均勻聚焦式太陽能收集系統的製作方法

2023-05-31 12:48:41 1

專利名稱：均勻聚焦式太陽能收集系統的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種太陽能收集裝置，特別涉及一種具有消除一維跟蹤系統光線 斜射而導致焦線側移的、可以採用一套驅動控制系統實現平面二維拓展的均勻聚焦式太陽 能接收裝置。
背景技術：
太陽能作為一種新能源，取之不盡，用之不竭，同時由於太陽能是一種潔淨的能 源，在開發利用時，不會產生廢渣、廢水、廢氣、也沒有噪音，更不會影響生態平衡，絕對不會 造成汙染和公害，因此在高倡環保的今天，廣為被人們所青睞。太陽能的開發利用已具有 一段時間，為了獲得更多的能量，更高的系統運行溫度，目前中高溫太陽能系統，均採用反 光鏡匯聚收集太陽能，反光鏡大多採用拋物面形的曲面鏡，或者由拋物面、漸開線曲面等多 個曲面複合的反光鏡組合而，其中目前以槽式系統最為典型，最具有市場規模，商業化程度 最高。目前大規模聚焦式太陽能收集系統，為了解決跟蹤太陽過程中光斑丟失的問題，必 須採用成本較高的高精度的，並且配備複雜控制算法在內的伺服控制系統對其進行跟蹤控 制；目前世界上通用的太陽能跟蹤系統大都需要根據安放點的經緯度等信息計算一年中的 每一天的不同時刻太陽所在的角度等信息存儲到PLC、單片機或電腦等控制系統中，也就是 靠根據天體運動規律計算太陽位置以實現跟蹤，該種控制策略稱為天文模型跟蹤策略，採 用天文模型控制的系統，需要當地的經緯度數據和準確時間等信息，甚至鏡片陣列安裝的 具體角度等參數都會很大程度上影響系統運行，安裝前需要採集大量數據，一旦安裝，就不 便移動或裝拆，每次移動完就必須重新設定數據和調整各個參數；而且該種控制策略常常 被一年中太陽日變化的影響所困擾，難以解決；採用實時傳感器等控制策略的跟蹤系統，常 常由於複雜的天氣因素等而跑飛，可靠性受到挑戰；高精度跟蹤系統原理、電路、技術、設備 都很複雜，非專業人士不能夠隨便操作，大大增加了精確跟蹤的成本和技術難度；同時，採 用連續曲面鏡作為匯聚器的反射鏡面，必須採用大規模精準模具進行加工製造，生產難度 和成本都較高，而且易損壞，不容易維護，為了提高強度，增加龐大的輔助機構。跟蹤模式一般分為一維跟蹤和二維跟蹤模式，從單體角度講，二維跟蹤可以收集 更多能量，可是從大規模鏡場角度看，不再具有很大的優勢了，而且成本高，難度大；一維跟 蹤模式，存在早、晚或者冬、夏陽光斜射時，陣列端部光斑移出集熱器和存在無光斑區(稱為 端部光斑側移)，而降低系統收集能力，特別是較短的陣列，端部光斑側移影響更大。針對上述不足，需探索一種新的槽式CSP太陽能接收裝置，使其在保留原有功能 的基礎上，改善和克服上述缺點。
發明內容有鑑於此，本實用新型提供一種槽式CSP太陽能接收裝置，使其避免採用大片連 續曲面鏡作為匯聚器，大大降低匯聚器的製作成本；同時，優化設計匯聚器與集熱器相對參 數，只需採用簡易跟蹤，甚至不跟蹤的情況下即可實現太陽能接收裝置長時間的全功率運行，避免採用複雜昂貴的高精度複雜控制算法的伺服跟蹤系統，增強該太陽能收集系統的 普適性，降低製作難度和成本；除了鏡片陣列組端部進行陽光向集熱器軸線匯聚外，還採用 與前一種匯聚垂直的匯聚設計，減弱甚至消除端部光斑側移影響。本實用新型的目的是通過以下技術方案實現的一種均勻聚焦式太陽能收集系 統，包括匯聚器和集熱器，所述匯聚器包括安裝面呈凹槽形的鏡架、設置在鏡架上的平面 反光鏡複合體，平面反光鏡複合體包括平面反光鏡I和平面反光鏡II，平面反光鏡I和平 面反光鏡II沿鉸接軸鉸接形成合葉結構，平面反光鏡I和平面反光鏡II之間的夾角α為 160° 180°，平面反光鏡複合體的鉸接軸與鏡架的軸線垂直；所述集熱器設置在匯聚器 光線匯聚區內。進一步，所述平面反光鏡複合體為至少兩個，對稱設置在鏡架上形成反光鏡陣 列；進一步，所述鏡架的安裝面為拋物面形或由兩平面組合而成的V字形。進一步，所述集熱器為表面設置光能轉換吸收層的集熱管，集熱管的軸線與匯聚 器光線匯聚區的焦線重合，集熱管外設置一端開口的透明真空桶；進一步，所述集熱管為至少兩個，且其軸線互相平行設置；進一步，過平面反光鏡複合體的鉸接軸兩端與集熱管的軸線相垂直、且與集熱管 表面相切的兩條直線形成的夾角β為0. 1度 23. 5度；進一步，還包括跟蹤系統，所述跟蹤系統包括配置同軸光電編碼器的驅動電機、與 驅動電機相連的一級減速機、通過傳動軸與一級減速機相連的二級減速機、與二級減速機 相連的三級渦輪減速機和主傳動軸，三級渦輪減速機通過搖臂與主傳動軸相連。本實用新型的有益效果在於第一，本發明的均勻聚焦式太陽能收集系統，與傳統的太陽能收集系統相比，匯聚 器採用了多個平面反光鏡複合體組合而成，而每個平面反光鏡複合體形成均勻的長條形反 射光斑，使平行於匯聚器對稱軸入射的光線準確匯聚到集熱器上，形成匯聚倍數均勻且受 控的匯聚光斑，為對匯聚倍數敏感的太陽能電池板提供一款較理想的匯聚反射器，也有利 於光熱轉換的集熱管長期可靠工作。第二，集熱器尺寸、平面反光鏡複合體的尺寸以及他們之間的相對位置等參數都 可以根據需要進行系統化設計優化，特別是根據實際工況需要，可以設計夾角β為0.1 度 23. 5度之間，實現太陽入射方位角在變化的時候，即使偏離匯聚器對稱軸平面一定角 度，仍然可以使匯聚器反射太陽光入射到集熱器上，繼續接收太陽能，從而能夠保證本發明 的均勻聚焦式太陽能收集系統在不進行跟蹤或者僅進行簡易跟蹤的情況下能夠長時間全 功率運行，消除或者大大降低了跟蹤系統的控制難度，節約了控制成本，提高了運行效率；第三，由於本發明的太陽能收集系統採用平面反光鏡複合體進行太陽能匯聚，相 對傳統太陽能的匯聚器採用連續曲面鏡而言，本發明採用普通平面鏡排列，形成近似曲面 反光鏡匯聚器，避免採用製作曲面鏡模具，大大降低了匯聚器的生產成本；同時，大大降低 了施工過程中的技術難度和工藝成本。
以下結合附圖和實施例對本實用新型作進一步描述；[0018]附


圖1為實施例1的結構示意圖；附圖2為實施例2的結構示意圖；附圖3為平面反光鏡複合體2的結構示意圖；附圖4為實施例1的平面反光鏡複合體2在鏡架1上的分布結構圖；附圖5為集熱器示意圖；附圖6為本實用新型跟蹤系統的傳動機構示意圖。
具體實施方式
附
圖1為實施例1的結構示意圖；附圖2為實施例2的結構示意圖；附圖3為平面 反光鏡複合體2的結構示意圖；附圖4為實施例1的平面反光鏡複合體2在鏡架1上的分 布結構圖；附圖5為集熱器示意圖；附圖6為本實用新型跟蹤系統的傳動機構示意圖。如圖 所示一種均勻聚焦式太陽能收集系統，包括匯聚器和集熱器，所述匯聚器包括呈凹槽形的 鏡架1、設置在鏡架1上的平面反光鏡複合體2，平面反光鏡複合體2包括平面反光鏡I 21 和平面反光鏡II 22，平面反光鏡I 21和平面反光鏡II 22沿鉸接軸23鉸接形成合葉結構， 平面反光鏡I 21和平面反光鏡II 22之間的夾角α為160° 180°，平面反光鏡複合體 2的鉸接軸23與鏡架1的軸線垂直；所述集熱器設置在匯聚器光線匯聚區內。實施例1，本實施例的均勻聚焦式太陽能收集系統，包括匯聚器和集熱器，所述匯聚器包括 安裝面呈拋物面形的鏡架1和設置在鏡架1上的平面反光鏡複合體2，平面反光鏡複合體2 包括平面反光鏡I 21和平面反光鏡II 22，平面反光鏡I 21和平面反光鏡II 22沿鉸接軸23 鉸接形成合葉結構，具體分布情況為(如說明書附圖4所示):鏡架1沿軸向的中間部分平面 反光鏡複合體的平面反光鏡I 21和平面反光鏡II 22之間的夾角α為180° (此時平面反 光鏡I 21和平面反光鏡II 22位於同一平面內，等效為一個大平面反光鏡鏡)，鏡架1軸向兩 端的平面反光鏡複合體的平面反光鏡I 21和平面反光鏡II 22之間的夾角α為160° (此 時平面反光鏡I 21和平面反光鏡II 22形成ν字形，該結構能夠有效減弱太陽光斜射到匯 聚器上，引起匯聚器端部的上方的集熱器一端無入射光斑，另一端入射光斑超出集熱器的 斜射光斑側移效應，最大限度地使反射光線匯聚到集熱器上)，平面反光鏡複合體2的鉸接 軸23與鏡架1的軸線垂直；所述集熱器設置在匯聚器光線匯聚區內。本實施例中，所述平 面反光鏡複合體2為36個，均布在鏡架1的拋物面內，形成列陣。本實施例的均勻聚焦式 太陽能收集系統，與傳統的太陽能收集系統相比，匯聚器採用了多個平面反光鏡複合體組 合而成，可以根據集熱器大小、平面反光鏡單體的尺寸、匯聚器和收集器之間的距離等參數 的不同設計而單獨調整每個平面反光鏡複合體或者每單片平面反光鏡的位置與角度，使平 行於匯聚器對稱軸入射的光線準確匯聚於集熱管上，形成匯聚倍數均勻、可控的光斑，最大 限度的收集太陽光能，使其在太陽相對運動過程中能夠保證本發明的均勻聚焦式太陽能收 集系統在不進行跟蹤的情況下能夠4一8小時的全功率運行，消除了跟蹤系統的控制難度， 節約了控制成本，提高了運行效率；而且，由於本實施例的太陽能收集系統採用平面反光鏡 單體進行太陽能匯聚，相對傳統太陽能的匯聚器採用曲面鏡而言，本實施例採用普通平面 鏡單體排列成列陳，形成近似曲面反光鏡匯聚器，避免採用曲面鏡製作模具，大大降低了匯 聚器的生產成本；同時，由於平面鏡單體的位置和角度可以根據需要靈活調整，大大降低了施工過程中的技術難度和工藝成本。實施例2，本實施例的均勻聚焦式太陽能收集系統，包括匯聚器和集熱器，所述匯聚器包括 安裝面呈V字形的鏡架1和設置在鏡架1上的平面反光鏡複合體2，平面反光鏡複合體2包 括平面反光鏡I 21和平面反光鏡II 22，平面反光鏡I 21和平面反光鏡II 22沿鉸接軸23 鉸接形成合葉結構，平面反光鏡I 21和平面反光鏡II 22之間的夾角α為170° (此時平 面反光鏡複合體2為一相互對稱的V字形，沿鏡架1的軸線排列)，採用V字形平面反光鏡 複合體2能夠防止上午或者下午時段太陽光匯聚產生的偏差，最大限度地使反射光線匯聚 到集熱器上，平面反光鏡複合體2的鉸接軸23與鏡架1的軸線垂直；所述集熱器設置在匯 聚器光線匯聚區內。本實施例中，所述平面反光鏡複合體2為36個，均布在鏡架1的V字 形安裝面內，形成列陣。採用本實施例的技術方案，在不採用跟蹤系統的同時，能夠達到每 天3到6小時全功率運行。本實施例的技術方案，除了有實施例1的上述優點外，還具有鏡 架1的製造容易，施工要求低，容易控制，節約成本低等優點。作為對上述兩實施例的進一步改進，所述集熱器為表面設置光能轉換吸收層的集 熱管3，集熱管3的軸線與匯聚器光線匯聚區的焦線重合，集熱管3外設置一端開口的透明 真空桶31 ；本實施例中，所述集熱器表面設置光熱轉化膜，用於將集熱管吸收的光能轉換 為熱能傳遞給工質，加以利用；當然，光能轉換吸收層不限於光熱轉化膜，也可以是光電轉 化層等其他光能綜合轉化層。透明真空桶31用於外保溫，降低集熱管熱量損失。作為對上述兩實施例的進一步改進，所述集熱管3為至少兩個，且其軸線平行設 置。本實施例中集熱管3為5個，其中一集熱管軸線與匯聚器焦線重合，其餘四個集熱管分 布在其周圍，可以在入射光線與匯聚器對稱軸呈一定角度時，使入射過來的光線也可以匯 聚在集熱管上，提供光線命中率，降低跟蹤精度要求，提高光能轉化率。作為對上述兩實施例的進一步改進，過平面反光鏡複合體2的鉸接軸23兩端與集 熱管3的軸線相垂直、且與集熱管3表面相切的兩條直線形成的夾角β為8度。合理控制 平面反光鏡複合體的位置和角度，以降低控制系統精度要求，甚至不進行跟蹤控制或者進 行簡易跟蹤控制即可實現長時間全功率運行。作為對上述兩實施例的進一步改進，還包括跟蹤傳動系統，所述跟蹤傳動系統包 括配備同軸光電編碼器的驅動電機4、一級減速機5、一級傳動軸、二級減速機6、二級傳動 軸、三級渦輪減速機7、主傳動軸8和搖臂。驅動電機4直接與一級減速機5相連，一級減 速機5通過一級傳動軸10與二級減速機6相連，二級減速機6通過二級傳動軸11三級渦 輪減速機7相連，三級渦輪減速機7通過搖臂與主傳動軸8相連，匯聚器和集熱器固定在主 傳動軸8上。一級減速機5可以向2個方向伸出一級傳動軸，與二級減速機6相連；二級減 速機6可以向2個方向伸出二級傳動軸，與三級渦輪減速機7相連，而且二級傳動軸可以穿 過三級渦輪減速機7繼續拓展連接下一個三級渦輪減速機7。電機經過2級減速和3級減 速，將動力傳到主傳動軸8，帶動鏡片陣列(鏡片和鏡架)和集熱管3運動，跟蹤太陽運行，收 集能量；電機的轉動經過一級減速後，形成中低速轉動(數十轉每分鐘的轉速)，可以通過機 械傳動軸，實現一臺電機拖動遠處的多組鏡片主軸陣列；採用渦輪減速機，可以實現平面內 向垂直的4個方向拓展延伸，拖動不同的鏡片陣列；減速機與安裝鏡片陣列的傳動主軸通 過曲柄搖臂連接，通過優化設計曲柄搖臂長度參數，可以消除不平衡扭矩，使傳動系統處於很小的不平衡扭矩狀態。 最後說明的是，以上實施例僅用以說明本實用新型的技術方案而非限制，儘管參 照較佳實施例對本實用新型進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，可以對本 實用新型的技術方案進行修改或者等同替換，而不脫離本實用新型技術方案的宗旨和範 圍，其均應涵蓋在本實用新型的權要求範圍當中。
權利要求1.一種均勻聚焦式太陽能收集系統，包括匯聚器和集熱器，其特徵在於所述匯聚器 包括安裝面呈凹槽形的鏡架(1)、設置在鏡架(1)上的平面反光鏡複合體(2)，平面反光鏡 複合體(2)包括平面反光鏡I (21)和平面反光鏡II (22)，平面反光鏡I (21)和平面反光 鏡II (22 )沿鉸接軸(23 )鉸接形成合葉結構，平面反光鏡I (21)和平面反光鏡II (22 )之間 的夾角α為160° 180°，平面反光鏡複合體(2)的鉸接軸(23)與鏡架(1)的軸線垂直; 所述集熱器設置在匯聚器光線匯聚區內。
2.根據權利要求1所述的均勻聚焦式太陽能收集系統，其特徵在於所述平面反光鏡 複合體(2)為至少兩個，對稱設置在鏡架(1)上形成反光鏡陣列。
3.根據權利要求1所述的均勻聚焦式太陽能收集系統，其特徵在於所述鏡架(1)的安 裝面為拋物面形或由兩平面組合而成的V字形。
4.根據權利要求1所述的均勻聚焦式太陽能收集系統，其特徵在於所述集熱器為表 面設置光能轉換吸收層的集熱管(3)，集熱管(3)的軸線與匯聚器光線匯聚區的焦線重合， 集熱管(3)外設置一端開口的透明真空桶(31 )。
5.根據權利要求1所述的均勻聚焦式太陽能收集系統，其特徵在於所述集熱管(3)為 至少兩個，且其軸線互相平行設置。
6.根據權利要求1所述的均勻聚焦式太陽能收集系統，其特徵在於過平面反光鏡復 合體(2)的鉸接軸兩端與集熱管(3)的軸線相垂直、且與集熱管(3)表面相切的兩條直線形 成的夾角β為0. 1度 23. 5度。
7.根據權利要求1所述的均勻聚焦式太陽能收集系統，其特徵在於還包括跟蹤系 統，所述跟蹤系統包括配置同軸光電編碼器的驅動電機(4)、與驅動電機相連的一級減速機 (5)、通過傳動軸與一級減速機相連的二級減速機(6)、與二級減速機相連的三級渦輪減速 機(7)和主傳動軸(8)，三級渦輪減速機通過搖臂與主傳動軸(8)相連。
專利摘要本實用新型提供了一種均勻聚焦式太陽能收集系統，包括匯聚器和集熱器，匯聚器包括安裝面呈凹槽形的鏡架和平面反光鏡複合體，平面反光鏡複合體包括平面反光鏡Ⅰ和平面反光鏡Ⅱ，平面反光鏡Ⅰ和平面反光鏡Ⅱ鉸接形成合葉結構，平面反光鏡Ⅰ和平面反光鏡Ⅱ之間的夾角α為160°～180°，平面反光鏡複合體的鉸接軸與鏡架的軸線垂直；所述集熱器設置在匯聚器光線匯聚區內；平面反光鏡複合體形成長方形反射光斑，使平行於匯聚器對稱軸入射的光線準確匯聚於位於光線匯聚區內焦線上的集熱管上，形成匯聚倍數均勻、且匯聚倍數可控的光斑，使其在不進行跟蹤或者僅進行簡易跟蹤的情況下能夠長時間全功率運行，而且，採用平面鏡成本低、製造難度小。
文檔編號F24J2/16GK201926146SQ201020687328
公開日2011年8月10日 申請日期2010年12月29日 優先權日2010年12月29日
發明者徐英振, 李偉, 李忠雙, 王海龍 申請人:李忠雙