一種曲面涅爾透鏡聚光與設施農業結合的太陽能集熱系統的製作方法
2023-10-22 03:13:27 1
本發明涉及一種曲面涅爾透鏡聚光與設施農業結合的太陽能集熱系統，利用整體滑移式聚光器與設施農業溫室相結合，將太陽光高密度聚集,實現太陽能和農業種植技術互相補足利用。屬於太陽能高溫集熱與農業設施技術領域。
背景技術：
在寒冷的冬季，被動式農業溫室單純依靠自身結構吸取太陽能難以滿足植物生長需要，尤其在夜間，植物面臨低溫危害。但用傳統能源加熱溫室，不僅費用高，而且造成環境汙染和不可再生資源浪費。因此，將太陽能利用技術和溫室建築相結合，不僅解決了農業溫室面臨的問題和需求，而且使太陽能熱利用技術得到進一步推廣和應用，可謂「一棚多用」。在溫室的太陽能利用過程中，普通的反射式聚光器不具有透射功能，如果將它們安在溫室前坡面，不僅遮擋了一部分陽光進入溫室，而且會在溫室中留下巨大陰影，從而影響溫室的太陽光採集；如果將它們聚光器安裝在溫室的後牆之上，也會對後方的溫室造成遮擋，影響後面溫室的採光，從而加大了溫室間距，造成空間的浪費，因此在農業溫室中應用新的太陽能聚光技術具有意義。
本發明提供一種曲面菲涅爾透鏡聚光與設施農業結合的太陽能集熱系統，利用曲面滑移式菲涅爾透射聚光器置於溫室拱頂之上進行採光，接收器置於溫室內，既解決了聚光器在溫室中留下陰影的問題，又充分利用了溫室拱面，避免了聚光器對後方溫室的遮光影響，節約了空間和充分利用了同一個資源。滑移式聚光器在太陽光跟蹤器的指引下對準太陽光的入射方向在軌道上運動，實現溫室收集太陽光的最大化,不會在溫室中的固定位置留下陰影，而且太陽散射光仍然可以透過菲涅爾透射聚光器到達溫室中，不會過多影響溫室中的採光，最後將聚集的太陽光轉化為高溫熱量用於發電，餘熱被再利用儲存到溫室下面的土壤中，實現了太陽能利用和設施農業的互相補足利用，使農業發展和可再生能源利用有效結合。
技術實現要素：
本發明利用鋼絲繩軌道牽引系統和太陽光跟蹤器準確控制軌道滑移式菲涅爾聚光器的位置，將入射到設施農業外表面的部分太陽光聚集到放置於設施農業溫室內部固定位置的真空管接收器上被接收，使用滑移式菲涅爾透射聚光器和二次聚光器對溫室進行聚光，並將收集的熱量用於發電，餘熱利用儲能系統對溫室進行補能，實現收集太陽光的最大化和有效熱利用。
本發明是通過如下技術方案實現的：
本發明系統由曲面菲涅耳透射式聚光器、二次聚光器、真空管接收器、太陽光跟蹤器、設施農業溫室、鋼繩驅動系統、熱電系統和儲熱系統組成。外表面中心線上裝有太陽光跟蹤器的曲面菲涅耳透射式聚光器通過支撐軸座與滾輪固定連接，架設在鋪設於設施農業溫室拱頂上的拱形雙軌鋼軌道之上，由太陽光跟蹤器提供準確位置信息，並在牽引系統的鋼絲繩的牽引下在軌道上做圓周運動。置於設施農業溫室內部且在軌道圓心位置上的二次聚光器的中心線上置有真空管接收器，真空管接收器至軌道的距離正好是曲面菲涅耳透射式聚光器的焦距，當聚光器在軌道上運動時，二次聚光器也做相同角度的轉動，以確保真空管接收器有效收集來自曲面菲涅耳透射式聚光器的太陽光線，並在二次聚光器附近設置安全隔離裝置，保證行人不受聚光器聚集的光線照射。
鋼絲繩牽引軌道式系統由鋼絲繩、鋼軌、絞車、緊繩器、和尾輪和託繩輪組成。帶有電機的絞車通過捲筒引出鋼絲繩，緊繩器保證絞車和聚光器之間的鋼絲繩始終處於張緊狀態，鋼絲繩牽引軌道式系統由鋼絲繩、鋼軌、絞車、緊繩器、和尾輪和託繩輪組成。帶有電機的絞車通過捲筒引出鋼絲繩，緊繩器保證絞車和聚光器之間的鋼絲繩始終處於張緊狀態，並運用託繩輪避免鋼絲繩不會碰到溫室拱頂而產生摩擦。由緊繩器出來的鋼絲繩直接與聚光器一端相固定，另一端繞過鋼軌末端的尾輪改變方向後再與聚光器另一端固定，絞車帶動鋼絲繩牽引聚光器在太陽光跟蹤器的指引下在鋼軌上沿著溫室拱頂做圓周運動，使得滑移式菲涅耳透射式聚光器的中心線總是對準太陽。
本發明裝有跟真空管接收器相連的熱電系統和儲能系統，熱電系統利用太陽能聚光集熱發電，儲能系統利用發電餘熱在溫室溫度降低到一定程度時,釋放熱量為溫室供熱。
本發明的有益效果是，(1)將滑移式涅爾透射聚光器和溫室上拱面結合，實現溫室收集太陽光的最大化，避免了聚光器對下方溫室的遮光現象，節約了空間和太陽能資源；(2)將農業溫室多餘的太陽能集熱用於發電，餘熱用來給溫室供暖，「一棚多用」。總而言之，巧妙的將涅爾透射聚光器和設施農業結合，有效實現農光互補，拓寬了太陽能在農業領域的應用。
附圖說明
下面結合附圖和實施例對本發明作進一步說明。
圖1—本發明系統的運行原理圖。其中：1-太陽光跟蹤器；2-太陽光線；3-曲面菲涅耳透射式聚光器；4-軌道；5-設施農業溫室拱頂；6-託繩輪；7-尾輪；8-熱電系統；9-儲熱水箱；10-水泵；11-安全隔離裝置；12-真空管接收器；13-二次聚光器；14-散熱管路；15-絞車；16-緊繩器；17-鋼絲繩；18-滾輪；
圖2—鋼絲繩牽引系統運行原理圖。
圖3—菲涅耳透射式聚光器與半拱形溫室結合實施例圖。其中：19「L」型二次聚光器；20-半拱形溫室拱頂；
圖4—菲涅耳透射式聚光器安裝於溫室內部的實施例圖。其中：21-溫室內部軌道。
具體實施方式
下面結合附圖和實施例對本發明技術方案做進一步詳細說明。
圖1是本發明系統的運行原理圖。在圖1中，裝置的運行原理可分步解釋如下：陽光溫室沿南北方向建造，曲面菲涅耳透射式聚光器(3)通過支撐軸座與滾輪(18)固定連接，並架設在安裝於設施農業溫室拱頂(5)之上的軌道(4)上，由聚光器(3)外表面中心線上裝有的太陽光跟蹤器(1)為其提供準確位置信息，並在牽引系統的鋼絲繩(17)的牽引下在軌道(4)上做圓周運動。真空管接收器(12)放置於溫室內部且在軌道(4)的圓心位置上，附近設置安全隔離裝置(11)，保證行人不受聚光器聚集的光線照射。當太陽光線(2)正入射時，滑移式曲面菲涅耳透射式聚光器(3)實現透射聚光，並將光線匯集至真空管接收器(12)上，當聚光器在軌道上運動時，其中心線上置有真空管接收器(12)的二次聚光器(13)也做相同角度的轉動，以確保真空管接收器(12)有效收集來自曲面菲涅耳透射式聚光器(3)的太陽光線。跟真空管接收器(12)相連的熱電系統(8)利用熱能發電，散熱管路(12)利用發電餘熱將熱量釋放到土壤中供溫室採暖。
圖2是本發明鋼絲繩牽引系統運行原理圖。鋼絲繩牽引軌道式系統由鋼絲繩(17)、軌道(4)、絞車(15)、緊繩器(16)、尾輪(7)和託繩輪(6)組成。電機帶動絞車(15)通過捲筒牽引鋼絲繩(17)，緊繩器(16)保證絞車(15)和聚光器(3)之間的鋼絲繩(17)始終處於張緊狀態，由緊繩器(16)出來的鋼絲繩(17)直接與聚光器(3)一端相固定，另一端繞過軌道(4)末端的尾輪(7)改變方向後再與聚光器(3)另一端固定，數個託繩輪(6)固定在拱頂(5)之上，託住受力的鋼絲繩(17)不接觸棚頂，絞車(15)帶動鋼絲繩(17)牽引聚光器(3)在太陽光跟蹤器(1)的指引下在軌道(4)上沿著溫室拱頂(5)做圓周運動，及時跟蹤太陽，使得滑移式菲涅耳透射式聚光器(3)的中心線總是對準太陽光，從而實現收集太陽光的最大化，最大程度獲取高溫熱能。
圖3是菲涅耳透射式聚光器與半拱形溫室結合實施例圖。半拱形溫室沿東西方向建造，它的聚光面朝南，接收太陽光，滑移式菲涅耳透射式聚光器(3)架設於安裝在半拱形溫室拱頂(20)的軌道(4)上，置於設施農業溫室內部且在軌道(4)圓心位置上的二次聚光器的中心線上(13)置有真空管接收器(12)，收集來自菲涅耳透射式聚光器聚集的太陽光，在真空管接收器(12)附近設置安全隔離裝置(11)，保證行人不受聚光器(3)聚集的光線照射。
圖4是聚光器安裝於溫室內部的實施例圖。溫室內部軌道(21)安裝在溫室拱頂下部，滑移式菲涅耳透射式聚光器(3)架設於溫室內部軌道(21)上，可避免風霜雨雪對聚光器的危害，同時防止灰塵和雨雪積落在聚光器上，保障菲涅耳透射式聚光器(3)的安全有效。