CN109945518A - 一种太阳能热/电联合聚集光路方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种太阳能热/电联合聚集光路方法，涉及光学领域及太阳能利用领域，该热/电联合聚集光路方法基于光线矢量传输原理的，使得一次镜自由面聚集器接受面上的能流分布能够满足不同场合下的特定需求，实现了对太阳能分光利用的灵活调控，并利用与一次镜相匹配的热电联合接收器来实现对全区域聚集能流的高效利用，解决了能流利用率不高和转换效率低的问题，由于设计的一次镜自由面聚集器加工难度较低，热/电联合聚光系统的结构简单，因此本发明中的反射式热/电联合聚光系统具有结构紧凑、加工成本低、系统稳定性高、可靠性强、总能量利用率高的基本属性。

Description

一种太阳能热/电联合聚集光路方法

技术领域

本发明涉及光学领域，更具体的涉及一种太阳能热/电联合聚集光路方法。

背景技术

太阳能的充分利用对节能减排、促进可持续发展起重要作用。而太阳能流密度低、具有动态间歇性质，聚光太阳能(CSP)系统将大面积太阳辐射能量汇聚在较小的范围，达到对高密度能量有效转化的目的。

传统的太阳能聚集系统普遍基于几何光学理论对二次曲面进行建模，将平行入射光线直接汇聚在焦点，是目前CSP系统的主要形式。而自由曲面没有固定的表达式，在对其构建的过程中往往以目标接收能流分布为依据进行反向设计，因此对聚集太阳能束传输的控制能力更强。自由曲面可视为由许多曲面片在满足一定的连续性条件下构成的，对每一个面片通常采用B样条(NURBS)曲线等数学式来进行描述，因此具有极高的设计自由度，被广泛应用于太阳能利用及成像/非成像光学领域。目前，自由曲面光学技术已日趋成熟，普遍用于光学工程领域，相比于传统光学元件，自由曲面元件能够实现光路系统的紧凑化、小型化和轻量化。

自由曲面技术是在近几年进入到太阳能利用领域，目前还处于研发阶段，没有实现量产商业化，但通过发展新型自由曲面聚光器件，可以为聚光光伏电池提供均匀性相当优异的能流分布，大幅提升了系统效率、紧凑度和容差性能，具有很大潜力。该技术在太阳能领域上应用很少，仍有待开发。传统太阳能碟式聚集系统获取的高斯能流分布，其特点是越靠近中心位置处能流值越高，靠外侧能流明显降低。在实际应用中，为保证密封和安全性，太阳能吸热腔体的入口面积有限，很多时候不能接收全部光斑的能量，因此会对其进行截取，舍去外侧的聚集光斑能量，造成了资源的浪费。

发明内容

本发明实施例提供一种太阳能热/电联合聚集光路方法，用以解决现有技术中造成资源的浪费的问题。

本发明实施例提供一种太阳能热/电联合聚集光路系统方法，包括以下步骤：

S1、起始和目标接收点的离散映射；

S2、自由面离散点的求解；

S3、自由曲线重构；

S4、自由曲面生成。

较佳地，将采用如下公式(1)进行起始和目标接收点的离散映射：

其中，y表示各离散点的y坐标距离，n表示划分分数，i为序列，下标s和t分别表示发射和目标接收区域，k代表吸热区和聚光光伏区之间的分光节点。

较佳地，所述步骤S1，各离散点需要满足关系式z²＝y²/4f；

其中，f为一次镜自由面聚集器焦距，为满足特定光伏分光占有比w的要求，分光节点还需满足以下公式：

其中，R_max为一次镜自由面聚集器的最大半径，R_min为一次镜自由面聚集器的最小半径。

较佳地，所述步骤S2：自由面离散点的求解包括

(a)已知初始发射点P_s,0发射一根矢量为v_s,0的光束，假设该光线同目标曲面相交于P₀以确定曲面置放的相对位置，根据目标矢量L_t,0和目标点P_t,0求解交点法向并获得该法线延长线矩阵v₀＝P₀+λ₀t₀，其中，t₀为幅角，λ₀为调节参数；

(b)从第二起始点P_s,1开始，已知光线以矢量v_s,1投射至目标曲面，且被要求反射至P_t,1点，则存在标量λ_s,1使得光线[P_s,1,v_s,1]^T同目标曲面的交点P₁为：

P₁＝P_s,1+λ_s,1v_s,1 (3)

至此，若能获得标量λ_s,1的值即可确定光线交点P₁位置；

(c)为求解标量λ_s,1，假设微元弧线段为圆弧形状，而根据法向向量n₀和n₁皆垂直于弧线，因此存在关系式：

上式中，P₀为已知量，C₀即线段v₀和v₁的交点，v₀可由表达式v₀＝P₀+n₀t₀获得，即为参变量幅角t₀的单值函数；同样，对v₁存在关系式v₁＝P₁+n₁t₁，其中，P₁由公式(3)获得，n₁根据下式：

n₁＝Rot(y,θ₁)(-v_s,1) (5)

式中，v_s,1为发射源矢量，θ₁为入射/反射矢量平分角，可由下式求解获得：

(d)求解出标量λ_s,1后，将其带入公式(5)和(6)即可获得P₁点坐标及其对应法向向量n₁；以此类推，依次求解P₂、P₃、P₄…的坐标和法向向量，链接所有点即可获得待求自由面。

本发明实施例提供一种热/电联合聚集光路方法的有益效果为：

1.总能量利用率和转换效率高

本发明实施例中，本发明的一次镜自由面聚集器采用基于光线矢量传输原理设计的自由面形态下的反射面，能够根据能流接受面的具体情况获得最适的能流分布，使热/电接收装置中的吸热器获得位于中心区的高倍能流，外缘处的聚光光伏电池板获得位于中心区周围的均匀低倍能流，从而实现对来流最大程度的利用，提高总能量利用率和转换效率。

2.加工方便、成本低

本发明只需要加工基于光线矢量传输原理设计的自由面形态的一次镜自由面聚集器即可，模具一旦成型即可批量生产，整体装配难度小，制造成本低。

3.结构简单、可靠性强

本发明对传统碟式聚光光伏系统中的一次镜自由面聚集器进行了再设计，从而获得相应情况下的最适能流分布，结构简单紧凑，稳定性高，并且相比传统聚光光伏系统中在高倍聚光情况下最易损坏的环节，本发明方案实现了一次镜接受面上的均匀化能流分布，并与一次镜自由面聚集器自由面上方的热/电联合接收装置相匹配，实现了对全区域能流的高效利用，系统的安全性和可靠性更强。

4.设计自由度高

基于本发明提出的设计方案，能够根据不同场合下的特定需求，实现对全区域能流的高效利用，以及通过基于矢量传输原理设计的自由面形态实现对太阳能热电联合利用的灵活调控功能，具有高度的设计自由性。

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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的太阳能热/电联合聚集系统的结构示意图；

图2为本发明的基于光线矢量传输原理的反射式聚集系统方案设计；

图3为本发明所用的自由面离散点的求解图；

图4为本发明所用的热/电联合利用装置的三维模型图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的一个具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。

图1示例性的示出了本发明实施例提供的一种太阳能热/电联合聚集光路系统的结构示意图，图4为本发明所用的热/电联合利用装置的三维模型图，如图1和4所示，该热/电联合聚集光路系统包括固定支座4、一次镜自由面聚集器3、聚集器支架2、热/电联合利用装置1；所述一次镜自由面聚集器3的通过固定支座4进行固定，所述聚集器支架2位于一次镜自由面聚集器3上，所述一次镜自由面聚集器3顶端放置热/电联合利用装置1。

本发明提出了一种基于矢量三维单碟式反射的热/电联合聚集光路系统，通过位于底座的基于矢量传输原理设计的一次镜自由面聚集器的反射，将能流传递给设置在垂直于光轴、面向太阳入射方向、距底座的一次镜自由面系统一定距离的热/电接收装置，从而实现对接受面上呈高斯分布的不均匀能流的高效利用和对太阳能分光利用的灵活调控。

同时为实现高倍聚集能流的转换和低倍聚集能流的均匀化分布，本发明提出的反射式自由面型热/电联合聚光系统，如下图所示，一次镜采用基于光线偏斜矢量传输原理设计的自由面形态下的反射面，只需要加工设计的一次镜即可，该系统的二维轴对称建模如图2所示，根据图2，本发明提出了一种太阳能热/电联合聚集光路设计方法，包括以下步骤：

S1、起始和目标接收点的离散映射；

S2、自由面离散点的求解；

S3、自由曲线重构；

S4、自由曲面生成。

其中，将采用如下公式(1)进行起始和目标接收点的离散映射：

其中，y表示各离散点的y坐标距离，n表示划分分数，i为序列，下标s和t分别表示发射和目标接收区域，k代表吸热区和聚光光伏区之间的分光节点。

另外，所述步骤S1，各离散点需要满足关系式z²＝y²/4f。

其中，f为一次镜焦距，为满足特定光伏分光占有比w的要求，分光节点还需满足以下公式：

R_max为一次镜自由面聚集器的最大半径，R_min为一次镜自由面聚集器的最小半径。

将结合附图3，步骤S2：自由面离散点的求解包括：

(a)已知初始发射点P_s,0发射一根矢量为v_s,0的光束，假设该光线同目标曲面相交于P₀以确定曲面置放的相对位置，根据目标矢量L_t,0和目标点P_t,0求解交点法向并获得该法线延长线矩阵表示v₀＝P₀+λ₀t₀(t₀即幅角)。

(b)从第二起始点P_s,1开始，已知光线以矢量v_s,1投射至目标曲面，且被要求反射至P_t,1点，则存在标量λ_s,1使得光线[P_s,1,v_s,1]^T同目标曲面的交点P₁为：

P₁＝P_s,1+λ_s,1v_s,1 (3)

至此，若能获得标量λ_s,1的值即可确定光线交点P₁位置。

(c)为求解标量λ_s,1，假设微元弧线段为圆弧形状，而根据法向向量n₀和n₁皆垂直于弧线，因此存在关系式：

C₀即线段v₀和v₁的交点，v₀可由表达式v₀＝P₀+n₀t₀获得，即为参变量幅角t₀的单值函数；同样，对v₁存在关系式v₁＝P₁+n₁t₁，其中P₁由公式(3)获得，n₁根据下式：

n₁＝Rot(y,θ₁)(-v_s,1) (5)

式中，v_s,0为发射源矢量已知，θ₁为入射/反射矢量平分角，可由下式求解获得：

(d)求解出标量λ_s,1后，将其带入公式(5和(6)即可获得P₁点坐标及其对应法向向量n₁；以此类推，依次求解P₂、P₃、P₄…等点的坐标和法向向量，链接所有点即可获得待求自由面。

将该曲线环绕其对称轴进行旋转，最终获得三维自由曲面。

本发明针对传统碟式聚光光伏系统中能流的利用率不高、加工成本高、结构复杂，系统稳定性差的问题，本发明设计了一种基于光线矢量传输原理的自由面反射系统，使得一次镜自由面聚集器接面上的能流分布能够满足不同场合下的特定需求，实现了对太阳能分光利用的灵活调控，并利用与一次镜相匹配的热电联合接收器来实现对全区域聚集能流的高效利用，解决了能流利用率不高和转换效率低的问题，由于设计的一次镜自由面聚集器加工难度较低，热/电联合聚光系统的结构简单，因此本发明中的三维单碟反射式热/电联合聚光系统具有结构紧凑、加工成本低、系统稳定性高、可靠性强、总能量利用率高的基本属性。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (4)

1.一种太阳能热/电联合聚集光路方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、起始和目标接收点的离散映射；

S2、自由面离散点的求解；

S3、自由曲线重构；

S4、自由曲面生成。

2.如权利要求1所述的太阳能热/电联合聚集光路方法，其特征在于，将采用如下公式(1)进行起始和目标接收点的离散映射：

其中，y表示各离散点的y坐标距离，n表示划分分数，i为序列，下标s和t分别表示发射和目标接收区域，k代表吸热区和聚光光伏区之间的分光节点。

3.如权利要求1所述的太阳能热/电联合聚集光路方法，其特征在于，所述步骤S1，各离散点需要满足关系式z²＝y²/4f；

其中，f为一次镜自由面聚集器焦距，为满足特定光伏分光占有比w的要求，分光节点还需满足以下公式：

其中，R_max为一次镜自由面聚集器的最大半径，R_min为一次镜自由面聚集器的最小半径。

4.如权利要求1所述的太阳能热/电联合聚集光路方法，其特征在于，所述步骤S2：自由面离散点的求解包括

(a)已知初始发射点P_s,0发射一根矢量为v_s,0的光束，假设该光线同目标曲面相交于P₀以确定曲面置放的相对位置，根据目标矢量L_t,0和目标点P_t,0求解交点法向并获得该法线延长线矩阵v₀＝P₀+λ₀t₀，其中，t₀为幅角，λ₀为调节参数；

(b)从第二起始点P_s,1开始，已知光线以矢量v_s,1投射至目标曲面，且被要求反射至P_t,1点，则存在标量λ_s,1使得光线[P_s,1,v_s,1]^T同目标曲面的交点P₁为：

P₁＝P_s,1+λ_s,1v_s,1 (3)

至此，若能获得标量λ_s,1的值即可确定光线交点P₁位置；

(c)为求解标量λ_s,1，假设微元弧线段为圆弧形状，而根据法向向量n₀和n₁皆垂直于弧线，因此存在关系式：

上式中，P₀为已知量，C₀即线段v₀和v₁的交点，v₀可由表达式v₀＝P₀+n₀t₀获得，即为参变量幅角t₀的单值函数；同样，对v₁存在关系式v₁＝P₁+n₁t₁，其中，P₁由公式(3)获得，n₁根据下式：

n₁＝Rot(y,θ₁)(-v_s,1) (5)

式中，v_s,1为发射源矢量，θ₁为入射/反射矢量平分角，可由下式求解获得：

(d)求解出标量λ_s,1后，将其带入公式(5)和(6)即可获得P₁点坐标及其对应法向向量n₁；以此类推，依次求解P₂、P₃、P₄…的坐标和法向向量，链接所有点即可获得待求自由面。