CN109104153B

CN109104153B - 一种反射式聚光系统

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Publication number: CN109104153B
Application number: CN201811044970.6A
Authority: CN
Inventors: 李浩腾; 王海; 黄金; 陈木生
Original assignee: Guangdong University of Technology
Current assignee: Guangdong University of Technology
Priority date: 2018-09-07
Filing date: 2018-09-07
Publication date: 2020-02-21
Anticipated expiration: 2038-09-07
Also published as: CN109104153A

Abstract

本发明公开了一种反射式聚光系统，包括反射式聚光装置，反射式聚光装置包括光伏电池板，光伏电池板以及用于反射太阳光线的反光板。反光板为曲面，构成曲面的曲线在极坐标下的曲线方程为：f(α)＝C₀sin^‑2(θ‑α/2)。其中C₀和θ均为常数，α为反光板的第二侧与光伏电池板的第二侧之间端点的连线，和光伏电池板所在的平面之间形成的夹角；反光板的第二侧与反光板的第一侧相对，光伏电池板的第二侧与光伏电池板的第一侧相对。本发明提供一种反射式聚光系统，采用普通的光伏电池板进行低倍聚光发电，由于利用了反光板进行聚光，所以在相同的光伏电池板面积下，单位面积上接收的太阳能密度提高，发电量也提高，从而提高了光伏电池板的发电效率。

Description

一种反射式聚光系统

技术领域

本发明涉及太阳能聚光技术领域，尤其涉及一种反射式聚光系统。

背景技术

在光电的利用中，在光伏电池板上的花费占据了主要的生产成本，并且光伏电池板会产生污染。为了减少光伏电池板的使用，人们开发出了聚光倍数较高的聚光光伏电池板，但当聚光倍数愈较高，则聚光光伏电池板材料的接受高强光的能力也随之增强，因而成本居高不下。

因而，提供一种采用普通光伏电池板以及低倍聚光发电的聚光系统，是本领域技术人员亟待解决的问题。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种反射式聚光系统，解决现有技术的聚光装置中聚光倍数高以及成本低二者不可兼得的缺陷。

为实现上述目的，本发明提供以下的技术方案：

一种反射式聚光系统，包括反射式聚光装置，所述反射式聚光装置包括底座，所述底座的中心转动连接有第一支撑杆，所述第一支撑杆远离所述底座的一端固接有光伏电池板，所述光伏电池板垂直于所述第一支撑杆；

所述第一支撑杆上固接有连接杆，所述连接杆垂直于所述第一支撑杆，所述连接杆远离所述第一支撑杆的一端设有连接块，所述连接块上设有垂直于所述连接杆的第二支撑杆，所述第二支撑杆位于所述光伏电池板的第一侧，所述第二支撑杆上设有用于反射太阳光线的反光板；反光板与第二支撑杆连接的一侧为反光板的第一侧；

所述反光板为曲面，构成所述曲面的曲线在极坐标下的曲线方程为：

f(α)＝C₀ sin^-2(θ-α/2)；

C₀和θ均为常数，α为反光板的第二侧与光伏电池板的第二侧之间端点的连线，和光伏电池板所在的平面之间形成的夹角；反光板的第二侧与反光板的第一侧相对，光伏电池板的第二侧与光伏电池板的第一侧相对。

可选的，所述底座的中心设有角接触轴承，所述第一支撑杆通过所述角接触轴承与所述底座转动连接；所述第一支撑杆上套设有从动轮，所述从动轮与所述第一支撑杆固定连接；

所述反射式聚光装置的一侧设有驱动装置，包括一固定座，所述固定座上设有电机，所述电机驱动连接有一主动轮，所述主动轮和从动轮之间通过一皮带连接。

可选的，所述电机为变频调速电机。

可选的，所述α的取值为60°。

可选的，所述反光板的反射面涂覆有全反射涂料。

可选的，所述反射式聚光装置设有两组，两组反射式聚光装置上的从动轮与主动轮之间通过皮带连接。

可选的，所述底座上设有若干用于安装螺丝的螺母孔，反射式聚光装置通过所述螺丝固定于地面。

可选的，所述第一支撑杆和第二支撑杆的形状均为圆柱形，且所述第一支撑杆横截面的直径大于所述第二支撑杆横截面的直径。

可选的，构成所述曲面的曲线在极坐标下的微分方程为：

f'(α)＝C₀ sin(2π/3-α/2)^(-2)。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明提供一种反射式聚光系统，采用普通的光伏电池板进行低倍聚光发电，由于利用了反光板进行聚光，所以在相同的光伏电池板面积下单位面积上接收的太阳能密度提高，发电量也提高，从而提高了光伏电池板的发电效率，进而实现了聚光装置中聚光倍数高以及成本低的二者兼顾。

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反射式聚光系统中反射式聚光装置的结构示意图；

图2示出了本发明提供的一种反射式聚光系统中反射式聚光装置的底座结构示意图；

图3示出了本发明提供的一种反射式聚光系统中具有两组反射式装置时主动轮的连接示意图；

图4示出了本发明提供的一种反射式聚光系统中平行地面入射点A后的反射光线图；

图5示出了本发明提供的一种反射式聚光系统中从O点入射的某一太阳高度角的反射光线图；

图6示出了本发明提供的一种反射式聚光系统中构成反光板的曲线在极坐标下的函数图像；

图7示出了本发明提供的一种反射式聚光系统中从O点入射B点反射光线图；

图8示出了本发明提供的一种反射式聚光系统中最大接收角分析图；

上述图中：10、反光板，11、连接块；12、第二支撑杆；13、角接触球轴承；14、螺母孔；20、光伏电池板；30、电机；40、主动轮；50、固定座；60、底座；70、皮带；80、从动轮；801、第一从动轮；802、第二从动轮；90、第一支撑杆；110、连接杆。

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：

请参阅图1和图2，图1示出了本发明提供的一种反射式聚光系统中反射式聚光装置的结构示意图，图2示出了本发明提供的一种反射式聚光系统中反射式聚光装置的又一结构示意图。

本发明提供了一种反射式聚光系统，包括反射式聚光装置，反射式聚光装置包括底座60，底座60的中心转动连接有第一支撑杆90，第一支撑杆90远离底座60的一端固接有光伏电池板20，光伏电池板20垂直于该第一支撑杆90，且第一支撑杆90固定于光伏电池板20的中心。

其中，第一支撑杆90上固接有连接杆110，连接杆110垂直于第一支撑杆90，连接杆110远离第一支撑杆90的一端设有连接块11，连接块11上设有垂直于连接杆110的第二支撑杆12，第二支撑杆12位于光伏电池板20的第一侧，第二支撑杆12上设有用于反射太阳光线的反光板10；反光板10与第二支撑杆12连接的一侧为反光板10的第一侧。

当第一支撑杆90转动时，在带动光伏电池板20旋转的同时使反光板10旋转，以达到调整反光板10的反射角度的目的。在本实施例中，第一支撑杆90和第二支撑杆12的形状均为圆柱形，且第一支撑杆90横截面的直径大于第二支撑杆12横截面的直径，从而在节约成本的同时适应光伏电池板20和反光板10所需的支撑力。

反光板10为曲面，反光板10的反射面涂覆有全反射涂料，以增强反射效果。构成该反光板10曲面的曲线在极坐标下的曲线方程为：

f(α)＝C₀ sin^-2(θ-α/2)；

C₀和θ均为常数，α为反光板10的第二侧与光伏电池板20的第二侧之间端点的连线，和光伏电池板20所在的平面之间形成的夹角；反光板10的第二侧与反光板10的第一侧相对，光伏电池板20的第二侧与光伏电池板20的第一侧相对。

反光板10的主要作用是增加光伏电池板20的接收能量，因此当光伏电池板20的面积一定时，反光板10需要将入射光线反射到光伏电池板20上，并且不超出光伏电池板20的面积范围。另外，本装置省去了太阳高度角电机，针对不同入射角的光线都具有调整作用，使不同的入射角的光线的反射光线打在光伏电池板20范围内。

底座60的中心设有角接触轴承，第一支撑杆90通过角接触轴承与底座60转动连接；选用该角接触球轴承13是因为它既能承受轴向载荷，也能承受径向载荷。第一支撑杆90上套设有从动轮80，从动轮80与第一支撑杆90固定连接。反射式聚光装置的一侧设有驱动装置，该驱动装置包括一固定座50，固定座50上设有电机30，电机30驱动连接有一主动轮40，主动轮40和从动轮80之间通过一皮带70连接。其中，电机30的转动轴与第一支撑杆90平行。

此外，该电机30为变频调速电机，以在实际运用中配合主动轮40的直径选择调定转速。

底座60上设有若干用于安装螺丝的螺母孔14，反射式聚光装置通过螺丝固定于地面，使该反射式聚光装置能与地面固定，防止移位或倾倒导致跟踪不准确。

本装置的工作原理为：电机30启动，主动轮40带动从动轮80进一步带动反光板10，使反光板10时刻跟踪太阳方位角，而光伏电池板20除了接收直接射在光伏电池板20上的光线，还将接收经过反光板10反射出的光线。利用该装置到达了以下两个目的：提高了光伏电池板20单位面积的太阳光接收量；省去了太阳高度角跟踪装置。

当电机30启动时，从动轮80的角速度设置为与太阳方位角的变化速度相匹配，从而实现对方位角的跟踪。

需要特别说明的是，本发明优先选择皮带70传动的方式而非齿轮传动，是因为齿轮的加工成本更高，虽然与皮带70传动中产生的滑移相比，齿轮传动更加精确；但在本发明实施例中，由于反射面与光伏电池板20都是拉伸面，对于滑移导致的方位角偏差具有一定的容忍度，即大部分光线依然会打在光伏电池板20上，因此影响不大。若偏差比较明显，可进行定期手动矫正。

此外，本发明中的反射聚光装置采用双轴跟踪的方式，相比于极轴跟踪，本装置精度较高，受力平衡，且由于反光板10可接受不同高度角的太阳光，因此只需跟踪太阳方位角的一个维度，不需要在两个维度上对太阳光线进行跟踪。

请参阅图3，图3示出了本发明提供的一种反射式聚光系统中具有两组反射式装置时驱动装置的连接示意图。

在本发明实施例的其中一个可选的实施方式中，反射式聚光装置设有两组，两组反射式聚光装置内分别包括第一从动轮801和第二从动轮802与主动轮40之间通过皮带70连接。以一个驱动装置驱动两组反射式聚光装置，从而能够在节省成本的同时获得更高的经济效益。

利用皮带70轮带动反光板10，使反光板10能跟踪太阳方位角。至于太阳高度角的变化，则利用经过特殊设计的反光板10实现对太阳高度角的免跟踪。该装置工作时，变频调速电机启动，主动轮40带动从动轮80进一步带动反光板10，使反光板10时刻跟踪太阳方位角，而光伏电池板20除了接收直接射在光伏电池板20上的光线，还将接收经过反光板10反射出的光线。利用这套装置到达了以下两个目的：设置一反光板10提高了光伏电池板20单位面积的太阳光接收量；由于该反光板10的曲面设计，能够接受不同高度角的太阳光，因而省去了太阳高度角跟踪装置。

请参阅图4至图8，图4示出了本发明提供的一种反射式聚光系统中平行地面入射点A后的反射光线图，图5示出了本发明提供的一种反射式聚光系统中从O点入射的某一太阳高度角的反射光线图，图6示出了本发明提供的一种反射式聚光系统中构成反光板10的曲线在极坐标下的函数图像，图7示出了本发明提供的一种反射式聚光系统中从O点入射B点反射光线图，图8示出了本发明提供的一种反射式聚光系统中最大接收角分析图。

其中，以该图4中的曲线AB代替构成反光板10的曲面。

对构成反光板10曲面的曲线方程验证如下：

设反射表面是由曲线AB拉伸而成，设曲线AB为极坐标下的方程f(α)，设点P为曲线AB上任意一点。设当入射角为0°时，太阳刚升起的入射光线为OA，反射光线为AH，将HB设为矩形光伏电池板20的受光面。现在要使入射角增大时经过点O入射的光线都反射在HB范围内，最保守的方法是使任意入射角的光线，如OP、OP’等，其反射光线与HB的夹角为定值，且夹角的大小都等于∠AHB。

如此设定，则平行于OP且在OP上方的入射光线，其对应的反射光线必然与的入射光线与HB的夹角都大于∠AHB，这样便保证了OP上方的打在曲线AB范围内的入射光线对应的反射光线都在HB内。其中，点O为定点，点P为曲线AB上的动点。

以O点为极点，建立极坐标系，设极坐标方程为R＝f(α)，要使过O点的入射光线打在曲线AB上的反射光线都平行，由于反射光与反射点处的切线有关，则极径OP与点P处的切线必然存在某种联系，现在求出这种联系，即求出以O点为极坐标原点下AB的方程。设R＝f(α)，∠α为极角，设极径与切线的夹角为θ。由于X＝R cosα＝f(α)cosα；Y＝R sinα＝f(α)sinα。故P点切线的斜率

将P点的切线矢量分解并设为向量

则

令

的模为1，则

与

所夹的角为：

开方后得

即

由三角变换公式得:

即

此式即为曲线AB在极坐标下的微分方程。

α取值的确定过程及验证如下：

首先确定∠AHB的值，∠AHB的值可设为50°、60°、70°、80°等，在反光板10的尺寸确定的前提下，该度数越小即代表HB的长度越大。为了验证的方便，在此将∠AHB设为60°。

请参阅图5。点P是曲线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∠PHB＝60°。∠H”PK”'+70°＝180°-∠PK”'H”＝∠OJK”'，∠JOP+∠OPJ＝∠PK”'H”，由于OP未入射光线，PH为反射光线，所以∠JPO＝∠K”'PH”，∠OPK”'＝180°-∠OPJ，联立以上，得出∠OPK”'＝120°+∠JOP/2＝120°+∠α/2＝∠θ，120°＝2π/3，由于∠α是顺时针增大，而在极坐标中，顺时针旋转取负角度，因此∠θ＝120°-∠α/2将∠θ＝2π/3-∠α/2带入微分方程

得

将两边积分，最后得到方程:

f'(α)＝C₀ sin(2π/3-α/2)^(-2)。

应注意，此方程为极坐标下的方程。其中C₀为放大倍数，C₀越大，则该反光板10的尺寸越大。在本实施例中，C₀取为1，而C₀的取值在实际运用中可根据需求调整。

接下来说明在上述曲线中选取哪一部分以构成反光板10曲面。综上，对于方程f(α)是逆时针取点。

请参阅图6。从点A开始取，直至取到某一点的切线为0线时为止，因为从函数图像可以看出，当某点的切线斜率为正数时，其反射光线将射往左上角，因此切线斜率为0的点即为取点的极限位置，求出这个点在曲线f(α)上的位置，设该点为点B。

请参阅图7。

∠BOJ’＝∠BH”K”，∠J'＝∠K”＝90°，∠H”BK”＝∠OBJ'。求出∠BOJ’＝∠BH”K”＝60°，因此∠α＝60°，与曲线的交点即为点B。

请参阅图8。

其中，A点是弧度(1.33,0.00)的点，B点是弧度(4.00，-1.05)的点；直线AB为入射光线，其对应的太阳高度角是所能接收的最大的太阳高度角，当太阳高度角大于入射角∠ABH时，没有太阳光线可供反射。现求出直线AB的斜率，即求出直线AB与水平线的夹角，因为极坐标方程已经求出，且一直∠α＝60°，则可以求出点A、B的极坐标，再转换成直角坐标，既可求出直线AB的斜率，求出∠AHB的大小约为79.2°，约等于80°；因此凡是从OA范围内入射、且太阳高度角小于80°的光线，经过反光板10反射后均能打在HB范围内。

当太阳高度角大于80°时，反光板10非但不能增加光伏电池板20的太阳光接收量，还会对光伏电池板20产生遮阴效果。但对于整个地球表面来说，只有在太阳直射点附近区域的正午时刻，太阳高度角才会大于80°，而且即使产生遮阴，其遮阴面积也不大，因此反光板10的引入依然具有实际意义。

但应注意，即使不是OA范围内入射的太阳光线，仍然存在反射后打在HB上，因为上面已经说明本发明采用的是最保守的做法，即将任意经过过O点的入射的光线反射经反射后成都与HB成一定角，以此来保证O点上方入射的光线，即OA范围内的入射光线，经过反射后必然打在HB范围内。但是对于非OA范围内的入射光线仍然存在反射后打在HB范围内的，进一步增加了实用意义。

对于非OA范围内的入射光线，由于太阳高度角时刻变化，其反射光线打在HB范围内与HB范围外的比例是时刻变化的，本发明不做统计。太阳方位角跟踪装置的存在是保证太阳光线相对于反光板10只有高度角这一个维度的变化，因为如果不跟踪方位角，入射光线将在水平方向产生偏角，即不能使反光板10时刻正对太阳光线。将所求得的曲线AB沿垂直于AB所在的平面拉伸，形成反光板10的反射壁面，并在该反射壁面涂全反射材料，以提高反射效果。

以上，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

1.一种反射式聚光系统，其特征在于，包括反射式聚光装置，所述反射式聚光装置包括底座，所述底座的中心转动连接有第一支撑杆，所述第一支撑杆远离所述底座的一端固接有光伏电池板，所述光伏电池板垂直于所述第一支撑杆；

f(α)＝C₀sin^-2(θ-α/2)；

C₀和θ均为常数，α为反光板的第二侧与光伏电池板的第二侧之间端点的连线，和光伏电池板所在的平面之间形成的夹角,0≤∠α≤60°；

C₀取1，在所述曲线中截取两端端点分别为点A(1.33,0.00)和点B(4.00，-1.05)的曲线AB；所述光伏电池板位于经过所述点B(4.00，-1.05)的直线上，且所述光伏电池板与点A、点B的连线形成的直线之间的夹角为60°；

反光板的第二侧与反光板的第一侧相对，光伏电池板的第二侧与光伏电池板的第一侧相对。

2.根据权利要求1所述的反射式聚光系统，其特征在于，所述底座的中心设有角接触轴承，所述第一支撑杆通过所述角接触轴承与所述底座转动连接；所述第一支撑杆上套设有从动轮，所述从动轮与所述第一支撑杆固定连接；

3.根据权利要求2所述的反射式聚光系统，其特征在于，所述电机为变频调速电机。

4.根据权利要求1所述的反射式聚光系统，其特征在于，所述反光板的反射面涂覆有全反射涂料。

5.根据权利要求2所述的反射式聚光系统，其特征在于，所述反射式聚光装置设有两组，两组反射式聚光装置上的从动轮与主动轮之间通过皮带连接。

6.根据权利要求1所述的反射式聚光系统，其特征在于，所述底座上设有若干用于安装螺丝的螺母孔，反射式聚光装置通过所述螺丝固定于地面。

7.根据权利要求1所述的反射式聚光系统，其特征在于，所述第一支撑杆和第二支撑杆的形状均为圆柱形，且所述第一支撑杆横截面的直径大于所述第二支撑杆横截面的直径。

8.根据权利要求1所述的反射式聚光系统，其特征在于，构成所述曲面的曲线在极坐标下的微分方程为：

f'(α)＝C₀sin(2π/3-α/2)^(-2)。