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CN101806502B - 定目镜太阳能集热系统 - Google Patents

定目镜太阳能集热系统 Download PDF

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Abstract

本发明揭示了一种定目镜太阳能集热系统，包括聚光镜、接收器及用于控制聚光镜跟踪太阳的电气控制单元，其中，定目镜太阳能集热系统相对于聚光镜镜面同轴一体化设有焦点相重合的投射镜，并于聚光镜中心设有一个大于投射镜光斑且远小于聚光镜镜面的透孔；且在聚光镜背向投射镜的另侧设有一面反射镜，与聚光镜及投射镜构成镜面组件，该反射镜的主光轴线延伸方向设置一位置固定的接收器，且于主光轴线上设有一驱动整个镜面组件绕反射镜中心旋转的第一电机，该第一电机与电气控制单元相连并受控运作。本发明能有效提高太阳聚光比达10万倍以上，为太阳能高效集热利用、开发提供了全新的解决方案。

Description

定目镜太阳能集热系统
技术领域
本发明涉及一种太阳能集热应用装置，尤其涉及一种低成本、高效利用太阳能的集热应用装置，可实现普及性民用及工业化大规模热发电等多领域之中。
背景技术
太阳能集热器是吸收太阳光并将产生的热传递到传热工质的装置。集热器是组成太阳能热利用系统的关键部件，不同的集热方式形成了不同的集热器类型，大体可分聚焦型和非聚焦型集热器。非聚焦型集热器聚集能量的效率及所聚集能量的品质不高。聚焦型集热器能将大面积范围内收集到的太阳能聚集到一个很小的面积甚至一点上，其聚光比在104以上而能获得优质，高温热能。在需要中高温热能的太阳能空调，太阳能蒸汽轮机及太阳能燃汽轮机发电系统中，由于太阳辐射的能流密度较低，非聚焦型无法达到所需高温，只有聚焦型集热器才能获得很高的能流密度，为太阳能利用提供更为便利的条件。
聚焦型集热器一直是会聚太阳光最有效的装置，聚焦型反射镜必须随时跟踪太阳运动才能取得最佳效果，它的焦点也将随反射镜运动而移动，这就使受热器的尺寸和质量都受到限制。尺寸大了会遮挡反射镜的受光面积，质量重了会增加支撑部分及转动部分的负荷；太阳能的离散性，间歇性及不可靠性，以及在有云层遮掩或风吹的场合，都会影响受热器受热面的集热效果；同时受热器处于运动状态，也不利于接收的太阳能量的输出，特别是高温，优质的能量的输出应用。为了解决这一问题，人们一直在努力寻找一种焦点位置固定不变，仅通过聚光镜的跟踪运动就能会聚太阳光的聚光器——俗称“定日镜”。
从上世纪三十年代起国内外许多著名学者、专家经不懈努力，设计出最有效“定日镜”固定焦点式聚光系统——塔式接收器，散热面积相对较小，因而可获得较高的光热转换效率。由于塔式太阳能集热器能产生高达500℃-600℃高温，可方便与高温、高压火电站配套，这样不仅使太阳能热发电有较高的热效率，而且也容易获得配套设备。但这种太阳能电站的建设费用十分昂贵，初期投资成本很高约3.4-4.8万元/KW。定日镜就占去总成本的52％，占地面积随着功率等级的增加呈指数增长。定日镜控制系统极其复杂，有专家经多年研究靠计算机控制技术把M×N个控制单元/每面镜简化为M+N个控制单元。
发明内容
鉴于上述现有技术存在的不足，本发明的目的旨在提出一种集热效率高，接收器固定的“定目镜”太阳能集热系统。
本发明的目的，将通过以下技术方案得以实现：
定目镜太阳能集热系统，包括实时跟踪太阳转动的聚光镜、受热储能的接收器以及用于控制聚光镜跟踪太阳的电气控制单元，其特征在于：所述定目镜太阳能集热系统相对于聚光镜镜面同轴一体化设有焦点相重合的投射镜，并于所述聚光镜中心设有一个与投射镜光斑不相干涉且远小于聚光镜镜面的透孔；且在聚光镜背向投射镜的另侧设有一面反射镜，与聚光镜及投射镜构成镜面组件，所述反射镜的主光轴线延伸方向设置一位置固定的接收器，且于主光轴线上设有一驱动整个镜面组件绕反射镜主光轴旋转的第一电机，所述第一电机与电气控制单元相连并受控运作，其中反射镜的主光轴为经反射镜中心的反射光。
进一步地，前述的定目镜太阳能集热系统，其中该集热的镜面组件装接于陀螺式万向支架之上，且所述定目镜太阳能集热系统还设有一个轴向与镜面组件转轴相垂直的聚光镜角度调校组件，包括相对于反射镜中心扭矩相互抵消的第二电机牵引杆及配重块，所述第二电机牵引杆与聚光镜背光面相接。
该反射镜为平面镜；或为具有环状凹面的球带镜。
该接收器外侧表面包覆有保温材料。
该聚光镜的形状为具聚焦性能的旋转抛物面，或球面状的凹面镜。
该第一电机为步进电机或伺服电机之一；所述第二电机为步进电机或伺服电机之一。
更进一步地，前述的定目镜太阳能集热系统，其中该集热系统包括一个以上镜面组件及各自电气控制单元，所述各电气控制单元相互并联，同步运行；且所述各镜面组件反射镜的主光轴线会聚于位置相对固定的接收器。
本发明定目镜太阳能集热系统的应用，其突出效果为：
通过聚光镜与投射镜、反射镜的组合，利用聚焦、投射、反射等光学原理使太阳或天体辐射恒定地朝一个固定的接收器或目镜反射，能有效提高太阳聚光比达10万倍以上，为人们合理利用高温的太阳能提供了方便。同时，该系统具有结构简单，与建筑物结合要求相对较低，成本低廉的优点，有利于推广应用并普及。
以下便结合实施例附图，对本发明的具体实施方式作进一步的详述，以使本发明技术方案更易于理解、掌握。
附图说明
图1是本发明定目镜太阳能集热系统一实施例的结构示意图；
图2是本发明图1所示实施例的运转状态示意图；
图3是本发明定目镜太阳能集热系统的光路原理示意图；
图4是本发明另一实施例的结构示意图(省略投射镜绘图)；
图5a和图5b分别是本发明聚光镜较为优选的两种结构形式的正视图。
具体实施方式
为进一步提升自然洁净且取之不竭的太阳能的能量转化效率，在众多能耗巨大的领域中推广应用，本发明提供了一种太阳能集热系统。突破现有热点技术——定日镜聚热灯塔系统的固有思路，创新地研制出一种利用光学聚焦、投射、反射等光学原理，做到能使太阳光恒定地朝向一个固定的接收器。因此无论聚光性的镜面如何旋转，最终主光轴依然不发生变化，故而此处暂时定义该集热系统为“定目镜”。
如图1至图3所示，是本发明一个优选实施例的结构示意图、运转状态示意图及光路原理示意图。由该些附图可见：在聚光镜1焦点的另一侧安装有投射面相对，且焦点重合的投射镜2，聚光镜1和投射镜2通过陀螺式万向支架4连为一体。聚光镜1底部在投射光斑照到的部分开有一透孔11，一面反射镜5安装在该透孔11下方，与陀螺式万向支架4与孔边框相连，反射镜5在陀螺式万向支架上可以转动。反射镜、聚光镜及投射镜构成镜面组件，所述反射镜的主光轴线延伸方向设置一个位置固定的接收器3，且于主光轴线上设有一驱动整个镜面组件绕主光轴旋转的第一电机，所述第一电机与电气控制单元相连并受控运作。
上述技术方案还可优化为：该定目镜太阳能集热系统还设有一个轴向与镜面组件转轴相垂直的聚光镜角度调校组件，包括相对于反射镜中心扭矩相互抵消的第二电机牵引杆61及配重块62，所述第二电机牵引杆61与聚光镜背光面相接。上述第一电机与此处第二电机可选步进电机、伺服电机或其它同类精密控制电机。
其中该反射镜为平面镜或具有环状凹面的球带镜；并且该聚光镜的形状为具聚焦性能的旋转抛物面，或球面状的凹面镜；此外，该接收器外侧表面还可以包覆一保温材料层或采用真空隔温技术进行保温。
经反射镜中心的反射光称为主光轴，主光轴线处所装的第一电机，使整个集热系统的镜面组件绕主光轴旋转，每天跟踪太阳东升西落，始终保持与太阳同步运动。结合南北方向仰角的调整，始终保持阳光垂直照到聚光镜上。由于整个聚光镜系统是以S为原点绕主光轴转动，反射镜上的入射光与主光轴的夹角始终不变，入射光束(投射光束)经反射始终沿着主光轴方向射向接收器。
太阳不单每日东升西落，每年还在南回归线与北回归线之间来回移动，变化的角度约为47°，每天变化为0.257534°，变化很小，为保证聚焦系统能始终保持与太阳光垂直，取得最佳集热效果，在S点垂直纸面的轴处安装有一个第二电机，使整个聚光镜系统能绕S轴左右旋转，调整聚光镜倾斜角，使聚光镜与入射阳光保持垂直。为保证反射光始终沿主光轴不变，调整反射镜与水平方向的仰角使入射角＝反射角。
在用电机调整聚光镜倾斜角时，同时调整反光镜的仰角，即可保证受热物体(目标或目镜)不动的情况下始终能最有效的接收太阳光，做到“定目镜”的要求。
如果要使反射光在集热器或定目镜处成一光点，反射镜做成类似轮胎的球带环状凹面镜，即二次聚焦把投射光聚成一点。上述该单镜面组件形式的定目镜系统，即可广泛应用于太阳能空调、太阳能淋浴器等普罗大众的日用必需品，其聚光镜直径无需做得很大，且无需装配于屋顶时刻接受光照，即可以较低的发电功率自耗比(小于0.1％)满足生活的要求。
除此之外，本发明的定目镜太阳能集热系统还具有更广阔前景下的太阳能热发电应用。即该述集热系统包括一个以上镜面组件及各自电气控制单元，所述各电气控制单元相互并联，同步运行；且所述各镜面组件反射镜的主光轴线会聚于位置相对固定的接收器(蒸汽轮机或燃气轮机等)。对比现下比较流行的“定日镜”系统而言，本发明定目镜太阳能集热系统具有显著的单位功率成本优势，从空间占地面积、太阳能转换利用率及发电自耗等方面，均可见一斑。
故而，本发明定目镜太阳能集热系统的技术方案，通过聚光镜与投射镜、反射镜的组合，利用聚焦、投射、反射等光学原理使太阳或天体辐射恒定地朝一个固定的接收器或目镜反射，能有效提高太阳聚光比达10万倍以上，为人们合理利用高温的太阳能提供了方便。同时，该系统具有结构简单，与建筑物结合要求相对较低，成本低廉的优点，有利于太阳能资源在民用及规模化热发电等领域的推广应用并普及。

Claims (7)

1.定目镜太阳能集热系统，包括实时跟踪太阳转动的聚光镜、受热储能的接收器以及用于控制聚光镜跟踪太阳的电气控制单元，其特征在于：所述定目镜太阳能集热系统相对于聚光镜镜面同轴一体化设有焦点相重合的投射镜，并于所述聚光镜中心设有一个与投射镜光斑不相干涉且远小于聚光镜镜面的透孔；且在聚光镜背向投射镜的另侧设有一面反射镜，与聚光镜及投射镜构成镜面组件，所述反射镜的主光轴线延伸方向设置一位置固定的接收器，且于主光轴线上设有一驱动整个镜面组件绕主光轴旋转的第一电机，所述第一电机与电气控制单元相连并受控运作，其中反射镜的主光轴为经反射镜中心的反射光。
2.根据权利要求1所述的定目镜太阳能集热系统，其特征在于：所述集热的镜面组件装接于陀螺式万向支架之上，且所述定目镜太阳能集热系统还设有一个轴向与镜面组件转轴相垂直的聚光镜角度调校组件，包括相对于反射镜中心扭矩相互抵消的第二电机牵引杆及配重块，所述第二电机牵引杆与聚光镜背光面相接。
3.根据权利要求1所述的定目镜太阳能集热系统，其特征在于：所述反射镜为平面镜。
4.根据权利要求1所述的定目镜太阳能集热系统，其特征在于：所述反射镜为具有环状凹面的球带镜。
5.根据权利要求1所述的定目镜太阳能集热系统，其特征在于：所述接收器外侧表面包覆有保温材料。
6.根据权利要求1所述的定目镜太阳能集热系统，其特征在于：所述聚光镜的形状为具聚焦性能的旋转抛物面，或球面状的凹面镜。
7.根据权利要求2所述的定目镜太阳能集热系统，其特征在于：所述第一电机为步进电机或伺服电机之一；所述第二电机为步进电机或伺服电机之一。
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