CN104067069A - 用于聚集能量的设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开涉及用于聚集能量的设备。本发明涉及太阳能技术，并且可以应用于“跟踪碟”、“盘”或“太阳塔”类型的太阳能设施或其他类似系统中。技术效果包括提高了技术的可应用性，简化了对准和避免了对于镜子系统的尺寸的严格限制。用于聚集能量的设备包括主聚集器和能量转换器以及附加聚集器，所述附加聚集器安装在所述主聚集器的聚焦区中，并且所述能量转换器安装在所述附加聚集器的聚焦区中，其中所述附加聚集器具有一段凹陷的圆柱形或球形的表面的形式。

Description

用于聚集能量的设备

技术领域

本发明涉及太阳能工程，并且可以应用于“跟踪碟(trackingsaucer)”、“盘(pan)”或“太阳塔(solar tower)”类型的太阳能设施(solar power plant)或其他类似系统中。

背景技术

本发明的背景技术公开了被设计成聚集太阳能的各种设备。

具体而言，一种设备涉及在1990年12月23日公布的作者的证书SU1615484中描述的太阳能加热器，其包括固定的半球形反射器和固定的吸热器。该技术方案的缺陷在于其效率低。

对于关键特征的组合，最接近所要求的设备的是在1987年10月23日公布的作者的证书SU1347068中公开的太阳能聚集器，其包括主聚集器和附加聚集器以及能量转换器。这种技术方案的缺陷在于其技术和操作上的复杂度以及其效率较差。

发明内容

本发明所要解决的任务包括简化设计和降低其成本以及提高其效率。

通过应用本发明所获得的技术效果包括改善技术的可得到性，简化调整和避免对于镜子系统(mirror system)的大小的现有的严格限制。

所述技术效果的实现归功于如下事实：包括主聚集器和能量转换器的用于聚集能量的设备包括安装在所述主聚集器的聚焦区中的附加聚集器，所述能量转换器安装在所述附加聚集器的聚焦区中，而所述附加聚集器被制造为一段凹陷的圆柱形或球形的表面。同时，所述主聚集器被制造为平面镜的集合，所述平面镜被定向为使反射光轴经过所述附加聚集器的球心或圆柱轴，并且所述能量转换器被制造为热交换器或有源或无源元件的分布式系统。所述平面镜被安装成与地平线成一角度，该角度等于所述设备位置地点的地理纬度的一半。

此外，支撑所述平面镜的主聚集器表面被制造为球形或圆柱形，其半径等于其表面到所述附加聚集器的球心或圆柱轴之间的距离的两倍。

所述技术效果的实现还归功于如下事实：所述热交换器可以包括至少两部分，并且可以被制造为球形环或环状球形板块。

作为单独的镜子系统，通常使用常见的平面镜来制造，所述平面镜便宜很多倍并且比球形抛物线镜子更容易获得。作为位于塔上的能量聚集器，使用截断的球体段或截断的圆柱体形式的镜子来制造。平面镜被定向为使得反射光轴经过聚集器球心或附加聚集器的圆柱轴。同时，球形或圆柱形聚集器的聚焦区的形成不依赖于系统平面镜关于距离及其水平位置的位置精度。必需提供平面镜的仅仅与角度有关的精确调整。它使得能够构建平面镜的任何位置配置，例如，其平面安排，与球形镜安排相比，应当利用关于系统的与角度有关的聚焦点、水平位置以及到焦点的距离的非常高的精度来执行。从简化、与角度有关的其调整精度以及其附接的视点来看，用于在主聚集器上安排平面镜的最有效配置是将其置于球体或圆柱体上，其半径将等于从该球形表面或圆柱形表面到附加聚集器的球心或圆柱轴的距离的两倍。

附图说明

本发明已被一些附图示出，其中：

图1示出了在“跟踪碟”情况下电力设施结构的一般视图；

图2是“跟踪碟”类型的设备的一般视图，该设备具有环状安排的平面镜并且热交换器被制造为球形环；

图3是设备的图示表示，即侧视图；

图4示出了图3的视图A；

图5是“盘”类型设备的一般视图；

图6是“盘”类型设备的一般视图，该设备的镜子转向等于设备位置站点的地理纬度的一半的角度；

图7是“盘”类型设备的一般视图，该设备的平面镜位于盘边缘上并且热交换器由2部分构成，每个部分具有有体积的圆柱体的一部分的形式；

图8是“太阳塔”类型设备的一般视图，该设备的附加球形聚集器安装在塔上并且具有小尺寸的热交换器；以及

图9是用来解释聚焦距离的计算的图。

具体实施方式

在应用所要求的用于聚集太阳辐射的设备时，建议使用常见的可获得的平面镜，其大小从0.1×0.1米到4×4米以被安装到半径从1到100米的球体上或宽度为5到100米的圆柱体上。建议使用半径为0.2到10米并且大小为0.4到20米或更大的球形或圆柱形聚集器。

图9被画出以解释对于离主光轴的距离“a”处、与主光轴平行地落到聚集器上的光束，用于具有半径R的凹陷球形或圆柱形聚集器的聚焦距离FP的计算。工作的几何配置由图中可以清楚。在等腰三角形AOF中容易通过底OA＝R和相邻角度α来表示侧OF：

$\mathrm{OF}=\frac{R}{2\cos \mathrm{\α}}..$

从直角三角形OBA可以得出：

$\cos \mathrm{\α}=\frac{\mathrm{AB}}{R}=\frac{\sqrt{R^2-a^2}}{R}.$

随后， $\mathrm{OF}=\frac{R^2}{2\sqrt{R^2-a^2}}..$

从点F到极点P的未知聚焦距离为：

$\mathrm{FP}=R-\mathrm{OF}=R(1-\frac{R}{2\sqrt{R^2-a^2}}).$

该等式用于球形或圆柱形聚集器的聚焦区域。从轴到平行光束的距离“a”越大，相对于聚集器焦点移动地越远。在“a”＝0.5米的R＝1.5米的聚集器的情况下，焦点位移为3.0厘米且对于“a”＝1.0米，焦点位移为25.4厘米。从轴到最后的平行光束的最大距离“a”为1.0米，这是由于平面镜的大小为2×2米。所提供的计算是针对一个主光轴执行的。由于问题是球体或圆柱体，可以有从球体或圆柱体中心到聚集器有角孔径的极限下的表面的大量主光轴。

因此，所有大小为2×2m的平面镜通过聚集器的中心以其有角的孔径的极限到相同大小的附加球形或圆柱形聚集器的一部分上的辐射使得能够形成在离附加聚集器距离为R/2处开始的且到聚集器侧边的深度为25.4厘米的有体积的球形或圆柱形区域。辐射聚集在离附加聚集器的距离为R/2处是最大的。从中心开始，在离附加聚集器的距离超过R/2处，将观察不到聚集的能量。从附加聚集器侧开始，在到最后的距离小于25.4厘米处，将观察不到聚集的能量。

在这种情况下，附加球形或圆柱形聚集器的聚焦区将具有内部曲率R＝0.75米，并且深度为0.254m，在该处将安装球形或圆柱形热交换器。

1、“跟踪碟”类型的电力设施

在本发明中公开的设备考虑到安装直径从10到40米或更大的平面镜的板块的大小。在现有的“跟踪碟”类型的电力设施中，通常镜子直径不超过12m。

对于这些大小和数量为20到300的平面镜，光轴的数量也为从20到300。

设备可以如下操作。常见平面镜1安装成在主聚集器3的工作天线场上的与附加球形聚集器2相对，并且常见平面镜1具有等于从球体表面到附加聚集器中心的距离的二倍的半径且被定向为使得每个镜子的反射光轴经过附加聚集器球体的中心，并反射太阳光。考虑到主聚集器镜子的数量较大，整个能量聚集在附加球形聚集器4的聚焦区中，在聚焦区中安装了热交换器。

对于半径为1.5m的附加球形聚集器，热交换器体积将达到140升。考虑到该体积可以是有效反射表面的80到1200m²的影响的对象，与一点相比，在抛物线情况下，聚焦区的有体积特征变成优势。一部分平面镜能量，从18到25％，将直接聚集到位于聚集区中的该体积上，剩余部分的能量通过附加球形聚集器，但是是从另一侧，被聚集到同一体积上。

在没有镜子被布置在主聚集器的球形表面中心的情况下，有可能使得热交换器的构造成为有体积的球形环，这降低了其体积。

2、圆柱形“盘”类型电力设施

根据本发明的设备也可以用在电力设施中，该电力设施具有圆柱形抛物线盘形式的镜子。然后，替代圆柱形抛物线，曲率半径等于从圆柱形表面到附加聚集器的中心的距离的两倍的圆柱体3形式的主聚集器3被安装。替代具有抛物线形式的镜子，具有例如2×2m的大小的平面镜1被安装，该镜子1被定向为使得反射光束轴经过附加聚集器2的圆柱轴。附加聚集器具有半径为1.5m的圆柱形形式。热交换器4也具有内部半径为0.75m且厚度高达25.4m的圆柱形形式。热交换器中液体的体积可以高达每纵长米(running meter)150升。在使用大小为1×2-4m的镜子的情况下，附加聚集器和热交换器的大小可以被减小2倍。然后，对于相同大小的主聚集器中的一般镜子系统，一纵长米热交换器中液体的体积将高达40升。

包括平面镜的圆柱形盘形式的主聚集器的宽度可以从10m到40m及更大。在已知的项目中，盘的宽度通常不超过6-8m。

由于在本系统中平面镜1的安排不依赖于到附加聚集器的距离，所有单个镜子可以被安排在盘中，但不是以平行于地球表面的方式，而是以与地平线成一等于设备位置地点的地理维度的一半的角度的方式。在此情况下，太阳辐射将与热交换器垂直地落下±23°，其将提高整个系统的效率，尤其是在冬天时，并且在维度高于300的设备位置。

在有些情况下，平面镜以圆柱形盘的形式仅被安装在主聚集器的边缘上，并且在阴影侧(在圆柱形中心)，没有镜子被放置。在这种情况下，热交换器被制造为包括两个单独部分的有体积的圆柱体。

3、“太阳塔”类型电力设施

在安装球形表面2的截断段形式的聚集器5到塔上，同时使平面镜1定向为使反射光束轴经过附加聚集器2的球心的情况下，可以将每个单个的计算机控制的平面镜1的面积提高数倍，或者将热交换器4的面积和体积相当大地降低。

在这种情况下，球形附加聚集器可以以高达120°的一个扇区中的大面积从多个镜子收集太阳光。

借此，考虑到平面镜可以水平地采用高达120°并且垂直地采用最大45°的扇区，建议建造水平延伸且垂直大小受限的球形表面的截断部分形式的附加聚集器。然后，分别地，热交换器体积将被大大降低。

Claims (8)

1.用于聚集能量的设备，包括主聚集器和能量转换器，其中所述设备包括安装在所述主聚集器的聚焦区中的附加聚集器，并且所述能量转换器安装在所述附加聚集器的聚焦区中，所述附加聚集器被制造为一段凹陷的圆柱形或球形的表面。

2.如权利要求1所述的设备，其中所述主聚集器被制造为平面镜的集合，所述平面镜被定向为使得反射光轴经过所述附加聚集器的球心或圆柱轴。

3.如权利要求1所述的设备，其中所述能量转换器被制造为热交换器。

4.如权利要求1所述的设备，其中所述能量交换器被制造为有源或无源元件的分布式系统。

5.如权利要求1所述的设备，其中支撑所述平面镜的主聚集器表面被制造为球形的或圆柱形的，并且半径等于其表面和所述附加聚集器的球心或圆柱轴之间的距离的两倍。

6.如权利要求1所述的设备，其中所述平面镜被安装成与地平线成一角度，所述角度等于所述设备位置地点的地理纬度的一半。

7.如权利要求1所述的方法，其中所述热交换器包括至少两部分。

8.如权利要求1所述的方法，其中所述热交换器被制造为球形环或环状球形板块。