CN105371506A - 辐射能集收器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种辐射能集收器，其包括至少一个透镜、至少一个反射器以及至少一个辐射能接收器，该辐射能接收器安装在至少一个透镜与至少一个反射器的最底部之间，以接收穿过至少一个透镜并由至少一个反射器反射的光。至少一个透镜和至少一个反射器中的一个或多个是可以在平面内相对于透镜和反射器中的另一个移动的，这样，根据辐射能量源相对于辐射能集收器的位置，可以改变至少一个透镜和至少一个反射器彼此相对的位置，以增加至少一个辐射能接收器可接收的辐射能的量。

Description

辐射能集收器

技术领域

本发明涉及一种辐射能集收器，如太阳能收集器。

发明背景

据估计，大约有一半的世界能源需求与满足建筑和工业生产过程的热需求相关。因此，在100℃至400℃范围内的热能供应有着广阔的工业和商业市场。这一需求当前是由天然气和电力来满足，而聚光太阳能集热器可以潜在地满足这一需求。但是，对于传统的通常基于槽形和碟形集热器的设计而言，目前的挑战是难以集成到工业和商业屋顶。

发明内容

本发明提供了一种辐射能集收器，包括：

至少一个透镜；

至少一个反射器；以及

至少一个辐射能接收器，该辐射能接收器安装在至少一个透镜与至少一个反射器的最底部之间，以接收穿过至少一个透镜并由至少一个反射器反射的光。

其中，至少一个透镜和至少一个反射器中的一个或多个是可以在平面内相对于透镜和反射器中的另一个移动的，这样，根据辐射能量源相对于辐射能集收器的位置，可以改变至少一个透镜和至少一个反射器彼此相对的位置，以增加至少一个辐射能接收器可接收的辐射能的量。

在一个实施例中，辐射能量是太阳能，然而，也可以理解其源自激光器或其它辐射源。

透镜和反射器的相对运动可以使得至少一个辐射能接收器从辐射能量源接收的辐射能的量被最大化。

在一个实施例中，反射器布置成可移动,而透镜布置为保持静止，以实现透镜与反射器之间的相对运动。

可替代地，透镜可以布置成可移动，而反射器可以布置成保持静止，以实现透镜与反射器之间的相对运动。还可以理解的是，透镜和反射器都可以布置为相对于彼此移动。

至少一个辐射能接收器可以相对于反射器布置来位于固定位置处，比如在反射器的聚焦点处或基本上在聚焦点附近。

至少一个辐射能接收器可布置在压强比大气压强低得多的腔室内。腔室的压强可以是部分真空，例如，压强为0.1Pa.至少一个辐射能接收器和反射器的至少一个反射元件也可布置在压强比大气压强低得多的腔室中。辐射能集收器可以布置为使得其结构便于抵抗可由腔室与腔室外部区域之间的压力差所导致的力。将会理解的是，辐射能集收器的至少一个部件（如透镜和（或）反射器）可以形成腔室边界的至少一部分。

透镜可至少包括第一和第二透镜组件，第一和第二透镜组件包括光学折射率彼此不同的光学材料。

在一个实例中，透镜包括一个菲涅耳透镜。透镜还可以包括圆柱面透镜。将会理解的是，对于包括至少第一和第二透镜组件的实施例，透镜组件可以是菲涅耳透镜、圆柱面透镜或菲涅耳透镜和圆柱面透镜的组合。

透镜可由聚合物材料形成，并且可通过压纹、挤压、注塑或任何其它适当的方法来成型。

辐射能集收器包括彼此相邻布置的一系列透镜和相应的反射器，其中，一系列透镜和相应的反射器中的至少一者在从第一透镜到相邻透镜的方向上，可相对于一系列透镜和相应的反射器中的另一者移动。该系列的透镜可以是圆柱面透镜阵列。

该系列透镜的透镜可能包括圆柱面透镜，例如圆柱面菲涅耳透镜。该系列的透镜可以一体成型。

对于包括多个透镜和相应的反射器的实施例，至少一个辐射能接收器可以是单一的辐射能接收器，其中，辐射能接收器的相应部分布置在每个相应的透镜与相应的反射器的最底部之间。

透镜可以大体上沿着辐射能集收器的纵向运行，并且，相应的反射器也可沿着辐射能集收器的纵向运行。

辐射能集收器可能具有相对薄的轮廓，例如厚度小于15cm、小于10cm或小于8cm的轮廓。辐射能量集收器可安装来由太阳能系统安装支架进行容纳，例如标准的太阳能面板安装支架。

辐射能量集收器也可以包括或者可以布置来由旋转的太阳能跟踪系统进行容纳，使得辐射能量集收器可以跟踪太阳相对于季节变化的移动。

也可以理解的是，为了负责太阳角度的季节性变化或负责太阳角度的日常变化，可以对辐射能集收器进行调整。例如，为了负责太阳角度的季节性变化，可以对辐射能集收器进行调整，使得透镜和反射器的相对运动是在大体上沿着北-南轴线的方向上。可替代地，为了负责太阳角度的日常变化，可以对辐射能集收器进行调整，使得透镜和反射器的相对运动是在大体上沿着东-西轴线的方向上。

附图说明

现参照附图，仅通过实例对本发明的实施例进行说明，在附图中：

图1（a）是根据本发明实施例的具有平板型真空室的太阳能收集器的横截面剖视图；图1（b）是根据本发明实施例的具有真空玻璃管的太阳能收集器的横截面剖视图。

图2是图1（a）的太阳能收集器的分解三维视图。

图3（a）是图1（a）的太阳能收集器的三维视图，图3(b)是图3（a）的局部放大图。

图4（a）是图1（a）的太阳能收集器的各组件的横截面剖视图，包括双层圆柱面透镜、反射器和太阳能接收器；图4（b）是图1（a）的太阳能收集器的各组件的横截面剖视图，包括双层菲涅耳透镜、反射器和太阳能接收器。

图5（a）是示出了图4（b）中双层圆柱面透镜的聚焦特性的光线图；图5（b）是示出了当太阳位于双层圆柱面透镜正上方时的光线聚焦的光线图。图5（c）是示出了当太阳位于双层圆柱面透镜左侧时的光线聚焦的光线图；图5（d）是示出了当太阳位于双层菲涅耳透镜正上方时的光线聚焦的光线图。图5（e）是示出了当太阳位于双层菲涅耳透镜左侧时的光线聚焦的光线图。

图6（a）至图6（c)示出了图1（a）的太阳能收集器的真空室的完整移动范围。

如图7（a）至图7（e）是根据本发明实施例的太阳能收集器的元件的横截面剖视图，其示出了真空区域。

具体实施方式

图1是根据本发明实施例的太阳能收集器100的横截面剖视图.在本实例中，太阳能收集器100包括多个透镜102和多个对应的反射器104、以及相邻布置的成对的相对应的透镜102和反射器104。每个反射器104容纳太阳能接收器106的一部分，各太阳能接收器部分106大体上位于其相应的反射器104的聚焦点处。

在本实例中，每个透镜102是一个双层透镜。尽管在这个实例中所示的透镜102是菲涅耳透镜，但可以理解的是，透镜102可以是圆柱面透镜或圆柱面透镜和菲涅耳透镜的组合。在本实例中，透镜102包括聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）或环氧玻璃。

在本实施例中，反射器104是复合抛物面收集器（CPC）并且包括塑料或金属等其他适当的材料，且反射器104的反射表面包括抛光铝。反射器可以使用合适的制造工艺来成型，如挤压、冲压或模制。太阳能接收器106是钢管接收器（3/8英寸蛇形钢管），并且在本实例中，太阳能接收器还包括选择性表面钢管，其能有助于减少太阳能接收器106的热损失。在此特定实例中，太阳能接收器106包括钢且具有包括黑铬和镍的接收表面。选择性涂层的发射率通常是在0.05至0.10的范围内。

在本实例中，太阳能接收器106中使用的传热液体是Therminol?VP-1。然而，将会理解的是，该传热液体可以是纳米流体，并且，太阳能接收器106可以是透明的。此外，虽然太阳能接收器106是描述为管状的，但是，将会理解的是，太阳能接收器可具有任何适当的横截面形状，包括三角形、四边形或其他多边形形状。

反射器104及其相应的太阳能接收器106是由透明盖116进行密封，并且，从密封区域中抽空空气，从而形成真空室118。在本实例中，真空室118是部分真空，压强为0.1Pa。将会理解的是，仅有太阳能接收器106能够布置在真空中。图1（b）示出了太阳能接收器106布置在真空玻璃管134内的实例。

太阳能收集器100的结构是由铝挤成型梁122以及顶板128、顶板支撑件130、侧面板126和底部面板120构成，太阳能收集器100上联接有透镜102，其形式为形成太阳能收集器100的顶面的透镜组件。

在本实例中，太阳能收集器100为10cm厚、1.8长和0.70米宽，从而提供了大约为0.7m2的太阳能收集面积。太阳能收集器100的这一尺寸使其能采用传统的光伏太阳能支架通过安装支架124进行安装，进而使其能轻易地与工业和商业建筑屋顶整合。

本实例的太阳能收集器100还在图2的分解立体图中进行了示出并作为已构造的单元在图3的三维视图中进行了示出。

图4（a）示出了双层透镜102-1、反射器104更详细的横截面结构。

透镜组件402包括折射率为1.52的BK7光学玻璃并且具有第一侧406和第二侧408，第一侧406具有曲率半径为276mm的凸面，第二侧408具有曲率半径为126mm的凸面。透镜组件402中心区域的厚度为16.9mm。透镜组件404包括折射率为1.62的F2光学玻璃并且具有第一侧408和第二侧410，第一侧408具有曲率半径为126mm的凸面，第二侧410具有曲率半径为72mm的凸面。透镜组件404中心区域的厚度为15.1mm透镜组件402和404的折射率的差异促使形成了近乎恒定的焦距。透镜组件402用作正透镜,聚焦接收到的光，透镜组件404用来减小在大视场角的光学像差。

图4（b）示出了双层菲涅耳透镜102-2、反射器104的详细的横截面结构。

菲涅耳透镜组件412包括焦距为150mm的PMMA材料。菲涅耳透镜401的尺寸为150×500mm，厚度为2mm，间距为0.3mm。菲涅耳透镜部件414具有和菲涅耳透镜412相同的参数。菲涅耳透镜412和414用来聚焦接收到的光。可以使用一个或两个菲涅耳透镜。

图5（a）示出了具有不同入射角的双透镜102的复合光学模拟。在本实施例中，基于太阳能收集器100的理想最大厚度（10cm）以及太阳能接收器106的标准孔径（9.5mm），将透镜宽度设定为120mm。宽度上任何进一步增加都会由于边缘效应导致额外的光效损失。透镜组件402和404的曲率和厚度通过优化以确保当入射角从0度变化到45度时能产生恒定的焦线。

穿过双透镜102的光可产生接近恒定的焦线，且向太阳能接收器106的聚焦效果可通过反射镜104的布置进一步提高。

为了便于太阳能收集器100在一天中太阳光辐射相对较强的时间段能有效的工作，例如，从上午9点到下午3点，反射器104的最大接受半角设定为45°。基于反射器104的接受角和太阳能接收器106的大小，确定反射器104的孔径（在本实例中为35.2mm）和反射器104的工作长度（在本实例中为29.5mm），这同时也满足了双透镜102的总封装厚度（在本实例中为约10mm）和宽度的要求。反射器104的第一内壁段412呈抛物线状，这有利于捕获在45°内入射的光。第二内壁段414是横截面是圆形的太阳能接收器106的渐开线。第二内壁段414平滑连接到第一内壁段412。在双透镜102与反射镜104组合的情况下，太阳能集收器的聚光比进一步增大（在本实例中增加到4倍），并且太阳能集收器的总系统工作长度显著降低（在本实例中总计为9.8cm）。

太阳能收集器100布置成使得反射器104及其相应的太阳能接收器106可相对于透镜102横向移动。透镜102和反射器104的相对移动使得太阳能接收器106在白天时间段（例如，从上午9点到下午3点）内从太阳接收的光量得以最大化。

在本实施例中，太阳跟踪是通过由两个步进电机移动真空室110或真空玻璃管134来实现的。在本实例中，真空室110在跟踪移动期间的总工作距离是9cm，这使得收集器在最佳的白天时间段（即，从上午9点到下午3点）能保持最理想的聚光。

真空室118相对透镜102的横向移动的实例如图6（a）至图6（c）中所示。在图6（b）中，真空室118是在透镜102的正下方，这样一来，当太阳在正上方时，太阳能收集器106所接收的光得以最大化（见图5（b）、图5（d）和图6（b））。在图6（a）和图6（c）中，真空室118在透镜102的左边或右边，这样一来，当太阳位于示意图的右边或左边的位置时，太阳能收集器106接收的光得以最大化（见图5（c）、图5（e）和图6（b））。

如图3所示，在真空室118两端的一对步进电机110和同步皮带108用来驱动真空室118或真空玻璃管134相对于透镜102移动。步进电机110布置来通过使用数字控制系统（未示出）水平地推动或拉动真空室118，在本实例中，该数字控制系统是基于对Arduino微控制器进行编程来控制步进电机。真空室118与多个滑动块114连接（见图3），每个滑动块114里装有4个线性轴承，以便与位于真空室118两端的8mm线性杆120相配，从而实现真空室118在线性杆120上按照步进电机110和同步带108的指示进行移动。

可以理解的是，透镜102的阵列可布置成例如采用类似于步进电机和同步皮带的机构来实现横向移动，而真空室118布置来保持静止；或者，透镜102阵列和真空室118可以布置为相对于彼此运动，从而实现与结合上述实施例进行说明的太阳跟踪等同的太阳跟踪。

还可以理解的是，太阳能收集器100可以安装在旋转跟踪系统上，使得太阳能收集器100也可以跟踪太阳相对于季节变化的移动。

本实施例的特征提供了许多优于传统太阳能集器的优点。太阳能收集器100结合了聚光透镜102、复合抛物面收集器（CPC）、反射器104和真空热绝缘件（腔室118或真空玻璃管132），以实现高温度下的运转。将双层透镜102用作初级聚光器实现了在任何入射角情况下都能提供基本上均匀的焦距，并且对于将入射光聚焦到太阳能接收器106上而言，将CPC反射器104用作二次聚光器提供了宽的接受角。这些特征有利于将线性致动器用作太阳跟踪机构，相比起传统太阳能集热设计，降低了太阳能收集器100的复杂性。

有利的是，本发明的实施例提供了一种基于线性致动的反射折射式光学系统（使用反射和折射光学元件）的低轮廓（高度小于10cm）设计，其可在一天内实现大约4倍的聚光。此外，真空包装用于最大程度地降低热损失，以维持高温度下的热能供应（100至385°C）。光线跟踪模拟表明，当入射光的角度在0°C至45°C的范围内变化时，光学效率的范围为52%至72%，这表明了本发明的实施例在上午九时至下午三时之间是有效的。通过光线跟踪模拟与计算流体力学（CFD）模型的结合而预测出的是，在晴天的上午九时至下午三时期间（例如，在1000w/m2的总水平辐照度下）以及220°C的流体平均出口温度下，本发明的实施例的集收器效率范围为23％-44％，本发明的实施例适合于在工业和商业加热应用中使用。

除了以上已经进行说明的内容之外，本领域的相关技术人员在不脱离本发明的基本构思的前提下，还可以做出许多变化和修改。所有这些变化和修改均视为在本发明的保护范围之内，而本发明的本质由前述说明进行确定。

例如，在参照图1进行说明的实施例中，太阳能接收器106和反射器104包含在真空室118内。如图7（b）中更详细地所示，真空区域704由透明盖116密封。真空区域704的边界由腔室118和透明盖116的内表面限定。但是，将会理解的是，也可设想其他的真空结构，如图7（a）至图7（e）中所示出的结构。

在图7（a）所示的布置中，真空区域702由底板120和侧板126的底壁和侧壁以及透镜102的底面限定。反射器104和太阳能接收器完全包含在真空区域702内。

在图7（c）所示的布置中，真空区域706是由真空玻璃管134限定，反射器104和太阳能接收器106完全包含在其中。在本实例中，真空玻璃管134便于实现真空区域706内的5.0×10-3Pa的压强。

在图7（d）所示的布置中，真空区域708是限定在内玻璃管710与外玻璃管712之间。内真空玻璃管710转而包含在外真空玻璃管712中。在本实例中，真空玻璃管710和真空玻璃管712便于实现真空区域708内5.0×10-3Pa的压强。

在图7（e）所示的布置中，真空区域714是由真空玻璃管716限定，接收器406完全包含于其中。图7（e）中更详细地示出了真空区域714以及真空玻璃管716的布置。

另外，可以对太阳能收集器100进行调整，以便负责太阳角度的季节性变化或太阳角度的日常变化。在透镜102及其相应的反射器104的相对运动所提供的跟踪机制的帮助下，图1的太阳能收集器在横向于太阳能接收器104的纵向轴线的方向上具有90度的接受角。太阳能收集器100在太阳能接收器104的轴线的方向上也具有90度的接受角。这种布置便于太阳能收集器100根据太阳能收集器100的朝向来跟踪太阳的日常变化和季节性变化。

例如，太阳能收集器100可调整来使得透镜102和反射器104的相对运动是在大体上沿着东-西轴线的方向上。在这种布置下，季节性跟踪是没有必要的并且即使没有透镜102和反射器104的相对运动，太阳能收集器100仍能够适应太阳角度的季节性变化，而且，透镜102和反射器104沿着东-西轴线的相对线性运动可有助于日常跟踪。可替代的，太阳能收集器100可调整来使得透镜102和反射器104的相对运动是在大体上沿着北-南轴线的方向上。在这种布置下，日常跟踪是没有必要的并且即使没有透镜102和反射器104的相对运动，太阳能收集器100仍然能够适应上午9点到下午3点的太阳角度的日常变化，而且，透镜102和反射器104沿着北-南轴线的相对线性运动可有助于太阳角度的季节性变化。

在本发明的说明书中，除非上下文另有要求，否则由于明确的语言或必要的暗示，词语“包括”或变型（如“包括（comprises）”或“包括（comprising）”）以包含的意义进行使用，即，说明存在所陈述的特征，但在本发明的各种实施例中并不排除存在或添加其他特征。

Claims (27)

1.一种辐射能集收器，包括：

至少一个透镜；

至少一个反射器；以及

至少一个辐射能接收器，所述辐射能接收器安装在所述至少一个透镜与所述至少一个反射器的最底部之间，以接收穿过所述至少一个透镜并由所述至少一个反射器反射的光；

其中，所述至少一个透镜和所述至少一个反射器中的一个或多个在平面内相对于所述透镜和所述反射器中的另一个是可移动的，使得根据辐射能量源相对于所述辐射能集收器的位置，能够改变所述至少一个透镜和所述至少一个反射器相对于彼此的位置，以增加所述至少一个辐射能接收器可接收的辐射能的量。

2.根据权利要求1所述的辐射能集收器，其中，所述透镜或所述反射器的相对运动使得所述至少一个辐射能接收器从所述辐射能量源接收的辐射能的量被最大化。

3.根据权利要求1或2所述的辐射能集收器，其中，所述反射器布置成移动,而所述透镜布置为保持静止，以实现所述透镜与所述反射器之间的相对运动。

4.根据权利要求1或2所述的辐射能集收器，其中，所述透镜布置成移动，而所述反射器布置成保持静止，以实现所述透镜与所述反射器的相对运动。

5.根据权利要求1或2所述的辐射能集收器，其中，所述透镜和所述反射器都布置为相对于彼此移动。

6.根据前述权利要求中任一项所述的辐射能集收器，其中，所述至少一个辐射能接收器布置于所述反射器的聚焦点处或基本上在聚焦点附近。

7.根据前述权利要求中任一项所述的辐射能集收器，其中，所述至少一个辐射能接收器布置在压强比大气压强低得多的腔室内。

8.根据权利要求1至6所述的辐射能集收器，其中，所述至少一个辐射能接收器和反射器布置在压强比大气压强低得多的腔室中。

9.根据权利要求7或8所述的辐射能集收器，其中，所述辐射能集收器的至少一个部件形成所述腔室的边界的至少一部分。

10.根据权利要求7至9中任一项所述的辐射能集收器，其中，所述辐射能集收器布置为使得其结构便于抵抗可由所述腔室与所述腔室外部区域之间的压力差所导致的力。

11.根据前述权利要求中任一项所述的辐射能集收器，其中，所述透镜包括至少第一透镜组件和第二透镜组件，所述第一透镜组件和第二透镜组件包括光学折射率彼此不同的光学材料。

12.根据前述权利要求中任一项所述的辐射能集收器，其中，所述透镜包括菲涅耳透镜。

13.根据前述权利要求中任一项所述的辐射能集收器，其中，所述透镜包括圆柱面透镜。

14.根据前述权利要求中任一项所述的辐射能集收器，其中，所述透镜包括聚合物材料。

15.根据前述权利要求中任一项所述的辐射能集收器，还包括彼此相邻布置的一系列透镜和相应的反射器，其中，所述一系列透镜和所述相应的反射器中的至少一者在从第一透镜朝向相邻透镜的方向上，可相对于所述一系列透镜和所述相应的反射器中的另一者移动。

16.根据权利要求15所述的辐射能集收器，其中，所述一系列透镜是圆柱面透镜阵列。

17.根据权利要求15或16所述的辐射能集收器，其中，所述一系列的透镜一体成型。

18.根据权利要求15至17中任一项所述的辐射能集收器，其中，所述至少一个辐射能接收器可以是单一的辐射能接收器，其中，所述辐射能接收器的相应部分布置在每个相应的透镜与相应的反射器的最底部之间。

19.根据前述权利要求中任一项所述的辐射能集收器，具有的轮廓为以下组中的任一项，包括：小于15cm、小于10cm和小于8cm。

20.根据前述权利要求中任一项所述的辐射能集收器，所述辐射能集收器还布置以便由太阳能系统安装支架容纳。

21.根据权利要求20所述的辐射能集收器，所述辐射能集收器还布置以便由标准的太阳能面板安装支架容纳。

22.根据前述权利要求中任一项所述的辐射能集收器，还包括或者布置以便由旋转的跟踪系统进行容纳，使得所述辐射能集收器能够跟踪太阳相对于季节变化的移动。

23.根据前述权利要求中任一项所述的辐射能集收器，所述辐射能集收器还调整以便负责太阳角度的季节性变化。

24.根据权利要求23所述的辐射能集收器，其中，所述辐射能集收器还调整使得所述透镜和所述反射器的相对运动是在基本上沿着北-南轴线的方向上。

25.根据权利要求1至22中任一项所述的辐射能集收器，所述辐射能集收器还调整以便负责太阳角度的日常变化。

26.根据权利要求25所述的辐射能集收器，其中，所述辐射能集收器调整使得所述透镜和所述反射器的相对运动是在基本上沿着东-西轴线的方向上。

27.根据前述权利要求中任一项所述的辐射能集收器，其中，所述辐射能量是太阳能，并且所述辐射能集收器是太阳能集收器。