CN101737279B - 塔式太阳能热发电系统的聚光瞄准装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种塔式太阳能热发电系统的聚光瞄准装置，包括激光束发生器、取光投射机构和投射驱动机构；所述的激光束发生器固定设置在围绕高塔的太阳能聚光器上，且位于太阳能聚光器的反射镜的转动中心，各个太阳能聚光器上的激光束发生器依次发出对准高塔太阳能灶的激光束；所述的取光投射机构和投射驱动机构设置在激光束光路附近，取光投射机构为投射反射镜或折射镜，在激光束发生器发出激光束时，投射驱动机构驱动取光投射机构运动到激光束的光路上，通过取光投射机构将激光束反射或折射到检光屏上。

Description

塔式太阳能热发电系统的聚光瞄准装置

技术领域

本发明涉及塔式太阳能热发电系统，具体地说是塔式太阳能热发电系统的聚光瞄准装置。

背景技术

太阳能热发电系统，不耗用化石能源，无污染物排放，是与生态环境和谐的清洁能源利用系统。目前槽式、塔式和碟式太阳能热发电系统同样受到世界各国的重视，并正在积极开展工作。而塔式系统以其规模大、热损耗小和温度高等特点已初步显露出优势。

塔式太阳能热发电系统主要由聚光系统，吸、换热系统，储热系统和发电系统四部分组成，其中聚光系统包括反射镜、支撑结构、传动装置和跟踪控制系统。一个大型塔式太阳能发电站需要成千上万套定日镜，其成本要占据发电站建设总成本的一半以上，而传动装置是定日镜中最关键也是成本最高的部件。定日镜和跟踪控制系统的效率及其成本很大程度上影响热电站的性价比，是构建太阳能热电站中需要着重考虑的因素。

定日镜的作用是收集太阳辐射能并将其汇聚到集热器处，它由按一定方式排列的可绕双轴跟踪的定日镜组成，每个定日镜通过绕轴转动跟踪太阳并将辐射到其表面的太阳能反射到塔顶集热器，完成聚光的目的。塔式太阳能热发电系统采用光-热-电转化的工艺路线，即先将太阳能转化为热能，再将热能转化为电能。通过太阳能分级分段加热，先采用普通太阳能集热器使水低段加热，再由聚光式太阳能集热器加热至中温，再由跟踪聚光式太阳能高温加热器加热至高温。由高温蒸汽驱动汽轮发电机进行发电，实现高效热电转换。无论从聚光系统的效率、集热效率方面考虑，还是从整个电站的成本角度考虑，在塔式太阳能热电站中的核心部分，就是如何使定日镜精确地自动跟踪太阳转动，使辐射到其表面的太阳能量最大化。

专利名称：太阳能塔式聚焦高温集热蒸汽锅炉一汽轮机发电装置，专利申请号：200710137412.X，公开了一种太阳能塔式聚焦高温集热蒸汽锅炉一汽轮机发电装置，根据具体地形布置和热需求量建一高塔，塔顶安装太阳能蒸汽锅炉。在高塔周围的地面上，排列安装n个各由平面反光板、太阳追踪传感器及其控制机构组成的太阳能集热单元(专利申请号：200720147395.3，专利名称：《一种自动跟踪太阳的球面聚焦集热器》，把该装置的球面聚焦集热器改作平面集热板，其余机构不变)。在阳光下，各太阳能集热单元各自自动跟踪太阳(专利申请号：200720147527.2，专利名称：《一种五级自动测光的太阳追踪传感器》，稍作改动)，使得把不同位置的太阳光线均反射到焦点处-太阳能蒸汽锅炉周围。

专利名称：太阳能聚光器，专利号：200720194506.6公开了一种独臂式支撑的聚光器，它包括反射镜和支撑运转结构。

专利名称：一种定日镜传动装置，专利号：200820122275.2公开了一种容易装配的定日镜传动装置。

专利名称：塔式太阳能热发电中定日镜自动跟踪太阳轨迹的控制装置，专利号：200820108771.2公开了一种塔式太阳能热发电中定日镜自动跟踪太阳轨迹的控制装置，可以使定日镜精确的全自动跟踪太阳运行轨迹，使辐射到定日镜表面的太阳能量最大化，提高聚光系统的聚热效率。

塔式太阳能热发电系统已经经历了三十年的发展，但在现实生活中却仍然很少被应用。主要是因为反射光瞄准聚焦目标太困难。现有技术中都是使用空间几何方法计算反射镜的角度，由于太阳的东升西落，在地球上的不同位置太阳的角度也不一样，使用现有的空间几何方法计算反射镜角度的变化，其数学模型特别复杂，技术要求也高，特别是一个地区计算后数据并不能应用在其他地方的塔式太阳能热发电系统上，因此大规模产业化有很大困难。

发明内容

本所要解决的技术问题是针对上述现有技术现状，提供一种塔式太阳能热发电系统的聚光瞄准装置，克服了以往采用空间几何方法计算反射镜聚焦角度中数学模型特别复杂，技术要求高，难以大规模产业化的技术难题。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：塔式太阳能热发电系统的聚光瞄准装置，包括激光束发生器、取光投射机构和投射驱动机构。激光束发生器固定设置在围绕高塔的太阳能聚光器上，且位于太阳能聚光器的反射镜的转动中心，各个太阳能聚光器上的激光束发生器依次发出对准高塔太阳能灶的激光束。取光投射机构和投射驱动机构设置在激光束光路附近，取光投射机构为投射反射镜或折射镜，在激光束发生器发出激光束时，投射驱动机构驱动取光投射机构运动到激光束的光路上，通过取光投射机构将激光束反射或折射到检光屏上。

为优化上述技术方案，采取的措施还包括：

上述投射驱动机构包括支撑臂、旋转臂、驱动电机和限位块，所述的取光投射机构固定设置在旋转臂的自由端，旋转臂的另一端固定连接有旋转轴，所述的旋转轴转动设置在支撑臂的轴承内，并与驱动电机的动力输出轴相连接，驱动电机驱动旋转臂转动至限位块限定位置，使取光投射机构位于激光束光路上，将激光束以及太阳反射光投射到检光屏上。

上述的取光投射机构可以是至少一块的平面镜，将激光束以及太阳反射光反射到检光屏上。

上述的取光投射机构可以是至少一块的三棱镜，将激光束以及太阳反射光折射到检光屏上。

上述的支撑臂上转动设置有第二旋转臂和第二驱动电机，第二旋转臂连接有第二取光投射机构，第二取光投射机构为平面镜或凹面镜，在激光束发生器发出激光束时，将激光束和太阳反射光反射到太阳能聚光器上的第二检光屏。

上述的太阳能聚光器为独臂式太阳能聚光器，所述激光束发生器固定设置在独臂式太阳能聚光器的转轴中心。

上述的独臂式太阳能聚光器包括与基座相配装能水平旋转的转筒，驱动转筒旋转的第三电机，铰接在转筒上端的俯仰转臂，俯仰转臂的自由端通过支架固定有反射镜，在俯仰转臂的中部通过万向节连接有转动调节臂，所述的转动调节臂制有齿条，并与第四电机上的齿轮啮合，在俯仰转臂的铰接端固定有所述的激光束发生器。

上述的太阳能聚光器还可以是包括反射镜，在反射镜的旋转中心设置有定位万向节座，定位支撑杆上端设置有与定位万向节座相配合的定位万向节接头，在反射镜的旋转中心处以及定位万向节座上设置有通孔，激光束发生器设置在定位万向节接头上并通过该通孔发出激光束；在反射镜的上部一侧设置由液压缸和活塞杆组成的第一调节支撑杆，调节支撑杆的上端通过万向节连接反射镜，调节支撑杆的下端通过万向节连接底座，在反射镜的下部另一侧设置有第二调节支撑杆。

上述的检光屏安装在高塔的侧壁上。

与现有技术相比，本发明塔式太阳能热发电系统的聚光瞄准装置以对准聚焦目标的激光束为标准，根据太阳的移动，分时将每个太阳能聚光器的太阳反射光的方向和激光束的方向投射比较，以改变太阳能聚光器的转动角度，使太阳反射光与激光束方向一致，从而准确聚焦。该聚光瞄准装置结构简单，设计巧妙，可方便地将激光束和太阳反射光投射取样，使塔式太阳能热发电系统不再需要经过数学计算得出太阳能聚光器的转动角度，促进塔式太阳能热发电系统的大规模应用。

附图说明

图1是本发明原理示意图；

图2是本发明实施例1的结构示意图；

图3是本发明实施例1的第二取光投射机构工作状态结构示意图；

图4是本发明实施例2的结构示意图；

图5是本发明实施例2的第二取光投射机构工作状态结构示意图.

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例作进一步详细描述。

图1至图5所示为本发明的结构示意图。

其中的附图标记为：激光束发生器1、取光投射机构2、平面镜201、三棱镜202、第二取光投射机构2a、投射驱动机构3、支撑臂301、旋转臂302、驱动电机303、限位块304、第二旋转臂305、第二驱动电机306、太阳能聚光器4、反射镜401、反射镜401、基座402、转筒403、第三电机404、俯仰转臂405、支架406、转动调节臂407、第四电机408、定位万向节座409、定位支撑杆410、定位万向节接头410a、第一调节支撑杆411、液压缸411a、活塞杆411b、底座412、第二调节支撑杆413、检光屏5、第二检光屏5a、聚焦目标6、高塔7。

如图1的原理示意图所示，本发明的塔式太阳能热发电系统的聚光瞄准装置，采用在太阳光反射镜401的转动中心位置向聚焦目标6发射一条激光束。再用三棱镜202、平面反射镜201等光学器件作为取光投射机构2，把激光束连同反射的太阳光一起投射到检光屏5上，检测投射在检光屏5上的激光束光斑和太阳反射光光斑，根据光线直线传播的特性，通过实时调整激光束光斑和太阳反射光光斑之间的距离，使太阳反射光与激光束的传播方向一致。

激光束发生器1位于太阳能聚光器4的反射镜401的转动中心，且不随反射镜401的转动而转动，保持瞄准聚焦目标6的状态，因此只要保证太阳反射光与激光束的方向一致，太阳反射光就可准确对准聚焦目标6。

通过取光投射机构2，可将射向聚焦目标6的激光束及太阳反射光折射或反射到检光屏5上，如果激光束和太阳反射光的传播方向不一致，在检光屏5上便会分立的激光束光斑和太阳反射光光斑。通过检光屏5的光识别及控制系统的处理，便可控制太阳能聚光器4的反射镜401转动，直至太阳反射光光斑与激光束光斑重合，此时太阳反射光的传播方向便与激光束的传播方向一致，可以准确聚焦到高塔7上的目标。

塔式太阳能热发电系统具有围绕高塔7的多个太阳能聚光器4，检光屏5通常设置在高塔7上，环绕高塔7一周。由于检光屏5与聚焦目标6比较接近，而采用取光投射机构2投射的太阳反射光光斑与激光束光斑，在太阳能聚光器4的角度有略微偏差时，便有很大的差别，因此本发明的聚光准确度非常高。当然检光屏5也可设置在其他容易投射的位置。

在同一时刻，不能有两个太阳聚光器投射到检光屏5上，否则，就无法检测。因此各个太阳能聚光器4的激光束是依次发出的，在某个太阳能聚光器4的激光束发出时，取光投射机构2便运动到激光束光路上，进行太阳反射光的瞄准作业，而其他太阳能聚光器4的瞄准装置则处于关闭状态。通过对各个太阳能聚光器4的依次瞄准对焦，可保证整个塔式太阳能热发电系统的太阳能聚光器4都能实时的对准聚焦目标6。

为了避免太阳能聚光器4的角度太偏，太阳反射光无法投射到检光屏5上，在投射驱动机构3设置第二取光投射机构2a，将太阳反射光和激光束投射到太阳能聚光器4的第二检光屏5a上，用于进行粗调瞄准。第二取光投射机构2a可以使用凹面反射镜或平面反射镜。经过凹面镜反射过来太阳光和激光束光线强度是非常强的，能够在直接点燃纸，所以在第二检光屏5a上方需要经过一些处理，只让少量光线透过照射到第二检光屏5a上，大多光线被反射回去。经过凹面反射镜反射过来太阳光和激光束就会在第二检光屏5a上成象。

检光屏5可以使用现有技术中用于识别光点的各种设备。检光屏5也可是设置纵向和横向互不接触的上下二层导线。上下二层导线之间纵横交叉点的位置衬以光敏电阻材料。当有投射光线照射时，纵横交叉点上的光敏电阻使二层导线导通，以此识别投射到检光屏5上的光斑。

实施例1

本实施例的塔式太阳能热发电系统的聚光瞄准装置，包括激光束发生器1、取光投射机构2和投射驱动机构3。

如图2所示塔式太阳能热发电系统的独臂式太阳能聚光器4，太阳能聚光器4包括基座402、与基座402相配装能水平旋转的转筒403、驱动转筒403旋转的第三电机404。第三电机404的动力输出轴上固定设置有齿轮传动机构，通过齿轮传动机构驱动转筒403沿水平方向转动，改变反射镜401水平方向的角度。

在转筒403上端铰接有俯仰转臂405，俯仰转臂405的自由端通过支架406固定有反射镜401。在俯仰转臂405的中部通过万向节连接有转动调节臂407，所述的转动调节臂407制有齿条，并与第四电机408上的齿轮传动机构啮合，通过驱动转动调节臂407改变俯仰转臂405的俯仰角，从而调整反射镜401竖直方向的角度。

本发明中，通过控制反射镜401不停转动，直至太阳反射光光斑与激光束光斑重合，此时反射镜401便处于最佳的反射状态。也可以在太阳能聚光器4上安装有检测转筒403和俯仰转臂405转动角度的检测传感器，通过现有太阳能热发电系统的控制系统，便可准确控制反射镜401的转动角度，使反射镜401转动到最佳的反射状态。

反射镜401背面固定连接有支架406，在反射镜401的中心制有通孔，支架406支撑反射镜401，使反射镜401的转动中心位于俯仰转臂405的铰接端。

激光束发生器1固定设置在围绕高塔7的太阳能聚光器4上，且位于太阳能聚光器4的反射镜401的转动中心。本实施例中，激光束发生器1设置在俯仰转臂405的铰接端。激光束发生器1通过设置在转筒403空腔内的支撑杆与基座402固定连接，不随转筒403的转动而转动。

各个太阳能聚光器4上的激光束发生器1依次发出对准高塔7太阳能灶的激光束1a；所述的取光投射机构2和投射驱动机构3设置在激光束光路附近，取光投射机构2为投射反射镜或折射镜，在激光束发生器1发出激光束1a时，投射驱动机构3驱动取光投射机构2运动到激光束1a的光路上，通过取光投射机构2将激光束1a反射或折射到检光屏5上。本实施例中，所述的检光屏5安装在高塔7的侧壁上。

如图2所示，投射驱动机构3包括支撑臂301、旋转臂302、驱动电机303和限位块304。取光投射机构2固定设置在旋转臂302的自由端，旋转臂302的另一端固定连接有旋转轴，所述的旋转轴转动设置在支撑臂301的轴承内，并与驱动电机303的动力输出轴相连接，驱动电机303驱动旋转臂302转动至限位块304限定位置，使取光投射机构2位于激光束光路上，将激光束1a以及太阳反射光投射到检光屏5上。本实施例中，取光投射机构2为三棱镜202，将激光束1a以及太阳反射光折射到检光屏5上。

如图3所示，在支撑臂301上转动设置有第二旋转臂305和第二驱动电机306，所述的第二旋转臂305连接有第二取光投射机构2a，本实施例中第二取光投射机构2a为凹面镜。在需要粗调时，第二驱动电机306驱动第二旋转臂305转动，在激光束发生器1发出激光束1a时，使第二取光投射机构2a位于激光束光路上将激光束1a和太阳反射光反射到太阳能聚光器4上的第二检光屏5a。

实施例2

如图4所示塔式太阳能热发电系统的太阳能聚光器4，太阳能聚光器4包括反射镜401。在反射镜401的旋转中心设置有定位万向节座409，定位支撑杆410上端固定设置有与定位万向节座409相配合的定位万向节接头410a，反射镜401可绕旋转中心任意转动。在反射镜401的旋转中心处及定位万向节座409上设置有通孔，激光束发生器1设置在定位万向节接头410a上，不随反射镜401的转动而转动，并且激光束发生器1通过该通孔发出激光束1a。

在反射镜401背部两侧还设置有驱动反射镜401绕定位万向节接头410a作出角度调节的第一调节支撑杆411和第二调节支撑杆413。第二调节支撑杆413和第一调节支撑杆411结构相同，位于支撑杆410的两侧，且处于反射镜401的对角位置。通过第一调节支撑杆411和第二调节支撑杆413的调节，可使反射镜401绕定位万向节接头410a转动。第一调节支撑杆411由液压缸411a和活塞杆411b组成，第一调节支撑杆411的上端通过万向节接头与反射镜401背部的万向节座相配合，调节支撑杆411的下端通过万向节接头与底座412的万向节座相配合，通过液压缸411a和活塞杆411b调节第一调节支撑杆411的长度以改变反射镜401的角度。

塔式太阳能热发电系统的聚光瞄准装置包括激光束发生器1、取光投射机构2和投射驱动机构3。各个太阳能聚光器4上的激光束发生器1依次发出对准高塔7太阳能灶的激光束1a。取光投射机构2和投射驱动机构3设置在激光束光路附近。取光投射机构2为投射反射镜或折射镜，在激光束发生器1发出激光束1a时，投射驱动机构3驱动取光投射机构2运动到激光束1a的光路上，通过取光投射机构2将激光束1a反射或折射到检光屏5上。本实施例中取光投射机构2为平面镜201，将激光束1a以及太阳反射光反射到检光屏5上。

如图4所示，本实施例的投射驱动机构3包括支撑臂301、旋转臂302、驱动电机303和限位块304。取光投射机构2固定设置在旋转臂302的自由端，旋转臂302的另一端固定连接有旋转轴，旋转轴转动设置在支撑臂301的轴承内，并与驱动电机303的动力输出轴相连接。驱动电机303驱动旋转臂302转动至限位块304限定位置，使取光投射机构2位于激光束光路上，将激光束1a以及太阳反射光投射到检光屏5上。

如图5所示，在支撑臂301上转动设置有第二旋转臂305和第二驱动电机306，所述的第二旋转臂305连接有第二取光投射机构2a，本实施例中第二取光投射机构2a为平面镜。在需要粗调时，第二驱动电机306驱动第二旋转臂305转动，在激光束发生器1发出激光束1a时，使第二取光投射机构2a位于激光束光路上，将激光束1a和太阳反射光反射到太阳能聚光器4上的第二检光屏5a。

本发明的最佳实施例已阐明，由本领域普通技术人员做出的各种变化或改型都不会脱离本发明的范围。

Claims (9)

1.塔式太阳能热发电系统的聚光瞄准装置，其特征是：包括激光束发生器(1)、取光投射机构(2)和投射驱动机构(3)；所述的激光束发生器(1)固定设置在围绕高塔(7)的太阳能聚光器(4)上，且位于太阳能聚光器(4)的反射镜(401)的转动中心，各个太阳能聚光器(4)上的激光束发生器(1)依次发出对准高塔太阳能灶的激光束(1a)；所述的取光投射机构(2)和投射驱动机构(3)设置在激光束光路附近，取光投射机构(2)为投射反射镜或折射镜，在激光束发生器(1)发出激光束(1a)时，投射驱动机构(3)驱动取光投射机构(2)运动到激光束(1a)的光路上，通过取光投射机构(2)将激光束(1a)反射或折射到检光屏(5)上。

2.根据权利要求1所述的塔式太阳能热发电系统的聚光瞄准装置，其特征是：所述投射驱动机构(3)包括支撑臂(301)、旋转臂(302)、驱动电机(303)和限位块(304)，所述的取光投射机构(2)固定设置在旋转臂(302)的自由端，旋转臂(302)的另一端固定连接有旋转轴，所述的旋转轴转动设置在支撑臂(301)的轴承内，并与驱动电机(303)的动力输出轴相连接，驱动电机(303)驱动旋转臂(302)转动至限位块(304)限定位置，使取光投射机构(2)位于激光束光路上，将激光束(1a)以及太阳反射光投射到检光屏(5)上。

3.根据权利要求2所述的塔式太阳能热发电系统的聚光瞄准装置，其特征是：所述的取光投射机构(2)为一块平面镜(201)，将激光束(1a)以及太阳反射光反射到检光屏(5)上。

4.根据权利要求2所述的塔式太阳能热发电系统的聚光瞄准装置，其特征是：所述的取光投射机构(2)为一块三棱镜(202)，将激光束(1a)以及太阳反射光折射到检光屏(5)上。

5.根据权利要求2所述的塔式太阳能热发电系统的聚光瞄准装置，其特征是：所述的支撑臂(301)上转动设置有第二旋转臂(305)和第二驱动电机(306)，所述的第二旋转臂(305)连接有第二取光投射机构(2a)，第二取光投射机构(2a)为平面镜或凹面镜，在激光束发生器(1)发出激光束(1a)时，将激光束(1a)和太阳反射光反射到太阳能聚光器(4)上的第二检光屏(5a)。

6.根据权利要求1至5任一权利要求所述的塔式太阳能热发电系统的聚光瞄准装置，其特征是：所述的太阳能聚光器(4)为独臂式太阳能聚光器，所述激光束发生器(1)固定设置在独臂式太阳能聚光器的转轴中心。

7.根据权利要求6所述的塔式太阳能热发电系统的聚光瞄准装置，其特征是：所述的独臂式太阳能聚光器(4)包括基座(402)、与基座(402)相配装并能水平旋转的转筒(403)、驱动转筒(403)旋转的第三电机(404)、铰接在转筒(403)上端的俯仰转臂(405)；俯仰转臂(405)的自由端通过支架(406)固定有反射镜(401)，在俯仰转臂(405)的中部通过万向节连接有转动调节臂(407)，所述的转动调节臂(407)制有齿条，并与第四电机(408)上的齿轮啮合，在俯仰转臂(405)的铰接端固定有所述的激光束发生器(1)。

8.根据权利要求1至5任一权利要求所述的塔式太阳能热发电系统的聚光瞄准装置，其特征是：所述的太阳能聚光器(4)包括反射镜(401)，在反射镜(401)的旋转中心设置有定位万向节座(409)，定位支撑杆(410)上端设置有与定位万向节座(409)相配合的定位万向节接头(410a)，在反射镜(401)的旋转中心处以及定位万向节座(409)上设置有通孔，所述的激光束发生器(1)设置在定位万向节接头(410a)上并通过该通孔发出激光束(1a)；在反射镜(401)的上部一侧设置由液压缸(411a)和活塞杆(411b)组成的第一调节支撑杆(411)，调节支撑杆(411)的上端通过万向节连接反射镜(401)，调节支撑杆(411)的下端通过万向节连接底座(412)，在反射镜(401)的下部另一侧设置有第二调节支撑杆(413)。

9.根据权利要求1至5任一权利要求所述的塔式太阳能热发电系统的聚光瞄准装置，其特征是：所述的检光屏(5)安装在高塔(7)的侧壁上。

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