CN107062636B - 适用于太阳能热利用的复合聚光器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于太阳能热利用的复合聚光器，包括一次反射面、二次反射面和三次反射面，所述三次反射面包含两个复合抛物面，两个复合抛物面关于对称面对称，所述一次反射面为圆弧状，一次反射面关于对称面对称，一次反射面安装在支架上，在一次反射面的焦点处安装有二次反射面，二次反射面安装在支架上，在所述三次反射面的焦点处安装有集热管，太阳光直射辐射入射在一次反射面上，反射到二次反射面上，反射进入三次反射面，经多次反射后反射到集热管处。本发明的一种适用于太阳能热利用的复合聚光器，通过对传统的复合抛物式聚光面进行截断，使得在聚光比小幅度的降低下，大幅度的提高入射角度，同时为了提高聚光器的聚光比和抗风能力。

Description

适用于太阳能热利用的复合聚光器

技术领域

本发明涉及适用于太阳能热利用的复合聚光器，属于太阳能装置的领域。

背景技术

太阳能作为一种取之不尽用之不竭、洁净无污染的可在生能源一直是国内外学者研究的热点。太阳能热利用，不仅拥有巨大的消费市场，而且也是有效减少煤、石油等传统化石能源的用量、降低化石能源带来的环境污染的有效途径。太阳能聚光器是将投射在反射面上的直射辐射能经过多次反射，将大面积上的低能量密度太阳光反射到集热管外表面上，提高了太阳能能量密度，从而提高了光斑温度，是太阳能热利用的关键部件。太阳能聚光器经过多年的发展，已经衍生了多种技术发展纯熟的不同结构的聚光器，高倍数聚光器主要典型的由槽式、塔式、碟式和线性菲涅尔式等。其中槽式聚光器是发展最为成熟，应用最为广泛的聚光器。传统的槽式聚光器，由于其入射角的限制，使其聚光比无法提升，导致集热面积无法扩大，从而造成了制造工艺复杂、投资成本的居高不下，同时槽式聚光器均放置在室外，由于其曲面结构，其抗风能力较弱。

为了实现集热器的工艺简单化、增大其抗风能力、提高聚光器镜片利用率的目的，通常会将制作工艺复杂的抛物面由不同平面，以不同角度倾斜依次连接组合而成，如专利(CN101546033A)所述。以平面镜连续的依次以不同角度倾斜而形成的复合聚光器，可以使得集热器的制作工艺简单化，但是其聚光效果反而不如传统的抛物面型聚光器，会有部分反射光线失效，同时聚光器整体抗风能力并没有提升。还有一种是利用平面条形反射镜，用N块平面镜以一定的角度连续折弯或结合形成槽式聚光系统，如专利(CN102636869A)所述。简单的用条形平面镜按照抛物线轨迹排列而成的复合聚光器，虽然由于条形平面镜的排列，单元镜片间有一定的缝隙。使得其抗风能力大大增加，但其入射角和聚光比相对于传统的抛物面型聚光器都没有扩大和提升，反而会带来部分的光线损失。另外，专利(CN103513410A)设计的一种二次聚光器，采用凸透镜作为其一次聚光器，结合二次一般聚光器。这样做确实可以大大提升聚光比，但是其对制作工艺要求较高，不利用工业化推广。为解决上述存在的问题和难点，本专利提出了一种利用多层次太阳能反射，逐级提高太阳能入射角和聚光面积利用率的新思路，创新性的提出一种具有特殊位置关系和几何结构的三级反射镜片，这种三级反射镜片所组成的复合聚光器可以实现太阳能的高效聚光，增大入射角的同时大大提高聚光镜片利用率。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种适用于太阳能热利用的复合聚光器，通过对传统的复合抛物式聚光面进行一定比列的截断，使得在聚光比小幅度的降低下，大幅度的提高入射角度，同时提高聚光器的聚光比和抗风能力。

技术方案：为实现上述目的，本发明的适用于太阳能热利用的复合聚光器，包括一次反射面、二次反射面和三次反射面，所述三次反射面包含两个复合抛物面，所述复合抛物面为截断式复合抛物面，通过截断复合抛物式聚光面并保留下部曲面部分形成，两个复合抛物面关于对称面对称，所述一次反射面为圆弧状，一次反射面关于对称面对称，一次反射面安装在支架上，在一次反射面的焦点处安装有二次反射面，三次反射面的入射角决定了二次反射面的倾斜角度，二次反射面安装在支架上，在所述三次反射面的焦点处安装有集热管，太阳光直射辐射入射在一次反射面上，反射到二次反射面上，反射进入三次反射面，经多次反射后反射到集热管处。

作为优选，所述一次反射面由多个条形平面镜面组成，多个条形平面镜面按照轨迹排列形成圆弧状。

作为优选，所述条形平面镜面之间设有缝隙。

作为优选，所述三次反射面最底端的开口宽度小于集热管的直径。

作为优选，所述一次反射面、二次反射面和三次反射面的材料为镀层玻璃或者钢化玻璃银镜。

在本发明中，适用于太阳能热利用的具有特殊位置关系和几何结构的三级镜片所组成的复合聚光器，通过对传统的复合抛物式聚光面进行一定比例的截断，只保留具有大部分聚光比的曲面部分的前提下，利用多级镜片的特殊位置关系来级级增加最大入射角，同时利用三级反射镜片的特殊几何结构来增大聚光面积，提高镜片利用率。这种具有特殊位置关系和几何结构的复合聚光器和传统抛物式聚光器在相同聚光比和开口面积的条件下对比，增大了入射角的同时大大提高了聚光器镜片利用率。

有益效果：本发明的适用于太阳能热利用的复合聚光器，不仅拥有比传统复合抛物面式大的入射角，同时拥有较大的聚光面积，提高了聚光比，从而使得光斑温度增大，提高了整个集热器的光学吸收效率，同时由于条形平面反射镜是阵列式排列，单元镜片间有一定的缝隙，整个聚光器的抗风性大大的提高，使得新型聚光器在恶劣天气下也能正常运行。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明的复合聚光器光线反射示意图。

图3为复合抛物面结构示意图。

图4为条形平面反射镜光线反射示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1所示，本发明的适用于太阳能热利用的复合聚光器，包括一次反射面1、二次反射面2和三次反射面3，所述三次反射面3包含两个复合抛物面，两个复合抛物面关于对称面对称，所述一次反射面1为圆弧状，一次反射面1关于对称面对称，一次反射面1安装在支架5上，在一次反射面1的焦点处安装有二次反射面2，二次反射面2安装在支架5上，在所述三次反射面3的焦点处安装有集热管4，太阳光直射辐射入射在一次反射面1上，反射到二次反射面2上，反射进入三次反射面3，经多次反射后反射到集热管4处。

在本发明中，所述一次反射面1由多个条形平面镜面组成，多个条形平面镜面按照轨迹排列形成圆弧状，所述条形平面镜面之间设有缝隙。所述三次反射面3最底端的开口的小于集热管4的直径。所述一次反射面1、二次反射面2和三次反射面3的反射面的材料为镀层玻璃或者钢化玻璃银镜。集热管4位于三次反射面3开口方向内侧，一次反射面1、二次反射面2和三次反射面3与支架5一起跟踪太阳做以为南北、东西跟踪运动。二次反射面2为具有一定固定倾角的平面，支架5为圆形，一次反射面1的内边缘与三次反射面3的外边缘相接，二次反射面2和一次反射面1固定在支架5上与三次反射面3一同跟随太阳做一维南北或东西跟踪运动。其中二次反射面2的中心位于一次反射面1的焦点处，且具有一定倾角，其中所述一次反射面1开口面积大于二次反射面2投影面积，且二次反射面2的倾角与宽度由一次反射面1的入射角和三次反射面3入射角所决定。一次反射面1的内边缘与二次反射面2的外边缘相连，且面向天空。一次反射面1上接受的直射辐射能通过二次反射面2反射进入三次反射面3内，经多次反射后反射到集热管4处，射入三次反射面3入射角内的直射辐射经过多次反射到集热管4外表面上。同时集热管4吸收直接罩在其上表面的直射辐射能，无需反射。

本发明在制作时会涉及到以下相关计算过程：如图2所示，其中BCDE是截断后的抛物型聚光面，虚线部分为截断部分。这部分曲面保留大部分的聚光效率，同时入射角增大。曲线AB和EF上由沿圆弧形排列的条形平面反射镜。平面条形光线经平面镜反射聚焦到平面镜HI处，再由平面镜反射到复合抛物型聚光面，最终射入焦点处的集热管4。

按比例(0:0.8)截断的复合抛物面如图2所示，BC和DE是抛物线的各一半，θ是其最大聚光角。抛物线极坐标方程为：直坐标方程为：其中f＝a(1+sin(θ))，a_t＝asin(θ)，L＝(a+a_t)cot(θ)，C＝1/sinθ_i。

复合抛物面的上部镜面几乎与对称轴平行，而将其上部截去部分，可以减少镜面高度同时聚光比变化不明显，截断后的聚光比：

条形平面反射镜结构由图3所示，其阵列路径圆弧形计算式为：

x_i ²+(y_i-R)²＝R² (1)；

式中，(x_i,y_i)为圆形分布的各单元镜中心位置坐标；λ_i为镜面对应的圆心角(°)，i为镜元编号(i＝i～n)；R为圆弧的半径，mm；W为圆弧形的开口宽度，mm；t为单元镜面宽度(t远远小于W)，mm；α为二次反射面2的倾斜角；β为i个平面条形反射镜的镜面倾斜角。要求离聚光器法线最远的平面镜GF反射后的光线正好落在曲面聚光面边缘且其反射后的光线的入射角为θ。一次反射面1的开口宽度W、以及数目n，以及单元镜面宽度t已知，反复迭代公式(1)～(4)则可以确定单元镜面的具体位置。根据最外侧平面条形反射镜根据公式：则可求出二次反射面2的倾斜角度，二次反射面2的宽度和单元镜片的宽度相同，其投影宽度为tcosα(由于cosα＜1，随着n的增大，其遮挡投影宽度远远小于W，可忽略不计)，根据公式：β＝90°-λ_i，则可求出单元镜片的倾斜角度。

第i块单元平面条形镜片的最大入射角为：θ_τ+α/2+β_i/2；

复合聚光器的集合聚光比的计算公式为：

镜片利用率＝开口面积/聚光面积。

复合抛物面在截短50％时，聚光比降低了5％，而入射角增加了60％。采用入射角为30°、聚光比为11.5的复合抛物面，截短率为0.5时，入射角增大为48，聚光比降低为10，此时L＝649.5mm，a＝287.5mm,a_t＝250mm，d/2＝25mm。

实施例：开口宽度2000mm的传统复合抛物面，吸热管直径为50mm，聚光比为20，入射角为30°，高度为2599mm，其单位长度的复合抛物面积为5.76m²，其面积利用率为35.3％。同等开口宽度、聚光比的新型复合聚光器，其最大入射角为55°，高度为1.04m，其单位长度的复合抛物面积为2.69m²，面积利用率高达74.3％。在相同的开口面积和聚光比的条件下，新型复合聚光器相对于传统抛物面型聚光器其入射角增大了83％，面积利用率提高了39个百分点。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种适用于太阳能热利用的复合聚光器，其特征在于：包括一次反射面、二次反射面和三次反射面，所述三次反射面包含两个复合抛物面，所述复合抛物面为截断式复合抛物面，通过截断复合抛物式聚光面并保留下部曲面部分形成，两个复合抛物面关于对称面对称，所述一次反射面为圆弧状，且关于对称面对称，一次反射面安装在支架上，在一次反射面的焦点处安装有二次反射面，二次反射面安装在支架上，在所述三次反射面的焦点处安装有集热管，太阳光直射辐射入射在一次反射面上，反射到二次反射面上，反射进入三次反射面，经多次反射后反射到集热管处；

所述一次反射面由多个条形平面镜面组成，多个条形平面镜面按照轨迹排列形成圆弧状；所述条形平面镜面之间设有缝隙；

所述多个条形平面镜排列的圆弧形路径计算公式为：

x_i ²+(y_i-R)²＝R² (1)

式中，(x_i，y_i)为圆形分布的各单元条形平面镜中心位置坐标；λ_i为镜面对应的圆心角，i为镜元编号，其中i＝1 ～n；R为圆弧的半径，mm；W为圆弧形的开口宽度，mm；t为单元镜面宽度，mm；

α为二次反射面的倾斜角；β为i个平面条形反射镜的镜面倾斜角，要求离聚光器法线最远的平面镜反射后的光线正好落在曲面聚光面边缘且其反射后的光线的入射角为θ；将一次反射面的开口宽度W、数目n、以及单元条形平面镜的镜面宽度t，反复迭代公式(1)～(4)确定单元条形平面镜的具体位置；根据最外侧条形平面镜根据公式：求出二次反射面的倾斜角度，二次反射面的宽度和单元镜片的宽度相同，其投影宽度为tcosα，由于cosα＜1，随着n的增大，其遮挡投影宽度远远小于W，忽略不计，根据公式：β＝90°-λ_i，求出单元条形平面镜的倾斜角度；第i块单元条形平面镜的最大入射角为：θ_τ+α/2+β_i/2；

所述三次反射面最底端的开口宽度小于集热管的直径。

2.根据权利要求1所述的适用于太阳能热利用的复合聚光器，其特征在于：所述一次反射面、二次反射面和三次反射面的材料为镀层玻璃或者钢化玻璃银镜。