CN104406312A - 一种透射-反射线性聚光集热器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种透射-反射线性聚光集热器，该集热器包括线聚焦菲涅尔透镜、真空集热管和抛物槽面反射镜，具有单轴光线追踪能力。其中，真空集热管位于线聚焦菲涅尔透镜和抛物槽面反射镜的焦线位置；菲涅尔透镜将近似平行的太阳光中心区域光线汇聚于真空集热管的向阳壁面；抛物槽面反射镜将近似平行的太阳光两侧区域光线汇聚于真空集热管的背阳两侧壁面；真空集热管内传热介质吸收聚焦太阳能，完成升温过程。该太阳能集热器可应用于太阳能光热领域，对于传统槽式集热器中集热管圆周方向热流密度分布不均匀的难题，起到了显著的改善作用，性能优良，成本低廉。

Description

一种透射-反射线性聚光集热器

技术领域

本发明涉及太阳能热发电技术领域，尤其涉及一种透射-反射线性聚光集热器。

背景技术

太阳能作为取之不尽，用之不竭，且清洁无污染的新能源，受到人们越来越广泛的关注。太阳能光热发电按集热形式主要有槽式、塔式和碟式三种，其中槽式太阳能热发电技术最为成熟，国外已实现商业化应用，是近期在世界范围内推进太阳能热发电技术发展的重点方向。

槽式太阳能集热器是槽式热发电系统的核心部件，其将太阳光转化为热的效率会直接影响太阳能热发电系统的热效率和经济性。但由于槽式集热器本身结构特点，集热器工作时仅面向反射镜的一侧受热，而另一侧几乎没有热流。集热管表面的热流密度分布不均匀，导致管壁产生温度梯度，由此产生的热应力会导致吸热管弯曲变形，集热管偏离聚光焦线，引起集热效率下降，更严重时甚至会使集热管外面的玻璃套管破裂，影响整个太阳能热发电系统的安全性。尤其对于具有高聚光比的槽式太阳能集热器及直接产生高温蒸汽的DSG槽式热发电技术，集热管表面温度高达400℃以上，在这种非均匀热流密度条件下，管壁存在较大的换热温差，所产生的热应力不容忽视。

上述问题均已经在国外投入试验运行的太阳能热发电站中有发生，暴露出了当前对高温下太阳能槽式集热器设计方面存在不足，制约了该项技术的大规模商业化的应用。因此改善真空集热管的非均匀热流的工作条件，避免其由于温度梯度产生的热应力所带来的机械变形，成为该领域的急需解决的重要技术问题。

发明内容

(一)要解决的技术问题

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种透射-反射线性聚光集热器，通过在真空集热管向阳壁面布置菲涅尔透镜，实现集热管周向的热流密度分布均匀，从而解决目前非均匀热流工作条件下，热应力导致集热管机械变形，集热效率下降等技术难题。

(二)技术方案

为达到上述目的，本发明提供了一种透射-反射线性聚光集热器，其特征在于，该集热器包括线聚焦菲涅尔透镜1、真空集热管2和抛物槽面反射镜3，其中：真空集热管2位于线聚焦菲涅尔透镜1和抛物槽面反射镜3的焦线位置，菲涅尔透镜1将集热器中心区域近似平行的太阳光汇聚于真空集热管2周向的向阳壁面，抛物槽面反射镜3将集热器两侧区域近似平行的太阳光汇聚于真空集热管2周向的背阳两侧壁面，进而缓解周向受热不均带来的集热管疲劳变形。

上述方案中，所述真空集热管2位于线聚焦菲涅尔透镜1和抛物槽面反射镜3的焦线位置，能够保证近似平行的太阳光线被聚焦后，光斑准确落在真空集热管2上，真空集热管2内部传热介质吸收聚焦太阳能，完成升温过程。

上述方案中，该集热器具有单轴光线追踪能力。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：

1、利用本发明，可实现真空集热管周向热流密度分布均匀化，避免了非均匀热流密度下由于温度梯度产生热应力，导致集热管弯曲变形，甚至结构破坏的后果。

2、利用本发明，原有抛物面反射镜被替换成两片较小的反射镜面与一片菲涅尔透镜的光学组合形式，由于两片镜面间及透镜与镜面间均存在间隔，与传统抛物槽式集热器相比可显著减小风阻，进而节省支架及基础用料，降低成本。

3、利用本发明，菲涅尔透镜是多由聚烯烃材料注压而成的薄片，镜身轻薄。用菲涅尔透镜作为聚光装置，替代部分抛物槽面反射镜，可降低太阳能集热器对支撑结构的强度要求，节省支架的钢用量，从而节约成本，提高槽式太阳能热发电的经济性。

4、利用本发明，菲涅尔透镜具有加工便捷，可批量生产，价格便宜等优点，在现代工业中早已被广泛应用。用菲涅尔透镜作为聚光装置，替代部分抛物槽面反射镜，可降低太阳能集热器自身造价，提高槽式太阳能热发电的经济性。

5、利用本发明，可根据实际集热需求变化，重新对菲涅尔透镜结构设计，从而通过只更换菲涅尔透镜的方式调整集热器的聚光比，易于对集热器进行改造。

附图说明

图1为依照本发明实施例的透射-反射线性聚光集热器的示意图；

其中附图标记为：1-线聚焦菲涅尔透镜；2-真空集热管；3-抛物槽面反射镜。

图2为传统槽式集热器中真空集热管背阳壁面接收太阳光照射的示意图，其中，传统槽式集热器的抛物槽面反射镜将其汇聚的太阳光线反射到真空集热管背阳壁面；

图3为依照本发明实施例的透射-反射线性聚光集热器中真空集热管周向的向阳壁面及两侧背阳壁面接收太阳光照射的示意图，其中，该透射-反射线性聚光集热器中的抛物槽面反射镜将其汇聚的太阳光线反射到真空集热管周向的两侧的背阳壁面；

图4及图5为依照本发明实施例的安装透射-反射线性聚光集热器的示意图，其中，图4是将抛物线顶点的纵向延长线作为透射-反射线性聚光集热器的固定轴，图5是将真空集热管中轴线作为透射-反射线性聚光集热器的固定轴。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

如图1所示，本发明提供的透射-反射线性聚光集热器，包括线聚焦菲涅尔透镜1、真空集热管2和抛物槽面反射镜3，其中真空集热管2位于线聚焦菲涅尔透镜1和抛物槽面反射镜3的焦线位置，菲涅尔透镜1将集热器中心区域近似平行的太阳光汇聚于真空集热管2周向的向阳壁面，抛物槽面反射镜3将集热器两侧区域近似平行的太阳光汇聚于真空集热管2周向的背阳两侧壁面，进而能够缓解周向受热不均带来的集热管疲劳变形。

真空集热管2位于线聚焦菲涅尔透镜1和抛物槽面反射镜3的焦线位置，保证近似平行的太阳光线被聚焦后，光斑可准确落在真空集热管2上，真空集热管2内传热介质吸收汇聚而来的太阳能，完成升温过程。

在传统槽式集热器中，抛物槽面反射镜将其汇聚的太阳光线反射到真空集热管周向的背阳壁面，导致真空集热管周向的向阳壁面侧无反射光线，如图2所示，进而导致向阳壁面的热流密度迅速下降。周向受热不均将带来集热管疲劳变形，特别是对于高聚光比槽式集热技术和直接产生高温蒸汽的DSG技术等，会产生运行安全性、可靠性降低等系列问题。

而在本发明中，通过在真空集热管2顶部布置菲涅尔透镜1，可将集热器中心区域的太阳光汇聚到真空集热管2周向的向阳壁面，实现真空集热管2圆周方向向阳壁面热流密度近似均匀分布，如图3所示。在该设计中，真空集热管向阳壁面和背阳壁面均有光线射入，可实现真空集热管圆周方向壁面热流密度近似均匀分布。而传统槽式集热器中，真空集热管向阳壁面无法接收到由抛物槽面反射镜汇聚的太阳光线，向阳壁面即阳光直射区的热流密度迅速下降，而周向受热不均将带来集热管疲劳变形，特别是对于直接产生高温蒸汽的DSG技术，会产生运行安全性、可靠性降低等系列问题。

本发明提供的透射-反射线性聚光集热器可采用两种实施方式来进行安装。如图4所示，按照传统槽式集热器的固定方式，仍将抛物线顶点的纵向延长线作为本发明提供的透射-反射线性聚光集热器的固定轴，方便集热器在原有传统槽式集热器基础上进行改造。如图5所示，还可将真空集热管中轴线作为本发明提供的透射-反射线性聚光集热器的固定轴，从而增加装置稳定性。

本发明提供的透射-反射线性聚光集热器，具有单轴光线追踪能力，能够实现单轴跟踪，如东西轴固定，南北向跟踪，或者南北轴固定，东西向跟踪等。可根据实际需要加热量，确定太阳能集热器的聚光比，从而确定线聚焦菲涅尔透镜1的齿角、齿距，抛物面反射镜3的开口形状、开口宽度等结构参数。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种透射-反射线性聚光集热器，其特征在于，该集热器包括线聚焦菲涅尔透镜(1)、真空集热管(2)和抛物槽面反射镜(3)，其中：

真空集热管(2)位于线聚焦菲涅尔透镜(1)和抛物槽面反射镜(3)的焦线位置，菲涅尔透镜(1)将集热器中心区域近似平行的太阳光汇聚于真空集热管(2)周向的向阳壁面，抛物槽面反射镜(3)将集热器两侧区域近似平行的太阳光汇聚于真空集热管(2)周向的背阳两侧壁面，进而缓解周向受热不均带来的集热管疲劳变形。

2.根据权利要求1所述的透射-反射线性聚光集热器，其特征在于，所述真空集热管(2)位于线聚焦菲涅尔透镜(1)和抛物槽面反射镜(3)的焦线位置，能够保证近似平行的太阳光线被聚焦后，光斑准确落在真空集热管(2)上，真空集热管(2)内部传热介质吸收聚焦太阳能，完成升温过程。

3.根据权利要求1所述的透射-反射线性聚光集热器，其特征在于，该集热器具有单轴光线追踪能力。