CN100351586C - 抛物柱折面形太阳能聚光器玻璃条宽度的配列方法 - Google Patents

Abstract

一种抛物柱折面形太阳能聚光器玻璃条宽度的配列方法，当受光面是平面的情形，随着抛物面与水平面的夹角α的增大将使部分反射光位于受光面以外，从而导致聚光效率的下降。本发明通过建立数学模型即根据W_i＝(1-4i²a²L²)L确定抛物柱折面形太阳能聚光器的玻璃条的宽度，保证了聚光器所反射的光线全部处于受光平面内，从而提高了太阳能聚光器的效率。

Description

抛物柱折面形太阳能聚光器玻璃条宽度的配列方法

技术领域

本发明涉及一种抛物柱折面形太阳能聚光器，特别涉及一种抛物柱折面形太阳能聚光器玻璃条宽的配列方法。

背景技术

开发利用太阳能是解决人类能源危机的有效手段，目前各国对此均投入了大量的人力、物力进行了深入广泛的研究。而研制具有实用价值的太阳能聚光器，实现低成本提高太阳能密度，则是促进太阳能广泛应用的主要途径之一(刘玉珩.光伏聚光技术新发展[J].太阳能，1999，(4)：5-8.)。太阳能经聚光后可广泛应用在光—热利用(发电、致冷)、光—伏发电等许多领域(杨智勇.聚光条件下太阳能光热联用途径初探[M].21世纪太阳能新技术，2003：490-492；Ben Son B.Acrylic solar energy reflecting film 3Mbrand ECP-224[M].propr solar Energy ASES，1993.)。目前抛物柱曲面形太阳能聚光器，通常由涂以保护层的抛物柱曲面镀银玻璃固定在支架上构成，这种聚光器在实际中不能被广泛应用，主要存在以下缺陷：平面玻璃在专用模具中热弯成抛物柱面后再镀银反射层所需专业工艺及设备，导致其加工成本大幅度增加；由于工作在恶劣的大自然环境中，尽管采用镀铜保护层后再涂保护漆或用塑料将其镀银面进一步保护等措施，其银反射层在一、二年内仍会脱落而失去使用价值。实用新型专利02224631.2中是在抛物柱曲面形框架的槽内依次并排连接有多个平面镀银双层玻璃条，折面形抛物柱面太阳能聚光器(宁铎等.家用太阳能聚光器自动跟踪系统的设计[J].西北轻工业学院学报，2002，20(2)：59-62.)，从理论和实践的结合上有效解决了常用的反射型抛物柱面聚光器在使用过程中一直存在的聚光不均匀、曲面加工费用高、寿命短三个问题，达到了提高太阳能密度的目的，但在实践中发现该产品对于受光面为圆柱体时(如太阳能热水管)，效果是最理想的；而对于受光面是平面的情形(如太阳能光伏电池板)，则随着抛物面与水平面的夹角α的增大而使部分反射光位于受光面以外，从而导致聚光效率的下降，以光伏电池板作为受光面而言，将其平面改成折面也可以解决该问题，但又会给光伏电池板的密封工艺带来很大的困难。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够保证聚光器所反射的光线全部处于受光平面内，从而提高太阳能聚光器的效率的抛物柱折面形太阳能聚光器玻璃条宽的配列方法。

为达到上述目的，本发明采用的配列方法为：首先制造由两条抛物线形状槽钢构成的抛物柱曲面形框架，在抛物柱曲面形框架的槽内依次并排连接有若干个平面镀银的双层玻璃条，其特征在于：玻璃条2的宽度W由W_i＝(1-4i²a²L²)L确定，其中i＝0，1，2，3…n-1，i为0时的宽度为抛物线中心位置的玻璃条宽度，其他玻璃条的宽度为中心向两边对称，分别由i为1，2，3…n-1时的上述计算公式确定，a为聚光器抛物柱截面的抛物线方程的系数，L为受光平面宽度。

由于本发明将构成折面形抛物柱太阳能聚光器的玻璃条的宽度随着抛物面与水平面的夹角α的增大而变窄，则能保证聚光器所反射的光线全部处于受光平面内，从而达到最佳效果，提高太阳能聚光器的效率。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是图1的A-A剖视图；

图3是图1的B-B剖视图；

图4是本发明折线形抛物线的光路示意图；

图5是本发明折面形抛物受光面的光路示意图；

图6是本发明入射光线、反射光线及反射面间的角度关系。

具体实施方式

参见图1，2，3，本发明包括由两条抛物线形状槽钢构成的抛物柱曲面形框架1，在抛物柱曲面形框架1的槽内依次并排连接有若干个平面镀银的双层玻璃条2，参见图4，由几何定理可知，聚光区域的宽度L与线段P₁C长度相等(平行线间的平行线段系相等)。如图5所示，因对于一个实际的折面形双层镀银反射式抛物柱太阳能聚光器，为了获得尽可能大的截面积，a值一般都很小，则ΔP₁P₂C为钝角三角形(其中，∠P₁P₂C＞π/2)。于是以任意一个玻璃条宽度P₁P₂为边的ΔP₁P₂C中，∠P₁P₂C≥∠P₂C P₁，所以玻璃条宽度W(即线段P₁P₂的长度)小于等于线段P₁C的长度。若所有的玻璃条宽度都为W＝L，则当α＝0时，∠P₁P₂C＝∠P₂C P₁＝0，且W＝L成立(即线段P₁P₂与线段P₁C重合)；但随着抛物面与水平面的夹角α的增大，宽度为W的玻璃条(即线段P₁P₂)所反射光线的分布区域必然超出受光区QM以外。如果要保证任何时候反射光线必须分布在受光区QM以内，则必须适当减小玻璃条的宽度。

参见图6，α＝β＝γ，现设P₁P₂玻璃条宽度为W，受光平面宽度为L，玻璃条的个数为n，则P₁C＝QM＝L，而在ΔP₁CP₂中，P₁C＝L＝P₁B+BC＝Wcosα+Wsinα×tan2α，所以有

$W=\frac{L}{\sin \mathrm{\α}\tan 2\mathrm{\α}+\cos \mathrm{\α}}=\frac{L}{\frac{\tan \mathrm{\α}}{\sqrt{1+{\tan }^2\mathrm{\α}}}\frac{2\tan }{(1-{\tan }^2\mathrm{\α})}+\frac{1}{\sqrt{1+{\tan }^2\mathrm{\α}}}}$

$=\frac{L}{\frac{1+{\tan }^2\mathrm{\α}}{\sqrt{1+{\tan }^2\mathrm{\α}}(1-{\tan }^2\mathrm{\α})}}=\frac{1-{\tan }^2\mathrm{\α}}{\sqrt{1+{\tan }^2\mathrm{\α}}}\×L$

于是对每一个玻璃条，均有

$W_i=\frac{1-{\tan }^2{\mathrm{\α}}_i}{\sqrt{1+{\tan }^2{\mathrm{\α}}_i}}\×L,(i=\mathrm{1,2,3}\·\·\·n-1)...\left(1\right)$

再结合图4、图5，任意一段折线(代表一个玻璃条)的直线方程为：

Yp₁p₂＝a(x₁+x₂)x-ax₁x₂                                (2)

其中，a为抛物线方程y＝ax²中的常系数，x₁x₂为p₁p₂的投影长度，

当i＝1时， $x_1=\frac{L}{2}$

$x_2=\frac{L}{2}+W_1\cos {\mathrm{\α}}_1=\frac{L}{2}+\frac{1-{\tan }^2{\mathrm{\α}}_1}{\sqrt{1+{\tan }^2{\mathrm{\α}}_1}}\×L\×\frac{1}{\sqrt{1+{\tan }^2{\mathrm{\α}}_1}}=\frac{L}{2}+\frac{1-{\tan }^2{\mathrm{\α}}_1}{1+{\tan }^2{\mathrm{\α}}_1}\×L$

$\tan {\mathrm{\α}}_1=a(x_1+x_2)=a(\frac{L}{2}+\frac{L}{2}+\frac{1-{\tan }^2{\mathrm{\α}}_1}{1+{\tan }^2{\mathrm{\α}}_1}\×L)=\mathrm{aL}(1+\frac{1-{\tan }^2{\mathrm{\α}}_1}{1+{\tan }^2{\mathrm{\α}}_1})=\frac{2\mathrm{aL}}{1+{\tan }^2{\mathrm{\α}}_1}$

同样，当i＝2时：

$x_2=\frac{L}{2}+\frac{1-{\tan }^2{\mathrm{\α}}_1}{1+{\tan }^2{\mathrm{\α}}_1}\×L$

$x_3=x_2+W_2\cos {\mathrm{\α}}_2=\frac{L}{2}+\frac{1-{\tan }^2{\mathrm{\α}}_1}{1+{\tan }^2{\mathrm{\α}}_1}\×L+\frac{1-{\tan }^2{\mathrm{\α}}_2}{1+{\tan }^2{\mathrm{\α}}_2}\×L$

$\mathrm{tg}{\mathrm{\α}}_2=a(x_2+x_3)=a(\frac{L}{2}+\frac{1-{\tan }^2{\mathrm{\α}}_1}{1+{\tan }^2{\mathrm{\α}}_1}\×L+\frac{L}{2}+\frac{1-{\tan }^2{\mathrm{\α}}_1}{1+{\tan }^2{\mathrm{\α}}_1}\×L+\frac{1-{\tan }^2{\mathrm{\α}}_2}{1+{\tan }^2{\mathrm{\α}}_2}\×L)$

$=2\mathrm{aL}(\frac{1-{\tan }^2{\mathrm{\α}}_1}{1+{\tan }^2{\mathrm{\α}}_1}+\frac{1}{1+{\tan }^2{\mathrm{\α}}_2})$

同样可得：

$\tan {\mathrm{\α}}_3=a(x_3+x_4)=a(\frac{L}{2}\×2\frac{1-{\tan }^2{\mathrm{\α}}_1}{1+{\tan }^2{\mathrm{\α}}_1}L+2\frac{1-{\tan }^2{\mathrm{\α}}_2}{1+{\tan }^2{\mathrm{\α}}_2}L+\frac{1-{\tan }^2{\mathrm{\α}}_3}{1+{\tan }^2{\mathrm{\α}}_3}L)$

$=2\mathrm{aL}(\frac{1-{\tan }^2{\mathrm{\α}}_1}{1+{\tan }^2{\mathrm{\α}}_1}+\frac{1-{\tan }^2{\mathrm{\α}}_2}{1+{\tan }^2{\mathrm{\α}}_2}+\frac{1}{1+{\tan }^2{\mathrm{\α}}_3})$

依次继续下去，得

$\tan {\mathrm{\α}}_i=2\mathrm{aL}(\underset{k}{\overset{i-1}{\mathrm{\Σ}}}\frac{1-{\tan }^2{\mathrm{\α}}_i}{1+{\tan }^2{\mathrm{\α}}_k}+\frac{1}{1+{\tan }^2{\mathrm{\α}}_i})...\left(3\right)$

对于一个实际的折面形双层镀银反射式抛物柱太阳能聚光器，为了获得尽可能大的截面积，a值一般都很小，在我们的样品中，取a＝0.0002，截面积为1200×2200mm²，即聚光器的抛物线断面方程为：y＝0.0002x²

根据(1)式和(3)式，可得到：

tanα₁≈2aL          W₁＝(1-4a²L²)L

tanα₂≈4aL          W₂＝(1-16a²L²)L

tanα₃≈6aL          W₃＝(1-36a²L²)L

……

∴tanα_i≈2iaL                                       (4)

即反射太阳光积聚在宽度为W_i的聚光区域的玻璃条的宽度

W_i＝(1-4i²a²L²)L                                     (5)

利用上面所推导出的公式(5)，可以很容易地计算出能保证将反射太阳光积聚在宽度为W_i的聚光区域的玻璃条的宽度。如第10个位置的玻璃条的宽度为：

W₁₀＝(1-4×10²×10^-4×2×2²×10^2×2)L＝(1-0.16)L＝0.84L

依照此方法，对于受光面的宽度L＝100mm的折面形双层镀银反射式抛物柱太阳能聚光器，则每个玻璃条的实际宽度如表1所示：其中玻璃条在抛物线中的位置分别用i＝0、1、2、3…10等等来代表从中心向两边的顺序，W_i表示放在不同位置的玻璃条的宽度。

表1不同位置的玻璃条与其宽度的对照表

i	0	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
												Wi	100	99.84	99.36	98.56	97.44	96.00	94.24	92.16	89.76	87.04	84.00

对于工业化生产及安装来说，这种方法简单易行：先将镀银双层反射玻璃依次分别批量地裁成各种规格宽度的玻璃条，并依次编上号码，如0^#、1^#、2^#、等，标识于玻璃背面，在安装时按顺序依次镶入抛物柱槽中(并注意两边对称)即可。但对于一个1.2*2.4M²的折面形双层镀银反射式抛物柱太阳能聚光器，相对于等宽玻璃条结构，其聚光效率可提高8％。

Claims (1)

1、一种抛物柱折面形太阳能聚光器玻璃条宽度的配列方法，首先制造由两条抛物线形状槽钢构成的抛物柱曲面形框架[1]，在抛物柱曲面形框架[1]的槽内依次并排连接有若干个平面镀银的双层玻璃条[2]，其特征在于：玻璃条[2]的宽度W由W_i＝(1-4i²a²L²)L确定，其中i＝0，1，2，3…n-1，i为0时的宽度为抛物线中心位置的玻璃条宽度，其他玻璃条的宽度为中心向两边对称，分别由i为1，2，3…n-1时的上述计算公式确定，a为聚光器抛物柱截面的抛物线方程的系数，L为受光平面宽度。

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