CN111854178B - 一种二次聚光反射-均匀热流槽式太阳能集热器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种二次聚光反射‑均匀热流槽式太阳能集热器。该集热器包括抛物槽面反射镜、反射镜支架、真空集热管和二次复合平面反射镜，二次复合平面反射镜与真空集热管分别置于抛物槽面反射镜的焦线上方和下方位置，太阳光少部分光线通过二次复合平面反射镜内侧间隔照射到真空集热管向阳壁面；剩下部分光线经过抛物槽面反射镜完成一次聚光后，一部分光线反射到真空集热管背阳壁面；一部分光线经过二次复合平面反射镜后反射到真空集热管向阳壁面，完成二次聚光。本发明实现了真空集热管周向壁面受照光通量均匀，解决了传统槽式集热器中集热管周向热流密度分布不均匀的问题，有效降低了集热管的热应力损伤，改造工艺简单，成本低廉。

Description

一种二次聚光反射-均匀热流槽式太阳能集热器
技术领域
本发明属于太阳能热利用技术领域，特别涉及一种二次聚光反射-均匀热流槽式太阳能集热器。
背景技术
太阳能是地球上最丰富且清洁的可再生能源。每小时落在地球上的能量之和约为世界每年的总能耗，对太阳能高效、安全、低成本利用可以有效解决全球能源问题，然而目前太阳能的收集、转换、分配和最终使用都存在经济和技术上的难题。太阳能热利用重点是将太阳能转化为热能，并应用于热发电、热化学转化、采暖和制冷等方面。按照聚光集热方式可分为槽式、碟式和塔式，其中槽式太阳能集热系统是商业化运行中最广泛且成熟的系统，适合在中低温范围内的应用。
传统抛物槽式集热器通过抛物面反射镜将太阳光聚集到集热管上，热量由集热管内工质吸收。受聚光浓度比限制，传统抛物槽式集热器可接收的太阳能有限。同时，传统抛物槽式集热器光线经抛物面反射镜反射后主要聚集在真空集热管背阳侧表面，真空集热管向阳侧表面光线分布极少，导致集热管壁面周向热流密度分布不均匀而产生较大温度梯度，造成集热管产生较大的热应力导致弯曲变形，更严重时会对集热管造成机械损伤，造成真空泄露，影响集热器集热效率。
中国专利201910588554.0“具有二次反射镜的槽式聚光发电系统”通过在集热管上方添加二次复合抛物面反射镜来提高光学效率，但并未实现集热管周向热流密度分布均匀；中国专利201410749243.5“一种透射-反射线性聚光集热器”通过在集热管上方添加菲涅尔透镜来改善集热管周向热流分布不均匀性。该设计实现了集热管三个中心对称角度区域的热流密度分布均匀，但在其他角度区域仍存在局部热流密度较大的差异。中国专利202010174240.9“一种具有二次聚光器的高温太阳能集热管及其槽式集热器”通过在集热管环形真空封闭空间增加二次聚光器来提高聚光比，但二次反射镜的遮挡导致聚光效率有所降低，且仍未实现集热管表面热流分布均匀。
上述太阳能集热器均未能完全解决集热管周向热流密度分布不均匀的问题。因此，为了防止集热管周向热流密度分布不均匀而产生较大的热应力甚至弯曲变形，影响集热器集热效率，甚至对集热管造成机械损伤。急需设计一种对聚光效率影响极小，集热管热流分布均匀，工艺简单，成本低廉的新型太阳能集热器。
发明内容
本发明目的是提供一种二次聚光反射-均匀热流槽式太阳能集热器。本发明在真空集热管的上方增设经过特殊光学设计的二次反射镜，在不改动原有槽式太阳能集热器基本构型的前提下，通过二次反射镜实现光通量转移，使得集热管周向热流密度分布均匀，从而解决传统槽式集热器中集热管周向热流密度分布不均匀而产生较大的热应力甚至弯曲变形，影响集热器集热效率，甚至对集热管造成机械损伤等技术问题。
为实现上述目的，本发明的技术方案为：
一种二次聚光反射-均匀热流槽式太阳能集热器，包括抛物槽面反射镜、反射镜支架、真空集热管和二次复合平面反射镜。所述的真空集热管和二次复合平面反射镜架设在反射镜支架上；所述的真空集热管中心位于抛物槽面反射镜焦线下方30-70mm位置；所述的二次复合平面反射镜位于焦线上方位置，且二次复合平面反射镜的最低点距真空集热管中心至少58--130mm；近似平行的太阳光少部分光线通过二次复合平面反射镜内侧间隔直接照射到真空集热管向阳壁面，剩下部分光线经过抛物槽面反射镜完成一次聚光后，一部分光线直接反射到真空集热管背阳壁面；一部分溢出的光线经过二次复合平面反射镜后反射到真空集热管向阳壁面，完成二次聚光。实现了真空集热管3周向壁面受照光通量均匀；真空集热管内通有吸收性工质，吸收性工质吸收转化聚焦的太阳能，实现太阳能热利用过程。
所述二次复合平面反射镜由对称的两块复合平面镜组成；两块复合平面镜对称布置，且水平相距间隔0-20mm；所述复合平面镜由不少于两块的长短不一的平面镜以一定夹角关系组成，复合平面反射镜与对称面夹角45-90°。
所述二次复合平面反射镜采用多块反射率95％的镀银平面玻璃镜组合制成，工艺简单，成本低廉。
所述抛物槽面反射镜、真空集热管和二次复合平面反射镜关于同一对称面对称。
所述二次复合平面反射镜在光线入射方向上宽度与真空集热管外径基本相同。所述的二次复合平面反射镜外侧边缘接收抛物槽面反射镜边缘反射的最大锥角光线，二次反射到真空集热管左右两侧；所述的二次复合平面反射镜内侧边缘接收未被吸收且与真空集热管相切的部分光线，二次反射到真空集热管顶部；所述的二次复合平面反射镜内侧间隔使得少部分太阳光线直射真空集热管被吸收。
本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：
(1)利用本发明，近似平行的太阳光少部分光线通过二次复合平面反射镜内侧间隔直接照射到真空集热管表面被吸收；剩下部分光线经过抛物槽面反射镜完成一次聚光后，一部分光线直接反射到真空集热管背阳壁面；一部分溢出的光线经过二次复合平面反射镜后反射到真空集热管向阳壁面，完成二次聚光。本发明实现了真空集热管全壁面热流分布均匀，解决了非均匀热流下由于集热管局部温度过高产生的热应力损伤、集热效率低及对内部介质的高温损伤等问题，提高了太阳能热利用系统的集热效率、稳定性和安全性。
(2)利用本发明，所有近似平行光线被聚焦反射后，全能落在真空集热管表面，通过真空集热管内部吸收性介质吸收实现太阳能利用过程；且二次复合平面反射镜在光线入射方向与真空集热管宽度基本相同。与传统槽式太阳能集热器相比，二次复合平面反射镜对抛物槽面反射镜遮挡几乎无影响，保证了增加二次反射镜后集热器整体光学效率几乎不变，而真空集热管周向热流均匀性显著提升。
(3)利用本发明，通过设计调整传统槽式集热器真空集热管的位置及架设经特殊光学设计的二次复合平面反射镜，即可实现真空集热管周向热流均匀分布的目的，改造工艺简单、设计自由度大。复合平面反射镜由多块平面镜组合构成，成本低廉，有利于大规模工业化改造。
(4)利用本发明，非常适用于需要控制集热管内局部最高温度及获得恒定温度等特殊太阳能热利用情形。可依据实际表面热流或集热器相关尺寸参数需求重新设计二次复合平面反射镜结构，仅需重新调整集热管位置并替换二次复合平面反射镜即得到新的太阳能槽式集热器，易于进行维护改造。
附图说明
图1为本发明二次聚光反射-均匀热流槽式太阳能集热器的结构示意图；
图2为本发明的二次反射原理图；
图3为本发明实施例的二次复合平面反射镜的结构示意图；
图4为本发明实施例的集热管表面与传统槽式集热器集热管表面热流分布对比示意图；
图5是本发明实施例的光线传输路径示意图；
1-抛物槽面反射镜；2-反射镜支架；3-真空集热管；4-二次复合平面反射镜；5-抛物槽面反射镜焦线；6-复合平面镜。图中标注单位：mm。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明作详细说明，并不限制发明。
下面通过一个设计的具体实例进行说明。
如图1所示，本发明提供的二次聚光反射-均匀热流槽式太阳能集热器，包括抛物槽面反射镜1、反射镜支架2、真空集热管3和二次复合平面反射镜4，真空集热管3和二次复合平面反射镜4架设在反射镜支架2上。抛物槽面反射镜单元长度4m、6m或7.8m，开口宽度为5m，焦距1.84m；真空集热管外径70mm。太阳光实际为锥形光线，在太阳光锥半顶角为4.65mrad时，近似平行的太阳光少部分光线通过二次复合平面反射镜4内侧间隔直接照射到真空集热管3向阳壁面；剩下部分光线经过抛物槽面反射镜1完成一次聚光后，一部分光线直接反射到真空集热管3背阳壁面；一部分溢出的光线经过二次复合平面反射镜4聚光反射后反射到真空集热管3向阳壁面，完成二次聚光。通过COMSOL射线光学模块模拟计算，采用太阳直射辐射强度(DNI)为1000w/m2。计算结果如图4所示，本发明中真空集热管3周向全壁面热流分布基本均匀，集热管上热流密度的均匀度高达93.23％,解决了传统槽式集热器由于集热管周向热流密度分布不均匀及局部热流过大导致集热器集热效率和可靠性下降等问题。
如图2所示，真空集热管3位于抛物槽面反射镜焦线5正下方0.045m位置；二次复合平面反射镜4边缘点P位于抛物槽面反射镜焦线5正上方0.008m位置；抛物槽面反射镜1、真空集热管3和二次复合平面反射镜4关于同一对称面对称。二次复合平面反射镜4在光线入射方向与真空集热管3宽度基本相同，与传统槽式太阳能集热器相比，二次复合平面反射镜对抛物槽面反射镜遮挡几乎无影响，保证了增加二次反射镜后集热器整体光学效率几乎不变。
如图1、2、5所示，太阳的锥形光线使得同一位置反射的光线也呈锥形，理想平行光线(图1、2中箭头实线)与最大锥角光线(图1、2中箭头虚线)通过经过特殊光学设计的二次复合平面反射镜4二次聚光反射后都能落在真空集热管3上，确保增加二次反射镜后集热器整体光学效率几乎不变。具体光路设计如下：二次复合平面反射镜4外侧边缘接收抛物槽面反射镜1边缘反射的最大锥角光线，并二次反射到真空集热管3左右两侧；二次复合平面反射镜4内侧边缘接收未被吸收且与真空集热管3相切的那部分光线，二次反射到真空集热管3顶部；二次复合平面反射镜4内侧间隔使得部分太阳光线直射真空集热管3被吸收。通过COMSOL射线光学模块模拟计算，采用太阳直射辐射强度(DNI)为1000w/m2。计算结果如图4所示，与相同抛物槽式反射镜1开口宽度及真空集热管3外径的传统槽式太阳能集热器相比，本发明中真空集热管3全周向热流分布基本均匀，局部最大热流降低约2/3，实现了真空集热管3周向热流均匀分布，而集热器聚光效率降低仅约1％。解决了传统槽式集热器中集热管周向热流密度分布不均匀而产生较大的热应力甚至弯曲变形，影响集热器集热效率，甚至对集热管造成机械损伤等技术问题。
如图3所示，二次复合平面反射镜(4)由两块复合平面镜(6)构成。两块复合平面镜(6)成对称布置，且相距一定间隔。相关尺寸标注如图3，为确保经抛物槽面反射镜1一次反射的溢出光线都被捕捉，适当延长二次复合平面反射镜4。
本发明非常适用于需要控制集热管内局部最高温度及获得恒定温度等特殊太阳能热利用情形。在实际生产中，可依据实际表面热流或集热器相关尺寸参数的需求重新设计二次复合平面反射镜结构，仅需重新调整集热管位置并替换二次复合平面反射镜即可得到新的满足设计要求的太阳能槽式集热器，易于进行维护改造。二次复合平面反射镜4采用多块反射率95％的镀银平面玻璃镜组合制成，工艺简单，成本低廉，适合大规模应用。

Claims (7)

1.一种二次聚光反射-均匀热流槽式太阳能集热器，包括抛物槽面反射镜(1)、反射镜支架(2)、真空集热管(3)和二次复合平面反射镜(4)，其特征在于：真空集热管(3)和二次复合平面反射镜(4)架设在反射镜支架(2)上，不改动原有槽式太阳能集热器基本构型； 经过特殊光学设计的二次复合平面反射镜(4)由两块复合平面镜(6)构成，两块复合平面镜(6)成对称布置，且水平相距间隔0-20mm，真空集热管(3)中心位于抛物槽面反射镜(1)的焦线(5)正下方30-70mm位置，二次复合平面反射镜(4)位于抛物槽面反射镜(1)的焦线(5)上方位置，且二次复合平面反射镜(4)的最低点距真空集热管(3)中心至少58--130mm，近似平行的太阳光少部分光线通过二次复合平面反射镜(4)内侧间隔直接照射到真空集热管(3)向阳壁面；剩下部分光线经过抛物槽面反射镜(1)完成一次聚光后，一部分光线直接反射到真空集热管(3)背阳壁面；一部分溢出的光线经过二次复合平面反射镜(4)后反射到真空集热管(3)向阳壁面，完成二次聚光，实现了真空集热管(3)周向壁面 受照光通量均匀。
2.根据权利要求1所述的一种二次聚光反射-均匀热流槽式太阳能集热器，其特征在于：抛物槽面反射镜(1)的横截面曲面型线为抛物线；二次复合平面反射镜(4)横截面曲面型线为多段折线。
3.根据权利要求1所述的一种二次聚光反射-均匀热流槽式太阳能集热器，其特征在于：二次复合平面反射镜(4)为对称结构，抛物槽面反射镜(1)、真空集热管(3)和二次复合平面反射镜(4)关于同一对称面对称。
4.根据权利要求1所述的一种二次聚光反射-均匀热流槽式太阳能集热器，其特征在于：复合平面镜(6)由不少于两块的长短不一的平面镜以一定夹角关系组成，复合平面镜(6)与对称面夹角45-90°。
5.根据权利要求1所述的一种二次聚光反射-均匀热流槽式太阳能集热器，其特征在于：二次复合平面反射镜(4)开口宽度在光线入射方向上与真空集热管(3)外径基本相同；二次复合平面反射镜(4)外侧边缘接收抛物槽面反射镜(1)边缘反射的最大锥角光线，二次反射到真空集热管(3)左右两侧；二次复合平面反射镜(4)内侧边缘接收未被吸收且与真空集热管(3)相切的那部分光线，二次反射到真空集热管(3)顶部；二次复合平面反射镜(4)内侧间隔使得少部分太阳光线直射真空集热管(3)向阳壁面被吸收。
6.根据权利要求1所述的一种二次聚光反射-均匀热流槽式太阳能集热器，其特征在于：二次复合平面反射镜(4)采用多块反射率为95％的镀银平面玻璃镜组合制成。
7.根据权利要求1所述的一种二次聚光反射-均匀热流槽式太阳能集热器，其特征在于：该槽式太阳能集热器具有单轴光线追踪能力。
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