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CN106369845A - 一种透射聚光跟踪式太阳能集热装置 - Google Patents

一种透射聚光跟踪式太阳能集热装置 Download PDF

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CN106369845A CN201610979311.6A CN201610979311A CN106369845A CN 106369845 A CN106369845 A CN 106369845A CN 201610979311 A CN201610979311 A CN 201610979311A CN 106369845 A CN106369845 A CN 106369845A
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Abstract

一种透射聚光跟踪式太阳能集热装置，其特征在于，包括聚光透镜、透镜支撑结构、集热器、反射聚光镜、集热器支撑驱动装置。聚光透镜固定安装在透镜支撑结构上，集热器与反射聚光镜安装在集热器支撑驱动装置上，集热器位于聚光透镜的下方，集热器支撑驱动装置驱动集热器做单轴、二轴或三轴运动。当整套装置安装在地面上时，太阳光线经过聚光透镜进行会聚形成光斑，随着太阳高度角和方位角变化，经过固定安装的聚光透镜会聚的光斑会在空间中移动，集热器支撑驱动装置驱动集热器跟踪会聚的光斑运动。当入射的太阳光与透镜的主光轴夹角增大时，会聚的光斑会发生扩散，反射聚光镜可以将扩散的光线再次会聚到集热器上。相较于现在广泛使用的反射式聚光集热装置，本发明具有造价低、易安装维护的优点，对发展太阳能光热发电技术和产业具有积极意义。

Description

一种透射聚光跟踪式太阳能集热装置
技术领域
本发明涉及一种聚光式太阳能集热装置，尤其涉及一种透射聚光跟踪式太阳能集热装置。
背景技术
太阳能高温热利用具有能提供高温热源且光热转换效率高的优点，是一种优质的可再生能源利用方式。在地面上利用太阳能获得高温，要通过聚光才能实现。根据聚光方式的不同，目前有四种主要的技术路线：抛物线槽式反射镜技术、塔式平面反射镜技术、碟式反射镜技术、线性菲涅耳式反射镜技术。它们的共同特点是使用反射镜将太阳光反射会聚到集热器上，其中槽式与线性菲涅耳式将光线反射会聚于焦线上，塔式与碟式将光线反射会聚于焦点上。这四种技术路线虽然应用比较广泛，但有着相似的缺点，因为它们都要将反射镜安装在巨大的桁架上，都要使用较大的电机及传动装置驱动反射镜桁架，导致设备投资大，安装成本高，维护困难。
当前，聚光透镜的设计和生产技术已经成熟，直通式真空管集热器和管壳式集热器在市场上已有成熟的产品销售，槽式反射镜和碟式反射镜已得到广泛应用，标准化的电机产品、减速器产品、齿轮齿条传动产品和丝杠传动产品在市场上广泛销售，可靠性好。
发明内容
本发明为了克服现有广泛应用的反射式聚光集热装置的缺点，提供一种透射聚光跟踪式太阳能集热装置，采用固定的聚光透镜聚光，用驱动装置驱动集热器跟踪会聚后的太阳光斑，达到使太阳能聚光集热装置结构更简化、成本更低廉、更易于安装维护的目的。当太阳光与透镜的主光轴不平行时，会聚光斑会在透镜的焦点或焦线附近发散，利用反射聚光镜进行二次会聚可以提高集热效率。
为了实现上述目的，本发明提供了一种透射聚光跟踪式太阳能集热装置，包括聚光透镜、透镜支撑结构、集热器、反射聚光镜、集热器支撑驱动装置；其中，
所述的聚光透镜固定安装在所述的透镜支撑结构上，所述的反射聚光镜与所述的集热器固定连接，所述的集热器安装在所述的集热器支撑驱动装置上，所述的集热器支撑驱动装置驱动集热器跟踪经所述的聚光透镜会聚形成的光斑运动；
上述方案中，所述的聚光透镜，包括线聚焦透镜和点聚焦透镜，更特别地，是线聚焦菲涅尔透镜和点聚焦菲涅尔透镜；
上述方案中，所述的聚光透镜的焦平面平行于地面或向赤道倾斜，倾斜时倾斜角为所在地纬度值，所述的线聚焦透镜的焦线指向地面的南北方向；
上述方案中，所述的集热器，包括用于线聚焦的直通式真空管集热器和用于点聚焦的管壳式集热器，集热器位于聚光透镜下方；
上述方案中，所述的反射聚光镜，包括线聚焦的槽式反射镜和点聚焦的碟式反射镜；
上述方案中，所述的集热器固定安装在所述的集热器支撑驱动装置上，所述的反射聚光镜固定连接在所述的集热器上，其中，所述的直通式真空管集热器与所述的槽式反射镜固定连接在一起，所述的直通式真空管集热器位于所述的槽式反射镜的焦线上，所述的管壳式集热器与所述的碟式反射镜固定连接在一起，所述的管壳式集热器位于所述的碟式反射镜的焦点上；
上述方案中，所述的集热器支撑驱动装置，包括单轴驱动装置、二轴驱动装置和三轴驱动装置；其中，
所述的单轴驱动装置，包括弧形齿条轨道、驱动电机和减速器、齿轮驱动装置，所述的弧形齿条轨道，是一种两边高中间低的弧形齿条轨道，所述的弧形齿条轨道垂直于所述的直通式真空管集热器，所述的驱动电机和减速器连接所述的齿轮驱动装置，所述的齿轮驱动装置安放在所述的弧形齿条轨道上并与其互相啮合；
所述的二轴驱动装置，包括竖直齿条轨道、水平齿条轨道、竖直驱动电机和减速器、竖直齿轮驱动装置、水平驱动电机和减速器、水平齿轮驱动装置，其中，所述的水平齿条轨道垂直于所述的直通式真空管集热器，所述的竖直驱动电机和减速器连接所述的竖直齿轮驱动装置，该竖直齿轮驱动装置安放在所述的竖直齿条轨道上并与其互相啮合，所述的水平驱动电机和减速器连接所述的水平齿轮驱动装置，该水平齿轮驱动装置安放在所述的水平齿条轨道上并与其互相啮合，所述的竖直齿条轨道固定在所述的水平齿轮驱动装置上；
所述的三轴驱动装置，包括竖直齿条轨道、周向齿条轨道、径向丝杠轨道、竖直驱动电机和减速器、竖直齿轮驱动装置、周向驱动电机和减速器、周向齿轮驱动装置、径向驱动电机和减速器、径向丝杠螺母装置，所述的竖直驱动电机和减速器连接所述的竖直齿轮驱动装置，该竖直齿轮驱动装置安放在所述的竖直齿条轨道上并与其互相啮合，所述的周向驱动电机和减速器连接所述的周向齿轮驱动装置，该周向齿轮驱动装置安放在所述的周向齿条轨道上并与其互相啮合，所述的径向驱动电机和减速器连接所述的径向丝杠轨道的丝杠，所述的径向丝杠螺母装置啮合在所述的丝杠上，所述的竖直齿条轨道固定在所述的径向丝杠螺母装置上，所述的径向丝杠轨道连接在所述的周向齿轮驱动装置上。
附图说明
图1为单轴跟踪的线聚焦透射聚光跟踪式太阳能集热装置的结构图；
图2为单轴跟踪的线聚焦透射聚光跟踪式太阳能集热装置的集热器支撑驱动装置的示意图；
图3为双轴跟踪的线聚焦透射聚光跟踪式太阳能集热装置的结构图；
图4为双轴跟踪的线聚焦透射聚光跟踪式太阳能集热装置的集热器支撑驱动装置的示意图；
图5为三轴跟踪的点聚焦透射聚光跟踪式太阳能集热装置的结构图；
图6为三轴跟踪的点聚焦透射聚光跟踪式太阳能集热装置的集热器支撑驱动装置的示意图；
其中，11：线聚焦透镜；12：透镜支撑结构；13：弧形齿条轨道；14：单轴集热器支撑驱动装置；15：直通式真空管集热器；16：槽式反射聚光镜；141：齿轮驱动装置；142：驱动电机和减速器；143：集热器固定结构；144：反射镜固定结构；
21：菲涅尔式线聚焦透镜；22：透镜支撑结构；23：水平齿条轨道；24：双轴集热器支撑驱动装置；25：直通式真空管集热器；26：槽式反射聚光镜；241：竖直方向驱动电机和减速器；242：竖直方向齿轮驱动装置；243：竖直方向齿条轨道；244：反射镜固定结构；245：集热器固定结构；246水平方向驱动电机和减速器；247：水平方向齿轮驱动装置；
31：菲涅尔式点聚焦透镜；32：透镜支撑结构；33：三轴集热器支撑驱动装置；34：管壳式集热器；35：碟式反射镜；331：竖直方向驱动电机和减速器；332：竖直方向齿轮驱动装置；333：竖直齿条轨道；334：周向驱动电机和减速器；335：周向齿轮驱动装置；336：周向齿条轨道；337：径向驱动电机和减速器；338：径向驱动丝杠轨道；339：径向丝杠螺母装置。
具体实施方式
现结合附图对本发明的实施方式作进一步说明。需要指出的是，以下实施例仅用于说明实施本发明的技术方案，而不是对本发明的限制。本领域的一般技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行技术修改或等同替换，都不脱离本发明的实施范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围内。
实施例一
如图1及图2所示，是应用本发明实施的一种单轴跟踪的线聚焦透射聚光跟踪式太阳能集热装置，包括线聚焦透镜11、透镜支撑结构12、弧形齿条轨道13、单轴集热器支撑驱动装置14、直通式真空管集热器15、槽式反射聚光镜16，线聚焦透镜11安装在透镜支撑结构12上，线聚焦透镜11的焦平面平行于地面，线聚焦透镜11的焦线指向地面的南北方向，直通式真空管集热器15和槽式反射镜聚光镜16位于线聚焦透镜11的下方，与地面平行且指向南北方向，弧形齿条轨道13指向东西方向。单轴集热器支撑驱动装置14包括齿轮驱动装置141、驱动电机和减速器142、集热器固定结构143、反射镜固定结构144，直通式真空管集热器15通过集热器固定结构143固定在单轴集热器支撑驱动装置14上，槽式反射聚光镜16通过反射镜固定结构144固定在直通式真空管集热器15上，驱动电机和减速器142连接齿轮驱动装置141，齿轮驱动装置141安放在弧形齿条轨道13上并与其互相啮合。弧形齿条轨道13安装在略低于线聚焦透镜11会聚形成的光斑处，使直通式真空管集热器15刚好位于会聚光斑上。随着太阳东升西落，线聚焦透镜11会聚形成的光斑自西向东运动，单轴集热器支撑驱动装置14驱动直通式真空管集热器15和槽式反射聚光镜16从西向东运动，实现对会聚光斑的跟踪并加热直通式真空管集热器15中流动的传热介质。
实施例二
如图3及图4所示，是应用本发明实施的一种双轴跟踪的线聚焦透射聚光跟踪式太阳能集热装置，包括菲涅尔式线聚焦透镜21、透镜支撑结构22、水平齿条轨道23、双轴集热器支撑驱动装置24、直通式真空管集热器25、槽式反射聚光镜26，菲涅尔式线聚焦透镜21安装在透镜支撑结构22上，菲涅尔式线聚焦透镜21的焦平面平行于地面，菲涅尔式线聚焦透镜21的焦线指向地面的南北方向，直通式真空管集热器15和槽式反射镜聚光镜16位于菲涅尔式线聚焦透镜21的下方，与地面平行且指向南北方向，水平齿条轨道23指向东西方向。双轴集热器支撑驱动装置24包括竖直方向驱动电机和减速器241、竖直方向齿轮驱动装置242、竖直方向齿条轨道243、反射镜固定结构244、集热器固定结构245、水平方向驱动电机和减速器246、水平方向齿轮驱动装置247，直通式真空管集热器25通过集热器固定结构245固定在双轴集热器支撑驱动装置24上，槽式反射聚光镜26通过反射镜固定结构244固定在直通式真空管集热器25上，竖直驱动电机和减速器241连接竖直齿轮驱动装置242，竖直齿轮驱动装置242安放在竖直齿条轨道243上并与其互相啮合，竖直齿条轨道243固定在水平齿轮驱动装置247上，水平驱动电机和减速器246连接水平齿轮驱动装置247，水平齿轮驱动装置247安放在水平齿条轨道23上并与其互相啮合。弧形齿条轨道13安装在略低于菲涅尔式线聚焦透镜21会聚形成的光斑处。随着太阳东升西落，菲涅尔式线聚焦透镜21会聚形成的光斑自西向东运动，双轴集热器支撑驱动装置24驱动直通式真空管集热器15和槽式反射聚光镜16从西向东运动，实现对会聚光斑的跟踪并加热直通式真空管集热器15中流动的传热介质。由于菲涅尔式线聚焦透镜21是固定的，会聚光斑除了自西向东运动外，还会在竖直方向上下运动，在竖直方向驱动集热器运动可以更精确地跟踪会聚光斑，实现更高效的聚光。
实施例三
如图5及图6所示，是应用本发明实施的一种三轴跟踪的点聚焦透射聚光跟踪式太阳能集热装置，包括菲涅尔式点聚焦透镜31、透镜支撑结构32、三轴集热器支撑驱动装置33、管壳式集热器34、碟式反射镜35，菲涅尔式点聚焦透镜31的焦平面向赤道倾斜，倾斜角为安装地的纬度值，管壳式集热器34位于菲涅尔式点聚焦透镜31的下方。三轴集热器支撑驱动装置33包括竖直方向驱动电机和减速器331、竖直方向齿轮驱动装置332、竖直齿条轨道333、周向驱动电机和减速器334、周向齿轮驱动装置335、周向齿条轨道336、径向驱动电机和减速器337、径向驱动丝杠轨道338、径向丝杠螺母装置339，管壳式集热器34固定在竖直方向齿轮驱动装置332上，蝶式反射聚光镜35固定在管壳式集热器34上，管壳式集热器34的中心位于蝶式反射聚光镜35的主光轴上且位于其焦点处，竖直方向驱动电机和减速器331连接竖直方向齿轮驱动装置332，竖直方向齿轮驱动装置332安放在竖直齿条轨道333上并与其互相啮合，周向齿条轨道336沿东西向放置，周向驱动电机和减速器334连接周向齿轮驱动装置335，周向齿轮驱动装置335安放在周向齿条轨道336上并与其互相啮合，径向驱动电机和减速器337连接径向丝杠轨道338的丝杠，径向丝杠螺母装置339安放在径向丝杠轨道338上并与其丝杠互相啮合，竖直齿条轨道333固定在径向丝杠螺母装置339上，径向丝杠轨道338连接在周向齿轮驱动装置335上。随着太阳东升西落，会聚形成的光斑在菲涅尔式点聚焦透镜31的下方运动，通过三轴集热器支撑驱动装置33驱动管壳式集热器34和蝶式反射聚光镜35跟踪会聚光斑。

Claims (13)

1.一种透射聚光跟踪式太阳能集热装置，其特征在于，包括聚光透镜、透镜支撑结构、集热器、反射聚光镜、集热器支撑驱动装置；其中，
所述的聚光透镜固定安装在所述的透镜支撑结构上，所述的反射聚光镜与所述的集热器固定连接，所述的集热器安装在所述的集热器支撑驱动装置上，所述的集热器在所述的聚光透镜的下方。
2.根据权利要求1所述的聚光透镜，其特征在于，包括线聚焦透镜和点聚焦透镜。
3.根据权利要求1所述的聚光透镜，其特征在于，所述的聚光透镜的焦平面平行于地面。
4.根据权利要求1所述的聚光透镜，其特征在于，所述的聚光透镜的焦平面向赤道倾斜，倾斜角为所在地纬度值。
5.根据权利要求2所述的线聚焦透镜，其特征在于，所述的线聚焦透镜的焦线指向地面的南北方向。
6.根据权利要求1所述的集热器，其特征在于，包括直通式真空管集热器和管壳式集热器。
7.根据权利要求1所述的反射聚光镜，其特征在于，包括线聚焦的槽式反射镜和点聚焦的碟式反射镜。
8.根据权利要求6所述的直通式真空管集热器和权利要求7所述的槽式反射镜，其特征在于，所述的直通式真空管集热器与所述的槽式反射镜固定连接在一起，所述的直通式真空管集热器位于所述的槽式反射镜的焦线上。
9.根据权利要求6所述的管壳式集热器和权利要求7所述的碟式反射镜，其特征在于，所述的管壳式集热器与所述的碟式反射镜固定连接在一起，所述的管壳式集热器位于所述的碟式反射镜的焦点上。
10.根据权利要求1所述的集热器支撑驱动装置，其特征在于，包括单轴驱动装置、二轴驱动装置和三轴驱动装置。
11.根据权利要求10所述的单轴驱动装置，其特征在于，包括弧形齿条轨道、驱动电机和减速器、齿轮驱动装置，所述的弧形齿条轨道，其特征在于，是一种两边高中间低的弧形齿条轨道，所述的弧形齿条轨道垂直于权利要求6所述的直通式真空管集热器，所述的驱动电机和减速器连接所述的齿轮驱动装置，所述的齿轮驱动装置安放在所述的弧形齿条轨道上并与其互相啮合。
12.根据权利要求10所述的二轴驱动装置，其特征在于，包括竖直齿条轨道、水平齿条轨道、竖直驱动电机和减速器、竖直齿轮驱动装置、水平驱动电机和减速器、水平齿轮驱动装置，其中，所述的水平齿条轨道垂直于权利要求6所述的直通式真空管集热器，所述的竖直驱动电机和减速器连接所述的竖直齿轮驱动装置，该竖直齿轮驱动装置安放在所述的竖直齿条轨道上并与其互相啮合，所述的水平驱动电机和减速器连接所述的水平齿轮驱动装置，该水平齿轮驱动装置安放在所述的水平齿条轨道上并与其互相啮合，所述的竖直齿条轨道固定在所述的水平齿轮驱动装置上。
13.根据权利要求10所述的三轴驱动装置，其特征在于，包括竖直齿条轨道、周向齿条轨道、径向丝杠轨道、竖直驱动电机和减速器、竖直齿轮驱动装置、周向驱动电机和减速器、周向齿轮驱动装置、径向驱动电机和减速器、径向丝杠螺母装置，所述的竖直驱动电机和减速器连接所述的竖直齿轮驱动装置，该竖直齿轮驱动装置安放在所述的竖直齿条轨道上并与其互相啮合，所述的周向驱动电机和减速器连接所述的周向齿轮驱动装置，该周向齿轮驱动装置安放在所述的周向齿条轨道上并与其互相啮合，所述的径向驱动电机和减速器连接所述的径向丝杠轨道的丝杠，所述的径向丝杠螺母装置啮合在所述的丝杠上，所述的竖直齿条轨道固定在所述的径向丝杠螺母装置上，所述的径向丝杠轨道连接在所述的周向齿轮驱动装置上。
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CN112378094A (zh) * 2020-11-24 2021-02-19 中国科学院上海应用物理研究所 透射型太阳能聚光集热系统

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