CN112710094A - 一种二次反射系统及具有该系统的太阳能聚光集热系统 - Google Patents

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Abstract

本发明属于太阳能利用设备技术领域，特别涉及太阳光聚光装置技术领域，具体是指一种二次反射系统及具有该系统的太阳能聚光集热系统。所述二次反射系统，包含二次反射镜和支撑结构，所述二次反射镜的反射镜面呈自由曲面形态。本发明还公开了包含所述二次反射系统的太阳能聚光集热系统。本发明自由曲面的改进简化了光学系统，镜场的范围和接收器的大小不再受限，可以获得更高的能流值，大大提升了二次反射系统的适应能力和应用范围。

Description

一种二次反射系统及具有该系统的太阳能聚光集热系统
技术领域
本发明属于太阳能利用设备技术领域，特别涉及太阳光聚光装置技术领域，具体是指一种二次反射系统、具有该系统的太阳能聚光集热系统。
背景技术
二次反射式太阳能热发电系统是在传统的塔式太阳能热发电系统基础上的改进方案。由于传统的塔式系统将吸热器安装在数百米高的塔顶，对流与辐射损失较大，而且吸热器安装与维护成本很高，因此可以通过在较矮的位置安装一曲面型的二次反射装置，从而将吸热器改为地面安装，以降低热能损耗，并简化部分高空吸热器的配套设备，大幅削减系统造价和风险。其中二次反射系统的设计是整个太阳能热发电系统设计中的关键部分。
目前二次反射系统面型主要有双曲面型和椭圆面型，原理是当光线指向曲面上焦点时，经二次镜反射后光线将汇聚至曲面下焦点。针对这类二次反射系统，镜场范围受到二次反射镜的大小与高度的限制，镜场范围越大，相应的二次反射镜就越大，接收器的尺寸就越大，导致成本大幅提高，无法形成规模效应。
同时，现有的此类二次反射系统，二次镜上的能流分布不均，其特点是越靠近外侧的能流值越高，靠内侧的能流明显降低，具有局部能流过高的特点，导致二次镜的利用率不高，造成了资源的浪费，因此迫切需要一种新型的曲面作为二次反射系统的曲面，使其能流分布均匀，且大小与高度不受镜场的限制。
另外，现有的此类二次反射系统采用三个或更多的巨大立柱作为二次反射系统的主支撑结构，对地面部分的镜场带来了较大的遮挡问题，制约了二次反射系统的利用效率。
发明内容
本发明的目的是克服上述现有技术中二次反射系统规模受限，二次反射镜利用率不高，能流分布不均的缺点，提供了一种采用自由曲面的二次反射系统，同时有效地解决了巨大立柱带来的遮挡问题。
为了实现上述目的，本发明的二次反射系统具有如下构成：二次反射镜、及支撑结构。
所述二次反射镜是一个自由曲面形态的反射镜面，二次反射镜的自由曲面的确定流程如下：
步骤1：输入二次反射镜的初始值，包括高度、开口范围；
步骤2：输入镜场的范围；
步骤3：输入接收器的数量和位置；
步骤4：计算二维空间中二次反射镜自由曲面母线上离散点的坐标以及对应点处的一阶导数；
步骤a：根据已知的母线上初始点坐标(rn，zn)(n＝0)和镜场中对应的初始定日镜中心坐标；
步骤b：计算从初始定日镜中心发出的一次反射光(即二次反射的入射光)经母线初始点反射至对应吸热器时，母线初始点处的一阶导数kn(n＝0)(光路示意图如图2所示)；
步骤c：按下列公式计算母线上第n+1个点的坐标(rn+1，zn+1)
rn+1＝rn+Δrn
zn+1＝zn+Δrn·kn
式中：Δrn为母线上第n+1和第n个点的横坐标的差。
步骤d：计算从定日镜中心发出的一次反射光(即二次反射的入射光)经母线(rn+1，zn+1)点反射至吸热器内时，母线(rn+1，zn+1)点处的一阶导数kn+1；
步骤e：令n＝n+1并判断n≥N是否成立，是则输出二次反射镜曲面母线上一系列点的坐标与一阶导数；否则返回步骤c。
步骤5：计算二维空间中二次反射镜自由曲面母线的一阶导函数；
根据母线上一系列点的横坐标与对应一阶导数拟合得到母线的一阶导函数，拟合函数如下所示：
Figure BDA0002926909000000021
其中，M1，M2为函数的阶数，为正整数，ai，bj，m为待定系数，i＝0，1，...M1，j＝1，2，...M2，r为母线的半径。
步骤6：计算二维空间中二次反射镜自由曲面的母线方程；
Figure BDA0002926909000000022
其中c为用于调整二次反射曲面高度的常数，r0为f′(r)定义域内任意一个常数。
步骤7：自由曲面母线绕经过接收器中心且与水平面垂直的直线旋转一定的扇角后得到二次反射镜。
本发明还提供了一种具有所述的二次反射镜的二次反射系统，该系统还包括二次反射镜的支撑结构，所述的二次反射镜安装在支撑结构上。
所述的二次反射镜的支撑结构由包含环梁的纤细的网壳结构、A字形桅杆、副拉索和主拉索组成。
所述的网壳结构悬挂在所述的A字形桅杆上，所述的副拉索一端固定在地面上，所述的副拉索另一端穿过所述的环梁，最终与所述的A字形桅杆的顶端相连接，其中所述的副拉索均匀分布在环梁上和地面上。
所述的副拉索采用绝缘层/反射层进行保护，避免受到定日镜反射的太阳光的影响。
所述的主拉索，一端与所述的A字形桅杆的顶端相连接，另一端穿过所述的网壳结构，固定在地面上，所述的主拉索与地面呈一定的倾斜角度，起到稳定所述的A字形桅杆的作用。
所述的A字形桅杆底部固定在地面上，最终使所述的A字形桅杆与地面呈一定的倾斜角度，使其能够承受所述的网壳结构的载荷。
所述的二次反射镜的支撑结构大幅降低了钢结构的用量，同时提高了二次反射镜的利用面积。
本发明还提供一种具有所述的二次反射系统的太阳能聚光集热系统，该太阳能聚光集热系统还包括定日镜场、及接收器，所述的接收器位于二次反射镜中心下方的地面上，所述的定日镜场包括若干定日镜，所述的各定日镜以所述的接收器为圆心向内外分散布置，呈扇形布置。
所述太阳能聚光集热系统中，所述的二次反射系统的支撑结构设置于该太阳能聚光集热系统应用地区的纬度条件下定日镜场利用率最低的方向上。
所述太阳能聚光集热系统中，所述的定日镜为光线反射角度可控的定日镜，所述的定日镜场中的各定日镜的太阳光反射光线对准所述二次反射镜上的对准点，经所述的对准点反射后，所述的各定日镜的太阳光反射光线会反射到所述的接收器的中心。
本发明的有益效果：
(1)采用了本发明的二次反射系统，由于自由曲面相对于固定曲面具有更高的设计自由度和灵活的空间布局，使得光学系统得到简化。
(2)采用了本发明的二次反射系统，镜场的范围和接收器的大小不再受限，可以获得更高的能流值，大大提升了二次反射系统的适应能力和应用范围。
(3)采用了本发明的二次反射系统，二次反射镜接收的能流分布更加均匀，大大提高了二次反射镜的利用率，减少了资源的浪费。
(4)采用了本发明的二次反射系统，由于采用了单侧的钢立柱和拉索的支撑结构，既保证了系统的稳固性，又有效地解决了遮挡范围，大大提高了地面定日镜的可用范围，同时结构较为简单，生产、安装及维护成本低廉。
附图说明
图1为本发明的二次反射镜支撑结构示意图，1为所述的纤细的网壳结构，2为A字形桅杆，3为副拉索，4为主拉索。
图2为具有本发明二次反射系统的太阳能聚光集热系统示意图，5为所述的定日镜场，6为接收器，7为二次反射镜。
图3为本发明的二次反射系统光学原理图，8是定日镜，7是二次反射镜，6是接收器。
图4为传统曲面的二次反射系统光学原理图，8是定日镜，7是二次反射镜，6是接收器。
图5为本发明的二次反射系统不同镜场范围下的光学原理图和曲面母线，51是300m镜场，71是300m镜场对应二次反射镜，52是700m镜场，72是700m镜场对应二次反射镜，8是定日镜，6是接收器。
图6为本发明的二次反射系统不同镜场范围下的接收器能流分布曲线(300m镜场，700m镜场)。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本发明的技术内容，特举以下实施例详细说明，其中相同的部件为二次反射镜的支撑结构，见附图1。
实施例1镜场范围为300m的二次反射镜曲面
步骤1：输入二次反射镜的初始值，包括高度、开口范围；
步骤2：输入镜场的范围；
步骤3：输入接收器的数量和位置；
步骤4：计算二维空间中二次反射镜自由曲面母线上离散点的坐标以及对应点处的一阶导数；
步骤a：根据母线上初始点坐标(rn，zn)(n＝0)和镜场中对应的初始定日镜中心坐标；
步骤b：计算从初始定日镜中心发出的一次反射光(即二次反射的入射光)经母线初始点反射至对应吸热器时，母线初始点处的一阶导数kn(n＝0)(光路示意图如图2所示)；
步骤c：按下列公式计算母线上第n+1个点的坐标(rn+1，zn+1)
rn+1＝rn+Δrn
zn+1＝zn+Δrn·kn
式中：Δrn为母线上第n+1和第n个点的横坐标的差。
步骤d：计算从定日镜中心发出的一次反射光(即二次反射的入射光)经母线(rn+1，zn+1)点反射至吸热器内时，母线(rn+1，zn+1)点处的一阶导数kn+1；
步骤e：令n＝n+1并判断n≥N是否成立，是则输出二次反射镜曲面母线上一系列点的坐标与一阶导数；否则返回步骤c。
步骤5：计算二维空间中二次反射镜自由曲面母线的一阶导函数；
根据母线上一系列点的横坐标与对应一阶导数拟合得到母线的一阶导函数f′(r)，拟合函数如下所示：
Figure BDA0002926909000000051
其中M1，M2为函数的阶数，为正整数，ai，bj，m为待定系数，i＝0，1，...M1，j＝1，2，...M2，r为母线的半径。
步骤6：计算二维空间中二次反射镜自由曲面的母线方程；
Figure BDA0002926909000000052
其中c为用于调整二次反射曲面高度的常数，r0为f′(r)定义域内任意一个常数。
步骤7：自由曲面母线绕经过接收器中心且与水平面垂直的直线旋转一定的扇角后得到二次反射镜。
实施例2
根据实施例1得到的二次反射镜，设计了一种二次反射镜支撑结构。
所述的二次反射镜的支撑结构由包含环梁的纤细的网壳结构1，A字形桅杆2、副拉索3和主拉索4组成，见图1。
所述的网壳结构1悬挂在所述的A字形桅杆2上，所述的副拉索3一端固定在地面上，所述的副拉索3另一端穿过所述的环梁，最终与所述的A字形桅杆2的顶端相连接，其中所述的副拉索3均匀分布在环梁上和地面上。
所述的副拉索3采用绝缘层/反射层进行保护，避免受到定日镜反射的太阳光的影响。
所述主拉索4一端与所述的A字形桅杆2的顶端相连接，另一端穿过所述的网壳结构1，固定在地面上，所述主拉索4与地面呈一定的倾斜角度，起到稳定所述的A字形桅杆2的作用。所述的A字形桅杆2底部固定在地面上，最终使所述的A字形桅杆2与地面呈一定的倾斜角度，使其能够承受所述的网壳结构1的载荷。
所述的二次反射镜的支撑结构大幅降低了钢结构的用量，同时提高了二次反射镜的利用面积。
一种二次反射系统，包含所述二次反射镜和支撑结构，所述的二次反射镜安装在支撑结构上。
实施例3
根据实施例2的二次反射系统，设计了一种太阳能聚光集热系统，该太阳能聚光集热系统还包括定日镜场5、及接收器6，所述的接收器6位于二次反射镜7中心下方的地面上，所述的定日镜场5包括若干定日镜8，所述的各定日镜以所述的接收器6为圆心向内外分散布置，呈扇形布置，见图2。
该太阳能聚光集热系统中，所述的二次反射系统的支撑结构设置于该太阳能热发电系统应用地区的纬度条件下定日镜场利用率最低的方向上。
该太阳能聚光集热系统中，所述的定日镜为光线反射角度可控的定日镜，所述的定日镜场中的各定日镜的太阳光反射光线对准所述二次反射镜上的对准点，经所述的对准点反射后，所述的各定日镜的太阳光反射光线会反射到所述的接收器的中心。
从图3和图4可以看出，所述实施例1的二次反射镜接收的光线分布更加均匀，大大提高了二次反射镜的利用率，减少了资源的浪费。
实施例4
本实施方式与实施例1不同点是：所述的镜场范围扩大到700m。其他与实施例1相同。
图5为所述实施例1和所述实施例4的光线传输路径图，从图中可以看出，镜场的范围不受二次镜和接收器的大小和高度的限制，大大提升了二次反射系统的适应能力和应用范围。
图6为所述实施例1和实施例4的接收器能流密度分布图，中心区域为能流较强的区域，两边为能流较弱的区域，从图中可以看出，所有的能流都能够被所述的接收器接收，镜场范围的变化只是接收器中心能流峰值的变化，可以看出，利用本发明的二次反射镜，可以使所述的接收器获得更高的能流值，从而大大提升了二次反射系统的适应能力和应用范围。
综上，本发明的二次反射系统及具有该系统的太阳能聚光集热系统具有以下特点。
采用了本发明的二次反射系统及具有该系统的太阳能聚光集热系统，由于自由曲面相对于固定曲面具有更高的设计自由度和灵活的空间布局，使得光学系统得到简化。
采用了本发明的二次反射系统及具有该系统的太阳能聚光集热系统，镜场的范围和接收器的大小不再受限，可以获得更高的能流值，大大提升了二次反射系统的适应能力和应用范围。
采用了本发明的二次反射系统及具有该系统的太阳能聚光集热系统，二次反射镜接收的能流分布更加均匀，大大提高了二次反射镜的利用率，减少了资源的浪费。
采用了本发明的二次反射系统及具有该系统的太阳能聚光集热系统，由于采用了单侧的钢立柱和拉索的支撑结构，既保证了系统的稳固性，又有效地解决了遮挡范围，大大提高了地面定日镜地可用范围，同时结构较为简单，生产、安装及维护成本低廉。
在此说明书中，本发明已参照其特定的实施例做了描述。但是，很显然仍可以做出各种修改和变化而不背离本发明的精神和范围。因此，说明书和附图应被认为是说明性的而非限制性的。

Claims (7)

1.一种二次反射镜，其特征在于，其反射镜面呈自由曲面形态，所述自由曲面的确定流程如下：
步骤1：输入二次反射镜的初始值，包括高度、开口范围；
步骤2：输入镜场的范围；
步骤3：输入接收器的数量和位置；
步骤4：计算二维空间中二次反射镜自由曲面母线上离散点的坐标以及对应点处的一阶导数；
步骤5：计算二维空间中二次反射镜自由曲面母线的一阶导函数；
根据母线上一系列点的横坐标与对应一阶导数拟合得到母线的一阶导函数，拟合函数如下所示：
Figure FDA0002926908990000011
其中M1，M2为函数的阶数，为正整数，ai，bj，m为待定系数，i＝0，1，...M1，j＝1，2，...M2，r为母线的半径；
步骤6：计算二维空间中二次反射镜自由曲面的母线方程；
Figure FDA0002926908990000012
其中c为用于调整二次反射曲面高度的常数，r0为f′(r)定义域内任意一个常数；
步骤7：自由曲面母线绕经过接收器中心且与水平面垂直的直线旋转一定的扇角得到二次反射镜。
2.根据权利要求1所述的二次反射镜，其特征在于，所述步骤4具体包括：
步骤a：根据已知的母线上初始点坐标(rn，zn)，n＝0和镜场中对应的初始定日镜中心坐标；
步骤b：计算从初始定日镜中心发出的一次反射光经母线初始点反射至对应吸热器时，母线初始点处的一阶导数kn，n＝0；
步骤c：按下列公式计算母线上第n+1个点的坐标(rn+1，zn+1)
rn+1＝rn+Δrn
zn+1＝zn+Δrn·kn
式中：Δrn为母线上第n+1和第n个点的横坐标的差；
步骤d：计算从定日镜中心发出的一次反射光经母线(rn+1，zn+1)点反射至吸热器内时，母线(rn+1，zn+1)点处的一阶导数kn+1；
步骤e：令n＝n+1并判断n≥N是否成立，是则输出二次反射镜曲面母线上一系列点的坐标与一阶导数；否则返回步骤c。
3.一种二次反射系统，其特征在于，包含二次反射镜和支撑结构，所述二次反射镜的反射镜面呈自由曲面形态，所述的二次反射镜安装在支撑结构上。
4.根据权利要求3所述的二次反射系统，其特征在于：所述支撑结构由包含环梁的网壳结构、A字形桅杆、副拉索和主拉索组成；所述网壳结构悬挂在所述A字形桅杆上；所述副拉索一端固定在地面上，另一端穿过所述环梁，最终与所述A字形桅杆的顶端相连接，其中所述的副拉索均匀分布在环梁上和地面上；所述主拉索一端与所述的A字形桅杆的顶端相连接，另一端穿过所述的网壳结构，固定在地面上，与地面呈倾斜角度；所述的A字形桅杆底部固定在地面上，与地面呈倾斜角度。
5.一种包含权利要求3或4所述二次反射系统的太阳能聚光集热系统，其特征在于：还包括定日镜场、及接收器，所述接收器位于二次反射镜中心下方的地面上，所述定日镜场包括若干定日镜，所述各定日镜以所述接收器为圆心向内外分散布置，呈扇形布置。
6.根据权利要求5所述的太阳能聚光集热系统，其特征在于：所述支撑结构设置于该太阳能聚光集热系统应用地区的纬度条件下定日镜场利用率最低的方向上。
7.根据权利要求5所述的太阳能聚光集热系统，其特征在于：所述的定日镜为光线反射角度可控的定日镜，所述的定日镜场中的各定日镜的太阳光反射光线对准所述二次反射镜上的对准点，经所述的对准点反射后，所述的各定日镜的太阳光反射光线会反射到所述的接收器的中心。
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