CN109564949A - 带有用于固定倾斜的太阳能集热器或光伏模块中的移动反射镜的太阳能聚光器 - Google Patents

Abstract

该装置是具有截锥体横截面的圆柱形聚光器，所述聚光器使用在平行于圆柱轴的轴上旋转的移动式平坦的反射镜(1)，具有低聚光水平(通常<＝2)。该装置被专门设计成与太阳能集热器和光伏模块(2)(即使是商用的)耦合，这样，即使是静态的，也能提高其生产率并降低能量生成的成本。本发明中的装置的基本特征是反射镜的跟踪标准是重定向极端光线(r1、r2、...、r'1、r'2、...)，所述极端光线在没有聚光的情况下入射在反射镜离孔径最远的部分上，而没有朝向孔径的相对端聚光。反射镜是能够移动的，这意味着可以简化防止风、雪和过热的结构和系统。

Description

带有用于固定倾斜的太阳能集热器或光伏模块中的移动反射 镜的太阳能聚光器

技术领域

利用太阳能热能生成热量，并且利用光伏太阳能发电。

背景技术

太阳能聚光器是一种使用反射镜或透镜将表面(称为孔径面积)上的入射辐射重新定向到小于孔径的出射区域的装置，其中，太阳能吸热器或光伏模块以出射区域的能量密度大于孔径的能量密度的方式放置。孔径面积和出射面积之间的关系称为几何聚光度或者简称为聚光度，并且用字母C表示。

使用反射镜来聚光太阳辐射是一项非常古老的技术(20世纪初)，并广泛应用于太阳能系统中，以通过温度通常高于300℃的热力循环来发电。用于这些目的最广泛的太阳能聚光器装置是抛物面槽式太阳能集热器、定日镜和抛物面，通常基于抛物面截面的柱面反射镜或基于旋转抛物面或在菲涅耳反射镜的情况下基于其投影到平面上(参见：J.F.Kreider和F.Kreith的Solar energy handbook McGraw-Hill series in modernstructures(美国)，1981年)。这些技术的典型聚光度在20到500之间。这些技术中的反射镜将太阳辐射重定向到焦点，无论是线性的还是点状的，并且需要非常精确的跟踪装置来遵循太阳的视运动。

对于热应用和需要较低热水平(低于150°)的应用，也使用具有弯曲横向轮廓(抛物线形或吸收器渐开线形)的圆柱形聚光反射镜，但是它们不会将辐射重定向到单个焦点。这些包括带有曲面镜的CPC型集热器和使用固定平坦的反射镜作为聚光器的集热器。(见Active Solar Collectors and Their Applications，AriRabl，牛津大学出版社，1985年)。在这类非聚焦装置中，聚光度通常小于2，这意味着非聚焦装置不倾向于使用跟踪太阳视运动的系统(固定倾斜聚光器)。迄今为止，具有曲面和平坦的反射镜的非聚焦聚光器通常会在吸收器上产生非常不均匀的辐射分布，在某些情况下，会产生辐射峰值，这可能会导致集热器的操作问题。

聚光器在光伏应用中的应用并不广泛，尽管人们对寻找能够降低光伏发电成本的可行技术非常感兴趣。其使用(特别是对于使用标准模块的低聚光度C<2的应用)总是与以下事实发生冲突：当电池的温度升高时，并且当模块中每个光伏电池接收的辐射不同时，光伏模块的性能更差。这就解释了为什么甚至迄今为止使用的非聚焦聚光器(CPC和锥体)运行不够好。尽管有这些限制，光伏聚光技术的研究仍在继续，特别是对于非常高的聚光度(超过100)和非常高效的高温电池(见“聚光光伏(CPV)技术的现状”，Simon P.Philipps博士等，Fraunhofer ISE和NREL报告，2016年)。剩余的缺点是成本，因为迄今为止，所使用的聚光器在降低光伏应用的电力成本方面还没有提供明显的优势。

发明内容

本发明中的装置被公布为实用新型ES1162359Y。本发明中的装置是具有截锥体横截面的非聚焦的圆柱形聚光器，所述聚光器使用在平行于圆柱轴的轴上旋转的移动式平坦的反射镜并且显示低聚光水平(通常C<＝2)。该装置被专门设计成与太阳能集热器(平板、真空管式集热器等)耦合，包括商业上可获得的太阳能集热器，因此尽管它们仍然是固定倾斜的集热器，但是它们变得更节能，并且可以用于需要在接近150°的温度下以合理的效率加热的应用中。也可以耦合到光伏模块，包括商业上可获得的模块，因此尽管它们仍然是固定倾斜的模块，但是其生产率提高了，并且光伏发电的成本降低了。可以装配在这些装置的外部，并且可以适应框架和可用支撑结构的特征，既可以安装在平屋顶或地面上，也可以安装在倾斜的屋顶或结构上。本发明中装置的基本特征(图1)在于，聚光器中的平坦的反射镜(或者反射镜，如果只使用一个的话)以这样的方式移动，使得在旧孔径上均匀地重新分布在新孔径上可用的辐射，而没有聚光(包括吸收器或者光伏模块)，避免了聚焦聚光器和CPC特有的高局部聚光。为了实现这一点，并且考虑到对于圆柱形聚光器，在与以给定入射角照射在孔径上的反射光线的路径的聚光器垂直的平面(垂直于圆柱轴的平面)上的投影与该入射角的纵向分量无关，反射镜跟踪标准是将其移动，以将极端光线(照射在离孔径最远的反射镜部分而没有聚光的光线)重定向到孔径表面的相对端，而没有聚光(图2和3)。一种替代将其无聚光地引向真实孔径表面的相对端的方法(其一个优点是，提供了更好地接近反射镜枢转点的途径，以使本发明中的装置能够机械组装)是将其无聚光地引向虚拟孔径表面的相对端。这被定义为孔径，其尺寸与真实孔径的尺寸相同，并且位于平行平面上，并且相距适当的距离，以例如减小空气动力学负荷。可以沿着其全部或部分长度通过平坦的反射镜与真实的孔径连接，平坦的反射镜垂直或准垂直于孔径，而没有聚光。图4示出了没有聚光的虚拟孔径的示例。

本发明中的装置的尺寸将适合于太阳能集热器的尺寸或与其耦合的光伏(PV)模块。本发明中的装置将为相对于孔径法线的0°横向入射角提供大约2的聚光水平，因此跟踪太阳需要较低的精度水平，并且可以容忍较大的误差，而不会对太阳能生产率产生显著影响。这种跟踪方法的另一个好处是，当入射角增加时，孔径面积的大小(总是假设为包含在平行于孔径的平面中的入射太阳光线的截面面积，没有被聚光反射镜重定向的聚光)略微增加，导致入射角的聚光度增加，而横向平面上的投影大于0°。为了便于构造本发明中的装置，反射镜不需要到达集热器的表面：其下部可以稍微截断。

将本发明中的装置与单个反射镜一起使用，对于改进现有的热安装和光伏安装可能特别有意义，其中，不同行的太阳能集热器或光伏模块(或其他设置)之间的距离排除了使用两个反射镜(例如，由于将投射在其他行上的阴影)，或者当需求曲线显示出明显的季节性不匹配时。在低纬度地区，选择单个反射镜，允许全年的高生产率选择，在非常低的风力负荷和大于40％的地形占用系数下，达到约C＝1.7的聚光度，没有明显的阴影问题。

为了优化任何太阳能集热器的性能，需要在能够捕获的元件和减少热损失的元件之间找到折衷(例如，用于覆盖平板集热器的玻璃降低了热损失，但减少了到达吸收器的辐射)。这种折衷将在很大程度上取决于预期的工作温度和所需的成本。本发明中的装置的尺寸和形状将适合于使用其的应用的特征，特别是所需的工作温度，并且将提供介于1和2之间的聚光度。由于反射镜的反射率和漫射辐射捕获的减少，这种聚光的效果是以光学损失为代价来减少每单位孔径面积的热损失(热损失与吸收面积成比例，吸收面积是有损失的面积，增益与孔径面积成比例)。这样做的目的是提高效率。热安装中要控制的一个因素是，当集热器孔径上的辐射水平很高且吸收器没有冷却时(例如，当控制器停止初级回路中的循环泵时，当太阳能存储器中达到最高温度时)，吸收器中达到非常高的温度的时间。太阳能集热器越好，温度越高。在这些情况下，好的太阳能集热器将达到180℃以上的温度(所谓的停滞温度)。如果好的集热器与聚光度接近2的外部聚光器耦合，则可达到的停滞温度可能超过250℃。尽管用于制造集热器的材料是根据其耐受停滞温度的能力来选择的，但从成本和耐用性两个方面来看，并且为了简化太阳能利用系统的操作，具有降低停滞温度的被动方法总是优选的。本发明中的装置试图将与聚光度相关的效率增加与合理的成本相协调，而没有与停滞温度增加相关的缺点。本发明中的该装置中的聚光器反射镜是能够移动的，这一事实允许反射镜用于阴影，遮挡太阳辐射(图5)，并在必要时避免高停滞温度。这种保护位置(折叠一个或两个反射镜)还具有以下优点：如果反射镜在夜间或当工厂不使用时折叠，则可将脏物减少到最低程度，并且减少风和雪的负荷，因为当风速较高或降雪较大时，反射镜会以这样的方式移动，以减少风作用或雪积聚的面积。

本发明中的装置通常安装在固定倾斜的集热器或模块上，所述集热器或模块朝向赤道(在北半球面向南)在靠近该位置的纬度的水平线上倾斜一个角度或者安装在从北向南排成行的水平或倾斜的集热器或模块上，尽管跟踪轴可以相对于这些条件有很大的偏差，即，通常，反射镜将跟踪东西轴或南北轴，在每种情况下选择最有利的选项。如果我们将本发明的装置与光伏应用中在东西轴或南北轴上没有聚光的情况下跟踪的太阳能跟踪器进行比较(对于热应用，这种比较毫无意义，因为在没有聚光的情况下，未使用跟踪)，则我们会发现这种装置有一些有趣的优点。对于相同的孔径面积，光伏场的占地面积可以增加15％以上，各行之间没有明显的遮光问题。此外，对于相同面积的光伏模块，有可能增加超过25％的发电量(考虑到与没有跟踪的模块相比，跟踪提高了约20-30％的发电量，并且在本发明中的装置的聚光度为1.7的情况下，模块在较高温度下工作时以稍低的效率工作)。整组光伏模块不需要移动，因为只要反射镜移动就足够了。支撑结构更轻，防阵风更简单。

附图说明

包括一组附图，以补充本文档中包含的信息，并有助于更好地理解本发明的特征。这些附图是文档的组成部分，其中，以说明性而非限制性的方式显示了以下内容：

图1示出了耦合到太阳能集热器或光伏模块(PV)的本发明中的装置(1)的示意性3D视图。

图2示出了左边(r1、r2、r3...)和右边(r1'、r2'、r3'...)在限定在本发明中的装置的光线r(i)和r(i')(i＝1、2、3...)之间的孔径a(i)上的入射极端光线的路径的截面上的投影的示意图，其中，两个反射镜位于不同的位置。显示了撞击反射镜上部的光线(极端光线)如何朝向孔径的相反端反射，而没有聚光(2)。对于孔径上的每个辐射入射角，反射镜移动，以将极端光线重定向到孔径上的相同点，而没有聚光。

图3示出了对于耦合到在水平线上倾斜的集热器或PV模块并使用具有东西跟踪的反射镜的聚光器，本发明中的装置(1)的截面上的投影中的重定向对入射太阳辐射光线h1、h2和h3的影响的示意图，该装置具有朝向太阳集热器或PV模块(2)的两个反射镜。该图显示了太阳辐射线h1、h2和h3在集热器的孔径a1、a2和a3上以不同的横向入射角入射及其如何通过改变反射镜的位置而没有聚光地重定向到孔径。重要的是，强调孔径上辐射分布的均匀性，而没有聚光，因为反射镜均匀地照射孔径。

图4示出了本发明中的装置(1)的截面上的投影中的重定向对入射太阳辐射光线h1的影响的示意图，类似于图3，但是该装置被设计用于没有聚光的虚拟孔径(2’)，其中，两个反射镜朝向虚拟太阳能集热器或PV模块(2’)，然后朝向真实太阳能集热器或PV模块(2)。

图5示出了本发明中的装置(1)的太阳能集热器或PV模块(2)的可能保护或收起位置的截面的示意图：该装置可以折叠反射镜，以防止太阳辐射在没有聚光的情况下到达孔径。保护位置还旨在减少风和雪的影响。

图6示出了本发明的一个可能的优选实施例的详细视图，该实施例耦合到在水平线上倾斜的集热器或PV模块，并使用具有东西向跟踪的反射镜及其各种组件。本发明中的装置(1)被示出为具有反射镜及其结构的细节以及两个轴E1和E2，沿着这两个轴E1和E2，该装置分别在上引导件(3)和下引导件(4)上滑动(还详细示出(4)，具有狭缝，反射镜通过该狭缝滑动和适配，以使其能够耦合到太阳能集热器或PV模块的侧面轮廓)。该图还显示了太阳能集热器或PV模块(2)、与跟踪电机或致动器(6)的连接系统、与带有杠杆(P)的齿轮系统连接的电缆、链条(C)和滑轮或轮子(R)的细节。通过连接到移动电机或致动器的同一轴的储能装置(例如，扭力弹簧)(7)，当使用时，当电机没有动力源时，这改变了齿轮系统的位置，并且当电机或致动器使用(6)时，允许反射镜沿相同方向移动(6)，或者当电机(6)没有动力时，反射镜沿相反方向移动。还示出了集热器和聚光器的支撑结构(8)。

具体实施方式

可以以多种方式使用本发明中的装置。这些图及其编号的方式显示了本发明的优选实施例，使用了所示的部件和元件。这将在下面详细描述。

因此，图6示出了太阳能聚光器装置的一种可能的优选实施例，其中，能够移动反射镜用于固定倾斜热太阳能集热器或固定倾斜光伏模块中。在本发明的优选实施例中，本发明中的装置包括(当连接到标准平板集热器时)：

1、具有高水平太阳反射率(例如，玻璃和银或铝箔)的聚光反射镜(1或2个单元)及其支撑结构，以确保其具有必要的刚性；

2、太阳能集热器，其主要部件是吸收器、玻璃、隔热材料和容纳所有这些元件的盒子(包括在说明书中，因为虽然不是装置本身的一部分，但决定了装置的尺寸和形状)；

3、引导件，连接到顶部的反射镜支撑结构的轴沿着该引导件滑动或旋转，反射镜支撑结构将机械负荷传送到总体结构。可以连接右镜引导件和左镜引导件，以确保结构具有必要的刚性；

4、引导件，连接到底部反射镜支架的轴沿着该引导件滑动或旋转；

5、通过齿轮和电缆或牵引链或任何其他等效装置，连接到跟踪电机/致动器，对于每个反射镜是分开的或者对于这两者都是共用的，这些装置连接到与反射镜的支撑结构连接的轴上。可以包括引导件内的滑轮。允许反射镜在跟踪时沿相同方向移动，或者当反射镜移动到收起或保护位置时沿相反方向移动；

6、在跟踪期间移动反射镜的致动器，通常由电网、电池或直接由光伏模块供电；

7、当电网没有电源将电机或致动器驱动至收起或保护位置时，移动反射镜所需的储能装置(例如，扭力弹簧)；

8、集热器和聚光器的支撑结构。

如上所述，聚光器(1)的反射镜(或者通常是多个反射镜)沿着引导件(3)和(4)移动，以跟踪太阳的视运动，并移动到保护位置。引导件可以由等效机构代替，该机构可以使反射镜绕期望的轴旋转。跟踪需要外部致动器(6)(例如，电动机)。作为额外的安全措施，当电机没有动力时，可以将扭力弹簧(7)或其他储能装置连接到齿轮系统，使得反射镜利用积累的能量移动到保护位置中。假设在太阳跟踪期间，反射镜(或者一个反射镜，如果只有一个的话)必须沿相同方向移动(沿着水平面向左或者向右移动)，并且移动到保护位置，可能需要这两个反射镜沿相反方向向聚光器的中心移动，在(5)中提供了并且在图6中示出了一个机构，在这种情况下，该机构将自动改变反射镜上的一个致动器的旋转方向，而不需要用电力驱动电机。

值得注意的是，反射镜引导件(3)还充当能够将负荷传输到支撑结构(8)的结构。在一种理想的光学方法中，反射镜应该从孔径延伸出来，并且不聚光地接触孔径。然而，当本发明中的装置与标准平板太阳能集热器一起使用时，这是不可能的，因为由于玻璃，吸收器是不可接近的，并且反射镜的旋转中心在玻璃下方。反射镜的枢转点的下部必须放置在与反射镜旋转轴同心的凹槽(4)中。为了缓解这种情况，反射镜的下部及其支撑结构稍微截断，以防止反射镜移动到保护位置时该结构与玻璃碰撞。如果本发明中的装置与光伏模块一起使用，则这将是相同的，除了反射镜能够延伸，直到几乎接触模块。然而，考虑到需要考虑空气动力学和雪负荷对反射镜的影响，在大多数情况下，建议在模块和反射镜之间留出空间。

工业应用

制造如本文档中概述的具有能够移动反射镜的太阳能聚光器，以用于固定倾斜的太阳能集热器或固定倾斜的光伏模块。将根据与其耦合的太阳能集热器(或多个集热器)或光伏模块(或多个模块)的特定尺寸，并根据其所用于的应用进行调整。考虑到塑料、玻璃、ABS或金属的性能和成本，将使用适合其元件和部件的材料。

Claims (5)

1.一种具有截锥体横截面的非聚焦的圆柱形聚光器(1)，其用于改进固定倾斜的太阳能集热器和固定倾斜的PV模块(2)中的太阳能利用，其特征在于使用基本平坦的、能够移动的并且在平行于圆柱体轴的轴上旋转的反射镜，选择这些来跟踪太阳的视运动并充当太阳光聚光器，并且其特征还在于它们包括以下内容：

一个或两个平坦的移动反射镜，其在选定的轴上旋转，以跟踪太阳的视运动(1)，从而增加集热器或模块上的入射太阳辐射；

将所述反射镜耦合到固定倾斜的太阳能集热器或固定倾斜的PV模块(2)；

所述反射镜的上部(或等效物)上的引导通道，充当前述反射镜(3)或其他等效机构的移动器和支架；

连接到所述反射镜的支撑结构的下部的轴沿着其滑动(4)的引导件或者使所述反射镜在所需轴上旋转的其他等效机构；

使用电缆、链条、滑轮(5)或其他等效机构到一个或多个跟踪电机的一个或多个连接，从而允许所述反射镜沿相同或相反的方向移动；

在跟踪期间移动所述反射镜的致动器(6)；

储能装置(例如，扭力弹簧)(7)，如果需要，当所述致动器没有外部电力或机械动力时，该储能装置移动所述反射镜；

所述集热器和所述聚光器的支撑结构(8)。

2.根据权利要求1所述的用于改进太阳能利用的聚光器，其特征在于其具有跟踪轴的平坦的聚光器反射镜，所述聚光器反射镜将孔径上的可用辐射重定向到吸热器或光伏模块，从而在所述太阳能集热器或所述光伏模块上实现基本均匀的太阳辐射分布，并且其特征还在于所述反射镜的一些部件对朝向所述太阳能集热器的吸收器或朝向光伏模块的聚光没有贡献，而是充当孔径上的入射光线的波导。

3.根据权利要求1所述的用于改进太阳能利用的聚光器，其特征在于，其反射镜可以移动，以保护热所述太阳能集热器或所述光伏模块免受太阳辐射或风和/或雪负载，而不需要外部电源，因为其使用了在扭力弹簧或等效装置中积累的电力。

4.根据权利要求1所述的用于改进太阳能利用的聚光器，其特征在于具有这样的几何聚光率、跟踪轴、尺寸和几何形状，其根据一个太阳能集热器(或多个集热器)或一个光伏模块(或多个模块)的尺寸及其所用于的应用进行调整。

5.根据权利要求1所述的用于改进太阳能利用的聚光器，其特征在于，基于所述太阳能装置向其提供热量的应用的热水平和/或基于使用太阳能生成的热能或电能的最佳成本效益来选择所述反射镜的跟踪轴、太阳能聚光度和太阳能反射率。