CN102563908B - 一种太阳能集热装置 - Google Patents

Abstract

提出一种反射塔底式太阳能聚焦高温集热装置，由多台定日镜、反射塔、旋转抛物面镜、锥面镜、倒置复合抛物面镜、柱面镜、复合抛物面镜和太阳光接收器组成，从反射塔的塔顶到塔底依次放置：转抛物面镜、锥面镜、倒置复合抛物面镜、柱面镜和复合抛物面镜和太阳光接收器。由多台定日镜将太阳光聚焦反射到反射塔的塔顶，再由旋转抛物面镜、锥面镜、倒置复合抛物面镜、柱面镜和复合抛物面镜将太阳光由塔顶再次反射到塔底的太阳光接收器上，实现在塔底进行集热、储热和换热，能够减少塔体负荷、降低动力消耗、减小热损失、简化流程、有利于高温储热。适用于太阳能热发电、高温加热的场合。

Description

一种太阳能集热装置

技术领域

本发明属于太阳能利用技术领域，尤其涉及一种太阳能聚焦高温集热装置。

背景技术

太阳能具有清洁无污染、可以随地取用、取之不尽用之不竭的优点，太阳能的开发、利用和转换已成为人们研究的热点。在太阳能利用技术中，光热转换技术应用广泛，它是将太阳辐射能转换成热能并加以利用，光热转换按其使用温度可划分为低温热利用(＜100℃)、中温热利用(100℃～500℃)和高温热利用(＞500℃)。目前太阳能低温热利用发展很快，如太阳能热水器；而太阳能高温热利用技术具有非常广阔的应用前景，如太阳能热发电，因此研究新型太阳能高温集热装置对于提高太阳能利用水平具有重要的意义。

现有的太阳能高温集热方式主要有槽式、塔式和碟式集热装置。塔式太阳能集热装置是利用多台能够跟踪太阳的定日镜，将太阳光聚焦到一个固定在塔顶的太阳光接收器上，以产生高温，被加热介质被泵送到塔顶进行吸热。槽式太阳能集热装置是利用抛物柱面镜将太阳光聚焦到管状太阳光接收器上，并加热管内的介质。碟式太阳能集热装置是利用旋转抛物面镜，将太阳光聚焦在其焦点上，太阳光接收器被放置在旋转抛物面镜焦点上进行吸热。然而以上三种太阳能集热装置都存在不足：现有的塔式太阳能集热装置中的太阳光接收器必须被放置在塔顶，因而热损失大，塔体负荷大，被加热介质需要被泵送到塔顶进行吸热，动力消耗大，高温储热难度大。现有的槽式太阳能集热装置中的被加热介质在管状太阳光接收器中吸热，被加热介质的流经路径长，因而高温储热难度大。现有的碟式太阳能集热装置中的太阳光接收器被放置于旋转抛物面镜的焦点上，太阳光接收器需要跟随旋转抛物面镜一起转动以跟踪太阳，因而高温储热难度大。

发明内容

本发明提供了一种反射塔底式太阳能聚焦高温集热装置，由多台定日镜、反射塔、旋转抛物面镜、锥面镜、倒置复合抛物面镜、柱面镜、复合抛物面镜和太阳光接收器组成，由定日镜将太阳光聚焦反射到反射塔的塔顶，再由旋转抛物面镜、锥面镜、倒置复合抛物面镜、柱面镜和复合抛物面镜将太阳光由塔顶再次反射到塔底的太阳光接收器上，实现太阳光在塔底进行聚焦集热，同时储热和换热也在塔底进行，能够减少塔体负荷、降低动力消耗、减小热损失、简化流程、有利于高温储热。适用于太阳能热发电、高温加热的场合。

所提出的一种反射塔底式太阳能聚焦高温集热装置的特点是：采用旋转抛物面镜、锥面镜、倒置复合抛物面镜、柱面镜和复合抛物面镜，将反射聚焦到塔顶的太阳光再次反射到塔底，将太阳光接收器放置于塔底，实现集热、储热和换热都能在塔底进行。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：将旋转抛物面镜放置于反射塔的塔顶，将太阳光接收器放置于反射塔的塔底，从塔顶到塔底依次布置锥面镜、倒置复合抛物面镜、柱面镜和复合抛物面镜。工作中每台定日镜都将太阳光聚焦反射到反射塔的塔顶，且所反射的太阳光都指向塔顶上的固定点，该固定点即为旋转抛物面镜的焦点，再由旋转抛物面镜、锥面镜、倒置复合抛物面镜、柱面镜、复合抛物面镜将太阳光再次由塔顶反射到塔底的太阳光接收器上。

整个光路的传播过程是：太阳光照射在能够跟踪太阳的定日镜上，定日镜将太阳光向反射塔的塔顶反射，且所反射的太阳光都指向塔顶上的固定点，反射塔塔顶上的这一固定点就是旋转抛物面镜焦点。定日镜所反射到塔顶的太阳光，若经过旋转抛物面镜焦点，则被旋转抛物面镜以平行光向塔底反射，直接反射到塔底的太阳光接收器上；若定日镜反射到塔顶的太阳光没有经过旋转抛物面镜焦点，即定日镜所反射的太阳光与旋转抛物面镜焦点存在距离，这是由于定日镜跟踪太阳误差和镜面反射误差造成的，则这部分太阳光经旋转抛物面镜反射后，再经锥面镜、倒置复合抛物面镜、柱面镜和复合抛物面镜多次反射，将其反射到塔底的太阳光接收器上。

本发明的有益效果是：①太阳光接收器被置于塔底，被加热介质无需被泵送到反射塔的塔顶进行吸热，可降低塔体负荷，降低动力消耗，减少集热损失，简化传热流程。②集热、储热和换热都能在塔底进行，有利于高温储热和减小热损失。

附图说明

下面结合附图对本发明做进一步说明。

图1是所提出的反射塔底式太阳能聚焦高温集热装置图。

图2是反射镜图。

图3是反射到塔顶的太阳光经过旋转抛物面镜焦点时的光路图。

图4是反射到塔顶的太阳光没有经过旋转抛物面镜焦点时的光路图。

图中：1-旋转抛物面镜；2-锥面镜；3-倒置复合抛物面镜；4-柱面镜；5-复合抛物面镜；6-太阳光接收器；7-定日镜；8-反射塔；9-旋转抛物面镜焦点。

具体实施方式

如图1所示，是所提出的反射塔底式太阳能聚焦高温集热装置图，包括旋转抛物面镜1、锥面镜2、倒置复合抛物面镜3、柱面镜4、复合抛物面镜5、太阳光接收器6、多台定日镜7和反射塔8。转抛物面镜1放置于反射塔8塔顶，太阳光接收器6放置于反射塔8塔底，从塔顶到塔底依次放置锥面镜2、倒置复合抛物面镜3、柱面镜4和复合抛物面镜5。定日镜7能够跟踪太阳并始终将太阳光聚焦反射到反射塔8塔顶上的固定点，这一固定点即为旋转抛物面镜焦点9。定日镜所反射的太阳光若经过旋转抛物面镜焦点9，则被旋转抛物面镜1平行地反射到塔底的太阳光接收器6上；若定日镜7所反射的太阳光没有经过旋转抛物面镜焦点9，则被旋转抛物面镜1反射后，再经锥面镜2、倒置复合抛物面镜3、柱面镜4和复合抛物面镜5多次反射，最终反射到塔底的太阳光接收器6上。

如图2所示以旋转抛物面镜1的顶点为原点，建立直角坐标系，为旋转抛物面镜1、锥面镜2、倒置复合抛物面镜3、柱面镜4和复合抛物面镜5在xz平面上的剖面图，其曲面方程如下。

旋转抛物面镜1的方程为： $z(x,y)=-\frac{x^2+y^2}{A_1},$ 焦点 $(\mathrm{0,0},-\frac{A_1}{4})$

锥面镜2的方程为： $z(x,y)=A_2\sqrt{x^2+y^2}-B_2$

倒置复合抛物面镜3的方程为： $z(x,y)=-\frac{x^2+y^2}{A_3}-B_3$

柱面镜4的方程为：x²+y²＝A₄

复合抛物面镜5的方程为： $z(x,y)=\frac{x^2+y^2}{A_5}-B_5$

以上：A₁、A₂、A₃、A₄、A₅均为大于0的常数；B₂、B₃、B₅-为长度，m。

如图3所示，为反射到塔顶的太阳光经过旋转抛物面镜焦点9时的光路图。当定日镜7聚焦反射到塔顶的太阳光经过旋转抛物面镜焦点9时，太阳光被旋转抛物面镜1平行地反射到塔底的太阳光接收器上。

如图4所示，为反射到塔顶的太阳光没有经过旋转抛物面镜焦点9时的光路图。当定日镜7聚焦反射到塔顶的太阳光没有经过到旋转抛物面镜焦点9时，即反射到塔顶的太阳光与旋转抛物面镜焦点9存在距离，太阳光经旋转抛物面镜1反射后，再经锥面镜2、倒置复合抛物面镜3、柱面镜4和复合抛物面镜5多次反射，最终将太阳光反射到塔底的太阳光接收器6上。(a)、(b)、(c)和(d)图为定日镜7反射到塔顶的太阳光与旋转抛物面镜焦点9的距离依次增大。

(a)图为没有经过旋转抛物面镜焦点9的太阳光被旋转抛物面镜1反射到复合抛物面镜5上，经复合抛物面镜5直接将太阳光反射到塔底的太阳光接收器6上。(b)图为没有经过旋转抛物面镜焦点9的太阳光被旋转抛物面镜1反射到柱面镜4上，经柱面镜4直接将太阳光反射到塔底的太阳光接收器6上。(c)图为没有经过旋转抛物面镜焦点9的太阳光被旋转抛物面镜1反射到倒置复合抛物面镜3上，经倒置复合抛物面镜3直接将太阳光反射到塔底的太阳光接收器6上。(d)图为没有经过旋转抛物面镜焦点9的太阳光被旋转抛物面镜1反射到锥面镜2上，经锥面镜2、倒置复合抛物面镜3、柱面镜4和复合抛物面镜5将太阳光反射到塔底的太阳光接收器6上。

Claims (2)

1.一种太阳能集热装置，包括旋转抛物面镜(1)、锥面镜(2)、倒置复合抛物面镜(3)、柱面镜(4)、复合抛物面镜(5)、太阳光接收器(6)、多台定日镜(7)和反射塔(8)；其特征在于：旋转抛物面镜(1)放置于反射塔(8)塔顶，太阳光接收器(6)放置于反射塔(8)塔底，从塔顶到塔底依次放置锥面镜(2)、倒置复合抛物面镜(3)、柱面镜(4)和复合抛物面镜(5)；由多台定日镜(7)将太阳光聚焦反射到反射塔(8)的塔顶，再由旋转抛物面镜(1)、锥面镜(2)、倒置复合抛物面镜(3)、柱面镜(4)和复合抛物面镜(5)将太阳光由塔顶再次反射到塔底的太阳光接收器(6)上；旋转抛物面镜(1)、锥面镜(2)、倒置复合抛物面镜(3)、柱面镜(4)和复合抛物面镜(5)的方程如下：

旋转抛物面镜(1)的方程为：焦点

锥面镜(2)的方程为： $z(x,y)=A_2\sqrt{x^2+y^2}-B_2$

倒置复合抛物面镜(3)的方程为： $z(x,y)=-\frac{x^2+y^2}{A_3}-B_3$

柱面镜(4)的方程为：x²+y²＝A₄

复合抛物面镜(5)的方程为：

以上：A₁、A₂、A₃、A₄、A₅均为大于0的常数；B₂、B₃、B₅为长度，m。

2.根据权利要求1所述的太阳能集热装置，其特征在于：定日镜(7)所反射到反射塔(8)塔顶的太阳光指向塔顶上的旋转抛物面镜焦点(9)。

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