低成本太陽能跟蹤聚光發電方法

專利名稱：低成本太陽能跟蹤聚光發電方法
技術領域：
本發明屬于太陽利用領域，涉及太陽能聚光熱發電與太陽能聚光熱利用 及光伏電池聚光發電的高效散熱方法。
背景技術：
目前太陽能發電與熱利用技術發展比較快，太陽能熱利用領域太陽能低 溫熱水器發展很快但中高溫領域因技術成本高應用很少。太陽能發電主要包 括太陽能光伏發電(太陽能電池)與太陽能熱發電兩種，但是共同的問題依 然是發電成本很高。前者晶體硅的原材料成本難以突破，后者無論是碟式反 射鏡聚光或槽式反射鏡聚光還是塔式平面反射鏡聚光，普遍的思路是單個集 熱裝置大型化，每個反射鏡采用獨立的跟蹤控制系統，結果復雜笨重的集熱 系統對于能流密度很低的太陽能總是難以降低發電成本。
目前太陽能熱發電采用的熱力機組因無法實現大容量高參數熱效率都偏 低，采用斯特林循環的熱力系統有較高的發電效率，可是其內部氣體工質密 封等一些技術問題目前仍然解決不好不能普遍使用造價很高。太陽能高倍聚 光電池有教高的發電效率但是制造工藝復雜成本較高，普通晶硅電池可以采 用低倍聚光但是其隨聚光溫度升高而發電效率下降，采用冷卻水系統給電池 降溫效果比較差，很少有應用。
無論太陽能跟蹤聚光方面還是太陽能熱力發電方面或太陽能電池，盡管 各自有不斷的技術進步，太陽能發電成本在逐年下降，但是總的特點依然是 高成本高投資，與普通電力成本相差甚遠，單方面局部的技術突破很難使太 陽能發電成本大幅度降低，需要探索更有效的整體解決方案。
總之，目前太陽能技術離全社會迫切希望解決能源與環境壓力要求的可 全面推廣的低成本需求還有很遠的距離。

發明內容
木發明的目的以低成本太陽能聚光熱發電為主要目的，從太陽能聚光、 傳熱與發電幾個方面的技術突破采用整體的解決方案大幅度降低太陽能利用 成本。
本發明的技術方案為實現大幅度降低太陽能熱發電成本，本發明提出 連桿連動式跟蹤聚光方法、動力熱管循環及熱力升壓式熱力循環發電方法及 直線電機式熱磁流體發電方法等，具體描述如下
一、 一種連桿連動式跟蹤反射聚光方法，由反射鏡、反射鏡支撐架及控制 與驅動裝置等組成太陽能跟蹤系統使光線經反射后總是聚集于接收器，各反 射鏡增加跟蹤補償機構，通過平行連桿機構互相連接統一跟蹤光線偏轉。由 于反射鏡的跟蹤聚光規律導致每個反射鏡的二維偏轉角度變化各不相同，每 個反射鏡采用補償機構是為了滿足平行連桿機構統一控制反射鏡陣列跟蹤光 線偏轉，實現跟蹤聚光。
補償辦法是利用光學最基本的反射規律，即入射光與反射光及法線(經過 鏡面反射點垂直于鏡面的直線)總是在同一平面內，且法線總是入射光與反 射光的角平分線。按照這個規律補償機構采用角平分線原理，所謂的角平分 線原理是指跟蹤搖桿偏轉保持與光線平行并通過傳動件或傳動機構帶動反射 鏡偏轉，使跟蹤搖桿所在直線與跟蹤搖桿偏轉基點到接收器連線的兩個角平 分線之一保持垂直于反射鏡面(因為兩個相交直線有兩個互相垂直的角平分 線，其中只有-個符合條件)，將跟蹤搖桿直接做為平行連桿機構的平行搖桿 或者與平行連桿機構以其它方式連接。這樣，連桿機構控制跟蹤搖桿與太陽 光線保持平行，就可以使反射光線始終沿目標線方向指向接收器。而所有各 反射鏡的與太陽光線保持平行的跟蹤搖桿必然是同步平行的，因此將跟蹤搖 桿直接做為平行連桿機構的搖桿或者以與平行連桿機構以其它方式連接可以 實現跟蹤聚光。
因為跟蹤的目的是使反射光線的方向固定指向接受器，當反射光方向保持 固定時，法線的偏轉速度也就是鏡面偏轉速度必然是入射光偏轉速度的1/2。 因此角平分線原理的實質是平面1/2速度機構原理，即鏡面偏轉速度是太陽光線偏轉速度的1/2，也就是與光線保持平行的跟蹤搖桿與反射鏡偏轉速度滿足 1/2關系，前提是它們的轉軸滿足平面機構的條件。
反射鏡可以直接由指向接收器的立軸支撐，也可以由橫軸支撐或者采用其 它支撐方式，有多種補償機構町實現角平分線原理，例如
a) 對稱的連桿滑快機構，角平分線搖桿與反射鏡垂直固定連接；
b) 等腰三角形連桿滑塊或滑輪機構；
c) 外切對稱的齒輪副機構；
d) 內切齒輪l/2速度機構；
e) 凸輪機構或凸輪連桿機構；
f) 鏈輪機構或鏈輪彈簧機構，包擴鏈條式、皮帶式、繩纜式及其它柔性 拉動傳動機構。
補償機構除了采用角平分線原理外，也可以采用其它的補償原理，例如， 至少在理論上可以采用凸輪機構，平行連桿機構帶動凸輪轉動補償跟蹤偏差 控制反射鏡偏轉，但是凸輪補償方式使跟蹤系統變的復雜而影響控制精度與 系統成本。
反射鏡可以采用平面或凹面或者槽面，反射鏡面為整體連續或由較小的平 面鏡組合而成，以進一步增加聚光倍率。而用于低倍聚光的太陽能電池發電 時， 一套控制系統還可以控制多組陣列對應的多個聚光點，以降低控制成本。
連桿連動式跟蹤反射聚光方法可以用于太陽能高溫熱利用、太陽能熱發 電、太陽能聚光電池發電以及各種太陽能聚光集熱系統，另外也可以用于太 空望遠鏡等光學系統。
二、 一種動力熱管循環系統，簡稱動力熱管，采用分離式管路循環的結構， 加熱器(對動力熱管吸熱端的通稱)的入口與出口分別與冷凝器(對動力熱 管放熱端的通稱)的出口和入口連接構成工質的管路循環結構，工質從加熱 器吸收熱量蒸發后流向冷凝器并且輸出熱量冷凝，在冷凝器到加熱器的回流 管路上裝有可反向逆止的止逆閥(包括逆止閥或者電動控制的電磁閥及電動 閥等，這里通稱為止逆閥)，整個循環回路中填充部分工質，排除空氣全密封。
加熱器加熱工作時內部壓力上升，逆止閥反向逆止關閉，可確保加熱器產生足夠的壓力將工質蒸發并送到冷凝器內，因此稱為動力熱管，當加熱器 內工質蒸發完后壓力逐漸降低，最終逆止閥前冷凝工質推動逆止閥正向導通 回流到加熱器，接著開始新的循環。
熱管的共同特點是利用工質的蒸發與冷凝高效傳熱，被稱為傳熱領域的 "超導"，普通熱管須增加毛細孔材料的管芯保證冷凝后工質回流，功率小成 本高，使用領域有限。動力熱管最大特點是可產生強大的循環動力，有利于 大功率的熱管高效傳熱，甚至可以增加汽輪機發電。
三、 為實現太陽能熱發電的小機組或微型機組實現高參數連續運行，
這里在前述動力熱管的基礎上提出一種熱力升壓式熱力循環方法，不用給水 泵，通過加熱提升液體工質壓力，采用容積式升壓器取代升壓泵(一般稱給 水泵)，升壓器內工質由熱力循環系統內的蒸汽加熱或由其它熱源加熱，通過 閥門控制工質的進出并滿足以下循環工作過程-
a. 補充工質，低壓液體工質進入升壓器；
b. 升壓，當補水完成后升壓器封閉開始加熱升壓；
C.輸出工質，當壓力升高達到輸出壓力時，升壓器向循環系統輸出高壓 液體工質；
d. 減壓，當輸出工質完成后升壓器開始排汽減壓；
e. 再補充工質，當壓力減小到輸入壓力時新的低壓液體工質進入升壓
器，開始新的熱力升壓過程。 熱力升壓式熱力循環方法可以用于各種熱力工程與熱力發電，如果工質通 過蒸發與冷凝傳熱，其實質是一種可連續工作的動力熱管。
四、 一般情況，電動機和發電機是可以做到可逆的，即電動機可以用 來發電，發電機可以用來做電動機，只是有的需要增加一些輔助措施滿足控 制需要，最典型的是同步電機。 一種更簡單高效率的發電方法是熱功轉換裝 置采用熱力直線電機式磁流體發電機，采用直線直流電機或直線交流電機原 理的定子線圈結構，導電流體通過導磁管路高速通過定子線圈產生的磁場，使定子線圈輸出感應直流電或交流電。直線電機式磁流體發電機安裝在熱力 循環中，循環工質采用一種導電流體，或者采用至少有一種導電流體的混合 工質。直線電機用于磁流體發電與可連續工作的動力熱管組合將使太陽能熱 發電實現高效率低成本。
在現有的磁流體發電技術領域，比較多的應用是熱力發電廠高溫煙氣采用 等離子技術使煙氣導電，在煙道兩側布置強磁場使導電煙氣產生電荷定向移 動，由于煙氣導電性較差一般需要采用超導技術增強磁場，成本很高，目前 還不是很成熟。而采用本實施例導電液體或導電汽液混合物磁流發電方案最 大的特點是簡單高效率，無轉動機械，小型化微型化的特點特別適合太陽能 熱發電等熱動力領域。
在以上滿足太陽能低成本熱發電的技術基礎上，事實上也具備了太陽能電 池低成本聚光發電的條件。只要控制電池保持較低溫度，普通太陽能晶硅電 池可以通過聚光增加發電量，太陽能電池可以采用連桿連動的聚光系統與熱 管散熱的背板冷卻系統實現聚光光伏發電。在電池金屬背板內部分布有散熱 工質通道，工質循環采用動力熱管循環，其特點是因為動力熱管強大的循環 動力與傳熱能力可以將金屬板的流通管路直徑設計的很小，很容易適應現有 的電池組件相關技術標準。
顯然，連桿連動跟蹤聚光方法、動力熱管、熱力升壓式熱力循環及熱力磁 流體發電在太陽能發電以外的各自相關領域都有獨特的技術優勢，應用廣泛。
本發明的優點
1. 從跟蹤聚光到發電全面技術突破的整體解決方案，是非常有效的大幅 度降低太陽能發電成本的解決方案。
2. 連桿連動跟蹤聚光有利于大面積的太陽能反射鏡陣列只用一套跟蹤 控制系統實現自動跟蹤太陽。反射鏡的大小可以自由設計，采用小鏡片重心 低抗風能力強，可以大幅度降低跟蹤系統結構成本，并且在地面和屋頂都可 以安裝，是一種可實現高倍率聚光的低成本方案。3. 動力熱管即具有普通熱管的高效傳熱優點，又具有強大的循環動力， 特別有利于太陽能聚光集熱、太陽能電池聚光發電的電池散熱。可以在高效 傳熱的過程中向外輸出動力，可以用于簡單的聚光熱發電及各種熱力工程。
4. 熱力升壓式熱力循環系統可以完全密封的特點用于熱力發電可以自 由選擇工質而不用局限于單一工質，有利于采取各種措施最大程度使熱力發 電過程接近理想效率的卡諾循環，可用于太陽能高效熱發電及其它各種熱動 力過程。
5. 熱力磁流體發電裝置取代汽輪發電機組可使熱力升壓式熱力循環發 電系統進一步成為全封閉無轉動機械的低成本發電系統。
6. 采用連桿連動反射鏡聚光并且采用動力熱管式背板散熱的太陽能普 通晶硅電池聚光發電，使晶硅電池用量大幅下降，發電成本隨之大幅下降。
7. 本發明整體上形成一種太陽能發電徹底的低成本解決方案，同時各環 節的突破又有各自獨立的應用領域，從太陽能發電、太陽能熱利用到諸多領 域的節能降耗，對全社會的環境與能源結構必將產生深遠影響。


圖1是太陽能連桿連動跟蹤聚光系統基本模式圖； 圖2是一種由扭桿和拉桿控制搖桿二維偏轉的平行連桿機構； 圖3是一種由扭桿和拉桿控制搖桿軸二維偏轉的平行連桿機構； 圖4是反射鏡由指向接收器的立軸支撐的對稱連桿滑塊角平分線原理補 償機構示意圖5與圖6是兩種反射鏡由指向接收器的立軸支撐的等腰三角形連桿滑塊 式角平分線原理補償機構示意圖7是反射鏡由安裝在立柱上的水平軸支撐的等腰三角形角平分原理補 償機構示意圖8是懸掛點設計在立軸延長線上的對稱齒輪副角平分線機構示意圖； 圖9是對稱齒輪副機構補償機構的一種與反射鏡安裝結構示意1010是內切齒輪式角平分線補償機構示意圖； 11是凸輪式角平分線補償機構示意12是采用空心管立軸的鏈輪式角平分線補償機構示意圖； [3是動力熱管原理14是冷凝器位置比加熱器低的動力熱管；
是加熱器容積比較大并且增加了與之匹配的冷凝水箱的動力熱管； [6是發電動力熱管；
L7是采用動力熱管循環的蒸汽射流式制冷系統原理圖； L8是熱力升壓式熱力循環發電系統原理圖； L9是采用熱力升壓循環的直線電機式熱磁流體發電模式圖； 圖20是具有散熱金屬板的太陽能電池組件的主俯示意圖； 圖21是采用熱力升壓動力熱管循環的太陽能電池空氣冷卻系統； 圖22是用于太陽能供暖等熱力工程的熱力升壓系統示意圖23是反射鏡陣列布置在一個整體統一偏轉支撐架上的整體偏轉示意
具體實施例方式
實施例l:為實現低成本的太陽能反射鏡跟蹤聚光，采用如附圖l所示的 連桿連動模式，為實現反射聚光，每個反射鏡l以各自合適的安裝角度安裝，
在連桿2移動的作用下通過互相平行的平行搖桿3實現同步偏轉，隨著太陽 光線的偏轉，使反射光線同步變化聚向接收器4，構成平行連桿跟蹤聚光系統。
一般的通過縱橫兩個方向的各個連桿控制整個陣列的二維偏轉，附圖1中只 顯示了一行反射鏡的跟蹤，多行布置時成為反射鏡聚光陣列，當每行的平行 連桿機構為橫向時，反射鏡縱向偏轉是由縱向連桿拖動橫向連桿移動實現的。
也可以采用如附圖2所示的二維偏轉平行連桿機構，平行連桿機構的平行搖 桿3懸掛于扭桿5上，另一端與連桿2連接，連桿與扭桿保持平行，通過扭 桿扭轉與連桿拉動控制平行搖桿二維偏轉，在此基礎上附圖3表示平行搖桿 輸出端為轉軸7，適用范圍更廣。 一個平行連桿機構連接控制一行反射鏡，這樣，只需控制個平行搖桿的偏轉就可以控制整行平行搖桿同步偏轉。用一
個同樣的平行連桿機構，控制每行平行連桿機構的一個平行搖桿(如附圖2 中的平行搖桿6)的二維偏轉，就可以實現對整個陣列的跟蹤控制。
但是，這種直接通過平行連桿機構跟蹤方式不能實現準確聚光，必須采取 補償措施使不同位置反射鏡的聚光偏差得以消除才能準確聚光，附圖1中搖 桿4用虛線表示其不是直接的而是增加了補償機構的間接控制模式轉。
附圖4表示一種由指向接收器的立軸支撐的對稱連桿滑塊角平分線式補 償機構，反射鏡11由立軸12支撐，角平分線搖桿13與反射鏡11垂直固定連 接，平分指向接收器15的立軸與指向太陽(與光線平行)的跟蹤搖桿14形 成的夾角，這樣，連桿機構控制跟蹤搖桿14保持指向太陽，就可以使反射光 線始終沿立軸12的方向指向接收器15。而所有反射鏡陣列中指向太陽的跟蹤 搖桿必然是同步平行的，因此可以將跟蹤搖桿直接做為平行連桿機構的搖桿 或者按實際需要間接連接。
這里所說的立軸是習慣說法，顯然不局限于與地面垂直，當反射鏡很高與 接收器高度相當時，如反射鏡在墻面上，立軸12也可能水平甚至向下傾斜布 置。
另外也可以采用以下角平分線原理的補償方式
附圖5、 6及附圖7是等腰三角形式角平分線補償機構，在附圖5中，搖 桿14和支撐立軸12以及滑桿16組成以滑桿16為底邊的等腰三角形滑快機 構，并且滑桿16與反射鏡11垂直固定連接，這樣隨著搖桿14的偏轉，搖桿 14和支撐立軸12所在的直線的兩個角平分線總是分別與滑桿16和鏡面保持 垂直(任何兩個相交直線總是存在兩個互相垂直的角平分線)，因此這樣的 等腰三角形角平分線機構同樣滿足角平分線補償原連。附圖6是將等腰三角 形滑快機構的滑桿16設置為與鏡面平行，同時反射鏡與支撐立軸12的鉸接 軸線要同時垂直于立軸12及搖桿14并且平行于鏡面，這樣就形成了另一種 等腰三角形角平分線機構。附圖7是反射鏡由安裝在立柱上的橫軸支撐的二 維偏轉機構與等腰三角形角平分線機構組合示意圖，跟蹤搖桿14的偏轉基點 18 (—般情況也是懸掛跟蹤搖桿的二維偏轉軸的交點)與反射鏡的偏轉基點
1217 (—般情況也是反射鏡的二維偏轉軸的交點)的連線指向接收器，并且與 跟蹤搖桿及與反射鏡垂直固定安裝的滑桿16組成等腰三角形角平分線機構， 跟蹤搖桿的懸掛點17與反射鏡懸掛點18之間可以有構件連接，也可以省掉， 這樣更方便將附圖3所示的二維平行連桿機構的平行搖桿的輸出轉軸7直接 做為跟蹤搖桿。等腰三角形機構的滑快也可以采用滑輪等方式。
附圖8的補償機構采用對稱的齒輪副角平分器機構。采用一對相同的齒輪 19互相嚙合對稱布置， 一個齒輪固定于立軸12上，另一個齒輪通過與其固定 連接的搖桿20以平行連桿的方式與跟蹤搖桿14連接，齒輪架使兩個齒輪保 持正常嚙合，反射鏡11安裝于齒輪架上，并且與兩個齒輪軸平行且距離相等。 這樣使反射鏡的偏轉速度總是跟蹤搖桿14偏轉速度的1/2，即立軸與跟蹤搖 桿的夾角的角平分線總是與反射鏡垂直。在附圖8的基礎上，附圖9表示可 以延長齒輪軸的長度，同時齒輪可以安裝在反射鏡外側，這樣可以盡可能減 小齒輪軸線與鏡面的垂直距離，從而減小反射光線平移產生的偏差。
附圖10是內切齒輪式角平分線機構示意圖，轉速比為1/2，內齒輪與跟 蹤搖桿14固定連接，兩個齒輪都安裝于立軸上；
附圖11是凸輪式角平分線機構，通過1/2速度關系設計凸輪的結構；
附圖12是采用空心管立軸的鏈輪式角平分線補償機構示意圖，大小鏈輪 的直徑比為2: 1，空心管的立軸結構有利于平行連桿機構運行空間的設置。 連接鏈可以是鏈條、皮帶、繩纜及其它柔性件，鏈繩可以封閉環式安裝也可 以開式安裝，開式安裝的鏈繩至少一端要固定在輪周上，而且須配合彈簧預 緊。
實施例2:如附圖B所示的簡單的動力熱管循環系統，系統內充有一部
分工質(可以是水或其它適合的溶液)，并且抽真空排除空氣密封使工質在較
低溫度就可以蒸發，當加熱器22受熱時工質開始蒸發膨脹產生壓力，逆止閥 21反向關閉，工質開始向冷凝器24流動，經過冷凝器后被冷凝成液態進入回 流管25，當加熱器內工質蒸發完后其內部壓力逐漸下降，最后冷凝器前后汽 體工質壓力接近相同，整個回路成為連通器，回流管內液體工質推動逆止閥正向導通進入加熱器開始新的循環。圖中加熱器與冷凝器的圖形只是一種表 示符號不限制實際應用中的形狀、結構及連接方式。
如附圖14所示，為適應冷凝器位置比加熱器低的情況回路中增加止逆閥 26，在兩個逆止閥之間連接有回流水箱25 (大小因系統需要而定，最小時由 管路代替)，并使回水箱的輸出管路裝在下部，在加熱器22將工質加熱蒸發 時，加熱器前的逆止閥21關閉而冷凝器后的逆止閥26正向導通，冷凝后工 質進入回流水箱，直到蒸發完時由于冷凝器的繼續冷凝，加熱器內壓力會下 降到低于水箱內壓力，壓差推動逆止閥26關閉而逆止閥21正向導通，加熱 器充液，循環將繼續。
裝有逆止閥的動力熱管循環是可產生強大循環動力的高效傳熱過程，最 大循環動力由熱源與冷源的溫度差決定，不僅可以用于各種條件的傳熱過程， 而且在加熱器與冷凝器之間增加汽輪機或其它熱力轉換裝置就可以構成動力 熱管式熱力系統。
如附圖15所示是適應大型熱力過程的動力熱管系統，增大加熱器22容積 成為加熱水箱，在冷凝器與逆止閥21之間連接與加熱器容積匹配的凝結水箱 27，有利于加熱器內汽水分離和延長工作周期。
如附圖16所示在動力熱管循環回路中增加汽輪發電機28，成為間斷性發 電的動力熱管，增加過熱加熱器29可以提高發電效率，加熱器22布置在加 熱水箱外有利于汽水分離加熱。為了得到穩定的電力輸出，可以采用兩個或 多個這樣的系統組合。
如附圖17所示的用于蒸汽噴射式制冷的動力熱管循環系統，工質一般為 水，被加熱器22加熱蒸發成為壓力蒸汽，經射流噴射器33減壓降溫再經冷 凝器24冷凝后進入回流水箱27，冷凝水一部分經過節流器34再次減壓降溫 后進入冷媒水熱交換器32內吸收冷媒水熱量，冷媒水熱交換器的高真空由射 流噴射器33的抽汽口抽汽維持。當加熱器內水被蒸發完后壓力下降，直至回 流水箱27內的回流水自動使逆止閥21正向導通，回流水進入加熱器，開始 新的循環。動力熱管蒸汽噴射式制冷系統無須任何轉動機械，簡單低成本耐用。
這樣的動力熱管循環系統可以用于各種熱力工程的傳熱全過程，包括 動力熱管鍋爐，通過動力熱管向鍋爐外傳熱；
動力熱管式室內供暖熱網熱交換器為加熱器，用戶散熱器為冷凝器，如 動力熱管式家用暖氣片，或者將細管路焊接在銅或鋁等薄金屬板上，可以布 置于墻壁或頂棚；
動力熱管熱網，鍋爐為加熱器，整個熱網用戶為冷凝器，適合高層建筑； 高溫傳熱太陽能熱發電的傳熱及太陽能鍋爐與太陽灶等熱力輸出過程。
實施例3:如附圖18所示， 一種熱力升壓式動力熱管循環發電系統，可 以認為是在普通熱力發電系統的基礎上用熱力升壓系統取代給水泵升壓的循 環系統，其熱力升壓工作過程是
a. 補水。當熱力升壓器41需要補充水時，打開與凝結水箱44的通汽閥 43關閉其它閥門，從凝結水箱44來的低壓液體工質因連通器原理經過逆止閥 42進入升壓器41。
b. 升壓。當升壓器補水完成后關閉通汽閥43，打開抽汽閥46升壓器開始 封閉式加熱升壓，逆止閥42自動反向關閉；當升壓器壓力上升到與抽汽壓力 接近平衡時關閉抽汽閥46，打開與蒸發器39的通汽閥37繼續加熱升壓。
c. 給水。當壓力升高達到與蒸發器39壓力平衡時逆止閥40自動正向導 通，升壓器向蒸發器輸出高壓液體工質。
d. 減壓。當輸出工質完成后關閉通汽閥37，打開抽汽閥46向汽輪機47 的低壓缸排汽，逆止閥40自動反向關閉，升壓器開始排汽減壓；當升壓器壓 力降到與汽輪機低壓缸接近平衡時關閉抽汽闊46，打開與凝結水箱44的通汽 閥43，升壓器壓力繼續下降。
e. 再補水。當升壓器壓力減小到與凝結水箱壓力平衡時，逆止閥42自動 正向導通，新的低壓液體工質進入升壓器，開始新的熱力升壓過程。
雖然升壓給水過程是間斷周期性的，但是如果設計好每次給水量與蒸發器 容量的比例，就可以確保蒸發器只是液位在周期性隨之變化而并不影響蒸發循環的連續性。通汽閥37與44以及抽汽閥46 —般采用電磁閥，由控制系統 根據液位壓力溫度等參數自動控制。
蒸發加熱器38可以直接是太陽能聚光系統的接收器，也可以間接的由動 力熱管傳熱，蒸發器產生的蒸汽由過熱加熱器36進一步被加熱為過熱蒸汽后 進入汽輪發電機實現熱功轉換，從汽輪機出來的低參數尾汽經過冷凝器45成 為液態進入凝結水箱44，后經過熱力升壓過程循環工作。？樣，系統可以省 掉一般熱力發電系統需要的給水泵、補水、排污及除氧等一系列復雜的輔助 系統，使小機組微型機組實現高參數高效率運行。整個熱力循環系統可使工 質在密封系統內工作，工質可以采用一種或多種混合。
為了進一步提高效率，可以增加抽汽加熱管路的數量，原理等同于增加回 熱循環數量，也可以增加再熱加熱器提高熱效率。
為了確保系統密封，汽輪機可以通過磁力傳動輸出軸功，磁力傳動目前已 經比較成熟。這樣的系統當汽輪機與其它轉動機械連接時就成為一種高效率 的外燃式蒸汽循環發動機。
實施例4:如附圖19所示， 一種以導電液體為工質的熱力升壓循環模式， 在附圖18的基礎上將汽輪機換成直線電機式磁流體發電機50構成熱磁流體 發電方案。磁流體發電機采用直線直流電機或直線交流電機原理的定子線圈 結構，導電流體通過導磁管路高速通過定子線圈產生的磁場，使定子線圈輸 出感應直流電或交流電，適合用導電率強的導電液體或導電汽液混合工質。
在附圖19中，工質按箭頭所指方向循環，增加了管路51將蒸發器內的導 電液體引到磁流體發電機入口與蒸汽管路會合通過閥門控制好合適的汽液比 例，以滿足足夠的熱動力和導電性。循環工質可采用一種導電流體，如水銀， 或者采用至少有一種導電流體的混合工質，如水銀與水，在發電機的工質管 路上引出一支管路(或多支管路)，通過閥46與熱力升壓系統連接提供升壓 熱源。需要注意的是，當采用水銀與水的混合工質時，由于密度差別大，在 升壓系統的各容器內必然是分層，連接管路的相對位置及閥對流量與液位的 控制應適應這一特點。磁流體發電機在發電過程中需要增加補水箱52和補水
16管路53，以控制發電機內部工質壓力降低過程符合穩定運行要求。這是因為 水銀蒸汽會在水蒸汽之前凝結為液相，會出現壓力大的變化，補充適當的水 吸熱蒸發膨脹可以調節壓力，這樣的管路可以根據需要分布多個。整體而言， 通過熱力升壓系統控制各工質各階段進出發電機，可以實現穩定高效率運行。
實施例5:與實施例3及實施例4類似，熱力升壓的動力熱管循環也可以 用于空調等熱泵循環，但是得選擇合適沸點的工質，也可以用于溴化鋰吸收 式空調等，將系統中的壓縮機或升壓泵改為熱力升壓系統。
熱力升壓式動力熱管循環，還可以用于小型或微型熱電冷聯產，包括熱發 電水器、供暖及空調發電等，尤其在高溫聚光的太陽能利用系統中，在加熱 器加熱后的工質先進入熱力發電設備發電，然后進入供熱或制冷系統提供熱 源，最后再完成循環的其它過程，或者，在用于燃料為熱源的熱力過程時， 高溫煙氣加熱發電工質低溫煙氣通過動力熱管為其它設備提供熱力，這對全 社會節能降耗有著重要意義。
實施例6:太陽能聚光電池或普通晶硅太陽能電池的聚光發電其底部散熱
板必須有良好散熱，這里提出利用動力熱管循環為其散熱。如附圖20所示為 具有散熱金屬板太陽能電池組件的主俯示意圖，在主視圖中從上而下依次為 玻璃板、透明膠膜、太陽能電池片、絕緣膠膜、金屬散熱板及其內部的散熱 管路，主俯示圖共同顯示了散熱管路的分布方式。散熱板一般應該采用導熱 性能強的金屬，如采用銅管鑄造于鋁板內的結構。 一般金屬板與工質管路采 用焊接，而附圖20所示的將管路鑄造在金屬板內導熱性能更好。
如附圖21所示為采用熱力升壓系統的連續動力熱管循環的太陽能電池空 氣冷卻系統，太陽能電池63正面朝下周圍布置了管狀升壓器64(實際安裝時 應該盡量靠近電池)，二者都接受聚集來的光線的輻射，升壓器為電池中散熱 板補充工質，安裝了散熱板的電池在循環中就是蒸發器，工質在電池中吸熱 蒸發膨脹成汽液混合狀態通過管路進入凝結水箱66，在凝結水箱汽液分離后汽相工質在空氣冷卻器的盤管62中冷凝，由大量分布的散熱膜片61增強散 熱，冷凝后的工質回流到凝結水箱66中，系統的補液升壓過程與前面的實施 例相同。這樣整體散熱系統的特點是蒸發器汽水分離水箱與凝結水箱合二為 一，強制蒸發，重力回流，電池散熱板中的管路的直徑可以設計的很小，容 易適應太陽能電池組件的要求，在實際使用中只需控制器控制閥門65的開關 時間就可以了，或者采用機械式液位控制裝置，如常用的浮子式液位開關或 液位閥。
也可以采用水冷代替空冷，將冷卻水盤管直接伸進凝結水箱就可以。 本實施例特別適合于太陽能聚光電池、電腦芯片、服務器芯片等各種只能 分布很細散熱管路的發熱體的強制熱管式散熱。也適合用于太陽能真空管式 及平板式熱水器，而且加熱器和凝結水箱都可以采用真空管集熱管，蒸發器 吸收太陽能輻射熱量，或者由發熱件提供熱量或者采用其它熱源。
實施例7:如附圖22所示，熱力升壓系統用于供暖等熱力工程，因為熱 力升壓必須通過加熱蒸發產生壓力，而供暖的水溫經常不需要達到臨界溫度， 因此在熱水輸出管路與回流低溫水管路之間增加換熱系統71調節水溫，換熱 系統圖中沒顯示具體結構但換熱量應該可調，也可以再增加連通閥72調節輸 出流量和溫度。換熱系統可以與回流水箱74統一設計節省水箱；如果熱力系 統允許間斷性工作，可以省掉蒸發加熱器73的加熱系統或者整個蒸發加熱器 都省掉。這樣熱力升壓系統可以代替供熱系統的循環泵和補水泵而節約電能， 可以通過太陽能聚光集熱系統同時滿足供暖的熱量與循環動力。
實施例8:熱力升壓系統也可以用于熱電廠凝結水升壓取代凝結泵。熱電 廠汽水循環系統中本來就有從汽輪機抽汽加熱凝結泵到除氧器的給水的加熱 系統，以滿足除氧器的溫度需要，因此采用以汽輪機抽汽為熱源的熱力升壓 系統可以取代凝結泵及其后面的給水加熱器，同時可以省掉凝結泵電耗，也 省掉了凝結泵的汽蝕問題。存在的一個問題是加熱器在每次升壓完成后的排汽熱損失比較大(因為凝結水箱的水本身已經是臨界狀態不能再吸收蒸汽)， 一個解決辦法是采用兩組或多組熱力升壓系統，各升壓系統的升壓過程統一 控制，使升壓工作周期互相保持合適的時間差，升壓器排汽互相交叉加熱， 使每個加熱器最終排汽溫度盡可能低，這里簡單的稱為熱力升壓系統的并聯。 另一個解決辦法就是熱力升壓系統采用兩組或者兩組以上的加熱升壓器，從 汽輪機抽汽加熱末級加熱器，末級加:.冉器的排汽成為上一級加熱器的熱源， 依此類推到初級加熱器，其加熱完成后的排汽的溫度就會低很多，這里稱其 為熱力升壓系統的串聯。
實施例9:如附圖23所示的連桿連動跟蹤系統，反射鏡陣列布置在一個 整體統一偏轉的支撐架上，整體支撐架的偏轉方式分為兩種情況， 一種是以 經過A點的水平軸為轉軸，類似于槽式反射鏡跟蹤方式；另一種是以經過BC 線的豎直軸為轉軸類似于碟式反射鏡的自旋轉方式，控制系統控制整體支撐 架跟蹤光線同步偏轉，使控制鏡片偏轉的平行連桿機構的平行搖桿的轉軸保 持與光線垂直。這樣光線相對反射鏡來說是一維偏轉，可以簡化平行連桿機 構為一維偏轉機構，使連桿連動機構更簡單更精確，接收器80須保持與反射 鏡陣列固定的空間關系，也就是接收器必須安裝在整體支撐架上固定的立柱 上， 一種特殊情況是當整體支撐架以立軸偏轉時，安裝接受器的立柱布置在 立軸位置時可以固定在地面上。
本實施例在場地面積有限的情況下可以增加實際采光面積，以立軸偏轉 時，整體支撐架可以保持最合適的固定傾斜角(朝太陽的仰角)跟蹤太陽轉 動，可以最長時間利用太陽能，并且整體可以采用立軸支撐也可以采用環形 軌道支撐，可同時具備碟式反射高倍聚光及槽式反射聚光支撐強度大采光面 積大的優點，比較適合太陽能電池聚光發電。
本發明涉及多個領域，適用范圍廣，具體實施形式和用途靈活多樣，不局 限于實施例所述范圍。
權利要求
1、一種連桿連動式跟蹤反射聚光方法，由反射鏡、反射鏡支撐架及控制與驅動裝置等組成太陽能跟蹤系統使光線經反射后總是聚集于接收器，用于太陽能低成本聚光熱發電及電池聚光發電及其它聚光領域，其特征是各反射鏡增加跟蹤補償機構，并且通過平行連桿機構互相連接統一跟蹤光線偏轉。
2、 如權利要求1所述的連桿連動式跟蹤反射聚光方法，其特征是平行連桿 機構的平行搖桿懸掛于扭桿上， 一端與連桿鉸接，連桿與扭桿保持平行，通過扭 桿扭轉與連桿拉動使平行搖桿另一端二維偏轉。
3、 如權利要求1所述的連桿連動式跟蹤反射聚光方法，其特征是補償機構 采用角平分線原理，所謂的角平分線原理是指跟蹤搖桿偏轉保持與光線平行并通 過傳動件或傳動機構帶動反射鏡偏轉，使跟蹤搖桿所在直線與跟蹤搖桿偏轉基點 到接收器連線的兩個角平分線之一保持垂直于反射鏡面，將跟蹤搖桿直接做為平 行連桿機構的平行搖桿或者與平行連桿機構以其它方式連接。
4、 如權利要求3所述的連桿連動式跟蹤反射聚光方法，其特征是反射鏡由 直接由指向接收器的立軸支撐或者由橫軸支撐或者采用其它支撐軸方式，采用以 下機構之一實現角平分線原理，(1) 對稱的連桿滑快機構，角平分線搖桿與反射鏡垂直固定連接；(2) 等腰三角形連桿滑塊或滑輪機構；(3) 外切對稱的齒輪副機構；(4) 內切齒輪l/2速度機構；(5) 凸輪機構或凸輪連桿機構；(6) 鏈輪機構或鏈輪彈簧機構，包擴鏈條式、皮帶式、繩纜式及其它柔性 拉動傳動機構。
5、 如權利要求1所述的連桿連動式跟蹤反射聚光方法，其特征是反射鏡陣 列布置在一個整體統一偏轉的，偏轉軸為立軸或橫軸的支撐架上，控制系統控制 整體支撐架跟蹤光線同步偏轉。
6、 一種動力熱管循環系統，工質從加熱器吸收熱量蒸發后進入冷凝器輸出熱 量冷凝，然后回流到加熱器再次被加熱蒸發循環工作，用于太陽能低成本聚光熱發電及其它熱力過程，其特征是采用管路循環的結構，在冷凝器到加熱器的回 流管路上至少采取以下兩種措施之一，1) 裝有止逆閥；2) 在冷凝器位置較低時裝有兩個止逆閥，在兩個止逆閥之間裝有滿足工質 向蒸發器回流的回水箱。
7、 如權利要求6所述的動力熱管循環系統，用于熱力發電、制冷等熱力過程， 其特征是加熱器與冷凝器的連接管路上連接有動力輸出裝置，該動力裝置是汽 輪機或蒸汽噴射式制冷裝置，或者是熱力磁流體發電裝置。
8、 一種熱力升壓方法，通過加熱提升工質循環壓力，用于太陽能低成本聚光 熱發電及各種需要升壓的熱力過程，其特征是采用容積式升壓器取代升壓泵， 升壓器內工質由熱力循環系統內的蒸汽加熱或由其它熱源加熱，通過閥門控制工 質的進出并滿足以下循環工作過程，1) 補充工質，低壓液體工質進入升壓器；2) 升壓，當補充工質完成后升壓器開始加熱升壓；3) 輸出工質，當壓力升高達到輸出壓力時，升壓器向循環系統輸出高壓 液體工質；4) 減壓，當輸出工質完成后升壓器開始排汽減壓；5) 再補充工質，當壓力減小到輸入壓力時新的低壓液體工質進入升壓器， 開始新的熱力升壓過程。
9、 一種直線電機式磁流體發方法，高速流動的導電流體經過磁場產生感應電 流，用于太陽能低成本聚光熱發電或其它領域發電，其特征是采用直線直流電 機或直線交流電機原理的定子線圈結構，導電流體通過導磁管路高速通過定子線 圈產生的磁場，使定子線圈輸出感應直流電或交流電。
10、 如權利要求8所述的熱力升壓方法，用于熱動力循環，其特征是熱 力循環中增加汽輪機或直線電機式熱磁流體發電機，循環系統采用一種工質或多 種混合工質，由熱力升壓系統為蒸發器提供升壓工質，熱力升壓系統通過一支或 多支管路與汽輪機或直線電機式熱磁流體發電機的工質通道連接，并控制各工質 各階段進出發電機。
11、 如權利要求8所述的熱力升壓方法，用于太陽能供暖等熱力系統，其特征是用升壓器加熱升壓，增加蒸發器加熱穩定熱水輸出流量和壓力或者升壓 器直接間斷性輸出熱水，熱水輸出管路與低溫回流水管路之間有換熱系統調節熱 水輸出溫度。
12、 如權利要求8所述的熱力升壓方法，用于太陽能電池、電腦芯片等發 熱件散熱或太陽能熱水器的傳熱等熱力循環，其特征是蒸發器管路鑄于金屬板 內或者焊接在金屬板上，金屬板貼緊在需要散熱的發熱件上，熱力升壓器吸收太 陽能輻射或吸收發熱件熱量或吸收其它熱源升壓為蒸發器補充工質，工質在蒸發 器吸熱后進入冷凝器冷凝。
全文摘要
低成本太陽能跟蹤聚光發電方法，屬于太陽利用領域，涉及太陽能聚光熱發電與聚光光伏發電及太陽能聚光熱利用，通過各環節的技術突破實現太陽能發電整體低成本方案。包括通過平行連桿機構加補償機構低成本控制反射鏡陣列跟蹤聚光；在蒸發與冷凝的熱管循環中增加逆止閥的動力熱管傳熱；容器式熱力蒸發升壓替代給水泵使熱力發電循環可以自由選擇工質高效率全封閉運行；簡單直線電機式熱磁流體發電方法可以使熱力升壓式發電循環效率更高而成本更低以及太陽能電池背板熱管散熱聚光發電等。低成本的整體解決方案將推動太陽能被廣泛使用，各環節的技術突破將在各自領域的節能發揮重要作用。
文檔編號H02N6/00GK101521477SQ200810182738
公開日2009年9月2日 申請日期2008年12月4日 優先權日2007年12月4日
發明者張玉良 申請人:張玉良