CN112728778B - 反光板季节调节式聚光集热装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种反光板季节调节式聚光集热装置，其包括：主反光板、转杆模块、反光板支撑调节模块、接收器模块；转杆模块包括支撑杆、定位横杆、转轴、转杆、接收器固定架、配重块、动力装置；反光板支撑调节模块包括转动框架、角度调节固定装置、可调式反光板支撑架；转动框架的上端连接到定位横杆上，转动框架可围绕定位横杆转动，主反光板、转杆模块、反光板支撑调节模块、接收器模块的外部设有温室房。本申请具有转动部件少、单位占地面积太阳能利用率高、聚光效果优，抗风性能好、装置稳定性高、同时具有建造及维护成本低和重量轻的优势。

Description

反光板季节调节式聚光集热装置

技术领域

本发明涉及一种太阳能集热装置，特别是一种反光板季节调节式聚光集热装置，属于太阳能利用技术领域。

背景技术

为了将太阳能转化为更高品位的热能，需要通过聚光方式来获得更高温度的工质，聚光方式包括线聚焦(槽式、线性菲涅尔式)和点聚焦方式(塔式、碟式)，其中线聚焦方式由于成本低、适用范围广而得到更多的推广应用。

目前的线聚焦方式还存在以下不足：

1)集热装置建造成本偏高，比如槽式集热装置成本约5.2元/W，线性菲涅尔式集热装置成本约4.5元/W，相对于传统及其它能源优势不明显；2)维护成本高，一是反光板长期暴露在空气中，灰尘及落叶等会影响反光效果，而反光板清理比较麻烦，同时反光板会因为风雨沙尘的影响，反光率衰减快，装置寿命偏短；二是存在大量的转动部件，结构复杂且故障率大；3)单位面积地面太阳能利用率低，因为反光板的转动，为了避免相互遮挡，反光板阵列间需要留有一定的间距，考虑间距的存在导致集热装置在全年运行中的光学损失以及反光板之间的遮光，槽式集热器和线性菲涅尔式集热器的单位面积地面太阳能利用率仅约为55％和65％。此外，槽式集热器还存在装置偏重、抗风性能及跟踪精度要求高等不足，线性菲涅尔式存在聚光比偏低等不足。上述问题限制了太阳能线聚焦装置及太阳中高温热利用的进一步推广应用。

发明内容

技术问题：本发明的目的在于克服上述现有线聚焦集热装置的缺陷，提供了一种反光板季节调节的、成本低、聚光效果好、太阳能利用率高的线聚焦集热装置，投资费用低，单位面积利用率高，抗风性能好，装置稳定性高，同时具有重量轻和建造及维护成本低的优势。

技术方案：为解决上述技术问题，本申请提出了一种反光板季节调节式聚光集热装置，其包括主反光板、转杆模块、反光板支撑调节模块、接收器模块；该主反光板的上表面为反光面，该反光面呈向下凹陷的弧形面，使该反光面形成一反光凹槽，该反光凹槽沿一轴线方向延伸，该主反光板为固定式结构；该转杆模块包括支撑杆、定位横杆、转轴、转杆、接收器固定架、配重块、动力装置，定位横杆固定在支撑杆上，支撑杆的下端固定在地面上，转轴与定位横杆同轴连接且可以相对定位横杆转动，转杆的中间位置与转轴固定连接，转杆的两端分别连接接收器固定架和配重块，转轴与动力装置固定连接，动力装置带动转轴及转杆转动、支撑杆的中间位置固定设有定位螺栓；该反光板支撑调节模块包括转动框架、角度调节固定装置、可调式反光板支撑架，转动框架的上端连接到定位横杆上，转动框架可围绕定位横杆转动，角度调节固定装置固定连接到转动框架的中间位置，角度调节固定装置通过定位螺栓与转杆模块连接，可调式反光板支撑架固定连接到转动框架的下端，可调式反光板支撑架支撑和固定主反光板；该接收器模块包括直通式真空集热管，该直通式真空集热管固定安装在接收器固定架上。

1.入射光偏离抛物线轴线的角度越小，反射后的聚焦效果越好；2.采光时间段内，一年中太阳光的南北向高度角(本集热器东西轴向放置，该角度即为集热器的入射角)变化范围约为±40°；3.南北向高度角的分布区域与季节有关，每个季节中的变化范围一般小于±20°。本申请主要基于以上几个原理进行的发明创造，以解决现有线聚焦集热器所存在的问题。

本申请具有转动部件少，跟踪精度要求低，可以降低转动设备和控制设备的投资费用；单位占地面积太阳能利用率高(可以达到95％)，聚光光斑小，可以充分利用太阳能；抗风性能和装置稳定性好，重量轻，同时具有建造及维护成本低的优势。

进一步，转动框架包括弧形框架转动环、左斜杆、右斜杆、支撑架固定杆；转动环为圆环状，转动环套在定位横杆上并可以相对定位横杆转动；左斜杆和右斜杆的上端均连接到转动环上，左斜杆和右斜杆之间互成10-60度的角度，左斜杆和右斜杆的下端均固定连接支撑架固定杆，支撑架固定杆与可调式反光板支撑架固定连接。

该设计将接收器转动结构与反光板角度调节结构结合起来，通过优化设计，在保证聚光性能要求的基础上，尽可能简化结构，减少装置成本和重量，反光板的调节及接收器的转动易操作和控制。

进一步，角度调节固定装置包括弧顶杆，弧顶杆的两端分别连接左斜杆和右斜杆，弧顶杆上设有弧形长圆孔，定位螺栓穿过该弧形长圆孔并通过螺母紧固。

角度调节固定装置通过选择固定螺栓与长圆孔的相对固定位置，可以实现对反光板角度的无级调节，适用性强，同时结构简单，易操作。

进一步，可调式反光板支撑架包括弧形框架、反光板支撑杆、调节螺杆、调节螺母；弧形框架固定在转动框架的支撑架固定杆上，弧形框架上设有多个螺栓孔，调节螺杆穿过螺栓孔，调节螺杆上套有分别位于弧形框架上方和下方的2个调节螺母，调节螺杆上端固定连接反光板支撑杆，反光板支撑杆固定连接主反光板。

利用该调节机构，可以对主反光板的高度、弧度和角度在一定范围内进行精细调节，以使反光板达到所在地区的设定状态。反光板支撑杆与主反光板能够通过磁铁吸附的方式固定，易拆卸。

进一步，接收器模块还包括CPC反光板，CPC反光板固定在接收器固定架上并位于直通式真空集热管的上侧，主反光板反射的太阳光一部分直接照射到直通式真空集热管上，一部分经CPC反光板反射后照射到直通式真空集热管上。

采用CPC反光板能够进一步提高集热装置的聚光比，降低跟踪精度要求。

进一步，主反光板采用反光镜或反光铝板。

进一步，动力装置包括伺服电机、减速机、转动齿轮。

进一步，该主反光板的反光面的径向截面为一抛物线的一部分，该主反光板的反光面相对于该抛物线的对称轴非对称。

进一步，反光板季节调节式聚光集热装置还包括温室房；主反光板、转杆模块、反光板支撑调节模块、接收器模块均位于温室房内，温室房包括温室房框架和透光层，透光层采用玻璃或高透光塑料膜。

采用温室房具有以下优势：1、可以避免与外界空气的接触，减少灰尘及杂物对光线的遮挡，易于清理和维护；2、减少雨水、空气、杂物与集热装置的侵蚀，降低反光板反光率的衰减速度，延长反光板、CPC集热器及其它装置的使用寿命；3、由于没有了风力的影响，降低了抗风性要求，可以采用简易支架和薄壁反光板，降低装置的重量和成本；4、温室(阳光房)的保温性能，减少集热装置的热损，提高集热效率。

附图说明

图1是反光板季节调节式聚光集热装置的结构示意图。

图2是转杆模块的结构示意图。

图3是反光板支撑调节模块的结构示意图。

图4是接收器模块的结构示意图。

图5为主反光板的反光面的设计辅助图。

图6为接收器模块的运行轨迹的设计辅助图。

图7是反光板季节调节式聚光集热装置阵列的结构示意图。

图8是反光板季节调节式聚光集热装置聚光模拟图。

图9是南京地区反光板季节调节式聚光集热装置的入射角变化范围图。

其中：1是主反光板、2是转杆模块、3是反光板支撑调节模块、4是接收器模块、5是温室房、21是支撑杆、22是定位横杆、23是转轴、24是转杆、25是接收器固定架、26是配重块、27是动力装置、28是定位螺栓、31是转动框架、32是角度调节固定装置、33是可调式反光板支撑架、311是转动环、312是左斜杆、313是右斜杆、314是支撑架固定杆、321是弧形杆、322是弧形长圆孔、331是弧形框架、332是反光板支撑杆、333是调节螺杆、334是调节螺母、41是直通式真空集热管、42是CPC反光板、601是入射光、602是反射光、603是三角区域内接圆、604是运行弧形轨迹。

具体实施方式

请参阅图1-图4。

反光板季节调节式聚光集热装置包括主反光板1、转杆模块2、反光板支撑调节模块3、接收器模块4。

该主反光板1的上表面为反光面，该反光面呈向下凹陷的弧形面，使该反光面形成一反光凹槽，该反光凹槽沿一轴线方向延伸，该主反光板1为固定式结构；主反光板1采用反光镜。

该转杆模块2包括支撑杆21、定位横杆22、转轴23、转杆24、接收器固定架25、配重块26、动力装置27、定位螺栓28；定位横杆22固定在支撑杆21上，支撑杆21的下端固定在地面上，转轴23与定位横杆22同轴连接且可以相对定位横杆22转动，转杆24的中间位置与转轴23固定连接，转杆24的两端分别连接接收器固定架25和配重块26，转轴23与动力装置27固定连接，动力装置27带动转轴23及转杆24转动，支撑杆21的中间位置固定设有定位螺栓28；动力装置27包括伺服电机、减速机、转动齿轮；配重块26的重量满足支撑杆21上所支撑的物体的重心在转轴23的轴线上。

该反光板支撑调节模块包括转动框架31、角度调节固定装置32、可调式反光板支撑架33；转动框架31的上端连接到定位横杆22上，转动框架31可围绕定位横杆22转动；角度调节固定装置32固定连接到转动框架31的中间位置，角度调节固定装置32通过定位螺栓28与转杆模块2连接；可调式反光板支撑架33固定连接到转动框架31的下端，可调式反光板支撑架33支撑和固定主反光板1。

转动框架31包括转动环311、左斜杆312、右斜杆313、支撑架固定杆314；转动环311为圆环状，转动环311套在定位横杆22上并可以相对定位横杆22转动；左斜杆312和右斜杆313的上端均连接到转动环311上，左斜杆312和右斜杆313之间互成10-60度的角度，左斜杆312和右斜杆313的下端均固定连接支撑架固定杆314，支撑架固定杆314与可调式反光板支撑架33固定连接。

角度调节固定装置32包括弧形杆321，弧顶杆321的两端分别连接左斜杆312和右斜杆313，弧顶杆321上设有弧形长圆孔322，定位螺栓28穿过该弧形长圆孔322并通过螺母紧固。

可调式反光板支撑架33包括弧形框架331、反光板支撑杆332、调节螺杆333、调节螺母334；弧形框架331固定在转动框架31的支撑架固定杆314上，弧形框架331上设有多个螺栓孔，调节螺杆333穿过螺栓孔，调节螺杆333上套有分别位于弧形框架331上方和下方的2个调节螺母334，调节螺杆333上端固定连接反光板支撑杆332，反光板支撑杆332固定连接主反光板1。

该接收器模块4包括直通式真空集热管41和CPC反光板42，该直通式真空集热管41和CPC反光板42均固定安装在接收器固定架25上，且CPC反光板42位于直通式真空集热管41的上侧。主反光板1反射的太阳光一部分直接照射到直通式真空集热管41上，一部分经CPC反光板42反射后照射到直通式真空集热管41上。直通式真空集热管41的长度为2m，直通式真空集热管41内部的金属管采用DN16不锈钢管(外径22mm)。

在本实施例中，在接收器固定架25上固定安装有一梯形框，在两个梯形框的顶角之间安装有直杆，使两个梯形框连接为一个固定框。直通式真空集热管41的两端分别固定在该梯形框上，CPC反光板42的外侧面固定在直杆上。

以下对主反光板1的反光面的设计进行说明(以一具体实施例来说明)。

请参阅图5，该主反光板1的反光面的径向截面为一抛物线的一部分，该抛物线的公式为：其中p为焦距，该抛物线的焦点为F，主反光板1的反光面的形状采用如下步骤确定：

(11)该反光板的径向截面的两个端点分别称为端点A(x₁,y₁)和端点B(x₂,y₂)，线段的长度称为l_AB，抛物线的焦点F到线段的距离称为l_F-AB，确定l_AB＝848.67mm、l_F-AB＝1125.21mm；

(12)确定该反光板季节调节式聚光集热装置所在地区(南京)的纬度为32°，即θ＝32；

(13)根据 计算得出p＝1956.08mm、x₁＝-1582.17mm、y₁＝639.86mm、x₂＝-862.44mm、y₂＝190.13mm，即确定了反光面的径向截面形状。

请参阅图6,以下以上述的主反光板1的反光面为基础，来确定接收器模块4的运行轨迹：

(21)将主反光板1的反光面朝上设置，且使线段沿水平方向放置，C(x₃,y₃)为的中间点，B点设定为坐标原点；

(22)根据x₃＝(x₁+x₂)/2、确定x₃＝-1222.31mm、y₃＝381.78mm；

(23)各个时间点的太阳光601在端点A、端点B和中间点C各形成一条反射光线602，三条反射光线602形成一个三角区域，取三角区域内接圆603的圆心确定为选择点，将各选择点连接并拟合为一条圆心坐标为(-404.6，747.7)，半径为811.6mm的圆弧线，该圆弧线为接收器模块4的运行弧形轨迹604。

本实施例中，CPC反光板42的开口宽度为70.8mm，CPC的接收角为60°，CPC反光板42的轴向与运行弧形轨迹604径向的夹角为31.5°，CPC的截短比为0.694。

请参阅图7，反光板季节调节式聚光集热装置还包括温室房5，主反光板1、转杆模块2、反光板支撑调节模块3、接收器模块4均位于温室房5内，温室房5包括温室房框架和透光层，透光层采用玻璃。

温室房5具有减少热损，减少风阻以轻量化装置，减少主反光板1反光率衰减速度，易清理维护等效果。

该反光板季节调节式聚光集热装置阵列由6个反光板季节调节式聚光集热装置单元组成，每列2个单元，共3列，直通式真空集热管41的轴向为东西方向；每个反光板季节调节式聚光集热装置的主反光板1面积为0.85m*2mm＝1.7m²，装置高度约为1.7m；反光板季节调节式聚光集热装置阵列总采光面积为1.7*6＝10.2m²，额定集热功率为7.5kW，总造价约为2.8万元，聚光比为848.67÷22＝38.6。

请参阅图8，以南京地区的本实施例为例，进行了光线跟踪模拟，图中的a、b、c、d分别为入射角偏离抛物线轴向0度、10度、20度、30度时的太阳光反射情况，可以看出，当入射光偏离角度为0度时，反射光汇聚一点；当入射光偏离角度为10度时，反射光汇聚的光斑很小；当入射光偏离角度为20度时，反射光反射光汇聚的光斑不大且小于集热管的尺寸；当入射光偏离角度为30度时，反射光汇聚光斑稍大且有部分光溢出集热管。

请参阅图9，图中展示了南京地区6-12月份，上午8点到12点的南北向高度角(集热器入射角)变化情况(上半年和下午分别呈对称分布)。可以看出，若不采用季节调节的方式，本集热器的入射光偏离角度最大约为40°；若采用季节调节的方式(一年调节4次)，本集热器的入射光偏离角度最大约为16°，故采用季节调节反光板的方式可以显著减少此集热装置的入射光偏离角度，优化了聚光集热效果，提高了太阳能利用率，同时进一步降低了跟踪精度要求。

以下为本实施例的优势总结。

由上表可以看出，本申请具有转动部件少，跟踪精度要求低，可以降低转动设备和控制设备的投资费用；单位占地面积有效利用率高(约94％)，聚光效果好、太阳能利用率高；抗风性能好，装置稳定性高，重量轻；同时具有建造及维护成本低的优势。

需要说明的是上述实施例仅仅是本发明的较佳实施例，并没有用来限定本发明的保护范围，本发明的保护范围以权利要求书为准。

Claims (7)

1.反光板季节调节式聚光集热装置，其特征在于包括主反光板、转杆模块、反光板支撑调节模块、接收器模块；该主反光板的上表面为反光面，该反光面呈向下凹陷的弧形面，使该反光面形成一反光凹槽，该反光凹槽沿一轴线方向延伸，该主反光板为固定式结构；该转杆模块包括支撑杆、定位横杆、转轴、转杆、接收器固定架、配重块、动力装置，定位横杆固定在支撑杆上，支撑杆的下端固定在地面上，转轴与定位横杆同轴连接且可以相对定位横杆转动，转杆的中间位置与转轴固定连接，转杆的两端分别连接接收器固定架和配重块，转轴与动力装置固定连接，动力装置带动转轴及转杆转动、支撑杆的中间位置固定设有定位螺栓；该反光板支撑调节模块包括转动框架、角度调节固定装置、可调式反光板支撑架，转动框架的上端连接到定位横杆上，转动框架可围绕定位横杆转动，角度调节固定装置固定连接到转动框架的中间位置，角度调节固定装置通过定位螺栓与转杆模块连接，可调式反光板支撑架固定连接到转动框架的下端，可调式反光板支撑架支撑和固定主反光板；该接收器模块包括直通式真空集热管，该直通式真空集热管固定安装在接收器固定架上；

转动框架包括弧形框架转动环、左斜杆、右斜杆、支撑架固定杆；转动环为圆环状，转动环套在定位横杆上并可以相对定位横杆转动；左斜杆和右斜杆的上端均连接到转动环上，左斜杆和右斜杆之间互成10-60度的角度，左斜杆和右斜杆的下端均固定连接支撑架固定杆，支撑架固定杆与可调式反光板支撑架固定连接；

角度调节固定装置包括弧顶杆，弧顶杆的两端分别连接左斜杆和右斜杆，弧顶杆上设有弧形长圆孔，定位螺栓穿过该弧形长圆孔并通过螺母紧固。

2.根据权利要求1所述的反光板季节调节式聚光集热装置，其特征在于，可调式反光板支撑架包括弧形框架、反光板支撑杆、调节螺杆、调节螺母；弧形框架固定在转动框架的支撑架固定杆上，弧形框架上设有多个螺栓孔，调节螺杆穿过螺栓孔，调节螺杆上套有分别位于弧形框架上方和下方的2个调节螺母，调节螺杆上端固定连接反光板支撑杆，反光板支撑杆固定连接主反光板。

3.根据权利要求1所述的反光板季节调节式聚光集热装置，其特征在于，接收器模块还包括CPC反光板，CPC反光板固定在接收器固定架上并位于直通式真空集热管的上侧，主反光板反射的太阳光一部分直接照射到直通式真空集热管上，一部分经CPC反光板反射后照射到直通式真空集热管上。

4.根据权利要求1所述的反光板季节调节式聚光集热装置，其特征在于，主反光板采用反光镜。

5.根据权利要求1所述的反光板季节调节式聚光集热装置，其特征在于，动力装置包括伺服电机、减速机、转动齿轮。

6.根据权利要求1所述的反光板季节调节式聚光集热装置，其特征在于，该主反光板的反光面的径向截面为一抛物线的一部分，该主反光板的反光面相对于该抛物线的对称轴非对称。

7.根据权利要求1所述的反光板季节调节式聚光集热装置，其特征在于，反光板季节调节式聚光集热装置还包括温室房；主反光板、转杆模块、反光板支撑调节模块、接收器模块均位于温室房内，温室房包括温室房框架和透光层，透光层采用玻璃或高透光塑料膜。