CN102082195A - 自动跟踪双抛物面聚光发电供热系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自动跟踪双抛物面聚光发电供热系统，包括大抛物反射面和小抛物反射面，上述两个抛物面凹面相对且法向轴线在同一直线上，焦点或焦线重合；红外滤光片放置在两抛物面的焦点上或焦点附近；光伏电板固定在大抛物反射面的凹面底部；光伏电板和金属导热片相连，冷却金属细管紧贴在金属导热片上；光伏电板通过机械支承机构与东西向转轴及南北向转轴连接；在小抛物反射面前设置一个迎光探测器，其球心轴线与抛物面轴线平行，迎光探测器与控制器连接，控制器与控制东西转轴和南北转轴转动的执行电机连接。本发明结构合理，解决了现有太阳光跟踪系统，干扰多、精度低、稳定性差的问题，减少了检测误差，提高跟踪精度和稳定性。

Description

自动跟踪双抛物面聚光发电供热系统

技术领域：

本发明涉及太阳能利用、传感采集和太阳跟踪技术等领域，具体是涉及发电和热利用的一种太阳能发电供热系统。

背景技术：

新能源是二十一世纪世界经济发展最具决定力的技术领域之一，太阳能发电不产生任何废弃物，无污染，无噪声，对环境无不良影响，是理想的清洁能源，2007年11月厦门大学的许志龙硕士在硕士论文《蝶式光伏发电聚光器研制》中提到安装1kW太阳能光伏发电系统，与化石燃料发电相比，每年可以减少CO₂排放量6002300kg，NO₂排放量16kg，SO₂排放量9kg和微粒0.6kg，聚光发电的推广，大大减轻了环境的污染。

各国政府都将太阳能资源利用作为国家可持续发展战略的重要内容，光伏发电具有广阔的应用前景。但太阳辐射密度低、光伏电池昂贵等导致光伏发电系统的成本居高不下，聚光光伏发电以廉价的聚光材料替代昂贵的光伏电板，是解决该问题的一种有效方法。

现有的聚光太阳能光伏发电大多直接通过凸透镜或菲涅耳透镜以及反折射镜来聚光，会聚的太阳光不均匀地投射到光伏电板上，很容易使光伏电板局部受热损坏，当聚光比较高时，光伏电板产热非常严重，很大程度上制约着聚光光伏发电产业的发展，目前也有一些新型的聚光技术，但也有一些不足，如专利申请号为200620070287.6的“蝶形反射聚光光伏发电系统”采用碟式聚光可以让会聚的太阳光均匀的射到光伏电板上，但此种方法聚光比受到很大限制，其聚光比为2-18倍。

可产生光伏效应的太阳辐射波长范围在0.4-1.1um，其它波长的太阳辐射照射在太阳能电池板上只转化为热能，使光伏电板的温度升高，降低光电转换效率，缩短了光伏电板的寿命。专利申请号为200610088176.2的“可自散热的太阳能聚集型光伏发电装置”虽然滤去了红外线，但滤光片的形状为抛物面形，加工比较困难，用量大，经济成本较高。

大部分聚光发电装置需要跟踪太阳，而太阳跟踪技术始终是一大难题，现有的光检测跟踪技术主要有位置传感检测器PSD技术、CCD技术，普遍较复杂，易受阴云、灰尘等外界环境的影响，而且成本较高，《2008年中国太阳能光伏发电产业分析及投资咨询报告》指出每个千瓦的聚光发电系统的跟踪成本约为1.6万元。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种结构合理，工作性能好，光电板使用寿命长的自动跟踪双抛物面聚光发电供热系统。

本发明的技术解决方案是：

一种自动跟踪双抛物面聚光发电供热系统，其特征是：包括大抛物反射面和小抛物反射面，上述两个抛物面凹面相对且法向轴线在同一直线上，焦点或焦线重合；红外滤光片放置在两抛物面的焦点上或焦点附近；光伏电板固定在大抛物反射面的凹面底部；光伏电板和金属导热片相连，冷却金属细管紧贴在金属导热片上；光伏电板通过机械支承机构与东西向转轴及南北向转轴连接；在小抛物反射面前设置一个迎光探测器，其球心轴线与抛物面法向轴线平行，迎光探测器与控制器连接，控制器与控制东西转轴和南北转轴转动的执行电机连接。

大抛物反射面和小抛物反射面为金属抛光面或涂反射层的面。

冷却金属细管的进水端与冷却水进水管连接，冷却水进水管与浮子水箱连接；冷却金属细管的出水端与热水出管连接，热水出管与储热水箱连接，在冷却金属细管的出水端设置温控阀门。

迎光探测器为不透明球体或半球体，其球心轴线与所述两抛物面的法向轴线平行，在其球心轴线与球面相交点上开一个小孔，为光线入口，在小孔对侧的内部表面均匀地放置光照度传感器阵列；迎光探测器光线入口用硬质不亲水的透明材料覆盖，光线入口旁侧设有电动刮雨刷；电动刮雨刷与控制器连接，按控制器指令动作；所述光照度传感器阵列包括位于迎光探测器轴线上的迎光对准检测光照度传感器阵列和位于偏离迎光探测器轴线的位置上的光偏差检测光照度传感器阵列。

红外滤光片为反射型滤光片，其形状为矩形，面积大于焦点、小于小抛物面，保证经大抛物面反射的光都能通过滤光片。

大、小抛物面为槽式抛物面或盘式抛物面。

控制器具有无线通讯接口，通过该接口，与进行实时监视和控制的远程计算机连接。

光照度传感器阵列中各光照度传感器节点因受太阳光照度的不同，而形成各节点电信号之间的差异，经控制器处理后，得到抛物面迎光的偏差角度控制信号量，并以此用来驱动执行电机带动东西向和南北向伺服控制转轴转动来跟踪太阳。若检测到迎光探测器中，与小孔正对面的光照度传感器节点的电信号明显异于其他光照度传感器节点，则代表抛物面迎光(跟踪太阳)成功，驱动执行电机停止转动。若控制器检测到光照度传感器阵列中任何一个光照度传感器节点的电信号均小于设定值，则表明外界环境为黑夜，执行电机停止跟踪运行。

抛物面的法向轴线对准太阳后，平行于抛物面法向轴线的太阳光经大抛物反射面反射后聚集在一点(或焦线)，并通过抛物反射面焦点附件的红外滤光片，滤去了绝大部分红外线，通过滤光片的太阳光因过小抛物面的焦点，经小抛物反射面后变为会聚平行的太阳光，均匀地投射到光伏电板上，光伏电板所发的电通过电线引出，既可处理后直接使用，也可储存在蓄电池中或并网使用。光伏电板产生的热量，被金属散热片上的金属细管内的水吸收，当细管内的水达到一定的温度，被温度传感器检测到时，温控阀门会自动开关，热水流入储热水箱中，供生活和生产使用。

为了节约电能，带动东西向和南北向转轴转动来跟踪太阳的执行电机选用带自锁功能的伺服电机，即在电机加电时可以运转，在电机断电时转轴自锁以保持原位。

为了避免执行电机频繁地启动运转以精确跟踪太阳光，以及因外界强光对迎光探测器的瞬时干扰，控制器增设模糊智能决策功能组件，该功能组件允许一定的迎光角度偏差和电机启动间隔时间，并用逻辑判别的思想剔除外界瞬时强光对迎光探测器的干扰，以及合理地启动迎光探测器上电动刮雨刷的动作。

为了增强系统的可操作性，本装置控制器增配有无线数据通讯接口。通过此接口，操作人员可以通过远程无线通讯的方式，在远程计算机上获取本装置安装现场的实时控制、运行姿态和发电参数，也可利用远程计算机向控制器发送控制参数(如模糊智能决策逻辑规则，允许迎光角度偏差和各种阀值参数等)和控制命令(如停机、复位、强制定位和电动刮雨刷动作等)，以方便操作人员对本装置的实时监控和安装调试。

与现有技术相比本发明的优点在于：

(1)独特、合理的封闭型球体或半球体状太阳光迎光探测器检测结构和检测技术，减少了光检测的外部干扰，降低人工维护工作量，提高跟踪精度和稳定性；

(2)全新的聚光原理，在提高聚光度的同时，能保证聚集的太阳光均匀地射到光伏电板上，延长电池的使用寿命；

(3)合理的滤红外线原理，在提高散热效果的同时，减少滤光片的用量，节约成本。

(4)自锁电机和模糊智能控制高效节电，降低跟踪功耗，剔除外界干扰。

(5)具有无线通讯接口的控制器，增加了装置运行的可控性和柔性，降低了人工现场维护的劳动成本。

附图说明：

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1是本发明的基本结构示图。

图2(包括图2a、图2b)是本发明的两种迎光探测器的基本结构示图。

图3是本发明的跟踪系统的工作原理示图。

图4是本发明的滤红外线原理示图。

图5是本发明的冷却供热装置的基本结构和工作原理示意图。

图1序号说明

1-迎光探测器，2-小抛物反射面，3-红外滤光片，4-太阳光，5-浮子冷水箱，6-大抛物反射面，7-光伏发电板，8-金属导热片，9-冷却水进水管，10-东西向伺服控制转轴，11-两抛物面的公共法向轴线，12、13-光伏电板引出线的正负极，14、15-机械支承机构16-热水出水管，17-储热水箱，18-南北向伺服控制转轴

图2序号说明

1.1-太阳光，1.2-入射光透光孔及透明覆盖物，1.3-不透光的球面，1.4-光偏差检测光照度传感器阵列，1.5-迎光对准检测光照度传感器阵列，1.6-迎光探测器球心轴线，1.7-电动刮雨刷

图4序号说明

3-红外滤光片，3.1-大抛物面的反射光，3.2-红外线，3.3-滤去红外线后的光，3.4-两抛物面的公共焦点。

图5序号说明

8-金属导热片，8.1-自来水入口，8.2-浮子开关，8.3-冷却金属细管，8.4-温控阀门，8.5-储热水箱出口

具体实施方式：

一种自动跟踪双抛物面聚光发电供热系统，包括大抛物反射面6和小抛物反射面2，上述两个抛物面凹面相对且轴线在同一直线11上，焦点或焦线重合；红外滤光片3放置在两抛物面的焦点上或焦点附近；光伏电板7固定在大抛物反射面的凹面底部；光伏电板和金属导热片8相连，冷却金属细管8.3紧贴在金属导热片8上；光伏电板通过机械支承机构14、15与东西向转轴19及南北向转轴20连接；在小抛物反射面前设置一个迎光探测器1，其球心轴线与抛物面轴线平行，迎光探测器的迎光角度传感器检测电路24与控制器21连接，控制器与控制东西转轴和南北转轴转动的执行电机22、23连接。

大抛物反射面和小抛物反射面为金属抛光面或涂反射层的面。

冷却金属细管的进水端与冷却水进水管9连接，冷却水进水管与浮子冷水箱5连接；冷却金属细管的出水端与热水出水管16连接，热水出水管与储热水箱17连接，在冷却金属细管的出水端设置温控阀门8.4。

迎光探测器为不透明球体或半球体，其球心轴线与所述两抛物面的法向轴线平行，在其球心轴线与球面相交点上开一个小孔，为光线入口，在小孔对侧的内部表面均匀地放置光照度传感器阵列；迎光探测器光线入口用硬质不亲水的透明材料覆盖，光线入口旁侧设有电动刮雨刷1.7；电动刮雨刷与控制器21连接；所述光照度传感器阵列包括位于迎光探测器轴线上的迎光对准检测光照度传感器阵列1.5和位于偏离迎光探测器轴线的位置上的光偏差检测光照度传感器阵列1.4。

红外滤光片3为反射型滤光片，其形状为矩形，面积大于焦点、小于小抛物面，保证经大抛物面反射的光都能通过滤光片。

大、小抛物面为槽式抛物面或盘式抛物面。

控制器具有无线通讯接口，通过该接口，与进行实时监视和控制的远程计算机连接。

本发明的工作原理是：

跟踪原理：结合图2和图3，迎光探测器的球心轴线1.6与两抛物面的法向轴线11平行，且东西放置，当入射光平行(重合)于迎光探测器的球心轴线1.6时，表明本装置对准了太阳，此时迎光对准检测光照度传感器阵列1.5被入射光直射，这些在阵列1.5上的光照度传感器节点的电信号会明显异于其他光照度传感器节点。本装置未对准太阳时，光偏差检测传感器阵列1.4被入射光直射，这些在阵列1.4上的光照度传感器节点的电信号会明显异于其他光照度传感器节点。控制器利用阵列1.4与阵列1.5间的位置差异，计算出东西向和南北向的迎光偏差角度，用来驱动执行电机，带动东西向伺服控制转轴10和南北向伺服控制转轴18转动，从而调节抛物面的方向，直到迎光对准检测光照度传感器阵列1.5被入射光直射时为止，此时本装置对准了太阳。若控制器检测到迎光探测器中任何一个光照度传感器节点的电信号均小于一定的阀值信号，则表明外界环境为黑夜(或不适于发电)，此时无需驱动执行电机运转。总之控制器会根据迎光探测器反应出的迎光偏差角度信号，适时地调节机电伺服运动装置，使两抛物面跟踪太阳光。

聚光原理：结合图1，抛物面的轴线11对准太阳后，平行于抛物面轴线的太阳光4经大抛物反射面6反射后聚集在一点(或一线)，并通过红外滤光片3，滤去了绝大部分红外线，通过滤光片的太阳光因过小抛物面2的焦点，经小抛物反射面2反射后变为会聚平行的太阳光，均匀地投射到光伏电板7上，光伏电板所发的电通过电线12、13引出，既可处理后直接使用，也可储存在蓄电池中或并网使用。

滤红外线原理：结合图4，红外滤光片放置在两抛物面的焦点上或焦点前后附近，大抛物面的反射光3.1经过红外滤光片，红外线3.2被发散地反射了，不会射到光伏电板上，另一部分不含红外线的光3.2透射过红外滤光片。

冷却原理：结合图5，光伏电板7产生的热量，被金属导热片8上的金属细管8.3内的水吸收，当细管内的水温达到一定的温度，被温度传感器检测到时，温控阀门8.4会自动打开，热水流入储热水箱17中，供生活和生产使用。同时，冷水通过冷却水进水管9再次流入到金属细管8.3内。当细管内的水温回落到一定的温度，被温度传感器检测到时，温控阀门8.4会自动关闭，水流停止，达到对光伏电板7的冷却作用。

节电与抗干扰原理：带动东西向和南北向伺服控制转轴转动来跟踪太阳的执行电机选用带自锁功能的伺服电机，即在电机加电时可以运转，在电机断电时转轴自锁以保持原位，以节省跟踪太阳过程中的电能。系统控制器设有模糊智能决策功能组件，该功能组件允许一定的迎光角度偏差和太阳光跟踪启动间隔时间，以避免执行电机频繁的启动；并用逻辑判别的思想剔除外界瞬时强光对迎光探测器的干扰，以及合理地启动迎光探测器上电动刮雨刷的动作，以提高抗扰动性能。

无线通讯接口设计原理：无线通讯接口可优选低成本单片射频集成电路CC10xx或同类芯片(如nRF24xx)作为收发通信芯片，其可视传输距离达千米以上；远程计算机优选虚拟仪器软件(如LabVIEW8.2软件)或其他组态及通用编程软件编制本装置的监测与控制应用软件；优选地，将本装置控制器设置为从模式并分配唯一指定的接收数码地址编号，将远程计算机设置为主模式；本装置控制器预先将装置的各种控制参数和姿态参数放置在自己的内存中，并保持实时更新；当远程计算机通过无线通讯发来指令时，本装置控制器首先匹配地址，若地址匹配成功，则进一步分析指令的语义和附带的参数，进而按此指令要求进行程序跳转执行，完成包括：模糊智能决策逻辑规则参数调整，允许迎光角度偏差值调整，光照度阀值调整，温控阀值参数调整，电动刮雨刷动作间隔时间调整，装置发电量、姿态、水温等参数上传，以及执行如停机、复位、强制定位和电动刮雨刷动作等控制命令。

Claims (7)

1.一种自动跟踪双抛物面聚光发电供热系统，其特征是：包括大抛物反射面和小抛物反射面，上述两个抛物面凹面相对且法向轴线在同一直线上，焦点或焦线重合；红外滤光片放置在两抛物面的焦点上或焦点附近；光伏电板固定在大抛物反射面的凹面底部；光伏电板和金属导热片相连，冷却金属细管紧贴在金属导热片上；光伏电板通过机械支承机构与东西向转轴及南北向转轴连接；在小抛物反射面前设置一个迎光探测器，其球心轴线与抛物面法向轴线平行，迎光探测器与控制器连接，控制器与控制东西向转轴和南北向转轴转动的执行电机连接。

2.根据权利要求1所述的自动跟踪双抛物面聚光发电供热系统，其特征是：大抛物反射面和小抛物反射面为金属抛光面或涂反射层的面。

3.根据权利要求1或2所述的自动跟踪双抛物面聚光发电供热系统，其特征是：冷却金属细管的进水端与冷却水进水管连接，冷却水进水管与浮子水箱连接；冷却金属细管的出水端与热水出管连接，热水出管与储热水箱连接，在冷却金属细管的出水端设置温控阀门。

4.根据权利要求1或2所述的自动跟踪双抛物面聚光发电供热系统，其特征是：迎光探测器为不透明球体或半球体，其球心轴线与所述两抛物面的法向轴线平行，在其球心轴线与球面相交点上开一个小孔，为光线入口，在小孔对侧的内部表面均匀地放置光照度传感器阵列；迎光探测器光线入口用硬质不亲水的透明材料覆盖，光线入口旁侧设有电动刮雨刷；所述光照度传感器阵列包括位于迎光探测器球心轴线上的迎光对准检测光照度传感器阵列和位于偏离迎光探测器轴线的位置上的光偏差检测光照度传感器阵列。

5.根据权利要求1或2所述的自动跟踪双抛物面聚光发电供热系统，其特征是：红外滤光片为反射型滤光片，其形状为矩形，面积大于焦点、小于小抛物面，保证经大抛物面反射的光都能通过滤光片。

6.根据权利要求1或2所述的自动跟踪双抛物面聚光发电供热系统，其特征是：大、小抛物面为槽式抛物面或盘式抛物面。

7.根据权利要求1或2所述的自动跟踪双抛物面聚光发电供热系统，其特征是：控制器具有无线通讯接口，通过该接口，与进行实时监视和控制的远程计算机连接。

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