CN110375444B - 一种可防止夏季过热的太阳能反射板 - Google Patents

Abstract

本发明提出的一种可防止夏季过热的太阳能反射板，属于太阳能利用技术领域，所述太阳能反射板安装于横排真空管太阳能集热器的相邻两真空管之间，所述太阳能反射板的断面形状为所述吸热管上一段圆弧所对应的渐伸线；设采暖季结束日当日真太阳时12点的太阳高度角α₁，采暖季结束后0～1个月内的当日真太阳时12点的太阳高度角α₂，夏至日真太阳时12点的太阳高度角α₃，根据α₁、α₃确定太阳能反射板的下端点E′坐标，利用渐伸线方程及α₂确定太阳能反射板的上端点D′坐标，最终确定太阳能反射板的安装位置。本发明通过反射设计实现冬季太阳低入射角时聚光，夏季太阳高入射角时遮挡的光学效果，从而在提高太阳能集热器冬季能效的同时降低夏季过热的风险。

Description

一种可防止夏季过热的太阳能反射板

技术领域

本发明属于太阳能利用技术领域，特别涉及一种可防止夏季过热的太阳能反射板。

背景技术

太阳能作为清洁能源，被大量用于寒冷和严寒地区的冬季采暖和生活热水。作为太阳能的收集设备，真空管集热器相比于传统的平板集热器，具有更好的保温性能，且随着其生产成本的降低得到了愈发广泛的使用。

目前真空管太阳能供暖主要面临两个难点：1)在冬季太阳辐射较弱时，建筑供热需求大，在有限的集热面积或太阳能资源不足的地区会导致较低的太阳能保证率；2)在夏季太阳辐射较强时，建筑不需要供热，导致真空管集热器过热，减少集热器寿命，极端情况下还会导致真空管破裂。

目前已提出将真空管集热器与反射板相结合，反射板通过增加太阳辐照接受面积，反射聚光的方式来提高真空管集热器的整体能效。现有的反射板可分为静态型和追光型两类，由于低温集热器要求的出水温度较低(为40～120℃)，静态反射板已能满足相应要求；而追光型反射器一般用于中、高温集热器。根据静态反射板的形状分类，真空管集热器常用的静态反射板可分为平面反射板、抛物线反射板和复合抛物线反射板；其中，平面反射板将入射光线平行反射到真空管上，抛物线和复合抛物线反射板利用非成像光学，将入射光线以不同角度反射聚焦到真空管上。

目前的反射板仅单一考虑增加真空管集热器的能效，虽然可提高冬季供暖效果，但同时会导致更为严重的夏季过热，亟需一种能提高冬季能效同时可防止夏季过热的太阳能反射板。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术的不足之处，提出一种能提高冬季能效同时可防止夏季过热的太阳能反射板。本发明利用夏季太阳高度角高，冬季太阳高度角低的现象，通过反射设计实现冬季太阳低入射角时聚光，夏季太阳高入射角时遮挡的光学效果，从而使得本太阳能反射板在提高太阳能集热器冬季能效的同时可降低夏季过热的风险。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明提出的一种可防止夏季过热的太阳能反射板，所述太阳能反射板安装于横排真空管太阳能集热器的相邻两真空管之间，所述真空管由吸热管和玻璃外管组成，吸热管和玻璃外管的断面均为圆形；其特征在于，所述太阳能反射板的断面形状为所述吸热管上的一段圆弧DE所对应的渐伸线，记为曲线D′E′；该曲线D′E′按照以下步骤确定：

1)设定如下参数：采暖季结束日当日真太阳时12点的太阳高度角α₁；采暖季结束后0～1个月内的当日真太阳时12点的太阳高度角α₂；夏至日真太阳时12点的太阳高度角α₃；设太阳能集热器任意一根吸热管的圆心为O，其下方的吸热管圆心为M，两者之间的中心距为L_c，各吸热管半径均为r_i，太阳能集热器的安装角度为β；

2)以所述O点建立直角坐标系，根据以下公式确定太阳能反射板下端点E′的坐标为：

过E′点作上方所述吸热管外壁的切线，得到切点E点，两点距离为L_EE′。；

3)设曲线D′E′的方程为：

x＝r_i·sin(ω)-ρ(ω)·cos(ω)

y＝-r_i·cos(ω)-ρ(ω)·sin(ω)

式中：

ω是以O点为圆心、y轴负半轴为起始点逆时针旋转的极角，ω₀≤ω≤ω_m，ω₀、ω_m分别是点D、E的极角，且ω₀＝α₂；

L_DD′为直线段DD′的长度，L_DD′＝ρ(ω₀)＝0.5L_EE′(1+cos(ω_m-ω₀))-0.5r_i·(ω_m-ω₀+sin(ω_m-ω₀))；

则太阳能反射板上端点D′的坐标为：

D′(x)＝r_i·sin(ω₀)-ρ(ω₀)·cos(ω₀)

D′(y)＝-r_i·cos(ω₀)-ρ(ω₀)·sin(ω₀)。

进一步地，所述吸热管的半径r_i为30～50mm，吸热管间距为80～120mm。

进一步地，所述太阳能集热器的安装角度β高于当地纬度10～15°。

进一步地，所述太阳能反射板为反射率高于0.8的金属板。

本发明的特点及有益效果如下：本发明利用曲线渐伸线原理，反射板上任意一点，入射角为α₂的光线在该点的反射光线与吸热管外壁相切，根据边缘光线定理，则入射角≤α₂的光线能聚光到吸热管上，而入射角较高的光线则被反射回天空，从而达到冬季增热的作用；而当入射角α≥α₁时，则吸热管上方的反射板对吸热管形成部分遮挡，从而达到夏季减热的作用。

附图说明

图1是本发明实施例所涉及的太阳能反射板及太阳能集热器的整体结构示意图。

图2、3是本发明的工作原理示意图。

图4中(a)～(d)是本发明反射及遮挡效果随光线入射角度变化的数值模拟结果图。

图5是图4所示数值模拟结果对应的太阳高度角与集热器光学效率的关系曲线。

具体实施方式

以下结合附图及实施例对本发明的技术方案作进一步详细说明：

本发明提出的一种可防止夏季过热的太阳能反射板，主要针对用于建筑采暖和生活热水等对热水需求范围为40-120℃的真空管式太阳能集热器的反射板，参见图1，太阳能集热器朝向正南方，真空管东西横向呈一定倾角排列放置，每根真空管下方带有一片反射板3，各反射板3均固定在太阳能集热器左右两侧的支架(该支架在图中未示意)上。反射板由反射率高于0.8的金属板制成(本实施例采用抛光铝板)。各真空管均分别由吸热管1和玻璃外管2组成，且吸热管1和玻璃外管2的断面均为圆形。

太阳能反射板的工作原理如图2、3所示，单根真空管接受的太阳辐照受到上下两片反射板3的共同影响，其中，冬季增热由单根真空管下方的反射板实现，夏季减热由单根真空管上方的反射板实现。太阳能集热器的全年运行效果随入射光线与水平面间的夹角变化而变化。

本发明实施例的太阳能反射板的断面形状为吸热管1上的一段圆弧DE所对应的渐伸线，记为曲线D′E′；该曲线D′E′按照以下步骤确定：

1)设定如下参数：采暖季结束日当日真太阳时12点的太阳高度角α₁；采暖季结束后0～1个月内的当日真太阳时12点的太阳高度角α₂；夏至日真太阳时12点的太阳高度角α₃；设太阳能集热器任意一根吸热管1的圆心为O，其下方的吸热管1圆心为M，两者之间的中心距为L_c，各吸热管1外壁的半径均为r_i，太阳能集热器的安装角度为β；

其中，吸热管1的半径r_i为30～50mm，吸热管1的间距为80～120mm。太阳能集热器的安装角度β优选高于当地纬度10～15°。在此倾角区间内，反射板的光学效率最大。

2)以所述O点建立直角坐标系，按照以下公式确定太阳能反射板3下端点E′的坐标为：

过E′点作上方吸热管1外壁的切线，得到切点E点，两点距离为L_EE′；

3)设曲线D′E′的方程为：

x＝r_i·sin(ω)-ρ(ω)·cos(ω)

y＝-r_i·cos(ω)-ρ(ω)·sin(ω)

式中：

ω是以O点为圆心、y轴负半轴为起始点逆时针旋转的极角，ω₀≤ω≤ω_m，ω₀、ω_m分别是点D、E的极角，且ω₀＝α₂；ω_m的确定方式如下：过点E′作吸热管1的切线，对应的切点为E，该点E和圆心O的连线与y轴负半轴间的夹角即为ω_m；

L_DD′为直线段DD′的长度，L_DD′＝ρ(ω₀)＝0.5L_EE′(1+cos(ω_m-ω₀))-0.5r_i·(ω_m-ω₀+sin(ω_m-ω₀))，L_EE′为直线段EE′的长度；

则太阳能反射板3上端点D′的坐标为：

D′(x)＝r_i·sin(ω₀)-ρ(ω₀)·cos(ω₀)

D′(y)＝-r_i·cos(ω₀)-ρ(ω₀)·sin(ω₀)。

本发明反射板的断面形状根据吸热管基圆的渐伸线原理，曲线上任意一点的法线平分入射角为α₂光线与该点到基圆的切线，E点即为反射光线能达到吸热管的上端点，而入射角为α₂的光线与吸热管的下切点D即为反射光线能达到的下端点，反射板D′E′曲线可以看做由吸热管上D点到E点的切线所对应的点组成的光滑曲线。

各反射板的工作原理可分为冬季增热和夏季减热进行阐述：

1、冬季增热：冬季增热由单根真空管下方的反射板实现。反射板上任意一点的曲率设计原则为，当与水平面呈夹角α₂光线入射该点时，其反射光线与吸热管相切。根据边缘光线定理，当光线入射角度α≤α₂时，入射到反射板上的光线均能聚光到吸热管上，当光线入射角度α≥α₂时，则光线被反射回天空。

2、夏季减热：夏季减热由单根真空管上方的反射板实现。当入射光线角度α＞α₁时，真空管上方的反射板对该真空管起到部分遮挡作用。经过上片反射板末端点E′，水平夹角为α₁的入射光线与吸热管相切，而水平夹角为α₂的入射光线经过吸热管圆心。则对于入射角α≤α₁的光线，吸热管能完全吸收。当入射角α＞α₁时，则吸热管部分吸收面积被上方反射板遮挡，当入射角α＝α₂时，吸热管的有效吸收面积的面积降至为50％。

整理可得，其全年运行效果随入射光线角度α变化的规律为：

最后以下表参数为例(其中r₀为玻璃外管的外壁半径)，对本发明的效果进行验证。将模型放入Trace Pro光学分析软件中进行数值模拟，模拟时设置反射板为理想镜面(反射率为1.0)，吸热管为理想吸收体(吸收率为1.0)。

字母标识	单位	取值
			α1	°	40
α2	°	55
			α3	°	73
β	°	50
			Lc	mm	100
ri	mm	23.5
			ro	mm	29

各入射角度光线效果如图4所示，图中(a)～(d)分别为光线入射角α＝30°，55°，65°，85°时经反射板产生的反射光线。由图可知，当α≤40°时，入射到反射板上的光线聚光到吸热管上，当40＜α≤55°时，反射光持续聚光，部分吸热管面积遮挡，当α＞55°时，反射光线反射回天空，而吸热管有效吸热面积持续减小。

进一步，定义单根真空管集热器的有效采光面积为A_etc，而增加了反射板后其有效采光面积为A_reflect，则增加反射板后采光面积变化比例定义为IF＝(A_reflect-A_etc)/A_etc；真空管长度取值1800mm时，则其有效采光面积随入射角α变化的趋势如图5所示。可以看出入射角α≤55°时，设有本实施例反射板的单根真空管有效采光面积大于未设置本实施例反射板的单根真空管有效采光面积，起到冬季增热的效果；当入射角α＞55°，设有本实施例反射板的单根真空管有效采光面积小于未设置本实施例反射板的单根真空管有效采光面积，起到夏季减热的效果。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (2)

1.一种可防止夏季过热的太阳能反射板，所述太阳能反射板安装于横排真空管太阳能集热器的相邻两真空管之间，所述真空管由吸热管和玻璃外管组成，吸热管和玻璃外管的断面均为圆形；其特征在于，所述太阳能反射板的断面形状为所述吸热管上的一段圆弧DE所对应的渐伸线，记为曲线D′E′；该曲线D′E′按照以下步骤确定：

1)设定如下参数：采暖季结束日当日真太阳时12点的太阳高度角α₁；采暖季结束后0～1个月内的当日真太阳时12点的太阳高度角α₂；夏至日真太阳时12点的太阳高度角α₃；设太阳能集热器任意一根吸热管的圆心为O，其下方的吸热管圆心为M，两者之间的中心距为L_c，各吸热管半径均为r_i，太阳能集热器的安装角度为β；

2)以所述O点建立直角坐标系，根据以下公式确定太阳能反射板下端点E′的坐标为：

过E′点作上方所述吸热管外壁的切线，得到切点E点，两点距离为L_EE′；

3)设曲线D′E′的方程为：

x＝r_i·sin(ω)-ρ(ω)·cos(ω)

y＝-r_i·cos(ω)-ρ(ω)·sin(ω)

式中：

ω是以O点为圆心、y轴负半轴为起始点逆时针旋转的极角，ω₀≤ω≤ω_m，ω₀、ω_m分别是点D、E的极角，且ω₀＝α₂；L_DD′为直线段DD′的长度，L_DD′＝ρ(ω₀)＝0.5L_EE′(1+cos(ω_m-ω₀))-0.5r_i·(ω_m-ω₀+sin(ω_m-ω₀))；

则太阳能反射板上端点D′的坐标为：

D′(x)＝r_i·sin(ω₀)-ρ(ω₀)·cos(ω₀)

D′(y)＝-r_i·cos(ω₀)-ρ(ω₀)·sin(ω₀)

所述吸热管的半径r_i为30～50mm，吸热管间距为80～120mm；该太阳能反射板为反射率高于0.8的金属板。

2.根据权利要求1所述的太阳能反射板，其特征在于，所述太阳能集热器的安装角度β高于当地纬度10～15°。