CN102748875B - 桥式大容量高聚光比复合菲涅尔线聚光反射装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有聚焦元件的太阳能集热器，特别是一种桥式大容量高聚光比复合菲涅尔线聚光反射装置，其结构要点在于，主反射装置由复数个微弧菲涅尔反射镜组成，且该复数个菲涅尔反射镜位于集热管的上方，呈一种桥式的分布结构，该结构包括水平段和以该水平段为中心对称的左右两弧度段；还包括有一种副反射装置，其安装在集热管下方，弧形内凹面面向集热管方向。本发明优点在于：能够使得本发明所述菲涅尔线聚光反射装置获得较大的地面利用率，充分考虑了阳光的入射情况，大大减少了阳光的散失，提高了集热管的集热效果，同时实现了良好的聚焦效果和对集热管均匀受热的效果，体现了其大容量的聚光效果。

Description

桥式大容量高聚光比复合菲涅尔线聚光反射装置

技术领域

本发明涉及一种具有聚焦元件的太阳能集热器，特别是一种桥式大容量高聚光比复合菲涅尔线聚光反射装置。

背景技术

菲涅尔透镜具有聚光作用，在太阳能热发电大型聚光装置的应用中，主要采用反射式菲涅尔设备。现有技术中菲涅尔反射装置的种类很多，如广泛应用的紧凑式线聚焦菲涅尔反射器（Compact Linear Fresnel Reflector，简称CLFR），由分布在下方的紧凑排列的复数个菲涅尔反射镜和上方的太阳能集热管组成参照专利，ZL200880112788.8；还有抛物线槽式聚光装置，也是常用的太阳能热发电聚光装置，其所使用的反射镜采用抛物线形，凹面面向太阳方向，在凹面上方聚集位置设置太能能集热管；还有塔式聚光装置，其包括位于中心点的塔式太阳能集热设备和以该中心为圆心向外布列的多层环形抛物线碟式菲涅尔反射装置；除此之外，还有一种二次反射的菲涅尔线聚光反射装置，其在类似CLFR结构的基础上，在集热管上部设置二次反射罩，参照意大利专利申请号RM2010A000437，用以将阳光反射到集热管顶部，以均衡集热管的吸热，还用于反射因为聚焦误差造成的阳光散失，这主要是因为底部反射镜片由于入射角的不同，在不同角度时的聚焦距离是不一样的。

然而上述所述聚光装置的存在许多不足之处：塔式聚光装置和抛物线碟式聚光装置的容量小，抛物线槽式聚光装置容量较塔式聚光装置和抛物线碟式聚光装置的大，是目前常用的一种，但通常不超过100MW，而CLFR的容量可以做得更大且成本更低。，而容量大的CLFR则存在以下问题：

首先，如附图1所示，在阳光Y垂直照射的情况下，为了反射光不被阻碍，相邻反射镜片2之间需要有一定的间隔S，以避免所反射的光线被靠近集热管1的那一反射镜片遮挡，而且离集热管越远的反射镜片需要的间隔越大，这就造成了阳光泄露，影响了地面利用率。如果阳光从集热管的远端（即远离集热管）斜照到反射镜片，反射镜片之间的间隔还需要进一步加大，这会造成更加大的阳光泄漏。图中，β为集热管与主反射装置的垂直线与主反射镜片反射光不被遮挡的界限a之间的夹角，x为集热管垂直于主反射装置的点向两边延伸的长度，当镜片宽度足够小（即理论上趋向于0）的时候，可以计算出在反射没有被阻挡的情况下，在图1所示的x宽度内，在上述条件下的反射镜的有效宽度为

当x与集热管的高度d相等时，反射镜的有效宽度大约为d的0.88倍；当x为d的2倍时反射镜的有效宽度大约为d的1.444倍；当x为d的3倍时反射镜的有效宽度大约为d的1.818倍。可见反射镜的宽度越宽则有效性越差。实际应用的反射镜的宽度不会→0，可以证明，上式是能够获得的最大有效宽度，单个反射镜的宽度越宽，在一定x内的有效宽度越小。

其次，目前CLFR的反射片的弧度是不可调的，1是中间部分的反射镜距离集热管比较近，而两侧的反射镜距离集热管比较远，如果所有反射镜都是一样的弧度，势必会有一部分反射镜聚焦效果不好；2是虽然反射镜能够随阳光角度的变化而转动，反射镜中心与集热管中心的距离是不变的，但是随阳光入射角度的不同，反射镜焦距的位置就会发生变化，如附图2和附图3，阳光与反射镜成30°角时（见附图3），其聚焦距离（反射镜中心到聚焦中心的距离）只有阳光与反射镜垂直时（见附图2）的一半。

另外，CLFR的集热管只是单（下）侧受热，受热不均匀，这影响了集热管的温度和吸热量。

二次反射的菲涅尔线聚光反射装置能够减少阳光的散失，但只是在集热器处，

反射镜存在和CLFR同样的一些问题，导致改善的程度有限，改善的

效果不可控（即不同阳光入射角不一样，事实上是如果聚光精确，二次反射装置是不需要的，但水平布置的反射镜片是很难做到的，除非反射角度变化时反射镜片的弧度也变化），二次反射罩上部还会遮挡阳光。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，而提出一种大容量、地面利用率高、阳光散失少，聚焦效果和集热效果好的桥式大容量高聚光比复合菲涅尔线聚光反射装置。

本发明是通过以下途径来实现的：

桥式大容量高聚光比复合菲涅尔线聚光反射装置，包括有主反射装置和集热管，其结构要点在于，主反射装置由复数个以微弧菲涅尔反射镜片为主反射镜组成，每个主反射镜的中心位置设置有转向装置，且该复数个主反射镜片位于集热管的上方，呈一种桥式的分布结构，该结构包括水平段和以该水平段为中心对称的左右两弧度段，以集热管为中心、在水平段两端端点之一的切线方向以向上的角度α向外延展形成所述的弧度段；

同时每个菲涅尔反射镜的内凹弧面均面向有阳光入射的方向，当阳光的方向与主反射镜的中心点和集热管的中心连线平行时，该片反射镜进行180°的翻转；还包括有一种副反射装置，其安装在集热管下方，弧形内凹面面向集热管方向。

所述转向装置能够使菲涅尔反射镜根据阳光的入射角度进行翻转。微弧的菲涅尔反射镜能够使得单片宽度较大的反射镜片聚焦于直径较小的集热管，从而获得更高的阳光利用率。而为了达到较高的地面利用率，需要分析太阳光线变化的过程对聚光效果的影响：对于垂直照射的光线，处于中间水平段的主反射镜，这时阳光与主反射镜到集热管的方向平行，主反射镜难以反射阳光到集热管，这部分阳光的利用需要借助副反射装置，两侧的弧度段在这种情况下可以反射阳光并且不受遮挡也没有阳光泄漏，另外弧度段在阳光垂直照射时聚光效果比较好，阳光垂直照射时最能够考验这类聚光装置的地面利用率，通常（如clfr）是聚光比越高地面利用率越低，而本装置能够在较高的聚光比时保持较高的地面利用率。对于阳光斜照的情况，三段的情况有所不同，对于近日端，即有阳光直射的弧度段，这时阳光与反射镜中心到集热管的方向平行的部位，难以反射阳光到集热管，这部分阳光的利用需要借助副反射镜，但周边可能有一部分阳光泄漏；中间的水平段在阳光斜照时，阳光的利用率比较高；远端的弧度段在阳光斜照时，阳光的利用率比较低，但是这部分所占的面积较小，并且有一部分阳光照射不到，所以影响不大。因此地面利用率大，阳光散失少。

主反射镜的桥式分布结构有利于接受倾斜的阳光，当阳光倾斜到一定的程度，整个反射装置水平接受面的有效面积就会大为减少，但是中间凸起的水平段能够在阳光倾斜时可以维持较大的接受面。另外桥式结构有利于反射角度的改善，对于阳光倾斜时离太阳较远的一侧的主反射镜，阳光的入射角比较大，但是由于桥式结构，这部分主反射镜可能没有阳光到达，所以避免了较大入射角。

主反射装置中的菲涅尔反射镜采用微弧构造，这种微弧是抛物线形的，而焦点在集热管处，由于焦点距离弧线比较远，所以弧度不会很大，微弧反射镜的设计，在技术和经济方面都有合理性，反射镜宽度要比集热管的外径大很多，微弧聚焦使得能够在较大的范围内合理布置反射镜片的数量（在条件合适的或制作方便的情况下，平板和圆形等形状的反射镜片也可以采用），从而提高聚光比。当阳光的方向与主反射装置的反射镜和集热管的中心连线平行时，该片反射镜需要做约180°的翻转，以便改变反射方向。

副反射装置的目的有二：首先是改善了光能的利用效果，在阳光的方向与主反射装置的反射镜和集热管的中心连线平行的部位附近，主反射装置的其他镜片由于位置的限制，难以反射光线，这时让光线投射到副反射镜，使这部分光线获得利用；其次是副反射装置的光线投射到了集热管上主聚光镜无法照射到的部位，使集热管的受热更加均匀，改善了集热管的工作情况和传热效果。

这种采用将主反射装置以集热管为圆心呈圆弧线形分布在集热管上方，并在集热管下方设置副反射装置的技术方案，能够使得本发明所述菲涅尔线聚光反射装置获得较高的地面利用率，充分考虑了阳光的入射情况，大大减少了阳光的散失，提高了集热管的集热效果，同时实现了良好的聚焦效果和对集热管均匀受热的效果，满足了大容量的高聚光比的需求。

本发明可以进一步具体为：

副反射装置的宽度一般大于主反射装置的水平段长度。

较大的宽度能够使得副反射装置提供较好的调节和辅助反射的功能，但也会提高成本，因此副反射装置的宽度只需要略大于水平段长度即可。

副反射装置所采用的副反射镜为一种抛物线形聚光反射镜，该副反射镜上设置有驱动转向装置。

所述的副反射装置如同抛物线槽式聚光装置，采用一种整体结构的抛物线形反射镜，其需要能够在驱动转向装置的作用下跟踪阳光，以便能够充分有效的将阳光聚焦到集热管上。

还可以是：

副反射装置为复数个菲涅尔反射镜片组成，且该复数个菲涅尔反射镜的中心位于同一直线上，弧形凹面中心垂直线指向集热管中心。

所述的副反射装置镜片布置如同之前提及的CLFR聚光装置，其中的菲涅尔反射镜作为副反射镜，且倾斜角度是固定的，以集热管为焦点聚光。这种结构的副反射装置的反射效果不如抛物线形聚光反射镜，但差异很小，而带来的好处是制造方便，成本低。

当副反射镜宽度足够小且总宽度为x时，每片副反射镜的有效反射宽度大约为

其中β见附图1中所示，为集热管与副反射装置的垂直线与菲涅尔反射镜反射光线不被遮挡所形成的角度，由于β为锐角时cosβ≤cos(β/2)，或

所以

（CLFR聚光装置有效反射宽度）（整体跟踪菲涅尔反射镜有效反射宽度），也就是说其有效的反射面积整体摆动要比单片摆动情况的CLFR聚光装置好，副反射装置的整体是跟随阳光入射角进行摆动的，能够自动跟踪阳光。

本发明还可以进一步具体为：

弧度段的主反射镜的中心位置所分布延展的角度α满足ln(ρ/ρ0)=θtgα；其中ρ0为集热管中心到水平段端部反射镜Fd中心的距离，ρ为弧度段上的某一反射镜Fh的中点到集热管中心的距离；θ为以集热管中心为顶点、水平段端部反射镜Fd中心为起点向外转到弧度段该某一反射镜Fh中心的角度。

上述α所需满足的条件中，当α=0时，即ρ=ρ0，退化成圆。此时以θe为弧度段末端与集热管中心的连线与水平线的夹角，弧度段末端的切线与垂直线的交角为θe+α，当阳光的倾斜角大于θe+α时，在相同宽度的情况下，本发明所述技术方案接受阳光的面积就会大于在相同的宽度下平面布置的CLFR。

主反射装置的水平段两端和集热管中心点形成的角度

为2倍的α。

这样，使得水平段和弧度段的连接处能够做到光滑连接，使得在连接处具有良好的性能。

水平段的主反射镜之间的间距为1/2到

倍的主反射镜宽度。

主反射镜的间距以在远侧最小角度时不阻碍为原则，但是上述方案的优点是阳光与主反射镜布置走势形成的切向角α总是不变的，使得反射镜片的布置能够均匀。这样保证了阳光的有效反射。

在弧度段只要反射镜一半的宽度与反射镜间距的比值小于但接近于sin(45°-α/2)。

可以看出，当α=0时就是主反射镜为圆形的情况，即可以做到在任何情况下反射阳光都不会被阻碍（有可能在某些场合有泄漏，取决于副反射镜的宽度），这是一种确定反射镜位置的方法。阳光照射被反射镜的遮挡是可以接受的（只是减少了反射镜的有效使用面积，没有阻碍反射光，也没有影响地面使用率）。实际设计时，可以参考上述方法。

本发明还可以进一步具体为：

所述的主反射装置中的菲涅尔反射镜，即主反射镜的转向装置包括有反射镜架、转轴以及支架，反射镜安装在反射镜架上并组成转动体，反射镜架通过转轴旋转支撑在支架上，转轴轴心位于反射镜的反射方向上，而且，该转轴轴心位于反射镜的厚度内；设置一种平衡锤，该平衡锤与转动体连接，并设置在转动体重心与转轴轴心连线的延伸线上。

反射镜依其反射弧面为基面，凹弧所在侧面为反射方向，凸弧所在侧面为背面方向，此处所指的反射方向并非是反射线方向，而指的是反射镜弧面中间切平面（或反射镜周围轮廓形成平面的）法线方向。利用该平衡锤可以平衡由于转动体重心偏离转轴轴心而带来的转动力矩。

反射镜凹弧面上下两顶点的连线与凹弧底之间的距离即为反射镜的厚度。

为了减少反射器的转动力矩，应当缩短转轴轴心与转动体（反射镜以及反射镜架）重心的距离直至二者重合；又由于有些反射镜需翻转180°，如果该转轴轴心位于反射镜的厚度外，将会额外占用空间，致整个太阳能阵列不紧凑。

综上所述，本发明提供了一种桥式大容量高聚光比复合菲涅尔线聚光反射装置，采用将主反射装置桥式的分布结构分布在集热管上方，包括水平段和弧度段，并在集热管下方设置副反射装置的技术方案，能够使得本发明所述菲涅尔线聚光反射装置获得较大的地面利用率，充分考虑了阳光的入射情况，大大减少了阳光的散失，提高了集热管的集热效果，同时实现了良好的聚焦效果和对集热管均匀受热的效果，满足了大容量的高聚光比的需求。

附图说明

图1为本发明背景技术所述的CLFR在阳光垂直照射下的分析结构示意图；

图2为本发明背景技术所述的CLFR在阳光与反射镜垂直时的聚焦结构示意图；

图3为本发明背景技术所述的CLFR在阳光与反射镜呈30°角时的聚焦结构示意图；

图4为本发明所述实施例1的结构示意图；

图5为本发明所述最佳实施例的结构示意图；

图6为本发明所述反射镜位置确定关系的数学模型图；

图7为本发明所述主反射装置中菲涅尔反射镜的结构示意图。

下面结合附图对本发明做进一步描述。

具体实施方式

实施例1：

参照附图4，桥式大容量高聚光比复合菲涅尔线聚光反射装置，包括有主反射装置1和集热管2，主反射装置1由复数个微弧菲涅尔反射镜为主反射镜组成，每个菲涅尔反射镜的中心位置设置有转向装置3，且该复数个菲涅尔反射镜位于集热管2的上方，呈一种桥式的分布结构，该结构包括水平段和以该水平段为中心对称的左右两弧度段，以集热管为中心、在水平段两端端点之一的切线方向以向上的角度α向外延展形成所述的弧度段；弧度段的主反射镜的中心位置所分布延展的角度α满足ln(ρ/ρ0)=θtgα；见附图6，其中ρ0为集热管中心到水平段端部反射镜Fd中心的距离，ρ为弧度段上的某一反射镜Fh的中点到集热管中心的距离；θ为以集热管中心为顶点、水平段端部反射镜Fd中心为起点向外转到弧度段该某一反射镜Fh中心的角度。集热管可以是玻璃真空管，也可以是其他类型的集热管或光伏发电装置。如主反射装置的水平段两端和集热管中心点形成的角度为2倍的α，水平段与弧度段可以平滑连接。主反射装置1弧线段两侧端点与集热管2所在圆心形成的角度为150°，即弧线段两端与集热管2所在圆心的连线与水平面形成的夹角θe为15°。同时每个菲涅尔反射镜的内凹弧面均面向有阳光入射的方向，能够跟踪阳光的入射方向，并随之转动；当阳光的方向与主反射装置的反射镜片中心和集热管的中心连线平行时，该片反射镜进行180°的翻转。水平段的主反射镜之间的间距为1/2到

倍的主反射镜宽度。在弧度段只要反射镜一半的宽度与反射镜间距的比值小于sin(45°-α/2)。主反射镜之间的间距主要遵循两个原则，1是不能有阻挡反射线的情况，2是尽量减少或者消除阳光泄漏的情况。

还包括有一种副反射装置4，其安装在集热管1下方，采用一种抛物线形聚光反射镜作为副反射镜，该副反射镜上设置有驱动转向装置，该驱动转向装置可以是直接安装在副反射镜中心线上的转动构件外加驱动装置构成，也可以是由安装在副反射镜的三角形或者圆心支撑架和支撑架上的转动轴以及驱动装置构成。副反射镜的弧形内凹面面向集热管方向，在驱动转向装置的作用下跟踪阳光入射方向。

参照附图7，菲涅尔反射镜的转向装置3包括反射镜架31、转轴32、平衡锤33以及支架（图中未画出），反射镜5安装在反射镜架31上并组成转动体，反射镜架31通过转轴32旋转支撑在支架上，转轴32轴心位于反射镜的反射方向上，即图7中的C方向，而且，该转轴32轴心还位于反射镜的厚度内并在反射镜的二分之一厚度处，反射镜厚度即图7中的A，同时，转轴32轴心还位于反射镜宽度方向的对称线上。反射镜5依其反射弧面为基面，凹弧所在侧面为反射方向，即图7中的C方向；凸弧所在侧面为背面方向，即图7中的B方向。反射镜凹弧面上下两顶点的连线与凹弧底之间的距离即为反射镜的厚度，即图7中的A。平衡锤33是一种钟摆式构造，包括细长的杆体和尾端的锤体，杆体另一端通过一种螺纹螺栓的构造与转动体紧固连接，平衡锤33设置在转动体重心与转轴32轴心连线的延伸线上。反射镜5两端分别同轴设置有转轴32，该两转轴32对应支撑连接在支架的支撑孔中，这样，整个转动体跨支在支架上。

最佳实施例：

参照附图5，大容量高聚光比复合菲涅尔线聚光反射装置，包括有主反射装置1、集热管2和副反射装置4；主反射装置1由复数个微弧菲涅尔反射镜片为主反射镜组成，每个菲涅尔反射镜的中心位置设置有转向装置3，且该复数个菲涅尔反射镜片位于集热管2的上方，呈一种桥式的分布结构，该结构包括水平段和以该水平段为中心对称的左右两弧度段，以集热管为中心、在水平段两端端点之一的切线方向以向下的角度α向外延展形成所述的弧度段；弧度段的主反射镜的中心位置所分布延展的角度α满足ln(ρ/ρ0)=θtgα；当阳光的方向与主反射装置的反射镜和集热管的中心连线平行时，该片反射镜进行180°的翻转。还包括有一种副反射装置4，其安装在集热管1下方。该副反射装置为复数个菲涅尔反射镜片组成，以菲涅尔反射镜作为副反射镜，且该复数个菲涅尔反射镜片的中心位于同一直线上，弧形凹面中心垂直线指向集热管中心，整体结构中，副反射镜片的倾斜角度不变，但整体结构随阳光入射角度转动，其他详细见发明内容部分。本实施例未述部分与实施例1相同。

本发明未述部分与现有技术相同。

Claims (10)

1.桥式大容量高聚光比复合菲涅尔线聚光反射装置，包括有主反射装置和集热管，其特征在于，主反射装置由复数个以微弧菲涅尔反射镜片为主反射镜组成，每个主反射镜的中心位置设置有转向装置，且该复数个主反射镜位于集热管的上方，呈一种桥式的分布结构，该结构包括水平段和以该水平段为中心对称的左右两弧度段，以集热管为中心、在水平段两端端点之一的切线方向以向下的角度α向外延展形成所述的弧度段；同时每个主反射镜的内凹弧面均面向有阳光入射的方向，当阳光的方向与主反射镜的中心点和集热管的中心连线平行时，该片反射镜进行180°的翻转；还包括有一种副反射装置，其安装在集热管下方，弧形内凹面面向集热管方向。

2.根据权利要求1所述的桥式大容量高聚光比复合菲涅尔线聚光反射装置，其特征在于，副反射装置的宽度大于主反射装置的水平段长度。

3.根据权利要求1所述的桥式大容量高聚光比复合菲涅尔线聚光反射装置，其特征在于，副反射装置所采用的副反射镜为一种抛物线形聚光反射镜，该副反射镜上设置有驱动转向装置。

4.根据权利要求1所述的桥式大容量高聚光比复合菲涅尔线聚光反射装置，其特征在于，副反射装置为复数个菲涅尔反射镜片组成，且该复数个菲涅尔反射镜片的中心位于同一直线上，弧形内凹面中心垂直线指向集热管中心。

5.根据权利要求1所述的桥式大容量高聚光比复合菲涅尔线聚光反射装置，其特征在于，弧度段的主反射镜的中心位置所分布延展的角度α满足ln(ρ/ρ0)=θtgα；其中ρ0为集热管中心到水平段端部反射镜Fd中心的距离，ρ为弧度段上的某一反射镜Fh的中点到集热管中心的距离；θ为以集热管中心为顶点、水平段端部反射镜Fd中心为起点向外转到弧度段该某一反射镜Fh中心的角度。

6.根据权利要求1所述的桥式大容量高聚光比复合菲涅尔线聚光反射装置，其特征在于，主反射装置的水平段两端和集热管中心点形成的角度

为2倍的α。

7.根据权利要求1所述的桥式大容量高聚光比复合菲涅尔线聚光反射装置，其特征在于，水平段的主反射镜之间的间距为1/2到

倍的主反射镜宽度。

8.根据权利要求1所述的桥式大容量高聚光比复合菲涅尔线聚光反射装置，其特征在于，在弧度段，主反射镜一半的宽度与该段主反射镜间距的比值小于sin(45°-α/2)。

9.根据权利要求1所述的桥式大容量高聚光比复合菲涅尔线聚光反射装置，其特征在于，所述的主反射装置中的菲涅尔反射镜，即主反射镜的转向装置包括有反射镜架、转轴以及支架，反射镜安装在反射镜架上并组成转动体，反射镜架通过转轴旋转支撑在支架上，转轴轴心位于反射镜的反射方向上，而且，该转轴轴心位于反射镜的厚度内；设置一种平衡锤，该平衡锤与转动体连接，并设置在转动体重心与转轴轴心连线的延伸线上。

10.根据权利要求1所述的桥式大容量高聚光比复合菲涅尔线聚光反射装置，其特征在于，集热管或者是玻璃真空管，或者光伏发电装置。

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