CN100414093C - 无光象跟踪聚光太阳能发电装置的方位优化的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明是在最新创造的无光象跟踪聚光太阳能发电装置的基础上提出了一种进一步降低成本，提高发电效率的方法，由于聚光反射镜的行、列结构以及太阳、地球的相对位置，发明者指出太阳能发电装置的自旋轴应当这样取向：目标角λ与当地纬度Φ成90°的互补角，面向角位于当地子午面内，在北半球向南，在南半球向北，赤道上朝向天顶。这样的取向可以在使用大型固定型无光象镜面的请况下，获得足够均匀和集中的聚光光斑，从而大大降低制造成本。

Description

无光象跟踪聚光太阳能发电装置的方位优化的方法
技术领域：
本发明涉及空间信号收集装置的制造及控制，用于太阳能收集及其他收集空间信号的望远镜和雷达设备等等。
背景技术：
本文发明者从2001年至2004年连续在国外学术刊物上发表了六篇文章(见Y.T.Chen，etal.(2001).″Non-Imaging Focusing Heliostat″.Solar Energy Vol.71.No.3，p.155-164，Y.T.Chen，et al.(2002)，″Report of the first prototype of non-imagingfocusing heliostat and its application in high temperature solar furnace″，SolarEnergy Vol.72 No.6，p.531-544；Y.T.Chen，et al.(2003)，″Study of ResidualAberration″，Solar Energy Materials and Solar Cells，Vol.79，No.1，Y.T.Chen，etal.(2003)，″High precision(1 part in 104)Reflectivity Measurement for thestudy of Reflective Materials Used in Solar Collectors″，Solar Energy Materialsand Solar Cells，Vol.80，p.305-314，Y.T.Chen，et al.(2004年2月)，″Comparisonof two sun tracking methods in the application of heliostat field″，SolarEnergy Engineering，Vol.126，p.1-7)；
Y.T.Chen，et al.(2004年11月被接受发表)，″Report on the Second Prototype ofNon-Imaging Focusing Heliostat and Its Application in Food Processing″，SolarEnergy，Vol.79，p.280-289，描述了一种从作者发明的新异数码光学衍演出的无光象跟踪聚光系统的理论及其在高温炉，中央系统太阳能聚光及食品工业方面的应用。其中，
Y.T.Chen，et al.(2001)文献里阐述了自旋-仰角跟踪理论以及如何以行和列的驱动方式进行无光象太阳聚光从而实现无光象跟踪聚光太阳定日镜。Y.T.Chen，et al.(2002)进一步描述使用自旋-仰角跟踪的无光象跟踪聚光太阳定日镜的机械设计，光学调试，机电控制以及其在聚光高温炉上的应用。Y.T.Chen，et al.(2003)探讨用自旋-仰角跟踪的无光象跟踪聚光太阳定日镜的光斑大小问题。无光象跟踪聚光太阳定日镜可以用于聚光发电装置，然而其光斑大小必须能够用简易、低成本的方法减少才能体现无光象跟踪聚光发电装置的经济价值。尽管无光象跟踪聚光太阳能发电装置发挥了已发表基础理论的相当部分的新颖思想，它的方向优化设计及其由此而到达的设备简化，效果提高作为无光象跟踪聚光太阳能发电装置制造的商业机密是本专利申请的理由。
发明内容：
1)根据已发表文献(Y.T.Chen，et al.(2001)，″Non-Imaging Focusing Heliostat″，Solar Energy，Vol.71，No.3，p.155-164)
，无光象跟踪聚光板是一个由n行m列的子镜面组合成的反射镜面。文献已经披露，使用这种镜面，总共n+m的控制就可以达到将反射面的象差减少到最小的效果，即到达最好的聚光效果，而达到同样聚光效果，经典理论则需要2xnxm个控制，理论本身已经大大简化了系统的复杂性，从而在高效益的企业化中进了一步。
2)太阳能发电机需要系统不但具备聚光能力，而且能够精确地跟踪。传统的跟踪方式是仰角-方位角公式，但这种跟踪公式与上段落所描述的行、列子镜组成的镜面结构有悖，用此公式，在跟踪的过程中聚光所需要的大角度的运动，使无光象聚光板的优越性无法发挥出来。从而发明者推导出一种太阳跟踪公式(仰角-自旋角跟踪公式)。
由于引进了自旋，组合镜面的行、列始终是同切面及矢面符合，所以镜面的象差能在经过微小的调整以后达到最小的程度。
3)在跟踪的过程中，由于入射角的连续变化，组合镜面也需要随之变化而达到最好的聚光效果，这种变化所需要的控制虽然由1)与2)所描述的方法从2xnxm数量降为n+m数量，也仍然需要相当的制造成本，这是大批量制造太阳能发电设备方面需要改进的一个方面。本发明提出了对自旋轴的方向进行优化。它的内容即是：在仰角-自旋角的跟踪系统中，
自旋轴的方位是一个可以自由选择的参数，虽然人们会很自然的将自旋轴的万向(即所谓目标角)置于水平位置，实际上在我们的优化的过程中，方位应当与纬度有关。优化后的轴向的取向是：目标角λ与当地緯度φ成λ＝90°-φ。面向角位于当地的子午面内，在北半球向南，在南半球向北，在赤道上向天顶。图2给出了以上优化的图示说明。
图3用焦面上光斑的大小及形状表示了优化与不优化设计的比较。在这个比较中，緯度选在北緯33度；反射镜由25片46cmx46cm的子镜组合而成；系统焦距是5m。优化时，目标角为57度，面向角在子午面内，非优化时，目标角为零度，面向角在子午面内，两种情况全部采用固定型的反射镜面，其结构系由无光象跟踪聚光定日镜的理论决定。所示图形是计算机模拟而成。这些图形在发明者多年的实验结果中已经获得证明。
图3的比较显示，经过方位优化的定日镜完全可以采用固定型子镜的方法获得足够集中和均匀的光斑。这就节省了子镜的行列随入射角变化而进行的调整机构，从而大大降低了生产成本。
方位优化的另一个优点是发电效率的提高。正如我们所知，由于太阳与地球相对位置以及地球自转的原因，在地球上任何一点所接收的光照都不可避免地受到余弦效应的影响。在固定目标式的跟踪系统中，我们必需尽可能使入射角在全天范围之内愈小愈好。图4给出了方位优化设什与方位非优化设计在全天入射角的变化的比较。
附图说明：
图1是仰角-自旋角跟踪图示说明，其中1是太阳，2是零子午线，3是赤道面，4是δ，恒星方位偏角，5是Ф，纬度，6是ω，恒星时，7是装置位置，8是太阳，9是目标，10是定星镜，11是ρ，自旋角，12是θ，仰角，13是λ，目标角，14是φ，面向角，15是北。
图2是优化的图示说明，其中1是无光象跟踪聚光板，2是目标，3是纬度，4是目标角，5是面向角，6是北，7是子午面，8是天顶，9是目标距离，10是支架，11是支架高度。
图3是优化与不优化设计的比较。
图4是方位优化设计与方位非优化设计在全天入射角的变化的比较。

Claims (3)

1. 一种在收集来自空间恒星信号的装置的方位优化的方法，其固定型定星镜是由多个子镜组成，其跟踪采用了仰角-自旋角跟踪公式，其特征是目标角的所在位置与纬度互补，面向角位于当地子午面内。
2. 一种在收集来自空间恒星信号的装置的方位优化的方法，其固定型定星镜是由连续镜面组成，或部分连续，部分不连续子镜组成，其跟踪采用了仰角-自旋角跟踪公式，其特征是目标角的所在位置与纬度互补，面向角位于当地子午面内.
3. 一种在收集来自空间恒星信号的装置的方位优化的方法，其固定型定星镜是由多个子镜或连续镜面，或部分连续，部分子镜组成，其跟踪采用了仰角-自旋角跟踪公式，其特征是目标角的所在位置与纬度在15％误差范围内互补，面向角在15％误差范围内位于当地子午面内。
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