穹式聚焦集热器及穹式太阳能热电系统

摘要

本发明公开了一种穹式聚焦集热器，包括：由多块菲涅尔透镜组成的抛物面状穹顶；所述穹顶的开口朝向地面。本发明还公开了一种穹式太阳能热电系统，该系统包括：上述的穹式聚焦集热器、外燃机和发电机；所述外燃机的加热器位于所述穹顶的焦点范围内；所述外燃机与所述发电机相连，用于带动所述发电机发电。本发明的这种穹式聚焦集热器及穹式太阳能热电系统，结构简单，成本低。

说明书

技术领域

本发明涉及太阳能发电技术领域，特别涉及一种穹式聚焦集热器及穹式 太阳能热电系统。

背景技术

目前，在利用太阳能进行发电的太阳能热电领域中，碟式斯特林发动机 太阳能热电系统是一种效率较高的系统，例如公开号CN102192114的中国专 利。这种碟式斯特林发动机太阳能热电系统的主要特征是其聚光集热器采用 碟式盘状抛物面镜作为聚焦集热器，外形类似大型抛物面雷达天线，斯特林 发动机置于盘状抛物面聚焦集热器的焦点处，斯特林发动机的加热器受热， 使斯特林发动机工作并带动其连接的发电机发电。其中，碟式盘状抛物面镜 是一种反射式聚焦集热器，其聚光比比较高，因此可以产生非常高的温度。

但碟式斯特林发动机太阳能热电系统的反射聚焦原理使得该系统必须 将斯特林发动机托举到碟式抛物面镜的焦点处，而且聚焦集热器连同斯特林 发动机需要一起跟踪太阳光，这就需要为其设计庞大且复杂的调整运动机构， 以带动整个系统跟踪太阳，从而导致碟式斯特林太阳能热电系统的整体结构 庞大且复杂，成本高昂；受占地和成本限制，很难形成规模，因此碟式斯特 林发动机太阳能热电系统，目前只应用于小型化电力生产（一般低于30KW）， 推广难度很大，应用范围很窄。

发明内容

本发明实施例提供了一种穹式聚焦集热器及穹式太阳能热电系统，结构 简单，成本低。

为达上述目的，本发明实施例的技术方案具体是这样实现的：

一种穹式聚焦集热器，包括：由多块菲涅尔透镜组成的抛物面状穹顶；

所述穹顶的开口朝向地面。

优选地，所述菲涅尔透镜为菲涅尔点聚光透镜或菲涅尔线聚光透镜。

优选地，所述菲涅尔点聚光透镜上还设置有点聚焦镜伺服器。

一种穹式太阳能热电系统，该系统包括：

外燃机、发电机和权利要求1至3中任一项权利要求所述的穹式聚焦集 热器；

所述外燃机的加热器位于所述穹顶的焦点范围内；

所述外燃机与所述发电机相连，用于带动所述发电机发电。

优选地，该系统进一步包括：聚焦器支架、阳光跟踪器和跟踪控制器；

所述穹式聚焦集热器架设于所述聚焦器支架上；

所述阳光跟踪器设置于所述聚焦器支架上，所述跟踪控制器与所述阳光 跟踪器相连。

优选地，该系统进一步包括：

储热器，热置换器和地下保温室；

所述外燃机置于地面上，所述储热器置于所述地下保温室内，所述储热 器上部放置所述热置换器，所述储热器除上部受热面外，其余部分置于所述 保温室内；

所述热置换器位于所述穹式聚焦集热器的焦点范围内。

优选地，所述外燃机为活塞式外燃机或涡轮式外燃机。

优选地，所述外燃机包括：

外燃机加热器，外燃机冷却器，外燃机热腔，热腔活塞，热腔活塞连杆， 外燃机曲轴，外燃机曲轴箱，冷腔活塞连杆，冷腔活塞，外燃机冷腔；

所述热腔活塞设于所述外燃机热腔内，并通过所述热腔活塞连杆与设置 在所述外燃机曲轴箱内的所述外燃机曲轴连接；

所述冷腔活塞设于所述外燃机冷腔内，并通过所述冷腔活塞连杆与设置 在所述外燃机曲轴箱内的所述外燃机曲轴连接；

所述外燃机加热器和所述外燃机冷却器之间通过逆流换热式回流器连 接；所述外燃机冷却器和所述外燃机之间通过外燃机冷工质回路连接；

所述外燃机还通过外燃机热工质回路和所述外燃机加热器连接。

优选地，所述外燃机冷却器上还设有冷却器上隔热板和冷却器下隔热 板。

优选地，该系统包括：

两个所述穹式聚焦集热器。

由上述技术方案可见，本发明的这种穹式聚焦集热器及穹式太阳能热电系 统，采用了完全不同的聚光集热原理，改原有的镜面反射为透镜透射，将多块 菲涅尔透镜组成穹顶，该穹顶的开口朝向地面，而不是现有的碟式抛物面镜的 开口需要朝向太阳。由于穹顶开口朝向地面，其焦点位置位于穹顶开口内，因 此可以将用于带动发电机的外燃机直接固定设置于穹顶开口内，因此整个系统 无需设计托举外燃机的支撑机构，使得太阳能热电系统的整体结构更加简单、 成本得以降低，占地面积也可以缩小，利于大规模使用和推广，容易实现大型 产业化。

另外，本发明的这种穹式聚焦集热器及穹式太阳能热电系统其聚光比和光 热转换率大于传统采用碟式抛物面镜集热器的斯特林太阳热电系统。

另外，通过进一步设置阳光跟踪器和跟踪控制器，可以实现阳光跟踪功能。

而通过进一步设置储热器、热置换器和地下保温室，则可以实现热能的储 存和补偿，使得本发明的太阳能热电系统能够24小时不间断运行，解决了碟 式斯特林系统以及所有太阳能外燃机系统只能间歇性发电的难题。

附图说明

图1为本发明实施例的点聚焦器结构示意图。

图2为本发明实施例的线聚焦器结构示意图。

图3为本发明实施例的采用点聚焦器的太阳能热电系统结构示意图。

图4为本发明实施例的采用线聚焦器的太阳能热电系统结构示意图。

图5为本发明实施例的同时采用点聚焦器和线聚焦器的太阳能热电系统 运行线路示意图。

1-压力泵，2-闸阀，3-地下保温室，4-储热器安全阀，5-储热器检视口， 6-储热器温度计，7-菲涅尔点聚焦器，8-点聚焦器阳光跟踪器，9-菲涅尔点聚 光透镜，10-点聚焦器支架，11-点聚焦镜伺服器，12-点聚焦器跟踪控制器， 13-储热器，14-储热器保温层，15-储热工质热置换器，16-菲涅尔线聚焦器， 17-菲涅尔线聚光透镜，18-热置换器受热器，19-储热工质，20外燃机，21- 储热器温度控制阀，22-热工质一次回路电控阀，23-热工质一次回路，24-外 燃机温度控制阀，25-热工质二次回路，26-热工质二次回路电控阀，27-热工 质二次回路自动补偿器，28-冷凝器，29-冷凝器电控阀，30-冷凝器回路，31- 外燃机加热器，32-逆流换热式回流器，33-外燃机冷却器，34-外燃机冷工质 回路，35-储热器减压阀，36-储热器热工质回路，37-外燃机热工质回路，38- 外燃机热腔，39-热腔活塞，40-热腔活塞连杆，41-外燃机曲轴，42-外燃机曲 轴箱，43-冷腔活塞连杆，44-冷腔活塞，45-外燃机冷腔，46-联轴器，47-发 电机，48-储热器调节阀，49-冷却器上隔热板，50-冷却器下隔热板，51-线聚 焦器支架，52-线聚焦器阳光跟踪器，53-线聚焦器跟踪控制器，54-避雷器， 55-地面。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实 施例，对本发明进一步详细说明。

本发明实施例对太阳能热电系统的聚焦集热器进行了改进，采用了完全不 同的聚光集热原理，改原有的镜面反射为透镜透射，即将多块菲涅尔透镜组成 抛物面状穹顶，该抛物面状穹顶的开口朝向地面，而不是现有的碟式抛物面镜 的开口需要朝向太阳。本发明实施例的聚焦集热器跟踪太阳时只需调整组成该 穹顶的菲涅尔透镜的角度，穹顶整体无需运动，而且由于穹顶开口朝向地面， 其焦点位置位于穹顶开口内，因此可以将用于带动发电机的外燃机直接设置于 穹顶开口内的地面上，因此整个系统无需设计托举外燃机，以及调整聚焦集热 器位置的大型复杂的调整运动机构，使得太阳能热电系统的整体结构更加简单、 成本得以降低。

另外其他改进请见下文描述。

根据选用的菲涅尔透镜的种类不同，本发明实施例的穹式聚焦集热器具体 举例如图1、2所示，包括：

一、采用点聚焦菲涅尔透镜的菲涅尔点聚焦器。

如图1所示，菲涅尔点聚焦器7包括：多块菲涅尔点聚光透镜9组成的阵 列，该阵列形成抛物面状穹顶，该抛物面状穹顶的抛物面口朝下。

另外，为了实现菲涅尔点聚光透镜9的朝向调整，所述菲涅尔点聚光透镜9 上还可以进一步设置点聚焦镜伺服器11，用以对菲涅尔点聚光透镜9的方向和 角度调整。

二、采用线聚焦菲涅尔透镜的菲涅尔线聚焦器。

如图2所示，菲涅尔线聚焦器16包括：多块菲涅尔线聚光透镜17组成的 阵列，该阵列形成抛物面状穹顶，该抛物面状穹顶的抛物面口朝下。

采用不同的聚焦集热器，实现的太阳能热电系统举例如下：

一、采用菲涅尔点聚焦器的太阳能热电系统

如图3所示，多块菲涅尔点聚光透镜9组成的菲涅尔点聚焦器7架设在点 聚焦器支架10上，自上而下对外燃机20上设置的加热器31和外燃机20的热 腔38进行聚光集热。外燃机20置于地面55上与外燃机20连接的加热器31置 于菲涅尔点聚焦器7的焦点范围内。

菲涅尔点聚焦器7通过菲涅尔点聚光透镜9聚焦太阳光，向外燃机加热器 31聚焦集热，加热器31向外燃机热腔38提供符合工作条件的膨胀工质，推动 热腔活塞39；同时，冷凝器28向外燃机冷却器33制冷，冷却器33和外燃机冷 腔45中的工质被冷却压缩，拉动冷腔活塞44；工质在热腔和冷腔中膨胀冷缩， 完成热力学循环，推动热腔和冷腔中活塞往返运动做功，带动发电机47发电。

其中，外燃机20可以采用活塞式或涡轮式等现有任意结构的外燃机，图3 中给出了一个例子，其具体结构包括：

外燃机加热器31，外燃机冷却器33，外燃机热腔38，热腔活塞39，热腔 活塞连杆40，外燃机曲轴41，外燃机曲轴箱42，冷腔活塞连杆43，冷腔活塞 44，外燃机冷腔45。

热腔活塞39设于外燃机热腔38内，并通过热腔活塞连杆40与设置在外燃 机曲轴箱42内的外燃机曲轴41连接；

冷腔活塞44设于外燃机冷腔45内，并通过冷腔活塞连杆43与设置在外燃 机曲轴箱42内的外燃机曲轴41连接；

外燃机加热器31和外燃机冷却器33之间通过逆流换热式回流器32连接； 外燃机冷却器33和外燃机20之间通过外燃机冷工质回路34连接；另外，外燃 机20还通过外燃机热工质回路37和外燃机加热器31连接，构成工质（如水、 油、气体等）的循环回路。

此外，外燃机冷却器33上还可以设有冷却器上隔热板49和冷却器下隔热 板50，以减少阳光和热量对于冷却器的影响，提升外燃机冷却器33的冷却效率。

另外，进一步地，还可以设置跟踪器8和控制器12组成太阳光自动跟踪系 统，使菲涅尔点聚焦器7能最大限度地接收太阳光。

再有，如图3中所示，为了实现在无光或夜晚时也能实现发电，还可以进 一步增加储热器13，储热器13置于地下，储热器13上部放置储热工质热置换 器15，储热器13除上部受热面外，均置于地面55以下的保温室3的保温层14 中。

菲涅尔点聚焦器7通过点聚光透镜9聚焦太阳光，向外燃机加热器31受光 面聚焦集热的同时，菲涅尔点聚焦器7也对热置换器15上部设置的热置换器受 热器18辅助加热，从而将保温室3内的储热工质19加热。无阳光时，储热器 13上部的热置换器15可以通过储热工质19实现对外燃机加热器31底部进行加 热，从而使整个太阳能热电系统在无光情况下仍然能够运行发电。

另外，还可以设置避雷器54，提高系统的防雷击性能。

二、采用菲涅尔线聚焦器的太阳能热电系统

如图4所示，多块菲涅尔线聚光透镜17可以按同楞透镜元模数，组成呈抛 物面状的菲涅尔线聚焦器16，采用透镜折射聚光原理聚焦太阳光，太阳光自上 而下透过菲涅尔线聚光透镜17，向储热工质热置换器15进行聚焦集热。热置换 器15置于储热器13上部，露于地面，位于线聚焦器16的焦点范围内。储热器 13置于地下保温室3的保温层14之中。

菲涅尔线聚焦器16架设在线聚焦器支架51上通过菲涅尔线聚光透镜17， 自上而下向热置换器15进行聚焦集热，热置换器15对储热器13中的工质进行 加热，使储热器13中的工质达到外燃机20（图中未示出，请参考图3）工作温 度要求。夜晚和无阳光时，热置换器15对外燃机加热器31（图中未示出，请参 考图3）进行加热。冷却回路对外燃机冷腔45（图中未示出，请参考图3）进行 冷却，外燃机20中活塞往返运动，从而带动发电机47发电（图中未示出，请 参考图5）。

另外，和上述实施例一样，为了实现在无光或夜晚时也能实现发电，还可 以进一步增加储热器13，储热器13置于地下，储热器13上部放置储热工质热 置换器15，储热器13除上部受热面外，均置于地面55以下的保温室3的保温 层14中。原理参考上述实施例，这里不再赘述。

同样，也可以设置线聚焦器阳光跟踪器52以及线聚焦器跟踪控制器53实 现太阳光的跟踪。

上述实施例中，根据不同的菲涅尔透镜形状，举了两个例子，实际上，任 意形状的菲涅尔透镜都可以实现，只要能够组成抛物面状穹顶，从而实现光线 的聚焦集中均可。

另外，图3、图4中，给出了仅采用一个菲涅尔点聚焦器7或一个菲涅尔线 聚焦器16的太阳能热电系统实施例，实际上，在本发明的穹式太阳能热电系统 中，可以使用任意多个穹式聚焦集热器，也可以混合使用上述两种不同类型的 穹式聚焦集热器。

图5为本发明实施例的穹式热电系统运行线路示意图，图5中的热电系统 同时采用了菲涅尔点聚焦器7和菲涅尔线聚焦器16，其中，菲涅尔点聚焦器7 为外燃机加热器31供热，菲涅尔线聚焦器16为储热工质热置换器15供热，最 大限度利用太阳能，以达到节能、增加热效率的效果。

图5中示出的是热电系统的热力运行线路，因此仅示出了与热力运行相关 的设备，菲涅尔点聚焦器7和菲涅尔线聚焦器16以及外燃机等的具体结构可以 参考上述图3、图4，这里不再赘述。

图5所示的热电系统包括：压力泵1，闸阀2，地下保温室3，储热器安全 阀4，储热器检视口5，储热器温度计6，菲涅尔点聚焦器7，储热器13，储热 工质热置换器15，菲涅尔线聚焦器16，储热器温度控制阀21，热工质一次回路 电控阀22，热工质一次回路23，外燃机温度控制阀24，热工质二次回路25， 热工质二次回路电控阀26，热工质二次回路自动补偿器27，冷凝器28，冷凝器 电控阀29，冷凝器回路30，外燃机加热器31，逆流换热式回流器32，外燃机 冷却器33，外燃机冷工质回路34，储热器减压阀35，储热器热工质回路36， 外燃机热工质回路37，外燃机热腔38，热腔活塞39，热腔活塞连杆40，外燃 机曲轴41，外燃机曲轴箱42，冷腔活塞连杆43，冷腔活塞44，外燃机冷腔45， 联轴器46，发电机47。上述各组件连接关系如图5所示，这里不再赘述。

菲涅尔点聚焦器7聚焦太阳光，向外燃机加热器31聚焦集热，使外燃机加 热器31和热腔38中的工质受热膨胀，推动热腔活塞39；冷凝器28向外燃机冷 却器33制冷，冷却器33和外燃机冷腔45中的工质被冷却压缩，拉动冷腔活塞 44；工质在热腔38和冷腔45中膨胀冷缩，完成热力学循环，推动热腔38和冷 腔45中的活塞往返运动做功，从而带动发电机47发电。

菲涅尔线聚焦器16聚焦太阳光，向热置换器15进行聚焦集热，热置换器 15对储热器13中的工质进行加热，使储热器13中的工质达到外燃机20工作温 度要求。夜晚和无阳光时，储热系统控制阀26和自动补偿器27、热工质温度控 制阀21自动开启，热置换器15对外燃机集热器31进行加热；冷却回路对外燃 机冷腔45进行冷却，工质在外燃机20的热腔和冷腔中膨胀冷缩，完成热力学 循环，推动热腔和冷腔中活塞往返运动做功，从而带动发电机47发电。

图5中的太阳能热电系统，以菲涅尔点聚焦器7作为有阳光时的主力集热 系统，而以菲涅尔线聚焦器16、置换器15及储热器13组成夜晚或无阳光时的 补热系统。菲涅尔点聚焦器7在有阳光的时候，给外燃机集热器31进行加热， 进行正常发电，同时菲涅尔线聚焦器16给热置换器15聚焦集热，热置换器15 对储热器13中的工质进行加热，将热能存储下来，从而能够在夜晚或者无阳光 时，通过储热器13中的热能给外燃机集热器31进行加热从而使整个太阳能热 电系统在夜晚或者无阳光时仍然能够继续进行发电，理想状况下，可以实现24 小时不间断运行。

当然对于补热系统，也可以采用菲涅尔点聚焦器7，主力集热系统也可以采 用菲涅尔线聚焦器16，使用哪种是任意的。

最后，经试验，本发明实施例采用穹式聚焦集热器的太阳能热电系统，其 聚光比和光热转换率大于传统采用碟式抛物面镜集热器的斯特林发动机太阳能 热电系统。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本 发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本 发明保护的范围之内。