CN105978478A - 一种基于pv/t系统的复合抛物面聚光器及设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于PV/T系统的复合抛物面聚光器及设计方法，该聚光器包括复合抛物面和太阳能电池板，太阳能电池板安装在复合抛物面的内部；复合抛物面包括抛物线AD、抛物线BC和渐开线AQ、渐开线BQ，抛物线AD和抛物线BC呈轴对称，渐开线AQ和渐开线BQ呈轴对称；抛物线AD与渐开线AQ相交于抛物线BC的焦点A，抛物线BC与渐开线BQ相交于抛物线AD的焦点B。本发明通过数学建模和软件仿真的方式，大幅减少了聚光器的设计周期，降低了设计成本；并且设计的光学结构能够使光线沿长度方向均匀分布，有非常高的光学效率，可达到较好的聚光效果。

Description

一种基于PV/T系统的复合抛物面聚光器及设计方法

技术领域

本发明涉及聚光器设计领域，尤其涉及一种基于PV/T系统的复合抛物面聚光器及设计方法。

背景技术

复合抛物面聚光器是一种非成像聚光器，利用抛物线的光学性质，可以把给定接收角范围内的光线按接近理想聚光比收集到接收器上。因此复合抛物面聚光器广泛应用于太阳能及照明等非成像领域。现有的复合抛物面聚光器在设计过程中，无法完成这种一体化结构的设计，无法实现设计的优化仿真，设计周期较长，成本较高。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中聚光器设计周期长、成本高的缺陷，提供一种能够提高太阳能利用率的基于PV/T系统的复合抛物面聚光器及设计方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

本发明提供一种基于PV/T系统的复合抛物面聚光器，包括复合抛物面和太阳能电池板，太阳能电池板安装在复合抛物面的内部；

复合抛物面包括抛物线AD、抛物线BC和渐开线AQ、渐开线BQ，抛物线AD和抛物线BC呈轴对称，渐开线AQ和渐开线BQ呈轴对称；抛物线AD与渐开线AQ相交于抛物线BC的焦点A，抛物线BC与渐开线BQ相交于抛物线AD的焦点B；

抛物线的描述方程为：

BC段的方程：

$\begin{array}{c}{(\sqrt{2pD2-p^2}x+(p-D2\left)y\right)}^2+D2\×p^{2}x-D2(p+D2)\sqrt{2pD2-p^2}y\\ =\frac{1}{4}D{2}^{2}p(p+2D2)\end{array}$

AD段的方程：

$\begin{array}{c}{(\sqrt{2pD2-p^2}x-(p-D2\left)y\right)}^2-D2\×p^{2}x-D2(p+D2)\sqrt{2pD2-p^2}y\\ =\frac{1}{4}D{2}^{2}p(p+2D2)\end{array}$

渐开线AQ、BQ的描述方程为：

其中，D2为出射口径，p为待求参数，r为待求参数，为变量且其中τ由渐开线与抛物线交点B的坐标确定。

进一步地，本发明的太阳能电池板正反两面设置有太阳能集热器，正面用于收集汇集到上平面聚光区的入射光线，反面用于收集通过抛物线和渐开线所在平面反射到下方的反射光线。

进一步地，本发明的太阳能电池板还包括中间集热层，用于降低双面太阳能电池板温度的同时产生热水。

本发明提供一种基于PV/T系统的复合抛物面聚光器的设计方法，包括以下步骤：

S1、确定聚光器的最大聚光角θmax，并根据最大聚光角计算聚光比，其公式为：

$C=\frac{1}{sin\mathrm{\θ}max}$

S2、确定聚光器的入射口径D1，出射口径为D2，其关系满足以下公式：

$D2=\frac{D1}{C}=D1\×sin\mathrm{\θ}max$

S3、确定聚光器的高度h，其公式为：

$h=\frac{D2\×(1+sin\mathrm{\θ}max)}{2\×sin\mathrm{\θ}max\×\tan \mathrm{\θ}max}$

S4、抛物线BC满足方程：

$\begin{array}{c}{(\sqrt{2pD2-p^2}x+(p-D2\left)y\right)}^2+D2\×p^{2}x-D2(p+D2)\sqrt{2pD2-p^2}y\\ \end{array}$

$\frac{1}{4}{D2}^{2}p(p+2D2)$

抛物线AD满足方程：

$\begin{array}{c}{(\sqrt{2pD2-p^2}x-(p-D2\left)y\right)}^2-D2\×p^{2}x-D2(p+D2)\sqrt{2pD2-p^2}y\\ =\frac{1}{4}D{2}^{2}p(p+2D2)\end{array}$

S5、根据抛物线上的点C的坐标：

$Xc=\frac{D2}{2sin\mathrm{\θ}max}$

$Yc=\frac{D2(1+sin\mathrm{\θ}max)}{2sin\mathrm{\θ}max\×tan\mathrm{\θ}max}$

将其代入抛物线BC的方程中，求得按时p值，进而代入抛物线BC和抛物线AD的方程得到两条抛物线的描述方程；

S6、渐开线的方程为：

S7、将渐开线上电B的坐标B(0)代入渐开线的方程，求得参数r值，进而代入渐开线方程得到其描述方程；

S8、根据抛物线和渐开线的描述方程，在仿真软件中构建聚光器的模型。

本发明产生的有益效果是：本发明的基于PV/T系统的复合抛物面聚光器的设计方法，根据聚光光伏光热一体化的结构的设计理念，可以把给定接收角范围内的光线按照一定的聚光比收集到接收器上，保证双面太阳能电池板高效受光发电；通过数学建模和软件仿真的方式，大幅减少了聚光器的设计周期，降低了设计成本；并且设计的光学结构能够使光线沿长度方向均匀分布，有非常高的光学效率，可达到较好的聚光效果。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明实施例的基于PV/T系统的复合抛物面聚光器的结构示意图；

图2是本发明实施例的基于PV/T系统的复合抛物面聚光器的CPC光路原理图；

图3是本发明实施例的基于PV/T系统的复合抛物面聚光器的CPC剖面结构坐标示意图；

图4是本发明实施例的基于PV/T系统的复合抛物面聚光器的不同光照角度对电池板效率的影响曲线；

图5是本发明实施例的基于PV/T系统的复合抛物面聚光器的截断法计算示意图；

图6是本发明实施例的基于PV/T系统的复合抛物面聚光器的渐开线反射示意图；

图7是本发明实施例的基于PV/T系统的复合抛物面聚光器的设计方法仿真结果上表面辐照图(a)；

图8是本发明实施例的基于PV/T系统的复合抛物面聚光器的设计方法仿真结果下表面辐照图(a)；

图9是本发明实施例的基于PV/T系统的复合抛物面聚光器的设计方法仿真结果上表面辐照图(b)；

图10是本发明实施例的基于PV/T系统的复合抛物面聚光器的设计方法仿真结果下表面辐照图(b)。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明实施例的基于PV/T系统的复合抛物面聚光器，包括复合抛物面和太阳能电池板，太阳能电池板安装在复合抛物面的内部；

复合抛物面包括抛物线AD、抛物线BC和渐开线AQ、渐开线BQ，抛物线AD和抛物线BC呈轴对称，渐开线AQ和渐开线BQ呈轴对称；抛物线AD与渐开线AQ相交于抛物线BC的焦点A，抛物线BC与渐开线BQ相交于抛物线AD的焦点B；

抛物线的描述方程为：

BC段的方程：

$\begin{array}{c}{(\sqrt{2pD2-p^2}x+(p-D2\left)y\right)}^2+D2\×p^{2}x-D2(p+D2)\sqrt{2pD2-p^2}y\\ =\frac{1}{4}D{2}^{2}p(p+2D2)\end{array}$

AD段的方程：

$\begin{array}{c}{(\sqrt{2pD2-p^2}x-(p-D2\left)y\right)}^2-D2\×p^{2}x-D2(p+D2)\sqrt{2pD2-p^2}y\\ =\frac{1}{4}D{2}^{2}p(p+2D2)\end{array}$

渐开线AQ、BQ的描述方程为：

其中，D2为出射口径，p为待求参数，r为待求参数，为变量且(其中τ由渐开线与抛物线交点B的坐标确定)

太阳能电池板正反两面设置有太阳能集热器，正面用于收集汇集到上平面聚光区的入射光线，反面用于收集通过抛物线和渐开线所在平面反射到下方的反射光线。太阳能电池板还包括中间集热层，用于降低双面太阳能电池板温度的同时产生热水。

为了克服现有的在聚光光伏光热一体化应用中设计复合抛物面聚光器无法实现光学仿真、设计周期较长、设计成本高的不足，本发明实施例提供了一种通过构建数学模型的方法并结合tracepro和SolidWorks软件来实现复合抛物面聚光器的设计和仿真验证。

本发明实施例的基于PV/T系统的复合抛物面聚光器的设计方法，包括以下步骤：

S1、确定聚光器的最大聚光角θmax，并根据最大聚光角计算聚光比，其公式为：

$C=\frac{1}{sin\mathrm{\θ}max}$

S2、确定聚光器的入射口径D1，出射口径为D2，其关系满足以下公式：

$D2=\frac{D1}{C}=D1\×sin\mathrm{\θ}max$

S3、确定聚光器的高度h，其公式为：

$h=\frac{D2\×(1+sin\mathrm{\θ}max)}{2\×sin\mathrm{\θ}max\×\tan \mathrm{\θ}max}$

S4、抛物线BC满足方程：

$\begin{array}{c}{(\sqrt{2pD2-p^2}x+(p-D2\left)y\right)}^2+D2\×p^{2}x-D2(p+D2)\sqrt{2pD2-p^2}y\\ =\frac{1}{4}D{2}^{2}p(p+2D2)\end{array}$

抛物线AD满足方程：

$\begin{array}{c}{(\sqrt{2pD2-p^2}x-(p-D2\left)y\right)}^2-D2\×p^{2}x-D2(p+D2)\sqrt{2pD2-p^2}y\\ =\frac{1}{4}D{2}^{2}p(p+2D2)\end{array}$

S5、根据抛物线上的点C的坐标：

$Xc=\frac{D2}{2sin\mathrm{\θ}max}$

$Yc=\frac{D2(1+sin\mathrm{\θ}max)}{2sin\mathrm{\θ}max\×tan\mathrm{\θ}max}$

将其代入抛物线BC的方程中，求得按时p值，进而代入抛物线BC和抛物线AD的方程得到两条抛物线的描述方程；

S6、渐开线的方程为：

其中：r为待求参数，为变量且(其中τ由渐开线与抛物线交点B的坐标确定)

S7、将渐开线上电B的坐标B(0)代入渐开线的方程，求得参数r值，进而代入渐开线方程得到其描述方程；

S8、根据抛物线和渐开线的描述方程，在仿真软件中构建聚光器的模型。

太阳能优化聚光模块是基于传统的复合抛物面聚光器与圆的渐开线聚光器原理设计而成，整个聚光面具有较大的接收角范围。原理图如图1所示。在复合抛物面部分，入射的太阳光线一部分被汇集到上平面聚光区，被装在此处的电池板利用。另一部分太阳光线直射或被复合抛物面一次反射到下方的渐开线面。然后被渐开线面汇集到下平面聚光区，被装在此处的平板型太阳能集热器利用。

一、抛物线的设计过程：

由几何知识可知，当光线平行于抛物线轴线入射时，所有反射光线均会经过抛物线的焦点。因此，我们利用此特性实现聚光功能。

单支抛物线只能对平行于轴线的光线进行聚光，实际应用意义不大。因此我们运用了复合抛物线原理设计了聚光面，其能汇聚一定角度范围内的光线于聚光平面上。其聚光面截面如图2所示，截面主要由抛物线1的选段AB和抛物线2的选段CD组成，且D是抛物线1的焦点，B是抛物线2的焦点。两选段关于聚光器的对称线L对称。过D点做平行于抛物线CD轴线的直线，交抛物线AB于A点。过B点做平行于抛物线AB轴线的直线，交抛物线CD于C点。则光线在AD和CB夹角范围内入射，均可被汇聚。AD与L的夹角θmax即为聚光角.

由于CPC聚光发电装置的发电量取决于电池板的面积和聚光比。因此，我们设电池板宽度为a，聚光比为g。如图3所示，设OC段抛物线方程为：则抛物线的焦点为B(0，f)，焦距为f。以电池板的宽度a为半径，点B为圆心画圆，在第一象限内与抛物线交于D点，求得点D的坐标为BD的中点N坐标为作BD的垂直平分线NM，可以求出NM的直线方程：即：

以该直线为镜像线作出CD的对称线抛物线AB、其方程满足：

$(x-2\sqrt{4f(a-f)}\frac{x\sqrt{4f(a-f)}-(2f-a)y+\frac{{4f}^2-2\mathrm{fa}-a^2}{2}}{a^2})$

$-4f(y+2(2f-a)\frac{x\sqrt{4f(a-f)}-(2f-a)y+\frac{{4f}^2-2\mathrm{fa}-a^2}{2}}{a^2})=0$

显然该抛物线的焦点为点D；过D点作y轴的平行线且与抛物线AB交与点A；过A作MN的垂线与抛物线CD交于点C，AC的长度L为本装置的入射光口的长度，且L＝a*g。由于所求的L是关于f和a的函数表达式，所以根据具体的设计给出a和g的值，便可以求出抛物线的焦距f，完成我们CPC系统的曲面设计。

根据上述原理，只要在系统接收角范围内的入射光线，都能直接或经一次反射到达电池板(线段BD)上，实现入射口L上的光线聚集的效果。

二、渐开线的设计过程：

上述设计的CPC结构存在接收角小的问题。且当光线照射至下部分时，反射光线入射至太阳能电池板上的入射角度增大，如图4所示，当太阳光入射角度大于45o时，电池板发电功率将急剧下降，实际应用意义不大。因此我们采用截断法截去反射面的下部。如图5所示，用距离BD为x的直线将CPC从下端截断,得到新的抛物线选段AE和CF。显然此时的接收半角θ’max大于原接收半角θmax。

由于出光口的长度增大，电池板两端将出现空隙。为了使从两端空隙射入的光线得到最大程度的利用，我们用渐开线代替EBDF段并形成封闭结构。如图6所示，由于渐开线上任意一点的法线与基圆相切，入射光线从法线一边以一定夹角入射并反射到基圆上；当夹角变大后，光线经一次或二次反射到基圆上，达到聚光效果。基圆即为集热管的截面。

渐开线方程:

X＝rb*cosθ+θ*rb*sinθ；Y＝rb*sinθ-θ*rb*cosθ

其中：r为待求参数，为变量且(其中τ由渐开线与抛物线交点B的坐标确定)

根据以上方程，可将抛物线上EF两点间的距离用关于rb的方程表示。EF的实际长度可由抛物线算出。继而可以确定rb，则可以确定渐开线方程。

由于所在集热管上半部分接收的光线较少，因此设计时我们采用半圆管代替圆管集热管，但是实际的制作中，由于无半圆集热管销售，我们所利用的是平板太阳能集热板，其宽度与电池板相等，能够较好的代替集热管。

三、太阳能优化聚光模块的仿真验证：

利用SolidWorks的方程曲线控制设计出了我们的太阳能优化聚光模块的三维模型，将该模型导入Tracepro进行光学性质验证，我们的模型设计接收角为15度，我们分别验证光线入射角分别处于极限接收角度和中间接收角度时的光学效果：

1)光线入射角为极限接收角度时：

如图7和图8所示，当入射光线总辐射能量值为10000W时，上板接收辐照的能量值为8600W，下板接收的辐照能量值为1400W，此时光学效率η1计算如下：

2)光线入射角为中间接收角度时：

如图9和图10所示，当入射光线总辐射光通量值为10000W时，上板接收辐照的光通量值为6800W，下板接收的辐照光通量值为2700W，此时光学效率η2计算如下：

综上软件仿真结果可知，我们的光学结构设计可使光线沿长度方向上均匀分布，且光学效率在90％以上，可达到较好的聚光效果。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (4)

1.一种基于PV/T系统的复合抛物面聚光器，其特征在于，包括复合抛物面和太阳能电池板，太阳能电池板安装在复合抛物面的内部；

复合抛物面包括抛物线AD、抛物线BC和渐开线AQ、渐开线BQ，抛物线AD和抛物线BC呈轴对称，渐开线AQ和渐开线BQ呈轴对称；抛物线AD与渐开线AQ相交于抛物线BC的焦点A，抛物线BC与渐开线BQ相交于抛物线AD的焦点B；

抛物线的描述方程为：

BC段的方程：

$\begin{array}{c}{(\sqrt{2pD2-p^2}x+(p-D2\left)y\right)}^2+D2\×p^{2}x-D2(p+D2)\sqrt{2pD2-p^2}y\\ =\frac{1}{4}D{2}^{2}p\left(p+2D2\right)\end{array}$

AD段的方程：

$\begin{array}{c}{(\sqrt{2pD2-p^2}x-(p-D2\left)y\right)}^2-D2\×p^{2}x-D2(p+D2)\sqrt{2pD2-p^2}y\\ =\frac{1}{4}D{2}^{2}p\left(p+2D2\right)\end{array}$

渐开线AQ、BQ的描述方程为：

其中，D2为出射口径，p为待求参数，r为待求参数，为变量且其中τ由渐开线与抛物线交点B的坐标确定。

2.根据权利要求1所述的基于PV/T系统的复合抛物面聚光器，其特征在于，太阳能电池板正反两面设置有太阳能集热器，正面用于收集汇集到上平面聚光区的入射光线，反面用于收集通过抛物线和渐开线所在平面反射到下方的反射光线。

3.根据权利要求2所述的基于PV/T系统的复合抛物面聚光器，其特征在于，太阳能电池板还包括中间集热层，用于降低双面太阳能电池板温度的同时产生热水。

4.一种基于PV/T系统的复合抛物面聚光器的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、确定聚光器的最大聚光角θmax，并根据最大聚光角计算聚光比，其公式为：

$C=\frac{1}{sin\mathrm{\θ}max}$

S2、确定聚光器的入射口径D1，出射口径为D2，其关系满足以下公式：

$D2=\frac{D1}{C}=D1\×sin\mathrm{\θ}max$

S3、确定聚光器的高度h，其公式为：

$h=\frac{D2\×(1+sin\mathrm{\θ}max)}{2\×sin\mathrm{\θ}max\×\tan \mathrm{\θ}max}$

S4、抛物线BC满足方程：

$\begin{array}{c}{(\sqrt{2pD2-p^2}x+(p-D2\left)y\right)}^2+D2\×p^{2}x-D2(p+D2)\sqrt{2pD2-p^2}y\\ =\frac{1}{4}D{2}^{2}p\left(p+2D2\right)\end{array}$

抛物线AD满足方程：

$\begin{array}{c}{(\sqrt{2pD2-p^2}x-(p-D2\left)y\right)}^2-D2\×p^{2}x-D2(p+D2)\sqrt{2pD2-p^2}y\\ =\frac{1}{4}D{2}^{2}p\left(p+2D2\right)\end{array}$

S5、根据抛物线上的点C的坐标：

$Xc=\frac{D2}{2sin\mathrm{\θ}max}$

$Yc=\frac{D2(1+sin\mathrm{\θ}max)}{2sin\mathrm{\θ}max\×tan\mathrm{\θ}max}$

将其代入抛物线BC的方程中，求得此时p值，进而代入抛物线BC和抛物线AD的方程得到两条抛物线的描述方程；

S6、渐开线的方程为：

其中：r为带求参数，为变量且其中τ由渐开线与抛物线交点B的坐标确定；

S7、将渐开线上点B的坐标代入渐开线的方程，求得参数r值，进而代入渐开线方程得到其描述方程；

S8、根据抛物线和渐开线的描述方程，在仿真软件中构建聚光器的模型。