CN103604223A - 一种折射式太阳能二次聚集器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种折射式太阳能二次聚集器，其特征在于，包括球缺部分、聚集段、传输段以及提取段，光线自球缺的弧形表面进入聚集段，集聚段的截面几何形状为梯形，梯形长底边为球缺的光斑半径，梯形短底边平行延伸，成形为传输段，传输段延伸并收缩，成形为锥形的提取段；球缺部分将入射太阳光通过折射进入聚集段；聚集段对入射的太阳光进行传输聚集；传输段通过壁面反射将聚集太阳光向前传输；提取段将聚集太阳光投射到吸热器壁面，完成光热转换。本发明通过折射方式对入射太阳光进行再次聚集、并控制输出到吸热器壁面，聚光比适中、耐高温以及输出太阳能流密度分布可控的折射式太阳能二次聚集器，提高太阳能的高温热转换效率和使用寿命。

Description

一种折射式太阳能二次聚集器

技术领域

本发明属于太阳能技术应用领域，具体的说，本发明涉及一种通过折射对一次聚集器汇聚的太阳光再次聚集的折射式太阳能二次聚集器。

背景技术

太阳能高温热转换热能效率高，是开发利用太阳能资源的重要技术途径。由于几何结构、各类光学误差等原因，一次高倍聚集器的实际聚光比并不大，影响太阳能的转换温度和效率，制约了太阳能的开发利用价值。采用二次聚集器、对经一次聚集器汇聚的太阳光束再次聚集，实现太阳光的两次聚集（两次聚集的聚光比是一次聚光比和二次聚光比的乘积），是实现太阳能高温高效热转换的关键。

在中华人民共和国国家知识产权局网站上，查到与本发明相关的专利4项，具体信息如下：

(1)帅永;夏新林;谈和平;张晓晨;袁远;王富强.一种具有光学窗口的腔体式太阳能吸热器.申请（专利）号：200910310370.4

该专利特点：它涉及太阳能技术领域，它的目的是为了解决现有太阳能吸热器吸收的太阳能辐射热流分布不均匀，导致吸热器局部温度过高且容易发生烧穿的问题，它包括吸热器和吸热管，并且吸热管按照吸热器的内腔体形状盘在吸热器的内壁上，吸热器的内腔形状为半球形，它还包括上凸式光学玻璃体和护板，所述吸热器为空腔体，护板为环形，护板固定在吸热器入口上，上凸式光学玻璃体设置在护板上，上凸式光学玻璃体面向吸热器的入口面为凸面，背向吸热器的入口面为平面。具体结构如图1所示。

(2)龙新峰;毛青松.含内凹玻璃罩的球形腔式太阳能吸热器.申请（专利）号：201110255144.8

该专利特点：本腔式吸热器是采用内凹玻璃罩的开口式球形吸热器，既具有开口式腔式吸热器捕获光线的能力，又具有腔口带玻璃窗的腔式吸热器低热损的特点。同时本腔式吸热器具有反光式挡风板，能增强对偏离光线的捕捉，减少内壁热辐射和外部自然风引起的对流传热损失。本腔式吸热器的内外壳间含有真空层，能有效降低通过壳体损失的热量。具体结构如图2所示。

(3)黄国平;洪树立;夏晨;傅鑫;康剑雄.一种基于光热吸收锥构型的高效太阳能吸热器.申请（专利）号：201310041996.6

该专利特点：本发明涉及一种基于光热吸收锥构型的太阳能吸热器，包括密封盖、绝热管套、气流管道、吸热体、玻璃罩和吸热体紧固件，其特征是吸热体为棱台型结构，各平面可分开制造；每一平面均为光热吸收锥板，表面分布由多个尖锐棱锥，由高导热多孔疏松材料制成；玻璃罩为圆台形；所述的密封盖、吸热体、玻璃罩形成闭式容腔，空气通过密封盖的进气孔进入容腔，再经过多孔介质光热吸收锥板被加热而带走太阳能，最后沿着气流管道由吸热器出口端流出。优点：改善现有的吸热器存在吸热效率低、加工困难、内部流动损失大等问题。能够单独使用，也能通过接口互相组合使用；主要适用于太阳能热电转换系统，确保其能高效运行。具体结构如图3所示。

(4)王富强;林日亿;李夏赟等.一种底面为曲面半球体的腔体式太阳能吸热器.申请（专利）号：201220612985.X

该专利特点：一种底面为曲面半球体的腔体式太阳能吸热器，本实用新型涉及一种太阳能吸热器。本实用新型为了解决金属管盘绕过程中无法布满整个底面的问题，以及吸热器存在光学损失的问题。吸热器壳体的底部为曲面半球体，吸热器侧面段螺旋盘管缠绕在吸热器壳体的侧面内壁上，吸热器底面段螺旋盘管缠绕在吸热器壳体的底面上，吸热器侧面段螺旋盘管与吸热器底面段螺旋盘管连通，吸热器壳体的外表面上设置有石英棉保温层，工作介质进口管穿设在石英棉保温层内，且工作介质进口管与吸热器侧面段螺旋盘管的进口端连通，工作介质出口管穿设在石英棉保温层内，且工作介质出口管与吸热器侧面段螺旋盘管的出口端连通。具体结构如图4所示。

分析上述已有专利可发现，它们主要通过设计吸热器的几何结构来改善聚集太阳能流密度分析，效果有限。

发明内容

针对目前3D CPC（三维复合抛物面聚集器）二次聚集器聚光比小，需要设计复杂的冷却系统的不足，本发明提出一种聚光比适中，输出聚集太阳能流密度分布可控的耐高温折射式二次聚集器。

本发明提供的技术方案是：一种折射式太阳能二次聚集器，包括球缺部分、聚集段、传输段以及提取段，光线自球缺的弧形表面进入聚集段，集聚段的截面几何形状为梯形，梯形长底边为球缺的光斑半径，梯形短底边平行延伸，成形为传输段，传输段延伸并收缩，成形为锥形的提取段；球缺部分将入射太阳光通过折射进入聚集段；聚集段对入射的太阳光进行传输聚集；传输段通过壁面反射将聚集太阳光向前传输；提取段将聚集太阳光投射到吸热器壁面，完成光热转换。

所述的传输段以及提取段伸入到吸热器内部。

所述的吸热器为半椭圆球形的空腔体，该空腔体具有一开口，所述的传输段以及提取段通过开口伸入到吸热器内部。

所述球缺的半径R_s＝D₁/(2sinθ)，其中D1为球缺的光斑半径，θ为球缺的弧形表面的中心角的一半。

聚集段高度 $h_1=D_1\frac{\left({\sin \mathrm{\μ}}_1\right)\left(\sin {\mathrm{\μ}}_2\right)}{\sin ({\mathrm{\μ}}_1+{\mathrm{\μ}}_2)},$

式中，

其中，φ为球缺的最大方向角，n是原材料的折射率，θ为球缺的弧形表面的中心角的一半。

传输段直径D₂＝D₁-2h₁tanμ₃，

式中，

其中，D1为球缺的光斑半径，h1为聚集段高度，n是原材料的折射率，θ为球缺的弧形表面的中心角的一半。

传输段高度h2和提取段高度h3的设计参数没有严格的定义，具体取值根据经验而定。研究表明，h2取值越小，太阳光的传输效率越高，但能流在吸热器壁面上的分布较差，反之亦然。为保证具有较好的传输效率和能流分布性能，一般取传输段高度h2=2～3D2，提取段高度h3=3～5D2，其中，D2为传输段直径。

本发明的有益效果是：

本发明通过结构设计，提出一种通过折射方式对入射太阳光进行再次聚集、并控制输出到吸热器壁面聚集太阳能流密度分布的二次聚集器。聚光比适中、耐高温以及输出太阳能流密度分布可控的折射式太阳能二次聚集器，提高太阳能的高温热转换效率和使用寿命。具体优点如下：

(1)聚光比高，本发明的折射式二次聚集器聚光比为6～8，是3DCPC聚光比（～2-3）的3倍左右。

(2)输出聚集太阳能密度分布可控，通过调节传输段与提取段的长度比例，可以控制输出到吸热器壁面的聚集太阳能密度分布，有益于提高太阳能的高温热转换效率。

(3)通过采用耐高温材料如蓝宝石制成的折射式二次聚集器，工作温度高，不需要冷却结构，系统结构简单，使用寿命长。

附图说明

当结合附图考虑时，通过参照下面的详细描述，能够更完整更好地理解本发明以及容易得知其中许多伴随的优点，但此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定，其中：

图1、图2、图3、图4为背景技术介绍结构示意图；

图5为本发明的RSC剖面结构示意图；

图6为本发明的RSC几何结构示意图；

图7为单碟聚集器和RSC组成的两级太阳能聚集器示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图5所示出的，为提高折射式二次聚集器（RSC：RefractiveSecondary Concentrator）的高温力学性能，一般整块原材料打磨加工一体化成形（实心结构），原材料一般是耐高温、太阳光透过率高的蓝宝石、石英等。根据各部分功能不同可划分为球缺部分1、聚集段2、传输段3和提取段4，光线自球缺1的弧形表面进入聚集段2，集聚段2的截面几何形状为梯形，梯形长底边为球缺1的光斑半径D1，梯形短底边D2平行延伸，成形为传输段3，传输段3延伸并收缩，成形为锥形的提取段4；球缺部分1将入射太阳光通过折射进入聚集段2；聚集段2对入射的太阳光进行传输聚集；传输段3通过壁面反射将聚集太阳光向前传输；提取段4将聚集太阳光投射到吸热器壁面，完成光热转换。传输段2以及提取段3伸入到吸热器5内部。吸热器5为半椭圆球形的空腔体，该空腔体具有一开口，传输段3以及提取段4通过开口伸入到吸热器内部。

RSC的几何结构主要由入射太阳能流的光斑半径D1和最大方向角φ决定，如图6所示。根据几何光学原理，RSC各结构尺寸表达如下：确定球缺的光斑半径D1（球缺弧形表面上下端点的直线距离）和最大方向角φ（一次聚集器反射后的入射太阳光的最大方向角），球缺中心角的一半为θ（一般比φ大10°左右）。

（1）球缺的半径Rs

R_s＝D₁/(2sinθ)                           (1-1)

（2）聚集段高度h1为

$h_1=D_1\frac{\left({\sin \mathrm{\μ}}_1\right)\left({\sin \mathrm{\μ}}_2\right)}{\sin ({\mathrm{\μ}}_1+{\mathrm{\μ}}_2)}---(1-2)$

式中，

其中，n是原材料的折射率。

（3）传输段直径D2

D₂＝D₁-2h₁tanμ₃                        (1-3)

式中，

（4）传输段高度h2和提取段高度h3

传输段高度h2和提取段高度h3的设计参数没有严格的定义，具体取值根据经验而定。研究表明，h2取值越小，太阳光的传输效率越高，但能流在吸热器壁面上的分布较差，反之亦然。为保证具有较好的传输效率和能流分布性能，一般取

h2=2～3D2                                         （1-4）

h3=3～5D2                      （1-5）

式中，D2是传输段直径，由式(1-3)计算。

上述参数组成RSC的所有设计参数。

以单碟聚集器和RSC组成的两级太阳能聚集器为例，说明RSC设计实施过程。如图7所示。RSC的球缺布置在单碟聚集器的焦平面上。入射到RSC球缺表面上的太阳光，被RSC折射进入RSC聚集段内，通过反射，由传输段和提取段最后进入吸热器壁面。

已知该单碟聚集器的焦距为f，边缘角为φ（即图6中的入射太阳光最大方向角），通过计算，单碟聚集器的聚集太阳光光斑半径约为D0。

则RSC设计参数可取：D1=D0，θ=φ+10°。RSC的其它设计参数可以根据式(1-1)～(1-5)计算获得。

以上实例的说明只是用于帮助理解本发明的核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (7)

1.一种折射式太阳能二次聚集器，其特征在于，包括球缺部分、聚集段、传输段以及提取段，光线自球缺的弧形表面进入聚集段，集聚段的截面几何形状为梯形，梯形长底边为球缺的光斑半径，梯形短底边平行延伸，成形为传输段，传输段延伸并收缩，成形为锥形的提取段；球缺部分将入射太阳光通过折射进入聚集段；聚集段对入射的太阳光进行传输聚集；传输段通过壁面反射将聚集太阳光向前传输；提取段将聚集太阳光投射到吸热器壁面，完成光热转换。

2.根据权利要求1所述的一种折射式太阳能二次聚集器，其特征在于，所述的传输段以及提取段伸入到吸热器内部。

3.根据权利要求2所述的一种折射式太阳能二次聚集器，其特征在于，所述的吸热器为半椭圆球形的空腔体，该空腔体具有一开口，所述的传输段以及提取段通过开口伸入到吸热器内部。

4.根据权利要求1所述的一种折射式太阳能二次聚集器，其特征在于，所述球缺的半径R_s＝D₁/(2sinθ)，其中D1为球缺的光斑半径，θ为球缺的弧形表面的中心角的一半。

5.根据权利要求1所述的一种折射式太阳能二次聚集器，其特征在于，聚集段高度 $h_1=D_1\frac{\left({\sin \mathrm{\μ}}_1\right)\left({\sin \mathrm{\μ}}_2\right)}{\sin ({\mathrm{\μ}}_1+{\mathrm{\μ}}_2)},$

式中，

其中，φ为球缺的最大方向角，n是原材料的折射率，θ为球缺的弧形表面的中心角的一半。

6.根据权利要求1所述的一种折射式太阳能二次聚集器，其特征在于，传输段直径D₂＝D₁-2h₁tanμ₃，

式中，

其中，D1为球缺的光斑半径，h1为聚集段高度，n是原材料的折射率，θ为球缺的弧形表面的中心角的一半。

7.根据权利要求1所述的一种折射式太阳能二次聚集器，其特征在于，传输段高度h2=2～3D2，提取段高度h3=3～5D2，其中，D2为传输段直径。

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