阅读说明：本技术 一种用于太阳能腔式吸热器的几何可变接收窗装置 (Geometric variable receiving window device for solar cavity type heat absorber ) 是由 颜健 唐俊豪 彭佑多 刘永祥 于 2019-11-15 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种用于太阳能腔式吸热器的几何可变接收窗装置,包括两个叶片装置模块、两个电机、光密度传感器、机壳和控制器；机壳包括两个环形端板及连接两个环形端板的筒状连接板；所述的两个叶片装置模块安装在机壳内,两个叶片装置模块分别固定安装在机壳的两个环形端板上；两个电机分别安装在机壳的两个环形端板上；电机能够带动叶片装置模块上的叶片转动；光密度传感器安装在叶片装置模块的一个叶片上,用于测量进入太阳能腔体吸热器的光密度；光密度传感器和两个电机分别与控制器连接。本发明能够形成特征不同的接收窗形状,能够通过几何特征形状来减缓吸热器腔体的气体流动,从而减少对流热损失。(The invention discloses a geometric variable receiving window device for a solar cavity type heat absorber, which comprises two blade device modules, two motors, an optical density sensor, a machine shell and a controller, wherein the two blades are arranged on the machine shell; the shell comprises two annular end plates and a cylindrical connecting plate for connecting the two annular end plates; the two blade device modules are arranged in the machine shell and are respectively and fixedly arranged on two annular end plates of the machine shell; the two motors are respectively arranged on the two annular end plates of the shell; the motor can drive the blades on the blade device module to rotate; the optical density sensor is arranged on one blade of the blade device module and used for measuring the optical density of the heat absorber entering the solar cavity; the optical density sensor and the two motors are respectively connected with the controller. The invention can form receiving window shapes with different characteristics, and can slow down the gas flow of the heat absorber cavity through the geometric characteristic shape, thereby reducing the convective heat loss.)

一种用于太阳能腔式吸热器的几何可变接收窗装置

技术领域

本发明属于太阳能聚光集热利用领域，更具体的说是涉及一种用于太阳能腔式吸热器的几何可变接收窗装置，实现有效的降低聚光集热系统在运行过程中的光学损失和热损失。

背景技术

太阳能光热发电技术领域，由于地面接收的太阳光照辐射能流密度低，往往须将大面积的太阳光能聚集到吸热器的金属热管表面，使金属热管内部流动的换热工质获得热能，并将热能传输给热电转换装置，继而实现太阳光能转换为电能输出。上述的光-热-电转换过程中，太阳光能-热能的转换是以吸热器为载体实现的，而吸热器的高效热利用是提高光热发电系统效率的关键。

吸热器一般采用腔体结构形式，且工作在较高的温度。由于吸热器是运行在室外环境的，其腔体温度远高于外部环境温度，不可避免的将产生辐射热损失，且辐射热损失能量值是温度差值、接收窗面积的正相关函数。与此同时，外部环境的冷气流将流入腔体并带走热量，即对流热损失，其对流热损失能量值也是温度差和接收窗面积的正相关函数。明显可知，要减少吸热器的热损失来提高热利用性能，主要途径仍是有效的减少腔体吸热器的接收窗口面积。但由于机架结构的跟踪误差和承载变形等影响，聚光器聚集的太阳光能可能会偏离接收窗口而产生光学损失，这样看来增大吸热器的接收窗面积又是必要的。因此，吸热器既要减少热损失又要避免光学损失，对吸热器的接收窗而言是既要面积小又要面积大，是需要提出技术方案解决上述矛盾。

当前，为减少吸热器的对流损失，有提出在吸热器腔口安装石英盖板，但该技术方案由于大面积的高透射率的石英盖板制造困难，且吸热器腔口安装的石英盖板易存在温度分布不均匀，而导致热应力损坏，所以石英盖板来解决热损失仍处于试验阶段，未能有效的解决腔式吸热器在实际运行的热损失问题。现有技术1（CN 103604230 A）中公开了一种碟式太阳能热发电系统的保护装置，是通过控制一个遮光组件的直线运动来实现太阳光能的切断与否，是针对吸热器金属管路过热保护而提出的技术方案，仅具有简单的吸热器接收窗面积改变的能力，无法满足光热发电系统实际运行的接收窗形状改变的需求。现有技术2（ZL201610030560.0）公开了一种太阳能腔式吸热器接收窗几何形状动态调节装置，包括多块挡板装置、温度传感器和控制系统，多块挡板装置布置在腔口处并通过齿轮齿条机构实行运动，从而获得不同的开口面积和形状，但缺点是无法获得近似为圆形的接收窗口，这就与聚焦光斑的几何形状不匹配。因为通常情况下碟式聚光器聚集的太阳光在焦平面上是一个近似为圆形几何的高能量密度光斑。因此，创新发明一种能动态获得逼近圆形几何的接收窗口的腔体吸热器尤为重要，能有效的降低聚光集热系统在运行过程中的光学损失和热损失。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种能够接收聚光器聚集的所有光能，且能有效减小能量损失的太阳能腔式吸热器的几何可变接收窗装置，它能够根据聚光光斑大小将接收窗几何形状调节到与之相匹配的最小的逼近为圆形几何的接收窗口，减小吸热器在实际工作中的接收窗开口面积，达到减少光学损失、辐射热损失和对流热损失的目的。

本发明采用的技术方案是：一种用于太阳能腔式吸热器的几何可变接收窗装置，包括两个叶片装置模块、两个电机、光密度传感器、机壳和控制器；机壳包括两个环形端板及连接两个环形端板的筒状连接板；所述的两个叶片装置模块安装在机壳内，两个叶片装置模块分别固定安装在机壳的两个环形端板上；两个电机分别安装在机壳的两个环形端板上；

所述的叶片装置模块包括两组叶片、连接环和两个内外齿环，两组叶片分别安装在连接环的两侧，每组叶片包括3个叶片；所述的叶片包括叶片本体及设在叶片本体上的叶片转轴，叶片通过叶片转轴插装在连接环的转轴孔内，6个转轴孔沿圆周方向均匀布置，且每组的3个叶片沿圆周方向均匀布置，两组叶片能堵住环形端板的中心孔；叶片转轴穿过转轴孔，叶片转轴端部安装有外齿轮；每组叶片的叶片转轴上的外齿轮与同一个内外齿环的内齿圈啮合；所述的连接环通过固定安装在机壳环形端板上，两内外齿环中朝向环形端板的内外齿环的外齿圈与电机输出轴上的齿轮啮合；光密度传感器设置在一个叶片本体的端部，光密度传感器和两个电机分别与控制器连接。

上述的用于太阳能腔式吸热器的几何可变接收窗装置中，所述的两个叶片装置模块之间还设有隔环，隔环平行于环形端板设置。

上述的用于太阳能腔式吸热器的几何可变接收窗装置中，两个叶片装置模块上的叶片相互错位30度。

上述的用于太阳能腔式吸热器的几何可变接收窗装置中，所述的叶片本体的轮廓为三个弧线形成的闭合结构，第一个弧线为三个叶片转轴所在圆的1/6，叶片转轴置于该弧线的一个端点处；第二个弧线为以第一个弧线的一个端点为圆心，以三个叶片转轴所在圆的圆心和第一个弧线的另一端点为两端点的圆弧；第三个弧线为以第一弧线的圆心和第二弧线的圆心为两个端点，以第一个弧线的半径为半径的弧线。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1、本发明通过多个叶片的转动来动态调节吸热器接收窗的几何形状及尺寸，能够在有效接收光能的同时，最大程度的减少辐射热损失和对流热损失。

2、本发明的叶片本体可以设置不同的几何特征，根据这些几何特征的转动叠加组合，能形成特征不同的接收窗形状，能够通过几何特征形状来减缓吸热器腔体的气体流动，从而减少对流热损失。

3、本发明由于叶片转动能够实现吸热器接收窗的全开、全闭和其他工况，能够实现吸热器腔体金属热管的过热保护或发电系统故障时的断光保护，即出现故障或过热时可以使得叶片转动挡住吸热器腔口，使得吸热器腔口处于全闭合的状态，阻断光能。

附图说明

图1为本发明***图。

图2为本发明内部结构示意图。

图3为本发明全开工况下模块剖示图。

图4为本发明全开工况外部结构示意图。

图5为本发明全开工况下模块示意图。

图6为本发明单模块全闭工况叶片几何形状示意图。

图7为本发明的叶片本体旋转20度叶片效果图。

图8为本发明的叶片本体旋转40度叶片效果图。

图9为本发明全开工况叶片效果图。

图10为本发明用于调节时外部结构图；

图中：1-叶片；2-光密度传感器；3-电机；4-外齿轮；5-内外齿环；6-连接环；7-环形端板；8-腔口；9-控制器；10-数据线；11-隔环；12-机壳；14-环形端板；15-叶片装置模块。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1所示，本发明包括两个叶片装置模块15、电机3、光密度传感器2、机壳12和控制器9。机壳12包括两个环形端板7、14及连接两个环形端板的筒状连接板。所述的两个叶片装置模块15安装在机壳12内，两个叶片装置模块15分别固定安装在机壳12的两个环形端板上。所述的机壳12的两个环形端板上分别设有一个电机3，电机3能够带动叶片装置模块15上的叶片1转动。光密度传感器2安装在叶片装置模块15的一个叶片1上，用于测量进入太阳能腔体吸热器的光密度。光密度传感器2和两个电机3分别与控制器9连接。

如图2-5所示，所述的叶片装置模块15包括六个叶片1、连接环6和两个内外齿环5，所述六个叶片1分为两组，每组三个叶片1，两组叶片1分别安装在连接环6的两侧。所述的叶片1包括叶片本体及焊接在叶片本体上的叶片转轴，叶片1通过叶片转轴插装在连接环6的转轴孔内，六个转轴孔沿圆周方向均匀布置，且每组的三个叶片1沿圆周方向均匀布置。叶片转轴穿过转轴孔，叶片转轴端部安装有外齿轮4。每组的三个叶片1的叶片转轴上的外齿轮4与同一个内外齿环5的内齿圈啮合。所述的连接环6通过固定安装在机壳12环形端板上，两内外齿环5中朝向环形端板的内外齿环5的外齿圈与电机3输出轴上的齿轮啮合。所述的两个叶片装置模块15之间还设有隔环11，两个叶片装置模块15上的叶片相互错位30度。

如图6所示，所述的叶片本体的轮廓为三个弧线形成的闭合结构，第一个弧线为三个叶片转轴所在圆的1/6，叶片转轴置于该弧线的一个端点处。第二个弧线为以第一个弧线的一个端点为圆心，以三个叶片转轴所在圆的圆心和第一个弧线的另一端点为两端点的圆弧。第三个弧线为以第一弧线的圆心和第二弧线的圆心为两个端点，以第一个弧线的半径为半径的弧线。六个叶片本体能够拼合成一个以三个叶片转轴所在圆。如图7，8，9所示，为本发明叶片展开20度与展开40度和全部展开效果图。

一个叶片本体的端部布置有光能密度传感器2。所述光能密度传感器2，电机3均通过数据线10与控制器9电连接。所述控制器9预先储存有聚光斑的理想几何尺寸和形状，用于确定叶片的旋转的理想位置。所述光密度传感器2能实时监控光能密度，当光能密度过大时，向控制器发送信号使得腔口大小增大，当光能密度过小时，向控制器发送信号使得腔口大小减小。如图10所示，本发明通过12个转动叶片1的转动可以实现工作状态的最小接收窗面积以及全闭合的非采光工况，且接收窗几何形状非常适合聚光系统的承载状况的光斑接收。

本发明的工作过程如下：第一步，控制器9根据预先储存的聚光光斑的理想几何尺寸及形状，发出信号并控制电机转动调节各叶片位置，使得形成的接收窗面积略大于理想光斑尺寸；第二步，聚光集热过程中，通过叶片1端部布置的光能量密度传感器2采集的能量密度值和位置，并进行实时分析；第三步，当聚集的太阳光能投射在某块叶片上时，该叶片光能量密度急剧升高，此信号通过数据线传递给控制器9，控制器9发出指令，让电机旋转一定角度，带动叶片改变腔口大小，令聚集的光能可以全部进入吸热器腔体内。