CN101619897B - 准直式太阳能收集装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种准直式太阳能收集装置，包括集热锅炉和布设在集热锅炉周侧的多个集光单元；集热锅炉下部沿圆周方向开有一排多个进光孔且多个进光孔呈均匀布设；多个集光单元的数量与进光孔的数量一致且集光单元的光线输出口与对应的进光孔正对；集光单元由一个始终正对太阳进行聚光的菲涅尔透镜、位于菲涅尔透镜的下方焦点处的光纤耦合元件、与光纤耦合元件相接的光纤束和安装在光纤束光线输出端上且将经光纤束传输而来的散光准直为水平光束后输出的光纤束准直器组成。本发明设计新颖合理、制造安装方便、成本低且使用效果好、光热转换效率高、适用范围广，能耨有效解决现有太阳能收集装置所存在的多种缺陷和不足。

Description

准直式太阳能收集装置

技术领域

本发明涉及一种太阳热能收集装置，尤其是涉及一种准直式太阳能收集装置。

背景技术

现有的太阳热能收集装置主要有以下三种：1)塔式收集装置；2)槽式收集装置；3)碟式收集装置。而太阳热能收集装置在工业应用上主要是用于太阳能发电，因而相应的发电方式也被称作塔式发电、槽式发电和蝶式发电。

实际使用过程中，上述三种太阳热能收集装置各自的特点和存在的不足之处分别在于：

1)塔式收集装置：在地面上布置大量定日镜(一种自动跟踪太阳的球面镜群)，并在上述一群定日镜中的适当位置建立一座高塔，高塔顶上放置锅炉。实际工作时，上述各定日镜均使太阳光聚集成点状，并集中射到锅炉上，使锅炉里的传热介质达到高温，并通过管道传到地面上的蒸汽发生器，继而产生高温蒸汽，再由蒸汽驱动汽轮发电机组发电。因而，塔式收集装置技术特点是：采用高温熔融盐来蓄热储能，聚光比高，容易达到较高的工作温度，且接收器散热面积相对较小，可以得到较高的光热转换效率。但其存在的缺点是：定日镜场的投资太大，由于其跟踪系统复杂，占了整个投资的一半以上；并且锅炉要安装在很高的空中，收集面积越大，塔的高度也越高，塔的投入也越大；塔越高能量传输的距离也就越远，但同时损耗也就越大。

2)槽式收集装置：其是通过抛物面槽式聚光镜面将太阳光汇聚在焦线上，在焦线上安装管状集热器，以吸收聚焦后的太阳辐射能。管内的流体被加热后，流经换热器加热水产生蒸汽，借助于蒸汽动力循环来发电。该装置从早到晚由东向西跟踪太阳连续运转，集热器轴线与焦线平行呈南北向布置。槽式太阳热发电技术的特点是：由于其集热器是一种线聚焦集热器，其聚光比要比塔式聚光低得多，且吸热器散热面积较大，故集热器所能达到的介质工作温度一般不超过400℃，属于太阳能中温热发电系统，这种系统容量可大可小，不像塔式电站那样只有在大容量的情况下才有较好的经济效益。但其存在的缺点是：能量在集中过程中依赖管道和泵，管道系统比塔式电站要复杂得多，热量及阻力损失均较大，降低了系统的净输出功率和效率。

3)碟式槽式收集装置分为碟群式和独立碟式两种，其中碟群式系统复杂，管路及绝热材料的费用很高，因为其局限性，没有得到发展；对于独立碟式发电由于不能进行大规模发电，故不对其进行行业分析。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种准直式太阳能收集装置，其设计新颖合理、制造安装方便、成本低且使用效果好、光热转换效率高、适用范围广，能耨有效解决现有太阳能收集装置所存在的多种缺陷和不足。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种准直式太阳能收集装置，其特征在于：包括水平安装在地面上且能进行光热转换及蓄热储能的集热锅炉和布设在集热锅炉周侧的多个集光单元，所述集光单元的数量为n；所述集热锅炉下部沿圆周方向开有一排多个进光孔，多个进光孔呈均匀布设且进光孔的数量为m，n＝i×m，其中i为正整数且i＝1～400，

个集光单元的光线输出口与一个进光孔相对应；所述集光单元由一个始终正对太阳进行聚光的菲涅尔透镜、位于菲涅尔透镜的下方焦点处且将菲涅尔透镜所聚集光线耦合到光纤上的光纤耦合元件、分别与光纤耦合元件相接且对菲涅尔透镜所聚集光线进行传输并能相应改变光线传输方向的光纤束和安装在光纤束光线输出端上且将经光纤束传输而来的散光准直为水平光束后输出的光纤束准直器组成，光纤耦合元件和光纤束准直器间通过光纤束进行连接，光纤束由多根并行的光纤组成；所述多个集光单元中的菲涅尔透镜组成一个聚光系统，且菲涅尔透镜为能自动跟踪太阳的定日镜；光纤束准直器由外部壳体和竖向固定在外部壳体内部且互不遮挡的多个光线准直用双曲面凸透镜组成，光线准直用双曲面凸透镜的数量与光纤的数量一致，一根光纤与一个光线准直用双曲面凸透镜相对应且各根光纤的光线输出端对应分别位于光线准直用双曲面凸透镜的焦点上。

所述多个光线准直用双曲面凸透镜分布在同一个竖直平面上，且所述双曲面凸透镜与进光孔间的距离为1～50m。

所述多个光线准直用双曲面凸透镜分布在前后两个竖直平面上，且前后两个竖直平面上所布设的光线准直用双曲面凸透镜依次错开。

所述集热锅炉内部中心处设置有一将自进光孔进入的光线挡在集热锅炉内部以提高集热锅炉光热转换效率的挡光块，所述挡光块与进光孔处于同一水平线上。

所述挡光块由上下两个正对固定在一起的挡光件组成，所述挡光件的形状为圆锥形、半球形或正多棱锥形。

所述菲涅尔透镜由去除三氧化二铁的玻璃材料制成且其横截面形状为方形。

所述光纤为能通过全光光源的石英光纤。

所述外部壳体的形状为圆柱形，所述竖直平面为圆形且布设在竖直平面上的多个光线准直用双曲面凸透镜呈均匀布设；所述进光孔为圆形通孔。

所述多个集光单元沿圆周方向布设在集热锅炉周侧。

所述集热锅炉为内热式锅炉，所述光纤的长度为250～300mm。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、设计新颖合理、制造成本低、使用操作简便且收集效果好，具体是先利用永远正对太阳的菲涅尔透镜阵列，建造一个聚光系统；再将聚光系统收集到的阳光导入柔性的专用光纤束，利用光纤的导光特性，可以很容易地改变光路的传输方向；在光纤束的出口端，连接一个能够将光纤输出的散光准直为一个光柱的光纤束准直器，由于经光纤束准直器准直后的光柱直径不大，因而能直射到集热锅炉上的进光口内。布设在集热锅炉周侧的多个集光单元所收集的阳光都能够顺利到达集热锅炉内，不论太阳在哪个方位，光纤束准直器所输出光束都会顺利进入集热锅炉。

2、本发明所用各组件，包括菲涅尔透镜、光纤耦合元件、光纤和光纤束准直器的制备材料均容易获得，能满足大规模使用且所使用的材料寿命长，可以长期使用；同时，菲涅尔透镜、光纤耦合元件、光纤和光纤束准直器都可以做工厂里大规模生产；另外，上述光纤耦合元件、光纤和光纤束准直器制作好以后，可在工厂对三者进行组合并将组合而成的组装件运至安装布设现场即可。所用光纤束中所用光纤的长度为250～300mm，因而所需要的光纤长度较短，费用很低，经光纤束准直器准直后的光束直接在空气中传播，不像传统的塔式太阳能收集装置等均需要铺设大量长度很长的光纤。

3、布设方便，首先将集热锅炉直接安装在地面上；再以安装好的集热锅炉为中心，将多个独立的集光单元布设在集热锅炉周侧，并且集光单元的安装位置与即热锅炉下部所开设的多个进光口相对应，实际布设集光单元时，只要留点空档供工作人员方便通行、利于维修即可。具体布设过程如下：首先，确定集热锅炉的安装位置并对集热锅炉进行安装；其次，以集热锅炉为中心，布设由多个菲涅尔透镜组成的菲涅尔透镜群；之后，在所布设各菲涅尔透镜的焦点处配装光纤耦合元件；最后，根据集热锅炉的位置具体是对应进光口的位置固定光纤束准直器。综上，本发明制造安装容易，不需要在现场大兴土木，因而能大幅降低制造和安装成本。实际使用过程中，可以根据具体需要，相应调整布设在即热锅炉周侧的集光单元的数量以及集光单元与即热锅炉的间距，例如在农村的院落，简单布设几个集光单元就可以组装出一个太阳能灶具。

4、适用范围广，由于本发明使用了柔性光纤束，在阳光传输过程中改变了光路传输方向，因而可将集热锅炉直接安装在地面上，进一步降低了建造成本；同时还可进一步拓宽本发明的适用范围，不仅仅可以发电，还可以作为海水淡化工业用热及民用取暖的补充措施，甚至可以用于冶炼贵重金属。另外，由于集热锅炉安装在地面上，因而可将集热锅炉直接连接发电机进行发电，因而减少了其它收集方法将太阳能收集后再输送给蒸汽发生器进行处理的环节，减少了传输距离，减少了能量损耗，进一步提高了集热锅炉的光热转化效率。以光纤束准直器与集热锅炉间的间距为30m为例，在理论上可以收集以30m为半径周围的阳光，收集阳光的面积就是2826平米。以菲涅尔透镜阵列占总面积的60％计算，留下足够的人行通道，以利维护保养，实际的有效阳光收集面积可以达到1695.6平方米，由于集光单元的集光效率在35％左右，则实际可以接收的采光面积相当于593平方米。以太阳能常数1.353计算收集的功率可以达到702千瓦。

5、集热锅炉的功率非常方便控制，由于本发明采用多个独立且能改变光路传输方向的阳光收集单元即集光单元，再将多个集光单元所收集的光线经准直后从不同方向叠加在一个集热锅炉上，并实现起来很容易，因而实际操作过程中，可根据具体需要，通过改变集光单元的数量达到对集热锅炉功率进行任意调整的目的。

6、光热转换效率高，因为每一集光单元收集的阳光是直径不大的光束，所以光束可以到达集热锅炉的内部，集热锅炉为内热式锅炉，因而能大大提高光热转换效率。同时，本发明中各集光单元成本是相同的，因而若需在收集范围内增大集热锅炉的功率，只需线性增加集光单元的成本即可，这是其它任何太阳能收集方法无法做到的。

7、通过调整菲涅尔透镜阵列的数量及位置，可以将聚光系统的聚光比可以很大，有利于提高太阳能的使用效率。

8、光纤束准直器设计合理且使用效果非常好，具体是将把每一根光纤输出端看作一个点光源，点光源均处于光线准直用双曲面凸透镜的焦点上，因而点光源通过光线准直用双曲面凸透镜后即可变成平行光束。在一块基体材料(去掉三氧化二铁的玻璃)上复合加工出好多微型光线准直用双曲面凸透镜。同时，光纤束准直器输出端是有很多细小光束组成的光柱，容易散热因而不会烧坏光纤束准直器。如需要，光纤束准直器可以做两层，错位透光，减小准直器面积。根据需要准直器还可以做成不同曲面的，按照远近不同配套使用集热锅炉的进光孔可以开的很小，有利于集光锅炉提高光热交换效率。

9、集热锅炉设计合理，集热锅炉内部中心处设置有一将自进光孔进入的光线挡在集热锅炉内部以提高集热锅炉光热转换效率的挡光块，并且挡光块与进光孔处于同一水平线上，因而能进一步提高集热锅炉的光热转换效率。

10、所用菲涅尔透镜的横截面形状为方形，相对于常规的圆形菲涅尔透镜而言，能进一步增大集光面积。

综上所述，本发明设计新颖合理、制造安装方便、成本低且使用效果好、光热转换效率高、适用范围广，能耨有效解决现有太阳能收集装置所存在的多种缺陷和不足。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明集光单元的原理图。

图2为本发明光纤束准直器的结构示意图。

图3为图2的A-A剖视图。

图4本发明集热锅炉的外部结构示意图。

图5本发明集热锅炉的局部剖视图。

图6本发明的整体布设位置示意图。

附图标记说明：

1-菲涅尔透镜；        2-光纤耦合元件；3-光纤束；

3-1-光纤；            4-光纤束准直器；4-1-外部壳体；

4-2-光线准直用双曲面  5-集热锅炉；    5-1-进光孔；

凸透镜；

5-2-挡光块；          5-3-支架；      5-4-锅炉传热管道；

5-5-锅炉炉体；        6-集光单元；

具体实施方式

如图4、图5及图6所示，本发明包括水平安装在地面上且能进行光热转换及蓄热储能的集热锅炉5和布设在集热锅炉5周侧的多个集光单元6，所述集光单元6的数量为n。所述集热锅炉5下部沿圆周方向开有一排多个进光孔5-1，多个进光孔5-1呈均匀布设且进光孔5-1的数量为m，n＝i×m，其中i为正整数且i＝1～400，

个集光单元6的光线输出口与一个进光孔5-1相对应。实际布设时，为方便操作，可将多个集光单元6沿圆周方向布设在集热锅炉5周侧，且所述多个集光单元6呈均匀布设。

结合图1，所述集光单元6由一个始终正对太阳进行聚光的菲涅尔透镜1、位于菲涅尔透镜1的下方焦点处且将菲涅尔透镜1所聚集光线耦合到光纤上的光纤耦合元件2、分别与光纤耦合元件2相接且对菲涅尔透镜1所聚集光线进行传输并能相应改变光线传输方向的光纤束3和安装在光纤束3光线输出端上且将经光纤束3传输而来的散光准直为水平光束后输出的光纤束准直器4组成，光纤耦合元件2和光纤束准直器4间通过光纤束3进行连接。所述光纤束3由多根并行的光纤3-1组成。所述多个集光单元6中的菲涅尔透镜1组成一个聚光系统，且菲涅尔透镜1为能自动跟踪太阳的定日镜。结合图2、图3，光纤束准直器4由外部壳体4-1和竖向固定在外部壳体4-1内部且互不遮挡的多个光线准直用双曲面凸透镜4-2组成，光线准直用双曲面凸透镜4-2的数量与光纤3-1的数量一致，一根光纤3-1与一个光线准直用双曲面凸透镜4-2相对应且各根光纤3-1的光线输出端对应分别位于光线准直用双曲面凸透镜4-2的焦点上。本实施例中，所述菲涅尔透镜1由去除三氧化二铁的玻璃材料制成且其横截面形状为方形，所述光纤3-1为能通过全光光源的石英光纤且其长度为250～300mm。所述集热锅炉5为内热式锅炉。

所述多个光线准直用双曲面凸透镜4-2既可以分布在同一个竖直平面上，也可以分布在前后两个竖直平面上，且前后两个竖直平面上所布设的光线准直用双曲面凸透镜4-2依次错开。实际加工制作时，可在一块或前后两块三氧化二铁的玻璃基体材料上加工出多个光线准直用双曲面凸透镜4-2。本实施例中，所述多个光线准直用双曲面凸透镜4-2分布在同一个竖直平面上，且所述双曲面凸透镜4-2与进光孔5-1间的距离为1～50m，实际布设时可将双曲面凸透镜4-2与进光孔5-1间的距离在1～50m范围内进行调整。所述双曲面凸透镜4-2与进光孔5-1间的最佳距离为30～35m。

所述集热锅炉5内部中心处设置有一将自进光孔5-1进入的光线挡在集热锅炉5内部以提高集热锅炉5光热转换效率的挡光块5-2，所述挡光块5-2与进光孔5-1处于同一水平线上。所述挡光块5-2由上下两个正对固定在一起的挡光件组成，所述挡光件的形状为圆锥形、半球形或正多棱锥形。

本实施例中，所述外部壳体4-1的形状为圆柱形，所述竖直平面为圆形且布设在竖直平面上的多个光线准直用双曲面凸透镜4-2呈均匀布设；所述进光孔5-1为圆形通孔。所述挡光块5-2通过固定在集热锅炉5底部的支架5-3进行支撑固定。另外，所述多个光线准直用双曲面凸透镜4-2分布在同一个圆形竖直平面上，具体是分布在一块圆形的玻璃基体材料上。所述挡光件的形状为圆锥形且其底部直径为所述圆形通孔直径的3倍，并且所述圆形通孔的直径为圆柱形外部壳体4-1直径的2～5倍。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (10)

1.一种准直式太阳能收集装置，其特征在于：包括水平安装在地面上且能进行光热转换及蓄热储能的集热锅炉(5)和布设在集热锅炉(5)周侧的多个集光单元(6)，所述集光单元(6)的数量为n；所述集热锅炉(5)下部沿圆周方向开有一排多个进光孔(5-1)，多个进光孔(5-1)呈均匀布设且进光孔(5-1)的数量为m，n＝i×m，其中i为正整数且i＝1～400，

个集光单元(6)的光线输出口与一个进光孔(5-1)相对应；所述集光单元(6)由一个始终正对太阳进行聚光的菲涅尔透镜(1)、位于菲涅尔透镜(1)的下方焦点处且将菲涅尔透镜(1)所聚集光线耦合到光纤上的光纤耦合元件(2)、分别与光纤耦合元件(2)相接且对菲涅尔透镜(1)所聚集光线进行传输并能相应改变光线传输方向的光纤束(3)和安装在光纤束(3)光线输出端上且将经光纤束(3)传输而来的散光准直为水平光束后输出的光纤束准直器(4)组成，光纤耦合元件(2)和光纤束准直器(4)间通过光纤束(3)进行连接，光纤束(3)由多根并行的光纤(3-1)组成；所述多个集光单元(6)中的菲涅尔透镜(1)组成一个聚光系统，且菲涅尔透镜(1)为能自动跟踪太阳的定日镜；光纤束准直器(4)由外部壳体(4-1)和竖向固定在外部壳体(4-1)内部且互不遮挡的多个光线准直用双曲面凸透镜(4-2)组成，光线准直用双曲面凸透镜(4-2)的数量与光纤(3-1)的数量一致，一根光纤(3-1)与一个光线准直用双曲面凸透镜(4-2)相对应且各根光纤(3-1)的光线输出端对应分别位于光线准直用双曲面凸透镜(4-2)的焦点上。

2.按照权利要求1所述的准直式太阳能收集装置，其特征在于：所述多个光线准直用双曲面凸透镜(4-2)分布在同一个竖直平面上，且所述双曲面凸透镜(4-2)与进光孔(5-1)间的距离为1～50m。

3.按照权利要求1所述的准直式太阳能收集装置，其特征在于：所述多个光线准直用双曲面凸透镜(4-2)分布在前后两个竖直平面上，且前后两个竖直平面上所布设的光线准直用双曲面凸透镜(4-2)依次错开。

4.按照权利要求2或3所述的准直式太阳能收集装置，其特征在于：所述集热锅炉(5)内部中心处设置有一将自进光孔(5-1)进入的光线挡在集热锅炉(5)内部以提高集热锅炉(5)光热转换效率的挡光块(5-2)，所述挡光块(5-2)与进光孔(5-1)处于同一水平线上。

5.按照权利要求4所述的准直式太阳能收集装置，其特征在于：所述挡光块(5-2)由上下两个正对固定在一起的挡光件组成，所述挡光件的形状为圆锥形、半球形或正多棱锥形。

6.按照权利要求1、2或3所述的准直式太阳能收集装置，其特征在于：所述菲涅尔透镜(1)由去除三氧化二铁的玻璃材料制成且其横截面形状为方形。

7.按照权利要求1、2或3所述的准直式太阳能收集装置，其特征在于：所述光纤(3-1)为能通过全光光源的石英光纤。

8.按照权利要求5所述的准直式太阳能收集装置，其特征在于：所述外部壳体(4-1)的形状为圆柱形，所述竖直平面被外部壳体限定的部分为圆形且布设在竖直平面上的多个光线准直用双曲面凸透镜(4-2)呈均匀布设；所述进光孔(5-1)为圆形通孔。

9.按照权利要求1、2或3所述的准直式太阳能收集装置，其特征在于：所述多个集光单元(6)沿圆周方向布设在集热锅炉(5)周侧。

10.按照权利要求1、2或3所述的准直式太阳能收集装置，其特征在于：所述集热锅炉(5)为内热式锅炉，所述光纤(3-1)的长度为250～300mm。

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