CN104422154A - 碟式太阳能聚光系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种碟式太阳能聚光系统。该碟式太阳能聚光系统由内向外包括N个分立的环形碟面区，其中N≥2；该N个环形碟面区具有共同的中心轴线，其分别对应的抛物线方程的焦点位于该中心轴线上不同高度的位置。本发明碟式太阳能聚光系统由于多个焦点在同一直线上，从而避免了吸热器对镜面的重复遮挡；此外，管路串联过程中，管程短且以直管连接，可有效降低管路中的压力损失与热量损失。

Description

碟式太阳能聚光系统

技术领域

本发明涉及太阳能利用技术领域，尤其涉及一种碟式太阳能聚光系统。

背景技术

能源危机与环境危机的进一步加剧迫使各国政府纷纷投入大量资金与人力开发新能源。而太阳能光热发电正是各国科研人员特别关注的一项课题。太阳能光热发电主要有三种聚光形式，槽式系统，塔式系统和碟式系统。碟式系统与其他两种系统相比具有聚光比高、安装方便、环境要求低、聚光效率高等众多优点。三种聚光形式的参数如表1所示。

表1三种太阳能热发电系统比较

然而，现有的碟式聚光系统每个碟面只能有一个聚焦点。只有同一个焦点情况下，要实现布雷顿循环中再热循以及分高低温吸热器同时运行非常困难。

发明内容

(一)要解决的技术问题

鉴于上述技术问题，本发明提供了一种多聚焦点的碟式太阳能聚光系统，以实现布雷顿循环中再热循以及分高低温吸热器同时运行。

(二)技术方案

根据本发明的一个方面，提供了一种碟式太阳能聚光系统。该碟式太阳能聚光系统由内向外包括N个分立的环形碟面区，其中N≥2；该N个环形碟面区具有共同的中心轴线，其分别对应的抛物线方程的焦点位于该中心轴线上不同高度的位置。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明碟式太阳能聚光系统具有以下有益效果：

(1)由于多个焦点在同一直线上，从而避免了吸热器对镜面的重复遮挡；此外，管路串联过程中，管程短且以直管连接，可有效降低管路中的压力损失与热量损失；

(2)将初段吸热器与再热吸热器分开加热，可大大降低吸热器设计难度，从而可应用与低中高温分段加热的碟式-布雷顿循环；

(3)依照对每一个焦点所需的总能量需求、当地太阳能辐射强度以及镜面反射率和个焦点到镜面中心底部的距离即可得到焦点数目、每个焦点的能量密度及总量等镜面参数，灵活方便。

附图说明

图1A为根据本发明实施例碟式太阳能聚光系统的俯视图；

图1B为图1A所示碟式太阳能聚光系统剖面的左视图；

图2为根据本发明实施例碟式太阳能聚光系统中各环形碟面抛物线方程的示意图。

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。需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。附图中未绘示或描述的实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本发明的保护范围。

本发明公开了一种碟式太阳能聚光系统。该碟式太阳能聚光系统的碟面包括N个环形碟面区，通过每个圆环形碟面区不同的碟面抛物线方程达到每一圈都有自己的太阳能聚焦点，从而实现了同一直线上的多聚焦点。

在本发明的一个示例性实施例中，提供了一种碟式太阳能聚光系统。图1A为根据本发明实施例碟式太阳能聚光系统的俯视图。图1B为图1A所示碟式太阳能聚光系统剖面的左视图。请参照图1A和图1B，本实施例碟式太阳能聚光系统沿半径方向从内到外包括：第一环形碟面区、第二环形碟面区和第三环形碟面区。其中，该第一环形碟面区、第二环形碟面区和第三环形碟面区具有不同的碟面抛物线方程，且三者的焦点分别位于该碟式太阳能聚光系统中心轴线不同高度的不同位置。

本实施例碟式太阳能聚光系统由于多个焦点在同一直线上，从而避免了吸热器对镜面的重复遮挡；此外，管路串联过程中，管程短且以直管连接，可有效降低管路中的压力损失与热量损失。

以下介绍本实施例碟式太阳能聚光系统中各环形碟面区的相关尺寸的设计方法。

本实施例碟式太阳能聚光系统中，该三个焦点自下而上所需能量依次为Q₁、Q₂和Q₃，太阳能流密度为q。此外，为了安装方便，每个环面并不是完整的环面，而是设置30°圆周角的扇形镜面间隙。

(1)各个环半径确定：

$A_1=\frac{Q_1}{\mathrm{q\ϵ}}=\mathrm{\π}({R_1}^2-{R_0}^2)*\frac{330}{360}---\left(1\right)$

$A_2=\frac{Q_2}{\mathrm{q\ϵ}}=\mathrm{\π}({R_2}^2-{(R_1+\mathrm{\δ})}^2)*\frac{330}{360}---\left(2\right)$

$A_3=\frac{Q_3}{\mathrm{q\ϵ}}=\mathrm{\π}({R_3}^2-{(R_2+\mathrm{\δ})}^2)*\frac{330}{360}---\left(3\right)$

其中，ε为镜面发射率，δ为环与环之间设置的环形安全缝隙。A₁、A₂、A₃分别表示第一环形碟面区、第二环形碟面区、第三环形碟面区的面积，R₁、R₂、R₃分别表示第一环形碟面区、第二环形碟面区、第三环形碟面区的半径，R₀表示碟式太阳能聚光系统中央部分圆形空白区的半径。

从而可得到R₁、R₂、R₃：

$R_1=\sqrt{\frac{{12Q}_1}{11\mathrm{\πq\ϵ}}+{R_0}^2}---\left(4\right)$

$R_2=\sqrt{\frac{{12Q}_2}{11\mathrm{\πq\ϵ}}+{(R_1+\mathrm{\δ})}^2}---\left(5\right)$

$R_3=\sqrt{\frac{{12Q}_3}{11\mathrm{\πq\ϵ}}+{(R_2+\mathrm{\δ})}^2}---\left(6\right)$

(2)抛物线方程确定

图2为根据本发明实施例碟式太阳能聚光系统中各环形碟面抛物线方程的示意图。请参照图2，以中间部分空白区的中心作为坐标原点，建立直角坐标系。已知第一环形碟面的焦点1距离碟面底部l₁，第二环形碟面的焦点2距离碟面底部l₂，第三环形碟面的焦点3距离碟面底部l₃；

2.1求解抛物线1；

抛物线1过(R₀，0)，因而由抛物线方程x²＝2P₁y+C₁，得到：

C₁＝x²＝R₀ ²          (7)

又当x＝0时，所以：

$-y+l_1=\frac{C_1}{{2P}_1}+l_1=\frac{{R_0}^2}{{2P}_1}+l_1=\frac{P_1}{2}---\left(8\right)$

解得：

$P_1=l_1+\sqrt{{l_1}^2+{R_0}^2}---\left(9\right)$

则该抛物线1方程为：

$x^2=2(l_1+\sqrt{{l_1}^2+{R_0}^2})y+{R_0}^2---\left(10\right)$

2.2求解抛物线2；

抛物线2起点即抛物线1终点，带入R₁得：

$y_1=\frac{{R_1}^2-{R_0}^2}{{2P}_1}---\left(11\right)$

对于x²＝2P₂y+C₂

${R_1}^2={2P}_2\frac{{R_1}^2-{R_0}^2}{{2P}_1}+C_2---\left(12\right)$

又当x＝0时，所以

$-y+l_2=\frac{C_2}{{2P}_2}+l_2=\frac{{R_1}^2-{2P}_2\frac{{R_1}^2-{R_0}^2}{{2P}_1}}{{2P}_2}+l_2=\frac{P_2}{2}---\left(13\right)$

即

${P_2}^2+{2P}_2(\frac{{R_1}^2-{R_0}^2}{{2P}_1}-l_2)-{R_1}^2=0---\left(14\right)$

令 $\frac{{R_1}^2-{R_0}^2}{{2P}_1}-l_2=D_2,$ 则

$P_2=\sqrt{b^2+{R_1}^2}-D_2---\left(15\right)$

所以

$C_2={R_1}^2-(\sqrt{{D_2}^2+{R_1}^2}-D_2)\frac{{R_1}^2-{R_0}^2}{P_1}---\left(16\right)$

则该抛物线2方程为：

$x^2=2(\sqrt{b^2+{R_1}^2}-D_2)y+({R_1}^2-(\sqrt{{D_2}^2+{R_1}^2}-D_2)\frac{{R_1}^2-{R_0}^2}{P_1})---\left(17\right)$

2.3求抛物线3

抛物线3起点即抛物线2终点，带入R₂得，

$y_2=\frac{{R_2}^2-C_2}{{2P}_2}---\left(18\right)$

对于x²＝2P₃y+C₃，可得：

${R_2}^2={2P}_3\frac{{R_2}^2-C_2}{{2P}_2}+C_3---\left(19\right)$

又当x＝0时，所以：

$-y+l_3=\frac{C_3}{{2P}_3}+l_3=\frac{{R_2}^2-{2P}_3\frac{{R_2}^2-C_2}{{2P}_3}}{{2P}_3}+l_3=\frac{P_3}{2}---\left(20\right)$

即：

${P_3}^2+{2P}_3(\frac{{R_2}^2-C_2}{{2P}_2}-l_3)-{R_2}^2=0---\left(21\right)$

令 $\frac{{R_2}^2-C_2}{{2P}_2}-l_3=D_3$

则：

$P_3=\sqrt{{D_3}^2+{R_2}^2}-D_3---\left(22\right)$

所以：

$C_3={R_2}^2-(\sqrt{{D_3}^2+{R_2}^2}-D_3)\frac{{R_2}^2-C_2}{P_2}---\left(23\right)$

则该抛物线3方程为：

$x^2=2(\sqrt{{D_3}^2+{R_2}^2}-D_3)y+[{R_2}^2-(\sqrt{{D_3}^2+{R_2}^2}-D_3)\frac{{R_2}^2-C_2}{P_2}]---\left(24\right)$

至此，已经计算得出本实施例碟式太阳能聚光系统中各个环形碟面的半径和抛物线方程。

本实施例以包含三个环形碟面区的碟式太阳能聚光系统为例进行说明。本领域技术人员应当清楚，可以根据需要来设计环形碟面区的数目，即本发明碟式太阳能聚光系统的碟面沿半径方向由内向外可以包括N个分立的环形碟面区，其中N≥2。在本发明优选地实施例中，N＝2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14或15。对于包含N个分立的环形碟面区的碟式太阳能聚光系统而言，对于其中的第I个环形碟面区，其半径应当满足：

$R_I=\sqrt{\frac{360\×Q_I}{(360-{\mathrm{\θ}}_I)\mathrm{\πq\ϵ}}+{(R_{I-1}+{\mathrm{\δ}}_{I,I-1})}^2}---\left(25\right)$

其中，Q_I为第I个环形碟面区所需太阳辐射能，θ_I为第I个环形碟面区的镜面间隙的角度，q为太阳能流密度，ε为镜面反射率；R_I-1为第I-1个环形碟面区半径，δ_I，I-1为第I个环形碟面区与第I-1个环形碟面区之间的环形安全间隙。

该第I个碟面区的抛物线方程应当满足：

$x^2={2P}_{I}y+C_I---\left(26\right)$

$P_I=\sqrt{{D_I}^2+{R_{I-1}}^2}-D_I---\left(27\right)$

$C_I={R_{I-1}}^2-(\sqrt{{D_I}^2+{R_{I-1}}^2}-D_I)\frac{{R_{I-1}}^2-C_{I-1}}{P_{I-1}}---\left(28\right)$

其中，l_I为第I个焦点距离碟面底部的距离。

本实施例中，为了便于后期对抛物线镜面进行简单调节，各个环形碟面之间的环形安全空隙δ取5cm。而在本发明的其他实施例中，该环形安全空隙的径向宽度δ介于1cm～50cm之间，优选地，3cm≤δ≤5cm。

本实施例中，扇形镜面间隙的圆周角为30°。而在本发明的其他实施例中，该扇形镜面间隙的圆周角θ介于5°～50°之间，优选地，15°≤θ≤40°。并且，在本发明的优选实施例中，N个分立的环形碟面区具有大致相同宽度的扇形镜面间隙以当碟面俯仰时不遮挡立柱，且各环形碟面区的扇形镜面间隙朝向同一方向。

本实施例中，碟式太阳能聚光系统中央位置圆形空白区的半径R₀为100cm。而在本发明其他实施例中，圆形空白区的半径R₀介于5cm～200cm之间，优选地，80cm≤R₀≤150cm。

此外，请参照图1A，为了方便加工、安装和后期维护，各环形碟面并不是完善的一块，而是由若干个扇形块拼合而成。扇形块大小由加工难度决定。

本实施例碟式太阳能聚光系统中，各个环形碟面的焦点处在不同的高度，从而将其反射的太阳能反射至不同高度的位置，在支撑吸热器的碟式系统长臂上设置多个吸热器安装位置，将初段吸热器与再热吸热器分开加热，以达到单个碟面同时加热不同种类吸热器的功能，可应用与低中高温分段加热的碟式-布雷顿循环。依照对每一个焦点所需的总能量需求、当地太阳能辐射强度以及镜面反射率和个焦点到镜面中心底部的距离即可得到焦点数目、每个焦点的能量密度及总量等镜面参数，灵活方便。另外，由于管路链接均为短直管链接，高温气体在流动过程中阻力损失与散热损失都大大减小。

至此，已经结合附图对本实施例进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本发明碟式太阳能聚光系统有了清楚的认识。

此外，上述对各元件的定义并不仅限于实施方式中提到的各种具体结构或形状，本领域的普通技术人员可对其进行简单地熟知地替换。

综上所述，本发明提供一种其碟面包括N个环形碟面区的碟式太阳能聚光系统。该碟式太阳能聚光系统很好解决了再热循环中再热吸热器的链接问题以及低中高温吸热器在同一个碟式太阳能聚光系统中难以链接和安装问题，具有广阔的应用前景。

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 (12)

1.一种碟式太阳能聚光系统，其特征在于，其碟面沿半径方向由内向外包括N个分立的环形碟面区，其中N≥2；

该N个环形碟面区具有共同的中心轴线，其分别对应的抛物线方程的焦点位于该中心轴线上不同高度的位置。

2.根据权利要求1所述的碟式太阳能聚光系统，其特征在于，相邻两环形碟面区之间设置径向宽度为δ的环形安全空隙。

3.根据权利要求2所述的碟式太阳能聚光系统，其特征在于，所述环形安全空隙的径向宽度δ介于1cm～50cm之间，优选地，3cm≤δ≤5cm。

4.根据权利要求2所述的碟式太阳能聚光系统，其特征在于，所述N个环形碟面区中至少部分的环形碟面区设置圆周角为θ的扇形镜面间隙。

5.根据权利要求4所述的碟式太阳能聚光系统，其特征在于，所述扇形镜面间隙的圆周角θ介于5°～50°之间，优选地，15°≤θ≤40°。

6.根据权利要求4所述的碟式太阳能聚光系统，其特征在于，所述N个分立的环形碟面区中各环形碟面区的扇形镜面间隙朝向同一方向。

7.根据权利要求4所述的碟式太阳能聚光系统，其特征在于，在所述碟式太阳能聚光系统的中央设置半径为R₀的圆形空白区。

8.根据权利要求7所述的碟式太阳能聚光系统，其特征在于，所述圆形空白区的半径R₀介于5cm～200cm之间，优选地，80cm≤R₀≤150cm。

9.根据权利要求7所述的碟式太阳能聚光系统，其特征在于，所述N个环形碟面区中，第I个环形碟面区的半径满足：

$R_I=\sqrt{\frac{360\×Q_I}{(360-{\mathrm{\θ}}_I)\mathrm{\πq\ϵ}}+{(R_{I-1}+{\mathrm{\δ}}_{I,I-1})}^2}$

其中，Q_I为第I个环形碟面区所需太阳辐射能，θ_I为第I个环形碟面区的镜面间隙的角度，q为太阳能流密度，ε为镜面反射率；R_I-1为第I-1个环形碟面区半径，δ_I，I-1为第I个环形碟面区与第I-1个环形碟面区之间的环形安全间隙。

10.根据权利要求9所述的碟式太阳能聚光系统，其特征在于，所述N个环形碟面区中，第I个环形碟面区的抛物线方程满足：

x²=2P_Iy+C_I

$P_I=\sqrt{{D_I}^2+{R_{I-1}}^2}-D_I)$

$C_I={R_{I-1}}^2-(\sqrt{{D_I}^2+{R_{I-1}}^2}-D_I)\frac{{R_{I-1}}^2-C_{I-1}}{P_{I-1}}$

其中，l_I为第I个环形碟面区的焦点距离碟面底部的距离。

11.根据权利要求1至10中任一项所述的碟式太阳能聚光系统，其特征在于，所述N个环形碟面中至少部分的环形碟面区由若干个扇形块拼合而成。

12.根据权利要求1至10中任一项所述的碟式太阳能聚光系统，其特征在于，所述N=2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14或15。