一种太阳能聚集装置和采用该装置的建筑构件 【技术领域】
本发明涉及太阳能应用技术领域，具体来说涉及太阳能聚集装置。
背景技术
太阳能作为一种洁净、环保的能源，长期以来人们一直致力于对其的开发和利用。特别是近年来，由于油价的不断攀升和对环境保护要求的提高，以及大气二氧化碳排放量的限制，各国更加努力地开展了太阳能利用方面的研究。
由于太阳辐射的功率密度较低，为了充分地利用太阳能，跟踪太阳光的位置变化并将其光线聚集转化为热能和电能，是太阳能利用中非常重要的技术。
现有太阳能聚集技术中，如美国专利US4296737，US4770162，US4148564和US5832362分别公开了具有抛物面反射镜、费涅尔镜、平面条反射镜等结构的太阳能聚集装置，但这些太阳能聚集装置中都存在一个主要问题，即结构自身的重力和要承受风的影响而增加结构的质量。一般的风力将使反射镜扭曲和变形，降低收集的效率。如果是大风和强风将毁坏整个系统，同时这些收集系统不能防雨和防尘，且不方便维修，使得成本和造价不断地升高。
虽然有一些小型的太阳能利用系统采用了在吸收装置表面覆盖玻璃板的方式，达到防尘或抗风效果，但使用面积较小，单片玻璃覆盖在装置外壳上防止了灰尘污染，但导致了热量吸收性能的降低，因此无法形成工业化使用效果。另外，小型槽式线形聚焦装置单条焦线长度较短，单条吸收装置也短，存在反射光线不能充分被吸收装置获得、边界损失较多、效率低的缺点。此外，材料利用率也低，制造成本高。
【发明内容】
本发明的目的在于提供克服以上问题的太阳能聚集装置。
为此，本发明提供一种太阳能聚集装置。该太阳能聚集装置包括封闭式框架，反射镜和吸收装置。封闭式框架的透光面使用玻璃板覆盖，反射镜安装在封闭式框架内并且具有长焦线，吸收装置安装在反射镜的长焦线位置，反射镜跟踪太阳的位置变化进行调整而将太阳光反射到所述长焦线，其中所述吸收装置是光伏吸收装置或者光伏/光热复合吸收装置。
反射镜可以采用轻体结构。
反射镜可以采用抛物槽或抛物槽组合或菲涅耳阵列形聚焦结构。
反射镜可以采用前反射形式。反射镜可采用具有高反射率的薄铝板，也可采用在薄膜基材上镀制纯银、纯铝或其它高反材料作为反射膜。进一步优选的是，反射镜的反射膜上覆盖增强反射涂层，进一步提高反射率并保护反射涂层。
可以在反射镜后部安装支撑架增强反射镜强度保持形状精度。多个支撑架采用玻璃管骨架结构模块化连接。
太阳能聚集装置可以包括连接装置，连接装置连接至所述多个模块中的吸收装置。该太阳能聚集装置可以模块化拼装后利用连接装置连接各太阳能吸收装置形成更大规模的太阳能聚集装置。
太阳能聚集装置可以用作为建筑构件，例如搭建建筑物的顶部或墙体使用，既节约了建筑成本，同时不需增加额外的安装空间为本装置的推广提供帮助。
本发明的结构和已有的太阳能聚集装置相比较具有以下优点：
(1)本发明将太阳能聚光器安装在封闭式框架内，使大面积的反射镜不必考虑抗风性及沙尘污染，大大减少材料使用，降低成本，无风力影响，轻体结构，也大大降低跟踪驱动系统的功率及强度，对于提高跟踪精度，降低成本大有帮助。(2)模块化框架和模块化反射镜结构可以得到长的焦线，在长焦线位置安置的长线形吸收装置可避免短装置造成的边界损失，提高吸收效率并降低成本；(3)本发明采用模块化拼装组合结构，制造方法简单，成本造价低廉，安装和维修异常方便，适合大规模推广应用；(4)本发明还可作为搭建建筑物的顶部或框架使用，既节约建筑成本，又有利于装置的推广使用。
【附图说明】
下面将参照附图对本发明的具体实施方案进行更详细的说明，其中：
图1是本发明太阳能聚集装置的结构示意图；
图2是反射镜面拼装形成长聚焦线结构的示意图；
图3是反射镜面整体示意图；
图4是轻体结构反射镜面示意图；
图5是太阳高度角较低时的反射镜位置示意图；
图6是太阳高度角较高时的反射镜位置示意图；
图7是太阳高度角最高时的反射镜位置示意图；
图8是将本发明的太阳能聚集装置直立放置的示意图；
图9，图10和图11分别表示了反射镜采用菲涅耳阵列形结构时不同太阳入射角度下的状态图；
图12表示了本实用新型另一太阳能聚集装置的结构示意图。
【具体实施方式】
图1是本发明太阳能聚集装置的结构示意图。如图所示，太阳能聚集装置包括一个封闭式框架。该框架可以包括多个框架单元，例如相邻的框架单元121、122和123。多个框架单元可以通过卡接或者焊接固定在一起。框架主要受光面(例如顶部)覆盖透光玻璃板140，相邻模块的玻璃板使用例如密封橡胶进行平面连接，框架整体的其余各外表面可以用板材覆盖，形成一个有透光面的封闭式框架结构。这样，可以保证整个太阳能聚集装置内部无风力扰动，并同时防水防尘，可方便自如地对受光面的玻璃板外面做周期性清洁。
封闭框架内安装有反射镜。以框架单元121为例，其内安装有反射镜单元101-1和101-2。反射镜安装在封闭框架的内部，从而不会受到恶劣天气的影响导致反射镜损坏，同时太阳光也能透过顶部玻璃照射到反射镜上。在一个例子中，所述反射镜采用轻体结构，比如采用薄板材料(如有较好反射率的薄铝板或镀有高反射材料的PET，PC等塑料薄膜)制作。反射镜可以做成抛物槽型、抛物槽组合型或菲涅耳阵列型，其光学设计为将入射光线汇聚到一条焦线上。
在进一步优化的例子中，反射镜采用前反射式，可采用具有高反射率地薄铝板，也可采用在薄膜基材的光线射入面上镀制纯银、纯铝或其它高反材料作为反射膜，并且为进一步提高反射率并减少恶劣环境对镀膜的损坏，可在所镀高反射膜上覆盖增强反射涂层并具备阻隔水汽和氧气侵入的能力，以提高反射率并防止反射面氧化造成反射率下降。该增强反射及防护阻隔涂层由于不会受到严重风沙侵袭可以具有长期的增反及防护能力，使反射镜保持高反射效果。此种前反射方式可以长期保持90％以上，甚至95％以上的高反射率。此外，也可以在所镀高反射膜上覆盖增强反射涂层或者保护涂层，达到增强反射或膜层防护效果。
由于在封闭空间内反射镜得到很好的保护，反射镜可以有长寿命周期并且一直保持很高的反射率，与当前已知使用的后反射玻璃镜及开放环境中使用的铝镜相比，可提高10％～20％的反射效率。因此，虽然反射镜置于封闭空间内，光线透过盖板玻璃入射进来时有10％～15％的损耗，但系统的整体吸收效率并未有大的降低，长期运行过程中甚至有所提高。
为增加反射镜的强度，在反射镜底部固定安装支撑支架，支撑支架在下文作详细介绍。
考虑到阳光透过玻璃板的衰减对整个装置吸收效率的影响，优选在玻璃盖板两面涂镀或覆盖减反射增透光学膜。考虑到环境侵蚀或清洁维护所导致的外表面磨损，可以只在内表面涂镀或覆盖减反射增透光学膜。
太阳能聚集装置还包括至少一条线形的吸收装置，例如贯穿框架单元121-123的吸热管110-1和贯穿相邻单元的吸热管110-2。吸热管固定在框架内部反射镜的焦线位置，太阳光入射在反射镜上，经其反射聚焦在吸热管处，从而加热吸热管内部流动的导热介质形成能量转换。两根相邻吸热管末端可采用连接短管131连接，顶端与系统连接管130相连，装置内所有吸热管热量汇总后导出。
太阳能聚集装置中的每个反射镜可根据每天不同时刻的太阳位置作相应调整，使入射太阳光始终沿镜面主轴方向入射达到光学聚焦效果，下文将对此描述。
另外，为方便工作人员进入框架内部对聚光器进行检修，在框架(例如侧面)设置检修出入口。
太阳能聚集装置可以作为搭建建筑物的顶部。本发明太阳能聚焦装置采用的密封框架结构模块化组合可以形成大面积使用；由于该框架结构具有良好的机械强度和密封以及一定的保温效果，可以被当作很好的建筑物覆盖层使用，如屋顶等。另外，针对一般太阳能利用系统中通常设置转换(如利用蒸气发生器将导热油热量转化为水蒸气，利用逆变器将太阳能电池得到的直流电转化为交流电变压使用及并网)以及蓄能装置(蓄热装置和蓄电装置)的特点，可以将该转换装置和/或蓄能装置设置在本太阳能聚集装置构成的覆盖层下方，不但可以利用覆盖层与建筑墙体等构成的防水保温及封闭保护功能，降低成本，方便安装，同时可以使太阳能转换和/或储存装置所需的能量经过较短的传输路径即可得到，减少管路及电线的损失，提高能源利用效率。
在一个例子中，可以在地面或建筑顶部在X，Y两方向间隔一定距离布置支撑柱，在最外边缘以墙体为支撑，将本发明太阳能聚焦装置的框架结构底部连接点与支撑柱顶端和围墙上沿相连接固定，从而形成一定面积的新建筑。顶部的密封结构使建筑物具有良好的防水保温性能。为保持良好的排水，特别是为了增加采光面积，减少入射光线衰减，顶部最佳保持一定的向太阳侧倾斜角。由于本发明装置采用的大面积组合式框架结构和组合式反射镜结构，从而可以使入射光线能够汇聚在一条很长的焦线上，焦线长度例如可达10米以上甚至100米，焦线长度与反射镜宽度的比例如可超过10倍甚至100倍。在此焦线位置固定安装一条很长的线性吸收装置，并且当吸收装置为线形吸热管时采用两端贯通式吸热管，可以减少反射镜与吸收装置之间的边缘损失，大大提高反射光的吸收效率，并且成本可明显降低。各长焦线吸收装置再通过系统连接管组合连接，形成大面积应用，与一些小尺寸，短反射与吸收长度的装置相比，具有明显的成本和效率优势，更加适合工业化推广。
图2是反射镜面拼装形成长聚焦线结构的示意图。图中利用多个抛物面型反射镜201进行拼装，使镜面长度增长，形成长聚焦线结构，吸热管210位于焦线位置，从而使吸热管能有效吸收太阳热量。
图3示意了反射镜支架的立体视图，图4是其倒置后的立体视图。如前文所述，本发明中反射镜可采用轻体结构，为增加反射镜的强度，在反射镜底部固定安装了由轻体材料如泡沫塑料等制成的支撑架304。为进一步增加支撑架的强度，在支撑架的孔306处安装玻璃管骨架406，同时玻璃管骨架也实现了各反射镜支架之间的连接。
图5、图6和图7表示了不同太阳位置时，抛物线型反射镜相应的位置变化示意图。在图中，太阳能聚集装置作为建筑顶部使用。考虑到充分利用入射光利用效率和太阳高度角之间的关系，太阳能聚集装置可设有一定的倾斜度，同时为便于施工和维护，该倾斜角度不宜过大。以北京地区为例，该倾斜度可设为例如5°-35°，其中5°较平缓，维护方便，但有一定的光利用损失，35°有较好的太阳光利用率，但倾斜较大，维护相对困难。由于太阳位置在一天的不同时刻，其位置发生变化，为增加反射镜对阳光的有效反射，需要框架单元520内的反射镜501跟踪太阳位置变化，而绕焦线转动，保证入射太阳光方向始终平行于镜面光学主轴面，使光线聚焦在吸热管510处，实现吸收效率最佳。图5-7分别示意了太阳光入射角度10°、42.5°和75°的情形。
图8是将本发明的太阳能聚集装置直立放置的示意图。太阳能聚集装置中，透光玻璃板一面指向太阳方向，这样就可以将此结构作为节能建筑物的墙体使用，减少建筑成本，实现了节能目的。
图9，图10和图11表示了反射镜采用菲涅耳阵列形结构时不同太阳入射角度下的状态图。如图所示，框架921中的反射镜阵列由若干反射镜条930-1，930-3，930-5组合而成，各镜条长度方向与阵列的光学焦线平行，并且各镜条可沿自身长度方向的轴线各自转动。当太阳位置改变时，为保证入射太阳光经反射后实现聚焦目的，组成反射镜阵列的各小反射镜要随太阳位置的变动而转动，从而实现光线聚焦在吸热管910处，实现吸收效率最佳。
需要说明的是，本发明的聚集装置也可以应用在光伏场合。换句话说，聚集装置中的吸热管可以由其它的吸收装置所代替。吸收装置比如可以是光伏吸收装置，也可以是光伏/光热复合吸收装置，光伏吸收装置将吸收的太阳光能转换为电能，光伏/光热复合吸收装置不但可以将吸收的太阳光转换为电能，同时还可以将太阳光带来的热量加以吸收利用，不但提高了太阳能综合利用率，还可以控制太阳能电池的温升，提高光伏转换效率，延长电池使用寿命。
图12表示了本实用新型另一太阳能聚集装置的结构示意图。图12的多数部件与图1相同，故此不复赘述。图12不同之处主要在于吸热管被光伏吸收装置1210-1和1210-2所替代。光伏吸收装置1210-1和1210-2可以由聚光光伏电池组成线性排列而成。聚光光伏电池组可以例如是硅电池、砷化镓电池、CIS、CIGS电池或其它种类电池。
需要特别说明的是，一般光伏电池受光面为平面，为了得到最好的接收效果，需要将光伏吸收装置或光伏/光热复合吸收装置的受光面安装在聚光焦线位置并使其与反射镜的光学主轴面垂直，以保证来自反射镜的光线被最有效转化利用。因此，如果反射镜为绕焦线转动的抛物槽式或抛物槽组合式，在跟踪转动过程中，在反射镜绕焦线转动的同时，受光面也要转动相同角度，使受光面与反射镜光学主轴面保持垂直关系；如果反射镜为菲涅耳阵列，在跟踪过程中，组成阵列的各反射镜条绕各自转轴转动，整个阵列的光学主轴面不发生变化，所以跟踪过程中吸收装置受光面不必转动即可保持与光学主轴面垂直。
光伏吸收装置1210-1和1210-2将反射镜1201-1等反射的光转化为电能。所产生的电能可以经逆变器1250送往电网1260或者直接给用户供电。
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。