CN104534693B - 一种三维cpc簇太阳能二次聚集器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三维CPC簇太阳能二次聚集器，包括一吸热器腔体，正对吸热器腔体入口处设置有单碟聚集器，所述的吸热器腔体的太阳光入射口处，设置有若干单体三维CPC按张角紧密布置形成的三维CPC簇，三维CPC簇布置在单碟聚集器焦平面上，每个单体三维CPC的太阳光出口安装有石英玻璃，石英玻璃隔离吸热器腔体与周围空气。本发明太阳光的接收角度大，对入射太阳光的截取效率高；只需在每个三维CPC太阳光出口布置一小块石英玻璃就能密封吸热器，将吸热器腔体与周围空气隔离。组成三维CPC簇的三维CPC结构较小，相对独立，加工、安装和维护方便。

Description

一种三维CPC簇太阳能二次聚集器

技术领域

本发明涉及太阳能应用技术领域，具体的说，本发明涉及一种三维CPC簇太阳能二次聚集器。

背景技术

太阳能高温热转换热能品味高，进行太阳能热动力发电或热化学反应效率高，是开发利用太阳能资源的重要途径。由于几何结构、各类光学误差等原因，一次聚集器的实际聚光比不大，影响了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6项，具体信息如下：

名称：CPC热管真空管式太阳能开水器

申请号：201120176295.X

发明人：朱跃钊；王银峰；郭丹丹；廖传华；蒋金柱；陈海军

摘要：本实用新型涉及一种CPC热管真空管式太阳能开水器，由接收器、加热水箱和保温水箱组成；其中接收器由CPC聚光器、热管真空管集热器组成；热管真空管集热器置于CPC聚光器的焦轴上；其中热管真空管集热器由装有导热介质的双层玻璃真空管和热管组成；热管一端通过橡胶密封圈密封在双层玻璃真空管，热管的另一端通过螺纹与加热水箱密封连接，加热水箱出水口和保温水箱进水口通过出水管路联接。本实用新型克服太阳能在高品位热利用中的局限性，提高太阳能热利用率，减少资源浪费和环境污染，降低成本，能满足日常人们对开水的温度需求。

一种CPC热管真空管式太阳能开水器

(2)名称：自动均衡全年太阳能接收的CPC聚光光伏装置

申请号：201120332410.8

发明人：苑进社

摘要：本实用新型公开了一种自动均衡接受太阳能辐射量的CPC聚光光伏装置，包括CPC聚光反射装置和太阳能光伏电池片，CPC聚光反射装置包括上复合抛物面反射板和下复合抛物面反射板，上复合抛物面反射板和下复合抛物面反射板的反射弧面相对，太阳能光伏电池片设置在上复合抛物面反射板和下复合抛物面反射板之间；本实用新型采用上下两片非对称设置的复合抛物面反射板，不需要跟踪太阳，也不需要随季节作人工调整，在全年范围内实现接收太阳辐射量相对均衡，从而对负载恒定的太阳能光伏发电系统避免了夏季发电过剩造成蓄电池过充电，冬季发电不足出现蓄电池过放电；从全年来计算的话，达到了最佳的接收效果，提高了发电系统的可靠性。

名称：光滑过渡连接的双级非对称复合抛物面反射镜聚光器

申请号：201110130590.6

发明人：钟英杰；唐亚平；林海浩；李华；邓凯

摘要：一种光滑过渡连接的双级非对称复合抛物面反射镜聚光器，包括上级抛物镜和下级抛物镜，所述下级抛物镜由轴对称式抛物面反射镜构成，所述上级抛物镜由非对称式抛物面反射镜构成，上级抛物镜和下级抛物镜的剖面抛物线主轴位于同一轴线位置，所述的上级抛物镜的吸收端宽度和下级抛物镜的开口端宽度相等，上级抛物镜和下级抛物镜之间采用平滑连接处理；所述上级抛物镜包括左右两侧的抛物面，左右两侧的抛物面接收半角正弦值之比等于所在区域夏季和冬季的太阳辐射强度之比。本发明能有效降低光辐射能量损失、广泛接收太阳光线、具有良好的季节适应性。

名称：一种非对称复合抛物面聚光集热器

申请号：95220017.1

发明人：陈烈涛

摘要：一种非对称复合抛物面太阳能聚光集热器，由两侧非对称的同向倾斜的带有渐开线或圆弧曲面的抛物面经相对复合形成开口反向倾斜的聚光槽，槽口倾角近似等于当地地球纬度，收集角相当于最大的太阳升角，吸热器装设于聚光槽底部，太阳能同时入射到两侧抛物面上而集中聚光于吸热器底部，如同太阳灶那样具有更高的集热效率，聚光槽东西向放置，开口朝南，无需跟踪装置，一年四季均可使用，用以获得热水、开水、蒸汽、热空气等。

名称：一种增大聚光接收角的复合抛物面聚光器

申请号：201220437966.8

发明人：薛黎明；曹文娇

摘要：本实用新型公开了一种增大聚光接收角的复合抛物面聚光器，包括对称设置的第一抛物面反射镜和第二抛物面反射镜，两个抛物面反射镜的焦点均落在两个抛物面反射镜下端点的连接线上，其中，第一抛物面反射镜、第二抛物面反射镜的下端点与其对称轴之间的距离均设置为a'+x，x>0。本实用新型通过简单的结构改进，扩大了聚光接收角，使得通过复合抛物面聚光器二次聚光使反射镜反射到换热器的效率增大，大大提高了太阳能的利用率，具有重要的实际意义。

名称：内聚光与外聚光结合的复合抛物面聚光器

申请号：201010018320.1

发明人：余雷；王军；张耀明

摘要：本发明涉及太阳能聚光技术领域，提供了一种内聚光与外聚光相结合的复合抛物面聚光器。该聚光器包括玻璃管(2)、位于玻璃管(2)内部的接收管(1)、内部复合抛物面聚光板(3)、外部复合抛物面聚光板(4)、保温层(5)、支撑脚(6)和支撑梁(7)，接收管(1)和玻璃管(2)分别设有接收管圆心和玻璃管圆心；接收管(1)的圆心与玻璃管(2)的圆心重合，且接收管(1)与玻璃管(2)之间为真空；内部复合抛物面聚光板(3)安装固定在该真空中并与玻璃管(2)接触，该内部复合抛物面聚光板(3)与接收管(1)之间有缝隙。该种聚光器聚光效果好，安装简单。

从上述专利摘要和结构图可以看出，单个三维CPC二次聚集器是一种重要的太阳能二次聚集器。但是单个三维CPC二次聚集器存在以下缺点：

(1)单个三维CPC的几何聚光比与接收角成反比，受接收角制约，单个三维CPC的聚光性能比较差；

(2)为满足聚光要求，单个三维CPC的结构体积和质量都比较大，导致加工、安装和维护等不方便。

发明内容

本发明的目的在于针对单个三维CPC太阳能二次聚集器的不足，本发明提出三维CPC簇太阳能二次聚集器，提高三维CPC二次聚集器的聚光性能，同时方便加工、安装和维护。

本发明提供的技术方案是：一种三维CPC簇太阳能二次聚集器，包括一吸热器腔体，正对吸热器腔体入口处设置有单碟聚集器，所述的吸热器腔体的太阳光入射口处，设置有若干单体三维CPC按张角紧密布置形成的三维CPC簇，三维CPC簇布置在单碟聚集器焦平面上，每个单体三维CPC的太阳光出口安装有石英玻璃，石英玻璃隔离吸热器腔体与周围空气。

在直角坐标系xyz中，所述的每个单体CPC的表面方程为

$\begin{array}{c}{[(\sqrt{x^2+y^2}+r_2)\cos \left(\frac{{\mathrm{\θ}}_1}{2}\right)+z\sin \left(\frac{{\mathrm{\θ}}_1}{2}\right)]}^2-\\ {4r}_2(1+\sin \left(\frac{{\mathrm{\θ}}_1}{2}\right))(z\cos \left(\frac{{\mathrm{\θ}}_1}{2}\right)-\sqrt{x^2+y^2}\sin \left(\frac{{\mathrm{\θ}}_1}{2}\right)+r_2)=0\end{array};$

其中，每个单体三维CPC的太阳光接收角为θ₁，三维CPC簇二次聚集器的太阳光接收角为θ₂，每个三维CPC太阳光入射面半径单碟聚集器光斑半径为r，单碟聚集器光斑边缘角为ψ，每个三维CPC出射面半径为r₂，n为三维CPC的个数，x、y、z为直角坐标系的三个方向。

本发明的有益效果是：

(1)本发明的三维CPC簇太阳能二次聚集器，与单个三维CPC或多级三维CPC聚集器相比，太阳光的接收角度大，对入射太阳光的截取效率高；

(2)三维CPC簇太阳能二次聚集器只需在每个三维CPC太阳光出口布置一小块石英玻璃就能密封吸热器，将吸热器腔体与周围空气隔离。因此，三维CPC簇太阳能二次聚集器避免使用大块太阳能石英玻璃，降低了太阳能石英玻璃的加工技术难度；

(3)组成三维CPC簇的三维CPC结构较小，相对独立，加工、安装和维护方便。

术语解释：

三维CPC：三维CPC(Compound Parabolic Concentrator)是指一种复合抛物面太阳能聚集器；

三维CPC簇：指若干个三维CPC按一定规律组成的，能提高单个三维CPC某方面性能的结构装置

太阳能二次聚集器：太阳能二次聚集器是指对经一次聚集器汇聚的太阳光再次聚集的太阳能聚集装置

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为本发明的结构示意图；

图2为三维CPC簇与单碟聚集器组成的太阳能两级聚集系统截面图；

图3为单体三维CPC结构示意图。

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。

参考图1，本发明提供一种三维CPC簇太阳能二次聚集器，包括一吸热器腔体1，正对吸热器腔体入口处设置有单碟聚集器5，所述的吸热器腔体1的太阳光入射口处，设置有若干单体三维CPC2按张角紧密布置形成的三维CPC簇，三维CPC簇布置在单碟聚集器5焦平面4上(图2示出)，对入射的聚集太阳光进行再次聚集，提高太阳能聚集比和热效率。每个单体三维CPC2的太阳光出口安装有石英玻璃3，石英玻璃3隔离吸热器腔体1与周围空气，拓展吸热器的使用范围。

单个三维CPC的太阳光接收角为θ₁，三维CPC簇二次聚集器的太阳光接收角为θ₂。三维CPC簇太阳能二次聚集器能与单碟聚集器、定日镜场组成太阳能两级聚集系统。下面以三维CPC簇太阳能二次聚集器和单碟聚集器组成的太阳能两级聚集系统为例，说明三维CPC簇太阳能二次聚集器的设计原理。

参考图2，三维CPC簇布置在单碟聚集器5焦平面4上，对单碟反射聚集的太阳光束进行再次聚集，最后太阳光束穿过三维CPC出射面进入吸热腔体1，完成光热转换。已知单碟聚集器5光斑半径为r，边缘角为ψ。三维CPC簇太阳能二次聚集器截面上有n个三维CPC，则每个三维CPC接收角度每个三维CPC太阳光入射面半径在如图3所示的直角坐标系xyz中，单个三维CPC的表面方程为

$\begin{array}{c}{[(\sqrt{x^2+y^2}+r_2)\cos \left(\frac{{\mathrm{\θ}}_1}{2}\right)+z\sin \left(\frac{{\mathrm{\θ}}_1}{2}\right)]}^2-\\ {4r}_2(1+\sin \left(\frac{{\mathrm{\θ}}_1}{2}\right))(z\cos \left(\frac{{\mathrm{\θ}}_1}{2}\right)-\sqrt{x^2+y^2}\sin \left(\frac{{\mathrm{\θ}}_1}{2}\right)+r_2)=0\end{array}---\left(1\right)$

由式(1)可见，一旦确定三维CPC的接收角和出射面半径(或入射面半径)，即可确定三维CPC几何结构。

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 (2)

1.一种三维CPC簇太阳能二次聚集器，包括一吸热器腔体，正对吸热器腔体入口处设置有单碟聚集器，其特征在于，所述的吸热器腔体的太阳光入射口处，设置有若干单体三维CPC按张角紧密布置形成的三维CPC簇，三维CPC簇布置在单碟聚集器焦平面上，每个单体三维CPC的太阳光出口安装有石英玻璃，石英玻璃隔离吸热器腔体与周围空气。

2.根据权利要求1所述的一种三维CPC簇太阳能二次聚集器，其特征在于，在直角坐标系xyz中，所述的每个单体CPC的表面方程为

$\begin{array}{c}{[(\sqrt{x^2+y^2}+r_2)\cos \left(\frac{{\mathrm{\θ}}_1}{2}\right)+z\sin \left(\frac{{\mathrm{\θ}}_1}{2}\right)]}^2-\\ 4r_2(1+\sin \left(\frac{{\mathrm{\θ}}_1}{2}\right))(z\cos \left(\frac{{\mathrm{\θ}}_1}{2}\right)-\sqrt{x^2+y^2}\sin \left(\frac{{\mathrm{\θ}}_1}{2}\right)+r_2)=0\end{array}$

其中，每个单体三维CPC的太阳光接收角为θ₁，三维CPC簇二次聚集器的太阳光接收角为θ₂，每个三维CPC太阳光入射面半径单碟聚集器光斑半径为r，单碟聚集器光斑边缘角为ψ，每个三维CPC出射面半径为r₂，n为三维CPC的个数，x、y、z为直角坐标系的三个方向。