CN103994586A - 一种高聚光度的复合槽式集热器 - Google Patents

一种高聚光度的复合槽式集热器 Download PDF

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李成贵
刘振华
刘源恭
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Abstract

一种高聚光度的复合槽式集热器，包括开口处与二个渐开面下底相连的抛物面，其特征为：还具有下底分别与抛物面开口处相连的二个渐开面。本发明的集热器能在不跟踪太阳的前提下，在一天内集热器都可接收到太阳光。其中太阳光最强的10点到14点，收聚强度最高，而其它时间也可收到太阳光，但强度略低。虽然比不上跟踪太阳系统的聚热度高，但比单纯的抛物线聚光要好得多。本发明适用于要求聚光度不是很高的太阳能热水供暖系统，有利于在中小城镇及农村居民推广太阳能供暖技术。

Description

一种高聚光度的复合槽式集热器
技术领域
本发明属于太阳能应用技术领域，涉及一种高聚光度的复合槽式集热器，可以用于聚集太阳光能。
背景技术
槽式集热器是太阳能应用于供热系统的重要部件，目前采用的集热器有几种，各有一些缺点。
抛物线聚光集热器应用最为普遍，其聚光原理如图1所示，平行于y1轴（即主光轴O1F）的光线H，投到抛物线P点，过P点作抛物线的切线PM，和法线PN，则H点经P点反射投到抛物线的焦点F。
抛物线上的任何一点都具有上述功能。
但抛物线曲面的应用要求太阳光线始终与主轴平行，而实际上太阳光线从早到晚时刻都在变化，这就要求接收太阳能的接收器时刻跟踪太阳能旋转，需要复杂的机电结构，增加很大的成本。
CPC复合抛物面聚光集热器，发展近40年，但由其内部结构不理想，至今未能大量推广。
SPC半抛物线柱面聚光集热器，也在应用，虽然其受光角稍大，但一天内收发太阳的时间一般只有6个小时，其余时间的太阳能无法利用。
因此设计一种高聚光度，而又不需要跟踪太阳运动的聚光集热器，是大家一直致力研究的方向。
发明内容
 
本发明的目的是设计制造一种高聚光度的复合槽式集热器，以克服现有产品的一些缺陷，如：发展了近40年的CPC复合抛物面聚光集热器，但其内部结构仍不理想；SPC半抛物线柱面聚光集热器有效工作时间较短；抛物线聚光集热器要求跟踪太阳旋转，需要复杂的机电结构，增加很大的成本等缺点。
本发明的目的是这样实现的：一种高聚光度的复合槽式集热器，包括开口处与二个渐开面1下底相连的抛物面2，其特征为：还具有下底分别与抛物面2开口处相连的二个渐开面1。
渐开面1的渐开线基圆半径r、渐开线的展开角θ、抛物面2的抛物线焦距f之间的关系为：
  。
渐开面1的渐开线的展开角θ在1.1—2.8弧度之间。
渐开面1的渐开线的展开角θ取2.0284弧度为最好。    
采取以上措施的本发明的集热器能在不跟踪太阳的前提下，在一天内集热器都可接收到太阳光。其中太阳光最强的10点到14点，收聚强度最高，而其它时间也可收到太阳光，但强度略低。虽然比不上跟踪太阳系统的聚热度高，但比单纯的抛物线聚光要好得多。本发明适用于要求聚光度不是很高的太阳能热水供暖系统，有利于在中小城镇及农村居民推广太阳能供暖技术。
以下再结合附图和实施例对本发明作进一步的详述。
附图说明
附图1是本发明（实施例）的结构示意图；
附图2是抛物线曲面聚光器的原理图；
附图3是渐开线曲面聚光器的原理图；
附图4是本发明由抛物线曲面和渐开线曲面组成的复合式太阳能聚光器原理图。
附图标记说明：渐开面1、抛物面2、底座3、渐开线4、抛物线5、渐开线基圆6。
具体实施方式
本发明主要包括开口处与二个渐开面1下底相连的抛物面2，还具有下底分别与抛物面2开口处相连的二个渐开面1。抛物面2下再连结有用角钢做成的底座3即可构成槽式集热器。本发明的渐开面1和抛物面2用金属片电镀做成。
渐开面1的渐开线基圆半径r、渐开线的展开角θ、抛物面2的抛物线焦距f之间的关系为：
  。
渐开面1的渐开线的展开角θ在1.1—2.8弧度之间。
渐开面1的渐开线的展开角θ取2.0284弧度为最好。    
抛物线曲面聚光器的原理如图2，平行于y1轴（即主光轴O1F）的光线H，投到抛物线P点，过P点作抛物线的切线PM，和法线PN，则H点经P点反射投到抛物线的焦点F。抛物线上的任何一点都具有上述功能。
渐开线曲面聚光器的原理如图4。
渐开线标准方程为，r为基圆的半径，θ为展开角，Q为渐开线上任意一点，RQ是过Q点的渐开线切线，EQ是过Q点的基圆切线，RQ垂直于EQ。依据渐开线的性质，任意方向的太阳光线SQ（Q为任意点）投射到渐开线上，经Q点反射后，都汇聚到原点O11。
由抛物线曲面和渐开线曲面组成的复合式太阳能聚光器原理如图3。复合曲线由抛物线和渐开线组成，底部弧是抛物线，侧面弧和弧分别是两端渐开线，渐开线的基圆圆心O和抛物线的焦点O重合。依据渐开线和抛物线的性质，早晚太阳光小角度倾斜入射渐开线曲面时，光线聚集到基圆圆心O；上午10点到下午14点，太阳光近似平行地入射到抛物线曲面，反射后也聚集到焦点O；这样如果把太阳集光器放置在O点，则一天大部分时间（如早8点至下午18点）的太阳光线全被聚光器吸收，包括直射光和散射光。
实施例
如图3所示，抛物线焦点为O（设为坐标原点），抛物线段弧的标准方程为：
                                （1）
式中，f为抛物线的焦距，即OW。
渐开线基圆半径为r，基圆心取在抛物线的焦点O，θ为渐开线的展开角，渐开线段弧和弧的标准方程为：
                            （2）
为保证集光器的聚光效率，弧、弧和弧要分别在和U处光滑连接（两曲线切线斜率相等），此时渐开面1的渐开线基圆半径r、渐开线的展开角θ、抛物面2的抛物线焦距f之间的关系为：
  。                                      （3）
渐开线的展开角θ为：
θ=2.0284 弧度                                （4）
渐开线顶端和V的确定，要兼顾早、中、晚三时间段太阳光的合理利用，一般可以OV与x轴（即OW）的夹角为120度来确定，V1V与y轴平行。
设抛物线焦距f=400（数值单位根据实际需要自定），由式（3）、（4）得渐开线基圆半径r=219.7。
此时，由式（2）得连接点U的坐标：
渐开线顶端V的确定，以OV与x轴（即OW）的夹角为120度来确定展开角，并代入式（2）计算得：
同理，可确定和的位置。

Claims (4)

1.一种高聚光度的复合槽式集热器，包括开口处与二个渐开面（1）下底相连的抛物面（2），其特征为：还具有下底分别与抛物面（2）开口处相连的二个渐开面（1）。
2.复合槽式集热器，其特征为：渐开面（1）的渐开线基圆半径r、渐开线的展开角θ、抛物面2的抛物线焦距f之间的关系为：
  。
3.复合槽式集热器，其特征为：渐开面（1）的渐开线的展开角θ在1.1—2.8弧度之间。
4.复合槽式集热器，其特征为：渐开面（1）的渐开线的展开角θ取2.0284弧度为最好。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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DE3807605A1 (de) * 1988-03-09 1989-09-21 Fraunhofer Ges Forschung Kollektor-speicher
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