曾令倫

(樂山市中區(qū) 四川 樂山 614000)

自工業(yè)革命以來，人類長期大量消耗化石燃料，排放出大量的二氧化碳等溫室氣體，導致全球氣候逐步變暖．隨著經(jīng)濟發(fā)展，人類對能源的需求不斷增加，傳統(tǒng)能源趨于緊張．開發(fā)利用新能源、抑制氣候變暖，實乃當前形勢所迫．太陽能是一種安全、環(huán)保、可持續(xù)的清潔能源，當它到達地球表面時，能流密度卻很低，且是間斷的、不穩(wěn)定的．圍繞利用太陽能，人們已研發(fā)出多種類型裝置，如真空管集熱器、平板集熱器、槽式集熱器、塔式集熱器和碟式集熱器等，但有的太陽能利用裝置，因為效率偏低，成本較高，總的來說，經(jīng)濟性還不能與常規(guī)能源相競爭．目前的太陽能利用裝置，還無法大規(guī)模推廣應用，人類難以擺脫對化石燃料的依賴，大量廢氣廢熱繼續(xù)排放到自然環(huán)境中，而照射到地面的太陽能又不能充分利用，加劇了氣候變暖，致使人們在夏季越來越酷熱難受．嚴峻的形勢，不斷催生著新技術問世．

本文介紹一種跟蹤式圓臺聚光裝置，以模塊形式組合成聚光系統(tǒng)和受光系統(tǒng)，利用跟蹤系統(tǒng)，沿著東西、南北兩個方向，對太陽光線進行雙向實時跟蹤，最大限度地吸收照入大圓臺大口部的光線，具有聚能功效高、穩(wěn)固性強、應用范圍廣等特點，可為太陽能集熱、光伏發(fā)電提供高效低廉的聚能裝置．

1 現(xiàn)有技術成果

利用截口圓錐體作為太陽能聚集裝置，是一個舊課題，以前人們進行了先行探索，研制了一些初級產(chǎn)品.但是存在著功率、效率不高等問題，未能大規(guī)模推廣應用．如1901年，在美國加利福尼亞州建成一臺太陽能抽水裝置，采用截頭圓錐聚光器，功率為7.36 kW．要提高這種裝置的聚能功率和效率，就需準確跟蹤太陽光線偏轉，將照入圓錐內(nèi)的太陽能大部分收集起來，同時保持裝置的穩(wěn)固性，例如能抗御6級(含)以下的大風，并非易事，技術上有待突破．

2 研制跟蹤式圓臺聚光裝置

如圖1所示，本裝置分為聚光系統(tǒng)、受光系統(tǒng)、跟蹤系統(tǒng)3大部分.

圖1 跟蹤式圓臺聚光裝置

其中聚光系統(tǒng)包括反光裝置、東西支撐旋轉裝置、南北支撐旋轉裝置，受光系統(tǒng)包括受光框架支撐裝置、受光框架、受光器等，屬于一種面聚集裝置．其中，反光裝置由一個大圓臺和一個底接圓臺拼接而成，底接圓臺大口部懸接在大圓臺小口部，兩個圓臺的大口部都朝上、小口部向下，內(nèi)空，內(nèi)表面貼反光膜；大圓臺高度與受光框架高度相等，當反光裝置水平擺放時，兩個圓臺拼接面與受光框架底面位于同一水平面上；大圓臺錐角為90°，底接圓臺錐角為鈍角．

東西支撐旋轉裝置包括支架、外箍固定桿、東西轉軸、東西軸承套筒、東西1號電機、東西2號電機；其中，支架有4副，呈四棱錐體形，每副支架的底框邊上設有4個滾輪、底框四角上各設1條斜腳桿，沿著南北方向設在地面、建筑物上或車載平臺上，用于支撐東西軸承套筒、東西1號電機、東西2號電機、外箍圓臺；東西轉軸在東西1號、2號電機的驅使下，利用外箍固定桿，支撐并帶動外箍圓臺沿著東西方向同步旋轉，外箍圓臺再帶動南北支撐旋轉裝置沿著東西方向同步旋轉．

南北支撐旋轉裝置包括內(nèi)箍圈、內(nèi)箍固定桿、鉤架、外箍圓臺、南北轉軸、南北軸承套筒、南北1號電機、南北2號電機；其中，設在外箍圓臺東西兩側的南北軸承套筒、鉤架，用于支撐南北轉軸、南北1號電機、南北2號電機；內(nèi)箍圈被緊扣在反光裝置重心水平線上，利用螺栓螺母或鉚釘固定在大圓臺外側面；南北轉軸在南北1號、2號電機的驅使下，利用內(nèi)箍固定桿、內(nèi)箍圈，支撐并帶動反光裝置沿著南北方向同步旋轉．

如圖2所示，東西1號、2號電機，都呈圓筒狀，其東西轉軸及東西軸承套筒位于圓筒軸線上，利用輻條將圓筒側面與東西軸承套筒連為一體，東西轉軸與工字形轉柄中點垂直相接，工字形轉柄設在圓筒中央，其兩端各設一條“[”形永磁體，作為轉子，每臺電機設有一對轉子；圓筒內(nèi)側面的上、下兩個半圓筒，均呈環(huán)形分布24條相同的“[”形軟磁鐵心線圈，作為定子；轉子口部與定子口部相吻合；每條定子在圓周上各占6°，24條定子共占144°，上、下半圓筒之間空隙36°；上、下半圓筒的兩條沿轉軸對稱的定子，組成一對，每臺電機共設24對定子；每對定子通電時產(chǎn)生磁場、吸引轉子，斷電后磁場消失；所有定子都繞有初級線圈，部分定子還繞有次級線圈．任一時刻，東西1號、2號電機，都只有1對位于相同圓周弧度上的定子通電．南北1號、2號電機與東西1號、2號電機的結構基本相同．

圖2 東西1號、2號電機

如圖3所示，受光框架支撐裝置包括腳手架、吊桿、托板；其中，腳手架是一副門式移動腳手架，包括下梁柱、滾輪、斜腳桿、下梁柱連接桿、升降部件、上梁柱、橫梁，腳手架上鋪設有水管、氣管、輸冷工質(zhì)管、輸熱工質(zhì)管、導線；水管和氣管的噴嘴設在橫梁中部，能對反光裝置的內(nèi)側面、受光框架和受光器的外表面進行全方位噴水、吹風，快速清洗除塵．

圖3 受光框架支撐裝置

如圖4所示，受光框架為一個長方體空心架子，底面呈正方形，其上面空置，4個側面和底面均鋪設受光器．受光器可以采用太陽能高溫集熱管，或平板集熱器、或太陽能電池板，同時配備相應的輸冷工質(zhì)管、輸熱工質(zhì)管，或導線．

圖4 受光框架鋪設集熱管

3 設計太陽跟蹤系統(tǒng)

包括東西方向分層感光器和總感光器、南北方向分層感光器和總感光器，控制東西1號、2號電機旋轉的電路，控制南北1號、2號電機旋轉的電路．

太陽照射地面的方向，每天、每時、每刻都在發(fā)生變化，同一地點在不同的季節(jié)、月份，變化較大．例如在北緯30°的某個地點，從冬至到夏至，太陽高度角逐漸由小變大；從夏至到冬至，太陽高度角又逐漸由大變?。贿M入新的一年后，又開始新一輪循環(huán)．如此周而復始．雖然太陽并不總是從正東方升、正西方落，有時從東偏北方升、西偏北方落；有時又從東偏南方升、西偏南方落，情況復雜，但可以簡化處理，將太陽照地方向分解為兩個方向，即從東向西偏移過程中的照地方向，從南向北、或從北向南偏移過程中的照地方向．

如圖5所示，本裝置設置東西方向感光器、南北方向感光器各一套(以圖中垂直相交虛線為坐標系)，每套感光器均由分層感光器和總感光器組成．

圖5 感光器設置圖

東西方向分層感光器和總感光器，沿著東西方向擺放，主要探測陽光沿東西方向偏移變化情況、白天總體照射情況；南北方向分層感光器和總感光器，沿著南北方向擺放，主要探測陽光沿南北方向移動情況、白天總體照射情況．

如圖6所示，東西方向分層感光器與南北方向分層感光器結構相同，都是一個半圓筒密閉盒，由里至外半徑逐步增大，分別設有內(nèi)層、中間層、外殼，都呈半圓筒面；沿著密閉盒橫截面的圓心向外殼輻射出去，間隔6°，將密閉盒縱向平均劃分為30個小室，各個小室用隔離板分開，除去首1—3號、尾28—30號為空室外，其余中間段24個小室為有用小室；每個有用小室的內(nèi)層設有1個長條形光敏電阻、中間層設有1面長方形菲涅耳透鏡、外殼設有1個長方形透光板，透光板面積和透鏡距離設置適當，確保陽光偏移過程中只有1個有用小室透鏡及光敏電阻能被有效照射；密閉盒的正面、后面、底面和筒內(nèi)的隔離板，都采用遮光板．東西方向、南北方向總感光器結構也相同，都是一個梯形棱臺密閉匣子，下底面小、上底面大，由下至上分別為下底面、中間層、上底面，都呈長方形；下底面設有1個長條形光敏電阻，中間層設有1面長方形菲涅耳透鏡，上底面設有1個長方形透光板；密閉匣子的正面、后面都為等腰梯形，其兩條腰與下底邊的內(nèi)夾角均為159°；密閉匣子的左右兩個側面，都呈長方形；正面、后面、左右兩個側面和下底面都采用遮光板．

圖6 感光器結構圖

聚能原理：設計兩套控制電路，通過接收東西方向、南北方向感光器的陽光偏移信號，把它轉變?yōu)殡娦盘?，自動控制東西方向、南北方向支撐旋轉裝置動作，驅使反光裝置白天沿著東西、南北兩個方向，對太陽光線進行雙向實時跟蹤，使太陽光線垂直或近垂直照入大圓臺大口部；其中，大部分入射光線照到大圓臺內(nèi)側面，經(jīng)過反射，以垂直或近垂直的方式，投射到受光框架的4個外側面上，小部分入射光線照到底接圓臺內(nèi)表面，經(jīng)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個外側面上；少量光線直接從上頂照入受光框架中，照到受光框架的內(nèi)底面和4個內(nèi)側面．還有極少量光線，從框架上的一個外側面、或外底面的縫隙中穿過，照到對面的側面上，也容易被對面的受光器吸收．所以，逃逸出去的光線很少．由于受光框架懸掛在反光裝置中央，其底面和4個側面都受到陽光雙面照射，且太陽光線經(jīng)聚集后以垂直或近垂直的方式照射到各面上，所以太陽能流密度較高，聚能效果較好．

鋪設在受光框架底面和4個側面上的受光器，可以是太陽能高溫集熱管，或平板集熱器、或太陽能電池板．聚光系統(tǒng)與受光系統(tǒng)以模塊形式進行組合或分離．受光系統(tǒng)安裝完畢后可以相對固定，其中的輸冷工質(zhì)管、輸熱工質(zhì)管可與集熱器采取硬接方式，便于將工質(zhì)升至高溫．

4 計算受光框架上受光器聚能功率

如圖7所示為受光器.

圖7 反光裝置注記圖

設大圓臺大口部半徑為R1．大圓臺大口部面積即為反光裝置的采光面積

(1)

設太陽照射地面的輻照強度為QS→地,大圓臺聚集太陽能的平均功率為PS→圓臺，則有

(2)

設受光框架的底面邊長為a，高為h1，計得底面和4個側面的總面積為S框架

S框架=a2+4ah1

(3)

設反光膜的反光率為η膜反，受光框架對太陽能的聚集率為η框集，受光框架底面和4個側面上的平均太陽能流面密度為ρS→框架，則

ρS→框架=QS→地S采η膜反η框集/S框架=

(4)

據(jù)《太陽能科普》介紹 ，可設太陽輻照地面強度為

QS→地=600 W/m2

(5)

根據(jù)青島凌鼎新能源有限公司公布的太陽能反光膜，可將反光率設為

η膜反=95%

(6)

根據(jù)前面聚能原理分析，可將受光框架對太陽能的聚集率設為

η框集=95%

(7)

為使裝置在較小情況下獲得較佳的聚光效果，經(jīng)研練，暫將反光裝置與受光框架的大小關系確定為：受光框架的底面邊長a，高h1=3a；大圓臺大口部半徑R1=6a，小口部半徑R2=3.1a，高也為h1=3a；底接圓臺大口部半徑為R2=3.1a，小口部半徑為R3=0.4a、高為h2=1.1a．

此時聚光比C為

(8)

將式(5)～(8)代入式(4)中，也即假定一些常見參數(shù)后，式(4)簡寫為

(9)

設受光器對太陽能的吸收率為η器吸，受光器面積為ΣS器，受光器聚集太陽能功率為P器聚能

P器聚能=ρS→框架η器吸ΣS器

(10)

根據(jù)網(wǎng)上《目前傳統(tǒng)平板太陽能/真空管太陽能集熱器熱效率分別是多少？》，可設φ47管、φ58管、平板集熱器的熱效率為

ηφ47吸=0.452

(11)

ηφ58吸=0.502

(12)

η平板吸=0.855

(13)

5 應用舉例

5.1 用于太陽能集熱

【例1】當受光框架底面、4個側面鋪設φ47、長1.2 m的集熱管時，計算集熱功率.

如果采用長1.2 m的φ47集熱管 ，相應地設受光框架底面邊長a=1.2 m，高h=3a=3.6 m，大圓臺大口部圓半徑R1=6a=7.2 m．串接集熱管時，除因接頭需要預留必要的管間距外，應盡量靠緊鋪設，縮小管間距，增加管子數(shù)密度．如果參照其他裝置要求兩管中心距為75 mm標準，暫將本裝置兩管中心距設為75 mm．對于φ47管，每條管子占用寬度為

L管寬=D管徑+D管間=0.075 m

(14)

受光框架底面可鋪設管子數(shù)為

(15)

受光框架每個側面可鋪設管子數(shù)為

(16)

受光框架底面集熱管面積為S底管

S底管=n底管aD管徑= 0.90 m2

(17)

受光框架每個側面集熱管面積為S側管

S側管=n側管aD管徑≈2.71 m2

(18)

受光框架上φ47管的總集熱面積為ΣSφ47

ΣSφ47=S底管+4S側管=11.74 m2

(19)

由式(9)、(10)、(11)、(19)，可得受光框架上φ47管的總集熱功率為

Pφ47集熱=ρS→框架η器吸ΣSφ47≈24 999 J/s

(20)

【例2】當受光框架底面、4個側面鋪設平板集熱器時，計算集熱功率.

假設采用與例1相同的受光框架，則鋪設在底面的平板集熱器面積為

S底平板=a·a= 1.44 m2

(21)

鋪設在每個側面的平板集熱器面積為

S側平板=ah=4.32 m2

(22)

受光框架上平板集熱器的總面積為

ΣS平板=S底平板+4S側平板=18.72 m2

(23)

由式(9)、(10)、(13)、(23)，可得受光框架上平板集熱器的總集熱功率為

P平板集熱=ρS→框架η器吸ΣS平板=75 402 J/s

(24)

5.2 用于太陽能光伏發(fā)電

假設采用與例1相同的受光框架，鋪設在底面、4個側面的太陽能電池板，其面積與例2平板集熱器的面積相等．設太陽能電池的轉化效率為η電池轉，有效總面積為ΣS電池有效，則受光框架上太陽能電池的發(fā)電功率為

P電池發(fā)=ρS→框架η電池轉ΣS電池有效

(25)

【例3】鋪設單晶Si125太陽能電池的發(fā)電功率

根據(jù)現(xiàn)有太陽能電池轉化效率，假設工作在AM1.5條件下，可設單晶Si125的轉化效率為

η單晶125轉=15%

(26)

受光框架底面和4個側面上可鋪設單晶Si125的總數(shù)為

Σn單晶125=n底單晶125+4n側單晶125=

(27)

根據(jù)《太陽能電池片的面積》，可知單晶Si125的有效面積是14 871 mm2．受光框架上鋪設該電池的有效總面積為

ΣS單晶125有效=Σn單晶125S單晶125有效=17.786 m2

(28)

由式(9)、(25)、(26)、(28)，得受光框架上鋪設該電池的總發(fā)電功率為

P單晶125發(fā)=ρS→框架η單晶125轉ΣS單晶125有效=12 568 J/s

(29)

【例4】鋪設N型雙面156太陽能電池的發(fā)電功率.

根據(jù)現(xiàn)有雙面太陽能電池轉化效率，假設工作在AM1.5條件下，可設N型雙面156電池的轉化效率為

η雙面156轉=20.6%

(30)

受光框架底面和4個側面上可鋪設N型雙面156電池的總數(shù)為

Σn雙面156=n底雙面156+4n側雙面156=

(31)

參照多晶Si156的有效面積，可知雙面156電池的有效面積為24 336 mm2．受光框架上鋪設該電池的有效總面積為

ΣS雙面156有效=Σn雙面156S雙面156有效=18.665 m2

(32)

由式(9)、(25)、(30)、(32)，得受光框架上鋪設該電池的總發(fā)電功率為

P雙面156發(fā)=ρS→框架η雙面156轉ΣS雙面156有效=18 114 J/s

(33)

6 初步結論

本裝置利用跟蹤系統(tǒng)，對太陽光線進行雙向實時跟蹤，讓陽光垂直或近垂直照入大圓臺大口部，經(jīng)反射，以垂直或近垂直方式投射到受光框架4個側面和底面上，將受光器照射，從而獲得較好的聚能效果．采用4副支架、門式移動腳手架，分別支撐聚光系統(tǒng)和受光系統(tǒng)，具有一定的穩(wěn)固性，預計能抗御6級(含)以下大風；如給東西軸承套筒、門式移動腳手架輔助增加設幾條斜撐桿、拉索，還可提高抗風等級.聚光系統(tǒng)與受光系統(tǒng)以模塊形式進行組合或分離，可機動設置，應用范圍廣．裝置采用鋁合金、不銹鋼、反光膜等常規(guī)材料，成本較低，可為太陽能集熱、光伏發(fā)電提供高效低廉的聚能裝置，并在裝置下方自然形成蔽蔭區(qū)域．一旦大規(guī)模推廣應用，既可充分利用太陽能，為經(jīng)濟發(fā)展提供新能源，又能減弱陽光對地面的炙烤，有望逐步遏制、扭轉全球氣候變暖的趨勢．本裝置不僅在地球上使用，其他星球上也可應用，為人類遨游宇宙提供一種簡便的聚能裝置．