CN104143954B - 一种适用于太阳能光伏和光热的免跟踪式聚光器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于太阳能光伏和光热的免跟踪式聚光器，包括入射面、反射面和出射面，所述入射面与出射面处于同一平面上，且入射面的表面积大于出射面的表面积，所述反射面为多面体，所述入射面、反射面、出射面以及两个互相平行且大小相同的面合围成柱体结构，在所述柱体结构内充满透明物质，在出射面上面设置有太阳能接收设备，可以为双面光伏设备，亦可为真空管式太阳能热水设备，所述太阳能接收设备的背光面与出射面相对，所述太阳能接收设备的向光面接收太阳直射和散射。本发明不仅能接受来自聚光器聚集的太阳能，还能接收到太阳的直接辐射和散射辐射，大大增加单位面积上太阳能的利用率。

Description

一种适用于太阳能光伏和光热的免跟踪式聚光器

技术领域

本发明涉及太阳能聚光利用技术领域，特别是涉及一种适用于太阳能光伏和光热的免跟踪式聚光器。

背景技术

太阳能聚光器通过将大面积上的低能量密度的太阳光汇聚到小面积上，一方面提高了太阳光能量密度，是光热、聚光光伏利用必不可少的前提，另一方面使用相对便宜的聚光器代替昂贵的光伏电池，降低了光伏发电的成本。

太阳能聚光器经过几十年的发展，形成了以下一些典型结构的聚光器，高倍聚光器包括有抛物槽式、塔式、碟式、线性菲涅尔式等。低倍聚光器包括有菲涅尔透镜、凸面透镜、V型聚光器、复合抛物面聚光器(CPC)、楔形聚光器等。上述大部分典型的聚光器往往需要与跟踪系统相结合使用，大大增加了太阳能利用的成本，因而免跟踪静态聚光器的应用就将大大降低了太阳能利用的成本。

免跟踪静态聚光器具有以下一些优点：接收角宽，不需要跟踪太阳，没有运动的机械部件，简单可靠，是聚光太阳能利用的重要发展方向。其中楔形聚光器结构简单，它是利用透镜材料的折射及全反射的聚光原理，由于透镜材料的折射率大于1，所以光线在经历透镜时会发生折射现象，同时，当光线从光密介质到达光疏介质时，如果入射角大于临界角，则光线在光密介质与光疏介质交界面上会发生全反射作用，利用全反射作用可以避免反射损失，提高光学效率。并且楔形聚光器接收角比较大，可以接收到全天的太阳辐射。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种适用于太阳能光伏和光热的免跟踪式聚光器，不仅能接收来自聚光器聚集的太阳能，还能接收到太阳的直接辐射和散射辐射，大大增加单位面积上太阳能的利用率。

技术方案：为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种适用于太阳能光伏和光热的免跟踪式聚光器，包括入射面、反射面和出射面，所述入射面与出射面处于同一平面上，且入射面的表面积大于出射面的表面积，所述反射面为多面体，所述入射面、反射面、出射面以及两个互相平行且大小相同的面合围成柱体结构，在所述柱体结构内充满透明物质。通过本发明聚光器对光线的折射及全反射应用，不仅能接收来自聚光器聚集的太阳能，还能接收到太阳的直接辐射和散射辐射，大大增加单位面积上太阳能的利用率。

更进一步的，所述反射面包括直线反射面、抛物线反射面和圆弧反射面，所述直线反射面沿柱体母线方向的投影为直线，所述抛物线反射面沿柱体母线方向的投影为抛物线，所述圆弧反射面沿柱体母线方向的投影为圆弧，所述入射面、直线反射面、抛物线反射面、圆弧反射面和出射面依次首尾连接合围成柱体状结构的侧面。

更进一步的，所述直线反射面与抛物线反射面切线连接，所述抛物线反射面与圆弧反射面切线连接。所述抛物线反射面沿柱体母线方向投影的抛物线的焦点位于入射面和出射面的连接线上。所述圆弧反射面沿柱体母线方向的投影的圆弧的圆心位于入射面和出射面的连接线上。

更进一步的，所述柱体结构的聚光器入射面接收光线入射角θ为：其中为聚光器所在地纬度，δ为太阳直射纬度，即赤纬角，在-23.45°与+23.45°范围内变化。在无需跟踪的情况下，接收并聚集入射到聚光器上表面的一天当中各时段的光，以及接收并聚集入射到聚光器上全年绝大多数时段的光。

更进一步的，所述柱体结构内充满透明物质为玻璃或者塑料。所述反射面通过镀反射膜或者增设反射镜构成。在出射面上面设置有太阳能接收设备，所述太阳能接收设备的背光面与出射面相对，所述太阳能接收设备的向光面接收太阳直射和散射，所述太阳能接收设备为双面光伏设备或真空管式太阳能热水设备。

有益效果：本发明的的优点：

1、本发明被定位的聚光器不仅能提供一定聚光比的太阳能，在无需跟踪的情况下，接收并聚集入射到聚光器上表面的一天当中各时段的光，以及接收并聚集入射到聚光器上全年绝大多数时段的光。

2、本发明不仅能接收来自聚光器聚集的太阳能，还能接收到太阳的直接辐射和散射辐射，大大增加单位面积上太阳能的利用率。

附图说明

附图1为本发明聚光器的剖面示意图。

附图2为本发明聚光器的部分光路示意图。

附图3为本发明聚光器的立体结构示意图。

附图4为本发明聚光器出射面上设置双面光伏设备的结构示意图。

附图5为本发明聚光器阵列排布的结构示意图。

附图6为本发明聚光器出射面上设置真空管式太阳能热水器的结构示意图。

具体实施方式

下面结合各附图对本发明作更进一步的说明。

如附图3所示，一种适用于太阳能光伏和光热的新型免跟踪式聚光器，包括入射面1、反射面2和出射面3，所述入射面1与出射面3处于同一平面上，且入射面1的表面积大于出射面3的表面积，所述反射面2为多面体，所述入射面1、反射面2、出射面3以及两个互相平行且大小相同的面合围成柱体结构，在所述柱体结构内充满透明物质，所述柱体结构内充满透明物质为玻璃或者塑料。在出射面3上面设置有太阳能接收设备，所述太阳能接收设备的背光面与出射面3相对，所述太阳能接收设备的向光面接收太阳直射和散射，所述太阳能接收设备为双面光伏设备9或真空管式太阳能热水设备10。其中，所述反射面2包括直线反射面5、抛物线反射面6和圆弧反射面7，所述直线反射面5沿柱体母线方向的投影为直线，所述抛物线反射面6沿柱体母线方向的投影为抛物线，所述圆弧反射面7沿柱体母线方向的投影为圆弧，所述入射面1、直线反射面5、抛物线反射面6、圆弧反射面7和出射面3依次首尾连接合围成柱体状结构的侧面。所述反射面2通过镀反射膜或者增设反射镜构成。

本发明中更进一步的，所述直线反射面5与抛物线反射面6切线连接，所述抛物线反射面6与圆弧反射面7切线连接，所述抛物线反射面6沿柱体母线方向投影的抛物线的焦点位于入射面1和出射面3的连接线上。所述圆弧反射面7沿柱体母线方向的投影的圆弧的圆心位于入射面1和出射面3的连接线上。在聚光器的结构满足上述进一步的条件时，本发明聚光器的结构可以使得太阳光的利用率更进一步。

结合附图2所示，为本发明光线入射到聚光器的若干种情况，经过入射面1折射到该直线反射面5上的光线经过反射后可能到达入射面1，在入射面1与空气的交界面处会发生全发射，可参照附图2中的光线④，全反射到抛物线反射面6光线可能直接反射到达出射面3，可参照附图2中的光线①②，也可能反射到圆弧反射面7，在圆弧反射面7上再次被反射，最后再次到达出射面3，可参照附图2中的光线④。圆弧反射面7是将光线指引到出射面3的关键，圆弧反射面7与出射面3相接，经过入射面1直接折射到圆弧反射面7上的所有光线经反射后直接到达出射面3，可参照附图2中的光线③④。

本发明在具体制作聚光器时会涉及到以下相关计算过程：如附图1所示的数学关系，设本发明聚光器底边的直线反射面5、抛物线反射面6和圆弧反射面7的剖面线分别为直线b、抛物线c和圆弧e，入射面1和出射面3的剖面线分别为顶边a和f，所述抛物线c与直线b相切，抛物线c的焦点o是两顶边a与f的交点，所述圆弧e与抛物线c相切，圆弧e的圆心o也是两顶边a与f的交点，圆弧e的半径长度既是顶边f的长度，也同样是抛物线的焦点o到抛物线c的最短距离，即d的长度。其中β为所述入射面1与直线反射面5之间的夹角，θ为柱体结构的聚光器入射面1接收光线入射角，也是临界入射角。附图1中阴影范围为聚光器可接收到的光线入射角范围[θ,90°)。θ₁为折射角，θ₂与θ₃为反射面2上的入射角和反射角，a、b、c、e、f为聚光器剖面的合围边线，虚线为辅助线，h、i、j为一条光线光路，图中的光线j刚好发生全发射，到达出射面3的左侧端点。

由几何关系有：β＝θ₄，θ₂＝θ₁+θ₄＝θ₁+β，θ₂＝θ₃，sinθ＝n·sinθ₁(n为柱体结构内充满透明物质的折射率，设空气的折射率为1)，θ₅＝θ₃+θ₄＝2β+θ₁，于是有最后得到所以顶角β只由接收角θ与透明材料的折射率n确定。

聚光器的几何聚光比C为：其中f＝d。

设抛物线c的方程为：x²＝2py，则于是j·(1+cosθ₆)＝p。

其中θ₆＝θ₂+θ₃＝2(β+θ₁)。

即可得到

由于α＝j·simθ₅+j·sinθ₅·cotβ

所以

式这个几何聚光比的定义对于聚光器而言有一定的适用范围，当临界入射角θ＞0时，入射光线不能垂直入射面入射而被接收，故有必要按照临界入射角的范围将几何聚光比重新定义：

即θ＞0时，

为了使得本发明聚光器被定位在白天接收并聚集入射到聚光器上的各时段的光，而无需跟踪，以及被定位在常年接收并聚集入射到聚光器上绝大多数时段的光，而无需跟踪。在这种情况下，聚光器入射面1接收光线入射角θ为：其中为聚光器所在地纬度，δ为太阳直射纬度，即赤纬角，在-23.45°与+23.45°范围内变化，且在北半球入射面朝南水平放置。

如图5所示，可以将多个单体聚光器前后拼接组合，共同形成聚光器光伏阵列，某个聚光器入射面1的端面被平铺成与相邻聚光器出射面3端面邻接，各单体聚光器的入射面1齐平，可通过粘接方式将各聚光器拼接在一起。

如图4所示，所述太阳能接收设备为双面光伏设备9，大大增加单位面积上太阳能的利用率。如图6所示，所述太阳能接收设备为真空管式太阳能热水设备10，可将本发明中的聚光器与真空管式太阳能热水设备10结合，光学耦合在聚光器出射面3上部的真空集热管不仅能获得太阳的直接辐射，还将能接收到聚光器聚集透射出的太阳能，与传统真空管式太阳能热水器相比，这将大大增加了集热管的采光面积，提高了单位接收器面积上太阳能的利用率。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种适用于太阳能光伏和光热的免跟踪式聚光器，其特征在于：包括入射面(1)、反射面(2)和出射面(3)，所述入射面(1)与出射面(3)处于同一平面上，且入射面(1)的表面积大于出射面(3)的表面积，所述反射面(2)为多面体，所述入射面(1)、反射面(2)、出射面(3)以及两个互相平行且大小相同的面合围成柱体结构，在所述柱体结构内充满透明物质；

所述反射面(2)包括直线反射面(5)、抛物线反射面(6)和圆弧反射面(7)，所述直线反射面(5)沿柱体母线方向的投影为直线，所述抛物线反射面(6)沿柱体母线方向的投影为抛物线，所述圆弧反射面(7)沿柱体母线方向的投影为圆弧，所述入射面(1)、直线反射面(5)、抛物线反射面(6)、圆弧反射面(7)和出射面(3)依次首尾连接合围成柱体状结构的侧面；

聚光器底边的直线反射面(5)、抛物线反射面(6)和圆弧反射面(7)的剖面线分别为直线b、抛物线c和圆弧e，入射面(1)和出射面(3)的剖面线分别为顶边a和f，所述抛物线c与直线b相切，抛物线c的焦点o是两顶边a与f的交点，所述圆弧e与抛物线c相切，圆弧e的圆心o也是两顶边a与f的交点，圆弧e的半径长度既是顶边f的长度，也同样是抛物线的焦点o到抛物线c的最短距离，即d的长度。

2.根据权利要求1所述一种适用于太阳能光伏和光热的免跟踪式聚光器，其特征在于：所述直线反射面(5)与抛物线反射面(6)切线连接，所述抛物线反射面(6)与圆弧反射面(7)切线连接。

3.根据权利要求2所述一种适用于太阳能光伏和光热的免跟踪式聚光器，其特征在于：所述抛物线反射面(6)沿柱体母线方向投影的抛物线的焦点位于入射面(1)和出射面(3)的连接线上。

4.根据权利要求3所述一种适用于太阳能光伏和光热的免跟踪式聚光器，其特征在于：所述圆弧反射面(7)沿柱体母线方向的投影的圆弧的圆心位于入射面(1)和出射面(3)的连接线上。

5.根据权利要求4所述一种适用于太阳能光伏和光热的免跟踪式聚光器，其特征在于：所述柱体结构的聚光器入射面(1)接收光线入射角θ为：其中为聚光器所在地纬度，δ为太阳直射纬度。

6.根据权利要求1-5任一所述一种适用于太阳能光伏和光热的免跟踪式聚光器，为其特征在于：聚光器首尾拼接设置，在出射面(3)上面设置有太阳能接收设备，所述太阳能接收设备的背光面与出射面(3)相对，所述太阳能接收设备的向光面接收太阳直射和散射，所述太阳能接收设备为双面光伏设备(9)或真空管式太阳能热水设备(10)。

7.根据权利要求1-5任一所述一种适用于太阳能光伏和光热的免跟踪式聚光器，为其特征在于：所述柱体结构内充满透明物质为玻璃或者塑料。

8.根据权利要求1-5任一所述一种适用于太阳能光伏和光热的免跟踪式聚光器，其特征在于：所述反射面(2)通过镀反射膜或者增设反射镜构成。