CN101697032B - 复合抛物面聚光器 - Google Patents

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Abstract

一种复合抛物面聚光器，属于太阳能利用领域。将普通的CPC曲线绕其上边缘点向聚光器中心线旋转2-5度，3度最佳，形成一个新的CPC曲线，在新旧曲线之间填充电介质，形成一个新型的CPC聚光器。该聚光器的外表面可以采用金属反射面或反射性涂层来达到反射太阳光，这样的新型CPC聚光器能够达到相同聚光比CPC的光学效率，并增大了它对太阳光线的接收半角。

Description

复合抛物面聚光器
所属技术领域
本发明涉及一种非成像的聚光装置，属于太阳能利用领域。
背景技术
复合抛物面聚光器(CPC)，由美国芝加哥大学温斯顿教授(Winston)在高能物理实验中，为检测微弱的Cherenkov辐射研制成功的。是一种根据边缘光学原理设计的非成像聚光器，可将给定接收叫范围内的入射光线按理想聚光比收集到接收器上。它由两片槽型抛物面反射镜组成，吸收体装设在底部，它可达到的聚光比一般在10以下。入射太阳光线在CPC中通过几次反射到达接收面，流失较少，还可对斜入射的太阳光进行有效收集。这种聚光器聚光而不成像，因而在工作时只需做季节性调整，无须连续跟踪。当聚光比在3以下时，可以作为不须调整的固定聚光器。CPC不但能接收直射太阳辐射，还能很好的接收散射辐射。对聚光面型加工精度要求不是很严格，又无须跟踪机构，有着广泛的运用前景。
70年代末期，研究工作有很大进展，内容包括CPC与不同形式的接收器的结合以及CPC的设计研究，对CPC的光学性能和热性能进行系统的分析研究等。但是在这些研究中，CPC的接收器大部分为平板接收器，只有少量非真空圆管接收器和极少的真空圆管接收器，而且以小聚光比为主，主要用于太阳能热水器或热水系统，经济性和实用性都不强。近10年来CPC的研究重点为圆管型(包括非真空圆管和真空管)，目的是为了得到较高温度的热载体，甚至是得到蒸汽。例如湘潭大学袁胜利等提到用太阳能热管集热器与CPC系统结合，生产采用几何聚光比为5的CPC系统，最终得到的160℃饱和水蒸气。现在对CPC研究的另一个热点是由CPC与光伏电池结合起来组成聚光光伏系统(CPC-PV)。西安交通大学的舒远等对一个非对称CPC-PV系统的性能进行了数值模拟计算，得出采用CPC聚光器不仅可以可以提高光伏电池的输出功率，还能平衡光伏电池在冬夏的功率输出。
普通CPC的主体部分为两片抛物面反射板，纵切面如附图1。图中AD和BC为抛物线，关于中心轴对称；AC和BD为CPC的入射限制线，分别与抛物线的主轴平行(或为CPC的主轴)；AB(长度为d1)是CPC的开口，CD(长度为d2)为其接收面；入射限制线与对称轴夹角称为接收半角(用θ表示)。当从CPC上端开口入射的光线入射角小于或等于θ时，可直接或者经过反射最终CPC的下端开口射出被利用，而当入射角大于θ时，光线经过多次反射从的上端口射出不能被利用。所以在CPC中θ是一个关键的参数，它的大小直接决定了CPC的几何聚光比C：
C＝1/sinθ
反射面抛物线方程：
Y＝X2/4f
其中f为焦距：
f＝d2(sinθ+1)/2
这样的CPC存在一个不可忽视的缺陷，即随着聚光比的增大，CPC的接收半角逐渐减小，CPC接收到的太阳光线逐渐减少，光学效率随之降低。
发明内容
本发明的目的在于提供一种对太阳光接收半角更大，且不损失其光学效率的复合抛物面聚光器。
一种复合抛物面聚光器，其反射面的抛物面方程由聚光比和底面长度确定，其特征是：在反射面内部具有电介质层，且电介质层形状及厚度由反射面的抛物面绕其上边缘点向内旋转2-5度形成。
上述反射面的抛物面绕其上边缘点向内旋转的角度为3度时最佳，此时既增大了CPC对太阳光的接收半角，又不损失其光学效率。
上述反射面可以为金属反射面。或者为电介质层外表面覆有的反射性涂层。
本发明克服了当CPC聚光比增大时，接收半角减小，聚光器光学效率降低，且需要作季节型调整的缺陷，扩大了CPC对太阳光的接收半角，且不损失其光学效率。
附图说明
图1是普通CPC的纵切面结构图。
图2是本发明的新型复合抛物面的结构图。
图中标号名称，1.抛物线反射面，2.接收面，3.电介质。
具体实施方式
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：将普通CPC的两条曲线分别绕其的上边缘点向CPC中心线方向旋转2-5度形成一个新的CPC曲线。在新旧两个CPC曲线之间填充电介质材料，在电介质外表面覆上反射性涂层(涂层应选择反射比高的材料如太空绝热瓷层、AP-35等)，或者在电介质外表面附加一个的金属(如铝、铁等)反射表面，这样就形成了一个新型的CPC聚光器。当太阳光线(接收范围内)射入聚光镜时经过一系列折射和反射后射入聚光器底部的接收面。
上述电介质材料应选择透射率和折射率较高，一般透射率要求大于0.9，折射率大于1.4，同时考虑材料成本问题。因为透射率越高，光线损失越少；折射率越高，对太阳光的接收半角越大。可选的材料有丙烯酸、玻璃、等。
如图2所示，本发明主要由两个反射抛物面及其内部的一层电介质(丙烯酸)组成。太阳光(在接收范围内)射入聚光器，经过空腔，在电介质3中发生折射，然后被反射性涂层或金属制表面1反射，经过这样一系列的折射和反射，光线最终射入CPC底部的接收面2，其中由于电介质的存在有效的扩大了聚光器对太阳光的接收半角。
普通CPC聚光比为4时，其接收半角：
θ＝arcsin(1/C)＝arcsin(1/4)≈14.5(度)
通过一种高准确度的光线跟踪软件RADIANCE模拟得出当采用丙烯酸(透射率为0.93，折射率为1.5)为电介质材料，反射表面为铝(反射率0.9)，太阳辐射强度为800W/m2时，本发明(对应普通聚光比为4的CPC)旋转角度为3度时接收半角达到了25度，其光学聚光比约为6；当旋转角度为2度时，其接收半角为21度，聚光比约为5.3；当旋转角度为5度时，接收半角达到28度，但聚光比仍为6，可见其光学效率有所损失且所需电介质材料增多，增加了材料成本。所以本发明的有益效果是扩大CPC对太阳光的接收半角，从而避免对其作季节性方位调整，并且当旋转角度为3度时为最优方案，此时不仅有效扩大了对太阳光的接收半角而且没有损失它的光学效率。

Claims (4)

1.一种复合抛物面聚光器，其反射面的抛物面方程由聚光比和底部长度确定，其特征是：在反射面内部具有电介质层，且电介质层形状及厚度由反射面的抛物面绕其上边缘点向内旋转2-5度形成；上述电介质层的所用材料透射率大于0.9，折射率大于1.4。
2.根据权利要求1所述的复合抛物面聚光器，其特征在于：上述反射面的抛物面绕其上边缘点向内旋转的角度为3度。
3.根据权利要求1所述的复合抛物面聚光器，其特征在于：上述反射面为金属反射面。
4.根据权利要求1所述的复合抛物面聚光器，其特征在于：上述反射面为电介质层外表面覆有的反射性涂层。
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