太阳能聚光装置及聚光方法

专利名称：太阳能聚光装置及聚光方法
技术领域：
本发明涉及一种对太阳能应用的槽式收集系统，除了收集太阳能 之外，也可用于其它以波或辐射为载体的能量传输和控制。
背景技术：
长期以来人们一直致力于太阳能的开发和利用。特别是近年来， 由于油价的不断攀升和对减少对大气二氧化碳排放的要求，各国更加 努力地开展了太阳能利用的研究。但是太阳能是一种低密度、间歇性、 时间和空间分布不断变化的能源，与常规能源有很大的区别，这就对 太阳能的收集和利用提出了更高的要求。为了充分地利用太阳能，首先需要收集太阳光和跟踪太阳光的变 化，进而将其转化为热能和电能。目前各种各样的集光器和集光方式 应运而生，集光方式有成像型和非成像型两种方式。集光器主要有抛物面反射镜、费涅尔镜、平面反射镜等。近20年来， 一种综合成像型 和非成像集光器两者优点的集光器已经开发出来，如复合抛物面集光 器(CPC-Compound parabolic concentrator)取得了迅速地发展。跟踪系统驱动集光器跟踪太阳光线，使抛物面的主光轴指向太阳， 达到跟踪太阳的目的。按入射光线与主光轴的关系可以分为两轴跟踪 和单轴跟踪。为实现跟踪， 一般需要转动庞大的支持系统。已有大量专利开发出收集太阳能的具有抛物面反射镜、费涅尔镜、 平面条反射镜等结构的系统，如美国专利US Pat. No. 4296737, No. 4770162， No. 4520794, No. 4148564和No. 5832362。这些收集系统的一个主要问题是结构自身的重力和要承受风的影 响而增加结构的质量。对于一般的风力，将使收集条扭曲和变形，降 低收集的效率。如果是大风和强风将毁坏整个系统。并且，其跟踪机 构复杂，使得成本和造价不断地升高。发明内容本发明的目的是提供克服上述现有技术缺陷的高效率、低成本的
太阳能聚光装置和能量传输装置。
根据第一方面，本发明提供一种太阳能聚光装置，包括凹的圆 柱槽支撑面；配置在圆柱槽支撑面上的联片结构反射镜聚光阵列；所 述联片结构反射镜聚光阵列包括多个条带状反射镜，每个条带状反射 镜的长度方向沿着圆柱槽支撑面的轴线方向，其宽度方向沿着圆柱槽 支撑面的圆周方向，所述多个条带状反射镜之间柔性联结；以及位于 圆柱槽支撑面上方的吸收装置；其中所述联片结构反射镜聚光阵列配 置为将太阳光反射到吸收装置尺寸限定的空间中的形状；并且，所述 联片结构反射镜聚光阵列可随太阳转动而沿圆柱槽的圆周方向整体转 动并且在转动过程中保持将太阳光反射到吸收装置尺寸限定的空间中 的状态。
在第二方面，提供一种采用如第一方面所述的太阳能聚光装置的 聚光方法，所述方法包括当确定太阳移动时，将所述联片结构反射镜 聚光阵列沿圆柱槽的圆周方向整体转动，以便保持将太阳光反射到吸 收装置尺寸限定的空间中的状态的步骤。
在第三方面，提供一种聚束装置，包括凹的圆柱槽支撑面；配 置在圆柱槽支撑面上的联片结构反射镜聚束阵列；所述联片结构反射 镜聚束阵列包括多个条带状反射镜，每个条带状反射镜的长度方向沿 着圆柱槽支撑面的轴线方向，其宽度方向沿着圆柱槽支撑面的圆周方 向，所述多个条带状反射镜之间柔性联结；以及位于圆柱槽支撑面上 方的吸收装置；其中所述联片结构反射镜聚束阵列配置为将来自辐射 源的平行辐射反射到吸收装置尺寸限定的空间中的形状；并且，所述 联片结构反射镜聚束阵列可随辐射源转动而沿圆柱槽的圆周方向整体 转动并且在转动过程中保持将辐射反射到吸收装置尺寸限定的空间中 的状态。
在第四方面，提供一种辐射传输装置，包括凹的圆柱槽支撑面； 配置在圆柱槽支撑面上的联片结构反射镜阵列；所述联片结构反射镜 阵列包括多个条带状反射镜，每个条带状反射镜的长度方向沿着圆柱 槽支撑面的轴线方向，其宽度方向沿着圆柱槽支撑面的圆周方向，所 述多个条带状反射镜之间柔性联结；以及位于圆柱槽支撑面上方的辐 射源；其中所述联片结构反射镜阵列配置为将辐射源发射的辐射以平 行或准平行方向反射；并且，所述联片结构反射镜阵列可沿圆柱槽的 圆周方向整体转动以改变反射方向并且在转动过程中保持将反射后的 辐射彼此平行或准平行。
本发明的太阳能集光装置可以有效地降低系统质量，大的抗风能 力和平稳的跟踪太阳的运动。太阳能集光装置也可以同样有效地用于 对其它波或辐射的会聚工作，或者作为反向的能量传输装置。


下面将参照附图对本发明的实施方案进行更详细的说明，其中 图l是根据本发明的一个实施方案的太阳能聚光装置的结构示意图；图2是一种太阳聚光原理的示意图；图3是利用图2所示原理构成的联片结构反射镜聚光阵列的示意图；图4是太阳光线倾斜入射时的聚光示意图； 图5是拖动反射镜聚光阵列的示意图； 图6是反射镜聚光阵列的示意图；图7和图8分别是太阳在不同位置时太阳能聚光装置的变化示意图；图9是根据本发明一个实施例的辐射反向传输装置的示意图； 图IO是一个反射镜互不遮挡的实施例的示意图；以及 图ll是反射镜之间柔性联结的截面示意图。
具体实施方式
图l是根据本发明的一个实施方案的太阳能聚光装置的结构示意 图。如图1所示，太阳能聚光装置包括圆柱槽支撑面110，联片结构 的反射镜聚光阵列120，钢丝130，机械传动控制系统140，吸收装置 150和固定支架160。圓柱槽支撑面IIO具有凹的圆柱面形状或准圃柱面形状，由若干 支撑骨架(未图示)及一些圆弧形导轨(未图示)组成。各个圆弧形 导轨固定在基础面上，其圆心均在一条直线上，形成圓柱槽轴线。支 撑骨架平行于轴线布置，两端限定在导轨内，组成圓柱槽支撑面。一 个穿过圆柱槽轴线并且平分圆柱槽支撑面的平面称为圆柱槽轴截面。联片结构的反射镜聚光阵列120配置在圆柱槽支撑面110上面。 联片结构的反射镜聚光阵列120由至少两个条带状反射镜构成。每个 条带状反射镜的长度方向沿着圆柱槽支撑面的轴线方向，其宽度方向 沿着圃柱槽支撑面的圆周方向。
所述条带状反射镜之间通过机械装置柔性联结而成。在一个例子 中，所述柔性联结由铰链或者软带实现。所述各条带状反射镜与其相 邻反射镜紧密联结在一起且相对位置固定，整个反射镜聚光阵列可以 覆盖全部圆柱槽。
太阳能吸收装置150安装在圆柱槽轴线处。该太阳能吸收装置可 以是光热或光伏吸收装置，也可以是光热光伏复合装置或者其它太阳 能利用装置。在一个例子中，该吸收装置是管状或条状。需要说明， 吸收装置150也可以安装在圆柱槽轴线附近或与之平行的其它位置。
联片结构反射镜聚光阵列120的形状配置为能够将以与圆柱槽轴线处，即吸收装置尺寸限定的空间中。
钢丝130和机械传动控制系统140的作用在于牵引反射镜聚光阵 列120,使之可在圆弧形导轨中，以圆柱槽轴线为轴，以圆弧形导轨 所在圆的半径为半径移动。因此，联片结构反射镜聚光阵列可随入射 太阳光的角度的变化而沿圆柱槽的圆周方向整体转动并且在转动过程 中保持将太阳光反射到吸收装置尺寸限定的空间中的状态。
机械传动控制系统140通过对太阳运动的实时反馈，控制联片结 构反射镜聚光阵列的转动，使其实时跟踪太阳的运动。在跟踪过程中， 联片结构反射镜聚光阵列的转动不断进行，满足跟踪的连续性。
固定支架160对导轨起支撑作用，使得在跟踪过程中反射镜聚光列在槽内沿导轨移动的时候，圆弧形导轨固定不动。
图2是一种太阳聚光原理的示意图。如图2所示，具有一定半径 的圆弧210是图1圆柱槽支撑面的横截面。抛物线220-1,220-2,220-3 是一系列柱形曲面的横截面，是主轴重叠且焦点相同的抛物线族。在 一个例子中，焦点与圆弧210的圆心重叠。
圆弧210与抛物线220-1, 220-2， 220-3和220-4相交，得到交 点A、 B、 C、 D、 F、 G、 H和I。另外，点E是圆弧210和圆柱槽轴截 面侧边的相交点，也是圆弧的中点。利用相邻抛物线与圆弧210的交 点，选择需保留的线段并且去掉其它的重合部分，即得到一系列作为 抛物线一部分的线段。以抛物线220-l为例，保留与圓弧AB段和HI 段对应的部分，舍弃BC、 CD、 DE、 EF、 FG、 GH段对应的抛物线部分。 从三维的角度来看，保留的线段是一系列横截面为抛物线一部分 的条带。在圆柱槽支撑面上这些条带首尾相接。通过在条带的表面上镀反射膜，即形成了前述实施方案提及的联 片结构反射镜聚光阵列。当太阳光从圆柱槽支撑面的正上方垂直入射时，由于入射光平行 于各抛物线的主轴，平行入射光束经圆柱槽支撑面上的联片结构反射 镜聚光阵列反射后成为会聚光束，会聚到各自的焦点上。如前文所述， 不同抛物线具有相同的焦点。因此，平行入射光线会聚到同一处，在 焦点与圆柱槽轴线重叠的情况下会聚到圆柱槽轴线上。图3是利用图2所示原理构成的联片结构反射镜聚光阵列的示意 图。位于圆柱槽支撑面310上的反射镜320-l和320-8， 320-2和320-7， 320-3和320-6， 320-4和320-5分别对应于图2所示抛物线220-1， 220-2 ， 220-3和220-4的一部分。当太阳光垂直入射时，分别被反 射镜320-1，...，和320-8反射，指向位于共同焦点处的吸收装置150。需要说明，各条带状反射镜的横截面轮廓不仅可以选择为是抛物 线的一部分，还可以是各种直线、曲线或直线与曲线的组合。当然， 这样的横截面形状应当能够满足将与圆柱槽轴截面平行入射的太阳光 反射到吸收装置处或其尺寸限定的空间中的条件。在一个例子中，各条带状反射镜之间是连续的，互不遮挡的。图 IO是一个反射镜互不遮挡的实施例的示意图。反射镜1020-1， 1020-2...1020-8之间的衔接部分与平行入射光平行，因此彼此不会互 相遮挡。在一个例子中，所述条带状反射镜由高反射率的镜面或波长可选 择性反射的镜面制成。在一个例子中，各条带状反射镜宽度由吸收装置的尺寸决定，使 满足条带的反射光都能辐射至吸收装置附近，即其尺寸限制的空间范 围内。为达到高的聚光效率，可将条带宽度进一步缩小，满足辐射到 其上的太阳光线基本全部反射到所述范围内。吸收装置具体尺寸视制 成方法、材料、聚焦比、定位精度等因素确定。此外，由图2可见，通过选择抛物线的数量，可以选择联片结构 反射镜聚光阵列的条带状反射镜的数量；选择各抛物线的顶点间距大 小，可以调整联片结构反射镜聚光阵列的条带状反射镜的宽度。由于地球的自转，太阳相对反射镜聚光阵列的位置随时都在发生
变化。若各反射镜仍处在原来位置，无法将辐射到反射镜聚光阵列中 的太阳光线的绝大部分反射到所述轴线处的吸收装置，即导致大量的 能源浪费，从而能量利用率大大降低。本发明通过机械传动控制系统 拖动联片结构反射镜聚光阵列在圆弧形导轨中移动，实现反射镜聚光 阵列对太阳方位的跟踪，从而可以在实时跟踪太阳运动的同时^艮好地 聚集太阳光。图4是太阳光线倾斜入射时的聚光原理示意图。如图4所示，当 太阳光线倾斜入射时，反射镜聚光阵列在机械传动控制系统的控制下 在圆弧形导轨中以多片组合的柔性联动形式运动，使得反射镜聚光阵 列的轴截面(下称系统轴截面)相对圆柱槽轴截面倾斜，且和太阳光 入射方向平行。如此，太阳光以平行于系统轴截面的方向入射到位于 圆柱槽支撑面410上的反射镜420-1， 420-2，...，和420-8。反射镜 420-1， 420-2，...，和420-8分别将入射光线反射到共同的焦点，从而 将太阳光聚焦到安装在焦点处的吸热装置150上。通过对机械传动控制系统的设置，可以控制反射镜聚光阵列的运 动速度和方向，使所述系统轴截面总是平行于太阳直射光线，从而使 照射到反射镜聚光阵列中的太阳光线全部被反射到所述轴线处的吸收装置。图5是拖动反射镜聚光阵列的示意图。如图5所示，当反射镜聚 光阵列320 (包括条带状反射镜320-1， 320-2，.,.，和320-8 )需要 移动时，机械传动控制系统140通过钢丝130，牵引阵列320在圆柱 槽支撑面110中沿圆弧形导轨以速度V移动。在图5中，反射镜 320-1，...，和320-8左移，其中反射镜320-3已移动到圆柱槽支撑面 的底部，反射镜反射镜320-8已经移动到圆柱槽支撑面之外。因此， 联片结构反射镜聚光阵列可随入射太阳光的角度的变化而沿圆柱槽的 圆周方向整体转动并且在转动过程中保持将太阳光反射到吸收装置尺 寸限定的空间中的状态。图6是反射镜聚光阵列的结构示意图。如图6所示，在反射镜610 的两端有第一连接件610-1和第二连接件610-2，在反射镜620的两 端有第一连接件620-1和第二连接件620-2。第二连接件610-2和第 一连接件620-1配合在一起，形成一个柔性联结。图ll是反射镜之间柔性联结的截面示意图。反射镜1110的一边
加工成回形件1110-1，另一边加工成钩1110-2。同样，反射镜1120 的一边加工成回形件1120-1，另一边加工成钩1120-2。当两块反射镜 联结时，反射镜1120的回形件1120-1的端头滑入反射镜1110的钩 1110-2内，与之形成松配合，使得反射镜1110和1120之间可相对转 动。回到图6，柔性联结附近非镜面部分可开通孔630,以便通风，从而减小风的阻力。需要注意，柔性联结可在反射镜之间或反射镜组合之间形成。 在一个具体实施方案中，本发明的太阳能聚光装置按南北走向固定在地基上，比如空旷的河滩或者荒漠中。当太阳从东往西运动时， 机械传动控制系统通过对太阳方位的跟踪，控制反射镜聚光阵列在圆 弧形导轨中从西往东以多片组合的柔性联动形式运动，以保证在任何 时刻都能使太阳光以平行于系统轴截面的方向入射，从而将太阳光聚 焦到吸热装置上。在一个例子中，在联片结构反射镜聚光阵列转动的 过程中，该阵列转动到轨道外的部分可以是巻曲或弯曲的。当在轨道 内反射面之间的相对位置是固定的。图7和图8分别是太阳在不同位置时太阳能聚光装置的变化示意图。太阳能聚光装置工作过程如下假设早晨太阳还在东边的时候， 反射镜聚光阵列320朝向和位置如图7所示。在图7中，反射镜320-6， 320-7和320-8移动到圆柱槽支撑面的右侧，而反射镜320-1，…，和 320-5则悬挂到支撑面以外。当太阳光入射到反射镜320-6， 320-7和 320-8上时，经过反射，光线被聚焦到吸收装置150上，吸收装置150 将吸收所有来自反射镜的光能。当太阳往西运动时，假设运动到如图 8所示。在图8中，反射镜320-1， 320-2和320-3移动到圆柱槽支撑 面的左侧，而反射镜820-4，...，和720-8则悬挂到支撑面以外。此 时，太阳光入射到反射镜320-1， 320-2和320-3上，经过反射，光线 被聚焦到吸收装置150上。反射镜聚光阵列在机械传动控制系统的控制下被钢丝拖动在圆弧 形导轨内以圆柱槽轴线为轴，以圆弧形导轨的横截面所在圆的半径为 半径移动，对太阳方位进行跟踪，其运动到的朝向和位置满足使太阳 入射到聚光装置中的光线与系统轴截面平行的条件，即使得反射镜聚
光阵列转动与太阳方位变化的角度相同，保持与太阳同步，从而使太 阳能聚光装置总是得到最高的聚光效率，产生高的聚光比。在上述运动控制的过程中，反射镜聚光阵列在圆弧形导轨中运动 实现对太阳方位的跟踪，而圆弧形导轨则固定在地基上不动。因此， 本发明结构坚固，抗风性能好，适合应用在我国多数气候条件下的太 阳能利用装置中。由于在跟踪太阳运动时反射镜聚光阵列以多片组合的柔性联动形 式在圆弧导轨中运动，跟踪无需转动庞大的支持系统。而且，由于安装在圃弧形导轨中的反射镜聚光阵列可以用高透过 率的玻璃密封起来，外界的自然风不能直接作用在用于集光反射镜面 阵列上，亦即，镜面阵列不会受到外界风力的作用。因此，该镜面阵 列可以用很薄很轻的材料制作，极端情况下可以使用纸质材料，在纸 质材料的表面镀上反射膜即可，机械运动控制系统简单，运动需要的 动力小，降低了装置的成本。需要说明，本发明的太阳能聚光装置还可以用于实现其它辐射的 聚束作用。此外，太阳能聚光装置也可以用于对辐射的反向传输。图9是根据本发明一个实施例的辐射反向传输装置的示意图。如 图9所示，辐射反向传输装置包括圆柱槽支撑面，配置在圆柱槽支撑 面上面的联片结构反射镜阵列(包括反射镜920-1， 920-2，...和 920-8 )，和辐射源950。辐射源950安装在联片结构反射镜阵列的共 同焦点处。联片结构反射镜阵列的形状配置为能够将从辐射源950出 射的辐射按与系统槽截面平行或准平行的方向反射。在该实施例中，联片结构反射镜阵列可沿圆柱槽的圆周方向整体 转动，以调整平行反射的辐射方向，并且在转动过程中保持辐射被平 行反射的状态。显而易见，在此描述的本发明可以有许多变化，这种变化不能认为 偏离本发明的精神和范围。因此，所有对本领域技术人员显而易见的改 变，都包括在本权利要求书的涵盖范围之内。
权利要求
1. 一种太阳能聚光装置，包括 凹的圆柱槽支撑面；配置在圆柱槽支撑面上的联片结构反射镜聚光阵列；所述联片结构 反射镜聚光阵列包括多个条带状反射镜，每个条带状反射镜的长度方 向沿着圆柱槽支撑面的轴线方向，其宽度方向沿着圓柱槽支撑面的圆 周方向，所述多个条带状反射镜之间柔性联结；以及位于圆柱槽支撑面上方的吸收装置；其中所述联片结构反射镜聚光阵列配置为将太阳光反射到吸收装 置尺寸限定的空间中的形状；并且，所述联片结构反射镜聚光阵列可 随太阳转动而沿圆柱槽的圆周方向整体转动并且在转动过程中保持将 太阳光反射到吸收装置尺寸限定的空间中的状态。
2. 如权利要求l所述的太阳能聚光装置，其特征在于所述多个条 带状反射镜在宽度方向上依次首尾相接地联结。
3. 如权利要求1所述的太阳能聚光装置，其特征在于所述柔性联 结是在条带状反射镜之间或者条带状反射镜组之间实现。
4. 如权利要求1所述的太阳能聚光装置，其特征在于所述柔性联 结是铰链或者软带。
5. 如权利要求l所述的太阳能聚光装置，其特征在于所述联片结 构反射镜聚光阵列转动到圆柱槽支撑面外的部分是巻曲或弯曲的。
6. 如权利要求l所述的太阳能聚光装置，其特征在于联结处开通孔。
7. 如权利要求l所述的太阳能聚光装置，其特征在于所述条带状 反射镜由高反射率的镜面或波长可选择性反射的镜面制成。
8. 如权利要求l所述的太阳能聚光装置，其特征在于所述条带状 反射镜横截面形状为直线、曲线或直线与曲线的组合。
9. 如权利要求l所述的太阳能聚光装置，其特征在于所述条带状 反射镜的横截面为抛物线的一部分。
10. 如权利要求9所述的太阳能聚光装置，其特征在于多个条带状 反射镜利用圆弧在多条抛物线上截取得到。
11. 如权利要求10所述的太阳能聚光装置，其特征在于构成各个 条带状反射镜横截面的抛物线共焦点。
12. 如权利要求l所述的太阳能聚光装置，其特征在于条带状反射 镜横截面的宽度与吸收装置的尺寸相当或更小。
13. 如权利要求l所述的太阳能聚光装置，其特征在于反射镜聚光阵列用高透过率的玻璃密封。
14. 如权利要求l所述的太阳能聚光装置，其特征在于反射镜聚光 阵列采用轻质材料制成。
15. 如权利要求1所述的太阳能聚光装置，其特征在于包括 所述圆柱槽支撑面包括若干支持骨架和一组圆弧形导轨，每个所述圆弧形导轨固定在基础面上，导轨所处平面相互平行并且导轨的圆心 均在一条直线上，形成圆柱槽轴线，支撑骨架平行于轴线布置，两端 限定在导轨内组成圆柱槽支撑面；所述吸收装置安装在所述圆柱槽的 轴线处。
16. 如权利要求l所述的太阳能聚光装置，其特征在于包括 所述吸收装置是光热、光伏吸收装置或光热光伏复合装置。
17. 如权利要求16所述的太阳能聚光装置，其特征在于所述吸收 装置为管状或条状。
18. —种采用如权利要求1所述的太阳能聚光装置的聚光方法， 所述方法包括当确定太阳移动时，将所述联片结构反射镜聚光阵列沿圆柱槽的圆周方向整体转动，以便保持将太阳光反射到吸收装置尺 寸限定的空间中的状态的步骤。
19. 一种聚束装置，包括 凹的圆柱槽支撑面；配置在圆柱槽支撑面上的联片结构反射镜聚束阵列；所述联片结构 反射镜聚束阵列包括多个条带状反射镜，每个条带状反射镜的长度方 向沿着圆柱槽支撑面的轴线方向，其宽度方向沿着圆柱槽支撑面的圆 周方向，所述多个条带状反射镜之间柔性联结；以及位于圆柱槽支撑面上方的吸收装置；其中所述联片结构反射镜聚束阵列配置为将来自辐射源的平行辐 射反射到吸收装置尺寸限定的空间中的形状；并且，所述联片结构反 射镜聚束阵列可随辐射源转动而沿圆柱槽的圆周方向整体转动并且在 转动过程中保持将辐射反射到吸收装置尺寸限定的空间中的状态。
20. —种辐射传输装置，包括 凹的圆柱槽支撑面；配置在圆柱槽支撑面上的联片结构反射镜阵列；所述联片结构反射 镜阵列包括多个条带状反射镜，每个条带状反射镜的长度方向沿着圆 柱槽支撑面的轴线方向，其宽度方向沿着圆柱槽支撑面的圓周方向，所述多个条带状反射镜之间柔性联结；以及 位于圆柱槽支撑面上方的辐射源；其中所述联片结构反射镜阵列配置为将辐射源发射的辐射以平行或准平行方向反射；并且，所述联片结构反射镜阵列可沿圆柱槽的圆 周方向整体转动以改变反射方向并且在转动过程中保持将反射后的辐 射彼此平行或准平行。
全文摘要
本发明提供一种太阳能聚光装置及其聚光方法。太阳能聚光装置，包括凹的圆柱槽支撑面；配置在圆柱槽支撑面上的联片结构反射镜聚光阵列；所述联片结构反射镜聚光阵列包括多个条带状反射镜，每个条带状反射镜的长度方向沿着圆柱槽支撑面的轴线方向，其宽度方向沿着圆柱槽支撑面的圆周方向，所述多个条带状反射镜之间柔性联结；以及位于圆柱槽支撑面上方的吸收装置；其中所述联片结构反射镜聚光阵列配置为将太阳光反射到吸收装置尺寸限定的空间中的形状；并且，所述联片结构反射镜聚光阵列可随太阳转动而沿圆柱槽的圆周方向整体转动并且在转动过程中保持将太阳光反射到吸收装置尺寸限定的空间中的状态。
文档编号G02B5/08GK101122667SQ20071012024
公开日2008年2月13日 申请日期2007年8月14日 优先权日2007年8月14日
发明者阳 刘 申请人:北京实力源科技开发有限责任公司