CN103890500A - 包括定日镜和菲涅耳透镜的太阳能集中器 - Google Patents

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Abstract

本发明提出以下问题：使用定日镜的太阳能集中器每反射镜需要两个旋转轴用于跟随太阳，这意味着大量发动机和复杂机构的使用，因而成本增高。本发明提出的解决方案：一种包括平面反射镜（1）和第一旋转轴（4）的定日镜，所述第一旋转轴（4）与地球旋转轴平行地被布置。由反射镜（1）所反射的太阳辐射（8）持久地指向固定的菲涅耳透镜（9），所述菲涅耳透镜（9）垂直于第一旋转轴（4）并且其将太阳辐射（8）集中在固定的目标（10）上。一种太阳能场由根据所述特征的多个定日镜组成，并且其中由于被耦合到由单一发动机所致动的杆的机械链接（6），所有第一旋转轴（4）被旋转。这减少装置的总成本。

Description

包括定日镜和菲涅耳透镜的太阳能集中器
技术领域
本发明涉及太阳能集中器，并且更具体地涉及目标固定的太阳能集中器，如那些使用定日镜用于将太阳光集中在固定于塔顶的目标上的太阳能集中器，该目标可以是用于产生机械或热能的热传感器和/或用于产生电能的光伏传感器。
背景技术
使用定日镜的太阳能集中器的原理是每个定日镜使太阳辐射改变方向至固定目标，这在目标表面上引起光聚集，因而引起与定日镜数目成比例的辐射集中（concentration）。由于太阳按照高度和方位角这两个方向移动，所述定日镜通常具有两个旋转轴用于跟随太阳，因而各自有两个发动机，这是昂贵的并且增大维护需求。
已经已知一些特定设备（US 2006060188 A1；US 7192146 A1；US 5787878 A1），其使得能够利用单一发动机而使多个定日镜运动，这减少发动机数目并且因而减少装置的总成本。但定日镜的机械部分仍然是复杂并且昂贵的。
发明内容
发明目的
本发明的主要目的在于改进太阳能集中器并且提出一种使得能够解决上述复杂性和成本缺陷的结构。特别地，本发明的目的在于使得能够利用单一定日镜和将保持固定的目标而有高太阳能集中。
本发明的另一目的是提出一种太阳能集中器，其中每个定日镜将具有简化的旋转机构，这将需要减少数目的发动机，因而带来安装总成本上的节省。
发明概要
作为本发明的主题的基础设备包括定日镜，所述定日镜的反射镜是平面。该反射镜关于两个轴旋转，其中第一轴平行于地球旋转轴，因而指向极星，以及第二轴与第一轴垂直并且联结到第一轴上。在第一旋转轴的延长部分上布置菲涅耳透镜，所述菲涅耳透镜的表面垂直于该第一旋转轴并且被布置使得该轴穿过透镜中心。目标被置于所述菲涅耳透镜的焦距处。该目标是光伏元件和/或热传感器和/或热发动机或斯特林（Stirling）发动机或甚至是如氢催化剂的化学反应传感器。所述定日镜因而包含平面反射镜和平行于地球旋转轴的第一旋转轴和垂直于第一旋转轴的第二旋转轴。所述菲涅耳透镜是固定的，其焦距是线性或点状的，并且其表面中心的垂线与第一旋转轴成一条直线。所述目标可以被放置在所述菲涅耳透镜和其焦平面之间，但优选地被放置在透镜焦距处。
太阳的平行光线由定日镜的反射镜向菲涅耳透镜反射，所述菲涅耳透镜将所述平行光线集中在目标上。所述反射镜关于其第一轴转动，用于在太阳每小时的运动（mouvement horaire）中跟随太阳的移动。因而该反射镜在24小时中需要转一圈。所述反射镜关于其第二轴转动，用于在太阳每年的移动中跟随太阳。所述反射镜因而关于参考位置绕轴转动12度，所述参考位置是昼夜平分时的位置。该参考位置将反射镜的垂线置于关于太阳光线45°处。在夏至时，反射镜的垂线在关于太阳光线45°+12°=57°处，而在冬至时，反射镜的垂线在关于太阳光线的45°-12°=33°处。由于两个轴的旋转是缓慢的，可以通过延时的增量来进行旋转，例如对于第一轴每分钟0.25度和对于第二轴每星期大约0.9度。可以通过与发动机的机械耦合来执行关于第一轴的旋转。可以通过与发动机的机械耦合或通过手动操作来执行关于第二轴的旋转。发动机的电操控是有线（filaire）的或由无线链路远程控制的。
在特定实施例中，菲涅耳透镜被分解成多个菲涅耳透镜，所述多个菲涅耳透镜的形状、尺寸和焦距优选地是相同的。所述菲涅耳透镜将太阳辐射集中在被布置在所述透镜和其焦平面之间的多个目标上。
在集成了多个集中器的太阳能场（champ）的特定实施例中，诸如以上所描述的若干集中器在地面上被排成一条直线以便所有第一轴相互之间平行，并且包括滑轮或齿轮或蜗杆类型的机械部分，其中所有所述机械部分被机械耦合到连杆、尤其是将所有这些机械部分连接在一起的直杆，以便所有集中器的所有第一轴的旋转由对连杆起作用的单一发动机同时执行。
所述多个太阳能集中器构成太阳能场，其中反射镜的第一旋转轴相互之间都平行并且都通过连杆机械连接，所述连杆的移动使所述第一旋转轴同时旋转。
附图说明
现在借助于被编入索引的图1和2的描述来更详细地描述本发明。
图1是在正剖面视图上的太阳能集中器的原理图。
图2示出特定实施例，其中集中器包括三个菲涅耳透镜和三个同样的目标。
图3说明特定实施例，其中若干太阳能集中器由单一发动机操控。
具体实施方式
图1的太阳能集中器在平面反射镜（1）上接收太阳的平行光线（7）。所述反射镜（1）可以关于第一旋转轴（4）转动，所述第一旋转轴（4）平行于地球旋转轴，因而指向极星（5）。所述反射镜（1）可以关于第二旋转轴（3）转动，所述第二旋转轴（3）垂直于第一旋转轴（4）。所反射的光线（8）指向固定的菲涅耳透镜（9），所述菲涅耳透镜（9）将辐射向着被放置在所述透镜（9）和其焦平面之间的目标（10）集中。所述菲涅耳透镜（9）具有线性或点状焦距，穿过所述透镜中心的透镜垂直线在反射镜（1）的第一旋转轴（4）的延长部分上。
所述目标（10）是光伏元件和/或热传感器或热发动机或斯特林发动机或甚至是氢催化剂类型的化学传感器。在北半球中，反射镜（1）优选地位于北面并且菲涅耳透镜（9）位于南面。在南半球（未被说明的特定位置）中，所述反射镜优选地位于南面并且菲涅耳透镜位于北面。反射镜（1）关于第一旋转轴（4）的旋转使得能够在太阳每小时的运动中跟随太阳的运行，即24小时中转一圈。反射镜（1）关于第二旋转轴（3）的旋转使得能够在太阳每年的运动中跟随太阳，即当反射镜（1）的垂线与太阳光线（7）成45度角（a）时，自对应于夏或冬昼夜平分时的参考位置（在夏至时）向北12度和（在冬至时）向南12度的最大偏离（a）。于是，在夏至时，反射镜（1）的垂线关于太阳光线（7）成45°+12°=57°的角度（a），而在冬至时，反射镜的垂线关于太阳光线（7）成45°-12°=33°的角度（a）。
第一轴（4）的旋转可以通过耦合有线电操控的发动机（2）或被远程控制的发动机而被执行。第二轴（3）的旋转可以通过多个重复的角校正而被手动执行，所述多个重复的角校正对应于每星期0.9度的平均校正。所述第二轴也可以由有线电操控的发动机或被远程控制的发动机（未说明）操控。
图2示出特定实施例，其中基础模型（图1）的菲涅耳透镜（9）被分解成三个菲涅耳透镜（9a、9b、9c）。在该非限制性示例中，所述菲涅耳透镜在形状、尺寸和焦距上是相同的。所述菲涅耳透镜（9a、9b、9c）将太阳辐射（8）分别集中在优选地被置于每个透镜的焦平面处的目标（10a、10b、10c）上。
图3说明在东/西轴上将多个根据本发明的太阳能集中器排成一条直线的可能性，这可以被称为太阳能场，以便所有第一旋转轴是相互之间平行的并且都通过机械部分（6）而由杆（7）或螺纹杆连接，所述机械部分（6）可以是例如滑轮、齿轮或蜗杆。于是，在单一发动机（8）的作用下的杆（7）的移动或旋转使得能够旋转所有第一旋转轴，因而旋转反射镜（1）。在所述太阳能场中，菲涅耳透镜（9）和目标（10）保持固定。
现在描述根据本发明的太阳能集中器的具体实施示例。位于北纬42°处的太阳能场在该示例中由沿东/西方向被排成一条直线并且包括1m x1.50m的矩形反射镜（1）的10个定日镜构成。所述反射镜（1）在其背部被固定于第一旋转轴（4），所述第一旋转轴（4）指向极星（5），因而指向北/南方并且关于北地平线倾斜42°。第二旋转轴（3）垂直于第一轴（4）并且在3月21日或9月21日时使反射镜关于太阳光线倾斜45°。同心的并且由有机玻璃所制成的菲涅耳透镜（9）是正方形的并且边长1m。所述菲涅耳透镜（9）面向由反射镜（1）所反射的光线（8）而被布置，使得其表面中心的垂线在反射镜的第一旋转轴（4）的延长部分上。所述透镜的焦距等于1.2m。在所述透镜（9）的焦距处布置功率为250瓦特的斯特林发动机（10）的热传感器。第一旋转轴（4）的端部装备有直径为30cm的齿轮。10个定日镜的10个齿轮（6）由直径为15mm的螺纹杆（7）连接。通过位于所述杆（7）的端部之一处的旋转运动电动机（8）得到所述杆（7）关于其自身的旋转。该旋转使每个反射镜在24小时中转动一圈。通过被步进（pas à pas）远程控制并且被固定于反射镜后面的电动机来使每个反射镜的第二旋转轴（3）旋转。第二旋转轴（3）的移动由远程天文计算器编程，所述远程天文计算器根据太阳关于天球赤道的赤纬而为所述反射镜定向。该移动是非常微小的并且平均对应于每星期0.9度。所述被远程操控的发动机由被安置在反射镜后面的电池或超级电容器供电。由被连接在反射镜的一个端部处并且持久由太阳照亮的1瓦特光伏元件来完成所述电池或超级电容器的充电。在晴天时，太阳能功率是每m2的表面大约1000W。所述定日镜向菲涅耳透镜（9）发送回该功率，所述功率被集中在斯特林发动机的热传感器（10）上。由于发动机的效率是25%，发动机输出端的机械功率是250瓦特。使用被耦合到每个发动机的发电机，该机械功率被转换成电。由所述太阳能场所提供的总功率因而是2500瓦特。
本发明优点
最终，本发明实现所确定的目标。本发明利用保持固定的目标和用于使定日镜旋转的减少数目的发动机而特别地适合于高太阳能集中。对于跟随太阳所必要的机械部分的该简化因而减少装置的总成本。 

Claims (5)

1.一种太阳能集中器，其特征在于，其包括定日镜，所述定日镜的反射镜（1）是平面的并且所述定日镜的第一旋转轴（4）平行于地球旋转轴并且所述定日镜的第二旋转轴（3）垂直于第一旋转轴（4）；固定的菲涅耳透镜（9），其焦距是线性或点状的并且其中心处的垂线与第一旋转轴（4）成一条直线；和目标（10），所述目标被放置在所述菲涅耳透镜（9）和其焦平面之间。
2.根据权利要求1所述的太阳能集中器，其特征在于，所述菲涅耳透镜（9）由多个菲涅耳透镜（9a、9b、9c）构成，所述多个菲涅耳透镜（9a、9b、9c）将太阳辐射（8）分别集中在被放置在菲涅耳透镜（9a、9b、9c）和其焦平面之间的多个目标（10a、10b、10c）上。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的太阳能集中器，其特征在于，所述目标（10）或所述多个目标（10a、10b、10c）是光伏元件和/或热传感器，或者热或机械发动机，或者斯特林发动机，或者化学反应传感器。
4.根据前述权利要求中任一项所述的太阳能集中器，其特征在于，所述第一旋转轴（4）和/或所述第二旋转轴（3）由有线发动机或由被远程控制的发动机致动。
5.一种太阳能场，其特征在于，其包括多个根据权利要求1至4中任一项所述的太阳能集中器，其中第一旋转轴（4）相互之间都平行并且都由连杆（7）机械连接，通过发动机（8）的所述连杆（7）的移动或旋转使所述第一旋转轴（4）同时旋转。
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