CN102213825A - 光滑过渡连接的双级非对称复合抛物面反射镜聚光器 - Google Patents

Abstract

一种光滑过渡连接的双级非对称复合抛物面反射镜聚光器，包括上级抛物镜和下级抛物镜，所述下级抛物镜由轴对称式抛物面反射镜构成，所述上级抛物镜由非对称式抛物面反射镜构成，上级抛物镜和下级抛物镜的剖面抛物线主轴位于同一轴线位置，所述的上级抛物镜的吸收端宽度和下级抛物镜的开口端宽度相等，上级抛物镜和下级抛物镜之间采用平滑连接处理；所述上级抛物镜包括左右两侧的抛物面，左右两侧的抛物面接收半角正弦值之比等于所在区域夏季和冬季的太阳辐射强度之比。本发明能有效降低光辐射能量损失、广泛接收太阳光线、具有良好的季节适应性。

Description

光滑过渡连接的双级非对称复合抛物面反射镜聚光器

技术领域

本发明涉及太阳能利用中聚光过程所采用的聚光器，尤其是一种双级复合抛物面反射镜聚光器。

背景技术

作为理想的可再生能源，太阳能具有“取之不尽，用之不竭”的特征。太阳能发电技术具有环保、安全、低成本等众多技术优势，是世界各国未来能源战略的重要着眼点。聚光光伏发电技术以其转换效率高、成本低等优势，在各种太阳能光伏发电技术中备受瞩目。聚光器是聚光光伏系统的重要部件，设计高聚光性能的聚光器，是降低太阳能光伏发电系统总体成本的重要途径之一，将有效改善光伏电池的电功率输出性能。

基于太阳能高品位、低密度的特征，聚光光伏发电的主要技术问题是解决提高聚光比与降低跟踪代价之间的矛盾。1996年美国芝加哥大学的Winston教授发明了复合抛物镜聚光器(Compound Parabolic Concentrators：CPC)，对解决聚光光伏发电这一主要技术问题具有重要价值。如图1所示，复合抛物镜聚光器的主体部分是由两块竖立相对的轴对称抛物反射板AC和BD构成，太阳光线由开口端(上端口AB)进入聚光器，在两侧反射面的反射作用下，照射到吸收端(下端口CD)上的光伏电池表面，进行光电转换。工程实际中的应用表明，尽管这种聚光器在一定聚光比的前提下实现了太阳光线的跟踪，但由于接收半角和聚光比之间存在一定的制约关系，该聚光器并没有从根本上解决提高聚光比和降低跟踪成本之间的矛盾，太阳光线的聚光或跟踪效果没有达到理想的状态。

双级复合抛物镜聚光器的发明，有效地提升了复合抛物面聚光技术的综合性能。以清华大学丑乔力等的发明(发明专利98101632.4)为例进行说明，如图2所示，系统的上级和下级分别采用了一对轴对称的复合抛物镜聚光器，其间采用菲涅耳反射镜进行过渡连接。这种做法在一定程度上解决了单级复合抛物镜提高聚光比和增加接收角范围这两个主要功能相互制约的矛盾，既提高了聚光器的效率，有降低了系统的成本。

当然，双级复合抛物镜聚光器的应用过程中，也遇到了一些技术瓶颈。首先，上下两级复合抛物镜在连接上需要采取一些处理，如图2所示的菲涅耳反射镜过渡连接，这些做法在一定程度上使得太阳光线在反射过程中的发生了光辐射能量损失，降低了太阳能的综合利用效果。其次，由于上级抛物镜采用了对称的抛物面结构，抛物面所接收的太阳光线需要满足某一固定的角度范围，然而，在众多地区，由于季节的不同，太阳光线照射的角度不同，这就使得双级复合抛物镜聚光器的聚光效果因季节的差异而不同，难以在全年的时间范围内均发挥较好的聚光效果。

发明内容

为了克服已有的双级复合抛物镜聚光器的光辐射能量损失较大、接收的光线受限于固定的角度范围、难以在全年的时间范围内发挥较好的聚光效果的不足，本发明提供一种有效降低光辐射能量损失、接收的光线具有广泛的角度范围、具有良好的季节适应性的光滑过渡连接的双级非对称复合抛物面反射镜聚光器。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种光滑过渡连接的双级非对称复合抛物面反射镜聚光器，包括上级抛物镜和下级抛物镜，所述下级抛物镜由轴对称式抛物面反射镜构成，所述上级抛物镜由非对称式抛物面反射镜构成，上级抛物镜和下级抛物镜的剖面抛物线主轴位于同一轴线位置，所述的上级抛物镜的吸收端宽度和下级抛物镜的开口端宽度相等，上级抛物镜和下级抛物镜之间采用平滑连接处理；

所述上级抛物镜包括左右两侧的抛物面，左右两侧的抛物面接收半角正弦值之比等于所在区域夏季和冬季的太阳辐射强度之比。

进一步，所述上级抛物镜中，左右非对称的两抛物面中接收半角较大者的正弦值范围为0.4～0.6，上级抛物镜的开口端尺寸为0.5倍吸收端尺寸与两接收半角余割值之和的乘积：

$x=\frac{y}{2}\·(\csc {\mathrm{\θ}}_1+\csc {\mathrm{\θ}}_2)$

其中，x为上级抛物镜的开口端尺寸，y为上级抛物镜的吸收端尺寸，θ₁和θ₂分别为两抛物面的接收半角。

更进一步，所述下级抛物镜中，接收半角的正弦值范围为1/5～1/3，开口端尺寸为吸收端尺寸与接收半角正弦值的比值。

再进一步，所述平滑连接处理包括截短、平移和偏转。

本发明的有益效果主要表现在：1，继承了传统双级复合抛物面聚光器的技术优势，在上级抛物镜广泛接收太阳光线的基础上，下级抛物镜能够有效地实现聚光；2，对太阳光线季节性差异具有较好的适应性，使聚光器在全年各时间段均能够有效作业，获得较好的聚光效果；3，太阳光线在两级抛物镜连接段的光损失较小，使上级抛物镜接收的光线有效地反射至下级抛物镜，提高了整体聚光器的综合聚光效果。

附图说明

图1是现有复合抛物镜聚光器的剖面示意图。

图2是双级复合抛物镜聚光器的剖面示意图。

图3是复合抛物面下级对应的抛物线特征的示意图。

图4是复合抛物面上级左侧对应的抛物线特征的示意图。

图5是复合抛物面上级右侧对应的抛物线特征的示意图。

图6是抛物面截短处理示意图。

图7是抛物面平移处理示意图。

图8是抛物面偏转处理示意图。

图9是双级非对称复合抛物面二维图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

参照图1～图9，一种光滑过渡连接的双级非对称复合抛物面反射镜聚光器，包括上级抛物镜和下级抛物镜，所述下级抛物镜由轴对称式抛物面反射镜构成，所述上级抛物镜由非对称式抛物面反射镜构成，上级抛物镜和下级抛物镜的剖面抛物线主轴位于同一轴线位置，所述的上级抛物镜的吸收端宽度和下级抛物镜的开口端宽度相等，上级抛物镜和下级抛物镜之间采用平滑连接处理；

所述上级抛物镜包括左右两侧的抛物面，左右两侧的抛物面接收半角正弦值之比等于所在区域夏季和冬季的太阳辐射强度之比。

所述上级抛物镜中，左右非对称的两抛物面中接收半角较大者的正弦值范围为0.4～0.6，上级抛物镜的开口端尺寸为0.5倍吸收端尺寸与两接收半角余割值之和的乘积：

$x=\frac{y}{2}\·(\csc {\mathrm{\θ}}_1+\csc {\mathrm{\θ}}_2)$

其中，x为上级抛物镜的开口端尺寸，y为上级抛物镜的吸收端尺寸，θ₁和θ₂分别为两抛物面的接收半角。

所述下级抛物镜中，接收半角的正弦值范围为1/5～1/3，开口端尺寸为吸收端尺寸与接收半角正弦值的比值。

所述平滑连接处理包括截短、平移和偏转。

本实施例中，首先进行下级对称式复合抛物面的设计，以二维平面内抛物线进行讨论。

记光伏电池的宽度D为13mm，取对称式复合抛物面的接收半角正弦值sinθ为1/4，二维抛物线的方程被确定为：

$y=\frac{1}{4\·f}\·x^2=\frac{x^2}{2\·D\·(1+\sin \mathrm{\θ})}=\frac{x^2}{2\×13\×(1+1/4)}=\frac{2}{65}{x}^2$

同时，对称式复合抛物面的聚光比为1/sinθ，光伏电池宽度对应复合抛物面的吸收端尺寸，由此获得复合抛物面的开口端尺寸为52mm。

综合以上信息，在x-y坐标系下绘制其对应的抛物线区间如图3所示。

在此基础上，设计双级复合抛物面的上级部分。

根据上下两级复合抛物面衔接上的尺寸特征，上级部分的吸收端尺寸与下级部分的开口端尺寸相同，均为52mm。此处，取上级左侧抛物面的接收半角正弦值为1/2，对应的聚光比为2。采用与上级相同的抛物线方程计算式，上级非对称复合抛物面左侧的方程式被确定为：

$y=\frac{1}{4\·f}\·x^2=\frac{x^2}{2\·D\·(1+\sin \mathrm{\θ})}=\frac{x^2}{2\×52\×(1+1/2)}=\frac{x^2}{156}$

同时，根据吸收端、开口端尺寸及其与下级抛物线方程的位置关系，上级非对称复合抛物面左侧部分如图4所示。

右侧与左侧的聚光比关系，根据太阳辐射的季节差异确定。以杭州市的气象参数为例，根据相关统计数据，杭州市太阳辐射6、7和8月较强，均值为486.7MJ/m²，1、11和12月份的太阳辐射较弱，均值为236.5MJ/m²。分别以较强太阳辐射和较弱太阳辐射的均值数据作为夏季和冬季的参考对象，二者的比值约为2，因此左右两侧复合抛物面的聚光比的比值采用2。

这样，上级右侧抛物面的接收半角正弦值为1/4，吸收端宽度与左侧相同，为52mm，采用相同的抛物线方程计算方法，确定曲线方程为：

$y=\frac{x^2}{130}$

同时，根据吸收端、开口端尺寸及其与下级抛物线方程的位置关系，上级非对称复合抛物面右侧部分如图5所示。

最后，进行双级复合抛物面聚光器上下两级的连接设计。

在进行上下级复合抛物面连接的过程中，需要注意两点：一是在上级区域使进入的光线有效穿过吸收端；二是下级为了使光伏电池表面的光线、光斑均匀(因为通常抛物线的焦点位于光伏电池的两端)。因此，上下两级抛物面在连接过程中需要采取一些修正和处理。措施包括如下几点：

第一，截短处理。如图6所示，在给定的抛物线区间内，为了满足实际连接的需求，将抛物面的顶部(或底部)截去一小部分，如图中虚线所示。所获得的抛物面较原有对象的尺寸略短，称为截短处理。

第二，平移处理。抛物面进行截短处理后，上下两级接口部分的衔接处在一定的间隙，将采用如图7所示的抛物线平移处理，在直角坐标系内，即为沿x轴平行移动。

第三，偏转处理。对于上下两级复合抛物面的衔接处理，也可以采用偏转的方式进行。如图8所示，抛物面围绕对称中心或坐标原点旋转一定角度，坐标上的处理方式可按照极坐标系下改变极坐标轴的角度获得。

需要说明的是，上述三种处理方式的最终目的是实现复合抛物面上下两级的平滑过渡，既能够保证上级部分有效接收太阳光线，又能够保证接收到的光线高效率地过渡至下级。操作上，上下两级复合抛物面的连接设计过程，将通过光学仿真及优化设计实现。具体地，采用TracePro(或其它类光学仿真软件)软件对直接衔接的上下级复合抛物面进行光学模拟，重点关注过渡区间的光线反射特征和光伏电池上表面辐射照度的分布和强度，以仿真结果为指导，采用上述三种处理方式，改进、改善复合抛物面上下两级之间的衔接效果。

最终获得的光滑过渡连接的双级非对称复合抛物面二维图如图9所示。其中：

1为光伏电池；

2为下级对称式的复合抛物面；

3为上级非对称复合抛物面的右侧部分；

4为上级非对称复合抛物面的左侧部分；

图9对应的三维实物包括两种类型：一是由二维图形所拉伸而成的槽型反射镜聚光器；二是由对称中心轴旋转获得的碟式反射镜聚光器，上级非对称复合抛物面的左侧和右侧根据不同季节的太阳辐射特征确定其空间旋转过程中所占的角度比重(即左侧为a/360°，右侧为b/360°，a+b＝360°)。

Claims (5)

1.一种光滑过渡连接的双级非对称复合抛物面反射镜聚光器，包括上级抛物镜和下级抛物镜，其特征在于：所述下级抛物镜由轴对称式抛物面反射镜构成，所述上级抛物镜由非对称式抛物面反射镜构成，上级抛物镜和下级抛物镜的剖面抛物线主轴位于同一轴线位置，所述的上级抛物镜的吸收端宽度和下级抛物镜的开口端宽度相等，上级抛物镜和下级抛物镜之间采用平滑连接处理；所述上级抛物镜包括左右两侧的抛物面，左右两侧的抛物面接收半角正弦值之比等于所在区域夏季和冬季的太阳辐射强度之比。

2.如权利要求1所述的光滑过渡连接的双级非对称复合抛物面反射镜聚光器，其特征在于：所述上级抛物镜中，左右非对称的两抛物面中接收半角较大者的正弦值范围为0.4～0.6，开口端尺寸为0.5倍吸收端尺寸与两接收半角余割值之和的乘积：

$x=\frac{y}{2}\·(\csc {\mathrm{\θ}}_1+\csc {\mathrm{\θ}}_2)$

其中，x为上级抛物镜的开口端尺寸，y为上级抛物镜的吸收端尺寸，θ₁和θ₂分别为两抛物面的接收半角。

3.如权利要求1或2所述的光滑过渡连接的双级非对称复合抛物面反射镜聚光器，其特征在于：所述下级抛物镜中，接收半角的正弦值范围为1/5～1/3，开口端尺寸为吸收端尺寸与接收半角正弦值的比值。

4.如权利要求1或2所述的光滑过渡连接的双级非对称复合抛物面反射镜聚光器，其特征在于：所述平滑连接处理包括截短、平移和偏转。

5.如权利要求3所述的光滑过渡连接的双级非对称复合抛物面反射镜聚光器，其特征在于：所述平滑连接处理包括截短、平移和偏转。

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