CN109373613A - 一种基于分段抛物线函数的反射镜及槽式集热器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于分段抛物线函数的反射镜，反射镜横截面曲线是由具有不同焦距的抛物线组成的复合曲线，该曲线为非连续分段函数，段函数数量至少为3个，任意一段函数均为抛物线且所有抛物线的焦点重合。集热管位于重合的焦点处吸收反射镜反射的太阳能量。与传统槽式集热器相比，该反射镜不受固定焦距的限制，可通过改变不同段的抛物线焦距，增加集热器的抗风性能，降低反射镜的镜面支撑钢结构量，提高集热器光学性能。

Description

一种基于分段抛物线函数的反射镜及槽式集热器

技术领域

本发明属于太阳能热利用领域，具体涉及一种基于分段抛物线函数的反射镜及采用该反射镜的槽式集热器。

背景技术

太阳能热发电的技术路线分为四种：槽式、塔式、线性菲涅尔式和碟式，其中以槽式最为成熟。截止2018年全球商业运行的太阳能热发电站中采用槽式技术的比例最大。反射镜作为光热转化过程中最关键的设备，其集热性能的优劣直接影响整个发电系统的发电效率，其综合成本的高低直接影响整个电站的经济效益。

集热器的反射镜，其横截面一般是由一条焦距固定的连续抛物线组成，如目前应用最为广泛的ET-150型槽式集热器，其反射镜横截面曲线就是一条的抛物线，焦距为1.71米，抛物线边缘与焦点组成的角度为160°。此类反射镜广泛应用于目前50MW等级及以下的槽式太阳能光热电站。但对于超过50MW的大型槽式电站，需要的采光面积较大，即需要的集热器个数较多，由于集热器的流量需要调节，压力、温度等参数需要监控，造成电站的阀门、仪表等辅助设备数量大幅增加。为减少大型槽式光热电站辅助设备成本，就需要增大单个反射镜的采光面积，可以通过增加焦距或者增加抛物线边缘角度实现。但随着焦距或者边缘角的增加，都会造成镜面边缘离旋转中心距离的增加，在相同风载设计的条件下支撑镜面需要的钢结构量增加，钢结构成本增加。因此，在提高集热器光学性能的同时降低镜面支撑成本是亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于分段抛物线函数的反射镜及槽式集热器。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种基于分段抛物线函数的反射镜，所述反射镜的横截面曲线为非连续分段函数的复合曲线，该复合曲线由多个不同焦距的抛物线组成，每一段抛物线且满足抛物线方程y＝ax²+b，所有抛物线的焦点与真空集热管的中心重合。

可选的，所述复合曲线由至少三段抛物线组成，每一段抛物线的焦距均不相同。

可选的，所述每一个抛物线对应函数中的a为0.0625≤a≤0.25。

可选的，所述复合曲线的焦点和复合曲线两个边缘组成的圆心角为θ，且120°≤θ≤300°。

可选的，所述反射镜由多个反射子镜组成，每个反射子镜的横截面均为抛物线，每个反射子镜的焦点与真空集热管的中心重合。

可选的，所述反射镜由超白低铁玻璃制成，其玻璃背面涂覆反射涂层。

本发明还提供了一种槽式集热器，该槽式集热器包括上述所述的基于分段抛物线函数的反射镜。

可选的，所述槽式集热器的真空集热管包括内层金属管和外层玻璃套管组成，内层金属管的直径为60-120mm，外层玻璃套管的直径不小于125mm。

可选的，所述槽式集热器的驱动装置为液压驱动或电动推杆。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

1.由于本发明的反射镜的横截面曲线是分段函数，不受固定焦距的限制，当集热器需要较大的聚光性能时，在相同边缘角的条件下，可以通过减小部分曲线的焦距，实现集热器边缘至旋转轴的距离的减小，减小扭矩，减低钢材耗量，降低钢结构成本。

2.由于每段抛物线函数的焦距均不相同，造成集热器相对于旋转轴的左右不对称，该不对称结构有利于提高集热器在大风条件下的稳定性，当平均焦距较小的一侧位于下部时，下部重量大于上部，增加了集热器的稳定性；当平均焦距较小的一侧位于上部时，由于抛物线的性质，下部的迎风面积较大，由于旋转轴的位置固定，意味着较多的迎风面积更接近地面，由于风力衰减的原因，越接近地面风力越弱，因此与传统对称的集热集相比，本发明集热器镜面的大部分位于低风速区，增加了集热器的抗风性能。

附图说明

图1为本发明的一种基于分段抛物线函数的反射镜面型及槽式集热器的示意图。

图2为本发明实施例1中开口尺寸为7.52m的槽式集热器反射镜横截面的示意图；

图3为现有技术中开口尺寸为7.52m的槽式集热器反射镜横截面的示意图；

图4为本发明实施例2中开口尺寸为6.82m的槽式集热器反射镜横截面的示意图；

图5为现有技术中开口尺寸为6.82m的槽式集热器反射镜横截面的示意图。

上述图中各部件及相应标记为：1—反射镜；2—真空集热管；3—集热管支架；4—镜面支撑；5—驱动装置；6—支撑立柱；11—第一片反射镜；12—第二片反射镜；13—第三片反射镜。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

本发明提供了一种基于分段抛物线函数的反射镜及槽式集热器，下面结合具体实施方式对本发明做进一步说明。

一种基于分段抛物线函数的反射镜，该反射镜的横截面曲线是由多个具有不同焦距的抛物线组成的复合曲线，该复合曲线为非连续分段函数，任意一段曲线的函数均为抛物线，且满足y＝ax²+b，所有抛物线的焦点重合。也就是说，反射镜由多个反射子镜构成，每一个反射子镜的截面曲线的为复合曲线中的一端抛物线。

每一个反射子镜的截面曲线，其中函数a为0.0625≤a≤0.25。

复合曲线的焦点与复合曲线的两个边缘组成的圆心角为θ，且120°≤θ≤300°。

反射镜由至少三个反射子镜组成，三个反射子镜的焦距均不相同，并且三个反射子镜的焦距重合在真空集热管2上。

该反射镜的横截面曲线是分段函数，不受固定焦距的限制，可通过改变不同段的抛物线焦距，增加集热器的抗风性能，降低反射镜的镜面支撑钢结构量，提高集热器光学性能。

实施例1

如图2所示，反射镜由三个反射子镜组成，自左到右包括第一反射子镜11、第二反射子镜12和第三反射子镜13；反射镜的开口7.52m，每一个反射子镜的横截面曲线均为一段抛物线，三段抛物线组成的不连续的复合曲线为该反射镜的截面曲线。

三个反射子镜的抛物线的焦点重合，该焦点与真空集热管的中心重合，以该焦点为原点，复合曲线的表达式如下：

其中，第一反射子镜11的焦距为2米，玻璃片截面长度为2.1928米；

第二反射子镜12的焦距为1.5米，玻璃片截面长度为3.6182米；

第三反射子镜13的焦距为1.75米，玻璃片截面长度为1.925米。

复合曲线的焦点和复合曲线的两个边缘组成的圆心角为180°，真空集热管2的圆心位于每一个反射子镜的焦点重合。

真空集热管2内层金属管直径为70mm，外层玻璃管直径为125mm。

每一个反射子镜的材质为超白低铁玻璃，反射镜背面自里而外分别涂覆铝层、铜层、底漆，反射镜的反射率为92％。

相同开口尺寸，相同圆心角的传统集热器，其反射镜的横截面的如图3所示。如表1所示，本申请的反射镜与相同开口尺寸，相同圆心角的反射镜相比，本申请的反射镜总弧长基本不变，仅增加了0.43％，此参数代表集热器所用的玻璃用量，反射镜所需要的玻璃用量在微量增加的条件下，光学性能以及抗风载性能均有提高。具体表现在：

1、旋转轴至集热管以及反射镜最远端的距离显著减小，分别减少了约20.21％和3.71％。在集热器重量基本相同的条件下，旋转半径的减小意味着需要的扭矩减小，镜面支撑在抵抗相同风载的条件下，与传统集热器相比所需钢结构材料量减少了约6.38％。

2、反射镜至集热管的平均距离减小了约6.77％。由于大气衰减损失的存在，太阳光线从反射镜至集热管的距离越远，太阳能量损失越多，减小反射镜至集热管的距离可以提高光学效率。与传统集热器相比光学效率增加了0.12％。

3、此外由于钢结构的减少，所需要的驱动功率减低。由于反射镜在白天需要持续不断的跟踪太阳转动，驱动所消耗的厂用电减小。

表1相同条件下实施例1中反射镜和传统反射镜的参数对比表

实施例2

如图4所示，反射镜由五个反射子镜组成，自左到右包括第一反射子镜、第二反射子镜、第三反射子镜、第四反射子镜和第五反射子镜；反射镜的开口6.82m，每一个反射子镜的横截面曲线均为一段抛物线，五段抛物线组成的不连续的复合曲线为该反射镜的截面曲线。

五个反射子镜的抛物线的焦点重合，该焦点与真空集热管的中心重合，以该焦点为原点，复合曲线的表达式如下：

其中，第一镜反射子镜的焦距为1.375米，玻璃片截面长度为0.9017米；

第二镜反射子镜的焦距为1.625米，玻璃片截面长度为1.1934米；

第三镜反射子镜的焦距为1.875米，玻璃片截面长度为1.5473米；

第四镜反射子镜的焦距为2.125米，玻璃片截面长度为1.7163米；

第五镜反射子镜的焦距为2.375米，玻璃片截面长度为1.8733米。

复合曲线的焦点和复合曲线的两个边缘组成的圆心角为170°，真空集热管的圆心位于曲线焦点处，真空集热管内层金属管直径为90mm，外层玻璃管直径为140mm。

每一个反射子镜的材质为超白低铁玻璃，反射镜背面自里而外分别涂覆银层、铜层、抗紫外线保护漆、底漆，反射镜的反射率为94％。

相同开口尺寸，相同圆心角的传统集热器的反射镜横截面如图5所示。如表2所示，本发明的反射镜总弧长、旋转轴至集热管的距离、旋转轴至镜面边缘的平均距离、反射镜至集热管的平均距离与相同开口尺寸，相同圆心角的传统反射镜基本一致，即材料成本相当，但本申请反射镜的光学性能以及稳定性均有提高。具体表现在：

1、最外侧的反射子镜具有最小的焦距，使得镜面最远端至集热管距离减小，由于最远端的光学损失较大，减少此部分的光学损失对光学效率的贡献较大，与传统集热器相比光学效率增加了1.15％。

2、旋转轴至反射子镜边缘的平均距离减小，使得反射子镜支撑在抵抗相同风载的条件下，所需要的钢结构较少，与传统反射镜相比所需钢结构材料量减少了约0.74％，降低了钢结构成本。

表2相同条件下实施例2中反射镜和传统反射镜的参数对比表

本发明提供的反射镜能够用于槽式集热器。

如图1所示，基于分段抛物线函数反射镜的槽式集热器包括反射镜1、真空集热管2、集热管支架3、镜面支撑4、驱动装置5、控制装置和立柱6。

其中，反射镜1通过镜面支撑4安装在立柱6上，真空集热管2通过集热管支架3安装在反射镜1的顶部，驱动装置5安装在立柱上并于反射镜连接，用于调节反射镜的角度，控制装置实现集热器的追日运行。

真空集热管包括内层金属管和外层玻璃套管，内层金属管的直径为60-120mm，外层玻璃套管的直径不小于125mm。

驱动装置为液压驱动或电动推杆。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于分段抛物线函数的反射镜，其特征在于，所述反射镜的横截面曲线为非连续分段函数的复合曲线，该复合曲线由多个不同焦距的抛物线组成，每一段抛物线满足抛物线方程y＝ax²+b，所有抛物线的焦点与真空集热管的中心重合。

2.根据权利要求1所述基于分段抛物线函数的反射镜，其特征在于，所述复合曲线由至少三段抛物线组成，每一段抛物线的焦距均不相同。

3.根据权利要求1所述基于分段抛物线函数的反射镜，其特征在于，所述每一个抛物线对应函数中的a为0.0625≤a≤0.25。

4.根据权利要求1所述基于分段抛物线函数的反射镜，其特征在于，所述复合曲线的焦点和复合曲线两个边缘组成的圆心角为θ，且120°≤θ≤300°。

5.根据权利要求1所述基于分段抛物线函数的反射镜，其特征在于，所述反射镜由多个反射子镜组成，每个反射子镜的横截面均为抛物线，每个反射子镜的焦点与真空集热管的中心重合。

6.根据权利要求1所述基于分段抛物线函数的反射镜，其特征在于，所述反射镜由超白低铁玻璃制成，其玻璃背面涂覆反射涂层。

7.一种槽式集热器，其特征在于，所述槽式集热器包括权利要求1-6任一项所述基于分段抛物线函数的反射镜。

8.根据权利要求7所述槽式集热器，其特征在于，所述槽式集热器的真空集热管包括内层金属管和外层玻璃套管，内层金属管的直径为60-120mm，外层玻璃套管的直径不小于125mm。

9.根据权利要求7所述槽式集热器，其特征在于，所述槽式集热器的驱动装置为液压驱动或电动推杆。