CN101776325B - 内聚光与外聚光结合的复合抛物面聚光器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及太阳能聚光技术领域，提供了一种内聚光与外聚光结合的复合抛物面聚光器该聚光器包括玻璃管(2)、位于玻璃管(2)内部的接收管(1)、内部复合抛物面聚光板(3)、外部复合抛物面聚光板(4)、保温层(5)、支撑脚(6)和支撑梁(7)，接收管(1)和玻璃管(2)分别设有接收管圆心和玻璃管圆心；接收管(1)的圆心与玻璃管(2)的圆心重合，且接收管(1)与玻璃管(2)之间为真空；内部复合抛物面聚光板(3)安装固定在该真空中并与玻璃管(2)接触，该内部复合抛物面聚光板(3)与接收管(1)之间有缝隙。该种聚光器聚光效果好，安装简单。

Description

内聚光与外聚光结合的复合抛物面聚光器

技术领域

本发明涉及一种太阳能利用聚光器，特别是一种静态非成像聚光器，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。

复合抛物面聚光器(Compound parabolic concentrator，简称为CPC)是根据边缘光学原理设计的非成像聚光器。在理论上，接收角范围内的入射光直接或经反射都最终到达接收器上，对于给定的接受角范围它可以实现最大的聚光比，因而被应用在太阳能光热、光伏系统中，非跟踪、跟踪(二级反射器)系统中。

CPC模型的建立与发展起于七十年代末，大量学者做了相关研究。管状CPC在光热系统中的应用最为广泛，它具有最小的散热面积，无需跟踪装置而降低了成本，可以实现中温集热的需求。对于管状CPC，在国际上，其研究与利用主要集中在聚光板在玻璃管外部的外聚光式集热器，对于此类聚光器，存在着由于玻璃管与接收管之间的距离而导致的聚光板与接收管之间缝隙过大、聚光板难以保养、聚光效果差、结构不紧凑等缺点。在1977年，康宁玻璃研发实验室的奥塔巴斯(U.Ortabasi)在提出内聚光热管式管真空集热器时采用了聚光板放置在玻璃管内部的方法，它解决了外聚光方式的缺点，但也存在着不足和限制：由于玻璃管和接收管管径的限制其聚光比较小、接收管的圆心与玻璃管的圆心不重合而导致制作安装困难等。

发明内容

技术问题：本发明要解决的技术问题是提供一种聚光效果好、安装简单的内聚光方式与外聚光方式相结合的复合抛物面聚光器。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案为；一种内聚光与外聚光相结合的复合抛物面聚光器，该聚光器包括玻璃管(2)、位于玻璃管(2)内部的接收管(1)、内部复合抛物面聚光板(3)、外部复合抛物面聚光板(4)、保温层(5)、支撑脚(6)和支撑梁(7)，接收管(1)和玻璃管(2)分别设有接收管圆心和玻璃管圆心；

接收管(1)的圆心与玻璃管(2)的圆心重合，且接收管(1)与玻璃管(2)之间为真空；

内部复合抛物面聚光板(3)安装固定在该真空中并与玻璃管(2)接触，该内部复合抛物面聚光板(3)与接收管(1)之间有缝隙；

外部复合抛物面聚光板(4)安装在玻璃管(2)的外部，且与玻璃管(2)接触并形成两个接触点，外部复合抛物面聚光板(4)与内部复合抛物面聚光板(3)形成一条连续的复合抛物面曲线，该抛物面曲线方程式为：x＝r sint-I(t)cost，y＝-rcost-I(t)sint，I(t)＝rt，t₁≤t≤π/2+θ

$I\left(t\right)=\frac{r(\mathrm{\π}/2+t+\mathrm{\θ}-\cos (t-\mathrm{\θ}))}{1+\sin (t-\mathrm{\θ})},\mathrm{\π}/2+\mathrm{\θ}\≤t\≤3\mathrm{\π}/2-\mathrm{\θ}$

上述方程式中：θ——接收角；r——接收管管半径；t——角度变量参数；t₁——初始角；g——缝隙的大小；x——复合抛物面曲线的横坐标；y——复合抛物面曲线的纵坐标，

保温层(5)覆盖在玻璃管(2)的下表面，并设置在外部复合抛物面聚光板(4)与玻璃管(2)的两个接触点之间；支撑梁(7)设在玻璃管(2)的下面用于固定外部复合抛物面聚光板(4)和玻璃管(2)；支撑脚(6)与支撑梁(7)相连接，用于支撑内聚光与外聚光结合的复合抛物面聚光器。

优选的，接收管(1)为直通式接收管或者热管式接收管或者U形接收管。

优选的，玻璃管(2)为圆筒状，其管径为接收管(1)的2-10倍。

优选的，内部复合抛物面聚光板(3)和外部复合抛物面聚光板(4)为玻璃板或镀反射膜的金属板。

优选的，保温层(5)为玻璃棉隔热材料。

优选的，该内部复合抛物面聚光板(3)与接收管(1)的缝隙为2-10mm。

有益效果：

1)采用了复合抛物面的聚光器，可以将接收角范围内的入射光线全部收集到接收器上，并在该接收角下实现理论上的最大几何聚光比。接收器为管状，可以与广泛运用于集热的圆管相配套，并将散热表面积降到最小。

2)采用将内聚光与外聚光相结合的方式可以同时具有这两种聚光形式的优点，避免它们的缺陷：接收管与玻璃管圆心重合，大大简化了制作工艺，降低了安装的要求与难度；避免了外聚光方式由于具有较大的缝隙而造成严重的光能损失，将缝隙的大小从2cm以上降到5mm以下；不受内聚光方式下采光口大小受玻璃管管径的限制，可以显著的提升聚光比；复合抛物面聚光板最重要的反光部位位于玻璃管内，因而不会弄污与破损，延长了使用寿命，改善了聚光效果；可以较好的实现热量损失小、提升加热工质温度的性能要求。

3)采用的支撑梁结构，容易安装与更换、节省材料并降低了重量；采用的支撑脚结构，可以按照实际需求来调整高度和倾斜角度。

4)复合抛物面曲线采用的是奥塔巴斯(U.Ortabasi)等人推导出的公式曲线，这种曲线设计简单，并在聚光比、聚光器尺寸上具有优势。

5)该设计科学、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是内聚光与外聚光结合的复合抛物面聚光器的剖面结构示意图；

图中有：接收管1、玻璃管2、内部复合抛物面聚光板3、外部复合抛物面聚光板4、保温层5、支撑脚6、支撑梁7。

图2是内聚光与外聚光结合的复合抛物面聚光器的立体结构示意图；

图中有：接收管1、玻璃管2、内部复合抛物面聚光板3、外部复合抛物面聚光板4、保温层5、支撑脚6、支撑梁7。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

本发明的内聚光与外聚光方式结合的复合抛物面聚光器，玻璃管内的复合抛物面聚光板的曲线采用的是由温斯顿(Winston)提出，奥塔巴斯(U.Ortabasi)等人推导出方程式并称为“尖角聚光器”(cusp reflector)的曲线方程：

x＝r sint-I(t)cost，y＝-rcost-I(t)sint，

I(t)＝rt，t₁≤t≤π/2+θ

$I\left(t\right)=\frac{r(\mathrm{\π}/2+t+\mathrm{\θ}-\cos (t-\mathrm{\θ}))}{1+\sin (t-\mathrm{\θ})},\mathrm{\π}/2+\mathrm{\θ}\≤t\≤3\mathrm{\π}/2-\mathrm{\θ}$

上述方程式中：θ——接收角；r——接收管管半径；t——角度变量参数；t₁——初始角；g——缝隙的大小；x——复合抛物面曲线的横坐标；y——复合抛物面曲线的纵坐标。

该聚光器包括接收管1、玻璃管2、内部复合抛物面聚光板3、外部复合抛物面聚光板4、保温层5、支撑脚6、支撑梁7。

接收管1为圆筒状，材料采用导热金属；玻璃管2为圆筒状，其管径为接收管1的2-10倍；内部复合抛物面聚光板3和外部复合抛物面聚光板4为玻璃镜或镀反射膜的金属板；保温层5为玻璃棉等隔热材料，颜色为黑色；接收管1位于玻璃管2的内部并且圆心重合，接收管1与玻璃管2之间抽成真空；内部复合抛物面聚光板3安装固定在真空中，与玻璃管2接触、与接收管1有2-10mm的缝隙；外部复合抛物面聚光板4安装在玻璃管2的外部，与玻璃管2接触，并与内部复合抛物面聚光板3形成一条连续的复合抛物面曲线；保温层5覆盖在玻璃管2的下表面，并在外部复合抛物面聚光板4与玻璃管2的两个接触点之间，玻璃管2的下表面是玻璃管2与外部复合抛物面聚光板4的抛物面的开口方向相反的表面；支撑梁7在玻璃管2的下面用来固定外部复合抛物面聚光板4和玻璃管2；支撑脚6与支撑梁7相连接，用来支撑整个聚光器。

实施例1

如图1和图2，玻璃管2和接收管1长度均为2m，玻璃管外径为120mm，内径为114mm，接收管1为热管，其管外径为28mm；最大接收角为20°，采光口宽度为235mm。玻璃管2由2个支撑梁7固定和两个支撑脚6支撑，调整支撑脚6，使得外部复合抛物面聚光板4的开口朝南倾斜角度约30°，当太阳光在该聚光器的接收角范围内入射到开口面内，光能直接或经外部复合抛物面聚光板4反射后通过玻璃管2，再直接或经内部复合抛物面聚光板3反射后最终到达接收管1上。

实施例2

玻璃管2和接收管1长度均为2m，玻璃管外径为120mm，内径为114mm，接收管1为直通管，其管外径为35mm；最大接收角为30°，采光口宽度为255mm。玻璃管2由2个支撑梁7固定和两个支撑脚6支撑，调整支撑脚6，使得外部复合抛物面聚光板4的开口朝南倾斜角度约30°，光能直接或经外部复合抛物面聚光板4反射后通过玻璃管2，再直接或经内部复合抛物面聚光板3反射后最终到达接收管1上。

Claims (6)

1.一种内聚光与外聚光结合的复合抛物面聚光器，其特征在于：该聚光器包括玻璃管(2)、位于玻璃管(2)内部的接收管(1)、内部复合抛物面聚光板(3)、外部复合抛物面聚光板(4)、保温层(5)、支撑脚(6)和支撑梁(7)，接收管(1)和玻璃管(2)分别设有接收管圆心和玻璃管圆心；

接收管(1)的圆心与玻璃管(2)的圆心重合，且接收管(1)与玻璃管(2)之间为真空；

内部复合抛物面聚光板(3)安装固定在该真空中并与玻璃管(2)接触，该内部复合抛物面聚光板(3)与接收管(1)之间有缝隙；

外部复合抛物面聚光板(4)安装在玻璃管(2)的外部，且与玻璃管(2)接触并形成两条接触线，外部复合抛物面聚光板(4)与内部复合抛物面聚光板(3)形成一条连续的复合抛物面曲线，该抛物面曲线方程式为：

x＝r sin t-I(t)cos t，y＝-r cos t-I(t)sin t，

I(t)＝rt，t₁≤t≤π/2+θ，

$I\left(t\right)=\frac{r(\mathrm{\π}/2+t+\mathrm{\θ}-\cos (t-\mathrm{\θ}))}{1+\sin (t-\mathrm{\θ})},$ π/2+θ≤t≤3π/2-θ，

上述方程式中有：接收角θ；接收管管半径r；角度变量参数t；初始角t₁；缝隙的大小g；复合抛物面曲线的横坐标x；复合抛物面曲线的纵坐标y，

保温层(5)覆盖在玻璃管(2)的下表面，并设置在外部复合抛物面聚光板(4)与玻璃管(2)的两个接触点之间；支撑梁(7)设在玻璃管(2)的下面用于固定外部复合抛物面聚光板(4)和玻璃管(2)；支撑脚(6)与支撑梁(7)相连接，用于支撑内聚光与外聚光结合的复合抛物面聚光器。

2.根据权利要求1所述的内聚光与外聚光结合的复合抛物面聚光器，其特征在于：接收管(1)为直通式接收管或者热管式接收管或者U形接收管。

3.根据权利要求1所述的内聚光与外聚光结合的复合抛物面聚光器，其特征在于：玻璃管(2)为圆筒状，其管径为接收管(1)的2-10倍。

4.根据权利要求1所述的内聚光与外聚光结合的复合抛物面聚光器，其特征在于：内部复合抛物面聚光板(3)和外部复合抛物面聚光板(4)为玻璃板或镀反射膜的金属板。

5.根据权利要求1所述的内聚光与外聚光结合的复合抛物面聚光器，其特征在于：保温层(5)为玻璃棉隔热材料。

6.根据权利要求1所述的内聚光与外聚光结合的复合抛物面聚光器，其特征在于：该内部复合抛物面聚光板(3)与接收管(1)的缝隙为2mm-10mm。

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