跟踪式圆台聚光装置原理探索

曾令伦

(乐山市中区 四川 乐山 614000)

自工业革命以来，人类长期大量消耗化石燃料，排放出大量的二氧化碳等温室气体，导致全球气候逐步变暖．随着经济发展，人类对能源的需求不断增加，传统能源趋于紧张．开发利用新能源、抑制气候变暖，实乃当前形势所迫．太阳能是一种安全、环保、可持续的清洁能源，当它到达地球表面时，能流密度却很低，且是间断的、不稳定的．围绕利用太阳能，人们已研发出多种类型装置，如真空管集热器、平板集热器、槽式集热器、塔式集热器和碟式集热器等，但有的太阳能利用装置，因为效率偏低，成本较高，总的来说，经济性还不能与常规能源相竞争．目前的太阳能利用装置，还无法大规模推广应用，人类难以摆脱对化石燃料的依赖，大量废气废热继续排放到自然环境中，而照射到地面的太阳能又不能充分利用，加剧了气候变暖，致使人们在夏季越来越酷热难受．严峻的形势，不断催生着新技术问世．

本文介绍一种跟踪式圆台聚光装置，以模块形式组合成聚光系统和受光系统，利用跟踪系统，沿着东西、南北两个方向，对太阳光线进行双向实时跟踪，最大限度地吸收照入大圆台大口部的光线，具有聚能功效高、稳固性强、应用范围广等特点，可为太阳能集热、光伏发电提供高效低廉的聚能装置．

1 现有技术成果

利用截口圆锥体作为太阳能聚集装置，是一个旧课题，以前人们进行了先行探索，研制了一些初级产品.但是存在着功率、效率不高等问题，未能大规模推广应用．如1901年，在美国加利福尼亚州建成一台太阳能抽水装置，采用截头圆锥聚光器，功率为7.36 kW．要提高这种装置的聚能功率和效率，就需准确跟踪太阳光线偏转，将照入圆锥内的太阳能大部分收集起来，同时保持装置的稳固性，例如能抗御6级(含)以下的大风，并非易事，技术上有待突破．

2 研制跟踪式圆台聚光装置

如图1所示，本装置分为聚光系统、受光系统、跟踪系统3大部分.

图1 跟踪式圆台聚光装置

其中聚光系统包括反光装置、东西支撑旋转装置、南北支撑旋转装置，受光系统包括受光框架支撑装置、受光框架、受光器等，属于一种面聚集装置．其中，反光装置由一个大圆台和一个底接圆台拼接而成，底接圆台大口部悬接在大圆台小口部，两个圆台的大口部都朝上、小口部向下，内空，内表面贴反光膜；大圆台高度与受光框架高度相等，当反光装置水平摆放时，两个圆台拼接面与受光框架底面位于同一水平面上；大圆台锥角为90°，底接圆台锥角为钝角．

东西支撑旋转装置包括支架、外箍固定杆、东西转轴、东西轴承套筒、东西1号电机、东西2号电机；其中，支架有4副，呈四棱锥体形，每副支架的底框边上设有4个滚轮、底框四角上各设1条斜脚杆，沿着南北方向设在地面、建筑物上或车载平台上，用于支撑东西轴承套筒、东西1号电机、东西2号电机、外箍圆台；东西转轴在东西1号、2号电机的驱使下，利用外箍固定杆，支撑并带动外箍圆台沿着东西方向同步旋转，外箍圆台再带动南北支撑旋转装置沿着东西方向同步旋转．

南北支撑旋转装置包括内箍圈、内箍固定杆、钩架、外箍圆台、南北转轴、南北轴承套筒、南北1号电机、南北2号电机；其中，设在外箍圆台东西两侧的南北轴承套筒、钩架，用于支撑南北转轴、南北1号电机、南北2号电机；内箍圈被紧扣在反光装置重心水平线上，利用螺栓螺母或铆钉固定在大圆台外侧面；南北转轴在南北1号、2号电机的驱使下，利用内箍固定杆、内箍圈，支撑并带动反光装置沿着南北方向同步旋转．

如图2所示，东西1号、2号电机，都呈圆筒状，其东西转轴及东西轴承套筒位于圆筒轴线上，利用辐条将圆筒侧面与东西轴承套筒连为一体，东西转轴与工字形转柄中点垂直相接，工字形转柄设在圆筒中央，其两端各设一条“[”形永磁体，作为转子，每台电机设有一对转子；圆筒内侧面的上、下两个半圆筒，均呈环形分布24条相同的“[”形软磁铁心线圈，作为定子；转子口部与定子口部相吻合；每条定子在圆周上各占6°，24条定子共占144°，上、下半圆筒之间空隙36°；上、下半圆筒的两条沿转轴对称的定子，组成一对，每台电机共设24对定子；每对定子通电时产生磁场、吸引转子，断电后磁场消失；所有定子都绕有初级线圈，部分定子还绕有次级线圈．任一时刻，东西1号、2号电机，都只有1对位于相同圆周弧度上的定子通电．南北1号、2号电机与东西1号、2号电机的结构基本相同．

图2 东西1号、2号电机

如图3所示，受光框架支撑装置包括脚手架、吊杆、托板；其中，脚手架是一副门式移动脚手架，包括下梁柱、滚轮、斜脚杆、下梁柱连接杆、升降部件、上梁柱、横梁，脚手架上铺设有水管、气管、输冷工质管、输热工质管、导线；水管和气管的喷嘴设在横梁中部，能对反光装置的内侧面、受光框架和受光器的外表面进行全方位喷水、吹风，快速清洗除尘．

图3 受光框架支撑装置

如图4所示，受光框架为一个长方体空心架子，底面呈正方形，其上面空置，4个侧面和底面均铺设受光器．受光器可以采用太阳能高温集热管，或平板集热器、或太阳能电池板，同时配备相应的输冷工质管、输热工质管，或导线．

图4 受光框架铺设集热管

3 设计太阳跟踪系统

包括东西方向分层感光器和总感光器、南北方向分层感光器和总感光器，控制东西1号、2号电机旋转的电路，控制南北1号、2号电机旋转的电路．

太阳照射地面的方向，每天、每时、每刻都在发生变化，同一地点在不同的季节、月份，变化较大．例如在北纬30°的某个地点，从冬至到夏至，太阳高度角逐渐由小变大；从夏至到冬至，太阳高度角又逐渐由大变小；进入新的一年后，又开始新一轮循环．如此周而复始．虽然太阳并不总是从正东方升、正西方落，有时从东偏北方升、西偏北方落；有时又从东偏南方升、西偏南方落，情况复杂，但可以简化处理，将太阳照地方向分解为两个方向，即从东向西偏移过程中的照地方向，从南向北、或从北向南偏移过程中的照地方向．

如图5所示，本装置设置东西方向感光器、南北方向感光器各一套(以图中垂直相交虚线为坐标系)，每套感光器均由分层感光器和总感光器组成．

图5 感光器设置图

东西方向分层感光器和总感光器，沿着东西方向摆放，主要探测阳光沿东西方向偏移变化情况、白天总体照射情况；南北方向分层感光器和总感光器，沿着南北方向摆放，主要探测阳光沿南北方向移动情况、白天总体照射情况．

如图6所示，东西方向分层感光器与南北方向分层感光器结构相同，都是一个半圆筒密闭盒，由里至外半径逐步增大，分别设有内层、中间层、外壳，都呈半圆筒面；沿着密闭盒横截面的圆心向外壳辐射出去，间隔6°，将密闭盒纵向平均划分为30个小室，各个小室用隔离板分开，除去首1—3号、尾28—30号为空室外，其余中间段24个小室为有用小室；每个有用小室的内层设有1个长条形光敏电阻、中间层设有1面长方形菲涅耳透镜、外壳设有1个长方形透光板，透光板面积和透镜距离设置适当，确保阳光偏移过程中只有1个有用小室透镜及光敏电阻能被有效照射；密闭盒的正面、后面、底面和筒内的隔离板，都采用遮光板．东西方向、南北方向总感光器结构也相同，都是一个梯形棱台密闭匣子，下底面小、上底面大，由下至上分别为下底面、中间层、上底面，都呈长方形；下底面设有1个长条形光敏电阻，中间层设有1面长方形菲涅耳透镜，上底面设有1个长方形透光板；密闭匣子的正面、后面都为等腰梯形，其两条腰与下底边的内夹角均为159°；密闭匣子的左右两个侧面，都呈长方形；正面、后面、左右两个侧面和下底面都采用遮光板．

图6 感光器结构图

聚能原理：设计两套控制电路，通过接收东西方向、南北方向感光器的阳光偏移信号，把它转变为电信号，自动控制东西方向、南北方向支撑旋转装置动作，驱使反光装置白天沿着东西、南北两个方向，对太阳光线进行双向实时跟踪，使太阳光线垂直或近垂直照入大圆台大口部；其中，大部分入射光线照到大圆台内侧面，经过反射，以垂直或近垂直的方式，投射到受光框架的4个外侧面上，小部分入射光线照到底接圆台内表面，经反射，以垂直、近垂直或稍斜射的方式，投射到受光框架的外底面和4个外侧面上；少量光线直接从上顶照入受光框架中，照到受光框架的内底面和4个内侧面．还有极少量光线，从框架上的一个外侧面、或外底面的缝隙中穿过，照到对面的侧面上，也容易被对面的受光器吸收．所以，逃逸出去的光线很少．由于受光框架悬挂在反光装置中央，其底面和4个侧面都受到阳光双面照射，且太阳光线经聚集后以垂直或近垂直的方式照射到各面上，所以太阳能流密度较高，聚能效果较好．

铺设在受光框架底面和4个侧面上的受光器，可以是太阳能高温集热管，或平板集热器、或太阳能电池板．聚光系统与受光系统以模块形式进行组合或分离．受光系统安装完毕后可以相对固定，其中的输冷工质管、输热工质管可与集热器采取硬接方式，便于将工质升至高温．

4 计算受光框架上受光器聚能功率

如图7所示为受光器.

图7 反光装置注记图

设大圆台大口部半径为R1．大圆台大口部面积即为反光装置的采光面积

(1)

设太阳照射地面的辐照强度为QS→地,大圆台聚集太阳能的平均功率为PS→圆台，则有

(2)

设受光框架的底面边长为a，高为h1，计得底面和4个侧面的总面积为S框架

S框架=a2+4ah1

(3)

设反光膜的反光率为η膜反，受光框架对太阳能的聚集率为η框集，受光框架底面和4个侧面上的平均太阳能流面密度为ρS→框架，则

ρS→框架=QS→地S采η膜反η框集/S框架=

(4)

据《太阳能科普》介绍 ，可设太阳辐照地面强度为

QS→地=600 W/m2

(5)

根据青岛凌鼎新能源有限公司公布的太阳能反光膜，可将反光率设为

η膜反=95%

(6)

根据前面聚能原理分析，可将受光框架对太阳能的聚集率设为

η框集=95%

(7)

为使装置在较小情况下获得较佳的聚光效果，经研练，暂将反光装置与受光框架的大小关系确定为：受光框架的底面边长a，高h1=3a；大圆台大口部半径R1=6a，小口部半径R2=3.1a，高也为h1=3a；底接圆台大口部半径为R2=3.1a，小口部半径为R3=0.4a、高为h2=1.1a．

此时聚光比C为

(8)

将式(5)～(8)代入式(4)中，也即假定一些常见参数后，式(4)简写为

(9)

设受光器对太阳能的吸收率为η器吸，受光器面积为ΣS器，受光器聚集太阳能功率为P器聚能

P器聚能=ρS→框架η器吸ΣS器

(10)

根据网上《目前传统平板太阳能/真空管太阳能集热器热效率分别是多少？》，可设φ47管、φ58管、平板集热器的热效率为

ηφ47吸=0.452

(11)

ηφ58吸=0.502

(12)

η平板吸=0.855

(13)

5 应用举例

5.1 用于太阳能集热

【例1】当受光框架底面、4个侧面铺设φ47、长1.2 m的集热管时，计算集热功率.

如果采用长1.2 m的φ47集热管 ，相应地设受光框架底面边长a=1.2 m，高h=3a=3.6 m，大圆台大口部圆半径R1=6a=7.2 m．串接集热管时，除因接头需要预留必要的管间距外，应尽量靠紧铺设，缩小管间距，增加管子数密度．如果参照其他装置要求两管中心距为75 mm标准，暂将本装置两管中心距设为75 mm．对于φ47管，每条管子占用宽度为

L管宽=D管径+D管间=0.075 m

(14)

受光框架底面可铺设管子数为

(15)

受光框架每个侧面可铺设管子数为

(16)

受光框架底面集热管面积为S底管

S底管=n底管aD管径= 0.90 m2

(17)

受光框架每个侧面集热管面积为S侧管

S侧管=n侧管aD管径≈2.71 m2

(18)

受光框架上φ47管的总集热面积为ΣSφ47

ΣSφ47=S底管+4S侧管=11.74 m2

(19)

由式(9)、(10)、(11)、(19)，可得受光框架上φ47管的总集热功率为

Pφ47集热=ρS→框架η器吸ΣSφ47≈24 999 J/s

(20)

【例2】当受光框架底面、4个侧面铺设平板集热器时，计算集热功率.

假设采用与例1相同的受光框架，则铺设在底面的平板集热器面积为

S底平板=a·a= 1.44 m2

(21)

铺设在每个侧面的平板集热器面积为

S侧平板=ah=4.32 m2

(22)

受光框架上平板集热器的总面积为

ΣS平板=S底平板+4S侧平板=18.72 m2

(23)

由式(9)、(10)、(13)、(23)，可得受光框架上平板集热器的总集热功率为

P平板集热=ρS→框架η器吸ΣS平板=75 402 J/s

(24)

5.2 用于太阳能光伏发电

假设采用与例1相同的受光框架，铺设在底面、4个侧面的太阳能电池板，其面积与例2平板集热器的面积相等．设太阳能电池的转化效率为η电池转，有效总面积为ΣS电池有效，则受光框架上太阳能电池的发电功率为

P电池发=ρS→框架η电池转ΣS电池有效

(25)

【例3】铺设单晶Si125太阳能电池的发电功率

根据现有太阳能电池转化效率，假设工作在AM1.5条件下，可设单晶Si125的转化效率为

η单晶125转=15%

(26)

受光框架底面和4个侧面上可铺设单晶Si125的总数为

Σn单晶125=n底单晶125+4n侧单晶125=

(27)

根据《太阳能电池片的面积》，可知单晶Si125的有效面积是14 871 mm2．受光框架上铺设该电池的有效总面积为

ΣS单晶125有效=Σn单晶125S单晶125有效=17.786 m2

(28)

由式(9)、(25)、(26)、(28)，得受光框架上铺设该电池的总发电功率为

P单晶125发=ρS→框架η单晶125转ΣS单晶125有效=12 568 J/s

(29)

【例4】铺设N型双面156太阳能电池的发电功率.

根据现有双面太阳能电池转化效率，假设工作在AM1.5条件下，可设N型双面156电池的转化效率为

η双面156转=20.6%

(30)

受光框架底面和4个侧面上可铺设N型双面156电池的总数为

Σn双面156=n底双面156+4n侧双面156=

(31)

参照多晶Si156的有效面积，可知双面156电池的有效面积为24 336 mm2．受光框架上铺设该电池的有效总面积为

ΣS双面156有效=Σn双面156S双面156有效=18.665 m2

(32)

由式(9)、(25)、(30)、(32)，得受光框架上铺设该电池的总发电功率为

P双面156发=ρS→框架η双面156转ΣS双面156有效=18 114 J/s

(33)

6 初步结论

本装置利用跟踪系统，对太阳光线进行双向实时跟踪，让阳光垂直或近垂直照入大圆台大口部，经反射，以垂直或近垂直方式投射到受光框架4个侧面和底面上，将受光器照射，从而获得较好的聚能效果．采用4副支架、门式移动脚手架，分别支撑聚光系统和受光系统，具有一定的稳固性，预计能抗御6级(含)以下大风；如给东西轴承套筒、门式移动脚手架辅助增加设几条斜撑杆、拉索，还可提高抗风等级.聚光系统与受光系统以模块形式进行组合或分离，可机动设置，应用范围广．装置采用铝合金、不锈钢、反光膜等常规材料，成本较低，可为太阳能集热、光伏发电提供高效低廉的聚能装置，并在装置下方自然形成蔽荫区域．一旦大规模推广应用，既可充分利用太阳能，为经济发展提供新能源，又能减弱阳光对地面的炙烤，有望逐步遏制、扭转全球气候变暖的趋势．本装置不仅在地球上使用，其他星球上也可应用，为人类遨游宇宙提供一种简便的聚能装置．