CN1146711C - 非成像的太阳能收集器 - Google Patents

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Abstract

一种非成像的太阳能收集器(10)包括：一个能透过光的外壳(24)，一个不对称地定位在外壳(24)内的反射镜元件(32)，一个设在外壳(24)内的吸收体，和一个连接在吸收体上的导热翅片(30)，该翅片为楔形，其厚度随着离开吸收体(28)的径向距离的增加而逐渐减小，形成斜度。导热体翅片(30)能被定位在多个角度位置上。

Description

非成像的太阳能收集器
技术领域
本发明涉及一种光的非成像集中器。更具体点说，本发明涉及一种太阳能集中器或收集器，该器有一设在玻璃壳体内的吸收体和一能够提高非成像的光集中而不对称地设地壳体内的反射镜如真空圆筒形反射镜管。吸收体的几何形状还能包括一个减少间隙损失的V形槽，该槽能以不对称的方式相对于一个连接在吸收体上的楔形导热体翅片而定位。
背景技术
非成像的集中器及其优点在本行业已广为人知(例如见美国专利3,957,031、4,002,499、4,003,638、4,230,095、4,387,961、4,359,265和5,289,356号，可供参考)。在以前这些方法中，装置都是这样构造的，采用一个给定的吸收体形状，通常为一圆筒形管，然后设计适当的非成像的反射镜。工作的重点主要是发展新的反射镜设计来优化集中器的效率。但近年来已有新型的高性能吸收体材料供售，它能被设置在柔性的衬底上。这些吸收体材料对太阳光谱的吸收率通常大于90％，同时在操作温度下的半球面发射率十分低。
发明内容
因此本发明的目的是提供一种能提高吸收效率的非成像的太阳能收集器。
为实现上述目的，按本发明提供了这样一种非成像的太阳能收集器，具有：一个被设置用来接收辐射的吸收体；一个反射镜元件；和一个连接在所说吸收体上的导热体翅片，所说导热体翅片为楔形，其厚度随着离开所说吸收体的径向距离的增加而逐渐减小，形成斜度，并指向所说反射镜元件；其特征为：所述反射镜元件相对于所说吸收体不对称设置。
按本发明的一种有利的发展：太阳能收集器还包括一个壳体；所说吸收体位于该壳体内并相对于该壳体同心地设置。
或者，太阳能收集器还包括一个至少能部分透过辐射的壳体；吸收体相对于壳体非同心地被设置。
按本发明的另一种有利的发展，所说不对称设置的反射镜元件具有至少两个各有不同曲率的反射镜面。
有利的是，所说不对称设置的反射镜元件具有两个曲率相同的反射镜面，两个反射镜面的之间的不对称程度能够调节。
太阳能收集器还可包括一个位于所说反射镜元件上的的V形槽。
这样，有利的是，所说导热体翅片包括一个带斜度的端头，而所说V形槽相对于所说导热体翅片的带斜度的端头被对称地设置。
另外有利的是，所说导热体翅片包括一个带斜度的端头，而所说V形槽相对于所说导热体翅片被对称地设置，但所说导热体翅片和所说V形槽相对于所说反射镜被不对称地设置。
尤为有利的是，带斜度的端头延伸到所说V形槽内。
按本发明的另一个的发展，所说导热体翅片相对于太阳能收集器的一个通过导热体翅片中心的垂直平面不对称地布置。
另外有利的是，所说导热体翅片从垂直平面所限定的角度被转动约π/2的弧度角。
附图说明
本发明的其他一些目的和优点可从下面的详细说明和附图中获知。
图1示出一个现有技术的具有扁平翅片导热体的太阳能收集器；
图2为按照本发明的一个形式构造的圆筒形非成像太阳能收集器的两维端视图，有一吸收体偏心地设置在具有尖点形的不对称反射镜之内。
图3A为图3C中的非成像的太阳能收集器沿3A-3A线的横截面视图，该收集器有一同心地设置在反射镜内的吸收体和一个V形槽的间隙损失抑制器，吸收体还包括一个具有圆锥形横截面的偶联的导热体翅片；图3B示出图3A中收集器对称形式的光线轨迹；图3C为图3A中太阳能收集器的透视图；而图3D为图3A中对称的40°V形槽的收集器的热效能的曲线图；
图4示出图3中收集器的其他型式只是接收角已被增大；
图5示出图3中太阳能收集器的变型只是没有V形槽间隙损失抑制器元件；
图6A示出一个具有一个同心管状吸收体和几个被提升的反射镜外廓形状的非成像收集器，而图6B为具有图6A中对称反射镜的收集器的光线轨迹；
图7示出具有图6A中对称反射镜的收集器的角度接收性能。
具体实施方式
按照本发明的各形形式构造的非成像的太阳能收集器在图3-6中示出并总的用标号10指出。在图1中示出现有技术的收集器设计以便比较。图1中的现有技术收集器12具有导热体翅片14和16，这两翅片都辐射热，因此在温度大约100℃以上时热效能低劣。而在图2所示的太阳能收集器中，第一反射镜32和第二反射镜32’不对称地相对于尖点吸收体20而设置。这个不对称结构能提高吸收效率。在本实施例中，吸收体20还偏心设置。
在一较优的实施例中，图3A-3C的非成像收集器10具有一个透明的外玻璃管壳24，允许光线26进入到真空的壳体24内部。图中所示壳体24为圆筒形但它也可采用适合完成这里所说功能的其他形状。光线26或是直接投射在吸收体管28上，或是从反射镜面32反射然后投射在吸收体管28上，从而将收集的光线集中。在此较优的实施例中，这个吸收体管28也可不采用图示的形状，但总是与壳体24同心设置。吸收体管28还可包括一个楔形的导热体30，它与吸收体管28合在一起在横截面上看起来好像一个“冰淇淋锥体”的形状，如图3A，3B、4和5所示。
从图3A-3C、4和5还可看到，导热体30可从“六点钟”的π/2部位转动到其他角度位置(用虚线示出如导热体30’)，这样做可提高集中效率。在π/2位置，当光线正入射在收集器10上时，在导热体30(或30’)上的辐照是从距离r/2到r，其时r为导热体30(或30’)的径向长度。对于零和π位置(见图5)，由于光线投射的角度，辐照更为均匀。而较均匀的辐照能改善热量的传递到设在导热体30(或30’)内的工作液体内，从而提高效率。
曾在停滞温度即当没有热量被取走时吸收体管28的平衡温度上对零(或π)位置设计和特征性能进行过测量。有三根吸收体管28在1KW/平方米的绝缘条件及326、334和330℃的温度下被测量。这些温度值对固定的太阳能收集器来说是十分高的。
在图3A、4和6A中示出的另一个更优的实施例中，反射镜32(如图2中那样)不再相对于π/2位置上的垂直平面对称地设置而成为反射镜32和32’。这个不对称能进一步提高太阳能收集的效率。在反射镜32和反射镜32’之间的不对称程度能够根据入射光的方向来调节，从而可使效率优化。
在另一个较优实施例中(见图3A-3C、4和5)，反射镜表面32包括一个减少间隙损失的V形槽。该槽34能抑制吸收热量时的间隙损失，如果没有该槽则当反射镜面32与楔形导热体30之间存在空隙时就会发生间隙损失。在图3A中吸收体的接收角约为40°，这个角度可使收集器10适宜接收东西向的来光而可不需任何跟踪太阳的机构。这个特定的接收角连同相关的V形槽34能为放置吸收体30时的垂直定位误差及为水平位移(见图3D)提供良好的裕量。
在本发明的另一个形式中，V形槽34’被设置在一个不对称的角度位置上(见图3A和4)，这样也能提高收集效率。但最好导热体30’要与V形槽34’对准免得效率上有所损失。
图4中的收集器10的反射镜面32(或32’)有一较小的曲率半径，形成一个较宽的接收角(约70°)。这个实施例使收集器10能适合南北或东西向来光而可不需任何太阳跟踪装置。
图5中的收集器10是图3和4的实施例的极端情况，其中反射镜面32的曲率半径与玻璃管壳24的内表面相同。当导热体30在π/2位置时，该实施例有一个接近90°的接收角。收集器10的这个形式可进一步简化制造收集器10时的构造程序。此外，具有在其他角度的导热体30’的其他实施例也可简单地制造。
在图6A和6B的实施例中，反射镜面32(和32’)有一较大的曲率半径以致接收角约为5°，从而需要有某些粗糙的、连续或间歇操作的太阳跟踪装置。本设计包括一个从小的接收角上升起的小尖点。在高温时其热性能很好。图7示出在集中因数为2、3、4和5而反射损失或Fresnel损失不计的情况下，在图6A和6B的对称反射镜的实施例中对称反射镜32的效率对投射角的关系曲线。当有效接收角为5°时可以达到约为4的集中因数。
作为说明用的对称性实施例的热性能在下面的表1中列出。计算是以美国新墨西哥州的Albequerque地方的平均气象年为依据作出的。吸收体在T＝100℃时的发射率为0.05而吸收率为0.95。
                                表1热效能
性能     5°尖点(图6)     40°尖点(图2)     40°V形槽(图3)   70°V形槽(图4)   90°圆(图5)     扁平翅片(图1)
集中因数     4.00     1.47     1.16   1.01   0.94     0.46
间隙损失     0％     0％     0.25％   0.5％   4％     4％
热效率(T＝100℃)     82.4％     62.6％     67.4％   70.1％   68.5％     64.6％
热效率(T＝150℃)     79.7％     57.6％     61.0％   62.7％   60.6％     50.8％
热效率(T＝200℃)     76.1％     50.8％     52.2％   52.5％   49.8％     32.8％
热效率(T＝250℃)     71.1％     42.0％     40.8％   39.3％   35.9％     12.7％
允许南北取向     需要     不     不   是   是     是
需要插入反射镜     是     是     是   是   不     不
反射镜需要镀银     是     是     是   是   是     不
同心的玻璃与金属间密封     是     不     是   是   是     是
允许玻璃管成形     是     是     不   不   是     是
需要主动跟踪     是     不     不   不   不     不
在构造收集器10时，最好还利用几类高效能太阳能吸收体涂层将它涂敷在吸收体管28和导热体30上。这种涂层例如陶瓷合金，它有一个很低的发射率(在20℃约为0.02)和对太阳光谱的高吸收率(约为0.92)。陶瓷合金为在传统上使用的材料，它由多层含有特定份额金属成分的介电材料设置在一个具有抗反射涂层的金属反射层上构成。顶层比其下各层在介电材料中具有较少的金属份额。在底部的较高金属份额层能吸收较多的能，因为可见光较易通过顶层。但黑体辐射(＞2mm的波长)的发放能十分有效地被陶瓷合金的掺杂质反射。因此从底层上发射的辐射被截留在吸收体材料内，只有低掺杂的顶层辐射出热量。阶梯式的金属含量能使较多的原子被投入光照射，较多的能量被吸收，从而还减少能辐射出热量的原子的数目。
另一类材料可用作吸收体的为某些能容易地用真空沉积法制出的陶瓷。例如传统的TiNxOy和SiO2/TiNxOy层能沉积在一个铝或铜的基底上一直达到一个预先设定的数量。这两种材料都有一个约为53nm厚的TiNxOy层沉积在基底上。第二种吸收体材料有一90nm的SiO2层添加在其上。这些材料的热学性能使它们非常有利地用作太阳能吸收体。在铜的基底上可得到一个0.90或更高的吸收率和一个在T＝200℃时的0.06的发射率，而在铝的基底上可得到一个高达0.95的吸收率和一个在T＝100℃时的0.03的发射率。
上述这些较优实施例采用将同心设置的吸收体管放在一个真空的圆筒形反射镜壳体内的办法。吸收体管还包括一个连接在其上的楔形导热翅片，并且最好还包括一个具有低发射率(小于约0.05)的吸收体层(吸收率大于0.90)来完成一个非常有效的太阳能收集器。由于这个基本设计很简单，使它能容易制造，可减少构造费用，从而可使这种太阳能收集器更切合实用。
从后面列出的权利要求还可知道本发明的另外一些优点和特点。虽然上面已对较优实施例作出说明，但对本行业的行家来说，在不离开本发明的最全面的精神和范围的条件下是能够作出各种改变和修改的。

Claims (12)

1.一种非成像的太阳能收集器，具有：
一个被设置用来接收辐射的吸收体；
一个反射镜元件；和
一个连接在所说吸收体上的导热体翅片，所说导热体翅片为楔形，其厚度随着离开所说吸收体的径向距离的增加而逐渐减小，形成斜度，并指向所说反射镜元件；
其特征为：所述反射镜元件相对于所说吸收体不对称设置。
2.如权利要求1所述的太阳能收集器，其特征为，它还包括一个壳体；所说吸收体位于该壳体内并相对于该壳体同心地设置。
3.如权利要求1所述的太阳能收集器，其特征为，它还包括一个至少能部分透过辐射的壳体。
4.如权利要求3所述的太阳能收集器，其特征为，所说吸收体相对于所说壳体非同心地被设置。
5.如权利要求1所述的太阳能收集器，其特征为，所说不对称设置的反射镜元件具有至少两个各有不同曲率的反射镜面。
6.如权利要求1所述的太阳能收集器，其特征为，所说不对称设置的反射镜元件具有两个曲率相同的反射镜面，两个反射镜面的之间的不对称程度能够调节。
7.如权利要求1所述的太阳能收集器，其特征为，它还包括一个位于所说反射镜元件上的的V形槽。
8.如权利要求7所述的太阳能收集器，其特征为，所说导热体翅片包括一个带斜度的端头，而所说V形槽相对于所说导热体翅片的带斜度的端头被对称地设置。
9.如权利要求7所述的太阳能收集器，其特征为，所说导热体翅片包括一个带斜度的端头，而所说V形槽相对于所说导热体翅片被对称地设置，但所说导热体翅片和所说V形槽相对于所说反射镜被不对称地设置。
10.如权利要求9所述的太阳能收集器，其特征为，带斜度的端头延伸到所说V形槽内。
11.如权利要求1所述的太阳能收集器，其特征为，所说导热体翅片相对于太阳能收集器的一个通过导热体翅片中心的垂直平面不对称地布置。
12.如权利要求11所述的太阳能收集器，其特征为，所说导热体翅片从垂直平面所限定的角度被转动约π/2的弧度角。
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