CN112146292B - 一种免跟踪复合结构式的太阳能收集器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种免跟踪复合结构式的太阳能收集器,包括太阳能接收设备,太阳能接收设备的两侧对称分布有导光板,导光板的顶部放置有若干个太阳能收集单元;太阳能收集单元包括圆弧入射面、多面体反射面、第一平面反射面和出射面;多面体反射面包括第二平面反射面、第一抛物面反射面和第二抛物面反射面。本发明提供的太阳能收集器利用圆弧入射面对光线的折射作用和多面体反射面对光线的反射作用,将大面积的光线集中到导光板中,进而将光线传输至太阳能接收设备中,使太阳能接收设备能接收来自太阳能收集单元的太阳能,可接收的太阳入射角范围大;同时,太阳能接收设备的正上方无遮挡物,还能接收到太阳的直接辐射,显著提高太阳能的利用率。
Description
技术领域
本发明属于太阳能聚光技术领域,具体涉及一种免跟踪复合结构式的太阳能收集器。
背景技术
太阳能是最丰富的可再生清洁能源之一,面对环境污染日益严重的今天,太阳能技术是寻求经济发展新动力最有前途的技术之一。然而太阳能的能量密度比较低,高效率的接收面材料比较昂贵,因此采用聚光器来提高能量密度,用廉价的聚光器材料代替昂贵的吸收面的面积来降低成本的方法被发展。目前大多数聚光器尤其是高倍聚光需要一个高精度的追踪系统去使聚光系统接收到长时间的光照,否则太阳运动轨迹的变化会使聚光器产生的光斑偏离接收面,但是以额外的制造和维护成本为代价的。对于低倍聚光器对追踪器的需求比较低,典型的以复合抛物面型静态聚光器为代表,但是其形成的辐照分布不均匀,降低了光伏电池的发电效率。因此对于聚光器减少跟踪装置、扩大接收角范围、提高聚光辐照分布均匀性及光电效率是迫切需要探究与解决的问题。
发明内容
针对现有技术的不足,本发明的目的是提供一种免跟踪复合结构式的太阳能收集器。
一种免跟踪复合结构式的太阳能收集器,包括太阳能接收设备,所述太阳能接收设备的两侧对称分布有导光板,所述导光板的顶部放置有若干个太阳能收集单元,位于太阳能接收设备两侧的太阳能收集单元对称分布;
所述太阳能收集单元包括圆弧入射面、多面体反射面、第一平面反射面和出射面,所述多面体反射面和第一平面反射面相对设置;所述圆弧入射面、多面体反射面、第一平面反射面、出射面以及两个互相平行且大小相同的面围合形成框体结构;
所述多面体反射面包括第二平面反射面、第一抛物面反射面和第二抛物面反射面;所述第二平面反射面的剖面线为直线,所述第一抛物面反射面和第二抛物面反射面的剖面线为抛物线。
作为优选的技术方案,所述导光板的顶部具有锯齿状凸起,所述锯齿状凸起包括竖直面和倾斜反射面,所述倾斜反射面与水平面之间的锐角夹角为0°到40°。将导光板设计成锯齿状,使太阳能收集单元传输的光在高效率传输的情况下,以最多的光进入导光板,并使传导的光波进行最大限度的全反射传输,减少能量损耗。
作为优选的技术方案,所述圆弧入射面与第二平面反射面之间设置有直角连接部。通过在圆弧入射面与第二平面反射面之间设置直角连接部,方便多个太阳能收集单元进行拼接。进一步优选的,第一平面反射面与出射面之间的夹角为135°,这样可以使竖直入射的光线水平出射,然后进入与其相邻的太阳能收集单元的圆弧入射面中。
作为优选的技术方案,所述多面体反射面、第一平面反射面为镀铝或镀银的反射镜
作为优选的技术方案,所述太阳能接收设备的上方安装有玻璃盖板。进一步优选的,所述玻璃盖板的材质为超白玻璃或者钢化玻璃。玻璃盖板对太阳能接收设备起到保护作用,能够降低外界环境对太阳能接收设备的影响,减少维护成本。
作为优选的技术方案,所述太阳能收集单元和导光板的材质均为有机玻璃(PMMA)。有机玻璃透光率达到90%以上,可以达到降低成本,提高光学性能的效果。
作为优选的技术方案,所述太阳能接收设备为太阳能电池板或太阳能热水设备。太阳能电池板或太阳能热水设备能够进行光电或者光热转换,将太阳能转化为其它形式可供人类利用的能量。
与现有技术相比,本发明的有益效果为:
(1)本发明提供的太阳能收集器利用圆弧入射面对光线的折射作用和多面体反射面对光线的反射作用,将大面积的光线集中到导光板中,进而将光线传输至太阳能接收设备中,使太阳能接收设备能接收来自太阳能收集单元的太阳能,可接收的太阳入射角范围大;另外,由于太阳能收集单元的面积大于太阳能接收设备的面积,能够增加单位面积上太阳能的能量密度,提高太阳能利用率;同时,太阳能接收设备的正上方无遮挡物,使太阳能接收设备还能接收到太阳的直接辐射和散射辐射,显著提高太阳能的利用率。
(2)本发明提供的太阳能收集器制造材料成本低廉,透光性良好;无需追踪装置,可固定安装,减少维护和制造成本;且适用于多种场合,可与建筑物进行结合,如窗户,阳台和屋顶等,应用范围广。
附图说明
图1是本发明提供的太阳能收集器的结构示意图;
图2是图1中太阳能收集单元的结构示意图;
图3是太阳能收集单元的纵截面结构示意图;
图4是图1中导光板的结构示意图;
图5是太阳能收集器的的封装示意图;
附图标记:1太阳能接收设备,2-导光板,2-1竖直面,2-2倾斜反射面,3-太阳能收集单元,3-1圆弧入射面,3-2第二平面反射面,3-3第一抛物面反射面,3-4第二抛物面反射面,3-5第一平面反射面,3-6出射面,4-直角连接部,5-玻璃盖板,6-基板, 7-支撑架。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作更进一步的说明。显然,所描述的实施例是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
实施例1
参考图1-4,一种免跟踪复合结构式的太阳能收集器,包括太阳能接收设备1,所述太阳能接收设备1的两侧对称分布有导光板2,所述导光板2的顶部放置有若干个太阳能收集单元3,位于太阳能接收设备1两侧的太阳能收集单元3对称分布;进一步的,所述太阳能接收设备1的上方安装有玻璃盖板5,所述玻璃盖板5的材质为超白玻璃或者钢化玻璃,玻璃盖板5对太阳能接收设备1起到保护作用,能够降低外界环境对太阳能接收设备1的影响,减少维护成本。所述太阳能接收设备1为太阳能电池板或太阳能热水设备。太阳能电池板或太阳能热水设备能够进行光电或者光热转换,将太阳能转化为其它形式可供人类利用的能量。为便于封装,参考图5,太阳能收集器放置在支撑架 7内,且太阳能收集器的底部放置有基板6。
所述太阳能收集单元3包括圆弧入射面3-1、多面体反射面、第一平面反射面3-5和出射面3-6,所述多面体反射面和第一平面反射面3-5相对设置;所述圆弧入射面3-1、多面体反射面、第一平面反射面3-5、出射面3-6以及两个互相平行且大小相同的面围合形成框体结构;进一步的,所述圆弧入射面3-1与第二平面反射面之间设置有直角连接部4。通过在圆弧入射面3-1与第二平面反射面3-5之间设置直角连接部4,方便多个太阳能收集单元3进行拼接。
所述多面体反射面包括第二平面反射面3-2、第一抛物面反射面3-3和第二抛物面反射面3-3;所述第二平面反射面3-2的剖面线为直线,所述第一抛物面反射面3-3和第二抛物面反射面3-3的剖面线为抛物线。
作为优选的实施方式,所述导光板2的顶部具有锯齿状凸起,所述锯齿状凸起包括竖直面2-1和倾斜反射面2-2,所述倾斜反射面2-2与水平面之间的锐角夹角为0°到40°。将导光板2设计成锯齿状,使太阳能收集单元3传输的光在高效率传输的情况下,以最多的光进入导光板2,并使传导的光波进行最大限度的全反射传输,减少能量损耗。进一步的,所述多面体反射面、第一平面反射面为镀铝或镀银的反射镜。所述太阳能收集单元和导光板的材质均为有机玻璃(PMMA)。有机玻璃透光率达到90%以上,可以达到降低成本,提高光学性能的效果。
本发明提供的免跟踪复合结构式的太阳能收集器的设计方法,步骤如下:
(1)确定多面体反射面中各反射面接收光线的角度范围:
参考图3,以铅垂方向入射的光线作为参考基线,即图3中光线①的入射方向,下文描述的光线角度是指目标光线进入圆弧入射面3-1时与光线①之间的锐角夹角。
第二平面反射面3-2主要是对光线角度为0°的光进行反射,第一抛物面反射面3-3主要是对光线角度为10°-25°的光进行反射,第二抛物面反射面3-4主要是对光线角度为30°-40°的光进行反射。该范围由仿真实验确定,通过蒙特卡洛方法,进行光线追迹。当光线透过圆弧入射面3-1后,可以分别计算出各入射光线的折射角,根据边缘光线角原理,及透镜的最薄化,可以首先确定出第二平面反射面3-2的控制方程。
(2)根据第二平面反射面3-2的位置信息,确定第一抛物面反射面3-3的位置信息,然后根据光线传播的矢量表达式,确定该平面上点的坐标值,进行线性拟合,得到第二抛物面反射面3-3的方程。第二抛物面反射面为凸抛物面,其能够使发散的光线⑤近乎平行的进入到导光板2中进行传播。
(3)以在不同的角度的传输效率最高为目标,通过光线追迹确定导光板的参数值。
应用例1
设计过程:
(1)参考图3,太阳光照射至圆弧入射面3-1时,当入射角为θ时,利用折射定律得到折射角α的值:
n1sinθ=n2 sinα
n1为空气的折射率,其值为1;n2为圆弧入射面材料的折射率,其值为1.5。
当入射角θ为90°时,令其折射光线的倾斜角作为第二平面反射面3-2的倾斜角,斜率为0.89,可以使光线进入到导光板,减少光线溢出。
(2)参考图3,建立坐标系,根据第二平面反射面3-2的位置和信息,确定第一抛物面反射面3-3和第二抛物面反射面3-4的形状与位置信息:
首先根据第二平面反射面3-2的位置和边缘光线角定律做出平面L,图中β角是平面L倾斜角的余角,通过优化分析令β=α(入射角(σ+β)将近达到90°)形成最大的入射角,即满足边缘光线角原理,又经过光线路径追迹验证可以使光线传输到导光板2 中。
在该坐标系下建立如下反射光线⑤的方程和反射平面L的方程:
计算出反射光线⑤与第一抛物面反射面3-3的交点坐标,其中m和g的优化范围是0.1~1.5,进而拟合出第一抛物面反射面3-3和第二抛物面反射面3-4。
(3)采用Tracepro软件进行光路追迹,为使导光板高效率传输光线,确定导光板的倾斜反射面2-2的斜率为1.88,竖直面2-1的高度为16mm;使得光线角度在30°范围内的光都可以被导光板接收到。因导光板2对称分布在太阳能接收设备的两侧,因此本太阳能收集器可接收的太阳入射角范围大,可达到60°。
本发明提供的太阳能收集器利用圆弧入射面3-1对光线的折射作用和多面体反射面对光线的反射作用,将大面积的光线集中到导光板2中,并使传导的光波进行最大限度的全反射传输,减少能量损耗,使光线到达太阳能接收设备1中,增大太阳能接收设备 1的太阳入射角范围。另外,由于太阳能接收设备1的正上方无遮挡物,因此其不仅能接收到来自太阳能收集单元的太阳能,还可以接收太阳的直接辐射和散射辐射,显著提高太阳能的利用率。
本发明提供的太阳能收集器极大的延长了光照的辐射时间,使其在没有复杂跟踪装置的条件下,能够获得长时间高密度的能量照射。此外,由于太阳能收集器具有多个太阳能收集单元,多个太阳能收集单元接收太阳光照的面积大于太阳能接收设备的面积,光线在通过导光板后获得聚集,克服了聚光比与接收角的限制关系,达到提高能量密度的目的。可以保证在一定范围下的接收角具有较高的聚光比,使得太阳能收集器在全天候下,获得好的使用效果。
Claims (6)
1.一种免跟踪复合结构式的太阳能收集器,其特征在于:包括太阳能接收设备,所述太阳能接收设备的两侧对称分布有导光板,所述导光板的顶部放置有若干个太阳能收集单元,位于太阳能接收设备两侧的太阳能收集单元对称分布;
所述太阳能收集单元包括圆弧入射面、多面体反射面、第一平面反射面和出射面,所述多面体反射面和第一平面反射面相对设置;所述圆弧入射面、多面体反射面、第一平面反射面、出射面以及两个互相平行且大小相同的面围合形成框体结构;所述第一平面反射面与出射面之间的夹角为135°,这样可以使竖直入射的光线水平出射,然后进入与其相邻的太阳能收集单元的圆弧入射面中;
所述多面体反射面包括第二平面反射面、第一抛物面反射面和第二抛物面反射面;所述第二平面反射面的剖面线为直线,所述第一抛物面反射面和第二抛物面反射面的剖面线为抛物线;
所述导光板的顶部具有锯齿状凸起,所述锯齿状凸起包括竖直面和倾斜反射面,所述倾斜反射面与水平面之间的锐角夹角为0°到40°;
所述圆弧入射面与第二平面反射面之间设置有直角连接部。
2.根据权利要求1所述的免跟踪复合结构式的太阳能收集器,其特征在于:所述多面体反射面、第一平面反射面为镀铝或镀银的反射镜。
3.根据权利要求1所述的免跟踪复合结构式的太阳能收集器,其特征在于:所述太阳能接收设备的上方安装有玻璃盖板。
4.根据权利要求3所述的免跟踪复合结构式的太阳能收集器,其特征在于:所述玻璃盖板的材质为超白玻璃或者钢化玻璃。
5.根据权利要求1-4任一项所述的免跟踪复合结构式的太阳能收集器,其特征在于:所述太阳能收集单元和导光板的材质均为有机玻璃。
6.根据权利要求1-4任一项所述的免跟踪复合结构式的太阳能收集器,其特征在于:所述太阳能接收设备为太阳能电池板或太阳能热水设备。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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