CN103591702A - 碟式太阳炉 - Google Patents

Abstract

当前太阳能集热技术主要是要解决为提高发电热循环效率而进一步提高介质参数导致集热器与外部介质系统难以可靠连接，并降低单位发电容量的造价的问题。本发明描述了一种碟式太阳炉(即一种碟式集热器)，主要由聚光碟、反射帽、平面反射镜、黑腔、支撑臂、仰角跟踪装置、水平跟踪装置、平面镜传动机构、支座和底座所组成。聚光碟中心开有窗口，让光束得以通过。反射帽将来自聚光碟的聚焦光束变成平行聚集光束发送到平面反射镜上，再反射至黑腔。平面反射镜位于支撑臂的下末端并与其铰接，设有平面镜传动机构，按照聚光碟跟踪太阳时的仰角变化自动调整平面反射镜的转角，以确保平面反射镜的反射光束对准黑腔。

Description

碟式太阳炉

技术领域

本发明属于新能源或可再生能源领域中的太阳能光热利用技术，主要用于太阳能光热发电、供热、分布式能源、家用或便携式太阳能炉灶等。

背景技术

目前太阳能发电集热技术主要有四大类型：槽式、碟式、塔式和菲涅尔式，这四种类型全部为聚焦型集热器。其中槽式和菲涅尔式集热器为线聚焦，目前技术已很成熟，造价也相对较低，但聚光比不够高，难以实现介质参数的高温高压，因而无法进一步提高发电的热循环效率。塔式集热器为点聚焦，可以达到很高的聚光比，实现介质参数的高温高压，但塔式集热器聚光路程很远，容易发生光束的散射，且造价非常昂贵。碟式集热器也为点聚焦，也可以达到很高的聚光比，实现很高的介质温度，且不存在聚光路程远而发生散射的问题，但碟式集热器必须采用二维跟踪(或称双轴跟踪)，焦点处于动态，难以与外部介质系统可靠连接，故一般与斯特林发动机配合使用(发电机组跟随焦点一起运动)，单位容量成本更为高昂。另外，考虑太阳能发电的稳定性和电能质量，光热发电系统一般还要采用储热及其二次热交换装置，使得太阳能热发电的经济性进一步打折扣。家用或普通工业热利用技术主要有多管式和平板式两大类型，造价较便宜，但热利用效率更低，也难以实现全天候稳定供热。

技术背景参考资料：

以上背景技术可参考当前太阳能热发电技术，槽式、碟式、塔式和菲尼尔式太阳能集热器及其系统的结构特征，家用多管式、平板式太阳能集热器。

发明内容

当前太阳能集热技术主要是要解决为提高发电热循环效率而进一步提高介质参数导致集热器与外部介质系统难以可靠连接，并降低单位发电容量的造价的问题。

本发明描述了一种碟式太阳炉(即一种碟式集热器)，主要由聚光碟、反射帽、平面反射镜、黑腔、支撑臂、仰角跟踪装置、水平跟踪装置、平面镜传动机构、支座和底座所组成。聚光碟和反射帽均为旋转抛物面，凹面为反射镜。聚光碟的作用是将平行的太阳光线(SL)聚集到反射帽。聚光碟中心开有窗口，并在窗口的边缘部位与沿中轴线布置的支撑臂的上端部固定。支撑臂与支座上部的水平跟踪装置铰接，其铰接部件带有仰角跟踪装置。反射帽位于聚光碟的中轴线上、焦点的外侧，二者的开口相向、焦点重合，通过杆状支架固定在聚光碟上。反射帽的作用是将来自聚光碟的聚焦光束(SLF)变成平行聚集光束(SLF)反射到平面反射镜上。平面反射镜位于支撑臂的下末端并与其铰接，此铰接部件与带有仰角跟踪装置的铰接部件之间设有平面镜传动机构。平面反射镜的作用是将来自反射帽的光束(SLF)反射到黑腔中。聚光碟跟踪太阳时，分别通过水平跟踪装置和仰角跟踪装置作水平跟踪和仰角跟踪。在仰角跟踪装置的推动下，聚光镜的仰角发生变化，这时通过平面镜传动机构按照聚光碟的仰角变化自动调整平面反射镜的转角(根据反射角等于入射角的原理，平面反射镜的转角变化量应等于聚光碟的仰角变化量的一半)，以确保平面反射镜的反射光束(SLF)对准黑腔。

聚光碟可制作成固定式，也可与其它部件一起制作成可收折的便携式。一般光热发电机组、单位和家宅需要大、中型的，使用固定式比较可靠、方便，而旅游所用的小型件则需要可收折的便携式。

黑腔可设置在支座中，也可分开独立设置。在黑腔内或上部可配用各种形式的吸／储热元件，以适用于空气、导热油、熔盐、水及蒸汽或其它任何物质作为吸／储热介质。吸／储热介质通过支座带有的进／出口在黑腔中得到加热。对于支座和黑腔一体的形式，由于是固定不动的，便于与外部介质系统实现可靠连接，因此对吸／储热介质的温度和压力没有限制。

对于家用或便携式，黑腔与支座分开独立设置，黑腔的上部可开窗，配置各种烹饪锅具，实现烧、烤、炒、炸、煮、蒸等各种烹饪方式。但它们仍可设置在同一底座上。为简化结构、减小体积、减轻重量，跟踪太阳可采用人工调节，水平跟踪可连同底座一起进行。不用时，将聚光碟作为一个箱体的外壳收折起来，黑腔从聚光碟的中心窗口穿过，放在中间，实现一箱装尽。

这样的集热器至少有如下优势：一是可实现很高的聚光比，为获得高温介质创造了条件；二是有利于集热器与外部介质系统可靠连接，为进一步提高介质温度和压力创造了条件；三是为在黑腔中采用固体储热元件创造了条件；四是为在太阳能热发电系统中直接使用燃气-蒸汽联合循环技术方案，大幅度提高发电热效率创造了条件；五是为家用太阳能炉灶提供了安全高效实用的技术方案。

附图说明

图1是黑腔与支座一体式碟式太阳炉的原理图，图2是黑腔与支座分开的碟式太阳炉的原理图。图中(两图的标记符号含义相同)：1-聚光碟、2-反射帽、3-平面反射镜、4-黑腔、5-支撑臂、6-仰角跟踪装置、7-水平跟踪装置、8-平面镜传动机构、9-支座、10-底座、SL-太阳光线，SLF-光束。

具体实施方式

按照图1和图2所示的碟式太阳炉结构要求，分别制作聚光碟(1)、反射帽(2)、平面反射镜(3)、黑腔(4)、支撑臂(5)、仰角跟踪装置(6)、水平角跟踪装置(7)、平面镜传动机构(8)、支座(9)和底座(10)，再进行现场组装。

1、聚光碟(1)是一种旋转抛物面，其深度H、直径D和焦距F三者之间的关系为D²=16FH。碟中心开窗口。可采用骨架上铺设抛物面基板的结构，凹面可用镜面铝制作成反射镜面。聚光碟(1)也可按照伞的收折原理制作成可收折的形式，与其它部件一起收折成较小的体积以便于旅游携带。

2、反射帽(2)也是一种旋转抛物面，尺寸较小。其深度h、直径d和焦距f三者之间的关系为d²=16fh。采用一次性锻压成型抛物面结构，凹面可用镜面铝制作成反射镜面。反射帽(2)安装于聚光碟(1)的中轴线上、焦点外侧，两镜的开口相向、焦点重合，通过3-4根杆状支架固定在聚光碟上。

3、平面反射镜(3)位于支撑臂(5)的下末端并与下末端铰接，即可绕水平轴转动。平面反射镜(3)可采用玻璃镜、贴膜或镜面铝。

4、黑腔(4)是一种黑度很大的吸热腔室，中上部全密封，接收光照的下部可开口，也可用耐热玻璃密封。可采用耐热金属或耐热陶瓷或其它耐火耐压材料制作，外部有保温层。可配置各种形式的吸／储热元件。元件外表均涂有红外线选择性涂层，以吸收热能，减少二次辐射。

5、支撑臂(5)是支承聚光碟(1)和平面反射镜(3)的部件，上末端与聚光碟(1)的窗口边缘固定，其中心轴线与聚光碟(1)的中心轴线保持重合。支撑臂(5)可制成双片板式，截面呈矩形，沿轴向中空，让来自反射帽(2)的光束无阻挡通过。支撑臂(5)带有两个铰轴，下端的铰轴用以安装平面反射镜(3)，中上部的铰轴用以安装在支座(9)上部的水平跟踪装置(7)的铰链上，使其既可跟随水平跟踪装置(7)一起作水平转动，也可在仰角跟踪装置(6)的作用下做俯仰运动。

6、仰角跟踪装置(6)在控制装置和驱动装置的作用下跟随太阳使得聚光碟(1)作俯仰运动，以铰链为中心调节仰角。季节性运动。

7、水平跟踪装置(7)在控制装置和驱动装置的作用下跟随太阳使得聚光碟(1)作水平转动，以转轴为中心调节方位角。白天时刻运动。

8、平面镜传动机构(8)可以是链轮链条机构，也可以是伞型齿轮驱动轴机构，按照聚光碟(1)的仰角变化自动调整转角，确保反射光束的方向准确。根据反射角等于入射角的原理，该机构可按照2：1的传动比设置，即支撑臂(5)的仰角每变化2°，平面反射镜(3)的转角变化1°，只要在安装调试时设定好平面反射镜(3)的初始角度就行了。该机构与水平跟踪转动无关。

9、支座(9)呈柱状。当黑腔(4)设置在其中时，黑腔部位突出，并开窗口，以使光束进入。在黑腔部位附近开有介质进／出口，方便冷介质进入和热介质输出。当黑腔(4)分开独立设置时，黑腔突出部位、窗口和介质进／出口都不需要了。支座(9)顶部设有仰角跟踪装置(6)和水平跟踪装置(7)，底部坐落在底座(10)上。

10、底座(10)呈盘状，用以支承碟式太阳炉的所有部件和重量，其大小能够保持支座(9)稳定树立不倒下。可与混凝土基础用螺纹件固定或融为一体。

Claims (3)

1.碟式太阳炉，主要由聚光碟(1)、反射帽(2)、平面反射镜(3)、黑腔(4)、支撑臂(5)、仰角跟踪装置(6)、水平跟踪装置(7)、平面镜传动机构(8)、支座(9)和底座(10)所组成，其特征是：聚光碟(1)中心开有窗口并在窗口的边缘部位与沿其中轴线布置的支撑臂(5)的上端部固定，支撑臂(5)与支座(9)上部的水平跟踪装置(7)铰接，其铰接部件带有仰角跟踪装置(6)，反射帽(2)位于聚光碟(1)的中轴线上、焦点的外侧，二者的开口相向、焦点重合，以便将来自聚光碟(1)的聚焦光束(SLF)变成平行聚焦光束(S LF)反射到平面反射镜(3)上，平面反射镜(3)位于支撑臂(5)的下末端并与其铰接，且通过平面镜传动机构(8)按照聚光碟(1)的仰角变化自动调整转角，以确保将来自反射帽(2)的光束(SLF)反射到黑腔(4)中。

2.根据权利要求1所述的碟式太阳炉，其特征是：聚光碟(1)可制作成固定式，也可与其它部件一起制作成可收折的便携式。

3.根据权利要求1所述的碟式太阳炉，其特征是：黑腔(4)可设置在支座(9)中，也可分开独立设置，在黑腔(4)内或上部可配用各种形式的吸／储热元件，以适用于空气、导热油、熔盐、水及蒸汽或其它任何物质作为吸／储热介质。

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