一種帶水平滑軌裝置的槽式太陽能集熱器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種帶水平滑軌裝置的槽式太陽能集熱器，其特征在于，包括滑塊、集熱管支撐部件、集熱管、傳動連接架、方梁、滑軌、驅(qū)動系統(tǒng)、標(biāo)尺、拋物柱面反射鏡、拋物柱面反射鏡支撐結(jié)構(gòu)；所述集熱管支撐部件由兩根支腳和三根肋條組成。此帶水平滑軌裝置的槽式太陽能集熱器只需在每根集熱管連接處的集熱管支撐部件下安裝一定長度的滑動裝置并配合相應(yīng)的驅(qū)動策略，就可實現(xiàn)完全消除集熱管的末端損失，進一步提高太陽能利用率。同時，該裝置結(jié)構(gòu)簡單，易于量產(chǎn)化，適用于現(xiàn)在的光熱市場，有很大的應(yīng)用前景。
【專利說明】
一種帶水平滑軌裝置的槽式太陽能集熱器
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及一種應(yīng)用于槽式太陽能聚光器轉(zhuǎn)軸上的水平滑軌，具體的說是一種帶 水平滑軌裝置的槽式太陽能集熱器。
【背景技術(shù)】
[0002] 能源是人類社會賴以生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)?；剂系目萁?，使得利用可再生 能源有著深遠的能源戰(zhàn)略意義。在可在生能源中，太陽能具有清潔、經(jīng)濟、資源豐富等優(yōu)點， 同時又具有低密度、間歇性、空間分布不斷變化的特點，給太陽能的收集和利用提出了更高 的要求。為了充分利用太陽能，必須提高太陽能的能流密度，進而提高集熱器的出口溫度。 聚光集熱器利用光學(xué)系統(tǒng)一一反射器或折射器增加吸收器表面上的太陽輻射強度。對于給 定的總能量，在吸收表面上更高的能流意味著更小的集熱面積，并相應(yīng)減少熱損失。聚光集 熱器主要分為槽式、蝶式和塔式。目前在太陽能中高溫利用領(lǐng)域槽式太陽能集熱器因其自 身的優(yōu)勢被廣泛應(yīng)用。
[0003] 槽式太陽能集熱器是一種中高溫太陽能集熱器，主要由集熱管(吸收器)和聚光裝 置、跟蹤裝置組成，其采用太陽輻射能作為熱能來源，通過拋物柱面反射鏡的匯聚，將低能 量密度的太陽直射輻射能轉(zhuǎn)變成高能量密度的直射輻射能，進而加熱位于拋物柱面焦線上 的集熱管。目前，槽式太陽能集熱器的跟蹤方式一般采用一維跟蹤。一維跟蹤包括南北水平 式和東西水平式，以南北水平式（即南北放置東西跟蹤方式)太陽自動跟蹤系統(tǒng)為例，其中 拋物柱面反射鏡繞南北水平轉(zhuǎn)軸自東向西轉(zhuǎn)動，用以跟蹤太陽方位角。對于這種一維跟蹤 太陽方式，由于日地線與地軸并不垂直，拋物柱面反射鏡一端部分的反射光不能聚集到吸 收器上面，從而形成末端損失。特別是在高煒度地區(qū)和長度比較短的槽式系統(tǒng)中，末端損失 率是比較大的。這種一維跟蹤太陽方式因末端損失造成的太陽能利用率的降低不容忽視。 為使槽式太陽能集熱器吸收更多的熱量，提供一種結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，使用成本低并且能 夠解決末端損失的槽式集熱器跟蹤裝置顯得尤為重要。
[0004] 本發(fā)明提出的一種帶水平滑軌裝置的槽式太陽能集熱器能很好地解決上述問題 的同時，提高了太陽能利用的系統(tǒng)效率，節(jié)約能源，有利于環(huán)境保護。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明擬解決的技術(shù)問題是，提出一種帶水平滑軌裝置的 槽式太陽能集熱器(參見圖1-5)。在實際運行過程中，從運行成本和得到收益的角度出發(fā)， 槽式太陽能集熱器經(jīng)常采用單軸跟蹤的追日方式，由于單軸跟蹤特性和跟蹤機構(gòu)精度的限 值，太陽光線不可能始終與聚光器的開口采光面垂直，而與采光面的發(fā)現(xiàn)存在一個入射角。 由于入射角的存在，在產(chǎn)生余弦效應(yīng)的同時也會致使聚光器的末端有一段長度的集熱管無 法接收到經(jīng)槽式反光鏡反射的直射太陽輻射，此種現(xiàn)象稱為集熱器的末端損失。傳統(tǒng)的槽 式太陽能集熱器為降低末端損失多采用雙軸跟蹤或抬高集熱器末端的辦法，這兩種辦法均 有各自的弊端不宜在生產(chǎn)中應(yīng)用，其中雙軸跟蹤方式會大大增加集熱器的初投資和運行成 本并且增加了結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，抬高集熱器末端可以減輕集熱器的末端損失，但因太陽高度 角的變化不能從根本上解決，并且當(dāng)集熱器長度較長時此種方式并不適用。
[0006] 本發(fā)明解決所述技術(shù)問題的技術(shù)方案是:設(shè)計一種帶水平滑軌裝置的槽式太陽能 集熱器，其特征在于，包括滑塊、集熱管支撐部件、集熱管、傳動連接架、方梁、滑軌、驅(qū)動系 統(tǒng)、標(biāo)尺、拋物柱面反射鏡、拋物柱面反射鏡支撐結(jié)構(gòu);所述集熱管支撐部件由兩根支腳和 三根肋條組成。
[0007] 所述滑軌焊接在方梁的上表面上，所述滑塊安裝在方梁兩端的滑軌的內(nèi)部，集熱 管支撐部件的上端支撐著集熱管，位于集熱管兩端的集熱管支撐部件的下端正對著滑塊并 與其固定連接;位于集熱管中段的集熱管支撐部件的下端設(shè)置有滑軌，且該下端的末端與 滑軌的底面接觸;所述傳動連接架水平安裝在集熱管支撐部件之間的中部位置，并將所有 的集熱管支撐部件連接在一起。
[0008] 所述拋物柱面反射鏡安裝在方梁長邊的兩側(cè)面上，并使集熱管位于拋物柱面反射 鏡的焦線上;所述拋物柱面反射鏡支撐結(jié)構(gòu)為"y"型結(jié)構(gòu)，下端焊接在方梁上，上端的兩個 分支支撐著拋物柱面反射鏡;所述標(biāo)尺設(shè)置在滑軌的外側(cè)面上，指針為集熱管支撐部件的 支腳，初始時刻，支腳緊挨驅(qū)動系統(tǒng)的內(nèi)側(cè)，此時所在位置為零刻度，隨著滑塊帶動集熱管 支撐部件運動，支腳所運動的距離可以在標(biāo)尺上讀出；所述的驅(qū)動系統(tǒng)分別安裝在方梁的 兩端并與其兩端的滑塊分別連接，驅(qū)動系統(tǒng)通過控制滑塊的滑動長度實現(xiàn)對集熱管運動的 控制。
[0009] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其有益效果在于，此帶水平滑軌裝置的槽式太陽能集熱 器只需在每根集熱管連接處的集熱管支撐部件下安裝一定長度的滑動裝置并配合相應(yīng)的 驅(qū)動策略，就可實現(xiàn)完全消除集熱管的末端損失，進一步提高太陽能利用率。同時，該裝置 結(jié)構(gòu)簡單，易于量產(chǎn)化，適用于現(xiàn)在的光熱市場，有很大的應(yīng)用前景。
【附圖說明】
[0010] 圖1為本發(fā)明一種帶水平滑軌裝置的槽式太陽能集熱器一種實施例的整體結(jié)構(gòu)示 意圖。
[0011] 圖2為本發(fā)明一種帶水平滑軌裝置的槽式太陽能集熱器一種實施例的局部結(jié)構(gòu)示 意圖。
[0012] 圖3為本發(fā)明一種帶水平滑軌裝置的槽式太陽能集熱器一種實施例的滑軌縱向截 面結(jié)構(gòu)示意圖。
[0013] 圖4為夏至日滑塊在一天中運動距離的曲線圖。
[0014]圖5為全年滑塊在一天中該運動距離最大值的變化曲線圖。
【具體實施方式】
[0015] 下面結(jié)合附圖進一步敘述本發(fā)明。
[0016] 本發(fā)明為一種帶水平滑軌裝置的槽式太陽能集熱器(簡稱太陽能集熱器，參見圖 1-5 )，其特征在于主要包括滑塊1、集熱管支撐部件2、集熱管3、傳動連接架4、方梁5、滑軌6、 驅(qū)動系統(tǒng)7、標(biāo)尺8、拋物柱面反射鏡9、拋物柱面反射鏡支撐結(jié)構(gòu)10;所述集熱管支撐部件2 包括兩根支腳201和三根肋條202組成。
[0017] 所述滑軌6焊接在方梁5的上表面上，所述滑塊1安裝在方梁5兩端的滑軌6的內(nèi)部 并可沿滑軌6滑動，集熱管支撐部件2的上端支撐著集熱管3,位于集熱管3兩端的集熱管支 撐部件2的下端正對著滑塊1并與其固定連接;位于集熱管3中段的集熱管支撐部件2的下端 設(shè)置有滑軌6,且該下端的末端與滑軌6的底面接觸。所述傳動連接架4水平安裝在集熱管支 撐部件2之間的中部位置，并將所有的集熱管支撐部件2連接在一起，使結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)固。
[0018] 所述拋物柱面反射鏡9安裝在方梁5長邊的兩側(cè)面上，使得集熱管3位于拋物柱面 反射鏡9的焦線上。所述拋物柱面反射鏡支撐結(jié)構(gòu)10為"y"型結(jié)構(gòu)，下端焊接在方梁5上，上 端的兩個分支支撐著拋物柱面反射鏡8。所述標(biāo)尺8設(shè)置在滑軌6的外側(cè)面上，指針為集熱管 支撐部件2的支腳201，初始時刻，支腳201緊挨驅(qū)動系統(tǒng)7的內(nèi)側(cè)，此時所在位置為零刻度， 隨著滑塊1帶動集熱管支撐部件2運動，支腳201所運動的距離可以在標(biāo)尺8上讀出。所述的 驅(qū)動系統(tǒng)7分別安裝在方梁5的兩端并與其兩端的滑塊1分別連接，驅(qū)動系統(tǒng)7通過控制滑塊 1的滑動長度實現(xiàn)對集熱管3運動的控制。驅(qū)動系統(tǒng)7的內(nèi)側(cè)安裝有限位開關(guān)，設(shè)定滑塊1能 滑動的最大位移，以防滑塊1滑出滑槽。
[0019] 所述集熱管支撐部件2為梯形結(jié)構(gòu)，如圖3所示，三根肋條202分別均勻焊接在兩根 支腳201之間，起到緊固作用。離滑軌6最近的一根肋條202距滑軌6上表面的距離適宜在 10cm~20cm之間，確保方梁5在旋轉(zhuǎn)時，滑軌6的兩個滑槽受力相差大致相同。兩根支腳201 的上端位于拋物柱面反射鏡9的焦線上，上端呈弧形，起到支撐集熱管3連接部位的作用。兩 根支腳201的下端分別焊接在滑槽中的對應(yīng)滑塊1上。
[0020] 所述傳動連接架4焊接在相鄰的集熱管支撐部件2的兩根支腳201之間，高度與中 間的肋條在同一平面，保證受力均勻。
[0021] 所述方梁5內(nèi)部設(shè)置有轉(zhuǎn)軸，該轉(zhuǎn)軸可帶動方梁5繞該軸轉(zhuǎn)動實現(xiàn)單軸跟蹤。
[0022]每組滑軌6的長度依據(jù)公式L=l.lftan(0)max計算(f為焦距，m，0為太陽高度角的 余角，°)，寬度依據(jù)公式D = 2.5R計算(R為集熱器外管直徑，m)?；瑝K1的長度等于滑軌6的長 度。
[0023] 所述拋物柱面反射鏡8與集熱管3等長，如圖1所示，方梁5的總長度大于集熱管3的 長度，多出的長度為集熱器最后端滑軌6與驅(qū)動系統(tǒng)7的長度和。
[0024] 所述的滑軌中間有兩個水平滑槽，滑塊在中間滑動。
[0025] 所述的驅(qū)動系統(tǒng)7分別安裝在槽式集熱器的兩端，驅(qū)動系統(tǒng)通過控制滑塊1的長度 實現(xiàn)對集熱管3運動的控制，采用時控跟蹤方式且運行模式為半年全運動+半年半運動的模 式，因當(dāng)?shù)孛刻烀繒r刻的太陽高度角可以算出，即? = arcs:in..|s.in於Sin.# + cos辦:eos谷e.osο).， (α為太陽高度角，％0為地理煒度，％ ω為時角，％δ為太陽赤煒角，°)d = 23.45sin[360(n+ 284)/365]，其中η為一年之中天數(shù)。co=15(ST-12)，其中ST為太陽時。求出太陽高度角后， 根據(jù)公式AL = ftan(0)即可求出集熱管3應(yīng)運動的位置，集熱管3在一天之中為周期性運 動，清晨集熱管支撐部件在集熱器的最前端，在滑軌上的讀數(shù)為0,然后逐漸向后運動，正午 時到達最后端，在滑軌上的讀數(shù)為一天中的最大值，然后逐漸向前運動，傍晚到達最前端即 起始位置，次日繼續(xù)做此運動。集熱器兩端的驅(qū)動裝置上分別安裝限位開關(guān)，當(dāng)集熱管支撐 部件觸碰到限位開關(guān)后，即停止運動。
[0026] 所述的滑塊1只在集熱管3前端和后端安裝，如圖1所示，集熱管3中部的滑動裝置 由集熱管支撐部件2的末端充當(dāng)滑塊，圖1中以三組滑動裝置示意，實際工程中部不只有一 組滑動裝置，根據(jù)需要來設(shè)定。
[0027] 所述集熱管3的兩端設(shè)置有光敏感測器，當(dāng)太陽發(fā)生偏轉(zhuǎn)時，它就會把信號傳遞給 方梁5內(nèi)部的轉(zhuǎn)軸的控制箱，控制箱控制轉(zhuǎn)軸運動，進而帶動拋物柱面反射鏡9運動到正對 太陽的方位上。
[0028] 所述驅(qū)動系統(tǒng)7的控制模式采用光控和時控兩種模式，光控模式即光敏感測器采 集太陽偏轉(zhuǎn)信息并將其發(fā)送給驅(qū)動系統(tǒng)，驅(qū)動系統(tǒng)對太陽偏轉(zhuǎn)信息進行處理，根據(jù)處理結(jié) 果驅(qū)動滑塊1到相應(yīng)的位置;時控模式為陰天時光控模式無法觸發(fā)時自動啟動，即驅(qū)動系統(tǒng) 根據(jù)地球周期性運動推算出的相應(yīng)時刻太陽的位置信息來調(diào)整滑塊1的位置。
[0029] 所述驅(qū)動裝置7的驅(qū)動方式采用時控跟蹤方式且運行模式為半年全運動加半年半 運動的模式，下面詳細(xì)解釋驅(qū)動裝置7的控制原理，參見圖2。
[0030] 以南北放置且東西單軸跟蹤的集熱器為例：
[0031] 因為太陽做周期運動，每天的太陽高度角均在變化，計算出當(dāng)?shù)孛刻旎瑝K1的運動 距離即可編寫相關(guān)程序即可完成對滑塊1的控制，由公式AL = ftan(0)可知，我們知道拋物 柱面反射鏡9焦距f和入射角Θ結(jié)課求出滑塊1的運動距離。
[0032] 入射角計算公式為：
（式中as為太陽高度角，° ; ys為太 陽方位角，°)。
[0033] 其中 eosf, sin 爐-細(xì)在)/cQsaOSf? ; (? = arcsin(sin 滬eosScos你)（式中妒 為地理煒度，° ; ω為時角，° ;δ為太陽赤煒角，° )。
[0034] 5 = 23.458111(360(11+284)/365)(式中11為一年之中天數(shù)）。
[0035]時角ω是地球自轉(zhuǎn)的結(jié)果，其計算式為，ω = 15(ST-12)(式中ST為真太陽時）。 [0036]由上式即可求得滑塊1的運動距離Δ L，以天津(煒度取39.1度），夏至日，焦距f取 lm為例曲線圖如圖4所示?；瑝K1的滑動應(yīng)在集熱器方位跟蹤轉(zhuǎn)軸的觸發(fā)之后，即當(dāng)方梁5內(nèi) 部的轉(zhuǎn)軸開始轉(zhuǎn)動時，驅(qū)動裝置7開始驅(qū)動滑塊1運動，這樣避免了因早晨或傍晚太陽輻射 比較弱時，滑塊1的盲目運動。
[0037]滑快1在一天之中的運動應(yīng)為周期性運動，清晨集熱管支撐部件2在集熱器的最南 端，此時對應(yīng)滑軌上的讀數(shù)為0,然后逐漸向北運動，正午時到達最北端，在滑軌6上的標(biāo)尺8 讀數(shù)為一天中的最大值，然后逐漸向南運動，傍晚到達最南端即起始位置，次日繼續(xù)做此運 動。
[0038]從圖5中可以看出（天津，焦距取lm為例），滑塊1的全天運動最大值在夏至日為最 小值0.28m，冬至日為最大值1.92m，此間的運行距離差為1.64m，如果全年滑塊1均跟蹤的話 顯然是不經(jīng)濟的，且冬季太陽高度角偏小，輻射量較弱。所以針對全年運行的集熱器，滑塊1 的運行模式采用半年全運動加半年半運動模式，即以春分和秋分為分界線隔成兩段時間 段。在春分至秋分之間，滑塊1全天跟蹤，在秋分至次年春分之間，滑塊1運行到滑軌6最大距 離觸碰限位開關(guān)10后就停止直至做往復(fù)運動。
[0039]所述滑軌6的長度不宜過長，不應(yīng)超過焦距，從圖5中可以看出，在秋分至次年春分 之間，滑塊1運行距離大部分超過焦距，此時可采取集熱器前端加裝一段拋物柱面反射鏡。 對于全年運行的集熱器，滑軌6的長度可以選擇為焦距長度。每組滑軌6的長度依據(jù)公式L = 1.1代311(0)111￡?計算(€為焦距，111，0為太陽高度角的余角，°)，寬度依據(jù)公式〇 = 2.51?計算(1?為 集熱器外管直徑，m)。
[0040]本發(fā)明從太陽能中高溫利用中槽式太陽能集熱器末端損失嚴(yán)重的角度出發(fā)，開發(fā) 的一種帶水平滑軌裝置的槽式太陽能集熱器，結(jié)構(gòu)簡單，可操作性強，通過滑塊的周期性運 動有效解決了末端損失對集熱器帶來的影響，提高了太陽能利用率，不僅在太陽能實際工 程應(yīng)用中可以帶來實際收益而且對科研院校的理論研究帶來幫助。同時本發(fā)明針對滑塊的 運動給出了計算過程并提出了新穎的控制方法，對實際工程具有指導(dǎo)意義。此裝置結(jié)構(gòu)簡 單，易于量產(chǎn)化，適用于現(xiàn)在的光熱市場，具有很大的應(yīng)用前景。
[0041 ]本發(fā)明未述及之處適用于現(xiàn)有技術(shù)。
【主權(quán)項】
1. 一種帶水平滑軌裝置的槽式太陽能集熱器，其特征在于，包括滑塊、集熱管支撐部 件、集熱管、傳動連接架、方梁、滑軌、驅(qū)動系統(tǒng)、標(biāo)尺、拋物柱面反射鏡、拋物柱面反射鏡支 撐結(jié)構(gòu);所述集熱管支撐部件包括兩根支腳和三根肋條組成； 所述滑軌焊接在方梁的上表面上，所述滑塊安裝在方梁兩端的滑軌的內(nèi)部并可沿滑軌 滑動，集熱管支撐部件的上端支撐著集熱管，位于集熱管兩端的集熱管支撐部件的下端正 對著滑塊并與其固定連接;位于集熱管中段的集熱管支撐部件的下端設(shè)置有滑軌，且該下 端的末端與滑軌的底面接觸;所述傳動連接架水平安裝在集熱管支撐部件之間的中部位 置，并將所有的集熱管支撐部件連接在一起； 所述拋物柱面反射鏡安裝在方梁長邊的兩側(cè)面上，并使集熱管位于拋物柱面反射鏡的 焦線上;所述拋物柱面反射鏡支撐結(jié)構(gòu)為"y"型結(jié)構(gòu)，下端焊接在方梁上，上端的兩個分支 支撐著拋物柱面反射鏡;所述標(biāo)尺設(shè)置在滑軌的外側(cè)面上，指針為集熱管支撐部件的支腳， 初始時刻，支腳緊挨驅(qū)動系統(tǒng)的內(nèi)側(cè)，此時所在位置為零刻度，隨著滑塊帶動集熱管支撐部 件運動，支腳所運動的距離可以在標(biāo)尺上讀出；所述的驅(qū)動系統(tǒng)分別安裝在方梁的兩端并 與其兩端的滑塊分別連接，驅(qū)動系統(tǒng)通過控制滑塊的滑動長度實現(xiàn)對集熱管運動的控制。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的太陽能集熱器，其特征在于，所述驅(qū)動系統(tǒng)的內(nèi)側(cè)安裝有限位 開關(guān)，設(shè)定滑塊能滑動的最大位移，以防滑塊滑出滑槽。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的太陽能集熱器，其特征在于，所述集熱管支撐部件為梯形結(jié) 構(gòu)，三根肋條分別焊接在兩根支腳之間。4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的太陽能集熱器，其特征在于，離滑軌最近的一根肋條距滑軌上 表面的距離在l〇cm~20cm之間。5. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的太陽能集熱器，其特征在于，兩根支腳的上端位于拋物柱面反 射鏡的焦線上，上端呈弧形，起到支撐集熱管的作用。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的太陽能集熱器，其特征在于，所述傳動連接架焊接在相鄰集熱 管支撐部件的兩根支腳之間，高度與中間的肋條在同一平面，保證受力均勻。7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的太陽能集熱器，其特征在于，所述集熱管的兩端設(shè)置有光敏感 測器，當(dāng)太陽發(fā)生偏轉(zhuǎn)時，它就會把信號傳遞給方梁內(nèi)部的轉(zhuǎn)軸的控制箱，控制箱控制轉(zhuǎn)軸 運動，進而帶動拋物柱面反射鏡運動到正對太陽的方位上。8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的太陽能集熱器，其特征在于，滑塊的長度等于滑軌的長度，所 述拋物柱面反射鏡與集熱管等長，方梁的長度大于集熱管的長度。9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的太陽能集熱器，其特征在于，所述驅(qū)動系統(tǒng)的控制模式采用光 控和時控兩種模式，光控模式即光敏感測器采集太陽偏轉(zhuǎn)信息并將其發(fā)送給驅(qū)動系統(tǒng)，驅(qū) 動系統(tǒng)對太陽偏轉(zhuǎn)信息進行處理，根據(jù)處理結(jié)果驅(qū)動滑塊到相應(yīng)的位置;時控模式為陰天 時光控模式無法觸發(fā)時自動啟動，即驅(qū)動系統(tǒng)根據(jù)地球周期性運動推算出的相應(yīng)時刻太陽 的位置信息來調(diào)整滑塊的位置。
【文檔編號】F24J2/14GK105865049SQ201610266013
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年4月25日
【發(fā)明人】楊賓, 左德功, 楊亞帥, 趙藝茵, 齊承英
【申請人】河北工業(yè)大學(xué)