CN101118097A - 太阳能聚光集热器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了太阳能热利用装置领域内的太阳能聚光集热器，包括壳体和集热管，壳体内设有保温板，保温板表面并列设有若干聚光反射板，所述聚光反射板的反光面形状为一空间曲面，该空间曲面任意位置的横截线为以平面极坐标系中极轴的过极点的垂线为对称轴的对称曲线，所述对称轴一侧的截线由三段以上顺序相连的抛物线组成，每段抛物线对应一个时间段的最佳太阳光反射值。其整体可获得最佳汇聚效果，可提高热效率；本发明可制成温度更高用途更广的太阳能集热器。

Description

太阳能聚光集热器

技术领域

本发明涉及太阳能热利用技术。

背景技术

利用聚光反射板将更大面积的阳光反射到集热器件上，以增强集热效果，提高集热器件内介质的温度，这一课题已有许多人取得研究成果，有的采用V形反光板，有的采用横截线为圆弧的桶形反光板，还有采用横截线为不同曲率半径的圆弧连接而成的弧形反光板，还有的采用横截线为圆的渐开线的反光板；现有技术中，有一种平板式太阳能聚光反射板，其专利号为02217701.9，其包括壳体，壳体内设有保温板，保温板表面并列设有若干聚光反射板，聚光反射板可以模压制成一体，每块聚光反射板的截面由圆弧、抛物线、渐开线及圆弧组合构成，在其焦点处设有集热管。其工作时，照射到聚光反射板上的光线被反射到集热管上，热能为集热管所吸收，其不足之处在于：其反射吸热的效率尚不够理想，有部分能量较高的光线未能汇聚到集热管上。

发明内容

本发明的目的在于设计一种太阳能聚光集热器，使其可最大限度将到达反射板的较强光线反射到集热器件表面。

本发明的目的是这样来实现的：太阳能聚光集热器，包括壳体和集热管，壳体内设有保温板，保温板表面并列设有若干聚光槽和聚光反射板，所述聚光反射板的反光面形状为一空间曲面，该空间曲面的任意位置的横截线为以平面极坐标系中极轴的过极点的垂线为对称轴的对称曲线，所述对称轴一侧的截线由三段以上顺序相连的抛物线L₀、L₁、L₂……L_i组成，各抛物线的焦点均位于平面极坐标系的极点，各段抛物线L_i满足下列方程：

其中，i＝0，1，2，3，4，5......；

为抛物线上的点到极点的距离即极径；

P_i为抛物线的焦参数，为抛物线的顶点至焦点距离的二倍；

θ为极坐标系中抛物线上的点的极角或幅角，90°＜θ≤270°；

抛物线轴(即抛物线的对称轴)的偏转角，指抛物线轴以极点为中心沿逆时针方向旋转的角；

L₁与L₀的交点A₁(ρ₁，θ₁)

L₂与L₁的交点A₂(ρ₂，θ₂)

L_i与L_i-1的交点A_i(ρ_i，θ_i)

抛物线L₀的轴(即对称轴)与平面极坐标系的极轴的垂线间的夹角为0，即抛物线L₀未旋转，旋转角₀为0；

抛物线L₁的轴相对L₀的轴沿逆时针方向旋转，旋转中心为平面极坐标系的极点，旋转的角度为₁，称偏转角为₁；

抛物线L₂    偏转角为₂

抛物线L_i    偏转角为_i

θ₁对应的₁：到达点(ρ₁，θ₁)处相对强的入射光线的平均入射角以这样的直线为代表，该直线与过极点的极轴的垂线间的夹角为₁，偏转角₂偏转角_i依此类推；过极点的极轴的垂线正是抛物线L₀的轴；

相邻抛物线的焦参数P值满足下列方程：

其中：i＝0，1，2，3……

₀＝0    0＜₁＜₂＜₃＜……＜_i；

所述空间曲面为所述截线沿其所在平面的垂直方向拉伸而成，各段截线即各段抛物线的公共焦点拉伸成一直线，所述集热管沿该直线设置。

上述聚光反射板可以是若干单体，也可以连为一体，本发明采用若干段抛物线连续组成一个聚光反射板。

本发明采用若干段抛物线接续组成一个聚光反射板的截线，与任意一条抛物线轴相平行的太阳入射光线，均可汇聚到相应抛物线的焦点，由于设置在极点处(也是各抛物线焦点处)集热管或带翅片的集热管等集热元件本身具有一定的体积，故与相应抛物线轴的夹角小于一定值的太阳入射光线均能被该抛物线段反光面反射到集热元件上，该聚光反射板汇聚中午前后一定时间范围内相对强的入射光线以获得相对于其它形状聚光反光面最佳的聚光效果，各抛物线段由于相距焦点的远近不同，故汇聚中午前后一定时间范围内的太阳光的时间长短及起始时间不一样，而在各抛物线段反光面上所到达的太阳入射光线在其阳光强度相对强的那一整段时间内全部反射汇聚到集热元件表面，其集热效率较高，能使集热管内的介质产生很高的温度。以本发明所述空间曲面作为反光聚光面由于是非跟踪的，一天中实际上还有一定量的相对弱的太阳光线不能聚光至集热元件上，但是以本发明所述空间曲面作为非跟踪型反光聚光面在理论上具有最好的聚光效果，因为本发明所述空间曲面任意一段曲面在理论上都可做到在该段反光面上所到达的太阳入射光线在其阳光强度相对强的那一整段时间内全部反射汇聚到集热元件表面，而其它形状的反光聚光面反射汇聚同样长短的一段时间内的太阳入射光线其光线却不是一天中最强的那一段时间内的光线。本发明可制成温度更高用途更广的太阳能集热器。

附图说明

图1为本发明一种结构示意图；

图2为空间曲线的截线形成原理图；

图3为空间曲线的截线结构示意图；

具体实施方式

如图1-3，为太阳能聚光集热器，包括壳体4和集热管1，壳体4内设有保温板3，保温板3表面并列设有若干聚光反射板2，所述聚光反射板2的反光面形状为一空间曲面，它任意位置的横截线为以极轴的过极点的垂线为对称轴的对称曲线，所述对称轴一侧的截线由三段顺序相连的抛物线L₀、L₁、L₂……L_i组成，各段抛物线的焦点均位于平面极坐标系的极点，各段抛物线L_i满足下列方程：

其中，i＝0，1，2，3；

ρ为抛物线上的点到极点的距离即极径；

P_i为抛物线的焦参数，为抛物线的顶点至焦点距离的二倍；

θ为极坐标系中抛物线上的点的极角或幅角，90°＜θ≤270°；

抛物线轴(即抛物线的对称轴)的偏转角，指抛物线轴以极点为中心沿逆时针方向旋转的角；

L₁与L₀的交点A₁(ρ₁，θ₁)

L₂与L₁的交点A₂(ρ₂，θ₂)

L₃与L₂的交点A₃(ρ₃，θ₃)

抛物线L₀的轴(即对称轴)与平面极坐标系的极轴的垂线间的夹角为0，即抛物线L₀未旋转，旋转角₀为0；

L₀的数学表达式：

$\mathrm{\ρ}=\frac{P_0\[1+\mathrm{Sin\θ}\]}{{\mathrm{Cos}}^2\mathrm{\θ}}$

P₀取决于要想会聚的入射光线族的最大宽度B₁B₂，一般可取B₁B₂＝2P₀

L₁的数学表达式：

抛物线L₁的轴相对L₀的轴沿逆时针方向旋转，旋转中心为平面极坐标系的极点，旋转的角度为₁，称偏转角为₁；

抛物线L₂    偏转角为₂

抛物线L₃    偏转角为₃

θ₁对应的₁：由于到达点(ρ₁，θ₁)处相对强的入射光线的平均入射角以这样的直线为代表，该直线与过极点的极轴的垂线间的夹角为₁，就是说₁由物理参数确定，偏转角₂偏转角_i依此类推；过极点的极轴的垂线正是抛物线L₀的轴；

相邻抛物线的焦参数P值满足下列方程：

其中：i＝0，1，2，3

₀＝0    0＜₁＜₂＜₃。

所述空间曲面为所述截线沿其所在平面的垂直方向拉伸而成。

在抛物线L₀上A₁点对于集热器的张角为α，而到达A₁点的入射光线分布在β角范围，β＞α，设A₁M平行于抛物线L₀的轴，集热器只能接收到达A₁点小于等于α角范围内的入射光线，设∠PA₁Q＝α这是一天之中到达A₁点不超过强角α范围最强的光线，A₁N为∠PA₁Q的角平分线，令∠MA₁N＝₁这就是说到达A₁可能被集热器接收到的一天当中最强的光线平均入射角由直线A₁N的入射角代表。

如果我们将经过A₁点的某一条P值改变，焦点仍在O点而抛物线的轴旋转₁角，这样便可使∠PA₁Q范围内的入射光线准确无误地反射到∠PA₁R范围。以O点为中心旋转₁角的新的抛物线为L₁抛物线。

在抛物线上A₁点向左一点，到达的入射光线的平均入射角都是以抛物线L₀的轴的平行线的入射角为代表，故A₁点向左L₀抛物线就是最佳的，不必旋转。

在抛物线上A₁点向右A₂一条新的抛物线仍以O为焦点旋转₂角，其焦参数P改变为P₂，新的抛物线为L₂同样的道理也能保证一天中到达A₂点的能被反射到集热器的最强的光线理论上不遗漏的汇聚到集热器表面。

以此类推，当截线由三段以上的抛物线组成时，若干个点对应若干条最佳的抛物线。A₁点在L₁抛物线上，A₂点在L₂抛物线上，A_i点在L_i抛物线上，i足够大下述新曲线就能精确地会聚尽可能多的阳光到集热器上直至达到理论上最佳会聚效果。

新曲线由下列点和下列抛物线接续而成：

L₀-A₁(点)-L₁-A₂-L₂-A₃-……-A_i-L_i

如果i值足够大，上述新曲线与下列表达的新曲线就没有什么分别：

L₀-A₁(点)-A₂-A₃……-A_i

这样，该曲面反光板的横截线可由若干段抛物线段组成，在过原点垂直于极轴的垂线即Y轴两侧的各段横截线线相对称，如图2所示，每一段反光板均对应一段时间最强的入射光线，其整体的组合可获得最佳聚光效果。所述空间曲面为所述横截线沿其所在平面的垂直方向拉伸而成，该曲面反光板的各横截线的焦点(即各段抛物线的公共焦点)拉伸成一直线，沿该直线可以设置太阳能集热管1，可制成温度更高用途更广的太阳能集热器。为减小集热管尺寸同时又不减少其吸热面积，可以将集热管管径做得较小，同时，在集热管外设置至少三个吸热翅片。

Claims (2)

1.太阳能聚光集热器，包括壳体和集热管，壳体内设有保温板，保温板表面并列设有若干聚光反射板，其特征在于：所述聚光反射板的反光面形状为一空间曲面，该空间曲面任意位置的横截线为以平面极坐标系中极轴的过极点的垂线为对称轴的对称曲线，所述对称轴一侧的截线由三段以上顺序相连的抛物线L₀、L₁、L₂……L_i组成，各抛物线的焦点均位于平面极坐标系的极点，各段抛物线L_i满足下列方程：

其中，i＝0，1，2，3，4，5......；

ρ为抛物线上的点到极点的距离即极径；

P_i为抛物线的焦参数，为抛物线的顶点至焦点距离的二倍；

θ为极坐标系中抛物线上的点的极角或幅角，90°＜θ≤270°；

抛物线轴的偏转角，指抛物线轴以极点为中心沿逆时针方向旋转的角；

L₁与L₀的交点A₁(ρ₁，θ₁)

L₂与L₁的交点A₂(ρ₂，θ₂)

L_i与L_i-1的交点A_i(ρ_i，θ_i)

抛物线L₀的轴与平面极坐标系的极轴的垂线间的夹角为0，即抛物线L₀未旋转，旋转角₀为0；

抛物线L₁的轴相对L₀的轴沿逆时针方向旋转，旋转中心为平面极坐标系的极点，旋转的角度为₁，称偏转角为₁；

抛物线L₂    偏转角为₂

抛物线L_i    偏转角为_i

θ₁对应的₁：到达点(ρ₁，θ₁)处相对强的入射光线的平均入射角以这样的直线为代表，该直线与过极点的极轴的垂线间的夹角为₁，偏转角₂偏转角_i依此类推；过极点的极轴的垂线正是抛物线L₀的轴；

相邻抛物线的焦参数P值满足下列方程：

其中：i＝0，1，2，3……

₀＝0    0＜₁＜₂＜₃＜……＜_i；

空间曲面为所述截线沿其所在平面的垂直方向拉伸而成，各截线的焦点成一直线，所述集热管沿该直线设置。

2.根据权利要求1所述的太阳能聚光集热器，其特征在于：所述若干聚光反射板连为一体。

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