CN101655287A - 多段圆弧聚光器 - Google Patents

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张耀明
余雷
王军
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Abstract

采用多段圆弧的聚光器涉及一种太阳能利用聚光装置，特别是一种线性聚焦反射式聚光装置，该聚光器包括接收器(1)、多段圆弧反射镜(2)、支撑架(3)；接收器(1)位于多段圆弧反射镜(2)的上方并在(2)所形成的焦线处，支撑架(3)位于多段圆弧反射镜(2)的下面并用来固定多段圆弧反射镜(2)，并从多段圆弧反射镜(2)中间的缝隙处伸出支撑杆来支撑接收器(1)。采用反射式线性聚光器可以解决折射式聚光器的成本较高、规模难以做大、光学效率受折射率限制等问题。用多段圆弧反射镜代替抛物面反射镜，可以显著降低加工难度及成本。用多段圆弧反射镜代替折平面反射镜，可以显著降低安装难度及提高聚光比。

Description

多段圆弧聚光器
技术领域
本发明涉及一种太阳能利用聚光装置，特别是一种线性聚焦反射式聚光装置，属于太阳能聚光技术领域。
背景技术
太阳能作为一种清洁、无污染的可再生能源，其开发和利用被认为世界能源战略的重要组成部分。太阳能的利用主要包含太阳能热利用和太阳能光伏发电两大类。太阳能热利用中，为了得到高温蒸汽、电能等必须采用聚光技术。太阳能光伏技术中，通过聚光技术来减少在一个系统中使用的光伏电池的面积，进而降低成本，同时达到较高的光电转换效率。因而大批科研工作者对太阳能利用中的聚光原理进行了探索和研究，根据光学原理的不同，主要分为折射式聚光器和反射式聚光器；按照聚光的形式分为点聚焦聚光器和线性聚焦聚光器。
对于太阳能聚光光伏系统，常用的菲涅尔透镜是一种点聚焦折射式聚光器，它可以实现高倍聚光，但它仍存在不少问题：采光口面积难以做大；由于透射率的限制而光学效率难以提高；聚合物材料的稳定性和可靠性差；成本较高；具有多结电池敏感的色散性能等。合适的反射式聚光方案可以避免这些问题，目前采用的反射式聚光器主要是大型抛物面聚光器，但它的缺点是抛物面反射镜制造难度大、成本较高、反射镜容易破碎、防风性能差等，使得其优势难以体现。为了解决抛物面反射镜加工难度大、成本高的问题，国内宁铎等人研制出一种用多折面代替抛物面的槽式光伏聚光器，但在实际应用时，几十块的玻璃条使得安装调焦、安装精度、抗风性能等问题较为严重，从而迫使其几何聚光比设计的较小。
对于太阳能聚光热利用系统，主要有槽式太阳能热利用系统(线性聚焦)、塔式太阳能热利用系统(点聚焦)和碟式太阳能热利用系统(点聚焦)。槽式太阳能热利用技术是其中最为成熟的技术。常规槽式太阳能热利用系统的聚光集热器一般采用抛物面聚光镜将光线反射聚焦到集热管上，加热管内工质。这种聚光集热器大面积的抛物面制作困难，成本较高，对跟踪精度要求较高。也有人采用了低成本的圆弧反射聚光镜，但其具有近轴光线成焦的特性使得聚光装置的相对高度很高，且聚光带过宽。
发明内容
技术问题：本发明的目的在于克服上述现有聚光技术所存在的缺陷，提出一种新型的线性聚焦反射式聚光装置。在支撑机构上安装有反射镜和接收器，反射镜用多段圆弧构成，代替现有的抛物面、圆弧面、折平面等反射镜。
技术方案：采用多段圆弧代替抛物面以降低加工成本并增加设计的自由度。多段圆弧反射镜沿聚光装置剖面的中心轴对称分布，设计圆弧的位置使得经过每段圆弧的反射光尽可能的集中在集热管的圆心或完全覆盖整个光伏电池。对称轴每边的圆弧镜面的段数为2-3块。各段圆弧之间根据实际情况可以不连接。跟踪装置使得光线沿装置中心轴方向进入采光口内，经多段圆弧反射镜反射，较为均匀的分布在光伏电池板上或较为集中的照射到集热管的圆心。
该聚光器包括接收器、多段圆弧反射镜、支撑架；接收器位于多段圆弧反射镜的上方并在所形成的焦线处，支撑架位于多段圆弧反射镜的下面并用来固定，并从中间的缝隙处伸出支撑杆来支撑接收器。
接收器为圆管状的集热管或为平板状的光伏电池组件，多段圆弧反射镜是由多片反射镜组成的槽型结构反射镜。
多段圆弧反射镜反射镜的每片圆弧反射镜之间或不紧密连接，留有一定的空隙作为风口。
有益效果：
1)采用反射式线性聚光器可以解决折射式聚光器的成本较高、规模难以做大、光学效率受折射率限制等问题。用多段圆弧反射镜代替抛物面反射镜，可以显著降低加工难度及成本。用多段圆弧反射镜代替圆弧面反射镜可以降低装置的相对高度，对于光伏系统可以使得聚光均匀度增加。用多段圆弧反射镜代替折平面反射镜可以显著减少镜面的块数，从而降低了安装调节的难度，增大了聚焦的精度，以及减少了镜面的损坏率，对于光热系统可以更好的聚焦到较窄的光斑带。
2)单边圆弧镜面数一般为2-3块，安装及加工均为简易，每段反射镜的位置可以根据实际情况进行调节，为了满足抗风的需要，可以将反射镜之间留有空隙；为了降低成本，可以只采用一种曲率的反射镜，并将反射镜位置依次提高到相应位置。
3)对于聚光光伏系统，每段圆弧反射镜的反射光都覆盖了整块电池板，使得局部镜面的偏离不至于显著影响整体的聚光效果。槽式反射镜不可避免的存在着反射到电池板的光线分布不均匀的问题，而两边反射镜面对称分布的布置可以使得两边反射的不均匀光线相互弥补，较为显著的改善了聚光装置聚光到电池板上的不均匀度。
4)对于聚光光热系统，因为圆弧反射镜只有近轴光线入射时才有较好的聚焦效果，因而圆弧反射镜和折平面反射镜难以将光线聚焦到较小的光斑带上，采用多段圆弧反射镜的设计则可以较为理想的解决这个问题。
整套设计科学、简单、合理，聚光效果好，便于大规模工业化生产，成本低，易推广。
附图说明
图1是接收器为光伏电池组件的多段圆弧聚光器的结构示意图，
图中有：是接收器1、多段圆弧反射镜2、支撑架3。
图2是接收器为集热管的多段圆弧聚光器的结构示意图，
图中有：是接收器1、多段圆弧反射镜2、支撑架3。
图3是多段圆弧聚光装置(接收器为光伏电池组件)的设计光路图，
图4是多段圆弧聚光装置(接收器为集热管)的设计光路图，
图5是多段圆弧聚光装置(接收器为光伏电池组件)的设计光路图(改进方案)，
图6是多段圆弧聚光装置(接收器为集热管)的设计光路图(改进方案)。
具体实施方式
本发明的采用多段圆弧的聚光器包括接收器1、多段圆弧反射镜2、支撑架3；接收器1位于多段圆弧反射镜2的上方并在2所形成的焦线处，支撑架3位于多段圆弧反射镜2的下面并用来固定2，并从2中间的缝隙处伸出支撑杆来支撑接收器1。接收器1为圆管状的集热管或为平板状的光伏电池组件，多段圆弧反射镜2是由多片反射镜组成的槽型结构反射镜。多段圆弧反射镜2的每片圆弧反射镜之间不紧密连接，留有一定的空隙作为风口。
实施例1
接收器1采用的是光伏电池组件，该太阳能聚光器通过跟踪系统使得太阳光沿中心轴向入射到接受面，光线到达多段圆弧反射镜2，经镜面反射后，每段圆弧镜面的反射光都能到达并覆盖整个太阳能光伏电池组件，反射镜及光伏电池组件通过支撑架3固定。图3为光路示意图，采用的是三段圆弧作为反射镜，圆弧弧长均为1米，半径依次为5米、5.8米、7.2米，电池组件的高度为1.7米。
实施例2
接收器1采用的是集热管，该太阳能聚光器通过跟踪系统使得太阳光沿中心轴向入射到接受面，光线到达多段圆弧反射镜2，经镜面反射后，每段圆弧镜面的反射光都能较为集中的到达集热管，反射镜及集热管通过支撑架3固定。图4为光路示意图，采用的是两段圆弧作为反射镜，圆弧弧长均为1米，半径依次为4米、4.86米，电池组件的高度为1.927米。
实施例3
接收器1采用的是光伏电池组件，该太阳能聚光器通过跟踪系统使得太阳光沿中心轴向入射到接受面，光线到达多段圆弧反射镜2，经镜面反射后，每段圆弧镜面的反射光都能到达并覆盖整个太阳能光伏电池组件，反射镜及光伏电池组件通过支撑架3固定。图5为光路示意图，采用的是三段圆弧作为反射镜，圆弧弧长均为1米，半径均为5米，电池组件的高度为1.7米。这样的设计可以减小风压对镜面的影响，并显著的降低制造镜面的成本，缺点是聚光比与实施例1的设计相比偏小。
实施例4
接收器1采用的是集热管，该太阳能聚光器通过跟踪系统使得太阳光沿中心轴向入射到接受面，光线到达多段圆弧反射镜2，经镜面反射后，每段圆弧镜面的反射光都能较为集中的到达集热管，反射镜及集热管通过支撑架3固定。图6为光路示意图，采用的是两段圆弧作为反射镜，圆弧弧长均为1米，半径均为4米，电池组件的高度为1.927米。这样的设计可以减小风压对镜面的影响，并显著的降低制造镜面的成本，缺点是聚光比与实施例2的设计相比偏小。

Claims (3)

1、一种采用多段圆弧的聚光器，其特征在于该聚光器包括接收器(1)、多段圆弧反射镜(2)、支撑架(3)；接收器(1)位于多段圆弧反射镜(2)的上方并在(2)所形成的焦线处，支撑架(3)位于多段圆弧反射镜(2)的下面并用来固定多段圆弧反射镜(2)，并从多段圆弧反射镜(2)中间的缝隙处伸出支撑杆来支撑接收器(1)。
2、根据权利要求1所述的采用多段圆弧的聚光器，其特征在于接收器(1)为圆管状的集热管或为平板状的光伏电池组件，多段圆弧反射镜(2)是由多片反射镜组成的槽型结构反射镜。
3、根据权利要求1中所述的采用多段圆弧的聚光器，其特征在于多段圆弧反射镜(2)的每片圆弧反射镜之间不连接，留有一定的空隙作为风口。
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