專利名稱：自動跟蹤雙拋物面聚光發(fā)電供熱系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及太陽能利用、傳感采集和太陽跟蹤技術(shù)等領(lǐng)域，具體是涉及發(fā)電和熱 利用的一種太陽能發(fā)電供熱系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
新能源是二十一世紀世界經(jīng)濟發(fā)展最具決定力的技術(shù)領(lǐng)域之一，太陽能發(fā)電不產(chǎn) 生任何廢棄物，無污染，無噪聲，對環(huán)境無不良影響，是理想的清潔能源，2007年11月廈門 大學(xué)的許志龍碩士在碩士論文《蝶式光伏發(fā)電聚光器研制》中提到安裝IkW太陽能光伏發(fā) 電系統(tǒng)，與化石燃料發(fā)電相比，每年可以減少CO2排放量6002300kg，NO2排放量Wkg，SO2排 放量9kg和微粒0. f^kg，聚光發(fā)電的推廣，大大減輕了環(huán)境的污染。各國政府都將太陽能資源利用作為國家可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的重要內(nèi)容，光伏發(fā)電具 有廣闊的應(yīng)用前景。但太陽輻射密度低、光伏電池昂貴等導(dǎo)致光伏發(fā)電系統(tǒng)的成本居高不 下，聚光光伏發(fā)電以廉價的聚光材料替代昂貴的光伏電板，是解決該問題的一種有效方法?，F(xiàn)有的聚光太陽能光伏發(fā)電大多直接通過凸透鏡或菲涅耳透鏡以及反折射鏡來 聚光，會聚的太陽光不均勻地投射到光伏電板上，很容易使光伏電板局部受熱損壞，當聚光 比較高時，光伏電板產(chǎn)熱非常嚴重，很大程度上制約著聚光光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，目前也有 一些新型的聚光技術(shù)，但也有一些不足，如專利申請?zhí)枮?00620070287.6的“蝶形反射聚 光光伏發(fā)電系統(tǒng)”采用碟式聚光可以讓會聚的太陽光均勻的射到光伏電板上，但此種方法 聚光比受到很大限制，其聚光比為2-18倍。可產(chǎn)生光伏效應(yīng)的太陽輻射波長范圍在0. 4-1. lum，其它波長的太陽輻射照射在 太陽能電池板上只轉(zhuǎn)化為熱能，使光伏電板的溫度升高，降低光電轉(zhuǎn)換效率，縮短了光伏電 板的壽命。專利申請?zhí)枮?00610088176. 2的“可自散熱的太陽能聚集型光伏發(fā)電裝置”雖 然濾去了紅外線，但濾光片的形狀為拋物面形，加工比較困難，用量大，經(jīng)濟成本較高。大部分聚光發(fā)電裝置需要跟蹤太陽，而太陽跟蹤技術(shù)始終是一大難題，現(xiàn)有的光 檢測跟蹤技術(shù)主要有位置傳感檢測器PSD技術(shù)、CCD技術(shù)，普遍較復(fù)雜，易受陰云、灰塵等外 界環(huán)境的影響，而且成本較高，《2008年中國太陽能光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)分析及投資咨詢報告》指 出每個千瓦的聚光發(fā)電系統(tǒng)的跟蹤成本約為1. 6萬元。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種結(jié)構(gòu)合理，工作性能好，光電板使用壽命長的自動跟 蹤雙拋物面聚光發(fā)電供熱系統(tǒng)。本發(fā)明的技術(shù)解決方案是一種自動跟蹤雙拋物面聚光發(fā)電供熱系統(tǒng)，其特征是包括大拋物反射面和小拋 物反射面，上述兩個拋物面凹面相對且法向軸線在同一直線上，焦點或焦線重合；紅外濾光 片放置在兩拋物面的焦點上或焦點附近；光伏電板固定在大拋物反射面的凹面底部；光伏 電板和金屬導(dǎo)熱片相連，冷卻金屬細管緊貼在金屬導(dǎo)熱片上；光伏電板通過機械支承機構(gòu)與東西向轉(zhuǎn)軸及南北向轉(zhuǎn)軸連接；在小拋物反射面前設(shè)置一個迎光探測器，其球心軸線與 拋物面法向軸線平行，迎光探測器與控制器連接，控制器與控制東西轉(zhuǎn)軸和南北轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動 的執(zhí)行電機連接。大拋物反射面和小拋物反射面為金屬拋光面或涂反射層的面。冷卻金屬細管的進水端與冷卻水進水管連接，冷卻水進水管與浮子水箱連接；冷 卻金屬細管的出水端與熱水出管連接，熱水出管與儲熱水箱連接，在冷卻金屬細管的出水 端設(shè)置溫控閥門。迎光探測器為不透明球體或半球體，其球心軸線與所述兩拋物面的法向軸線平 行，在其球心軸線與球面相交點上開一個小孔，為光線入口，在小孔對側(cè)的內(nèi)部表面均勻地 放置光照度傳感器陣列；迎光探測器光線入口用硬質(zhì)不親水的透明材料覆蓋，光線入口旁 側(cè)設(shè)有電動刮雨刷；電動刮雨刷與控制器連接，按控制器指令動作；所述光照度傳感器陣 列包括位于迎光探測器軸線上的迎光對準檢測光照度傳感器陣列和位于偏離迎光探測器 軸線的位置上的光偏差檢測光照度傳感器陣列。紅外濾光片為反射型濾光片，其形狀為矩形，面積大于焦點、小于小拋物面，保證 經(jīng)大拋物面反射的光都能通過濾光片。大、小拋物面為槽式拋物面或盤式拋物面。控制器具有無線通訊接口，通過該接口，與進行實時監(jiān)視和控制的遠程計算機連接。光照度傳感器陣列中各光照度傳感器節(jié)點因受太陽光照度的不同，而形成各節(jié)點 電信號之間的差異，經(jīng)控制器處理后，得到拋物面迎光的偏差角度控制信號量，并以此用來 驅(qū)動執(zhí)行電機帶動?xùn)|西向和南北向伺服控制轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動來跟蹤太陽。若檢測到迎光探測器 中，與小孔正對面的光照度傳感器節(jié)點的電信號明顯異于其他光照度傳感器節(jié)點，則代表 拋物面迎光(跟蹤太陽)成功，驅(qū)動執(zhí)行電機停止轉(zhuǎn)動。若控制器檢測到光照度傳感器陣 列中任何一個光照度傳感器節(jié)點的電信號均小于設(shè)定值，則表明外界環(huán)境為黑夜，執(zhí)行電 機停止跟蹤運行。拋物面的法向軸線對準太陽后，平行于拋物面法向軸線的太陽光經(jīng)大拋物反射面 反射后聚集在一點(或焦線)，并通過拋物反射面焦點附件的紅外濾光片，濾去了絕大部分 紅外線，通過濾光片的太陽光因過小拋物面的焦點，經(jīng)小拋物反射面后變?yōu)闀燮叫械奶?陽光，均勻地投射到光伏電板上，光伏電板所發(fā)的電通過電線引出，既可處理后直接使用， 也可儲存在蓄電池中或并網(wǎng)使用。光伏電板產(chǎn)生的熱量，被金屬散熱片上的金屬細管內(nèi)的 水吸收，當細管內(nèi)的水達到一定的溫度，被溫度傳感器檢測到時，溫控閥門會自動開關(guān)，熱 水流入儲熱水箱中，供生活和生產(chǎn)使用。為了節(jié)約電能，帶動?xùn)|西向和南北向轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動來跟蹤太陽的執(zhí)行電機選用帶自鎖 功能的伺服電機，即在電機加電時可以運轉(zhuǎn)，在電機斷電時轉(zhuǎn)軸自鎖以保持原位。為了避免執(zhí)行電機頻繁地啟動運轉(zhuǎn)以精確跟蹤太陽光，以及因外界強光對迎光探 測器的瞬時干擾，控制器增設(shè)模糊智能決策功能組件，該功能組件允許一定的迎光角度偏 差和電機啟動間隔時間，并用邏輯判別的思想剔除外界瞬時強光對迎光探測器的干擾，以 及合理地啟動迎光探測器上電動刮雨刷的動作。為了增強系統(tǒng)的可操作性，本裝置控制器增配有無線數(shù)據(jù)通訊接口。通過此接口，操作人員可以通過遠程無線通訊的方式，在遠程計算機上獲取本裝置安裝現(xiàn)場的實時控 制、運行姿態(tài)和發(fā)電參數(shù)，也可利用遠程計算機向控制器發(fā)送控制參數(shù)(如模糊智能決策 邏輯規(guī)則，允許迎光角度偏差和各種閥值參數(shù)等)和控制命令(如停機、復(fù)位、強制定位和 電動刮雨刷動作等)，以方便操作人員對本裝置的實時監(jiān)控和安裝調(diào)試。與現(xiàn)有技術(shù)相比本發(fā)明的優(yōu)點在于(1)獨特、合理的封閉型球體或半球體狀太陽光迎光探測器檢測結(jié)構(gòu)和檢測技術(shù)， 減少了光檢測的外部干擾，降低人工維護工作量，提高跟蹤精度和穩(wěn)定性；(2)全新的聚光原理，在提高聚光度的同時，能保證聚集的太陽光均勻地射到光伏 電板上，延長電池的使用壽命；(3)合理的濾紅外線原理，在提高散熱效果的同時，減少濾光片的用量，節(jié)約成本。(4)自鎖電機和模糊智能控制高效節(jié)電，降低跟蹤功耗，剔除外界干擾。(5)具有無線通訊接口的控制器，增加了裝置運行的可控性和柔性，降低了人工現(xiàn) 場維護的勞動成本。


下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步說明。圖1是本發(fā)明的基本結(jié)構(gòu)示圖。圖2(包括圖2a、圖2b)是本發(fā)明的兩種迎光探測器的基本結(jié)構(gòu)示圖。圖3是本發(fā)明的跟蹤系統(tǒng)的工作原理示圖。圖4是本發(fā)明的濾紅外線原理示圖。圖5是本發(fā)明的冷卻供熱裝置的基本結(jié)構(gòu)和工作原理示意圖。圖1序號說明1-迎光探測器，2-小拋物反射面，3-紅外濾光片，4-太陽光，5-浮子冷水箱，6_大 拋物反射面，7-光伏發(fā)電板，8-金屬導(dǎo)熱片，9-冷卻水進水管，10-東西向伺服控制轉(zhuǎn)軸， 11-兩拋物面的公共法向軸線，12、13_光伏電板引出線的正負極，14、15_機械支承機構(gòu) 16-熱水出水管，17-儲熱水箱，18-南北向伺服控制轉(zhuǎn)軸圖2序號說明1. 1-太陽光，1. 2-入射光透光孔及透明覆蓋物，1. 3-不透光的球面，1. 4_光偏差 檢測光照度傳感器陣列，1. 5-迎光對準檢測光照度傳感器陣列，1. 6-迎光探測器球心軸 線，1.7-電動刮雨刷圖4序號說明3-紅外濾光片，3. 1-大拋物面的反射光，3. 2-紅外線，3. 3_濾去紅外線后的光， 3. 4-兩拋物面的公共焦點。圖5序號說明8-金屬導(dǎo)熱片，8. 1-自來水入口，8. 2-浮子開關(guān)，8. 3-冷卻金屬細管，8. 4-溫控閥 門，8. 5-儲熱水箱出口
具體實施例方式一種自動跟蹤雙拋物面聚光發(fā)電供熱系統(tǒng)，包括大拋物反射面6和小拋物反射面2，上述兩個拋物面凹面相對且軸線在同一直線11上，焦點或焦線重合；紅外濾光片3放置 在兩拋物面的焦點上或焦點附近；光伏電板7固定在大拋物反射面的凹面底部；光伏電板 和金屬導(dǎo)熱片8相連，冷卻金屬細管8. 3緊貼在金屬導(dǎo)熱片8上；光伏電板通過機械支承機 構(gòu)14、15與東西向轉(zhuǎn)軸19及南北向轉(zhuǎn)軸20連接；在小拋物反射面前設(shè)置一個迎光探測器 1，其球心軸線與拋物面軸線平行，迎光探測器的迎光角度傳感器檢測電路M與控制器21 連接，控制器與控制東西轉(zhuǎn)軸和南北轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動的執(zhí)行電機22、23連接。大拋物反射面和小拋物反射面為金屬拋光面或涂反射層的面。冷卻金屬細管的進水端與冷卻水進水管9連接，冷卻水進水管與浮子冷水箱5連 接；冷卻金屬細管的出水端與熱水出水管16連接，熱水出水管與儲熱水箱17連接，在冷卻 金屬細管的出水端設(shè)置溫控閥門8. 4。迎光探測器為不透明球體或半球體，其球心軸線與所述兩拋物面的法向軸線平 行，在其球心軸線與球面相交點上開一個小孔，為光線入口，在小孔對側(cè)的內(nèi)部表面均勻地 放置光照度傳感器陣列；迎光探測器光線入口用硬質(zhì)不親水的透明材料覆蓋，光線入口旁 側(cè)設(shè)有電動刮雨刷1. 7 ；電動刮雨刷與控制器21連接；所述光照度傳感器陣列包括位于迎 光探測器軸線上的迎光對準檢測光照度傳感器陣列1. 5和位于偏離迎光探測器軸線的位 置上的光偏差檢測光照度傳感器陣列1.4。紅外濾光片3為反射型濾光片，其形狀為矩形，面積大于焦點、小于小拋物面，保 證經(jīng)大拋物面反射的光都能通過濾光片。大、小拋物面為槽式拋物面或盤式拋物面?？刂破骶哂袩o線通訊接口，通過該接口，與進行實時監(jiān)視和控制的遠程計算機連接。本發(fā)明的工作原理是跟蹤原理結(jié)合圖2和圖3，迎光探測器的球心軸線1. 6與兩拋物面的法向軸線11 平行，且東西放置，當入射光平行(重合)于迎光探測器的球心軸線1.6時，表明本裝置對 準了太陽，此時迎光對準檢測光照度傳感器陣列1. 5被入射光直射，這些在陣列1. 5上的 光照度傳感器節(jié)點的電信號會明顯異于其他光照度傳感器節(jié)點。本裝置未對準太陽時，光 偏差檢測傳感器陣列1.4被入射光直射，這些在陣列1.4上的光照度傳感器節(jié)點的電信號 會明顯異于其他光照度傳感器節(jié)點。控制器利用陣列1. 4與陣列1. 5間的位置差異，計算 出東西向和南北向的迎光偏差角度，用來驅(qū)動執(zhí)行電機，帶動?xùn)|西向伺服控制轉(zhuǎn)軸10和南 北向伺服控制轉(zhuǎn)軸18轉(zhuǎn)動，從而調(diào)節(jié)拋物面的方向，直到迎光對準檢測光照度傳感器陣列 1. 5被入射光直射時為止，此時本裝置對準了太陽。若控制器檢測到迎光探測器中任何一個 光照度傳感器節(jié)點的電信號均小于一定的閥值信號，則表明外界環(huán)境為黑夜(或不適于發(fā) 電)，此時無需驅(qū)動執(zhí)行電機運轉(zhuǎn)。總之控制器會根據(jù)迎光探測器反應(yīng)出的迎光偏差角度信 號，適時地調(diào)節(jié)機電伺服運動裝置，使兩拋物面跟蹤太陽光。聚光原理結(jié)合圖1，拋物面的軸線11對準太陽后，平行于拋物面軸線的太陽光4 經(jīng)大拋物反射面6反射后聚集在一點(或一線)，并通過紅外濾光片3，濾去了絕大部分紅 外線，通過濾光片的太陽光因過小拋物面2的焦點，經(jīng)小拋物反射面2反射后變?yōu)闀燮叫?的太陽光，均勻地投射到光伏電板7上，光伏電板所發(fā)的電通過電線12、13引出，既可處理 后直接使用，也可儲存在蓄電池中或并網(wǎng)使用。
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濾紅外線原理結(jié)合圖4，紅外濾光片放置在兩拋物面的焦點上或焦點前后附近， 大拋物面的反射光3. 1經(jīng)過紅外濾光片，紅外線3. 2被發(fā)散地反射了，不會射到光伏電板 上，另一部分不含紅外線的光3. 2透射過紅外濾光片。冷卻原理結(jié)合圖5，光伏電板7產(chǎn)生的熱量，被金屬導(dǎo)熱片8上的金屬細管8. 3內(nèi) 的水吸收，當細管內(nèi)的水溫達到一定的溫度，被溫度傳感器檢測到時，溫控閥門8. 4會自動 打開，熱水流入儲熱水箱17中，供生活和生產(chǎn)使用。同時，冷水通過冷卻水進水管9再次流 入到金屬細管8. 3內(nèi)。當細管內(nèi)的水溫回落到一定的溫度，被溫度傳感器檢測到時，溫控閥 門8. 4會自動關(guān)閉，水流停止，達到對光伏電板7的冷卻作用。節(jié)電與抗干擾原理帶動?xùn)|西向和南北向伺服控制轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動來跟蹤太陽的執(zhí)行電 機選用帶自鎖功能的伺服電機，即在電機加電時可以運轉(zhuǎn)，在電機斷電時轉(zhuǎn)軸自鎖以保持 原位，以節(jié)省跟蹤太陽過程中的電能。系統(tǒng)控制器設(shè)有模糊智能決策功能組件，該功能組件 允許一定的迎光角度偏差和太陽光跟蹤啟動間隔時間，以避免執(zhí)行電機頻繁的啟動；并用 邏輯判別的思想剔除外界瞬時強光對迎光探測器的干擾，以及合理地啟動迎光探測器上電 動刮雨刷的動作，以提高抗擾動性能。無線通訊接口設(shè)計原理無線通訊接口可優(yōu)選低成本單片射頻集成電路CClOxx 或同類芯片(如nRFMxx)作為收發(fā)通信芯片，其可視傳輸距離達千米以上；遠程計算機優(yōu) 選虛擬儀器軟件(如LabVIEWS. 2軟件)或其他組態(tài)及通用編程軟件編制本裝置的監(jiān)測與 控制應(yīng)用軟件；優(yōu)選地，將本裝置控制器設(shè)置為從模式并分配唯一指定的接收數(shù)碼地址編 號，將遠程計算機設(shè)置為主模式；本裝置控制器預(yù)先將裝置的各種控制參數(shù)和姿態(tài)參數(shù)放 置在自己的內(nèi)存中，并保持實時更新；當遠程計算機通過無線通訊發(fā)來指令時，本裝置控制 器首先匹配地址，若地址匹配成功，則進一步分析指令的語義和附帶的參數(shù)，進而按此指令 要求進行程序跳轉(zhuǎn)執(zhí)行，完成包括模糊智能決策邏輯規(guī)則參數(shù)調(diào)整，允許迎光角度偏差值 調(diào)整，光照度閥值調(diào)整，溫控閥值參數(shù)調(diào)整，電動刮雨刷動作間隔時間調(diào)整，裝置發(fā)電量、姿 態(tài)、水溫等參數(shù)上傳，以及執(zhí)行如停機、復(fù)位、強制定位和電動刮雨刷動作等控制命令。
權(quán)利要求
1.一種自動跟蹤雙拋物面聚光發(fā)電供熱系統(tǒng)，其特征是包括大拋物反射面和小拋物 反射面，上述兩個拋物面凹面相對且法向軸線在同一直線上，焦點或焦線重合；紅外濾光片 放置在兩拋物面的焦點上或焦點附近；光伏電板固定在大拋物反射面的凹面底部；光伏電 板和金屬導(dǎo)熱片相連，冷卻金屬細管緊貼在金屬導(dǎo)熱片上；光伏電板通過機械支承機構(gòu)與 東西向轉(zhuǎn)軸及南北向轉(zhuǎn)軸連接；在小拋物反射面前設(shè)置一個迎光探測器，其球心軸線與拋 物面法向軸線平行，迎光探測器與控制器連接，控制器與控制東西向轉(zhuǎn)軸和南北向轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn) 動的執(zhí)行電機連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自動跟蹤雙拋物面聚光發(fā)電供熱系統(tǒng)，其特征是大拋物反 射面和小拋物反射面為金屬拋光面或涂反射層的面。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的自動跟蹤雙拋物面聚光發(fā)電供熱系統(tǒng)，其特征是冷卻 金屬細管的進水端與冷卻水進水管連接，冷卻水進水管與浮子水箱連接；冷卻金屬細管的 出水端與熱水出管連接，熱水出管與儲熱水箱連接，在冷卻金屬細管的出水端設(shè)置溫控閥 門。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的自動跟蹤雙拋物面聚光發(fā)電供熱系統(tǒng)，其特征是迎光 探測器為不透明球體或半球體，其球心軸線與所述兩拋物面的法向軸線平行，在其球心軸 線與球面相交點上開一個小孔，為光線入口，在小孔對側(cè)的內(nèi)部表面均勻地放置光照度傳 感器陣列；迎光探測器光線入口用硬質(zhì)不親水的透明材料覆蓋，光線入口旁側(cè)設(shè)有電動刮 雨刷；所述光照度傳感器陣列包括位于迎光探測器球心軸線上的迎光對準檢測光照度傳感 器陣列和位于偏離迎光探測器軸線的位置上的光偏差檢測光照度傳感器陣列。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的自動跟蹤雙拋物面聚光發(fā)電供熱系統(tǒng)，其特征是紅外 濾光片為反射型濾光片，其形狀為矩形，面積大于焦點、小于小拋物面，保證經(jīng)大拋物面反 射的光都能通過濾光片。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的自動跟蹤雙拋物面聚光發(fā)電供熱系統(tǒng)，其特征是大、小 拋物面為槽式拋物面或盤式拋物面。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的自動跟蹤雙拋物面聚光發(fā)電供熱系統(tǒng)，其特征是控制 器具有無線通訊接口，通過該接口，與進行實時監(jiān)視和控制的遠程計算機連接。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種自動跟蹤雙拋物面聚光發(fā)電供熱系統(tǒng)，包括大拋物反射面和小拋物反射面，上述兩個拋物面凹面相對且法向軸線在同一直線上，焦點或焦線重合；紅外濾光片放置在兩拋物面的焦點上或焦點附近；光伏電板固定在大拋物反射面的凹面底部；光伏電板和金屬導(dǎo)熱片相連，冷卻金屬細管緊貼在金屬導(dǎo)熱片上；光伏電板通過機械支承機構(gòu)與東西向轉(zhuǎn)軸及南北向轉(zhuǎn)軸連接；在小拋物反射面前設(shè)置一個迎光探測器，其球心軸線與拋物面軸線平行，迎光探測器與控制器連接，控制器與控制東西轉(zhuǎn)軸和南北轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動的執(zhí)行電機連接。本發(fā)明結(jié)構(gòu)合理，解決了現(xiàn)有太陽光跟蹤系統(tǒng)，干擾多、精度低、穩(wěn)定性差的問題，減少了檢測誤差，提高跟蹤精度和穩(wěn)定性。
文檔編號G02B7/00GK102082195SQ20101050069
公開日2011年6月1日 申請日期2010年9月30日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月30日
發(fā)明者張海洋, 曹海平, 王峰, 茅靖峰, 袁媛, 郭必裕, 陳華成, 顧菊平 申請人:南通大學(xué)