CN102103258B - 基于碟式聚光的太阳能二次聚光分频方法及其装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于碟式聚光的太阳能二次聚光分频方法及其装置，旋转抛物面碟式反射镜中间开有透光孔，透光孔下方沿碟式反射镜轴线两侧分别布置有聚光光伏电池板和集热器入口；在透光孔上方离碟式反射镜的顶点一定距离处布置一分频透镜，离碟式反射镜近的分频透镜一曲面上贴有分频薄膜，离碟式反射镜远的分频透镜另一曲面为银镜反射面，碟式反射镜与分频透镜之间设有支撑杆，碟式反射镜下方设有支架，支架上设有双轴跟踪系统，整个系统放于旋转底盘上。本发明可实现太阳能聚光分频，并将两个聚光焦斑都转移到系统下方，有效降低系统追日时的能耗，提高系统的平衡性和抗风性能；可分别调节两束光的聚光比，满足聚光光伏电池板和集热器各自所需的最佳聚光强度要求。

Description

基于碟式聚光的太阳能二次聚光分频方法及其装置
技术领域
本发明涉及太阳能发电技术领域，尤其涉及一种基于碟式聚光的太阳能二次聚光分频方法及其装置。
背景技术
全球太阳能辐射总量约1.7×1017W，其中我国约占1%（1.8×1015W，相当于1.9万亿吨标煤/年），是我国目前年能耗总量的680倍。电力是世界上消耗量最大的二次能源，太阳能发电技术是缓解当前能源危机的有效手段，应用前景极广。
太阳能发电技术主要分为光伏发电和光热发电两大类。光伏发电主要是利用光伏电池板的光电效应进行发电。该技术目前主要存在三大缺点：（1）发电功率随太阳光强度变化而变化，在晚上和阴雨天完全不能发电，对电网冲击大；（2）太阳光流密度低，单位发电容量所需的光伏电池板面积大，而光伏电池板制造过程污染严重、成本很高；（3）光伏电池板对太阳能光谱的响应波段主要集中在高频短波区域（400 < λ < 1100 nm），低频长波区域的能量则大部分转化为热量，致使光伏电池板温度升高、光电转换效率降低、使用寿命缩短。采用聚光光伏发电方法可以成倍减少光伏电池板的使用面积、采用薄膜分频方法将太阳光中的低频长波分离后再照射光伏电池板，是目前光伏发电技术的两个重要方向；对于昼夜不连续的问题，光伏发电技术本身难以克服，主要依靠蓄电池或蓄能发电系统（如蓄能水电站等）配套补充，成本很高。
光热发电技术是主要是利用抛物面反射镜（或菲涅尔镜）将太阳光聚集起来，通过光热转换及换热装置产生蒸汽或加热流体驱动发动机（如汽轮机、斯特林机等）进行发电；其优点在于该技术可吸收全波段的太阳光、可通过蓄热实现昼夜连续发电。抛物面反射镜主要分为槽式、塔式和碟式三大类。其中，槽式镜是将太阳光聚集在一条与镜面平行的线上，该技术只对太阳光进行一维跟踪，太阳能利用效率较低。塔式聚光通常是利用数千（或更多）个定日镜将太阳光聚集在高塔顶端的集热器上，该系统占地面积大，每个定日镜的方位和曲面都不相同，控制系统复杂。碟式聚光通常由整体旋转抛物镜面或多面镜子组成，可将太阳光聚集在一个小面积内，占地面积和聚光比灵活可调，是当前发展的重要方向；当前的碟式聚光发电系统需要将斯特林发电机安装在碟式镜的焦点上，而斯特林发电机很重，这就大大增加了追日时的系统能耗，同时明显降低了系统平衡性和抗风性能。
从目前的技术指标来看，聚光光伏发电与碟式光热发电的峰值效率都可达到30%左右。如果能够采用聚光分频方法，将聚光光伏发电（利用高频短波）与碟式光热发电（利用低频长波）结合起来，不仅可以实现昼夜连续发电，而且总体发电峰值效率可达到45%左右；如果能够将聚光的焦斑从空中转移到系统下方或者地面，则可有效降低系统能耗，提高系统的平衡性和抗风性能。
虽然目前槽式、塔式和碟式聚光系统都提出有各自的聚光分频的方法，但它们共同的缺点是：仅简单利用分频薄膜将高频短波与低频长波分开，分频后的两束光分别位于分光镜的两侧，无法同时将两个焦斑转移到系统下方或者地面，且两个焦斑的聚光比不能独立调节，降低了聚光光伏与光热联合发电的可行性和灵活性。
发明内容
本发明目的在于克服现有聚光分频系统的不足，提供一种基于碟式聚光的太阳能二次聚光分频方法及其装置，提供一种能够将分频后的两个焦斑都转移到系统下方，且两个焦斑的聚光比可独立调节的碟式聚光分频方法及其装置。
基于碟式聚光的太阳能二次聚光分频方法：采用开有中间透光孔的旋转抛物面碟式反射镜将太阳光聚集起来，在离旋转抛物面碟式反射镜的顶点200～4000mm处布置一分频透镜，离旋转抛物面碟式反射镜近的分频透镜一曲面上贴有分频薄膜，将聚光光伏电池板响应波段范围内的太阳光反射回来，穿过透光孔后照射到聚光光伏电池板上，离旋转抛物面碟式反射镜远的分频透镜另一曲面为银镜反射面，银镜反射面将所有透过分频薄膜的光反射回来，穿过透光孔后进入集热器入口。
基于碟式聚光的太阳能二次聚光分频装置中的旋转抛物面的碟式反射镜中间开有透光孔，透光孔的下方沿着旋转抛物面的碟式反射镜轴线的两侧分别布置有聚光光伏电池板和集热器的入口；透光孔上方，在离旋转抛物面碟式反射镜的顶点200～4000mm处布置一分频透镜，分频透镜具有两个不同曲面，其中，离旋转抛物面碟式反射镜近的分频透镜一曲面上贴有分频薄膜，离旋转抛物面碟式反射镜远的分频透镜另一曲面为银镜反射面，旋转抛物面碟式反射镜与分频透镜之间设有支撑杆，旋转抛物面碟式反射镜的背部支架与立柱一端通过双轴跟踪系统连接，双轴跟踪系统的控制器置于地面上，立柱另一端与旋转底盘相连。
所述的分频透镜布置方式为：分频透镜布置在旋转抛物面碟式反射镜与其聚光焦点之间，或分频透镜布置在旋转抛物面碟式反射镜的焦点外侧，或分频透镜的两个不同曲面分别位于旋转抛物面碟式反射镜的焦点内外两侧。所述的分频透镜布置在旋转抛物面碟式反射镜与其聚光焦点之间时，分频透镜两个不同曲面都为凸面，两个凸面的近焦点分别位于旋转抛物面碟式反射镜轴线的两侧；所述的凸面的曲面方程是一个旋转双曲线方程或者多个旋转双曲线方程组成的复合面。所述的分频透镜布置在旋转抛物面碟式反射镜的焦点外侧时，分频透镜两个不同曲面都为凹面，两个凹面的近焦点分别位于旋转抛物面碟式反射镜轴线的两侧，所述的凹面的曲面方程是一个旋转椭圆方程或者多个旋转椭圆方程组成的复合面。所述的分频透镜的两个不同曲面分别位于旋转抛物面碟式反射镜的焦点内外两侧时，分频透镜两个不同曲面分别为凸面和凹面，其中凸面在旋转抛物面碟式反射镜与其焦点之间，凹面在旋转抛物面碟式反射镜焦点外侧，凸面和凹面的近焦点分别位于旋转抛物面碟式反射镜轴线的同侧；所述的凸面的曲面方程是一个旋转双曲线方程或者多个旋转双曲线方程组成的复合面；所述的凹面的曲面方程是一个旋转椭圆方程或者多个旋转椭圆方程组成的复合面。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、本发明的方法可以同时实现太阳能的聚光和分频，并将两个聚光焦斑都转移到系统下方，可有效降低系统追日时的能耗，提高系统的平衡性和抗风性能。
2、本发明的方法可以通过调整分频透镜的两个不同曲面的方程分别调节两束光的聚光比，满足聚光光伏电池板和集热器（或斯特林机热端）各自所需的最佳聚光强度的要求。
附图说明
图1是基于碟式聚光的太阳能二次聚光分频方法的装置示意图； 
图2是本发明的布置在碟式反射镜及其焦点之间的具有两个不同曲面的分频透镜示意图；
图3是本发明的布置在碟式反射镜焦点外侧的具有两个不同曲面的分频透镜示意图；
图4是本发明的两个不同曲面分别位于碟式反射镜焦点内外两侧的分频透镜示意图；
图中：控制器1、旋转抛物面碟式反射镜2、透光孔3、支撑杆4、银镜反射面5、分频透镜6、分频薄膜7、集热器入口8、聚光光伏电池板9、背部支架10、双轴跟踪系统11、立柱12、旋转底盘13。
具体实施方式
基于碟式聚光的太阳能二次聚光分频方法是：采用开有中间透光孔3的旋转抛物面碟式反射镜2将太阳光聚集起来，在离旋转抛物面碟式反射镜2的顶点距离200～4000mm处布置一分频透镜6，分频透镜6具有两个不同曲面，其中，离旋转抛物面碟式反射镜2近的分频透镜6一曲面上贴有分频薄膜7，将聚光光伏电池板9响应波段范围内的太阳光反射回来，穿过透光孔3后照射到聚光光伏电池板9上，离旋转抛物面碟式反射镜2远的分频透镜6另一曲面为银镜反射面5，银镜反射面5将所有透过分频薄膜7的光反射回来，穿过透光孔3后进入集热器入口8。
所述的分频透镜6布置方式为：分频透镜6布置在旋转抛物面碟式反射镜2与其聚光焦点之间，或分频透镜6布置在旋转抛物面碟式反射镜2的焦点外侧，或分频透镜6的两个不同曲面分别位于旋转抛物面碟式反射镜2的焦点内外两侧。当所述的分频透镜6布置在旋转抛物面碟式反射镜2与其聚光焦点之间时，分频透镜6两个不同曲面都为凸面，两个凸面的近焦点分别位于旋转抛物面碟式反射镜2轴线的两侧；所述的凸面的曲面方程是一个旋转双曲线方程或者多个旋转双曲线方程组成的复合面。当所述的分频透镜6布置在旋转抛物面碟式反射镜2的焦点外侧时，分频透镜6两个不同曲面都为凹面，两个凹面的近焦点分别位于旋转抛物面碟式反射镜2轴线的两侧，所述的凹面的曲面方程是一个旋转椭圆方程或者多个旋转椭圆方程组成的复合面。当所述的分频透镜6的两个不同曲面分别位于旋转抛物面碟式反射镜2的焦点内外两侧时，分频透镜6两个不同曲面分别为凸面和凹面，其中凸面在旋转抛物面碟式反射镜2与其焦点之间，凹面在旋转抛物面碟式反射镜2焦点外侧，凸面和凹面的近焦点分别位于旋转抛物面碟式反射镜2轴线的同侧；所述的凸面的曲面方程是一个旋转双曲线方程或者多个旋转双曲线方程组成的复合面；所述的凹面的曲面方程是一个旋转椭圆方程或者多个旋转椭圆方程组成的复合面。
如图1所示，基于碟式聚光的太阳能二次聚光分频装置由控制器1、旋转抛物面碟式反射镜2、透光孔3、支撑杆4、银镜反射面5、分频透镜6、分频薄膜7、集热器入口8、聚光光伏电池板9、背部支架10、双轴跟踪系统11、立柱12、旋转底盘13组成。基于碟式聚光的太阳能二次聚光分频装置中的旋转抛物面的碟式反射镜2中间开有透光孔3，透光孔3的下方沿着旋转抛物面碟式反射镜2轴线的两侧分别布置有聚光光伏电池板9和集热器的入口8；透光孔3的上方，在离旋转抛物面碟式反射镜2的顶点距离200～4000mm处布置一块分频透镜6，分频透镜6具有两个不同曲面，其中，离旋转抛物面碟式反射镜2近的分频透镜6一曲面上贴有分频薄膜7，离旋转抛物面碟式反射镜2远的分频透镜6另一曲面为银镜反射面5，旋转抛物面碟式反射镜2与分频透镜6之间设有支撑杆4，旋转抛物面碟式反射镜2的背部支架10与立柱12一端通过双轴跟踪系统11连接，双轴跟踪系统11的控制器1置于地面上，立柱12另一端与旋转底盘13相连。
所述的分频透镜6布置方式为：分频透镜6布置在旋转抛物面碟式反射镜2与其聚光焦点之间，或分频透镜6布置在旋转抛物面碟式反射镜2的焦点外侧，或分频透镜6的两个不同曲面分别位于旋转抛物面碟式反射镜2的焦点内外两侧。
如图2所示，当所述的分频透镜6布置在旋转抛物面碟式反射镜2与其聚光焦点之间时，分频透镜6两个不同曲面都为凸面，两个凸面的近焦点分别位于旋转抛物面碟式反射镜2轴线的两侧；所述的凸面的曲面方程是一个旋转双曲线方程或者多个旋转双曲线方程组成的复合面；离旋转抛物面碟式反射镜2近的一凸面上涂有分频薄膜7，离旋转抛物面碟式反射镜2远的另一凸面为银镜反射面5。
如图3所示，当所述的分频透镜6布置在旋转抛物面碟式反射镜2的焦点外侧时，分频透镜6两个不同曲面都为凹面，两个凹面的近焦点分别位于旋转抛物面碟式反射镜2轴线的两侧，所述的凹面的曲面方程是一个旋转椭圆方程或者多个旋转椭圆方程组成的复合面；离旋转抛物面碟式反射镜2近的一凸面上涂有分频薄膜7，离旋转抛物面碟式反射镜2远的另一凸面为银镜反射面5。
如图4所示，当所述的分频透镜6的两个不同曲面分别位于旋转抛物面碟式反射镜2的焦点内外两侧时，分频透镜6两个不同曲面分别为凸面和凹面，其中凸面在旋转抛物面碟式反射镜2与其焦点之间，凹面在旋转抛物面碟式反射镜2焦点外侧，凸面和凹面的近焦点分别位于旋转抛物面碟式反射镜2轴线的同侧；所述的凸面的曲面方程是一个旋转双曲线方程或者多个旋转双曲线方程组成的复合面；所述的凹面的曲面方程是一个旋转椭圆方程或者多个旋转椭圆方程组成的复合面；离旋转抛物面碟式反射镜2近的一凸面上涂有分频薄膜7，离旋转抛物面碟式反射镜2远的另一凸面为银镜反射面5。
实施例：
旋转抛物面碟式反射镜截面直径为3500 mm，透光孔开口直径600 mm，旋转抛物面碟式反射镜的镜面方程为                                               ；分频透镜截面直径为600 mm，置于旋转抛物面碟式反射镜中心轴线上方1265 mm处，贴有分频薄膜的曲面将绕坐标系旋转4.6°，使得中心轴线与旋转抛物面碟式反射镜中心轴线重合后，其曲面方程可以写为
Figure 200817DEST_PATH_IMAGE002
，银镜反射镜的曲面将坐标系沿相相反方向旋转4.6°，使得中心轴线与旋转抛物面碟式反射镜中心轴线重合后，其曲面方程可以写为
Figure DEST_PATH_IMAGE003
；聚光光伏电池板和集热器入口分别设置在旋转抛物面碟式反射镜下方700 mm和350 mm处。
在华东地区春季晴天上午，聚光光伏电池板上的光斑直径约为200 mm，平均能流密度均为70-80 kW/m2；集热器入口处的光斑直径约为100 mm，平均能流密度均为300-400 kW/m2。
在华东地区夏季晴天正午，聚光光伏电池板上的光斑直径约为200 mm，平均能流密度均为90-100 kW/m2；集热器入口处的光斑直径约为100 mm，平均能流密度均为500-600 kW/m2。
在华东地区秋季晴天正午，聚光光伏电池板上的光斑直径约为200 mm，平均能流密度均为70-80 kW/m2；集热器入口处的光斑直径约为100 mm，平均能流密度均为300-400 kW/m2。
在华东地区冬季晴天下午，聚光光伏电池板上的光斑直径约为200 mm，平均能流密度均为50-60 kW/m2；集热器入口处的光斑直径约为100 mm，平均能流密度均为200-250 kW/m2。

Claims (10)

1.一种基于碟式聚光的太阳能二次聚光分频方法，其特征在于：采用开有中间透光孔（3）的旋转抛物面碟式反射镜（2）将太阳光聚集起来，在离旋转抛物面碟式反射镜（2）的顶点200～4000mm处布置一块分频透镜（6），分频透镜（6）具有两个不同曲面，其中，离旋转抛物面碟式反射镜（2）近的分频透镜（6）一曲面上贴有分频薄膜（7），将聚光光伏电池板（9）响应波段范围内的太阳光反射回来，穿过透光孔（3）后照射到聚光光伏电池板（9）上，离旋转抛物面碟式反射镜（2）远的分频透镜（6）另一曲面为银镜反射面（5），银镜反射面（5）将所有透过分频薄膜（7）的光反射回来，穿过透光孔（3）后进入集热器入口（8）。
2.根据权利要求1所述的一种基于碟式聚光的太阳能二次聚光分频方法，其特征在于所述的分频透镜（6）布置方式为：分频透镜（6）布置在旋转抛物面碟式反射镜（2）与其聚光焦点之间，或分频透镜（6）布置在旋转抛物面碟式反射镜（2）的焦点外侧，或分频透镜（6）的两个不同曲面分别位于旋转抛物面碟式反射镜（2）的焦点内外两侧。
3.根据权利要求2所述的一种基于碟式聚光的太阳能二次聚光分频方法，其特征在于所述的分频透镜（6）布置在旋转抛物面碟式反射镜（2）与其聚光焦点之间时，分频透镜（6）两个不同曲面都为凸面，两个凸面的近焦点分别位于旋转抛物面碟式反射镜（2）轴线的两侧；所述的凸面的曲面方程是一个旋转双曲线方程或者多个旋转双曲线方程组成的复合面。
4.根据权利要求2所述的一种基于碟式聚光的太阳能二次聚光分频方法，其特征在于所述的分频透镜（6）布置在旋转抛物面碟式反射镜（2）的焦点外侧时，分频透镜（6）两个不同曲面都为凹面，两个凹面的近焦点分别位于旋转抛物面碟式反射镜（2）轴线的两侧，所述的凹面的曲面方程是一个旋转椭圆方程或者多个旋转椭圆方程组成的复合面。
5.根据权利要求2所述的一种基于碟式聚光的太阳能二次聚光分频方法，其特征在于所述的分频透镜（6）的两个不同曲面分别位于旋转抛物面碟式反射镜（2）的焦点内外两侧时，分频透镜（6）两个不同曲面分别为凸面和凹面，其中凸面在旋转抛物面碟式反射镜（2）与其焦点之间，凹面在旋转抛物面碟式反射镜（2）焦点外侧，凸面和凹面的近焦点分别位于旋转抛物面碟式反射镜（2）轴线的同侧；所述的凸面的曲面方程是一个旋转双曲线方程或者多个旋转双曲线方程组成的复合面；所述的凹面的曲面方程是一个旋转椭圆方程或者多个旋转椭圆方程组成的复合面。
6.一种如权利要求1所述方法设计的基于碟式聚光的太阳能二次聚光分频装置，其特征在于旋转抛物面的碟式反射镜（2）中间开有透光孔（3），透光孔（3）的下方沿着旋转抛物面的碟式反射镜（2）轴线的两侧分别布置有聚光光伏电池板（9）和集热器的入口（8）；透光孔（3）的上方，在离旋转抛物面碟式反射镜（2）的顶点距离200～4000mm处布置一块分频透镜（6），分频透镜（6）具有两个不同曲面，其中，离旋转抛物面碟式反射镜（2）近的分频透镜（6）一曲面上贴有分频薄膜（7），离旋转抛物面碟式反射镜（2）远的分频透镜另一曲面为银镜反射面（5），旋转抛物面碟式反射镜（2）与分频透镜（6）之间设有支撑杆（4），旋转抛物面碟式反射镜（2）的背部支架（10）与立柱（12）一端通过双轴跟踪系统（11）连接，双轴跟踪系统（11）的控制器（1）置于地面上，立柱（12）另一端与旋转底盘（13）相连。
7.根据权利要求6所述的一种基于碟式聚光的太阳能二次聚光分频装置，其特征在于所述的分频透镜（6）布置方式为：分频透镜（6）布置在旋转抛物面碟式反射镜（2）与其聚光焦点之间，或分频透镜（6）布置在旋转抛物面碟式反射镜（2）的焦点外侧，或分频透镜（6）的两个不同曲面分别位于旋转抛物面碟式反射镜（2）的焦点内外两侧。
8.根据权利要求6所述的一种基于碟式聚光的太阳能二次聚光分频装置，其特征在于所述的分频透镜（6）布置在旋转抛物面碟式反射镜（2）与其聚光焦点之间时，分频透镜（6）两个不同曲面都为凸面，两个凸面的近焦点分别位于旋转抛物面碟式反射镜（2）轴线的两侧；所述的凸面的曲面方程是一个旋转双曲线方程或者多个旋转双曲线方程组成的复合面。
9.根据权利要求6所述的一种基于碟式聚光的太阳能二次聚光分频装置，其特征在于所述的分频透镜（6）布置在旋转抛物面碟式反射镜（2）的焦点外侧时，分频透镜（6）两个不同曲面都为凹面，两个凹面的近焦点分别位于旋转抛物面碟式反射镜（2）轴线的两侧，所述的凹面的曲面方程是一个旋转椭圆方程或者多个旋转椭圆方程组成的复合面。
10.根据权利要求6所述的一种基于碟式聚光的太阳能二次聚光分频装置，其特征在于所述的分频透镜（6）的两个不同曲面分别位于旋转抛物面碟式反射镜（2）的焦点内外两侧时，分频透镜（6）两个不同曲面分别为凸面和凹面，其中凸面在旋转抛物面碟式反射镜（2）与其焦点之间，凹面在旋转抛物面碟式反射镜（2）焦点外侧，凸面和凹面的近焦点分别位于旋转抛物面碟式反射镜（2）轴线的同侧；所述的凸面的曲面方程是一个旋转双曲线方程或者多个旋转双曲线方程组成的复合面；所述的凹面的曲面方程是一个旋转椭圆方程或者多个旋转椭圆方程组成的复合面。
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