[發明專利]一種基于旋轉棱鏡跟蹤的聚光集熱裝置及其方法

在審

• 申請號: 202110016675.5
• 申請日: 2021-01-07
• 公開（公告）號: CN112833568A
• 公開（公告）日: 2021-05-25
• 發明（設計）人: 王瑞林;周燃;錢煜;邢晨健;趙傳文
• 申請（專利權）人: 南京師范大學
• 主分類號: F24S23/00
• 分類號: F24S23/00;F24S23/71;F24S25/13;F24S30/425;F24S50/20
• 代理公司: 南京經緯專利商標代理有限公司 32200
• 代理人: 彭英

本發明屬于聚光太陽能技術領域，具體涉及一種基于旋轉棱鏡跟蹤的聚光集熱裝置及其方法，本裝置包括支撐底座、支撐鋼架、跟蹤棱鏡、旋轉跟蹤驅動裝置、拋物槽式聚光反射鏡和真空集熱管，所述支撐底座沿東西方向布置于工作面，所述支撐底座上裝有所述支撐鋼架；所述拋物槽式聚光反射鏡通過所述支撐鋼架進行固定，所述真空集熱管布置于所述拋物槽式聚光反射鏡焦線位置；所述旋轉跟蹤驅動裝置布置于所述跟蹤棱鏡端部，用于驅動跟蹤棱鏡軸向旋轉，跟蹤太陽光線。本發明避免了傳統拋物槽式聚光集熱大鏡面整體旋轉的問題，通過采用折射+反射的聚光跟蹤方法，在近零排間距條件下，無排間損失的高效跟蹤，實現在有限空間內高效聚光。

技術領域

本發明屬于聚光太陽能技術領域，具體涉及一種基于旋轉棱鏡跟蹤的聚光集熱裝置及其方法。

背景技術

目前，依靠化石能源滿足快速上漲的建筑能耗，帶來碳排放過多、化石能源緊缺等一系列環境問題。太陽能作為能源載體為建筑工業工藝加熱或熱驅動空調應用提供中溫段熱能溫度(100-400℃)有望解決建筑能耗過高問題。其中，拋物槽式聚光器在典型中溫段聚光集熱方式中技術相對成熟，目前已廣泛商業化應用。

在建筑集成聚光集熱裝置使用中存在以下缺陷，一方面建筑屋頂面積有限，槽式集熱裝置的鏡場在追日跟蹤中整體旋轉，排間距較大，同時在運轉中影響其余部件布置和運行，導致屋頂有限面積內太陽利用效率不高。另一方面，拋物槽式反射鏡安裝在巨大桁架上，追日跟蹤時增加支架應力，降低支架穩定性；對傳動和驅動裝置的靜載荷、沖擊載荷大，影響聚光效果；架構組件裝配精度要求高，加大安裝成本和運維難度。因此上述原因限制了建筑物屋頂等有限空間內集成拋物槽式聚光集熱裝置。

發明內容

本發明提供一種基于旋轉棱鏡跟蹤的聚光集熱裝置，滿足建筑能量需求，且能在建筑屋頂等有限空間內高效高參數收集太陽光來滿足中溫段熱量利用需求。

本發明解決其技術問題所采用的技術方案是：一種基于旋轉棱鏡跟蹤的聚光集熱裝置，包括支撐底座、支撐鋼架、跟蹤棱鏡、旋轉跟蹤驅動裝置、拋物槽式聚光反射鏡和真空集熱管，其中：

所述支撐底座沿東西方向布置于工作面，所述支撐底座上安裝有所述支撐鋼架；所述拋物槽式聚光反射鏡在所述支撐鋼架支撐下固定于所述支撐底座上；所述真空集熱管設置于所述拋物槽式聚光反射鏡焦線位置并固定在所述支撐鋼架上；所述跟蹤棱鏡安裝于所述拋物槽式反射鏡上方并固定在所述支撐鋼架上；所述跟蹤棱鏡一側安裝有用于驅動所述跟蹤棱鏡軸向旋轉始終跟蹤太陽光線的所述旋轉跟蹤驅動裝置。

作為本發明的進一步優選，所述拋物槽式聚光反射鏡是截取全拋物面槽式聚光反射鏡的部分開口寬度形成的半拋物面槽式聚光反射鏡。

作為本發明的進一步優選，還包括復合拋物面反射鏡，所述復合拋物面反射鏡貼附布置在所述真空集熱管上，且其開口方向與所述拋物槽式聚光反射鏡開口方向相對。

作為本發明的進一步優選，所述旋轉跟蹤驅動裝置包括步進電機和傾角傳感器，所述步進電機用于驅動所述跟蹤棱鏡，所述傾角傳感器用于感應所述跟蹤棱鏡旋轉角度。

作為本發明的進一步優選，所述跟蹤棱鏡與所述拋物槽式聚光反射鏡相互平行且東西方向長度一致。

還提供了一種基于旋轉棱鏡跟蹤的聚光集熱方法，具體步驟如下：

步驟一：將基于旋轉棱鏡跟蹤的聚光集熱裝置布置在工作面的東西方向，所述基于旋轉棱鏡跟蹤的聚光集熱裝置整體與水平面形成一定傾角并將所述跟蹤棱鏡的鏡面朝向正南；

步驟二：明確當地實時太陽方位角、高度角，根據入射光線在棱鏡內的傳遞規律，確定所述跟蹤棱鏡的預設跟蹤旋轉角；

步驟三：所述旋轉跟蹤驅動裝置開啟，所述步進電機驅動所述跟蹤棱鏡旋轉，所述傾角傳感器確知所述跟蹤棱鏡實際旋轉角度；兩者協同工作，確保所述跟蹤棱鏡旋轉角度等于預設跟蹤旋轉角；