CN101581502A - 槽式顺向聚焦轴向传光太阳能聚光器 - Google Patents

Abstract

本发明为槽式顺向聚焦轴向传光太阳能聚光器，属太阳能聚光与太阳能中高温集热技术领域。该装置由槽式顺向聚光器、导光器、导光管和集热器等部件连接组成。太阳光入射进入槽式顺向聚光器后，经其内表面反射聚焦至其焦线上，光导管外壁开有可以让光线进入的缝，缝与焦线重合，光经缝进入导光管并入射到导光器上，再经导光器反射后投射到光导管内壁上，经导光管内壁反射沿轴向传递，最后进入集热器，从而实现太阳能高温聚集。本发明能够将低能流密度的太阳光，经过反射和轴向传递后聚积在很小的区域形成高温热能。

Description

槽式顺向聚焦轴向传光太阳能聚光器

所属技术领域

本发明涉及一种太阳能聚光器，尤其是一种利用聚光器与高温聚能器结合组成的结构，实现太阳光高密度聚集并产生高温热能的太阳能利用装置。属太阳能聚光与太阳能高温热利用技术领域。

背景技术

在目前推广使用的中高温太阳能集热器中，主要有旋转抛物面反射点聚焦和二维抛物槽反射线聚焦(亦称槽式聚光器)两类。前者的优点是集热温度高，缺点是装置规模有限，工艺复杂。后者的优点是可以大规模安装，工艺相对简单，缺点是光线难于被集中到很小的区域，集热温度相对较低。这两类装置的集光原理均是通过抛物面反射将太阳光逆向反射至抛物面的焦点处，然后经过太阳能接收器进行搜集产生高温热能。由于太阳能接收器在抛物面的上方，因此，太阳能接收器一般会在抛物面上留下阴影，从而阻挡了部分太阳光的采集。另外，对于高纬度地区和太阳高度角较小的冬季，不管槽式聚光器是如何放置的，大多时候太阳光都是倾斜入射至聚光器上的，此时太阳光线在装置中的运行路线变长，加大了系统对跟踪精度的要求。再由于太阳能接收器在抛物面的上方，它所处的环境更为恶劣，会经历风吹雨淋，并与天空产生辐射换热，从而减少了部分效率。

本发明利用槽式抛物面和平面镜复合反射聚光的原理，对倾斜入射至槽式顺向聚光器的太阳光实现了顺向聚焦，即产生的焦线是在槽式抛物面的下方的，再利用导光器和光导管将已经汇集在焦线上的太阳光线再经轴向传导至腔体式集热器中，从而实现太阳能高温集热。它的优点是接收器和光导管不会在抛物面反射器上留下阴影，无需在焦线上安装易于损坏的玻璃真空管，集热器体积可以大大减小，易于防止散热，结构更加紧凑，对太阳跟踪系统的技术要求更低，特别适合高纬度地区和太阳高度角较小的冬季。

发明内容

本发明提供的装置能将大光束低能流密度的平行光会聚成线光源，并在散光器和光导管的配合下实现光在轴向传递，最后通过集热器将光能转化为高温热能。因此本装置可以应用于对太阳能的收集，并产生高温热能。

本发明是通过如下技术方案实现的：

一种槽式顺向聚焦轴向传光太阳能聚光器，由如下部分构成：1个槽式顺向聚焦集光器，0个或多个导光器，1根或多根光导管，0个或1个集热器；槽式顺向聚焦集光器由抛物面反射器、平面反射镜及保护底槽组成；光导管沿轴向在壁面开有可以让光线进入的缝；槽式顺向聚焦集光器的内表面、导光器的外表面以及光导管的内表面，镀有反射膜。

各部分连接关系为，两片抛物面反射器分别通过两片平面反射镜与保护底槽相连，光导管位于平面反射镜之间，导光器置于光导管内部，并与光导管轴线重合，在光导管的出光口一端连接有集热器，集热器与用户装置相连；

槽式顺向聚焦集光器用于将太阳光聚焦成线光源，导光器的对称轴与槽式顺向聚焦集光器的聚光焦线平行；导光器在轴线方向是呈锥状的，因此它能反射倾斜入射光线并让光线产生一个沿轴线方向传递的分量，从而使已经进入导光管的光线经其内壁和导光器外表面的反射后沿轴向传递。

当太阳光线倾斜入射至抛物面反射器，经的内表面反射至平面反射镜上，再经的反射通过光导管壁上的缝进入其内部，并入射至导光器的外壁上，经过在光导管的内表面和导光器的外表面之间的多次反射，最终进入到集热器中转化为热能，经工质输送给用户。

当光导管沿轴向在壁面开有1条可以让光线进入的缝时，缝的位置与槽式顺向聚光器的焦线重合，缝的宽度相对导光管的横截面周长应足够小并满足让入射光全部通过；

当光导管沿轴向在壁面开有2条可以让光线进入的缝时，槽式顺向聚光器的焦线与光导管的轴线重合，缝的宽度相对导光管的横截面周长应足够小并满足让入射光全部通过；

当太阳光相对于槽式顺向聚焦集光器的轴向是倾斜入射并且当入射角满足使光线直接穿过光导管时，导光器可以省略。

当用户装置具有集热功能时，集热器可以省略，此时光导管的出光口一端直接与用户的输入端相连。

本发明的有益效果是，可以将低能流密度的太阳光会聚成高能流密度线状的太阳光，并使该焦线在槽式顺向聚光器的下方，实现了反射式顺向聚焦，同时在光导管和导光器的作用下，使光沿轴向传递，有利于集热器对该太阳光的接收和转化，从而实现高温聚能。另外，由于接收器被安装在光导管的一侧，从而不会在反射面上产生阴影，增加了反射面的集光面积，也给此类接收装置的设计、安装、调试和维修维护带来方便。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1-本发明的原理图。其中：1-入射太阳光线；2-槽式顺向聚焦集光器；3-集热器；4-光导管。

图2-槽式顺向聚焦集光器的组成结构图。

其中：5-保护底槽；6-抛物面反射器；7-平面反射镜。

图3-在本发明装置剖面上看的光路运行图。

其中：1-入射太阳光线；2-槽式顺向聚焦集光器；4-光导管；8-导光器。

图4-光线进入光导管后的运行原理及导光器与光导管的相对位置图。

其中：1-入射太阳光线；3-集热器；4-光导管；9-透明进光窗。

图5-光导管直径沿轴向逐渐扩大并在其内部没有导光器的实施例图。

其中：1-入射太阳光线；4-光导管；9-透明进光窗。

图6-导光器由透明介质组成且厚度沿轴向逐渐增大的空心圆柱构成的实施例图。

其中：1-入射太阳光线；4-光导管；10-透明介质。

图7-导光器外表面为阶梯状的实施例图。

其中：1-入射太阳光线；3-集热器；4-光导管；8-导光器；9-透明进光窗。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明技术方案做进-步详细说明。

图1-本发明的原理图。在图1中，装置的运行原理可解释如下：

倾斜入射的太阳光线(1)沿装置对称轴方向入射至抛物面反射器(6)，经(6)的内表面反射至平面镜(7)上，再经(7)的反射通过光导管(4)壁上的缝进入其内部，并入射至导光器(8)的外壁上，导光器(8)的对称轴与槽式顺向聚焦集光器(2)的聚光焦线平行，其外表面具有高的光学反射性，能将光线反射到光导管内壁上，光导管(4)内壁也镀有高的光学表面，能将光线反射到导光器的外壁上。经过多次反射，倾斜入射的太阳光线(1)穿过透明进光窗(9)进入到集热器(3)中转化为热能，经工质输送给用户。

图2-本发明所述槽式顺向聚焦轴向传光太阳能聚光器中槽式顺向聚焦集光器(2)的组成结构图。在图2中，装置的组成结构解释如下：

槽式顺向聚焦集光器是由保护底槽(5)、抛物面反射器(6)和平面反射镜(7)组成，其主要功用是将倾斜入射的太阳光线(1)汇聚在槽式顺向聚焦集光器(2)的焦线上。

图3-在本发明装置剖面上看的光路运行图。在图3中，光路运行的原理解释如下：

倾斜入射的太阳光线(1)入射进入槽式顺向聚焦集光器(2)，在最大聚光半径内的光，大部分将入射到抛物面反射器(6)上，被其反射到平面反射镜(7)的内壁上，经平面反射镜(7)内壁反射后形成聚光焦线，该焦线正好与光导管(4)壁上的缝重合，所以光线能通过光导管(4)壁上的缝进入其内部。在光导管(4)内，倾斜入射的太阳光线(1)在光导管(4)内壁和导光管(8)外壁之间多次反射，最终穿过透明进光窗(9)进入到集热器(3)中。

图4-光线进入光导管后的运行原理及导光器与光导管的相对位置图。在图4中，光线进入光导管后的运行原理及导光器与光导管的相对位置解释如下：

导光器(8)置于光导管(4)内部，其对称轴与光导管(4)的对称轴相同，它们的对称轴与槽式顺向聚焦集光器的焦线平行。导光器(8)外表面具有高的光学反射性，能将光线反射到光导管(4)内壁上，光导管(4)内壁也镀有高的光学表面。导光器(8)在轴线方向是呈锥状的，因此它能反射光线并让光线产生一个沿轴线方向传递的分量。倾斜入射的光线(1)通过光导管(4)壁上的缝进入其内部，经过导光器(8)外表面反射后产生一个更大的反射角并再次入射至光导管(4)内壁，经光导管(4)内壁反射后继续沿轴向传递。经过多次反射后，倾斜入射的光线(1)最终会穿过透明进光窗(9)进入到集热器(3)中并被吸收产生高温热能。

图5-光导管直径沿轴向逐渐扩大并在其内部没有导光器的实施例图。在图5中，光线在内部没有导光器，并且直径沿轴向逐渐扩大的光导管内部的运行原理解释如下：

光导管(4)内壁镀有高的光学表面，并且在其出光口一端连接有集热器(3)。由于光导管(4)直径沿轴向逐渐扩大，因此它的内壁同样能反射光线，并让光线产生一个沿轴线方向传递的分量。倾斜入射的光线(1)通过光导管(4)壁上的缝进入其内部，在其内部经过多次反射后到达出光口，光线经过透明进光窗(9)进入集热器(3)中并被吸收产生高温热能。

图6-导光器(8)由透明介质组成且厚度沿轴向逐渐增大的空心圆柱构成的实施例图。此时，可以认为导光器(8)的外表面就是光导管(4)，在图6中，光线的运行原理解释如下：

倾斜入射的光线(1)通过由透明介质组成导光器(8)入射至导光器(8)内部，由于光是从光密介质入射到光疏介质，所以出射角变大，又由于导光器(8)沿轴向厚度逐渐增大，使得出射光线更偏向轴向方向传递。如此，经过内表面的多次反射和折射，倾斜入射的光线(1)最终会经过透明进光窗(9)进入集热器(3)中并被吸收产生高温热能。

图7-导光器外表面为阶梯状的实施例图。在图7中，光线在导光器(8)外表面为阶梯状的光导管(4)中的运行原理解释如下：

倾斜入射的光线(1)通过光导管(4)壁上的缝进入其内部，若光线入射至阶梯状导光器(8)的斜面上，由于斜面的倾斜角度较大，会使反射光线很快向轴向偏转，这样，经过一次或几次的反射，就可以使倾斜入射的光线(1)到达出光口，经过透明进光窗(9)进入集热器(3)中并被吸收产生高温热能。这样减少了光线在光导管内部的反射次数，从而减少了能量的损失。若光线入射至导光器(8)的平面部分，经过一次或几次的反射后，一旦入射到斜面部分，便会很快到达出光孔，经过透明进光窗(9)进入集热器(3)中并被吸收产生高混热能。

Claims (9)

1.一种槽式顺向聚焦轴向传光太阳能聚光器，其特征在于，由如下部分构成：1个槽式顺向聚焦集光器(2)，0个或多个导光器(8)，1根或多根光导管(4)，0个或1个集热器(3)；槽式顺向聚焦集光器(2)由抛物面反射器(6)、平面反射镜(7)及保护底槽(5)组成；光导管(4)沿轴向在壁面开有可以让光线进入的缝；

各部分连接关系为，两片抛物面反射器(6)分别通过两片平面反射镜(7)与保护底槽(5)相连，光导管(4)位于平面反射镜(7)之间，导光器(8)置于光导管(4)内部，并与光导管(4)轴线重合，在光导管(4)的出光口一端连接有集热器(3)，集热器(3)与用户装置相连；

槽式顺向聚焦集光器(2)用于将太阳光聚焦成线光源，导光器(8)的对称轴与槽式顺向聚焦集光器(2)的聚光焦线平行；导光器(8)在轴线方向是呈锥状的，因此它能反射倾斜入射光线并让光线产生一个沿轴线方向传递的分量，从而使已经进入导光管(4)的光线经其内壁和导光器外表面的反射后沿轴向传递。

2.一种槽式顺向聚焦轴向传光太阳能聚光器，其特征在于：太阳光线倾斜入射至抛物面反射器(6)，经(6)的内表面反射至平面反射镜(7)上，再经(7)的反射通过光导管(4)壁上的缝进入其内部，并入射至导光器(8)的外壁上，经过在光导管(4)的内表面和导光器(8)的外表面之间的多次反射，最终进入到集热器(3)中转化为热能，经工质输送给用户。

3.根据权利要求1所述的槽式顺向聚焦轴向传光太阳能聚光器，其特征在于：光导管(4)沿轴向在壁面开有1条可以让光线进入的缝时，缝的位置与槽式顺向聚光器(2)的焦线重合，缝的宽度相对导光管(4)的横截面周长应足够小并满足让入射光全部通过。4.根据权利要求1所述的槽式顺向聚焦轴向传光太阳能聚光器，其特征在于：光导管(4)沿轴向在壁面开有2条可以让光线进入的缝时，槽式顺向聚光器(2)的焦线与光导管(4)的轴线重合，缝的宽度相对导光管(4)的横截面周长应足够小并满足让入射光全部通过。

5.根据权利要求1所述的槽式顺向聚焦轴向传光太阳能聚光器，其特征在于，当太阳光相对于槽式顺向聚焦集光器(2)的轴向是倾斜入射并且当入射角满足使光线直接穿过光导管(4)时，导光器(8)可以省略。

6.根据权利要求1所述的槽式顺向聚焦轴向传光太阳能聚光器，其特征在于，当用户装置具有集热功能时，集热器(3)可以省略，此时光导管(4)的出光口一端直接与用户的输入端相连。

7.根据权利要求1所述的槽式顺向聚焦轴向传光太阳能聚光器，其特征在于，槽式顺向聚焦集光器(2)的内表面、导光器(8)的外表面以及光导管(4)的内表面，镀有反射膜。

8.根据权利要求1所述的槽式顺向聚焦轴向传光太阳能聚光器，其特征在于，光导管(4)直径沿轴向逐渐扩大并在其内部没有导光器的情况下：倾斜入射的光线通过光导管(4)壁上的缝进入其内部，经过光导管(4)内表面的多次反射后到达出光口，进入集热器(3)中并被吸收产生热能。

9.根据权利要求1所述的槽式顺向聚焦轴向传光太阳能聚光器，其特征在于，导光器(8)由透明介质组成且为厚度沿轴向逐渐增大的空心圆柱时：倾斜入射的光线(1)通过由透明介质组成导光器(8)入射至导光器(8)内部，经过内表面的多次反射和折射，倾斜入射的光线最终进入集热器(3)中并被吸收产生热能。

10.根据权利要求1所述的槽式顺向聚焦轴向传光太阳能聚光器，其特征在于，导光器(8)外表面为阶梯状时：倾斜入射的光线通过光导管(4)壁上的缝进入其内部，若光线入射至阶梯状导光器(8)的斜面上，经过一次或几次的反射，光线到达出光口，进入集热器(3)中并被吸收产生热能；若光线入射至导光器(8)的平面部分，经过一次或几次的反射后，入射到阶梯状导光器(8)的斜面部分，经过一次或几次的反射，光线到达出光口，进入集热器(3)中并被吸收产生热能。

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