CN102798967A

CN102798967A - Cdc免跟踪太阳能复合聚光器及其阵列

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Publication number: CN102798967A
Application number: CN2012102345905A
Authority: CN
Inventors: 赵淑明; 赵石林
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2012-07-09
Filing date: 2012-07-09
Publication date: 2012-11-28

Abstract

本发明公开了一种 CDC 免跟踪太阳能复合聚光器，由半个抛物线和半个正圆曲线复合生成复合聚光曲线，将所述生成的复合聚光曲线作为该复合聚光器的端截面，沿该面垂直方向平行移动任意长度并截取，将截取段作为该复合聚光曲线生成的免跟踪太阳能复合聚光器，其中，截取的端截面为该聚光器的端面，将复合曲线段平行移动形成的曲面作为聚光器的复合聚光曲面，将直线段平行移动生成的平面作为复合聚光曲面的集光面。

Description

CDC免跟踪太阳能复合聚光器及其阵列

技术领域

本发明涉及太阳能应用领域，具体来说，涉及一种无光象免跟踪太阳能复合聚光器及其阵列。

背景技术

太阳能是地球上最丰富的可再生能源，自从太阳能利用技术发展以来，其昂贵的开发利用成本就成为大规模普及的障碍。能否经济高效地利用太阳能的关键就在于能否提高聚光比和跟踪精度。

太阳能因密度低，其峰值不超过1KW/㎡，且受太阳高度角，方位角，气象等影响，所以太阳能利用率很低，为了提高太阳能可利用率，人们应用太阳能聚光器提高太阳能辐射密度。聚光器主要有折射、反射、混合等类型，聚光形式主要有点聚焦和线聚焦。

纵观国内外研究开发的太阳能聚光器都存在共同的不足，一是因为无论是点聚焦还是线聚焦，均要求聚光器具有一套精确的自动跟踪系统，才能把会聚后光线精准地投射到集光器上，二是需要有一个精确的聚光面，才能把光线会聚成点或线后投射到集光器上，三是需要有一刚性好，制作精密的跟踪支架和传动机械，才能保证以上跟踪和聚光有效。四是聚光器全系统的零部件使用寿命最好相近，如15年，否则一旦有部分零部件损坏，就无法保证全系统正常运行。因此，太阳能聚光器制造成本高，运行成本大大高于常规能源，从而阻碍其商业化发展。为此，为了克服自动跟踪太阳能聚光器的上述不足，有人提出了免跟踪太阳能聚光器，如CPC（复合抛物线聚光镜）、槽式圆柱面镜、抛物线柱面镜等反射型聚光器。

然而，通过采用这样的聚光器，尽管会简化聚光器的结构，降低聚光的精度要求和制造成本，但是由于CPC聚光器的聚光比低，可利用性差，而槽式柱面镜在免跟踪条件下，聚光效果差，由此导致其商业化发展非常缓慢。因此，如果采用这种免跟踪太阳能聚光器来提高太阳能的利用率，如何提高其聚光比，降低聚光器制造精度要求，简化结构，降低应用成本，提高可应用性，是其商业化进程中极需解决的问题。

发明内容

针对现有太阳能聚光器的上述问题，本发明目的在于提供一种CDC（赵氏复合聚光器）免跟踪太阳能复合聚光器及其阵列，具体来说，提供一种由CDC免跟踪太阳能复合聚光曲线制作的免跟踪太阳能复合聚光器、以及由该复合聚光器组合成的方阵式复合聚光器阵列。

本发明的一个方面，提供一种CDC免跟踪太阳能复合聚光器，其特征在于，由半个抛物线和半个正圆曲线复合生成复合聚光曲线，将所述生成的复合聚光曲线作为该复合聚光器的端截面，沿该面垂直方向平行移动任意长度并截取，将截取段作为该复合聚光曲线生成的免跟踪太阳能复合聚光器，其中，截取的端截面为该聚光器的端面，将复合曲线段平行移动形成的曲面作为聚光器的复合聚光曲面，将直线段平行移动生成的平面作为复合聚光曲面的集光面。

根据本发明，由该复合聚光曲线生成的复合聚光器生成方法简单，在免跟踪的条件下，聚光比高，光能利用率高。并且，根据应用要求不同，选择不同技术参数，可生成较佳应用效果的免跟踪太阳能复合聚光器。

根据本发明的另一个方面，如上述CDC免跟踪太阳能复合聚光器，其特征在于，所述免跟踪太阳能复合聚光曲线，如下生成：依据实际应用要求，选择确定的抛物线曲线焦距F，聚光比X/F，根据Y=X2/4F抛物线方程，在一个象区作焦距为F的抛物线曲线坐标图，在X轴上确定与聚光比X/F对应的X值点，再在抛物线曲线上确定与X值点对应的C点，以C为截点在抛物线曲线上截取OC曲线段，以截取的OC曲线段的焦线OF中点D为圆心，以1/2焦线为半径作半个正圆曲线，交焦点F和OC曲线于O，生成的DFOC曲线段，即为上述半个抛物线与半个段正圆曲线复合成的免跟踪复合聚光曲线，其中，FOC为复合聚光曲线，DF为该曲线的集光焦线。

根据本发明的另一个方面，如上述CDC免跟踪太阳能复合聚光器，其特征在于，根据应用要求，选择抛物线曲线焦距、聚光比，以生成不同聚光效果的复合聚光器。

根据本发明，因为焦距决定该复合聚光器的开口高度和最大有效采光面积，聚光比决定有效采光比和全反射临界角，所以，依据不同的应用要求选择相应的抛物线焦距和聚光比，就能保证生成的复合聚光器在免跟踪条件下，在太阳高度角位于47度范围内，方位角在上午9点到下午15点的约90角范围内的太阳日照光线，都能入射到聚光器聚光曲面上，从而取得较佳的聚光效果。

根据本发明的另一个方面，如上述CDC免跟踪太阳能复合聚光器，其特征在于，组成复合聚光曲线的所述半个抛物线曲线的焦距等于所述半个正圆曲线的直径，并重合。

根据本发明，在全反射临界角范围内，对抛物线曲线，偏离光轴射入的半个抛物线曲线为无效聚光。斜向射入的半个抛物线曲线的有效聚光效果与完整抛物线曲线相当。斜向射入的太阳光线，经复合曲线的半个抛物线曲线段会聚后，反射至焦线OF，其中一部分直接辐射到DF集光焦线上，剩余部分，经半个正圆曲线会聚后，反射到DF聚光焦线上，全部被有效利用。因DF=1/2OF，复合曲线的聚光比同等条件下比原半个抛物曲线提高一倍，比原抛物线曲线提高二倍，且结构优化一半。

其中，所述全反射临界角，是截取的抛物线曲线段截点C处切线与光轴（y轴）的夹角。所述聚焦比X/F对应的X值点是截取的抛物曲线截点处的X值。因X轴与光轴（Y轴）垂直，X值可作为截取的抛物线曲线段的最大有效采光开口值，因此X/F可作为该截取抛物线曲线的最大有效聚光比。

根据本发明的另一个方面，如上述CDC免跟踪太阳能复合聚光器，其特征在于，以上述复合聚光曲线为端平面构成上述免跟踪复合聚光器，其中，将生成的复合聚光曲线DFOC作为端平面，沿其垂直方向平行移动任意长度，按需要截取，其截取段构成该复合聚光曲线生成的免跟踪复合聚光器，复合曲线FOC平行移动所得曲面为该聚光器的聚光反射面，DF平行移动所得平面为聚光器的集光面。

根据本发明的另一个方面，将若干个如上述CDC免跟踪太阳能复合聚光器并联或串联，组合成方阵式复合聚光器阵列。

根据本发明的另一个方面，如上述复合聚光器阵列，复合聚光器并联或串联个数，按该复合聚光器的有效采光面积而定，在有效采光面积较大时，一个复合聚光器即构成一个该聚光器阵列，在有效采光面积较小时，并联或串联多个上述复合聚光器组成该复合聚光器阵列。

根据本发明的另一个方面，如上述复合聚光器阵列，可大面积连片并联或串联装配，组成免跟踪太阳能工程供热系统。

根据本发明的另一个方面，如上述复合聚光器阵列，在其大面积连片，并联或串联装配，组成免跟踪太阳能工程供热系统时，并联可提供低中温热源，用于集中供热；串联可提供中、高温热源，用于太阳能制冷和热发电。

发明效果

本发明在免跟踪条件下与现有抛物线聚光曲线及槽式柱面镜相比具有如下优点：

1、生产方法简单。依据应用要求不同，选定抛物线曲线的焦距和聚光比很容易生成适应各种应用要求并具有较佳聚光效果的免跟踪复合聚光器。

、由免跟踪复合聚光曲线生成的免跟踪复合聚光器结构合理，在完全固定条件下，最大有效聚光比可大于3.8倍。该复合聚光器舍弃了槽式抛物线柱面镜无效聚光的一半，另一半制作精度要求不高，不要求将光线会聚成一条线，只要求反射到集光面。完全固定的免跟踪复合聚光器可贴近平面，坡面安装，无需支撑支架，因此结构简单。该复合聚光器在免跟踪情况下光能利用率高。

、该发明生成的免跟踪太阳能复合聚光器应用成本低。单个复合聚光面积可大到几十㎡，可小到不足一个㎡，通过将单体组合成方阵，可大面积连片，在并联场合可提供中、低温热源用于集中供热，在串联场合则可提供中、高温热源用于热发电。另外，与光电结合可成倍提高光电池的光照强度，提高光转换率，降低光电池的应用成本。

附图说明

图1为示出CDC免跟踪复合聚光曲线及聚光器端面图。

图2为示出聚光比相同，焦距不同的抛物线聚光曲线图。

图3为示出焦距相同，聚光比不同的抛物线聚光曲线图。

图4为示出抛物曲线光谱图。

图5为示出CDC复合聚光曲线光谱图。

图6为示出平屋面放置的CDC全固定太阳能免跟踪复合聚光曲线及聚光器端截面图

图7为示出坡屋面放置的CDC全固定太阳能免跟踪聚光曲线及聚光器端截面图。

图8为示出向阳墙面垂直放置的CDC可调节太阳能免跟踪复合聚光曲线及聚光器端截面图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

图1为示出生成免跟踪太阳能复合聚光器所依据的复合聚光曲线图。

如图1所示，所述聚光曲线由半个抛物线和半个正圆曲线复合生成，依据实际应用要求，选择确定的抛物线曲线焦距F，聚光比X/F，根据Y=X ² /4F抛物线方程，在一个象区作焦距为F的抛物线曲线坐标图，在X轴上确定与聚光比X/F对应的X值点，再在抛物线曲线上确定与X值点对应的C点，以C为截点在抛物线曲线上截取OC曲线段，以截取的OC曲线段的焦线OF中点D为圆心，以1/2焦线为半径作半个正圆曲线，交焦点F和OC曲线于O，生成的DFOC曲线段，即为上述半个抛物线与半段正圆曲线复合成的免跟踪复合聚光曲线，其中，FOC为复合聚光曲线，DF为该曲线的集光焦线。

将生成的DFOC复合聚光曲线作为复合聚光器的端截面，沿其平面垂直方向平行移动任意长度，并截取。截取段即为该复合聚光曲线生成的单个免跟踪太阳能复合聚光器，截取的端截面作为该单体的端面，FOC复合曲线段平移形成的曲面为聚光器单体的复合聚光曲面，DF直线段平移生成的平面为复合聚光曲面的集光面。

进一步，可以串联或并联多个所述复合聚光器组合成方阵式复合聚光器阵列。因选择的焦距不同，上述复合聚光器有效采光面积有大有小，较大焦距生成的复合聚光器，有效采光面积也较大，因此一个复合聚光器就可以构成一个方阵式复合聚光器阵列。较小焦距生成的复合聚光器有效采光面积较小，将若干个同类型截取的单个复合聚光器并联或串联组合成方阵式免跟踪复合聚光器阵列。

根据本发明，所述的复合聚光器在免跟踪情况下聚光比高，光能利用效果好。如图4所示，由于槽式抛物线曲线分布在光轴（Y轴）两边，在免跟踪的情况下，只有当光线平行光轴射入的瞬间，光线经两边抛物线会聚后从光轴两边反射至焦点F。当光线斜向射入，偏离光轴射入的象区，光线径会聚后，反射至焦点F上方光轴的延长线上为无效聚光。光线入射角每偏离10°，反射光线会聚点向上移动一倍焦距的距离。

如图5所示，光线斜向射入的象区，会聚后反射至焦点F下方的焦线上，随着光线偏离角度的增大，会聚点逐渐向抛物线顶点靠近。在免跟踪条件下，抛物线聚光曲线一半是无效聚光，另一半反射光会聚点不在焦点，而在其下方焦线上上下移动。因此在免跟踪条件下，线聚焦槽式抛物线柱面镜应用效果很差。本发明的复合聚光曲线及复合聚光器，完全克服了以上弊端，只截取了半个抛物线曲线，如图5所示，当光线斜向入射经抛物线曲线会聚后一部分反射至焦线DF上，另一部分反射至半圆曲线，再经二次反射至聚焦面DF的背面，入射光线全部被有效利用。因此，在免跟踪的情况下，本发明的复合聚光曲线因DF=1/2OF，同等条件下聚光比是原半个抛物线的一倍，其复合聚光器与槽式柱面镜比结构优化一半，聚光比提高二倍。

根据本发明，如图2、图3、表1所示，根据应用要求不同，选择不同的抛物线技术参数，可得到较佳应用效果的免跟踪太阳能复合聚光器。太阳能应用的条件很苛刻，一是太阳光线的辐射方向随时在变。高度角随季节变，从冬至----夏至一年一来回变化约47度角，每月约8度，方位角每天变化（白天）约180度，每小时15度。二是太阳能聚光器应用要求多样化。如免跟踪的要求：是完全固定，还是可定时定期调节；安装场所要求：是平面，坡面，还是垂直面；安装方位要求：南北向还是东西向；应用形式的要求：是民用与建筑结合，还是大面积商业化连片应用等。因此对太阳能聚光器应用提出了十分苛刻的要求。根据本发明生成的复合聚光器，则完全能满足以上各种各样的应用条件。原因在于，抛物线焦距决定复合聚光曲线及聚光器的开口高度和最大有效采光面积。焦距越大，开口高度越高，最大有效采面越大。聚光比决定复合聚光曲线及聚光器的开口长度和全反射临界角。聚光比越大，最大有效采光面积和全反射临界角越小，免跟踪调节周期短。因此，通过选择不同的抛物线技术参数，就能保证生成相应的复合聚光曲线的复合聚光器。

另外，根据本发明，在免跟踪的情况下，在太阳高度角位于47度范围内，方位角在上午9点到下午15点的约90度范围内的光线被全部会聚后反射到集光面上，能够使最大有效聚光比大于等于3.8倍，并且还可满足实际应用的各种要求，从而达到较佳应用效果。

表1：抛物线聚光曲线焦距，聚光比相关特性一览表

下面参照附图并通过具体实施例对本发明进一步进行说明。

实施例1：

图6为本发明完全固定条件下应用于平地或平屋顶的复合聚光曲线及聚光器端面图。应用要求：一是完全固定免跟踪，二是平屋顶安放，三是应用场地为北纬30.5度。四是焦距可适当放大。依据应用要求选定技术参数为：焦距：1000MM，最大聚焦比为1.9倍，全反射临界角为47度，聚光器东西放置，在完全固定条件下能全年接纳入射阳光。

该实施例免跟踪复合聚光器的技术实施方案是：依据抛线方程Y=X ² /4F= X ² /4000在一个象区作焦距为1000MM的半个抛物线坐标图，在X轴上确定聚光比X/F=1.9的X值1900MM的点，在抛物线曲线上确定与X值点对应的点C，以C 点为截点，在抛物线曲线上截取OC段，以OC曲线段的焦距中点D点为圆心，1/2焦距500MM为半径，作半个正圆曲线，交焦点F，交OC抛物曲线段于O，生成的复合曲线DFOC即为本实施例的免跟踪复合聚光曲线。以该复合聚光曲线为端平面，沿该平面垂直方向平移任意长，并截取，本实施例截取2米，其截取段即为该复合曲线生成的复合聚光器。FOC复合曲线平移所得曲面，为该复合聚光器的复合聚光曲面，DF直线平移所得平面，为该复合聚光曲面的集光面。DFOC复合聚光曲线作为该单体的端面，该复合聚光器的技术参数：集光面1㎡，最大有效采光面3.8㎡，聚光比为3.8倍，全反射临界角47°，在完全固定情况下，可全年采集入射光线。因选择抛物线的焦距较大，该复合聚光器有效采光面较大，一个复合聚光器即构成一个方阵式复合聚光器阵列。

实施例2

图7为本发明在完全固定条件下应用于向阳坡屋面复合聚光曲线及复合聚光器端面图。应用要求：一是完全固定免跟踪。二是安放场地为向阳坡屋面，屋面坡度40°。三是应用地为北纬30.5°。四是为不影响建筑景观，生成的聚光器厚度不得超过150mm。依据应用要求；选定抛物线技术参数：焦距=100mm，最高聚光比=1.9倍，全反射临界角≥47°。在完全固定的条件下，保证全年接纳入射阳光。该实施例是通过以下技术方案实施的：依据抛物线方程y=x ² /4F= x ² /400，在一个象区作焦距100mm的抛物线坐标图，在x轴上确定聚光比X/F=1.9的x 值点（x=190mm）在抛物线曲线上确定与x值点对应的c点，以c点为截点，在抛物线曲线上截取oc曲线段，以抛物线焦距FO的中心D为圆心，以焦距长度一半50mm为半径作半个正圆曲线，交焦点于F，交OC于O，生成的DFOC复合曲线即为本实施例免跟踪复合聚光曲线。以该复合聚光曲线为端平面，沿平面垂直方向平移任意长度，并截取，本实施例截取2米，该截取段即为该复合聚光曲线生成的复合聚光器，FOC复合曲线平移所得曲面，为复合聚光器的聚光曲面；DF平移所得平面为该复合聚光曲面的集光面；DFOC复合聚光曲线作为该复合聚光器的端面。生成的该复合聚光器技术参数为：集光面：5x200=1000cm ² ，最大有效采光面：3800 cm ² ，聚光比为3.8倍，全反射临界角47°，单个复合聚光器几何尺寸：开口高度10cm，宽约20cm，长200cm，在完全固定情况下可全年采集入射阳光。将多个聚光器例如4个并联，并调整每个复合聚光器采光平面与坡平面夹角为14°，即光轴（y轴）与地平面夹角为36°，组成一个平面方阵式复合聚光器阵列，其厚度约15cm，冬至时节太阳入射光线与光轴平行，其采光效果较佳。

实施例3

图8为本发明可调节免跟踪条件下应用于向阳垂直墙面的复合聚光曲线及聚光器的端面图。应用要求：一是可调节免跟踪，一年调节2次。二是安放场地为向阳垂直墙面。三是不得影响墙面景观，要求方阵式复合器阵列的厚度不超过10cm。四是应用地为北纬30.5°。依据应用要求，选定本发明免跟踪复合聚光曲线技术参数：抛物线焦距F=100mm，聚光比X/F=3倍，全反射临界角33.7°，在调节二次的情况下，可全年采集入射阳光。

本实施例是通过以下技术方案实施的：

依据抛方程Y=X ² /4F=X ² /400在一个象区作焦距为100MM抛物线曲线坐标图，在X轴上确定3倍聚光比的X值点，在抛物线曲线上确定与X值点对应的C点。以C点为截点，在抛物线曲线上截取OC曲线段。以抛物线段的焦线FO中心D为圆心，以焦线OF长度的一半为半径，作半个正圆曲线，交焦点于F，交抛物线曲线段OC于O。生成的DFOC复合曲线即为本实施例的免跟踪复合聚光曲线。以该复合聚光曲线所在平面为端面，沿该端面垂直方向平行移动任意长度并截取，本实施例为截取2米，截取段为该复合聚光曲线生成的复合聚光器，FOC复合曲线平移所得曲面，为复合聚光器单体的聚光曲面，DF直线平移所得平面为复合聚光曲面的集光面。复合聚光曲线作为该复合聚光器的端截面。

生成的复合聚光器的技术参数：采光面积为6450cm ² ,集光面积为1000 cm ² ,最大有效采光面积6000 cm ² ,最大有效采光比为0.93。聚光比=6倍，全反射临界角33.7度。单个复合聚光器几何尺寸：厚度约10cm，长度2米，宽度30cm。将以上多个复合聚光器例如3个并联，组成一个平面方阵式聚光器阵列，其几何尺寸为：长度2米，宽度约1米，厚度约10cm采光面积约2㎡。

冬至季节，方阵式复合聚光器平面与墙面平行，其聚光器单体的光轴与入射光线接近平行，处于较佳采光状态。最大可调节角选定15度，每年春分，秋分各调节一次，可全年较好的采集入射阳光。

本发明并不局限于上述实施方式和实施例中，还可以对本发明作出各种修饰和变更，在不脱离本发明宗旨和范围之内的内容及其等同物均落入所附权利要求书的保护范围之中。

Claims

1.一种CDC免跟踪太阳能复合聚光器，其特征在于，由半个抛物线和半个正圆曲线复合生成复合聚光曲线，将所述生成的复合聚光曲线作为该复合聚光器的端截面，沿该面垂直方向平行移动任意长度并截取，将截取段作为该复合聚光曲线生成的免跟踪太阳能复合聚光器，其中，截取的端截面为该聚光器的端面，将复合曲线段平行移动形成的曲面作为聚光器的复合聚光曲面，将直线段平行移动生成的平面作为复合聚光曲面的集光面。

2.如权利要求1所述CDC免跟踪太阳能复合聚光器，其特征在于，所述免跟踪太阳能复合聚光曲线，如下生成：依据实际应用要求，选择确定的抛物线曲线焦距F，聚光比X/F，根据Y=X²/4F抛物线方程，在一个象区作焦距为F的抛物线曲线坐标图，在X轴上确定与聚光比X/F对应的X值点，再在抛物线曲线上确定与X值点对应的C点，以C为截点在抛物线曲线上截取OC曲线段，以截取的OC曲线段的焦线OF中点D为圆心，以1/2焦线为半径作半个正圆曲线，交焦点F和OC曲线于O，生成的DFOC曲线段，即为上述半个抛物线与半个正圆曲线复合成的免跟踪复合聚光曲线，其中，FOC为复合聚光曲线，DF为该曲线的集光焦线。

3.如权利要求1所述CDC免跟踪太阳能复合聚光器，其特征在于，根据应用要求，选择抛物线曲线焦距、聚光比，以生成不同聚光效果的复合聚光器。

4.如权利要求1所述CDC免跟踪太阳能复合聚光器，其特征在于，组成复合聚光曲线的所述半个抛物线曲线的焦距等于所述半个正圆曲线的直径，并重合。

5.如权利要求2所述CDC免跟踪太阳能复合聚光器，其特征在于，以上述复合聚光曲线为端平面构成上述免跟踪复合聚光器，其中，将生成的复合聚光曲线DFOC作为端平面，沿其垂直方向平行移动任意长度，按需要截取，其截取段构成该复合聚光曲线生成的免跟踪复合聚光器，复合曲线FOC平行移动所得曲面为该聚光器的聚光反射面，DF平行移动所得平面为聚光器的集光面。

6.将若干个如权利要求1~5任一项所述CDC免跟踪太阳能复合聚光器并联或串联，组合成方阵式复合聚光器阵列。

7.如权利要求6所述复合聚光器阵列，其特征在于，复合聚光器并联或串联个数，按该复合聚光器的有效采光面积而定，在有效采光面积较大时，一个复合聚光器即构成一个该聚光器阵列，在有效采光面积较小时，并联或串联多个上述复合聚光器组成该复合聚光器阵列。

8.如权利要求6所述复合聚光器阵列，其特征在于，上述复合聚光器阵列可大面积连片并联或串联装配，组成免跟踪太阳能工程供热、光电系统。

9.如权利要求8所述复合聚光器阵列，其特征在于，并联可提供低中温热源，用于集中供热；串联可提供中、高温热源，用于太阳能制冷和热发电。