專利名稱：透射式線聚焦太陽能集熱系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種新型的太陽能集熱系統(tǒng)，具體涉及可用于發(fā)電、制冷、供熱的 一種免外部跟蹤的透射式線聚焦太陽能集熱系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
由于能源危機(jī)和環(huán)境污染的緣故，各國政府對可再生能源的重視程度與日俱增。 與此相呼應(yīng)，太陽能光伏發(fā)電近年來取得了飛速的發(fā)展。然而到目前為止，由于光伏發(fā)電的 成本仍然較高，多是靠政府的補(bǔ)貼來支持的，從而導(dǎo)致其大規(guī)模的應(yīng)用受到限制。與此同 時(shí)，聚光式太陽能熱發(fā)電(CSP)目前在國際上引起了相當(dāng)程度的關(guān)注。相對其它可再生能 源技術(shù)而言，太陽能熱發(fā)電具有一系列的優(yōu)勢。其最為突出的優(yōu)勢是，在發(fā)電成本上遠(yuǎn)遠(yuǎn)低 于光伏發(fā)電。CSP聚光系統(tǒng)可進(jìn)一步區(qū)分為點(diǎn)聚焦系統(tǒng)和線聚焦系統(tǒng)。點(diǎn)聚焦系統(tǒng)將太陽 光聚集到一個(gè)中央吸熱器上，塔式、碟式斯特林發(fā)電系統(tǒng)都屬于點(diǎn)聚焦系統(tǒng)；而線聚交系統(tǒng) 則把光線聚集到一個(gè)線性的吸熱管上，槽式系統(tǒng)屬于線聚焦系統(tǒng)。目前，各種形式的反射式和透射式太陽能聚光系統(tǒng)層出不窮，但其共同的特征就 是都需要使用單軸或雙軸的自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)。盡管自動(dòng)跟蹤太陽的軌跡在技術(shù)上已經(jīng)不是什 么難題，然而其高昂的成本和由惡劣的室外工作環(huán)境所造成的系統(tǒng)可靠性等方面的問題卻 在某種程度上阻礙了聚光式太陽能發(fā)電(包括CPV和CSP)的發(fā)展。許多年前，研究人員曾 設(shè)計(jì)出復(fù)合拋物面聚光器(CPC)，其最主要的目的就是為了避免對太陽的跟蹤。然而，CPC 每天接收太陽光的有效時(shí)間很短，另外，在反射式太陽能聚光器結(jié)構(gòu)中入射光與反射光位 于聚光體的同一側(cè)，造成反射效率不足等問題。地球以大約每小時(shí)15°的角速度繞極軸由西向東自轉(zhuǎn)，同時(shí)還繞太陽公轉(zhuǎn)。這就 導(dǎo)致了在一天當(dāng)中，太陽光的方向和強(qiáng)度隨著時(shí)間不斷地改變。自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)就是為了保 證在一天的絕大多數(shù)時(shí)間當(dāng)中，太陽光能夠垂直地入射到聚光體的表面，從而最大限度地 利用太陽光所攜帶的能量。自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)通常是由光傳感器，信號(hào)處理+自動(dòng)控制(通常 由單片機(jī)來實(shí)現(xiàn))，以及驅(qū)動(dòng)裝置等組成。雖然技術(shù)上已經(jīng)沒有難點(diǎn)，但系統(tǒng)可靠性，系統(tǒng)壽 命，以及成本等一直都是難以解決的問題。就目前太陽能行業(yè)的情況來看，大型太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)普遍采用反射式聚光鏡將 太陽的能量高度聚集，從而將傳熱/儲(chǔ)熱介質(zhì)的溫度大大升高，而透鏡則大多使用在CPV系 統(tǒng)當(dāng)中。使用透射式聚光體結(jié)構(gòu)的好處之一就是光源(即太陽)和吸熱裝置分別位于聚光 體的兩側(cè)，避免了在反射式太陽能聚光器結(jié)構(gòu)中反射效率不足等問題。此外，隨著材料科學(xué) 的不斷進(jìn)步，制造透鏡所需的材料(例如PMMA)成本已經(jīng)變得非常低廉，而其在惡劣環(huán)境下 抗老化的能力則不斷提高，已經(jīng)成為很有競爭力的聚光技術(shù)。在各類菲涅爾透鏡當(dāng)中，線性曲面式菲涅爾透鏡具有其獨(dú)特的優(yōu)勢，這些優(yōu)勢可 以概括如下a.光學(xué)效率高(近90%) ；b.對太陽入射角度的精度要求低于一般的菲涅爾 透鏡；c.因而對自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)的精度要求相對較低(單軸跟蹤即可)。大型太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)所面臨的挑戰(zhàn)是，通常需要征用大片的土地，對環(huán)境的影響需要評(píng)估，需要建設(shè)龐大的電力傳輸系統(tǒng)，靈活性差，投資規(guī)模非常巨大等等。因此，克服 上述缺陷，將太陽能熱發(fā)電、熱利用系統(tǒng)小型化，獨(dú)立化，分布化是進(jìn)一步推廣太陽能利用 的重要手段之一。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型目的是提供一種透射式線聚焦太陽能集熱系統(tǒng)，具有結(jié)構(gòu)簡單實(shí)用， 系統(tǒng)模塊化，免外部跟蹤，但仍然能夠最大限度地吸收，利用太陽光所攜帶能量的優(yōu)點(diǎn)。該系統(tǒng)由以下幾個(gè)主要部分組成太陽能采集裝置，由多個(gè)線性曲面式菲涅爾透鏡組成，位于每個(gè)金屬吸熱管前端， 透鏡呈曲面長條形，每個(gè)透鏡的寬度在150毫米至200毫米之間，透鏡與透鏡之間保持一定 的距離，透鏡對入射太陽光進(jìn)行聚焦，聚焦后所形成的光斑為條狀，聚焦比為20 25倍；太陽能熱量吸收裝置，用于吸收太陽能熱量，位于每個(gè)線性曲面式菲涅爾透鏡后 端，對應(yīng)于每個(gè)線性曲面式菲涅爾透鏡，在其聚焦的直線上，配置相應(yīng)的金屬吸熱管，相對 于每一面透鏡，都有一段金屬吸熱管與之相配合，金屬吸熱管表面涂有吸收涂層，每一面透 鏡的金屬吸熱管全部串聯(lián)在一起組成一套太陽能熱量吸收裝置，該裝置有一個(gè)入口和一個(gè) 出口，導(dǎo)熱介質(zhì)在循環(huán)泵的作用下進(jìn)入吸收裝置的入口端，經(jīng)過金屬吸熱管被加熱后的介 質(zhì)隨后經(jīng)過出口端被輸送到能量使用單元；內(nèi)置自動(dòng)跟蹤裝置，用于帶動(dòng)線性曲面式菲涅爾透鏡在殼體內(nèi)部對太陽光進(jìn)行單 軸跟蹤，透鏡以金屬吸熱管為軸做軸向旋轉(zhuǎn)；機(jī)殼，太陽能采集裝置，太陽能熱量吸收裝置，自動(dòng)跟蹤裝置和有關(guān)部件均位于其 中，形成一個(gè)獨(dú)立的模塊或單元。所述的金屬吸熱管兩側(cè)的殼體上設(shè)有太陽能電池片。所述的太陽能采集裝置，位于殼體內(nèi)前端面，由多個(gè)線性曲面式菲涅爾透鏡組成， 每個(gè)透鏡的上下兩端固定在以金屬吸熱管為軸的傳動(dòng)桿前端。所述的太陽能熱量吸收裝置，位于殼體內(nèi)后端面與太陽能采集裝置之間，每一面 透鏡的金屬吸熱管全部串聯(lián)呈S形。所述的內(nèi)置自動(dòng)跟蹤裝置采用微型無刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)配合光傳感器對太陽光進(jìn) 行跟蹤，位于殼體內(nèi)一端，包括連接各傳動(dòng)桿后端的連桿，帶動(dòng)連桿運(yùn)動(dòng)的凸輪桿和帶動(dòng)凸 輪運(yùn)轉(zhuǎn)的電機(jī)軸。自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)的供電由太陽能電池片提供。上述結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)達(dá)到了本實(shí)用新型的目的。本實(shí)用新型通過同一殼體內(nèi)多個(gè)線性曲面式菲涅爾透鏡對入射太陽光進(jìn)行線聚 焦，從而使能量集中在與這些透鏡相對應(yīng)的金屬吸熱管上。金屬吸熱管在受到高度聚焦的 光束照射后，其內(nèi)部流動(dòng)的導(dǎo)熱介質(zhì)的溫度持續(xù)增高，從而使得介質(zhì)攜帶有大量的熱能量。 經(jīng)過加熱的導(dǎo)熱介質(zhì)在循環(huán)泵的作用下被輸送到能量使用單元，例如制冷設(shè)備，發(fā)電設(shè)備 等等。在能量使用單元中，熱能量被消耗。在一天當(dāng)中，系統(tǒng)通過內(nèi)置式自動(dòng)跟蹤裝置，對 太陽的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行跟蹤。自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)的供電，由安裝在吸熱管道周圍的太陽能電池片 來提供。本實(shí)用新型具有結(jié)構(gòu)簡單實(shí)用，系統(tǒng)模塊化，免外部跟蹤，但仍然能夠最大限度地 吸收，利用太陽光所攜帶能量，利于推廣太陽能的利用，可方便地安裝放置，使用成本低、使 用壽命長、使用效果好。
圖1是本實(shí)用新型的一個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)實(shí)施例的運(yùn)行原理圖。圖2是本實(shí)用新型的一個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)實(shí)施例的示意圖。圖3是一個(gè)內(nèi)置自動(dòng)跟蹤裝置實(shí)施例的示意圖。
具體實(shí)施方案如圖1至圖3所示，一種透射式線聚焦太陽能集熱系統(tǒng)，主要由太陽能采集裝置和 機(jī)殼3所組成，該系統(tǒng)由以下幾個(gè)主要部分組成太陽能采集裝置，由多個(gè)線性曲面式菲涅爾透鏡1組成，位于每個(gè)金屬吸熱管2 前端，每個(gè)透鏡呈曲面長條形，每個(gè)透鏡的寬度在150毫米至200毫米之間，透鏡與透鏡之 間保持一定的距離，透鏡對入射太陽光進(jìn)行聚焦，聚焦后所形成的光斑為條狀，聚焦比為 20 25倍。太陽能熱量吸收裝置，用于吸收太陽能熱量，位于每個(gè)線性曲面式菲涅爾透鏡后 端，對應(yīng)于每個(gè)線性曲面式菲涅爾透鏡，在其聚焦的直線上，配置相應(yīng)的金屬吸熱管，相對 于每一面透鏡，都有一段金屬吸熱管與之相配合，金屬吸熱管表面涂有吸收涂層，每一面透 鏡的金屬吸熱管全部串聯(lián)在一起組成一套太陽能熱量吸收裝置，該裝置有一個(gè)入口和一個(gè) 出口，導(dǎo)熱介質(zhì)在循環(huán)泵的作用下進(jìn)入吸收裝置的入口端，經(jīng)過金屬吸熱管被加熱后的介 質(zhì)隨后經(jīng)過出口端被輸送到能量使用單元；內(nèi)置自動(dòng)跟蹤裝置，用于帶動(dòng)線性曲面式菲涅爾透鏡在殼體內(nèi)部對太陽光進(jìn)行單 軸跟蹤，透鏡以金屬吸熱管為軸做軸向旋轉(zhuǎn)；機(jī)殼，太陽能采集裝置，太陽能熱量吸收裝置，自動(dòng)跟蹤裝置和有關(guān)部件均位于其 中，形成一個(gè)獨(dú)立的模塊或單元。所述的金屬吸熱管兩側(cè)的殼體上設(shè)有太陽能電池片。所述的太陽能采集裝置，位于殼體內(nèi)前端面，由多個(gè)線性曲面式菲涅爾透鏡組成， 每個(gè)透鏡的上下兩端固定在以金屬吸熱管為軸的傳動(dòng)桿8前端。所述的太陽能熱量吸收裝置，位于殼體內(nèi)后端面與太陽能采集裝置之間，每一面 透鏡的金屬吸熱管全部串聯(lián)呈S形。所述的內(nèi)置自動(dòng)跟蹤裝置采用微型無刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)配合光傳感器對太陽光進(jìn) 行跟蹤，位于殼體內(nèi)一端，包括連接各傳動(dòng)桿后端的連桿9，帶動(dòng)連桿運(yùn)動(dòng)的凸輪桿4和帶 動(dòng)凸輪6運(yùn)轉(zhuǎn)的電機(jī)軸5，自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)的供電由太陽能電池片提供。本實(shí)施例以五塊線性曲面式菲涅爾透鏡共同構(gòu)成透射式太陽能聚光器，對應(yīng)于每 一塊透鏡，在其正下方焦線處放置一根金屬吸熱管，因此，共有五根金屬吸熱管平行排列。 由圖中可以看出，透鏡與透鏡，透鏡與邊框之間都留有一定的空隙，這樣做的目的是保證在 系統(tǒng)對太陽光進(jìn)行跟蹤時(shí)，透鏡不會(huì)受到遮擋。隨著太陽在一天當(dāng)中的移動(dòng)，五塊菲涅爾透 鏡也在自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)的帶動(dòng)下，做軸向的旋轉(zhuǎn)，以保證太陽光線以0°的入射角入射到透鏡 的表面。參見圖2，五根吸熱管之間用彎管連接，形成一條通路，供導(dǎo)熱介質(zhì)循環(huán)流動(dòng)。從聚 光性能上來分析，由于所用菲涅爾透鏡是非成象系統(tǒng)，因此，只要將太陽光聚集到一個(gè)狹長的區(qū)域即可，而并非一條嚴(yán)格的幾何光線。從設(shè)計(jì)角度來講，這個(gè)狹長區(qū)域的大小應(yīng)該正好 與金屬吸熱管的尺寸相匹配，以達(dá)到最佳的吸熱效果。參見圖3，每個(gè)透鏡的上下兩端固定在對應(yīng)的每個(gè)傳動(dòng)桿前端，每個(gè)傳動(dòng)桿中端以 金屬吸熱管為軸，連桿連接各傳動(dòng)桿后端，連桿兩端接位于連桿兩端的滑槽10內(nèi)的滑塊7， 凸輪桿4 一端帶動(dòng)一端的滑塊，凸輪桿另一端與凸輪6周邊軸接，采用微型無刷直流電機(jī)驅(qū) 動(dòng)電機(jī)軸帶動(dòng)凸輪運(yùn)轉(zhuǎn)，配合光傳感器控制無刷直流電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)帶動(dòng)電機(jī)軸帶動(dòng)凸輪運(yùn)轉(zhuǎn)， 凸輪桿通過滑塊、連桿和傳動(dòng)桿帶動(dòng)每個(gè)透鏡，對太陽光進(jìn)行跟蹤。與大多數(shù)太陽能自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)一樣，本實(shí)用新型中的內(nèi)置式自動(dòng)跟蹤裝置的目的 也是為了保證太陽光對于菲涅爾透鏡的入射角為0°，但由于使用了線性曲面式菲涅爾透 鏡，此種透鏡對入射角非0°的光線也具有較強(qiáng)的接收能力，況且金屬吸熱管并非在一條嚴(yán) 格的幾何光線上接光能，而是在一個(gè)狹長的區(qū)域，從而導(dǎo)致對自動(dòng)跟蹤裝置的精度要求可 以較常規(guī)的自動(dòng)跟蹤裝置適當(dāng)放寬。內(nèi)置式自動(dòng)跟蹤裝置由光傳感器以及由軟件控制的 驅(qū)動(dòng)裝置來驅(qū)動(dòng)，由于體積小，重量輕，比普通外部自動(dòng)跟蹤裝置靈活，耗電量也非常小。此 外，若再安裝一塊高度透明面板，則整個(gè)系統(tǒng)成為一個(gè)封閉式系統(tǒng)，這對提高系統(tǒng)效率，延 長系統(tǒng)壽命，降低可能出現(xiàn)的維修費(fèi)用將起到非常積極的作用。在透鏡與透鏡之間的間隙， 可以安裝一定數(shù)量的太陽能電池片，這樣一來，既可以提供微型無刷式直流電機(jī)所需要的 電能，還可以對外輸出一定的電能，整個(gè)系統(tǒng)也升級(jí)成PV/T(即光伏/光熱)系統(tǒng)。這樣做 的另外一個(gè)好處就是不但避免了透鏡之間相互遮擋，還最大限度地利用了陽光采集面積。在實(shí)際工程中，整個(gè)系統(tǒng)可能由若干個(gè)以上單元所組成以提供更多的能量，這時(shí)， 可以將這些單元串聯(lián)起來，以提高輸出的能量。在考慮連接方案時(shí)，一個(gè)重要的因素就是對 導(dǎo)熱介質(zhì)加熱的溫度，這取決于以下幾個(gè)方面1)負(fù)載對總能量的要求；2)負(fù)載對溫度的 要求；3)導(dǎo)熱介質(zhì)的溫度特性；4)流速的限制；5)導(dǎo)熱介質(zhì)的初始溫度?？紤]到太陽能的 不確定性，增加一個(gè)預(yù)熱裝置可以帶來以下幾個(gè)方面的好處利用傳統(tǒng)能源(例如天然氣) 對導(dǎo)熱介質(zhì)進(jìn)行預(yù)熱，例如預(yù)熱到150°C，可使得導(dǎo)熱介質(zhì)在進(jìn)入太陽能吸熱裝置時(shí)，具有 比較理想的粘度。而理想的粘度不但可以降低循環(huán)泵的功率損耗，提高系統(tǒng)在一天運(yùn)行中 的利用率，還可以保證在每天早晨整個(gè)系統(tǒng)順利投入一天的運(yùn)行?？傊緦?shí)用新型具有結(jié)構(gòu)簡單實(shí)用，系統(tǒng)模塊化，免外部跟蹤，但仍然能夠最大 限度地吸收，利用太陽光所攜帶能量，利于推廣太陽能的利用，可方便地安裝放置，使用成 本低、使用壽命長、使用效果好。
權(quán)利要求一種透射式線聚焦太陽能集熱系統(tǒng)，主要由太陽能采集裝置和機(jī)殼所組成，其特征在于該系統(tǒng)由以下幾個(gè)主要部分組成太陽能采集裝置，由多個(gè)線性曲面式菲涅爾透鏡組成，位于每個(gè)金屬吸熱管前端，透鏡呈曲面長條形，每個(gè)透鏡的寬度在150毫米至200毫米之間，透鏡與透鏡之間保持一定的距離，透鏡對入射太陽光進(jìn)行聚焦，聚焦后所形成的光斑為條狀，聚焦比為20～25倍；太陽能熱量吸收裝置，用于吸收太陽能熱量，位于每個(gè)線性曲面式菲涅爾透鏡后端，對應(yīng)于每個(gè)線性曲面式菲涅爾透鏡，在其聚焦的直線上，配置相應(yīng)的金屬吸熱管，相對于每一面透鏡，都有一段金屬吸熱管與之相配合，金屬吸熱管表面涂有吸收涂層，每一面透鏡的金屬吸熱管全部串聯(lián)在一起組成一套太陽能熱量吸收裝置，該裝置有一個(gè)入口和一個(gè)出口，導(dǎo)熱介質(zhì)在循環(huán)泵的作用下進(jìn)入吸收裝置的入口端，經(jīng)過金屬吸熱管被加熱后的介質(zhì)隨后經(jīng)過出口端被輸送到能量使用單元；內(nèi)置自動(dòng)跟蹤裝置，用于帶動(dòng)線性曲面式菲涅爾透鏡在殼體內(nèi)部對太陽光進(jìn)行單軸跟蹤，透鏡以金屬吸熱管為軸做軸向旋轉(zhuǎn)；機(jī)殼，太陽能采集裝置，太陽能熱量吸收裝置，自動(dòng)跟蹤裝置和有關(guān)部件均位于其中，形成一個(gè)獨(dú)立的模塊或單元。
2.按權(quán)利要求1所述的透射式線聚焦太陽能集熱系統(tǒng)，其特征在于所述的金屬吸熱 管兩側(cè)的殼體上設(shè)有太陽能電池片。
3.按權(quán)利要求1所述的透射式線聚焦太陽能集熱系統(tǒng)，其特征在于所述的太陽能采 集裝置，位于殼體內(nèi)前端面，由多個(gè)線性曲面式菲涅爾透鏡組成，每個(gè)透鏡的上下兩端固定 在以金屬吸熱管為軸的傳動(dòng)桿前端。
4.按權(quán)利要求1所述的透射式線聚焦太陽能集熱系統(tǒng)，其特征在于所述的太陽能熱 量吸收裝置，位于殼體內(nèi)后端面與太陽能采集裝置之間，每一面透鏡的金屬吸熱管全部串 聯(lián)呈SB。
5.按權(quán)利要求1所述的透射式線聚焦太陽能集熱系統(tǒng)，其特征在于所述的內(nèi)置自動(dòng) 跟蹤裝置采用微型無刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)配合光傳感器對太陽光進(jìn)行跟蹤，位于殼體內(nèi)一端， 包括連接各傳動(dòng)桿后端的連桿，帶動(dòng)連桿運(yùn)動(dòng)的凸輪桿和帶動(dòng)凸輪運(yùn)轉(zhuǎn)的電機(jī)軸，自動(dòng)跟 蹤系統(tǒng)的供電由太陽能電池片提供。
專利摘要本實(shí)用新型屬于一種透射式線聚焦太陽能集熱系統(tǒng)，該系統(tǒng)由太陽能采集裝置、太陽能熱量吸收裝置、內(nèi)置自動(dòng)跟蹤裝置和殼體所組成。本實(shí)用新型具有結(jié)構(gòu)簡單實(shí)用，系統(tǒng)模塊化，免外部跟蹤，但仍然能夠最大限度地吸收，利用太陽光所攜帶能量，利于推廣太陽能的利用，可方便地安裝放置，使用成本低、使用壽命長、使用效果好。
文檔編號(hào)F24J2/24GK201583020SQ20092027065
公開日2010年9月15日 申請日期2009年11月23日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月23日
發(fā)明者許駿 申請人:許駿