CN102914061A - 横轴式非对称单抛物线复合免跟踪太阳能聚光器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种横轴式非对称单抛物线复合免跟踪太阳能聚光器，包括展开角不相等的渐开线聚光板、单侧抛物线聚光板、圆柱形真空管、反射层、支架、同轴空心座和洗尘孔，所述反射层与所述聚光板钢性连接，所述聚光板与所述支架刚性连接，所述同轴空心座与所述支架钢性连接，所述圆柱形真空管固定在所述同轴空心座的内孔，所述聚光板的底面设有洗尘孔。本发明减少了反光面积，并增大南北方向采光角度，不进行光跟踪就可以全天收集90°高度角范围的太阳光；大幅度提高单位面积的采光效率，降低了产品成本，减少故障率，便于安装和维护。本发明适合于以圆柱形为吸热体的真空管太阳能中低温集热，并可以组成大型太阳能中低温集热阵列。

Description

横轴式非对称单抛物线复合免跟踪太阳能聚光器
技术领域
本发明涉及一种太阳能聚光器，具体涉及一种横轴式非对称单抛物线复合免跟踪太阳能聚光器。
背景技术
众所周知，用在太阳能光热领域的复合抛物线聚光器，是利用渐开线、抛物线、直线等合理组成，用来增大收集太阳光的面积，达到提高转换温度的单元部件。聚光器可以单独使用，也可以组成大型聚光阵列形成聚光系统。图1是这种聚光器的截面形状，它是由一组以真空管吸热圆为基圆的对称的渐开线与一组对称的抛物线组成，对称轴为Yo，F1、F2是渐开线与抛物线的结合点，同时也是抛物线的焦点；F1、F2之间的距离为d1，d1是一组渐开线的底部开口宽度，聚光器上部一组抛物线的开口宽度为d2，高度为h，最大采光半角为θ。图2是这种复合聚光器阵列；由图中可见，真空管多数情况下安装时，真空管轴向沿东西向水平布置，开口朝向太阳光，照射到2θ角度以内的太阳光，经过直射或者反射后，汇聚到到吸热圆上。
使用中发现该复合聚光器存在许多不足之处。如图3、图4中，首先，尽管d2＞d1，当太阳光S实际入射角α大于θ时，经过反射后成为S2逃逸。因此，必须进行光跟踪才能可靠收集阳光。另外即使是在采光角范围内，等效的开口宽度d′小于d2，只是收集了安装宽度L的一部分，单位面积的采光效率较低。三是为避免前后聚光器遮挡光线，两个聚光器前后还要保持一定的距离M，这样更增加了占地面积，增加了支架材料。
发明内容
本发明提供了一种横轴式非对称单抛物线复合免跟踪太阳能聚光器，适合于以圆柱形为吸热体的真空管太阳能聚光集热，形成中低温集热输出，并可以方便的组成大型中低温太阳能集热阵列。与常见聚光器相比，本发明减少反光面积，并增大南北方向采光角度，不进行光跟踪就可以全天收集90°高度角范围的太阳光；大幅度降低了产品成本，减少故障率，便于安装和维修维护。
本发明通过以下技术方案实现：
一种横轴式非对称单抛物线复合免跟踪太阳能聚光器，包括一组展开角不相等的渐开线聚光板、单侧抛物线聚光板、圆柱形真空管、反射层、支架、同轴空心座和洗尘孔；所述反射层与所述聚光板钢性连接，所述聚光板与所述支架刚性连接，所述同轴空心座与所述支架钢性连接，所述圆柱形真空管固定在所述同轴空心座的内孔，所述聚光板的底面设有洗尘孔。
优选的，所述横轴式非对称单抛物线复合免跟踪太阳能聚光器的曲面是由渐开线和单侧抛物线X2=4fY1沿基圆轴向平移所经过的轨迹，是曲线做直线平移形成的曲面，曲面材质为硬质可弯曲材料，表面光滑，最低点开有3到5个直径8mm到12mm的洗尘孔。
优选的，聚光器纵向中轴线沿东西向水平放置，主要适合太阳光高度角的变化，采光角范围为90°，最低采光高度角为安装后抛物线外端点与渐开线外端点的连线与地平线之间的夹角。
优选的，非对称单抛物线复合聚光的聚光器的截面几何基准光轴线是垂直于接点与焦点的直线，基准光轴线与抛物线逆时针方向的夹角为聚光器高度方向采光半角。
优选的， 所述抛物线焦点位于所述渐开线上，所述焦点的展开角ΦA ＜所述渐开线的展开角φa，所述聚光器的最大采光半角βmax ＞所述聚光器高度方向采光半角β。
优选的，所述渐开线的基圆是圆柱形真空管的内圆管，所述渐开线的极坐标方程为：rk= r / cosα；rk是向径，α是压力角；r是所述内圆管外圆半径；其中一支是顺时针展开所得，一支是逆时针展开所得，顺时针展开角度较大，顺时针展开的展开角为φa = π±π/18，逆时针展开角度较小，逆时针展开的展开角为φb = π–ω，其中 0 ＜ω ＜π/4，所述顺时针的展开角大于所述逆时针的展开角，所述聚光板曲面材质为表面光滑的硬质可弯曲材料。
优选的，所述单侧抛物线聚光板的抛物线方程为X2=4fY1，其X轴与渐开线的向径平行，Y1轴与向径垂直，与坐标Y轴有一个夹角，所述聚光板曲面材质为表面光滑的硬质可弯曲材料。
优选的，所述单侧抛物线聚光板是抛物线X2=4fY1以焦点为轴心沿逆时针方向旋转，并与渐开线相接，接点为发生线的外端点，所述抛物线的焦点是接点与基圆圆心连线延长线与渐开线上的相交点，所述接点与所述相交点之间的距离D1和焦距f符合如下公式：f = D1/2( sinβ+ 1)， 所述β为采光半角，且π/6 ＜β＜π/4， D1 =                                                
Figure 76092DEST_PATH_IMAGE001
+ 。
优选的，所述反射层是一种厚度为0.3mm到0.5mm的塑料镜面并附着在所述聚光板上，所述支架和所述同轴空心座是由金属材料制成。
本发明以圆柱形为吸热体的真空管太阳能聚光集热，采用双侧不等展开角的一组不对称渐开线与单侧抛物线非对称结合，与常见聚光器相比，减少聚光器的反光面积，并增大南北方向采光角度，不进行光跟踪就可以全天收集90°高度角范围的太阳光；大幅度降低了产品成本，减少故障率，便于安装和维修维护。
附图说明
图1是常见复合聚光器结构原理图；
图2是常见复合聚光器水平安装布置图；
图3是常见复合聚光器光路分析图；
图4是常见复合聚光器不遮光结构图；
图5是本发明聚光器断面结构图；
图6是本发明渐开线抛物线平移几何结构图；
图7是本发明安装布置结构图；
图8是本发明渐开线几何结构尺寸图；
图9是本发明渐开线与抛物线连接几何结构原理图；
图10是本发明聚光槽采光原理结构图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
如图5所示的横轴式非对称单抛物线复合免跟踪太阳能聚光器，包括一组展开角不相等的渐开线聚光板1、单侧抛物线聚光板2、圆柱形真空管3、反射层4、支架5、同轴空心座6、洗尘孔7、调节杆8等有序组合，其中反射层4与聚光板1和聚光板2钢性连接，聚光板1和聚光板2与支架5刚性连接，同轴空心座6与调节杆8钢性连接，调节杆8与支架5钢性连接，圆柱形真空管3固定在同轴空心座6内孔，聚光板1和聚光板2底部有洗尘孔7。
 如图6所示，渐开线1的方程为rk= r / cosα与抛物线2的方程为X2=4fY1，沿基圆Z轴向平移所经过的轨迹便形成复合聚光曲面。
如图7所示，多个聚光器纵向中轴线沿东西向水平放置，聚光板1和聚光板2有支架5定位，组成中低温太阳能集热阵列，主要适合太阳光高度角的变化，采光角范围为90°。
在图7中，还可以看出，由于聚光器采用单侧抛物线聚光板2，它可以收集上部90°高度角以内的所有入射光并反射到真空管3或者反射到聚光板1；与常见双侧抛物线复合聚光器相比较，减少了一个上半支抛物线聚光板，大幅度减少了材料陈本。
在图7中，还可以看出，抛物线聚光板2在排列时与前面一组聚光器的渐开线聚光板1搭接，没有漏光区间，两个聚光器之间的距离M等于聚光器的开口宽，因此在相同空间具有较大的采光利用率，便于安装。
在图8中，是以真空管内管外直径r为基圆的渐开线几何结构，从图中可见，渐开线的极坐标方程为：rk= r / cosα；rk是向径，α是压力角；其中一支是顺时针展开所得，一支逆时针展开所得，顺时针展开角度较大，展开角在φa = π±π/18范围取值，逆时针展开角度较小，展开角为φb = π–ω，其中 0 ＜ω ＜π/4。图中可见，由于两支渐开线的展开角不相等，相对于以起始点与圆心的连线为Y轴的坐标，不再是对称结构。
在图8中，过渐开线端点B经过基圆圆心0直线与渐开线相交于一点A，几何关系有两点之间直线长度为D1，D1 = D1 =
Figure 393209DEST_PATH_IMAGE001
+
Figure 726101DEST_PATH_IMAGE002
，DI即为聚光器的一次反射开口，入射到抛物线聚光板的光线都会反射到这个区间。
在图9中，选取平行于AB的直线为Xo轴，过A点垂直于AB的直线为Yo轴，以A点为焦点，以f = D1/2( sin β + 1)为焦距，做抛物线，然后以焦点A为轴心，逆时针旋转β角，轴Yo转动到Y1的位置，抛物线与渐开线相交于B点，这样一非对称单抛物线复合曲线就是聚光器的反射层4的几何型线。
在图10中，点抛物线上Kb的位置决定抛物线的弧长，是基于Kb与A的连线与水平线之间的夹角，也是聚光器的最低采光角。使用安装时聚光器的Y1轴向上垂直90°角。
 在图10中，根据边缘点聚光特性，在Kb点SO到S1范围内的入射光都收集到AB开口之内，有的直射到真空管3，有的经过渐开线内的反射层4反射后射到真空管；当入射光在小于S1入射角时，不在经过抛物线聚光板，而是直入热射到AB开口之内。有太阳能的高度一般在90°角范围内，因此聚光器不需要光跟踪即可全天收集太阳光。

Claims (9)

1.一种横轴式非对称单抛物线复合免跟踪太阳能聚光器，其特征在于，包括一组展开角不相等的渐开线聚光板、单侧抛物线聚光板、圆柱形真空管、反射层、支架、同轴空心座和洗尘孔；所述反射层与所述聚光板钢性连接，所述聚光板与所述支架刚性连接，所述同轴空心座与所述支架钢性连接，所述圆柱形真空管固定在所述同轴空心座的内孔，所述聚光板的底面设有洗尘孔。
2.根据权利要求1所述的横轴式非对称单抛物线复合免跟踪太阳能聚光器，其特征在于，所述横轴式非对称单抛物线复合免跟踪太阳能聚光器的曲面是由渐开线和单侧抛物线X2=4fY1沿基圆轴向平移所经过的轨迹。
3.根据权利要求1所述的横轴式非对称单抛物线复合免跟踪太阳能聚光器，其特征在于，聚光器纵向中轴线沿东西向水平放置，采光角范围为90°，最低采光高度角为安装后抛物线外端点与渐开线外端点的连线与地平线之间的夹角。
4.根据权利要求1所述的横轴式非对称单抛物线复合免跟踪太阳能聚光器，其特征在于，非对称单抛物线复合聚光的聚光器的截面几何基准光轴线是垂直于接点与焦点的直线，基准光轴线与抛物线逆时针方向的夹角为聚光器高度方向采光半角。
5.根据权利要求1所述的横轴式非对称单抛物线复合免跟踪太阳能聚光器，其特征在于， 所述抛物线焦点位于所述渐开线上，所述焦点的展开角ΦA ＜所述渐开线的展开角φa，所述聚光器的最大采光半角βmax ＞所述聚光器高度方向采光半角β。
6.根据权利要求1所述的横轴式非对称单抛物线复合免跟踪太阳能聚光器，其特征在于，所述渐开线的基圆是圆柱形真空管的内圆管，所述渐开线的极坐标方程为：rk = r / cosα；rk是向径，α是压力角；r是所述内圆管外圆半径；其中一支是顺时针展开所得，另一支是逆时针展开所得，顺时针展开的展开角为φa = π±π/18，逆时针展开的展开角为φb = π–ω，其中 0 ＜ω ＜π/4，所述顺时针的展开角大于所述逆时针的展开角，所述聚光板曲面材质为表面光滑的硬质可弯曲材料。
7.根据权利要求1所述的横轴式非对称单抛物线复合免跟踪太阳能聚光器，其特征在于，所述单侧抛物线聚光板的抛物线方程为X2=4fY1，其X轴与渐开线的向径平行，Y1轴与向径垂直，与坐标Y轴有一个夹角，所述聚光板曲面材质为表面光滑的硬质可弯曲材料。
8.根据权利要求1所述的横轴式非对称单抛物线复合免跟踪太阳能聚光器，其特征在于，所述单侧抛物线聚光板是抛物线X2=4fY1以焦点为轴心沿逆时针方向旋转，并与渐开线相接，接点为发生线的外端点，所述抛物线的焦点是接点与基圆圆心连线延长线与渐开线上的相交点，所述接点与所述相交点之间的距离D1和焦距f符合如下公式：f = D1/2( sinβ+ 1)， 所述β为采光半角，且π/6 ＜β＜π/4， D1 =                                               
Figure 2012104023874100001DEST_PATH_IMAGE001
+
Figure 2012104023874100001DEST_PATH_IMAGE002
。
9.根据权利要求1所述的横轴式非对称单抛物线复合免跟踪太阳能聚光器，其特征在于，所述反射层是一种厚度为0.3mm到0.5mm的塑料镜面并附着在所述聚光板上，所述支架和所述同轴空心座是由金属材料制成。
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