基于固定式反光的变抛物线式聚光集热装置的制作方法

1.本发明涉及一种太阳能集热装置，特别是一种基于固定式反光的变抛物线式聚光集热装置，属于太阳能利用技术领域。


背景技术：

2.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。
3.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，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，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。
4.对了解决上述问题，提出了反光板固定放置，接收器随光线移动的方式，集热装置建造及维护成本显著降低，同时单位面积地面太阳能利用率可高达90%，参见“反射固定式线聚焦集热单元及反射固定式线聚焦集热装置”（202110052075.4）、“采用转杆式调节接收器的反光板固定式聚光集热装置”（202110052076.9）。但利用这种方式聚光，当太阳光入射角偏离较大时，太阳光形成的焦斑会过大而影响聚光效果，在一些情况下不适合采用这种方式，若通过转动反光板来改善聚光效果则会增大成本，失去固定式反光板聚光的优势。


技术实现要素：

5.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，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。
6.技术方案：为解决上述技术问题，本技术提出了一种基于固定式反光的变抛物线式聚光集热装置，其包括反光板、联动杆、转杆模块、接收器模块、调节式反光板支撑模块；该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，该反光板为固定式结构；联动杆为长条杆状，联动杆的两端设有预留孔；该转杆模块包括转杆模块支撑杆、转轴、转杆、接收器固定架、配重块、动力装置、连接杆；转杆模块支撑杆的下端固定在地面上，转杆模块支撑杆的上端设有转轴，转轴的一端固定连接到转杆上，转轴的另一端与动力装置连接；转杆上靠近转轴的位置设有多个柱状的连接杆，联动杆通过上端的预留孔与连接杆转动连接，转杆的两端分别连接接收器固定架和配重块，动力装置带动转轴及转杆转动，转杆模块位于反光板的两侧，接收器固
定架位于反光板的上方；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；调节式反光板支撑模块位于反光板的下方，用来固定反光板和调节反光板的弧度，联动杆通过下端的预留孔与调节式反光板支撑模块转动连接；当太阳光入射角度变化时，动力装置通过转动转杆来调节接收器模块的位置，同时转杆通过联动杆带动调节式反光板支撑模块调节反光板的线形，实现反光板线形的焦点在接收器模块的位置上。
7.1.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
°
。本技术基于上述原理采用了反光板固定放置，接收器移动的方式。但对于冬季和夏季的早晚，入射光偏离抛物线轴线的角度会较大，影响了聚光效果而导致集热系统难以正常运行。通过对比研究焦点在接收器轨迹上各点的抛物线，发现各个抛物线在反光板区域的线形较为接近，通过在反光板上靠近接收器的某位置施加一个力，可以实现反光板抛物线的焦点尽量靠近接收器的位置，从而改善和优化聚光效果，以保证定反光板聚光装置可以在各种情况下都适用。
8.本技术通过联动杆和调节式反光板支撑模块的设计，可以实现当入射光角度变化时，接收器移动的同时对反光板进行微调，以达到反光板的抛物线线形的焦点在接收器的位置，保证聚光效果；同时不需要转动反光板以具有定反光板聚光方式的优势；反光板微调不需要额外的动力装置，依靠联动杆带动反光板调节装置，结构简易，调节精度高；通过改变联动杆与连接杆及调节式反光板支撑模块的连接位置，可以适应不同应用的环境和需求，适用范围广。
9.进一步，调节式反光板支撑模块包括反光板底部固定杆、反光板端部固定杆、反光板支撑横杆、调节螺杆、调节螺母、调节模块横杆、调节模块竖杆、缓冲弹簧、反光板支撑竖杆；反光板底部固定杆为长条状，多个反光板底部固定杆固定连接到反光板的下方用来固定反光板的线形；反光板端部固定杆为c形长条杆，反光板端部固定杆卡在反光板的两端；一个反光板底部固定杆的底部与缓冲弹簧固定连接，其余的反光板底部固定杆的底部及两个反光板端部固定杆的底部均与调节螺杆固定连接；反光板支撑横杆通过反光板支撑竖杆固定在地面上，反光板支撑横杆上设有多个预留孔，调节螺杆穿过预留孔，调节螺杆上套有分别位于反光板支撑横杆上方和下方的2个调节螺母，缓冲弹簧下端固定连接到调节模块竖杆的上端，调节模块竖杆穿过反光板支撑横杆上的预留孔，调节模块竖杆的下端连接到调节模块横杆，调节模块横杆的端部与联动杆转动连接。
10.①
利用该调节机构，可以对反光板的高度、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；
②
通过联动杆带动调节模块横杆上下移动，实现对反光板的线性进行微调；
③
通过联动杆与连杆的连接位置的选择以及缓冲弹簧的设计，实现反光板的线性变化与设计的线性变化相一致；
④
支撑调节结构简单，成本低，同时调节容易操作，稳定性好。
11.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，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。
12.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。
13.进一步，反光板采用反光镜或反光铝板。
14.进一步，动力装置包括伺服电机、减速机、转动齿轮。
15.进一步，该反光板的反光面的径向截面为一抛物线的一部分，该反光板的反光面相对于该抛物线的对称轴非对称。
16.本技术还具有定反光板聚光方式的全部优点：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。
附图说明
17.图1是基于固定式反光的变抛物线式聚光集热装置的结构示意图。
18.图2是转杆模块的结构示意图。
19.图3是调节式反光板支撑模块的结构示意图。
20.图4是接收器模块的结构示意图。
21.图5为基于固定式反光的变抛物线式聚光集热装置的设计辅助图。
22.其中：1是反光板、2是转杆模块、3是调节式反光板支撑模块、4是接收器模块、5是联动杆、21是转杆模块支撑杆、22是转轴、23是转杆、24是接收器固定架、25是配重块、26是动力装置、27是连接杆、31是反光板底部固定杆、32是反光板端部固定杆、33是反光板支撑横杆、34是调节螺杆、35是调节螺母、36是调节模块横杆、37是调节模块竖杆、38缓冲弹簧、39是反光板支撑竖杆、41是直通式真空集热管、42是cpc反光板、61是反光板抛物线截取段、62是接收器轨迹圆、63是抛物线a、64是抛物线b、65是抛物线c、66是抛物线a焦点、67是抛物线b焦点、68是抛物线c焦点。
具体实施方式
23.请参阅图1-图4。
24.基于固定式反光的变抛物线式聚光集热装置包括：反光板1，该反光板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，该反光板1为固定式结构，反光板1采用反光铝板，反光板1的反光面的径向截面为一抛物线的一部分，且相对于该抛物线的对称轴非对称。
25.联动杆5，联动杆5为长条杆状，联动杆5的两端设有预留孔。
26.转杆模块2，该转杆模块2包括转杆模块支撑杆21、转轴22、转杆23、接收器固定架24、配重块25、动力装置26、连接杆27；转杆模块支撑杆21的下端固定在地面上，转杆模块支撑杆21的上端设有转轴22，转轴22的一端固定连接到转杆23上，转轴22的另一端与动力装置26连接；转杆23上靠近转轴22的位置设有多个柱状的连接杆27，联动杆5通过上端的预留孔与连接杆27转动连接，转杆23的两端分别连接接收器固定架24和配重块25，动力装置26带动转轴22及转杆23转动；转杆模块2位于反光板1的两侧，接收器固定架24位于反光板1的上方。
27.接收器模块4，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24上，且cpc反光板42位于直通式真空集热管41的上侧。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）。
28.调节式反光板支撑模块3，该调节式反光板支撑模块3位于反光板1的下方，用来固定反光板1和调节反光板1的弧度，联动杆5通过下端的预留孔与调节式反光板支撑模块3转动连接；当太阳光入射角度变化时，动力装置26通过转动转杆23来调节接收器模块4的位置，同时通过联动杆5带动调节式反光板支撑模块3调节反光板1的线形，实现反光板1线形的焦点在接收器模块4上；动力装置26包括伺服电机、减速机、转动齿轮。
29.调节式反光板支撑模块3包括反光板底部固定杆31、反光板端部固定杆32、反光板支撑横杆33、调节螺杆34、调节螺母35、调节模块横杆36、调节模块竖杆37、缓冲弹簧38、反光板支撑竖杆39；反光板底部固定杆31为长条状，多个反光板底部固定杆31固定连接到反光板1的下方用来固定反光板1的线形；反光板端部固定杆32为c形长条杆，反光板端部固定杆32卡在反光板1的两端；一个反光板底部固定杆31的底部与缓冲弹簧38固定连接，其余的反光板底部固定杆31的底部及两个反光板端部固定杆32的底部均与调节螺杆34固定连接，反光板底部固定杆31通过磁吸附式连接反光板1；反光板支撑横杆33通过反光板支撑竖杆39固定在地面上，反光板支撑横杆33上设有多个预留孔，调节螺杆34穿过预留孔，调节螺杆34上套有分别位于反光板支撑横杆33上方和下方的2个调节螺母35，缓冲弹簧38下端固定连接到调节模块竖杆37的上端，调节模块竖杆37穿过反光板支撑横杆33上的预留孔，调节模块竖杆37的下端连接到调节模块横杆36，调节模块横杆36的端部与联动杆5转动连接。
30.本实施例中，基于固定式反光的变抛物线式聚光集热装置阵列由6个基于固定式反光的变抛物线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；每个基于固定式反光的变抛物线式聚光集热装置的反光板1面积为0.85m*2mm=1.7m2，装置高度约为1.7m。基于固定式反光的变抛物线式聚光集热装置阵列总采光面积为1.7*6=10.2 m2，额定集热功率为7.5kw，总造价约为3万元，聚光比为38.6。cpc反光板42的开口宽度为70.8mm，cpc的接收角为60
°
。
31.请参阅图5，抛物线a63、抛物线b64、抛物线c65在反光板抛物线截取段61的两个端点重合，也就是反光板1的两侧端点；抛物线a焦点66、抛物线b焦点67、抛物线c焦点68的焦点在接收器轨迹圆62上；当太阳光入射角为50
°
时，反光板1采用抛物线a63曲线，反射光汇聚在抛物线a焦点66处，当太阳光入射角为60
°
时，反光板1采用抛物线b64曲线，反射光汇聚在抛物线b焦点67处，当太阳光入射角为70
°
时，反光板1采用抛物线c65曲线，反射光汇聚在抛物线c焦点68处。从图5中的局部放大图可以看出，反光板抛物线截取段61的右下侧，三个抛物线会有较小的线形偏差，当接收器由抛物线a焦点66向抛物线c焦点68移动时，反光板1的抛物线线形的右下侧需要向上有一定的移动。
32.本技术依据图5所示的原理，当太阳光入射角变大时（如从50
°
到70
°
），动力装置26带动转杆23转动，使得接收器模块4从抛物线a焦点66处移动至抛物线c焦点68处，转杆23转动的同时通过联动杆5带动调节模块横杆36向上移动，推动反光板1的线性发生变化，由抛物线a63变化至抛物线c65，实现太阳光经反光板1反射后聚焦在接收器模块4上。
33.本技术具有反光板可自动微调，聚光效果好、太阳能利用率高；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%）；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。
34.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。