CN102620442B - 基于槽式抛物面反射镜和人工黑体的太阳能集热器 - Google Patents

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Abstract

一种基于槽式抛物面反射镜和人工黑体的太阳能集热器，腔体内设三个真空集热管，减小了阳光直射导致的反射损失，提高了阳光吸收率；采用槽式抛物面和椭圆面的双反射镜聚光设计，可以更好地将反射光聚焦到集热管上，同时提高了槽型太阳能集热器对阳光的耦合度；真空集热管安装在聚光装置下部，便于聚光板进行太阳跟踪；此外，还具有安装方便，玻璃管受外界冲击影响小，同时克服了因集热管转动所导致的漏液现象等显著优势。

Description

基于槽式抛物面反射镜和人工黑体的太阳能集热器
技术领域
本发明涉及一种太阳能集热器，特别是一种基于槽式抛物面反射镜和人工黑体的太阳能集热器 
背景技术
目前，常用的太阳能集热器有平板集热器、真空管集热器、太阳能空气集热器、聚焦型太阳能集热器等。其中，聚焦型太阳能集热器与其他集热器相比可以明显提高集热温度。 
聚焦型太阳能集热器主要分为点聚焦集热、线聚焦集热两种。点聚焦太阳能集热器虽然可以获得几百度甚至上千度的高温热源，但是造价和成本偏高，而且在太阳能中高温利用领域显然不需要如此高的温度，有时甚至会造成吸收器的损坏。目前线聚焦型太阳能集热系统按聚光器种类的不同又可以分为槽式抛物面、线聚焦菲涅尔透镜、菲涅尔反射镜和非成像聚光器四种。 
槽式抛物面太阳能集热器的聚光装置主要有，Bakos设计的槽式抛物面集热器中采用的Flagsol公司的反射镜，厚度仅0.4cm，反射率高达98％。Arasuc采用木制模具和玻璃纤维来制备反射镜，将玻璃纤维一层层的粘在手工制造的木制模具上，形成7mm玻璃钢+12.ScmPVC材料的抛物面板，在其上粘上柔性的反射材料形成具有一定强度的反射镜，采用这种方法制成的开口宽度80cm的聚光器照射到直径1.28cm的吸收管，光学效率可达69％。1981年，Uroshevich就提出了采用两个凹面柱形镜组成的两级聚光方法的专利。由于单极CPC聚光比十分有限，不能将太阳光聚成强度很高的光束，为了提高聚光比，最常见的办法就是将多个CPC叠置，通过多次聚集使太阳光束能流密度得到提升一级聚光器形成的光带宽度变化很大，为了获得更高的聚光比，二级聚光装置被引入了槽式抛物面太阳能集热器。Omer采用二维CPC作为二级聚光装置，最大几何聚光比超过180。Brunotte把三维CPC作为二级聚光装置，聚光比可达到214，光学效率77.5％。Richter提出了半圆柱形反射镜和高斯面二级聚光器组成的集热器，几何聚光比可以达到82以上并且能保证全天8小时工作。美国Duke公司的太阳能空调系统中就利用了这种思想，只不过他们采用的是CPC二级聚光装置，集热器的聚光比可达86，光学效率为56％。但是有时为了方便安装以及减小追踪系统的负荷，有些系统则保持一级聚光装置静止，仅依靠吸收器的移动来实现聚焦。 
槽式抛物面太阳能集热器的吸收器主要有真空集热管和腔体吸收器，真空集热管是一种高效太阳集热元件，它的优点为：选择性涂层可以提高阳光的吸收率减少其发射率，真空夹 层使两管间的对流热损失为零，集热管外径较小，并且透明，既可减少对阳光的遮影，也可降低外表面的对流热损，可规模化生产，运行温度高，易于设计组装。与聚光反射镜结合，能达到300～400℃的运行温度；缺点为：有向外的能量辐射损失，运行过程中金属与玻璃的连接要求较高，很难达到长期运行过程中保持夹层内的真空反复变温下，选择性吸收涂层因与金属管膨胀系统的不统一，而易脱落高温下，选择性吸收涂层存在老化问题；腔体式吸收器其结构为一槽形腔体，外表面覆隔热材料。利用腔体的黑体效应，可充分吸收聚焦后的阳光。与真空集热管相比，腔体吸收器具有较低的直射能流密度，且腔体壁温较均匀，具有较低的投射辐射能量密度，热性能稳定，集热效率高，无需光学选择性涂层，只需传统的材料和加工工艺，成本低且便于维护热性能长期稳定等优点。但光学效用不如真空集热管好。 
中华人民共和国实用新型专利CN201037705Y虽然提供了一种具有反射板的太阳能集热器，但该专利的真空集热管设置在槽式抛物面集热器的上部，安装不便，集热管易受外界冲击而破碎，且不利于反射镜的旋转和集热管的保温。 
现有技术中的太阳能集热器均存在：1.现有真空管太阳能集热器通过支架安装在槽式抛物面反射镜的上部，反射镜跟踪太阳时集热管需随反射镜转动，集热管容易出现漏液、受外界冲击而破碎等现象，且不利于反射镜的旋转。2.现有真空集热管向外界有辐射散热损失，同时阳光照射到集热管上时有反射损失，导致阳光利用率不高的缺陷。现急需一种能够克服以上缺陷的太阳能集热器。 
发明内容
本发明的目的是提供一种能够克服以上缺陷的价格低廉结构简单的太阳能集热器。 
本发明是通过下列技术方案实现的：一种基于槽式抛物面反射镜和人工黑体的太阳能集热器，主要由槽式抛物面反射镜、空腔式真空集热管组以及太阳光跟踪装置三部分组成，还包括：一矩形的装置支座，四个开槽的呈矩形的集热腔体支座，沿宽度方向设置在装置支座上的呈梯形的三个反射镜支架，以及分别设置在所述反射镜支架上的前轴承和第一后轴承和第二后轴承，传动轴连接在前轴承和第一后轴承上，在传动轴上靠近第一后轴承的位置固定连接传动齿轮，具有进光口的人工黑体腔通过外伸的连接板固定在支座上，在人工黑体腔的内部设置有空腔式真空集热管组，在人工黑体腔的外部的对称两侧固定连接有两组主反射镜支架，所述每组主反射镜支架焊接在一片主反射镜上，所述两片主反射镜的反射面组成一个槽式抛物面，其焦点在光轴上，当平行于光轴的平行光入射至槽式抛物面上时会将入射光反射聚焦到所述焦点上，在所述两片主反射镜的上面设置有一片具有部分呈椭圆柱体的副反射镜，所述副反射镜由分别设置在两片主反射镜上的四条主射镜支架支撑，副反射镜反射面为 一个椭圆面，其椭圆面上焦点与槽式抛物面焦点重合，椭圆面下焦点在椭圆面上焦点关于槽式抛物面对称处，当聚集到椭圆面上焦点的反射光经过椭圆面的反射时，会发生再次反射，最终聚焦到位于槽式抛物面下边所设置的人工黑体腔内部的空腔式真空集热管组上。 
进一步的，所述两片主反射镜的反射面组成的所述槽式抛物面，轴向长度为2m，焦距为4m，所述每片主反射镜的厚度为0.4cm，所述人工黑体腔的进光口开口宽度为3-8cm；所述副反射镜反射面组成所述椭圆面轴向长度为0.55m，上焦距为1m，下焦距为5m，即实际焦距为2m，所述副反射镜的厚度为3cm。 
进一步的，所述人工黑体腔的内壁贴有高反射率的反射膜，从而降低集热管对外界的辐射散热。 
进一步的，所述空腔式真空集热管组由三个真空太阳能集热管通过集热管支架连接在一起，集热管支架大体呈等腰三角形，每个角设置有呈矩形的支点，三个所述支点焊接在所述人工黑体腔的内壁上，当槽式抛物面反射镜绕所述传动轴中心旋转时，空腔式真空集热管组保持不动。 
本发明的太阳能集热器采用槽式抛物面和椭圆面的双反射镜可达到使阳光聚焦进开有一个小槽的集热腔内，同时在反射镜跟踪太阳时集热腔保持不动的目的；腔体内设三个真空集热管，消除了阳光直射导致的光线在小孔处的反射损失，提高腔体的阳光吸收效率。 
具有减少集热管的辐射散热损失和阳光的反射损失，提高集热效率；集热腔固定不动，克服现有集热器因集热管转动导致漏液缺点；集热管受外界冲击影响小等显著优势。 
附图说明
图1是基于槽式抛物面反射镜和人工黑体的太阳能集热器的等轴测图； 
图2是基于槽式抛物面反射镜和人工黑体的太阳能集热器的前视图； 
图3是槽式抛物面反射镜结构示意图； 
图4是空腔式真空集热管组结构示意图； 
图5是集热腔结构示意图； 
图6是集热装置支座结构示意图。 
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。如图1至图6所示，一种基于槽式抛物面反射镜和人工黑体的太阳能集热器，由槽式抛物面反射镜和空腔式真空集热管组两部分组成，还包括：一矩形的装置支座10，四个开槽的呈矩形的集热腔体支座9，沿宽度方向设置在装 置支座10上的呈梯形的三个反射镜支架6，以及分别设置在所述反射镜支架6上的前轴承11和第一后轴承4和第二后轴承5，传动轴连接在前轴承11和第一后轴承4上，在传动轴上靠近第一后轴承4的位置固定连接传动齿轮3，具有进光口的人工黑体腔13通过外伸的连接板12固定在支座9上，在人工黑体腔13的内部设置有空腔式真空集热管组16，在人工黑体腔13的外部的对称两侧固定连接有两组主反射镜支架2，所述每组主反射镜支架2焊接在一片主反射镜上7，所述两片主反射镜7的反射面组成一个槽式抛物面，其焦点在光轴上，当平行于光轴的平行光入射至槽式抛物面上时会将入射光反射聚焦到所述焦点上，在所述两片主反射镜7的上面设置有一片具有部分呈椭圆柱体的副反射镜1，所述副反射镜1由分别设置在两片主反射镜7上的四条主反射镜支架2支撑，副反射镜1反射面为一个椭圆面，其椭圆面上焦点与槽式抛物面焦点重合，椭圆面下焦点在椭圆面上焦点关于槽式抛物面对称处，当聚集到椭圆面上焦点的反射光经过椭圆面的反射时，会发生再次反射，最终聚焦在位于槽式抛物面下边所述人工黑体腔13内部的空腔式真空集热管组16上。 
所述两片主反射镜7的反射面组成的所述槽式抛物面，轴向长度为2m，焦距为4m，所述每片主反射镜7的厚度为0.4cm，所述人工黑体腔13的进光口开口宽度为3-8cm；所述副反射镜1反射面组成所述椭圆面轴向长度为0.55m，上焦距为1m，下焦距为5m，即实际焦距为2m，所述副反射镜1的厚度为3cm。 
所述人工黑体腔13的内壁贴有高反射率的反射膜，从而降低集热管对外界的辐射散热。所述空腔式真空集热管组16由三个真空太阳能集热管通过集热管支架15连接在一起，集热管支架15大体呈等腰三角形，每个角设置有呈矩形的支点17，三个所述支点17焊接在所述人工黑体腔13的内壁上，当槽式抛物面反射镜绕所述传动轴中心旋转时，空腔式真空集热管组16保持不动。 
本发明的太阳能集热器采用槽式抛物面和椭圆面的双反射镜可达到使阳光聚焦在开有一个小槽的集热腔内，同时在反射镜跟踪太阳时集热腔保持不动的目的；腔体内设三个真空集热管，消除了阳光直射导致的光线在小孔处的反射损失，提高腔体的阳光吸收效率。 
具有减少集热管辐射散热损失和阳光照到集热管上的反射损失，提高集热效率；集热腔固定不动，克服了现有集热器因转动导致的漏液缺点；集热管受外界冲击影响小等显著优势。 
本发明的特点主要为： 
1、集热管安置于装置下部，是为了使集热腔在反光镜转动时固定不动，克服现有集热器因集热管转动导致液体泄漏的缺点，并使反光镜可以灵活的进行太阳跟踪； 
2、人工黑体内表面涂有高反光材料并设置三个真空管集热管，是为了更好的达到对 阳光的吸收。 

Claims (4)

1.一种基于槽式抛物面反射镜和人工黑体的太阳能集热器，主要由槽式抛物面反射镜、空腔式真空集热管组以及太阳光跟踪装置三部分组成，还包括：一矩形的装置支座(10)，四个开槽的呈矩形的集热腔体支座(9)，沿宽度方向设置在装置支座(10)上的呈梯形的三个反射镜支架(6)，以及分别设置在所述反射镜支架(6)上的前轴承(11)和第一后轴承(4)和第二后轴承(5)，传动轴连接在前轴承(11)和第一后轴承(4)上，在传动轴上靠近第一后轴承(4)的位置固定连接传动齿轮(3)，其特征在于：具有进光口的人工黑体腔(13)通过外伸的连接板(12)固定在支座(9)上，在人工黑体腔(13)的内部设置有空腔式真空集热管组(16)，在人工黑体腔(13)的外部的对称两侧固定连接有两组主反射镜支架(2)，所述每组主反射镜支架(2)焊接在一片主反射镜上(7)，所述两片主反射镜(7)的反射面组成一个槽式抛物面，其焦点在光轴上，当平行于光轴的平行光入射至槽式抛物面上时会将入射光反射聚焦到所述焦点上，在所述两片主反射镜(7)的上面设置有一片具有部分呈椭圆柱体的副反射镜(1)，所述副反射镜(1)由分别设置在两片主反射镜(7)上的四条主反射镜支架(2)支撑，副反射镜(1)反射面为一个椭圆面，其椭圆面上焦点与槽式抛物面焦点重合，椭圆面下焦点在椭圆面上焦点关于槽式抛物面对称处，当聚集到椭圆面上焦点的反射光经过椭圆面的反射时，会发生再次反射，最终聚焦到位于槽式抛物面下边所设置的人工黑体腔(13)内部的空腔式真空集热管组(16)上。 
2.如权利要求1所述基于槽式抛物面反射镜和人工黑体的太阳能集热器，其特征在于：所述两片主反射镜(7)的反射面组成的所述槽式抛物面，轴向长度为2m，焦距为4m，所述每片主反射镜(7)的厚度为0.4cm，所述人工黑体腔(13)的进光口开口宽度为3-8cm；所述副反射镜(1)反射面组成所述椭圆面轴向长度为0.55m，上焦距为1m，下焦距为5m，即实际焦距为2m，所述副反射镜(1)的厚度为3cm。 
3.如权利要求1所述基于槽式抛物面反射镜和人工黑体的太阳能集热器，其特征在于：所述人工黑体腔(13)的内壁贴有高反射率的反射膜，减小集热管对外界的辐射散热。 
4.如权利要求1所述基于槽式抛物面反射镜和人工黑体的太阳能集热器，其特征在于：所述空腔式真空集热管组(16)由三个真空太阳能集热管通过集热管支架(15)连接在一起，集热管支架(15)大体呈等腰三角形，每个角设置有呈矩形的支点(17)，三个所述支点(17)焊接在所述人工黑体腔(13)的内壁上，当槽式抛物面反射镜绕所述传动轴中心旋转时，空腔式真空集热管组(16)保持不动。 
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