CN108645056A - 一种等接收逃逸半角太阳能聚光集热装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种等接收逃逸半角太阳能聚光集热装置，包括菲涅尔透镜、透明盖板、反光部件、集热管、集热管支撑部件和基座；反光部件包括北面复合平面反光板和南面复合平面反光板；北面复合平面反光板根据北面CPC设计而成，南面复合平面反光板根据南面CPC设计而成；北面复合平面反光板和南面复合平面反光板非对称设置。在确保采光性能实现高效聚光的情况下，不仅降低了传统CPC抛物反光柱面加工难度及其生产成本，而且摆脱了传统CPC系统倾角限制实现了在地面上的平躺放置，进而提高了系统运行稳定性。适合于圆形吸收体的真空太阳能集热管，输出中低温热能，可以通过串并联的方式组成大型中低温太阳能集热阵列。
Description
技术领域
本发明涉及一种太阳能集热装置，特别涉及一种等接收逃逸半角太阳能聚光集热装置，属于太阳能的热利用技术领域。
背景技术
太阳能热利用是日常生活中最常见的方式。虽然太阳辐射的总能量很大，但太阳能通量密度很低，要想利用太阳能产生高温热，往往需要对太阳光进行会聚。目前技术比较成熟的有槽式聚光系统、碟式聚光系统和塔式聚光系统、菲涅尔式聚光系统，这些聚光器结构复杂、必须连续跟踪太阳光、安装和拆卸极其不方便、系统成本较高，难以被普通的工业企业所接受。然而，到了20世纪70年代，复合抛物聚光器（CPC）开始进入到太阳能的聚光领域，被广泛应用。但由于加工CPC的抛物反光柱面具有一定的难度，制造过程复杂且精度低，无形中增加了成本。
目前，所使用的太阳能聚光装置中，大多数情况下只用一种聚光器独立运行，往往不能将各种聚光器的优点结合起来使用以达到最好的接收效果。此外，对称的CPC即便无需连续光跟踪装置，也需要间歇性或季节性的去调整聚光器与地面的倾角来获取更多的太阳能，且倾角随着摆放地理位置的纬度变化而变化，这样降低了系统稳定性，还增大了耗材量，进而增加成本。
发明内容
本发明旨在克服现有技术存在的不足，提供一种等接收逃逸半角的太阳能聚光集热装置。该装置基于等接收逃逸半角原理将传统CPC的抛物反光面进行平面化处理，设计为非对称的复合平板面形结构，再结合菲涅尔透镜的聚光特性，在减少反光面积的同时增大了采光角度，无需光跟踪装置就能接收大范围的太阳能，适合于圆形吸收体的真空太阳能集热管，输出中低温热能，并可以方便的组成大型中低温太阳能集热阵列。
本发明采用的技术方案如下：
一种等接收逃逸半角太阳能聚光集热装置，包括菲涅尔透镜5、透明盖板6、反光部件、集热管15、集热管支撑部件和基座1；
反光部件包括北面复合平面反光板和南面复合平面反光板；北面复合平面反光板根据北面CPC设计而成，包括北面上部复合平面反光板8和北面下部复合平面反光板10，北面上部复合平面反光板8为由两块以上的具有等接收半角的平面反光板连接而成的抛物线形复合平面反光板，北面下部复合平面反光板10为由两块以上的具有等逃逸半角的平面反光板连接而成的渐开线形复合平面反光板，北面上部复合平面反光板8和北面下部复合平面反光板10的连接点Ⅰ9位于北面CPC轮廓线17上；南面复合平面反光板根据南面CPC设计而成，包括南面上部复合平面反光板3和南面下部复合平面反光板2，南面上部复合平面反光板3为由两块以上的具有等接收半角的平面反光板连接而成的抛物线形复合平面反光板，南面下部复合平面反光板2为由两块以上的具有等逃逸半角的平面反光板连接而成的渐开线形复合平面反光板，南面上部复合平面反光板3和南面下部复合平面反光板2的连接点Ⅱ14位于南面CPC轮廓线16上；北面复合平面反光板和南面复合平面反光板非对称设置，北面上部复合平面反光板8的接收半角大于南面上部复合平面反光板3的接收半角，北面下部复合平面反光板10的逃逸半角大于南面下部复合平面反光板2的逃逸半角；反光部件安装在基座1上，北面下部复合平面反光板10的端点与南面下部复合平面反光板2的端点分别与集热管15连接；
集热管15通过集热管支撑部件安装在基座1上，集热管支撑部件包括托盘18、支撑杆13、肋板12和基台11，集热管15嵌入托盘18，托盘18通过支撑杆13与基台11连接，支撑杆13为托盘18提供支持力，肋板12支撑在支撑杆13两侧，基台11稳固安装在基座1上，提高了整个聚光集热装置的稳定性；
菲涅尔透镜5与透明盖板6连接，透明盖板6边缘下方设有凸缘7，基座1的边缘上方设有凹槽4，凸缘7和凹槽4的尺寸应保证两者能够相互配合使透明盖板6与基座1紧密接触，凸缘7和凹槽4的设计确保菲涅尔透镜5刚好位于采光口的上方，以减少风雨对集热管15及反光部件的侵蚀。
优选地，接收半角为15°-60°，0°＜逃逸半角度数＜接收半角度数。
优选地，集热管15为全玻璃真空太阳能集热管。
优选地，平面反光板可采用镜面不锈钢材质或贴有高反射率的玻璃镜面制造，基座1可采用其他形式，但都应具有可靠的稳固性。
优选地，菲涅尔透镜5与透明盖板6选用同一种材料且一体化成型。
工作过程：将所述等接收逃逸半角太阳能聚光集热装置东西向放置（北面复合平面反光板位于北方，南面复合平面反光板位于南方，且北面复合平面反光板朝向正南方向，集热管两端朝向东西方向），如图4所示。当太阳光线从南面射入时，越过南面复合反光平面板的光线在菲涅尔透镜初步会聚作用下，一部分直接到达集热管，另一部分在北面两部分复合平面聚光器的配合下，经二次反射后将更多的光线聚集到集热管；当太阳光线从北面射入时，越过北面复合平面反光板的光线在菲涅尔透镜会聚作用下，一部分直接到达集热管，另一部分在南面两部分复合平面聚光器的配合下，经二次反射后将更多地光线聚集到集热管。太阳高度角在不断变化，由于反光部件面形结构的非对称设计以及菲涅尔透镜的会聚作用，使进入到采光口的绝大部分太阳辐射能直接或被反射到集热管而被吸收利用，如图5所示。
原理：本发明采用等接收半角原理设计北面/南面上部复合平面反光板；由于反光部件的下部受到集热管及其它面型的遮挡，因此采用等逃逸半角原理设计北面/南面下部复合平面反光板，以下以北面复合平面反光板的设计为例来说明：
等逃逸半角原理：如图2所示，在北面CPC轮廓线17下部取点B和A构成三维复合平面反光板，设点C、B、A分别为CB、BA、AD段的上端点，当太阳光线19到达CB、BA、AD段表面时，太阳光线19将分别以CB、BA、AD的垂线n 1 、n 2 、n 3 作为法线反射。当太阳光线19照射到CB段的顶点C时，反射光线CE恰好相切集热管15于点E，对于B和A点同样分别有反射光线BF和AG相切集热管15于点F、G。当点B和A所构成的三维北面下部复合平面反光板10，其面形CB、BA、AD段上顶点C、B、A满足特征入射光线反射所对应的反射光线CE、BF、AG与法线n 1 、n 2 、n 3 构成的逃逸半角β 1 、β 2 、β 3 数值相等，基于这样的原则可以得到更多维数的下部复合平面反光板。从图2可以看出，对于C点，若入射光线与反射光线构成的角小于β 1 ，则反射光线不能到达集热管15且从其采光口逃逸，反之则能到达集热管15，A和B点也有类似的情况。
等接收半角的原理与等逃逸半角的原理类似，如图3所示，点H、I、J分别为HI、IJ的上端点，太阳光线照射点到H、I分别以n 4 、n 5 作为法线反射，与集热管15各相切于点L、K，其中接收半角α 1 、α 2 数值相等，因此可称HI、IJ具有相同的接收半角。
等接收半角原理与等逃逸半角原理不同之处在于：当复合平面反光板的维数趋于无穷大时，共同的逃逸半角数值近似等于零，而共同的接收半角数值近似等于原CPC的接收半角。
等接收半角与等逃逸半角的设计均可采用编程计算或迭代的方式找出各平面板共同的接收半角或共同的逃逸半角以及各个平面的连接点。
南面复合平面反光板的设计思想与北面的设计思想一致，不再赘述。
提供支持力的托盘18存在遮挡集热管15吸收太阳辐射能的现象，由于托盘18与集热管15接触的面积相对吸收光照的面积要小得多，可忽略不计这部分光能损失。
本发明与现有技术相比，有益效果是：
1、将CPC的抛物反光柱面分成上下部分做平面化处理，上半部分运用等接收半角的原理来设计复合平板结构，下半部分运用等逃逸半角来设计复合平板结构，解决了传统CPC抛物反光柱面加工难度大以及制造过程复杂性的问题，节约材料的同时也降低了成本；
2、反光部件面形结构呈非对称，且北面的接收半角大于南面的接收半角，实现高效聚光的同时，也实现了在地面上的平躺放置，这样摆脱了传统CPC系统的倾角限制，提高了系统运行稳定性，增大了系统对太阳光线的捕获能力；
3、利用菲涅尔透镜的会聚能力，将平面化的CPC反光面聚光特性有机的结合起来，以达到更高的聚光效益；
4、将菲涅尔透镜与透明盖板一体化成型来覆盖采光口，减轻了风雨对集热管的侵蚀，降低了灰尘在集热管和复合平面反光板的集聚度，从而获得更多的太阳辐射能；
5、将透明盖板上的凸缘和基座上的凹槽相互配合，保证透明盖板紧贴基座的上端面，使穿过菲涅尔透镜的光线都能进入采光口，并且装配和拆卸都极其的方便。
附图说明
图1 为本发明结构示意图；
图2 为北面下部复合平面反光板等逃逸半角原理示意图；
图3 为北面上部复合平面反光板等接收半角原理示意图；
图4 为等接收逃逸半角太阳能聚光集热装置东西向放置示意图：
图5为本发明的光线会聚路径示意图；
图中：1-基座，2-南面下部复合平面反光板，3-南面上部复合平面反光板，4-凹槽，5-菲涅尔透镜，6-透明盖板，7-凸缘，8-北面上部复合平面反光板，9-连接点Ⅰ，10-北面下部复合平面反光板，11-基台，12-肋板，13-支撑杆，14-连接点Ⅱ，15-集热管，16-南面CPC轮廓线，17-北面CPC轮廓线，18-托盘，19-太阳光线，n 1 、n 2 、n 3 、n 4 、n 5 -法线，α 1 、α 2 -接收半角，β 1、β 2 、β 3 -逃逸半角。
具体实施方式
实施例1
如图1所示，一种等接收逃逸半角太阳能聚光集热装置，包括菲涅尔透镜5、透明盖板6、反光部件、集热管15、集热管支撑部件和基座1；
反光部件包括北面复合平面反光板和南面复合平面反光板；北面复合平面反光板根据北面CPC设计而成，包括北面上部复合平面反光板8和北面下部复合平面反光板10，北面上部复合平面反光板8为由两块以上的具有等接收半角的平面反光板连接而成的抛物线形复合平面反光板，北面下部复合平面反光板10为由两块以上的具有等逃逸半角的平面反光板连接而成的渐开线形复合平面反光板，北面上部复合平面反光板8和北面下部复合平面反光板10的连接点Ⅰ9位于北面CPC轮廓线17上；南面复合平面反光板根据南面CPC设计而成，包括南面上部复合平面反光板3和南面下部复合平面反光板2，南面上部复合平面反光板3为由两块以上的具有等接收半角的平面反光板连接而成的抛物线形复合平面反光板，南面下部复合平面反光板2为由两块以上的具有等逃逸半角的平面反光板连接而成的渐开线形复合平面反光板，南面上部复合平面反光板3和南面下部复合平面反光板2的连接点Ⅱ14位于南面CPC轮廓线16上；北面复合平面反光板和南面复合平面反光板非对称设置，北面上部复合平面反光板8的接收半角大于南面上部复合平面反光板3的接收半角，北面下部复合平面反光板10的逃逸半角大于南面下部复合平面反光板2的逃逸半角；反光部件安装在基座1上，北面下部复合平面反光板10的端点与南面下部复合平面反光板2的端点分别与集热管15连接；
集热管15通过集热管支撑部件安装在基座1上，集热管支撑部件包括托盘18、支撑杆13、肋板12和基台11，集热管15嵌入托盘18，托盘18通过支撑杆13与基台11连接，支撑杆13为托盘18提供支持力，肋板12支撑在支撑杆13两侧，基台11安装在基座1上；
菲涅尔透镜5与透明盖板6连接，透明盖板6边缘下方设有凸缘7，基座1的边缘上方设有凹槽4，凸缘7和凹槽4的尺寸相互配合使透明盖板6与基座1紧密接触，确保菲涅尔透镜5刚好位于采光口的上方。
实施例2
本实施例结构与实施例1基本相同，不同之处在于，北面上部复合平面反光板为两平面时，接收半角为34°；北面下部复合平面反光板为三平面时，逃逸半角为20°。南面上部复合平面反光板为两平面时，接收半角为19°；南面下部复合平面反光板为三平面时，逃逸半角为16°。
实施例3
本实施例结构与实施例1基本相同，不同之处在于，集热管15为全玻璃真空太阳能集热管。
实施例4
本实施例结构与实施例1基本相同，不同之处在于，平面反光板采用镜面不锈钢材质制造。
实施例5
本实施例结构与实施例1基本相同，不同之处在于，平面反光板采用贴有高反射率的玻璃镜面制造。
实施例6
本实施例结构与实施例1基本相同，不同之处在于，菲涅尔透镜5与透明盖板6选用同一种材料且一体化成型。
Claims (5)
1.一种等接收逃逸半角太阳能聚光集热装置，包括菲涅尔透镜（5）、透明盖板（6）、反光部件、集热管（15）、集热管支撑部件和基座（1）；
反光部件包括北面复合平面反光板和南面复合平面反光板；北面复合平面反光板包括北面上部复合平面反光板（8）和北面下部复合平面反光板（10），北面上部复合平面反光板（8）为由两块以上的具有等接收半角的平面反光板连接而成的抛物线形复合平面反光板，北面下部复合平面反光板（10）为由两块以上的具有等逃逸半角的平面反光板连接而成的渐开线形复合平面反光板，北面上部复合平面反光板（8）和北面下部复合平面反光板（10）的连接点Ⅰ（9）位于北面CPC轮廓线（17）上；南面复合平面反光板包括南面上部复合平面反光板（3）和南面下部复合平面反光板（2），南面上部复合平面反光板（3）为由两块以上的具有等接收半角的平面反光板连接而成的抛物线形复合平面反光板，南面下部复合平面反光板（2）为由两块以上的具有等逃逸半角的平面反光板连接而成的渐开线形复合平面反光板，南面上部复合平面反光板（3）和南面下部复合平面反光板（2）的连接点Ⅱ（14）位于南面CPC轮廓线（16）上；北面复合平面反光板和南面复合平面反光板非对称设置，北面上部复合平面反光板（8）的接收半角大于南面上部复合平面反光板（3）的接收半角，北面下部复合平面反光板（10）的逃逸半角大于南面下部复合平面反光板（2）的逃逸半角；反光部件安装在基座（1）上，北面下部复合平面反光板（10）的端点与南面下部复合平面反光板（2）的端点分别与集热管（15）连接；
集热管（15）通过集热管支撑部件安装在基座（1）上，集热管支撑部件包括托盘（18）、支撑杆（13）、肋板（12）和基台（11），集热管（15）嵌入托盘（18），托盘（18）通过支撑杆（13）与基台（11）连接，肋板（12）支撑在支撑杆（13）两侧，基台（11）安装在基座（1）上；
菲涅尔透镜（5）与透明盖板（6）连接，透明盖板（6）边缘下方设有凸缘（7），基座（1）的边缘上方设有凹槽（4），凸缘（7）和凹槽（4）的尺寸相互配合使透明盖板（6）与基座（1）紧密接触，确保菲涅尔透镜（5）刚好位于采光口的上方。
2.根据权利要求1所述的等接收逃逸半角太阳能聚光集热装置，其特征在于，接收半角为15°-60°，0°＜逃逸半角度数＜接收半角度数。
3.根据权利要求1所述的等接收逃逸半角太阳能聚光集热装置，其特征在于，集热管（15）为全玻璃真空太阳能集热管。
4.根据权利要求1所述的等接收逃逸半角太阳能聚光集热装置，其特征在于，平面反光板采用镜面不锈钢材质或贴有高反射率的玻璃镜面制造。
5.根据权利要求1所述的等接收逃逸半角太阳能聚光集热装置，其特征在于，菲涅尔透镜（5）与透明盖板（6）选用同一种材料且一体化成型。
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