电系统安装在塔身的端部, 利用太阳能接收装置接收的太 阳光发电;
太阳能接收装置, 所述太阳能接收装置通过支架安装至所述塔身, 用于接收 太阳光; 和
二维太阳追踪系统, 所述二维太阳追踪系统安装在塔身上, 用于驱动所述太 阳能接收装置跟踪太阳, 使其接收太阳光的能力最大化。
2、 根据权利要求 1所述的塔碟式太阳能综合利用系统, 其特征在于, 所述太阳能接收装置包括反光镜, 所述反光镜为球曲面反光镜或由大量小平 面镜沿球面布置而成, 其中球曲面反光镜的焦点或所述大量小平面镜的反光焦点 被设置在发电系统前端的吸热器上。
3、 根据权利要求 2所述的塔碟式太阳能综合利用系统, 其特征在于, 所述发电系统是斯特林发电系统。
4、 根据权利要求 3所述的塔碟式太阳能综合利用系统, 其特征在于, 所述二维太阳追踪系统可用于驱动所述太阳能接收装置绕相互垂直的 X轴和 Y 轴旋转。
5、 根据权利要求 4中所述的塔碟式太阳能综合利用系统, 其特征在于, 所述发电系统被设置成沿 Y轴与水平面成 45 ° 角。
6、 根据权利要求 1-5中任一权利要求所述的塔碟式太阳能综合利用系统, 其 特征在于,
所述二维太阳追踪系统包括太阳跟踪电器控制器、 太阳跟踪导向柱、 多个光 敏电阻、 Y轴旋转驱动系统和 X轴旋转驱动系统, 其中多个光敏电阻被设置在太阳 跟踪导向柱的一端并环绕所述太阳跟踪导向柱设置, 当所述多个光敏电阻接收的 光强度产生差异时, 所述太阳跟踪电器控制器控制 Y轴旋转驱动系统和 X轴旋转 驱动系统使所述太阳能接收装置绕 X轴和 /或 Y轴旋转作空间二维运动, 直到所述 多个光敏电阻的光强度一致。
7、 根据权利要求 6所述的塔碟式太阳能综合利用系统, 其特征在于, 所述太阳跟踪导向柱沿 Y轴与所述太阳能接收装置垂直, 并且所述发电系统 的前端也在 Y轴上且与所述太阳能接收装置的焦点重合。
8、 根据权利要求 1所述的塔碟式太阳能综合利用系统, 其特征在于, 所述塔身采用固定式塔身。
9、 根据权利要求 1所述的塔碟式太阳能综合利用系统, 其特征在于, 所述塔碟式太阳能综合利用系统还包括燃气系统, 用于在光线不足时使发电 系统继续工作。
10、 根据权利要求 1所述的塔碟式太阳能综合利用系统, 其特征在于, 所述塔碟式太阳能综合利用系统还包括自然光照明系统。
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