一種槽式聚光器的制造方法
【專利摘要】本實用新型公開一種槽式聚光器，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、驅動系統、標尺、拋物柱面反射鏡、拋物柱面反射鏡支撐結構；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聚光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的驅動策略，就可實現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，該裝置結構簡單，易于量產化，適用于現在的光熱市場，有很大的應用前景。
【專利說明】
-種槽式聚光器
技術領域
[0001] 本實用新型設及光能利用技術領域，具體的說是一種槽式聚光器。
【背景技術】
[0002] 能源是人類社會賴W生存和發展的物質基礎。化石燃料的枯竭，使得利用可再生 能源有著深遠的能源戰略意義。在可在生能源中，太陽能具有清潔、經濟、資源豐富等優點， 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系統一-反射器或折射器增加吸收器表面上的太陽福射強度。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域槽式太陽能集熱器因其自 身的優勢被廣泛應用。
[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，其采用太陽福射能作為熱能來源，通過拋物柱面反射鏡的匯聚，將低能 量密度的太陽直射福射能轉變成高能量密度的直射福射能，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，W南北水平式（即南北放置東西跟蹤方式)太陽自動跟蹤系統為例，其中 拋物柱面反射鏡繞南北水平轉軸自東向西轉動，用W跟蹤太陽方位角。對于運種一維跟蹤 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。特別是在高締度地區和長度比較短的槽式系統中，末端損失 率是比較大的。運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，提供一種結構簡單，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] 本實用新型提出的一種槽式聚光器能很好地解決上述問題的同時，提高了太陽能 利用的系統效率，節約能源，有利于環境保護。 【實用新型內容】
[0005] 針對現有技術的不足，本實用新型擬解決的技術問題是，提出一種槽式聚光器。在 實際運行過程中，從運行成本和得到收益的角度出發，槽式太陽能集熱器經常采用單軸跟 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，而與采光面的發現存在一個入射角。由于入射角的存在，在產生余弦效 應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槽式反光鏡反射的直 射太陽福射，此種現象稱為集熱器的末端損失。傳統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，運兩種辦法均有各自的弊端不宜在生產中應 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構的復雜性， 抬高集熱器末端可W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， 并且當集熱器長度較長時此種方式并不適用。
[0006] 本實用新型解決所述技術問題的技術方案是:設計一種槽式聚光器，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、驅動系統、標尺、拋物柱面反 射鏡、拋物柱面反射鏡支撐結構;所述集熱管支撐部件由兩根支腳和=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構為V'型結構，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;所述標尺設置在滑軌的外側面上，指針為集熱管支撐部件的 支腳，初始時刻，支腳緊挨驅動系統的內側，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W在標尺上讀出；所述的驅動系統分別安裝在方梁的 兩端并與其兩端的滑塊分別連接，驅動系統通過控制滑塊的滑動長度實現對集熱管運動的 控制。
[0009] 本實用新型與現有技術相比，其有益效果在于，此帶水平滑軌裝置的槽式聚光器 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的驅 動策略，就可實現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 構簡單，易于量產化，適用于現在的光熱市場，有很大的應用前景。
【附圖說明】
[0010] 圖1為本實用新型一種槽式聚光器一種實施例的整體結構示意圖。
[0011] 圖2為本實用新型一種槽式聚光器一種實施例的局部結構示意圖。
[0012] 圖3為本實用新型一種槽式聚光器一種實施例的滑軌縱向截面結構示意圖。
[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] 下面結合附圖進一步敘述本實用新型。
[0016] 本實用新型為一種槽式聚光器(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、驅動系統7、標尺8、拋物柱面反射鏡9、拋 物柱面反射鏡支撐結構10;所述集熱管支撐部件2包括兩根支腳201和=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，使結構更加穩固。
[0018] 所述拋物柱面反射鏡9安裝在方梁5長邊的兩側面上，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構10為V'型結構，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。所述標尺8設置在滑軌6的外側面上，指針為集熱管 支撐部件2的支腳201，初始時刻，支腳201緊挨驅動系統7的內側，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W在標尺8上讀出。所述的 驅動系統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，驅動系統7通過控制滑塊 1的滑動長度實現對集熱管3運動的控制。驅動系統7的內側安裝有限位開關，設定滑塊1能 滑動的最大位移，W防滑塊1滑出滑槽。
[0019] 所述集熱管支撐部件2為梯形結構，如圖3所示，=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 IOcm~20cm之間，確保方梁5在旋轉時，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內部設置有轉軸，該轉軸可帶動方梁5繞該軸轉動實現單軸跟蹤。
[0022] 每組滑軌6的長度依據公式1^=1.^*曰11(0)。3、計算(巧3焦距，111，0為太陽高度角的 余角，°)，寬度依據公式D = 2.5時十算(R為集熱器外管直徑，m)。滑塊1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與驅動系統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] 所述的驅動系統7分別安裝在槽式集熱器的兩端，驅動系統通過控制滑塊1的長度 實現對集熱管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，因當地每天每時刻的太陽高度角可W算出，即a二arcsin (sin 口S虹《+ COS參抑COS傷)， (口為太陽高度角，％ 口為地理締度，％ ?為時角，％S為太陽赤締角，° )eS = 23.45sin[360(n +284)/365],其中n為一年之中天數。W =15(ST-12)，其中ST為太陽時。求出太陽高度角后， 根據公式A L = f tan(0)即可求出集熱管3應運動的位置，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，次日繼續做此運動。集熱器兩端的驅動裝置上分別安裝限位開關，當集熱管支撐 部件觸碰到限位開關后，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的末端充當滑塊，圖1中W=組滑動裝置示意，實際工程中部不只有一 組滑動裝置，根據需要來設定。
[0027] 所述集熱管3的兩端設置有光敏感測器，當太陽發生偏轉時，它就會把信號傳遞給 方梁5內部的轉軸的控制箱，控制箱控制轉軸運動，進而帶動拋物柱面反射鏡9運動到正對 太陽的方位上。
[0028] 所述驅動系統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 集太陽偏轉信息并將其發送給驅動系統，驅動系統對太陽偏轉信息進行處理，根據處理結 果驅動滑塊I到相應的位置;時控模式為陰天時光控模式無法觸發時自動啟動，即驅動系統 根據地球周期性運動推算出的相應時刻太陽的位置信息來調整滑塊1的位置。
[0029] 所述驅動裝置7的驅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，下面詳細解釋驅動裝置7的控制原理，參見圖2。
[0030] W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，計算出當地每天滑塊1的運動 距離即可編寫相關程序即可完成對滑塊1的控制，由公式A L = f tan(0)可知，我們知道拋 物柱面反射鏡9焦距f和入射巧目結課求出滑塊1的反動距離。
[003^ 入射角計算公式為
試中Os為太陽高度角，％ Y S為太 陽方位角，°)。
[0033] 其中
(式中為地理締度，％ ?為時角，％S為太陽赤締角，° )。
[0034] 5 = 23.453111(360(11+284)/365)(式中11為一年之中天數）。
[0035] 時角《是地球自轉的結果，其計算式為，《= 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A L，W天津(締度取39.1度），夏至日，焦距f取 Im為例曲線圖如圖4所示。滑塊1的滑動應在集熱器方位跟蹤轉軸的觸發之后，即當方梁5內 部的轉軸開始轉動時，驅動裝置7開始驅動滑塊1運動，運樣避免了因早晨或傍晚太陽福射 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，此時對應滑軌上的讀數為0,然后逐漸向北運動，正午時到達最北端，在滑軌6上的標尺8 讀數為一天中的最大值，然后逐漸向南運動，傍晚到達最南端即起始位置，次日繼續做此運 動。
[0038] 從圖5中可W看出（天津，焦距取Im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 顯然是不經濟的，且冬季太陽高度角偏小，福射量較弱。所W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W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10后就停止直至做往復運動。
[0039] 所述滑軌6的長度不宜過長，不應超過焦距，從圖5中可W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W選擇為焦距長度。每組滑軌6的長度依據公式L = l.lf tan(0)max計算(f為焦距，m，目為太陽高度角的余角，°)，寬度依據公式D = 2.5R計算(R 為集熱器外管直徑，m)。
[0040] 本實用新型從太陽能高溫利用中槽式太陽能集熱器末端損失嚴重的角度出發，開 發了一種槽式聚光器，結構簡單，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用中可W帶來實際 收益而且對科研院校的理論研究帶來幫助。同時本實用新型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意義。此裝置結構簡單，易于量產化，適 用于現在的光熱市場，具有很大的應用前景。
[0041 ]本實用新型未述及之處適用于現有技術。
【主權項】
1. 一種槽式聚光器，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、驅動系統、標尺、拋物柱面反射鏡、拋物柱面反射鏡支撐結構;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構為"y"型結構，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;所述標尺設置在滑軌的外側面上，指針為集熱管支撐部件的支腳， 初始時刻，支腳緊挨驅動系統的內側，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尺上讀出；所述的驅動系統分別安裝在方梁的兩端并 與其兩端的滑塊分別連接，驅動系統通過控制滑塊的滑動長度實現對集熱管運動的控制。2. 根據權利要求1所述的一種槽式聚光器，其特征在于，所述驅動系統的內側安裝有限 位開關，設定滑塊能滑動的最大位移，以防滑塊滑出滑槽。3. 根據權利要求1所述的一種槽式聚光器，其特征在于，所述集熱管支撐部件為梯形結 構，三根肋條分別焊接在兩根支腳之間。4. 根據權利要求3所述的一種槽式聚光器，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IOcm~20cm之間。5. 根據權利要求3所述的一種槽式聚光器，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. 根據權利要求1所述的一種槽式聚光器，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. 根據權利要求1所述的一種槽式聚光器，其特征在于，所述集熱管的兩端設置有光敏 感測器，當太陽發生偏轉時，它就會把信號傳遞給方梁內部的轉軸的控制箱，控制箱控制轉 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. 根據權利要求1所述的一種槽式聚光器，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. 根據權利要求1所述的一種槽式聚光器，其特征在于，所述驅動系統的控制模式采用 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信息并將其發送給驅動系統， 驅動系統對太陽偏轉信息進行處理，根據處理結果驅動滑塊到相應的位置;時控模式為陰 天時光控模式無法觸發時自動啟動，即驅動系統根據地球周期性運動推算出的相應時刻太 陽的位置信息來調整滑塊的位置。
【文檔編號】F24J2/40GK205536614SQ201620357588
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2016年4月25日
【發明人】楊賓, 左德功, 楊亞帥, 趙藝茵, 齊承英
【申請人】河北工業大學