一种采用导光缆传输聚集光束的太阳能集热系统

摘要

本发明提出一种采用导光缆传输聚集光束的太阳能集热系统，可进行大规模太阳光聚集并在吸热器内部形成高温温度场用来加热工质；该集热系统主要由弧面聚光镜、导光头、导光缆、承光头和吸热器组成；弧面聚光镜将平行的太阳光聚集在自身的焦点上，经由导光头将聚集光线引入导光缆，利用全反射原理，光线经由导光缆传输至安装在吸热器上的承光头，经由承光头将光线引至吸热器内部腔室；数量众多的弧面聚光镜组成阵列，每一台弧面聚光镜汇聚的太阳光都通过一条导光缆传输至吸热器内部腔室，所有导光缆末端输出的光线在吸热器内部叠加并照射在工质和内壁面上形成高温，流动的工质被加热后将热量带出，实现太阳能集热利用，尤其适用于太阳能集热发电厂。

权利要求

1.一种采用导光缆传输聚集光束的太阳能集热系统，其特征在于，包括：

吸热器(25)；

设置在吸热器(25)上的若干承光头(8)；

由多个相互独立的弧面聚光镜(21)组成的弧面聚光镜阵列；

设置在每个弧面聚光镜(21)焦点位置的导光头(22)；

以及连接导光头(22)和承光头(8)将传输光线汇集在吸热器(25)腔室内的若干导光缆(23)；

所述吸热器(25)为由吸热器外壳(2)和吸热器内壳(6)组成的双层结构，吸热器外壳(2)内壁与吸热器内壳(6)外壁之间形成外腔室(10)，吸热器内壳(6)中形成内腔室(11)，吸热器内壳(6)的底端通过入口导流管(13)向下伸出吸热器外壳(2)外，作为冷工质入口(9)，吸热器内壳(6)的顶端通过出口导流管(5)向上伸出至吸热器外壳(2)外，作为热工质出口(4)，承光头(8)安装在吸热器外壳(2)外部，通过承光头(8)将导光缆(23)传输而来的汇聚太阳光接引至外腔室(10)，并由吸热器内壳(6)外壁面主要吸收太阳光转化高温热能并加热工质；

所述吸热器(25)布置于场地中央地面而非高塔之上，各个弧面聚光镜(21)布置于吸热器(25)的周围；

所述吸热器外壳(2)的外壁面敷设保温层(1)，内壁面敷设反光层(3)，吸热器内壳(6)的外壁面敷设吸热涂层(7)，吸热器内壳(6)中设置有肋板和扰流板(12)；

当被加热工质为透明介质时，则在入口导流管(13)和出口导流管(5)位于外腔室(10)的部分上开孔，被加热工质一部分从入口导流管(13)进入内腔室(11)，同时另一部分从入口导流管(13)上的孔进入外腔室(10)，工质在内腔室(11)和外腔室(10)同时受热，最终在出口导流管(5)混合并流出。

2.根据权利要求1所述采用导光缆传输聚集光束的太阳能集热系统，其特征在于，所述每个承光头(8)对应一个或者多个导光头(22)，每个导光头(22)只对应一个承光头(8)。

3.根据权利要求1所述采用导光缆传输聚集光束的太阳能集热系统，其特征在于，所述每个弧面聚光镜(21)有一个焦点，并有自动逐日系统，控制弧面聚光镜(21)对准太阳方向，使弧面聚光镜(21)投影截面始终与太阳光线垂直，最大程度接收太阳光线并将光线汇集于焦点。

4.根据权利要求1所述采用导光缆传输聚集光束的太阳能集热系统，其特征在于，所述导光缆(23)利用全反射原理，光线在导光缆(23)介质内经过不断全反射向前传播，导光头(22)作为导光缆(23)的光线入口。

5.根据权利要求1所述采用导光缆传输聚集光束的太阳能集热系统，其特征在于，所有的导光缆(23)末端均连接在承光头(8)上，承光头(8)接收沿导光缆(23)传输而来的光束并将之引入吸热器(25)的腔室内部，入射光斑在吸热器(25)内部叠加，形成高温温度场。

6.根据权利要求1所述采用导光缆传输聚集光束的太阳能集热系统，其特征在于，所述导光缆(23)的缆芯由两层折射率不同的导光介质组成，分别为中心介质和包层介质，在中心介质与包层介质的分界面光线会发生全反射，从而使在中心介质内传播的太阳光不会因为折射而造成损耗。

说明书

一种采用导光缆传输聚集光束的太阳能集热系统

技术领域

[0001] 本发明属于太阳能集热发电技术领域，特别涉及一种采用导光缆传输聚集光束的太阳能集热系统。

背景技术

[0002] 一方面人类能源消费水平不断提高，另一方面常规化石能源日益枯竭，而且常规化石能源伴随的污染物排放问题日益不能满足人们对于未来能源的需求。太阳能作为一种取之不尽用之不竭的新型清洁能源，正越来越得到人们的重视，针对太阳能的开发工作正在日益取得进展。其中太阳能发电是对太阳能的一种高级开发应用，它通过一定的手段将太阳能最终转化成电能，以满足现代社会的电力需求。目前比较流行的太阳能发电主要分为光伏发电和太阳能热发电两种形式。其中光伏发电采用太阳能电池板或电池薄膜接收太阳光，并直接将光能转化成电能，但是在发电效率和电池寿命方面存在很大不足。太阳能热发电可分为槽式太阳能热发电、塔式太阳能集热发电和蝶式太阳能发电。槽式太阳能热发电由于聚光度不高，产生的蒸汽温度较低，因此发电效率受到制约。蝶式太阳能发电则由多个分散的小型聚光发电装置组成，单机功率小，同样不利于整体发电效率的提高。而塔式太阳能集热发电则是采用众多的反射器，将大面积的太阳光线聚集在一个吸热器上，因此可以得到很高的温度，使发电系统蒸汽初温提高，得到较高的发电效率。

[0003] 太阳能集热发电厂通常建设在人烟稀少的沙漠地区，主要原因在于太阳能集热场需要一片平坦而且没有遮挡的开阔地，便于布置大量的反射镜并在中心位置建立一个具有一定高度的集热塔，吸热器就布置在中心高塔上接受从四周地面反射镜反射过来的太阳光并将光转化成热量来加热工质。目前限制集热发电效率提高的一个重要因素是集热塔效率问题。为了获得更大功率和更高的温度场，这就需要采用更多的聚光镜将更多的太阳光聚集在集热塔顶的吸热器上，与此同时，为了接收更多反射镜的反射光线，就需要将集热塔建设的很高，这对于工程建设和设备运行都是极其不利的。并且，由于余弦效应的影响，塔式集热不能完全有效的利用集热场内的太阳能。开发新型集热系统，降低吸热器高度并提高太阳能利用率对于降低集热发电造价和提高电厂可靠性具有重要意义。

发明内容

[0004] 为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种采用导光缆传输聚集光束的太阳能集热系统，用以实现将大面积的太阳光线收集并集中在吸热器内部，实现光热的高效转化；吸热器产生的热量主要用来加热生产高温蒸汽，用于推动汽轮机发电，本发明也可以在海水淡化等其它需要热能的领域进行应用。

[0005] 为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

[0006] 一种采用导光缆传输聚集光束的太阳能集热系统，包括：

[0007] 吸热器25；

[0008] 设置在吸热器25上的若干承光头8；

[0009] 由多个相互独立的弧面聚光镜21组成的弧面聚光镜阵列；

[0010] 设置在每个弧面聚光镜21焦点位置的导光头22；

[0011] 以及连接导光头22和承光头8将传输光线汇集在吸热器25腔室内的若干导光缆23。

[0012] 所述每个承光头8对应一个或者多个导光头22，每个导光头22只对应一个承光头8。

[0013] 所述每个弧面聚光镜21有一个焦点，并有自动逐日系统，控制弧面聚光镜21对准太阳方向，使弧面聚光镜21投影截面始终与太阳光线垂直，最大程度接收太阳光线并将光线汇集于焦点。

[0014] 所述导光缆23利用全反射原理，光线在导光缆23介质内经过不断全反射向前传播，导光头22作为导光缆23的光线入口。

[0015] 所有的导光缆23末端均连接在承光头8上，承光头8接收沿导光缆23传输而来的光束并将之引入吸热器25的腔室内部，入射光斑在吸热器25内部叠加，形成高温温度场。

[0016] 所述吸热器25布置于场地中央地面而非高塔之上，各个弧面聚光镜21布置于吸热器25的周围。

[0017] 所述导光缆23的缆芯由两层折射率不同的导光介质组成，分别为中心介质和包层介质，在中心介质与包层介质的分界面光线会发生全反射，从而使在中心介质内传播的太阳光不会因为折射而造成损耗。

[0018] 所述吸热器25为由吸热器外壳2和吸热器内壳6组成的双层结构，吸热器外壳2内壁与吸热器内壳6外壁之间形成外腔室10，吸热器内壳6中形成内腔室11，吸热器内壳6的底端通过入口导流管13向下伸出吸热器外壳2外，作为冷工质入口9，吸热器内壳6的顶端通过出口导流管5向上伸出至吸热器外壳2外，作为热工质出口4，承光头8安装在吸热器外壳2外部，通过承光头8将导光缆23传输而来的汇聚太阳光接引至外腔室10，并由吸热器内壳6外壁面主要吸收太阳光转化高温热能并加热工质。

[0019] 所述吸热器外壳2的外壁面敷设保温层1，内壁面敷设反光层3，吸热器内壳6的外壁面敷设吸热涂层7，吸热器内壳6中设置有肋板和扰流板12。

[0020] 当被加热工质为不透明介质，则在入口导流管13和出口导流管5位于外腔室10的部分上不开孔，被加热工质从入口导流管13进入内腔室11，在内腔室11被加热后经出口导流管5流出；

[0021] 当被加热工质为透明介质时，则在入口导流管13和出口导流管5位于外腔室10的部分上开孔，被加热工质一部分从入口导流管13进入内腔室11，同时另一部分从入口导流管13上的孔进入外腔室10，工质在内腔室11和外腔室10同时受热，最终在出口导流管5混合并流出。

[0022] 与现有技术相比，本发明的有益效果是：

[0023] 1、本发明解除了传统塔式太阳能集热系统必须将吸热器置于塔顶高处的限制，吸热器可以根据现场需要布置在较低平台或者地面，极大的降低了工程难度，方便检修和维护，并提高了系统稳定性。

[0024] 2、每一面弧面聚光镜都直接对准太阳，而不必考虑吸热器的位置和角度，因此可以大大减小余弦效应，增加太阳光利用率，降低集热场土地占用面积。

[0025] 3、聚集太阳光束不照射在吸热器外壁面，因此可以在吸热器外壁敷设保温层，大大减少了吸热器对外散热损失，利于提高吸热器温度和提高太阳能的利用效率。

[0026] 4、采用导光管传输太阳能聚光，可以方便的提高吸热器的聚光度，从而提高吸热器温度，因此可以生产更高参数的蒸汽用来推动汽轮机发电，并最终实现更高的发电效率。

附图说明

[0027] 图1是本发明结构示意图。

[0028] 图2是本发明吸热器的结构示意图。

具体实施方式

[0029] 下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。

[0030] 如图1所示，本发明集热系统由弧面聚光镜21、导光头22、导光缆23、承光头8和吸热器25等组成。系统采用数量庞大的弧面聚光镜21排列组成弧面聚光镜阵列，各个弧面聚光镜21规格相同，按一定规律排布在吸热器25周围。

[0031] 每一面弧面聚光镜21可以将平行的太阳光线聚集在自身的焦点上，导光头22位于弧面聚光镜21的焦点位置，导光头22与导光缆23一端相连，导光缆23的另一端即末端与承光头8相连，承光头8与吸热器25相连。每一台弧面聚光镜21都安装有各自的导光头22和导光缆23，附图1只象征性画出八台弧面聚光镜21，在实际工程应用中弧面聚光镜21数量根据集热系统功率需求，可灵活布置成百上千台，故本发明中的弧面聚光镜21的数量不限制于八台。

[0032] 采用导光头22从焦点处接引汇聚光线至导光缆23内，利用全反射原理，汇聚光线通过导光缆23进行传输，导光缆23末端连接至吸热器25上的承光头8，承光头8将传输而来的光束引导至吸热器25内部。导光缆23末端输出的光束在吸热器25内部叠加聚集，并由吸热器25内部的光热转化涂层吸收并形成高温，用来加热吸热器25内的工质。

[0033] 本发明工作原理为：

[0034] 弧面聚光镜阵列中，每一面弧面聚光镜21都可以单独工作，也可以由逐日跟踪系统统一控制弧面聚光镜21对准太阳，使弧面聚光镜21投影截面始终与太阳光线垂直，以最大程度接收太阳光线，太阳光线经过弧面聚光镜21反射以后汇聚于弧面聚光镜21各自的焦点。

[0035] 导光缆23的光线入口端连接导光头22，导光头22安装在弧面聚光镜21的焦点上，弧面聚光镜21汇集的太阳光线经导光头22进入导光缆23并沿导光缆23传播。

[0036] 导光缆23利用全反射原理工作，缆芯由两层折射率不同的导光介质组成，分别为中心介质和包层介质，在中心介质与包层介质的分界面光线会发生全反射，从而使在中心介质内传播的太阳光不会因为折射而造成损耗。

[0037] 导光缆23末端连接至承光头8。每个承光头8可以同时连接多条导光缆23，承光头8将导光缆23来的光束引入吸热器25的内腔室。

[0038] 吸热器25结构经过了专门设计，总体为一个金属外壳包围的腔室结构。吸热器25腔室内壁敷设光热转化涂层，腔室内充满工质，经由承光头8射入吸热器25腔室的光束相互叠加并照射在腔室内工质和腔室壁面上，光能转化成高温热能，工质被加热。由于吸热器外壁不接受聚集的太阳光照射，故可以敷设保温材料，减少吸热器的散热损失。

[0039] 吸热器25的一种结构形式如图2所示，设有吸热器外壳2和吸热器内壳6两层结构，在吸热器内壳6外壁面有吸热涂层7，是吸收汇聚太阳光线产生高温热能的主要区域，在吸热器外壳2的内壁面有反光层3，用以减少吸热器外壳2壁面对光能的吸收转化，降低壁温，在吸热器外壳2的外壁面敷设保温层1，用以减少吸热器对外散热损失。吸热器外壳2内壁与吸热器内壳6外壁之间形成外腔室10，吸热器内壳6中为内腔室11。

[0040] 吸热器外壳2上安装有承光头8，将导光缆从集光器传输而来的汇集太阳光束引导至吸热器外腔室10，并照射在吸热器内壳6的外壁面，实现光热转化。吸热器外壳2和吸热器内壳6之间有导流管，用以引导工质流入和流出腔室，具体地，吸热器内壳6的底端通过入口导流管13向下伸出吸热器外壳2外，作为冷工质入口9，吸热器内壳6的顶端通过出口导流管5向上伸出至吸热器外壳2外，作为热工质出口4。

[0041] 根据工质性质不同，决定两个导流管上开孔或不开孔，使被加热工质从吸热器内腔室11和外腔室10或只从内腔室11流过，实现金属壁面的冷却并加热工质。

[0042] 吸热器25的工作原理为：

[0043] 吸热器25布置在太阳能聚光系统中心的地面上，外部的导光缆23将多个聚光器聚集的太阳光束传输过来，承光头8按一定规律安装在吸热器外壳2上，导光缆与吸热器外壳2上的承光头8相连，承光头8将光束传导至外腔室10空间并最终照射在吸热器内壳6的外壁面上。吸热器内壳6外壁面上有吸热涂层7用以增强壁面吸收太阳光的能力。吸热器外壳2内壁面有反光层3，反光层3将吸热器内壳6外壁面反射和辐射的光线再反射回吸热器内壳6外壁面，以增加吸热器内壳6外壁面的光热利用效率并减少其辐射损失。

[0044] 根据被加热工质的性质不同而决定在入口导流管13和出口导流管5穿过外腔室10的管段开不开孔。

[0045] 当被加热工质为透光性较差的介质(一般指不透明介质)时，入口导流管13和出口导流管5上不开孔，被加热工质与外腔室10隔离。被加热工质从冷工质入口9进入内腔室11并被加热，然后经热工质出口4流出，吸热器内壳6内壁安装的肋板和导流板12目的是增加金属壁面与工质的换热面积并对工质产生扰流，可以增强被加热工质和吸热器内壳6之间的换热。

[0046] 当被加热工质为透光性较强的介质(一般指透明介质，例如水和导热油等)时，入口导流管13和出口导流管5上开孔。被加热工质除了从内腔室11流过吸收热量之外，还有一部分工质经由入口导流管13上的孔进入外腔室10，从吸热器内壳6外壁面吸热，并且这部分工质本身被光束照射，直接吸收一部分太阳光能，因此，外腔室10流过的工质被吸热器内壳6的外壁面和太阳光照射同时加热。内腔室11和外腔室10的工质最终在出口导流管5混合并流出吸热器。吸热器外壳2外壁面敷设保温层1，用来降低吸热器对外散热损失。

[0047] 所有的弧面聚光镜21进行同样的工作过程，因此，吸热器25内部汇集了密度很高的太阳光线，如果进一步增加弧面聚光镜21的数量和面积，则可以进一步提高吸热器25内的聚光度。吸热器25内部聚集的太阳光照射在工质和吸热器25内壁面上而形成高温，并通过流动工质进行冷却，工质本身被加热然后从吸热器流出。至此，完成太阳能集热系统将光能转化成工质的热能的工作过程。

[0048] 本发明采用导光缆将弧面聚光镜聚集的太阳光传输至吸热器，取代传统的通过调节平面反射镜角度直接反射太阳光至布置于中心高塔上的吸热器的聚光方式，降低了余弦效应，提高了系统的聚光度和灵活性，并且改变吸热器形式，将传统吸热器外表面受光改为内部腔室受光，极大减少了吸热器散热损失。