CN108870772B - 一种免跟踪太阳能聚光装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种免跟踪太阳能聚光装置，包括光线调整器，以及设置于所述光线调整器下方的聚光器；其中，所述光线调整器的为一中空的旋转体，包括入射端口和出射端口，构成所述旋转体的曲线在极坐标下的方程为：R＝C0sin(25π/36‑θ/2)；其中，R为极径，C0为常数，α为极角，(25π/36‑θ/2)为极径与曲线上任意一点的切线的夹角。通过该光线调整器将任意角度的入射光线与聚光器的法线之间的夹角调小，从而将偏移聚光光线的量控制在20°内，省去了繁冗的跟踪装置。相较于跟踪式的聚光器，本发明的维护成本低，能够适应全地形地貌，且放置角度不需要调整。
Description
技术领域
本发明涉及太阳能聚光技术领域，尤其涉及一种免跟踪太阳能聚光装置。
背景技术
随着化石能源储量的不断减少，如今化石能源的成本不断上升，人们开始进行其他能源挖掘以及利用。太阳能作为地球上最丰富的可再生能源，成为了能源利用领域的热点。迄今为止，人们开发了多种多样的利用形式，主要包括光伏和光热。在光热领域，利用聚焦系统获得高品质的热能是较为常见的利用形式。而目前的聚焦系统，往往需要匹配跟踪装置。
由于跟踪装置成本较高，在初投资时对资金要求的门槛较高，并且在使用中需要定时维护，还需要消耗电能，因此使用成本较高。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种免跟踪太阳能聚光装置，解决现有技术的聚焦系统中跟踪装置成本较高的缺陷。
为实现上述目的，本发明提供以下的技术方案：
一种免跟踪太阳能聚光装置，其特征在于，包括光线调整器，以及设置于所述光线调整器下方的聚光器；
其中，所述光线调整器的为一中空的旋转体，包括入射端口和出射端口，构成所述旋转体的曲线在极坐标下的方程为：
R＝C0sin(25π/36-θ/2)；
其中，R为极径，C0为常数，α为极角，(25π/36-θ/2)为极径与曲线上任意一点的切线的夹角。
可选的，构成所述旋转体的曲线在极坐标下的微分方程为：
f(α)＝C0(sin(25π/36-α/2)^(-2)；
其中，α的取值范围为0～-70°。
可选的，所述光线调整器内壁涂覆有全反射涂层。
可选的，所述聚光器的焦点处设有用于实现光热利用的集热器。
可选的，所述聚光器的焦点处设有聚光光伏电池板，用于进行光伏发电。
可选的，所述光线调整器的形状呈上窄下宽形。
可选的，所述聚光器为菲涅尔透镜。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明提供一种免跟踪太阳能聚光装置，通过设置光线调整器将任意角度的入射光线与聚光器的法线之间的夹角调小，从而将偏移聚光光线的量控制在20°内，省去了繁冗的跟踪装置。相较于跟踪式的聚光器，本发明的维护成本低，能够适应全地形地貌，且放置角度不需要调整，实用性较高。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1示出了本发明提供的一种免跟踪太阳能聚光装置的结构示意图；
图2示出了一天中不同时刻从O点入射的光线示意图；
图3示出了曲线AB上任意一点P的入射光线和反射光线示意图；
图4示出了曲线AB在0°到-70°范围内的函数图像；
图5示出了点B的入射光线和反射光线示意图；
图6示出了点A处的反射光线示意图；
图7为入射角为10°时光线的模拟图；
图8为入射角为20°时光线的模拟图；
图9为入射角为30°时光线的模拟图；
图10为入射角为40°时光线的模拟图；
图11为入射角为45°时光线的模拟图；
图12为入射角为50°时光线的模拟图；
图13为入射角为55°时光线的模拟图；
图14为入射角为60°时光线的模拟图；
图15为入射角为65°时光线的模拟图；
图16为入射角为70°时光线的模拟图；
图17为入射角为75°时光线的模拟图；
图18示出了本发明提供的一种免跟踪太阳能聚光装置的又一结构示意图；
上述图中：10、光线调整器；101、入射端口；102、出射端口；11、聚光器；13、聚光光伏电池板；14、光线。
具体实施方式
为使得本发明的目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
下面结合附图对本发明的结构原理和工作原理作具体的描述：
在对线性菲涅尔透镜的研究中，郑宏飞、何开岩等所著的《太阳能聚光与高温集热技术》(兵器工业出版社)中提及，在入射偏角小于20°时，焦线的位置变化不大。基于该原理，本发明提出一种免跟踪太阳能聚光装置，包括光线调整器，以及设置于所述光线调整器下方的聚光器11。通过增加光线调整器，经过该光线调整器调整后的光线在射出时，与聚光器11的发现之间的夹角控制在20°以内，从而有效减小了焦线的位置误差，进而达到实现了聚光装置的免跟踪。
请参阅图1，图1示出了本发明提供的一种免跟踪太阳能聚光装置的结构示意图。
该免跟踪太阳能聚光装置中，光线调整器10包括入射端口101和出射端口102。太阳光线从入射端口101射入，在光线调整器10中经过反射后从出射端口102射出。具体地，该光线调整期为一中空的旋转体，构成所述旋转体的曲线在极坐标下的方程为：
R＝C0sin(25π/36-θ/2)；
其中，R为极径，C0为常数，α为极角，(25π/36-θ/2)为极径与曲线上任意一点的切线的夹角。
构成所述旋转体的曲线在极坐标下的微分方程为：
f(α)＝C0(sin(25π/36-α/2)^(-2)；
其中，α的取值范围为0～-70°，满足上述条件的曲线为图1中的AB。
上述公司的推导及验证如下：
请参阅图2，图2示出了一天中不同时刻从O点入射的光线示意图。
AK为A点处的切线；PK'为点P处的切线；BK为点B处的切线。AH为平行光在点A处的反射光线；AN为直线AK的法线；HN'为聚光器11的法线；OP、OB为不同时刻的入射光线。其中可以理解的是，曲线AB为所求的曲线方程函数图像的一部分，P则为曲线AB上任意一点。
当∠β从0°变到∠β0时，动点P从A点运动到B点。将δ设为定角20°，因此∠AHN'＝20°。由于GO光线和FA光线的位置是平面GOFA上入射光线的两个极限位置，因此，在此平面上只需分析GO光线和FA光线的反射光线是否与聚光器11的法线成一小于或等于20°的夹角。
首先分析GO光线。曲线AB是以点O为极点求出的，现须满足条件：凡是经过点O入射的光线，其反射光线与聚光器11的法线的夹角∠δ＝20°。
请参阅图3，图3示出了曲线AB上任意一点P的入射光线和反射光线示意图。点P为曲线AB上任意一点，OP为入射光线，PH为反射光线，JK为点P处的切线，经过点O的任意入射角∠α＝∠JOP，极径OP与切线的夹角∠θ＝∠OPK，现在需要求出∠OPK。由于∠PHN'＝20°，因此∠PHK＝70°。∠HPK+70°＝180°-∠PKH＝∠OJK，∠JOP+∠OPJ＝∠PKH。又由于OP为入射光线，PH为反射光线，因此∠JPO＝∠KPH，∠OPK＝180°-∠OPJ。联立上述关系式，得出以下结论：∠OPK＝125°+∠JOP/2＝125°+∠α/2＝∠θ，125°＝25π/36。
由于∠α沿顺时针增大，而在极坐标中，顺时针旋转取负角度，因此∠θ＝125°-∠α/2，将∠θ＝25π/36-∠α/2代入微分方程中，得出：
将两边积分，最后得到方程f(α)＝C0(sin(25π/36-α/2)^(-2)。应注意，此方程为极坐标下的方程。在方程中f(α)＝C0(sin(25π/36-α/2)^(-2)，由于C0在极坐标方程f(α)中相当于放大倍数，因此将C0取为1。曲线AB以点O为极坐标原点，且基于条件：定角∠δ＝20°求出，因而凡是经O点入射再由曲线AB反射的任意一条光线都与AH平行，且对应的∠δ＝20°，点GO光线验证完毕。
在实施例的其中一个实施方式中，可根据需要将C0取为1,2,3，…，从而使该聚光装置的大小满足实际需求。
接下来推算曲线AB方程的取值范围。基于上述验证，可以理解的是，针对上午时分，光线调整器10的任务是调整0°到70°的入射光线，而70°到90°不需调整直接入射菲涅尔线性聚光器11。极坐标中顺时针为负角，从曲线f(α)的图像上截取0°到-70°的一段设为曲线AB。
请结合参阅图4、图5，图4示出了曲线AB在0°到-70°范围内的函数图像，图5示出了点B的入射光线和反射光线示意图。
根据关系：∠BOJ’＝∠BH”K”＝70°，∠J'＝∠K”，∠H”BK”＝∠OBJ'，求出∠J'＝∠K”＝90°，由此得出结论：在点B处的切线是铅直的。可以理解的是，从-70°继续顺时针取点，所得的曲线相对于B点向左偏离，证明点B曲线为极限点。如果继续顺时针取点至S点，SB曲线会将入射光线往左上角反射，此时光线不能到达位于光线调整器10下方的聚光器11，不符合要求。因此点B是刚好满足条件的曲线端点。具体地，点B满足以下条件：
请参阅图6，图6示出了点A处的反射光线示意图。接下来验证图1中光线FA以及其他平面上的反射光线。从点A入射的光线，当入射光线角度从0°到达∠β0时，∠δ的变化较为复杂，为了便于说明，在此定义左偏为正偏角。因为FA平行于GO，因此最大偏角不超过﹢20°，因此曲线AB起到了限制+20°增大的效果。但由于其反射光线存在负的偏角，设其偏角范围为+20°到-∠γ。如图5所示，γ的值随着入射角∠β的变化而变化，但γ的值并非不可控当γ值超过约13°时会遇到镜面的二次反射，即二次准直。
随着∠β的增大，入射光的两个极限位置光线GO和光线FA都逐渐靠近点B，其代数几何分析过程复杂。另外，由于光线调整器10的内壁为由曲线AB构成的旋转面，是一个空间曲面，且入射光为无数条平行光线，射入该光线调整器10的入射光面积是以OA为直径的圆的面积，因此对每一个点都进行验证不太实际。基于上述考虑，在此将直接用模拟光线的方法进行验证，用统计的方法得出下述结论。
请参阅图7至图17，图7至图17依序为入射角分别为10°、20°、30°、40°、45°、50°、55°、60°、65°、70°、75°时光线14的模拟图。由于在实际生产中，不可能加工出绝对光滑的曲面，因此，为了使验证结果更符合实际情况，本发明的模拟以多段线代替曲线。
在0°到40°之间是入射光量少，而且由于0°时为太阳刚刚升起下，光照辐度弱，非主要考察对象，因此设置间隔为10°；而40°到70°之间入射光量可观，光照辐度强，为主要考察区间，因此设置间隔为5°。由于对称设计，因此只考虑入射角小于90°的情况，当入射角大于90°时，可对照入射角小于90°的验证结果。从模拟结果可知，绝大部分光线的偏角在-20°至+20°之间，光线集中，在45°左右调整效果较差，出现了较多不合格的光线，不过依然能看到光线集中的区域。随着入射角的增大，平均偏角减小，甚至接近垂直入射。但是在入射角大于70°时，大部分光线并未经过调整，而是直接打在聚光器11上，但考虑到入射角已到达70°，因此认为光线调整器10将偏角控制在20°范围以内。FA光线验证完毕。
应该注意到的是，光线调整器10为上窄下宽的设计，一定程度上会造成一部分聚光效率的损失。此外，并非所有的入射光线都满足偏角小于20°的条件，这也会耗去一部分聚光效率。本发明在验证时仅以入射角为唯一变量，而且反射曲面是由l旋转形成的，具有中心对称的性能。并且当角度为90°±20°的角不需调整，因此上述验证可视为涵盖了0°到180°的入射角，这意味着本装置可以任意角度摆放，也即本发明提供的免跟踪太阳能聚光装置能够适应任意地形。
综上所述，光线调整器10在入射角在45°左右时，调整效果欠佳。在入射角较小时，通光面积小，并且太阳光在刚升起时本身的能量密度较低。因此本发明重点关注入射角较大的情况，而从模拟结果来看，入射角在45°至65°之间平均偏角小，光线14集中，而70°至90°不需经过调整直接入射聚光器11。由于对称设计，本发明基本实现了一天内免跟踪聚光的目标。本发明的优点在于组成简单，不需要跟踪设备，并且可以适应全地形地貌，几乎不需要维护成本，尤其适用于地广人稀的地区。本装置的缺点在于牺牲了一部分聚光效率，但影响不大，且相较于现有技术中需要配备跟踪装置的聚焦系统，本装置的损失几乎可以忽略，因而实用性较高。
基于上述实施例，在本实施例的其中一个实施方式中，为了提高反射效果，光线调整器10内壁涂覆有全反射涂层。
请参阅图18，图18示出了本发明提供的一种免跟踪太阳能聚光装置的又一结构示意图。在本实施中，还可根据需要在聚光器11的焦点处设置聚光光伏电池板13，用于进行光伏发电。聚光器11焦点处设置的装置可根据实际需求进行更换，上述案例仅用于举例说明，并不造成对本发明的限制。
基于上述实施例，聚光器11具体为线性菲涅尔透镜。
本发明提供的一种免跟踪太阳能聚光装置，通过设置光线调整器10将任意角度的入射光线与聚光器11的法线之间的夹角调小，从而将偏移聚光光线的量控制在20°内，省去了繁冗的跟踪装置。相较于跟踪式的聚光器11，本发明的维护成本低，能够适应全地形地貌，且放置角度不需要调整，具有较高的实用性。
以上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (5)
1.一种免跟踪太阳能聚光装置，其特征在于，包括光线调整器，以及设置于所述光线调整器下方的聚光器；
其中，所述光线调整器的为一中空的旋转体，包括入射端口和出射端口，构成所述旋转体的曲线在极坐标下的方程为：
；
其中，R为极径，为常数，/>为极角，/>为极径与曲线上任意一点的切线的夹角；
构成所述旋转体的曲线在极坐标下的微分方程为：
；
其中，的取值范围为-70°~0°；
所述光线调整器内壁涂覆有全反射涂层。
2.根据权利要求1所述的免跟踪太阳能聚光装置，其特征在于，所述聚光器的焦点处设有用于实现光热利用的集热器。
3.根据权利要求1所述的免跟踪太阳能聚光装置，其特征在于，所述聚光器的焦点处设有聚光光伏电池板，用于进行光伏发电。
4.根据权利要求1所述的免跟踪太阳能聚光装置，其特征在于，所述光线调整器的形状呈上窄下宽形。
5.根据权利要求1所述的免跟踪太阳能聚光装置，其特征在于，所述聚光器为菲涅尔透镜。
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