CN108469124A - 一种高增益太阳能非成像复合抛物聚光集热装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高增益太阳能非成像复合抛物聚光集热装置，包括支架、高增益复合抛物聚光器、圆形吸收体和吸收体基座。该装置具有较大截获太阳辐射有效光口宽度，接收半角与聚光比同步提升特性。通过理论推导及数值计算，得出与之相对应的最佳倾角及方位角，使聚光器有效工作时间点提前，且总会聚辐照量最大。

Description

一种高增益太阳能非成像复合抛物聚光集热装置

技术领域

本发明涉及一种太阳能集热装置，特别涉及一种高增益非成像复合抛物聚光集热装置，属于太阳能的热利用技术领域。

背景技术

化石燃料可开采量不断减少，环境污染问题亟待解决。太阳能以其自身清洁、广泛、可再生的优势日渐受到重视。太阳能，主要是指太阳辐射能。随着科技的进步，太阳能的利用也得到迅速发展，由过去用于简单的食物加工，至如今代替部分化石燃料为日常生活及工业加工供能。

太阳能利用技术主要体现在光热、光伏、光生物及光化学等方面。在太阳能利用技术当中，光热利用因技术相对成熟、较好的经济性、适用域广泛等特点，在实际应用中最为普遍。太阳能热利用的基本原理是用集热器将太阳辐射能收集起来，通过与物质的相互作用转换成热能加以利用。由于太阳能能量密度较低，直接利用难以达到较高的集热温度，无法满足工业需求，通过聚光器件将太阳光会聚至较小的吸收体上，提高单位面积的太阳辐照密度，以此来获得较高的集热温度。

太阳能聚光系统主要分为两类：跟踪型和静态型。跟踪型包括槽式太阳能、塔式太阳能、碟式太阳能与菲涅耳系统。跟踪型太阳能聚光系统具有集热温度高、聚光比较大、系统启动迅速等优点，但自身需要匹配跟踪装置，对跟踪系统硬件设施作出较高要求的同时，对系统运行稳定性也提出较高标准。近年静态型聚光系统，尤其复合抛物聚光器（CPC）以其自身不需跟踪系统、静态运行、集热温位带宽、易于构建等优势得到国内外众多高校及企业的认可。

在CPC聚光器面型构建中，接收半角与聚光比是较为重要的参数。接收半角决定聚光器接收太阳辐射能空间范围，也影响其实际有效工作时间；聚光比决定吸收体单位面积上太阳辐射能流密度。针对圆形吸收体与平板吸收体复合抛物聚光器，国内部分高校已开展研究工作，构建出多种聚光器面型结构，但目前所提出的CPC面型，以增大接收半角来延长聚光器有效工作时间，导致聚光比减小，难以获得较高能流密度的太阳辐射能；反之增大CPC聚光比，致使接收半角减小，使有效工作时间缩短，这是因为传统CPC接收半角与聚光比存在。

发明内容

本发明针对现有技术存在的不足，提供一种接收半角与聚光比同步提高的高增益太阳能非成像复合抛物聚光集热装置。该装置基于非成像聚光作用的广义边缘光线原理，构建具有接收半角与聚光比同步提高特性的面型结构。该太阳能聚光器静态运行无需跟踪装置，可根据圆形吸收体不同工艺尺寸设计与之相匹配的复合抛物面形，若供热需求较大，可通过串并联等方式将多个集热单元组成大型太阳能集热阵列。

本发明采用的技术方案是：

一种高增益太阳能非成像复合抛物聚光集热装置，包括：支架1、高增益复合抛物聚光器、圆形吸收体4和吸收体基座；

所述高增益复合抛物聚光器包括北上复合抛物聚光面板2、北部复合抛物聚光底板3、南部复合抛物聚光底板5和南上复合抛物聚光面板9；北上复合抛物聚光面板2与北部复合抛物聚光底板3连接组成北半复合聚光面，南部复合抛物聚光底板5与南上复合抛物聚光面板9连接组成南半复合聚光面，北半复合聚光面与南半复合聚光面以采光口法线为中轴左右对称；北部复合抛物聚光底板3与南部复合抛物聚光底板5连接；北上复合抛物聚光面板2和南上复合抛物聚光面板9的接收半角β为35°-60°；北部复合抛物聚光底板3与南部复合抛物聚光底板5轮廓线符合方程，式中，x-渐开线横坐标，y-渐开线纵坐标，r-圆形吸收体半径，β-接收半角；

所述高增益复合抛物聚光器的接受角δ为80°-135°；

所述吸收体基座包括支撑杆6、支撑底架7和卡套8；支撑杆6一端与支撑底架7连接，另一端与卡套8连接；支撑底架7固定在支架1上；圆形吸收体4安装在卡套8内；

所述高增益复合抛物聚光器倾斜安装在支架1上，倾斜角度为30°-90°，根据使用地的纬度等具体情况进行调整；圆形吸收体4由吸收体基座固定于高增益复合抛物聚光器采光口法线方向上，不与高增益复合抛物聚光器接触。

支架1底部设有角度调节底座10。

优选地，圆形吸收体4与卡套8之间设有硅胶垫。

工作过程：将所述高增益太阳能非成像复合抛物聚光集热装置东西向（圆形吸收体4两端分别朝向东西向）放置，由于太阳高度角时刻都在变化，故光线入射角也随之变化。当太阳光线入射角在北上复合抛物聚光面板2接收半角以内、南上复合抛物聚光面板9接收半角以外时，光线通过直射和北上复合抛物聚光面板2、北部复合抛物聚光底板3及南部复合抛物聚光底板5二次反射两种方式到达圆形吸收体4；当太阳光线入射角同时在北上复合抛物聚光面板2和南上复合抛物聚光面板9接收半角范围内时，北、南上复合抛物聚光面板和北、南部复合抛物聚光底板同时工作，光线通过直射和北、南上复合抛物聚光面板、北、南部复合抛物聚光底板二次反射两种方式到达圆形吸收体4；当太阳光线入射角在北上复合抛物聚光面板2接收半角以外、南上复合抛物聚光面板9接收半角以内时，光线可通过直射和南上复合抛物聚光面板9、南部复合抛物聚光底板5及北部复合抛物聚光底板3二次反射两种方式到达圆形吸收体4；最后，光线无法到达聚光器，高增益太阳能非成像复合抛物聚光集热装置停止工作。

原理：北上复合抛物聚光面板2（南上复合抛物聚光面板9）与北部复合抛物聚光底板3（南部复合抛物聚光底板5）几何面型结构不同。

北上复合抛物聚光面板2与南上复合抛物聚光面板9的几何面型结构相同，是基于太阳能CPC聚光器面型理论及非成像聚光作用的广义边缘光线原理构建，接收半角较大，截获太阳辐射有效光口宽度也相对增大，与传统CPC相比，接收半角与聚光比同步提高；

北部复合抛物聚光底板3与南部复合抛物聚光底板5的几何面型结构相同，是基于渐开线及相关数学理论优化得来，轮廓线符合方程，式中，x-渐开线横坐标，y-渐开线纵坐标，r-圆形吸收体半径，β-接收半角；在理论模型中，到达北部复合抛物聚光底板3和南部复合抛物聚光底板5上的光线经反射可全部到达圆形吸收体4。

等接收半角原理：如图6所示，β为接收半角，θ ₁ 和θ ₂是光线的入射角。AN段为北上复合抛物聚光面板，ON段为北部复合抛物聚光底板，OM段为北部复合抛物聚光底板，BM段为北上复合抛物聚光面板。根据边缘光线原理，以β为入射角进入聚光器的光线，经AN、BM面形反射后刚好被圆形吸收体4吸收，当其他光线以β为入射角进入聚光器仍然刚好汇聚至圆形吸收体4上同一点。由反射定律知，当任意进入光线入射角小于β（如θ ₁ 和θ ₂ ，θ ₁ <θ ₂ ）并落在AN、BM面形上，经面型反射后都会到达圆形吸收体4。

北部复合抛物聚光底板3和南部复合抛物聚光底板5可将到达其上的光线全部反射到圆形吸收体4上。如图7所示，δ/2为光线到达聚光底板的临界角，在此称为接受半角，δ称为接受角（即经北上复合抛物聚光面板2边缘入射至南上复合抛物聚光面板9与南部复合抛物聚光底板5连接点处的光线、与经南上复合抛物聚光面板9边缘入射至北上复合抛物聚光面板2与北部复合抛物聚光底板3连接点处的光线间的夹角），由此可看出高增益聚光器接受半角远大于传统聚光器接受半角，为传统聚光器接受半角的1.2-1.8倍，有效采光口得以增大；结合等接收半角原理，接收半角也同时得到提升；对于同尺寸的圆形吸收体，高增益聚光器将更多的太阳光线会聚至圆形吸收体表面，使圆形吸收体表面太阳能流密度更高，即聚光比提升。

为使吸收体尽可能多的吸收太阳辐射能，根据不同地区纬度值，将所述高增益复合抛物聚光器倾斜放置，旨在总性能最优，延长聚光器有效工作时间的同时，使总会聚辐照量最大化。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、采用广义边缘光线理论及渐近线等相关原理构造高增益复合抛物聚光器几何面型结构，几何面型为对称结构，截获太阳辐射有效光口宽度较大，且具有接收半角与聚光比同步提高的特性；

2、无需跟踪装置，通过理论推导及数值计算，得出与之相对应的最佳倾角及方位角，在提前聚光器有效工作时间点的同时，总会聚辐照量最大化；

3、通过真空管圆形卡套、硅胶垫及支撑底架等相关器件，将圆形吸收体悬置在聚光器上方的同时，固定了圆形吸收体的位置，使圆形吸收体不与聚光面接触，减小表面应力，避免面型因挤压发生形变；

4、易于集成构建、运行状态稳定、光场高效利用等特征。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为光线入射角在北上复合抛物聚光面板接收半角内示意图；

图3为光线入射角在北、南上复合抛物聚光面板接收半角内示意图；

图4为光线入射角在南上复合抛物聚光面板接收半角内示意图；

图5为本发明工作过程示意图；

图6为本发明高增益原理示意图；

图7为接受角δ示意图；

图中：1-支架，2-北上复合抛物聚光面板，3-北部复合抛物聚光底板，4-圆形吸收体，5-南部复合抛物聚光底板，6-支撑杆，7-支撑底架，8-卡套，9-南上复合抛物聚光面板，10-角度调节底座，β-接收半角，θ ₁ 、θ ₂-光线入射角，δ-接受角。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明进一步说明。

实施例1

一种高增益太阳能非成像复合抛物聚光集热装置，包括：支架1、高增益复合抛物聚光器、圆形吸收体4和吸收体基座；

所述高增益复合抛物聚光器包括北上复合抛物聚光面板2、北部复合抛物聚光底板3、南部复合抛物聚光底板5和南上复合抛物聚光面板9；北上复合抛物聚光面板2与北部复合抛物聚光底板3连接组成北半复合聚光面，南部复合抛物聚光底板5与南上复合抛物聚光面板9连接组成南半复合聚光面，北半复合聚光面与南半复合聚光面以采光口法线为中轴左右对称；北部复合抛物聚光底板3与南部复合抛物聚光底板5连接；北上复合抛物聚光面板2和南上复合抛物聚光面板9的接收半角β为60°；北部复合抛物聚光底板3与南部复合抛物聚光底板5轮廓线符合方程，式中，x-渐开线横坐标，y-渐开线纵坐标，r-圆形吸收体半径，β-接收半角；

所述高增益复合抛物聚光器的接受角δ为80°；

所述吸收体基座包括支撑杆6、支撑底架7和卡套8；支撑杆6一端与支撑底架7连接，另一端与卡套8连接；支撑底架7固定在支架1上；圆形吸收体4安装在卡套8内；

所述高增益复合抛物聚光器倾斜安装在支架1上，倾斜角度为35°；圆形吸收体4由吸收体基座固定于高增益复合抛物聚光器采光口法线方向上，不与高增益复合抛物聚光器接触。

支架1底部设有角度调节底座10。

实施例2

本实施例与实施例1结构基本相同，不同之处在于，北上复合抛物聚光面板2和南上复合抛物聚光面板9的接收半角β为60°。

实施例3

本实施例与实施例1结构基本相同，不同之处在于，所述高增益复合抛物聚光器的接受角δ为135°。

实施例4

本实施例与实施例1结构基本相同，不同之处在于，高增益复合抛物聚光器倾斜角度为85°。

实施例5

本实施例与实施例1结构基本相同，不同之处在于，圆形吸收体4与卡套8之间设有硅胶垫。

Claims (6)

1.一种高增益太阳能非成像复合抛物聚光集热装置，包括：支架（1）、高增益复合抛物聚光器、圆形吸收体（4）和吸收体基座；

所述高增益复合抛物聚光器包括北上复合抛物聚光面板（2）、北部复合抛物聚光底板（3）、南部复合抛物聚光底板（5）和南上复合抛物聚光面板（9）；北上复合抛物聚光面板（2）与北部复合抛物聚光底板（3）连接组成北半复合聚光面，南部复合抛物聚光底板（5）与南上复合抛物聚光面板（9）连接组成南半复合聚光面，北半复合聚光面与南半复合聚光面以采光口法线为中轴左右对称；北部复合抛物聚光底板（3）与南部复合抛物聚光底板（5）连接；

所述吸收体基座包括支撑杆（6）、支撑底架（7）和卡套（8）；支撑杆（6）一端与支撑底架（7）连接，另一端与卡套（8）连接；支撑底架（7）固定在支架（1）上；圆形吸收体（4）安装在卡套（8）内；

所述高增益复合抛物聚光器倾斜安装在支架（1）上，圆形吸收体（4）由吸收体基座固定于高增益复合抛物聚光器采光口法线方向上，不与高增益复合抛物聚光器接触；

支架（1）底部设有角度调节底座（10）。

2.根据权利要求1所述的高增益太阳能非成像复合抛物聚光集热装置，其特征在于：北上复合抛物聚光面板（2）和南上复合抛物聚光面板（9）的接收半角β为35°-60°。

3.根据权利要求1所述的高增益太阳能非成像复合抛物聚光集热装置，其特征在于：北部复合抛物聚光底板（3）与南部复合抛物聚光底板（5）轮廓线符合方程，式中，x-渐开线横坐标，y-渐开线纵坐标，r-圆形吸收体半径，β-接收半角。

4.根据权利要求1所述的高增益太阳能非成像复合抛物聚光集热装置，其特征是：高增益复合抛物聚光器的接受角δ为80°-135°。

5.根据权利要求1所述的高增益太阳能非成像复合抛物聚光集热装置，其特征是：高增益复合抛物聚光器倾斜角度为30°-90°。

6.根据权利要求1所述的高增益太阳能非成像复合抛物聚光集热装置，其特征是：圆形吸收体（4）与卡套（8）之间设有硅胶垫。