技术领域

本发明涉及一种太阳能聚集系统。 背景技术

能源短缺以及环境问题已经逐歩成为制约我国 与世界经济和社会长期发 展的重大瓶颈。 为了解决这一问题， 除大力开展节能与科学用能和努力发展 化石燃料外， 必须加速可再生能源的开发和利用。 开发利用可再生能源， 对 优化能源结构、 保护环境、 减排温室气体、 应对气候变化具有十分重要的作 用， 在这方面太阳能起着很重要的作用。 太阳能是一种取之不竭、 清洁的可 再生能源。 开发利用太阳能资源是开拓新能源和保护环境 、 节能减排的有效 途径。 随着太阳能等可再生能源利用在全世界蓬勃发 展， 太阳能聚热发电 (CSP) 逐歩为人们所认识。

全球大部分太阳能资源丰富地区、 DNI 高的地区都集中在中、 高纬度 35-40度附近，因此存在由于光线入射角度的变� ��对聚光效果造成的季节性影 响。

常见的线型 CSP聚集系统有槽式聚集系统和菲涅尔式聚集系 统。 传统的 槽式聚集系统在冬天时单位面积镜面接收能量 不足， 而夏天单位面积镜面接 收能量过多 （超出热机、 储热系统需求导致弃热） ， 整体的框架、 镜面制造 成本较高； 传统的菲涅尔式聚集系统虽然克服了成本高的 缺点， 但是存在单 位面积镜面全年接收能量较低并且需要较大太 阳能镜场面积等缺点。 因此开 发一种成本较低，具有较高单位面积镜面截光 能量的聚集系统具有巨大价值， 且迫在眉睫。 发明内容

本发明的主要目的为克服上述描述的中、 高纬度地区传统槽式聚集系统 冬天单位面积镜面接收能量不足， 而夏天单位面积镜面接收能量过多 （特定 储能容量条件下将会选择弃热） ， 整体制造成本高昂； 菲涅尔聚集系统虽然 建造成本下降， 但单位面积镜面接收能量全年较低等问题， 针对上述问题， 提出一种太阳能聚集系统， 包括至少 1组菲涅尔反射主聚光装置、 置于菲涅 尔反射主聚光装置聚光方向上的接收装置； 所述每组菲涅尔反射主聚光装置 为 4轴或以上东西轴布置的反射镜阵列组； 所述菲涅尔反射主聚光装置的阵 列平面向阳坡面倾斜布置， 所述太阳能聚集系统布置在纬度 20度以上地区。

进一歩地， 所述一组以上各组菲涅尔反射主聚光装置间距 为菲涅尔反射 主聚光装置的反射镜阵列组宽度的 0.6〜2倍 （反射镜阵列组宽度定义为主聚 光装置的反射镜阵列组最起始镜条的外边缘到 最末端镜条的外边缘的最大轮 廓尺寸连线长度。 菲涅尔反射主聚光装置间距为最大轮廓尺寸连 线长度的状 态时， 前一组主聚光装置的反射镜阵列组的后沿与后 一组主聚光装置的反射 镜阵列组的前沿之间的地面垂直投影距离） ， 以增加整体镜场的有效截光面 积或效率。

进一歩地， 所述接收装置包括二次光学装置， 如二次复合抛物聚光装置

CPC或光线转向反射镜或波长分光镜等。

进一歩地， 所述菲涅尔反射主聚光装置的汇聚光线夹角小 于 90° ， 优选 地， 菲涅尔反射主聚光装置的汇聚光线夹角小于 60° ； 最优为菲涅尔反射主 聚光装置的汇聚光线夹角小于 45 ° ； 汇聚光线夹角越小接收装置中的二次光 学装置越容易更高倍数的汇聚入射光线， 使系统整体聚光倍数更高。 其中汇 聚光线夹角定义为以反射镜阵列组宽度为底边 、 接收装置中心点为顶点所形 成的夹角。

进一歩地， 所述反射镜阵列组的镜条为一维弧形柱面， 具有光线汇聚效 果。

优选地， 所述反射镜阵列组的镜条为一维圆弧形柱面， 方便加工、 测量、 安装。

进一歩地， 所述反射镜阵列组的镜条轴数 （或条数） 为 10轴以内。

优选地， 所述反射镜阵列组的镜条轴数 （或条数） 为 6轴以内， 以简化 系统的建设。

进一歩地， 所述反射镜的镜面可调节至竖立或近似竖立， 处于防冰雹状 态， 增强抵抗冰雹冲击能力。

进一歩地， 所述反射镜的镜面为非钢化玻璃镜， 在保证强度的前提下， 减少反射镜的制造成本。

进一歩地， 所述菲涅尔反射主聚光装置的反射镜阵列组整 体向阳坡面倾 斜布置的倾斜角度大于 15 ° ， 所述倾斜角度为每组镜条阵列中最低轴心到最 高轴心的连线与水平线的夹角。

进一歩地， 所述太阳能聚集系统菲涅尔反射主聚光装置的 阵列平面向阳 坡面倾斜布置的倾斜角度范围为 15〜50° _; 该系统在中国北方地区整体呈至少 30-45 ° 的倾斜时， 具有良好的截光能力， 较平铺地面的菲涅尔阵列单位镜面 接收能力增加 20%〜30%。

进一歩地， 所述接收装置为光伏电池装置或光热集热装置 ， 或者接收装 置由光伏电池装置、 光热集热装置以及二次光学装置组成， 即该系统可以应 用于太阳能光热集热发电， 也可以应用于太阳能光伏发电。

进一歩地， 所述一个或多个聚集系统布置于同一旋转平台 之上， 实施整 体方位旋转； 反射镜阵列组实施高度方向上的摆转， 完成二维跟踪， 获得更 加优良的单位面积镜面截光效率。

进一歩地， 所述太阳能聚集系统布置于建筑屋顶部， 与建筑屋顶倾斜面 形成完整的整体。

本发明的一种太阳能聚集系统具有以下特点及 优点： 1、 该太阳能聚集系 统整体造价成本较低， 在获得与传统槽式基本相当的单位面积镜面截 光能量 的情况下， 成本明显小于传统槽式； 较普通东西轴、 南北轴水平布置的菲涅 尔结构具有相近的建造和安装成本， 同时具有高于其单位面积镜面截光能量 20%〜30%的截光效率； 2、该太阳能聚集系统在高纬度地区效果尤其� �显， 特 别适合在中国、 美国、 澳大利亚、 北非等大部分高光照地区； 3、 该太阳能聚 集系统可以应用于太阳能光热发电系统 （CSP ) 中， 也可以应用于太阳能聚 光光伏发电系统 （LCPV) 中； 4、 多个该太阳能聚集系统布置于同一个旋转 平台之上， 共同完成旋转方位角度跟踪， 同时不同的太阳能聚集系统中的镜 面独自摆转完成高度方向的跟踪， 共同完成二维跟踪， 获得更加优良的单位 镜面截光能量； 5、 太阳能聚集系统布置于建筑屋顶上， 与建筑屋顶倾斜面形 成完整的整体。 附图说明 下面参照附图对本发明的具体实施方案进行详 细的说明， 附图中： 图 1是本发明的太阳能聚集系统的第一实施例的� �构示意图；

图 2是本发明的太阳能聚集系统的第二实施例的� �构示意图；

图 3是槽式、 菲涅尔和本实施例装置各月平均截光能力的累 计图。 具体实施方式

下面结合实施例对本发明进行进一歩的详细说 明。

图 1是本发明的太阳能聚集系统的第一实施例的� �构示意图。 如图 1所 示， 包括至少 1组菲涅尔反射主聚光装置、 置于菲涅尔反射主聚光装置聚光 方向上的接收装置 103 ; 所述每组菲涅尔反射主聚光装置为 4轴或以上东西 轴布置的反射镜阵列组 101 ; 多片反射镜例如反射镜 110和反射镜 112; 所述 菲涅尔反射主聚光装置的阵列平面向阳坡面倾 斜布置； 接收装置 103位于反 射镜阵列组 101的上方， 布置于支撑架 109的上部位置； 太阳能聚集系统整 体的向阳坡面倾斜布置的倾斜角度范围为 15〜50° _; 倾斜角度一般大于 20° ， 此时， 反射镜阵列组 101易安装并且具有良好的截光能力， 与普通平铺地面 的菲涅尔阵列单位镜面相比， 其接收能力可增加 20%〜30% 。

该太阳能聚集系统适用于高纬度地区， 例如纬度范围 30〜50° 。 优选地， 太阳能聚集系统整体的倾斜角度范围为 15〜50°， 倾斜角度例如在北京区域优 选为 30° ， 具有良好的综合成本、 安装和截光效果。 各组的所述菲涅尔反射 主聚光装置间距 B为菲涅尔反射主聚光装置的反射镜阵列组宽� � A的 0.6〜2 倍， 以增加整体镜场的有效截光面积或效率。 其中， 反射镜阵列组宽度 A定 义为菲涅尔反射主聚光装置的反射镜阵列组最 起始镜条的外边缘到最末端镜 条的外边缘的最大轮廓尺寸连线长度。 主聚光装置间距 B定义为最大轮廓尺 寸连线长度的状态时， 前一组菲涅尔反射主聚光装置的反射镜阵列组 的后沿 与后一组菲涅尔反射主聚光装置的反射镜阵列 组的前沿之间的地面垂直投影 距离。 菲涅尔反射主聚光装置的汇聚光线夹角小于 90° ， 优选地小于 60° ， 最优地小于 45 ° ， 其中汇聚光线夹角定义为以菲涅尔反射主聚光 装置的反射 镜阵列组宽度 A为底边、 接收装置中心点为顶点形成的顶角 α _; 汇聚光线夹 角越小接收装置越容易接收汇聚光， 具有更高的容差性能； 菲涅尔反射主聚 光装置为多个反射镜阵列组， 反射镜阵列组由阵列的镜条组成 （镜条为单个 轴向布置的反射镜阵列， 各镜条包括多个沿轴向布置的反射镜） ， 镜条为一 维弧形柱面， 具有良好的汇聚效果。 优选地， 所述反射镜阵列组的镜条为一 维圆弧形柱面， 方便加工。

反射镜阵列组 101的镜条轴数 （或条数） 为 10轴以内。 优选地， 所述反 镜阵列组的镜条轴数（或条数）为 6轴以内， 以简化系统的建设。 进一歩地， 所述反射镜的镜面可竖立或近似竖立， 处于防冰雹状态。 进一歩地， 所述反 射镜的镜面为非钢化玻璃镜， 在保证强度的前提下， 减少反射镜的制造成本。

太阳能聚集系统的接收装置 103包括二次光学装置， 如二次复合抛物聚 光装置 CPC 或光线转向反射镜或波长分光镜等， 将未直接入射到接收装置 103 内部的接收器表面的太阳光再次反射至接收器 外表面； 当接收器为光热 集热器 （图 1 中没有标注） 时， 太阳能聚集系统将太阳能转换成热量后， 推 动热机进行光热发电；该太阳能聚集系统除了 可以应用于太阳能光热发电外， 还可以应用于太阳能光伏发电， 即接收装置为光伏接收装置时， 光伏电池组 作为接收器实施光伏发电。 也就是说， 本发明实施例中光伏电池装置或者光 热集热器可以单独作为接收装置使用。该太阳 能聚集系统可以布置于屋顶上， 与屋顶倾斜面形成完整的整体。

图 2是本发明的太阳能聚集系统的第二实施例的� �构示意图。 如图 2所 示， 包括至少 1组菲涅尔反射主聚光装置、 置于菲涅尔反射主聚光装置聚光 方向上的接收装置 203 ; 所述每组菲涅尔反射主聚光装置为 4轴或以上东西 轴布置的反射镜阵列组 201和反射镜阵列组 202; 所述菲涅尔反射主聚光装 置的阵列平面向阳坡面倾斜布置； 以反射镜阵列组 201为例进行描述， 反射 镜阵列组 201沿东西轴方向向阳坡面倾斜布置， 倾斜角度优选为 30° ， 以保 证太阳能聚集系统安装简易， 并且能够拥有良好的截光能力。 该太阳能聚集 系统适用于高纬度地区， 例如纬度范围 20〜50° 。 太阳能聚集系统的接收装 置 203包括光伏电池装置 221、 光热集热器 224和二者之间布置的波长分光 装置 225 ; 该波长分光装置 225， 可以采用波长分光薄膜分光镜对汇聚的入射 光进行透射、 反射选择分光； 波长分光装置 225也采用棱镜分光镜或棱镜分 光镜组对入射光进行折射选择波长分光；整体 实施高效太阳能光谱分离利用， 提高光伏电池发电效率 （减少低光谱响应率范围内光谱的接收， 即减少了能 量向热量的转化， 保证光伏电池高效发电及理想工作温度） 。 如图 2所示， 该太阳能聚集系统布置于旋转平台 209之上， 例如反射镜阵列组 201和反射 镜阵列组 202布置在旋转平台 209上， 多个该太阳能聚集系统布置于同一个 旋转平台 209之上， 共同完成旋转方位角度一个维度上的跟踪， 同时不同的 太阳能聚集系统中的镜面独自摆转完成高度方 向的跟踪， 完成另一维度上的 跟踪， 二者共同完成二维跟踪， 获得更加优良的单位面积镜面截光能量； 大 约较一维摆转的该太阳能聚集系统效率提高 15%左右。

图 3是槽式、菲涅尔和本实施例装置各月平均截� �能力的累计图。如图 3 所示， 图中每月份均对应一个由 3个柱状图组成的柱状图组， 各柱状图组中 靠近 Y轴的灰色柱状图表示传统槽式集热器系统全� �各月单位面积镜面接收 能量的累计； 位于中部的黑色柱状图表示传统菲涅尔集热器 系统全年各月单 位面积镜面接收能量的累计； 远离 Y轴的白色柱状图表示为本实施例的聚集 系统全年各月单位面积镜面接收能量的累计。 传统槽式集热器系统在冬季时， 各月单位镜面接收能量较少； 夏季时， 单位面积镜面接受能量较多， 冬季和 夏季相差较大， 各月发电量不均匀； 传统菲涅尔集热器系统在全年各月单位 面积镜面接收的能量都较少， 整体镜面效率普遍较低； 本实施例的聚集系统 在冬季时各月单位面积镜面接收的能量较传统 槽式要多， 而在夏季时， 各月 单位镜面接收的能量较槽式要稍少， 整体全年接收较为平均， 方便电量上网 并满足了用户需求； 再者， 考虑到光热系统的存储容量， 传统槽式因为各月 相差较大， 并不方便匹配， 当储能量较大时， 例如可以满足夏日的储热， 但 到冬天时， 存储容量严重不足不能满足储热罐容量设计； 当将存储容量设计 为中等水平时， 夏天的储能量不得不有部分弃热， 造成不小的浪费； 该系统 冬天和夏天对应接收的能量相差很少， 方便储热罐存储容量的合理设计和用 户并网的合理需求。

南北轴向布置的菲涅尔聚集系统， 因其平铺地面， 当入射角度小时， 相 邻反射镜的镜条之间容易出现遮光； 当入射角度大时相邻反射镜的镜条之间 容易出现漏光； 而本实施例中， 东西轴布置的反射镜阵列组整体向阳坡面倾 斜布置， 例如在北半球上， 反射镜阵列组向阳坡面倾斜布置， 多个反射镜阵 列组迎向太阳南面进行截光接收； 多个反射镜的镜条之间遮光很少， 漏光也 较南北轴布置的反射镜阵列组要少； 如此整体上南北轴布置的菲涅尔反射镜 结构单位面积反射镜接收能量小于东西轴布置 的菲涅尔反射镜阵列组单位面 积反射镜接收能量， 二者全年累计平均大约相差 25%〜30%左右； 传统的南北 轴布置的槽式聚集系统的两个相临槽式的空挡 间距大约为抛物槽开口宽度的 1.5倍， 例如抛物槽开口宽度为 6m; 两个相邻的抛物槽中心距为 15m; 空挡 间距为 9m; 在早上 Ί点至晚上 17点时间段接收太阳光形成的遮光有限， 所 以单位面积镜片的接收能力相对要强； 假定槽式南北轴布置反射镜完成一维 跟踪后的入射反射镜槽的入射角度为 Θ _{1 :} 其中 sin Θ ^cosh^cos γ； 对应的余 弦值为 cos e ^l-cos ^cos^ ¹⁵ ; 实施例一的东西轴布置的反射镜阵列组整 体向阳坡面倾斜角度 45 ° ， 其东西轴布置完成一维跟踪后的入射角度为 θ _{2 :} 其中 sin Θ ₂ = _C0S h*sin γ； 对应的余弦值为 cos Θ ₂ =(l- _COS ² h*sin ² γ )。· ⁵ ; 其中 h 为太阳光线的高度角度， Y为太阳光线的方位角度。 在夏天时方位角度 Y范 围很宽可为 -90 ° 〜90 ° ， 方位角度余弦值小于方位角度的正弦值， 所以传统 槽式在夏天的单位面积镜面接收能量要大； 而在冬天太阳升起方位角度 Y范 围可能为 -60° 〜60° ， 又因为方位角度越小越靠近中午， 而中午的 DNI要比 早上或傍晚的 DNI大， 因此在冬天东西轴布置的反射镜阵列组单位面 积镜面 接收能量要大于传统槽式南北轴单位面积镜面 接收能量。

该太阳能聚集系统结构上具有很大的优势， 成本较一般的框架低一半， 冬季可以吸收更多的能量， 适于高纬度应用， 可应用于太阳能光热发电系统 ( CSP ) 中， 也可以应用于太阳能聚光光伏发电系统 （LCPV) 中。

显而易见， 在不偏离本发明的真实精神和范围的前提下， 在此描述的本 发明可以有许多变化。 因此， 所有对于本领域技术人员来说显而易见的改变 ， 都应包括在本权利要求书所涵盖的范围之内。 本发明所要求保护的范围仅由 所述的权利要求书进行限定。