一種太陽能線性透鏡變焦跟蹤系統及應用的制作方法

專利名稱：一種太陽能線性透鏡變焦跟蹤系統及應用的制作方法
技術領域：
本發明涉及太陽能利用，特別是采用透鏡實現太陽能跟蹤焦點為直線的線性跟蹤 以及組成陣列跟蹤。
背景技術：
太陽能跟蹤主要由槽式、塔式和蝶式三種，由于槽式系統為單向跟蹤相對技術難 度比較低，同時由于太陽能選擇涂層以及真空管技術在100-400度的溫度區間具備產業化 生產能力，因而可以迅速的被批量生產，在國際上被最早的商業化應用的就是槽式系統。國際上的槽式系統的主要的跟蹤方式采用將一個換熱管設置在槽式系統的焦線 位置，在換熱管內充入導熱油，由電機驅動導熱油流動從而實現熱能的采集。在跟蹤太陽能 的過程中導熱油在管道內一起運動，在導熱油管道與流出端采用波紋管的方式實現運動的 管道與不運動的管之間的連接；由于波紋管需要耐高溫、可靠性高等要求，因而成為關鍵器 件，同時該種連接無法保證保溫性要求，因而系統的熱損非常高。中國專利200710176966提供了一種組合的跟蹤系統，可以用于槽式、塔式結合的 跟蹤系統，其跟蹤的方式采用將焦點不動而太陽能鏡系統進行運動的方式，主要是采用在 地面上設置兩個軌道進行跟蹤，而槽式系統線聚焦系統，利用其線性軸與地球自傳軸平行 放置，因而可以采用一個方向的轉動實現跟蹤，但是該方案采用在地面上的轉動來實現槽 式跟蹤，顯然不能實現單向跟蹤，因而發明者在方案中進一步設置了俯仰跟蹤，這樣的槽式 系統就不是單向跟蹤，而成為雙向的跟蹤，因而發明者沒有解決槽式單向跟蹤時焦線不運 動的跟蹤問題。近年，國際上又發展出了多反射鏡的槽式系統，這種系統的特征在于變焦跟蹤，其 焦線被設置在一個圓柱體的區域內，其運動器件為每一個反射鏡的轉軸運動，而且基本上 采用將平面鏡進行平行設置，但該跟蹤系統中主要反射跟蹤技術，而且其主要采用玻璃平 面反射跟蹤，其采用的光熱轉化器采用普通的多金屬管系統，而且帶有二次反射系統，因而 其成本高、系統復雜。但是此種跟蹤僅限于應用于太陽能熱發電的應用，特別是其換熱器件 為金屬管的換熱管，這樣限制了此種跟蹤系統的應用領域和范圍。

發明內容
本發明的目的就是提供一種太陽能線性透鏡變焦跟蹤系統及應用，采用透鏡以及 熱管等光熱轉化器件，實現太陽能的跟蹤與利用；降低了成本，提高了效能。采用焦點成為 直線的各種太陽能透鏡，在進行跟蹤太陽的過程中，保持其焦距始終處于直線區域，同時在 太陽能跟蹤的過程中，太陽能光學鏡以直線焦線為軸進行運動，取代傳統的槽式太陽能熱 發電中以太陽能光學鏡的底線為軸的運動，保證焦線在太陽能跟蹤過程中始終保持不動即 與地面相對靜止；將熱管或者其他各種太陽能利用設備設置在焦線上，就可以實現太陽能 利用。本發明采用焦線不運動的結構設計，使得熱管可以被應用于系統傳熱，同時由于焦線不動，可以在焦線上設置其他太陽能利用設備，如太陽能光伏發電設備、斯特林發電機 等重量比較大的設備，可以采用小的驅動力就可以實現對太陽能跟蹤和驅動。本發明提供了其陣列結構，適合于小規模的系統，同時也適合于大規模的利用太 陽能，特別是太陽能的熱發電、供暖、烹飪、制冷等；本發明的技術方法，不僅適用于光學鏡和熱管，還可以適用于光學鏡和其他技術 方式的吸熱、傳熱、換熱；具體發明內容如下
一種太陽能線性透鏡變焦跟蹤系統及應用，至少有一個設置在一個圓柱區域的太 陽能利用設備、一個太陽能透鏡、一個跟蹤系統，其特征是太陽能利用設備設置在至少一 個透鏡的下面的焦線區域，每個透鏡上設置有一個轉軸，透鏡在跟蹤系統的驅動下可以沿 著轉軸運動，使得至少一個或多個透鏡共同聚焦于一個焦線區域，太陽能利用設備設置在 焦線區域內保持不動。所述跟蹤系統包括用于支撐透鏡并可以為透鏡的運動提供軌道的透鏡支架、用于 支撐整個系統的跟蹤支架、與驅動裝置連接使透鏡運動的動力傳輸裝置、以及為系統提供 動力驅動裝置。為了減少太陽能聚焦設備的運動空間和距離，對于同一個太陽能利用設備，采用 多個不同的太陽能聚焦設備實現對太陽能的跟蹤和聚焦；設置有多個弧或環形軌道(3)， 對于每一對弧或環形軌道上設置有一個太陽能聚焦裝置，多對太陽能聚焦裝置共同聚焦于 一個太陽能利用設備上，太陽能動力傳輸裝置設置驅動不同的太陽能聚焦裝置使其共同聚 焦與太陽能利用設備上。多個太陽能采集可以通過設置在動力傳送設備中齒輪的不同數量 來實現采用一個動力驅動設備如電機實現對不同的太陽能聚焦設備的驅動，也可以采用其 他的技術方案實現對聚焦于一個太陽能利用設備上的太陽能跟蹤，只要實現對太陽能的跟 蹤并保持將多個太陽能聚焦設備的焦線聚集于同一個太陽能利用設備上，都是本發明的范 圍。透鏡支架為直線型或非直線型，非直線的透鏡支架選擇下列至少一種形狀的器 件A、拋物線型；B、弧形；C、或圓形器件；D、多邊形支架；E、復合拋物線型。透鏡支架系統上設置有動力驅動裝置使得透鏡支架可以運動。太陽能線性聚焦光學鏡(2)以太陽能線性聚焦的焦線為軸跟蹤太陽轉動時，使太 陽能利用設備(1)處于焦線的圓柱體內并始終保持不動。所述動力傳輸機構選擇下列之一齒輪機構(10)、鏈條機構、渦輪蝸桿機構、鉸鏈 機構。所述動力傳輸裝置(10)設置在下列位置之一A、每個透鏡的轉軸上，通過軸提供動力驅動透鏡轉動；B、透鏡直線或非直線的器件上，驅動其運動；
C、透鏡邊框上，進而驅動太陽能透鏡運動。透鏡的焦線選擇下列方式之一進行放置與地球自轉軸平行、與地球自轉軸平行 夾角最小、與地面平行、與水平面平行。任何透鏡都可以用于本發明的太陽能鏡先聚焦，但是透鏡通常可以選擇下列一 種A、線性復合拋物面透鏡；B、線性菲涅爾透鏡；C、線性凹、凸透鏡；D、多鏡系統，由多個透鏡組成的拋物面、復合拋物面或多個菲涅爾透鏡組成的多 鏡系統，共同聚焦于一個焦線區域。由于線聚焦系統不動，可以將任何的太陽能利用設備設置在此區域內，甚至可以 將大重量的設備設置在焦線區域，在焦線與太陽能鏡的焦距范圍內，都可以設置太陽能利 用設備，根據溫度與空間等要求，可以選擇任何不大于焦距的范圍設置太陽能利用設備，通 常太陽能利用設備可以選擇自下列一種A、太陽能直接轉化為電能的太陽能設備；包括單晶硅、多晶硅、非晶硅、薄膜電池、 燃料電池等；B、將太陽能轉化為熱能的熱管或者在熱管外部設置有真空管系統并且與熱管進 行密閉連接的熱管真空管系統；熱管上設置有太陽能選擇涂層，可以將太陽能轉換為熱能， 特別是耐高溫的太陽能選擇涂層，同時在熱管上還可以設置翅片來增加轉換與換熱效率。C、將太陽能轉化為流體的熱能流體換熱器；或者在流體換熱器外部設置有真空管 系統并且與流體換熱器進行密閉連接的流體換熱器真空管系統。如將導熱油同入到一個金 屬管中，金屬管上設置有太陽能選擇涂層，可以將太陽能轉換為熱能，特別是耐高溫的太陽 能選擇涂層，同時在熱管上還可以設置翅片來增加轉換與換熱效率。D、太陽灶；可以直接的利用太陽灶實現太陽能中高溫的利用。E、將太陽能轉化為熱能并且通過熱能進行發電的設備，優選為斯特林發電機；F、太陽能干燥、裂解設備。任何被干燥的器件或被分離、裂解的物質。任何通過動力驅動系統(6)驅動動力傳輸機構，都可以用于本發明的太陽能跟 蹤，通常的動力傳輸機構選擇下列之一齒輪機構(10)、鏈條機構、蝸桿機構、鉸鏈。 可以采用不需要消耗電能的無電驅動機構，也可以采用消耗電能的耗電驅動機構 實現多系統的驅動，通常所采用的動力驅動系統裝置，選自下列之一A、機械驅動器件，優選為機械發條、彈簧、跟蹤；B、相變驅動裝置，采用密閉在一個空間的物質，隨著溫度的增大使其壓力的增大， 來推動運動機構，實現跟蹤；上述A、B兩種跟蹤不需要耗費電能，成為無電驅動；C、利用電能帶動電機或液壓裝置驅動動力傳輸機構來實現跟蹤；D、通過電或光的傳感器的信號，通過比較不同部位的太陽能轉化器件的電流、電壓值和/或光亮度值，由計算機或單片機來調整電機(6)的運動實現的跟蹤；上述C、D兩種跟蹤需要耗費電能，成為耗電驅動；至少有多個太陽能利用設備(1)設置、跟蹤系統、透鏡、支架系統組成的一個陣列，對同一排和/或同一列的太陽能利用設備，可以共用一個動力驅動設備，每個陣列可以 設置在一個共同的平臺上或設置在一個地面和/或建筑物的區域。由多個陣列組成一個系統，在每個陣列上設置多排、列太陽能利用設備(1)，每一 個陣列上的每排或列太陽能利用設備⑴通過熱管系統(9)和/或強制循環流動的流體進 行換熱或者直接利用，多個陣列之間通過熱管系統(9)和/或強制循環的流體進行換熱或 者直接利用。
在進行對太陽能的跟蹤過程中，可能出現跟蹤的誤差，或者部分的太陽光由于散 射等原因，經過第一次的太陽能光學鏡線聚焦后太陽光處于太陽能利用設備之外的區域， 為了減少此部分的損失，采用了二次聚焦，即在太陽能利用設備上設置一個二次聚焦的太 陽能鏡，將一次聚焦損失的太陽能光經二次聚焦后將太陽能光聚焦到太陽能利用設備上， 通常可以選擇至少下列一種二次聚焦光學鏡(8)A、線性復合拋物面反射鏡；B、線性菲涅爾透鏡或反射鏡；C、線性凹、凸透鏡；D、線性拋物面反射鏡；E、槽式多棱反射鏡。可以將二次聚焦光學鏡設置在太陽能利用設備上，與一次聚焦的太陽能鏡一起轉 動，這個樣一次和二次聚焦的太陽能鏡可以采用同一個跟蹤設備和驅動設備實現對太陽能 的二次聚焦，提高了太陽能利用的效率。由多個陣列組成一個系統，在每個陣列上設置多排、列太陽能利用設備(1)，每一 個陣列上的每排或列太陽能利用設備⑴通過熱管系統(9)和/或強制循環流動的流體進 行換熱或者直接利用，多個陣列之間通過熱管系統(9)和/或強制循環的流體進行換熱或 者直接利用；直接利用就是將太陽能利用設備設置在焦線上，或者通過熱管系統(9)和/或 強制循環流動的流體進行換熱，為實現熱發電等各種應用。本發明選擇的方案是實現本發明目的的優選方案，任何符合本發明的原理的方案 和技術、產品，都是本發明的保護范圍。此種跟蹤系統的優點為1、采用本發明公布的太陽能的跟蹤系統，可以實現多種太陽能利用設備的結合利 用，特別是將熱管技術完美的與透鏡光學鏡系統結合，便于太陽能的中高溫的綜合利用；2、可以便于實現陣列的太陽能的利用，實現不同的太陽能產品的高效的大規模的 利用；3、可以利用本發明的方案，實現高效的熱能采集及傳輸，減少了系統的采集及傳 輸熱損；4、本發明可以實現多種的太陽能利用，包括對大重量的設備的應用，克服了現有 的槽式系統的載重小、可靠性差、應用范圍有限的缺點。5、本發明的技術可以利用于實現建筑一體化的利用。


圖1 菲涅爾透鏡圓弧型單向跟蹤利用系統原理圖
圖2 菲涅爾透鏡平面型雙向跟蹤利用系統原理3 建筑物上的平面透鏡跟蹤利用系統側視中標號含義1 太陽能利用設備，2 透鏡，3 透鏡支架，4 跟蹤支架，5 轉軸，6 動力驅動裝置 (電機)，7 齒輪，8 二次太陽能反射鏡，9 動力傳輸系統，10 熱管傳熱系統；11、建筑物。
具體實施方式
實施例一菲涅爾透鏡圓弧型單向跟蹤利用系統如圖一所示，采用四個線型聚焦的菲涅爾透鏡，三個內插有熱管的玻璃真空管為 太陽能利用設備，在熱管上設置有太陽能選擇涂層，利用熱管將熱能進行傳遞和轉化，每個 菲涅爾透鏡上設置有一個轉軸，轉軸設置在一個圓弧器件上，菲涅爾透鏡可以沿著轉軸進 行運動，實現對太陽能的跟蹤，玻璃真空集熱管固定在建筑物頂部，整個系統設置在建筑物 的屋頂，實現太陽能利用以及建筑一體化的利用，在菲涅爾透鏡運行過程中真空集熱管保 持不動。實施例二 菲涅爾透鏡平面型雙向跟蹤利用系統如圖二所示，采用四個線型聚焦的菲涅爾透鏡，四個不銹鋼金屬管外部設置有玻 璃真空管，四個不銹鋼管的內部設置有導熱油，通過導熱油實現熱能的傳遞，在不銹鋼管上 設置有太陽能選擇涂層，每個菲涅爾透鏡上設置有一個轉軸，轉軸設置在一個平行的器件 上，菲涅爾透鏡可以沿著轉軸進行運動，每個轉軸上設置有一個渦輪蝸桿機構以及驅動電 機，驅動每個透鏡進行轉動，實現對太陽能的跟蹤；同時在四個跟蹤支架上設置有四個齒輪 機構，并有一個電機進行驅動，可以驅動透鏡平面支架進行平動，通過透鏡的轉動以及支架 的平動的雙向運動，實現對太陽能的跟蹤，玻璃真空集熱管固定在建筑物頂部，整個系統設 置在建筑物的屋頂，實現太陽能利用以及建筑一體化的利用，在菲涅爾透鏡運行過程中真 空集熱管保持不動。實施例三建筑物上的平面透鏡跟蹤利用系統如圖三所示，本圖為一個側視圖，太陽能鏡(2)為三個菲涅爾透鏡；太陽能利用設 備(1)為一個太陽能光伏與光熱綜合利用系統，單晶硅的太陽能電池板設置在真空管的內 部，同時還設置有一個熱管裝置為太陽能電池板提供散熱裝置，這樣既可以實現聚焦光伏 發電又可以實現熱水的利用，在單晶硅的真空管外部，還設置有二次反射板(8)，為單晶硅 提供二次的反射太陽能光；動力驅動裝置為一個電機(6)，在每個透鏡上設置有轉軸以及 電機，全部的系統設置在建筑物的屋頂，實現太陽能的光伏光熱綜合的利用。
權利要求
一種太陽能線性透鏡變焦跟蹤系統及應用，至少有一個設置在一個圓柱區域的太陽能利用設備、一個太陽能透鏡、一個跟蹤系統，其特征是太陽能利用設備設置在至少一個透鏡的下面的焦線區域，每個透鏡上設置有一個轉軸，透鏡在跟蹤系統的驅動下可以沿著轉軸運動，使得至少一個或多個透鏡共同聚焦于一個焦線區域，太陽能利用設備設置在焦線區域內并保持不動。
2.根據權利要求1所述的太陽能線性透鏡變焦跟蹤系統及應用，其特征是所述跟蹤 系統包括用于支撐透鏡并可以為透鏡的運動提供軌道的透鏡支架、用于支撐整個系統的跟 蹤支架、與驅動裝置連接使透鏡運動的動力傳輸裝置、以及為系統提供動力驅動裝置。
3.根據權利要求2所述的太陽能線性透鏡變焦跟蹤系統及應用，其特征是所述的透 鏡支架為直線型或非直線型，非直線的透鏡支架選擇下列至少一種形狀的器件A、拋物線型；B、弧形；C、或圓形器件；D、多邊形支架；E、復合拋物線型。
4.根據權利要求2所述的太陽能線性透鏡變焦跟蹤系統及應用，其特征是透鏡支架 系統上設置有動力驅動裝置使得透鏡支架可以運動。
5.根據權利要求1、2、3所述的太陽能線性透鏡變焦跟蹤系統及應用，其特征是所述 動力傳輸機構選擇下列之一齒輪機構(10)、鏈條機構、渦輪蝸桿機構、鉸鏈機構。
6.根據權利要求1、2、3所述的太陽能線性透鏡變焦跟蹤系統及應用，其特征是所述 動力傳輸裝置(10)設置在下列位置之一A、每個透鏡的轉軸上，通過軸提供動力驅動透鏡轉動；B、透鏡直線或非直線的器件上，驅動其運動；C、透鏡邊框上，進而驅動太陽能透鏡運動。
7.根據權利要求1、2、3所述的太陽能線性透鏡變焦跟蹤系統及應用，其特征是透鏡 的焦線選擇下列方式之一進行放置與地球自轉軸平行、與地球自轉軸平行夾角最小、與地 面平行、與水平面平行。
8.根據權利要求1、2所述的太陽能線性透鏡變焦跟蹤系統及應用，其特征是透鏡選 擇自下列一種A、線性復合拋物面透鏡；B、線性菲涅爾透鏡；C、線性凹、凸透鏡；D、多鏡系統，由多個透鏡組成的拋物面、復合拋物面或多個菲涅爾透鏡組成的多鏡系 統，共同聚焦于一個焦線區域。
9.根據權利要求1、2所述的太陽能線性透鏡變焦跟蹤系統及應用，其特征是太陽能 利用設備為至少下列一種A、太陽能直接轉化為電能的太陽能設備；B、將太陽能轉化為熱能的熱管，或者在熱管外部設置有真空管系統并且與熱管進行密 閉連接的熱管真空管系統；C、將太陽能轉化為流體的熱能流體換熱器；或者在流體換熱器外部設置有真空管系統 并且與流體換熱器進行密閉連接的流體換熱器真空管系統。D、太陽灶；E、將太陽能轉化為熱能并且通過熱能進行發電的設備；F、太陽能干燥、裂解設備。
10.根據權利要求1、2所述的太陽能線性透鏡變焦跟蹤系統及應用，其特征是所采用的動力驅動裝置，選自下列之一A、機械驅動器件；B、相變驅動裝置，采用密閉在一個空間的物質，隨著溫度的增大使其壓力的增大，來推 動運動機構，實現跟蹤；C、利用電能帶動電機或液壓裝置驅動動力傳輸機構(10)來實現跟蹤；D、通過電或光的傳感器的信號，通過比較不同部位的太陽能轉化器件的電流、電壓值 和/或光亮度值，由計算機或單片機來調整電機(6)的運動實現的跟蹤。
11.根據權利要求1、2所述的太陽能線性透鏡變焦跟蹤系統及應用，其特征是至少有 多個太陽能利用設備(1)設置、跟蹤系統、透鏡、支架系統組成的一個陣列，對同一排和/或 同一列的太陽能利用設備，可以共用一個動力驅動設備，每個陣列可以設置在一個共同的 平臺上或設置在一個地面和/或建筑物的區域。
12.根據權利要求10所述的太陽能線性透鏡變焦跟蹤系統及應用，其特征是由多個 陣列組成一個系統，在每個陣列上設置多排、列太陽能利用設備(1)，每一個陣列上的每排 或列太陽能利用設備(1)通過熱管系統(9)和/或強制循環流動的流體進行換熱或者直接 利用，多個陣列之間通過熱管系統(9)和/或強制循環的流體進行換熱或者直接利用。
全文摘要
本發明公布了一種太陽能線性透鏡變焦跟蹤系統及應用，本發明采用焦線不運動的結構設計，使得熱管可以被應用于系統傳熱，同時由于焦線不動，可以在焦線上設置其他太陽能利用設備，如太陽能光伏發電設備、斯特林發電機等重量比較大的設備，可以采用小的驅動力就可以實現對太陽能跟蹤和驅動。采用透鏡以及熱管等光熱轉化器件，實現太陽能的跟蹤與利用；降低了成本，提高了效能。采用焦點成為直線的各種太陽能透鏡，在進行跟蹤太陽的過程中，保持其焦距始終處于直線區域，同時在太陽能跟蹤的過程中，太陽能光學鏡以直線焦線為軸進行運動，取代傳統的槽式太陽能熱發電中以太陽能光學鏡的底線為軸的運動，保證焦線在太陽能跟蹤過程中始終保持不動即與地面相對靜止；將熱管或者其他各種太陽能利用設備設置在焦線上，就可以實現太陽能利用。本發明提供了其陣列結構，適合于小規模的系統，同時也適合于大規模的利用太陽能，特別是太陽能的熱發電、供暖、烹飪、制冷等。
文檔編號H02N6/00GK101846787SQ20091030105
公開日2010年9月29日 申請日期2009年3月23日 優先權日2009年3月23日
發明者李建民 申請人:北京智慧劍科技發展有限責任公司