CN1519517A - 太阳能收集器用的包络管 - Google Patents

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Abstract

抛物面形槽式太阳能收集器由一个单轴抛物线式成形的反射镜(1)和一个接收管(2)组成，接收管安置在抛物面反射镜(1)的焦点(F)中。接收管(2)包含一个吸收管(4)和一个外包络管(3)，后者都是用玻璃制作的。在抛物面形槽式收集器上，会产生聚焦误差，从而造成几何条件决定的光损失。为了减小这一损失，提出如下设计：在包络管(3)上配备一种结构(9a、b、c)，该结构经过太阳光的衍射和/或折射将太阳光聚焦到安置在包络管(3)中的吸收管(4)上。

Description

太阳能收集器用的包络管
本发明涉及用于太阳能收集器特别用于抛物面形槽式收集器的一种包络管。此外，本发明还涉及一种接收管及一种抛物面形槽式收集器。
抛物面形槽式收集器由一个单轴抛物线式成形的反射镜和一个接收管组成，该接收管被安置在抛物面反射镜的焦点上。反射镜的宽度一般为5至6米。接收管由一个最好是依太阳辐射选择加以涂层的内部子管亦称吸收管和一个用玻璃制的用于绝缘的外部包络管组成。反射镜和接收管都是跟踪太阳行程加以制导的，所以太阳光的照射总是依开口平面的法线方向进行，最理想的是将全部入射在反光镜上的太阳辐射都引导到接收管上。
由于种种原因之故，在抛物面形槽式收集器上会导致产生聚焦误差，从而导致造成几何条件决定的光损失。因此，例如反光镜元件本身就有一定的总体形状公差或者还有波纹性，导致产生聚焦误差。反射镜各元件在安装时的定位只在一定公差范围内是可能的。还有，对抛物面槽式收集器安装在其上的钢结构，也必须考虑到制造公差、装配公差以及固有变形。还有一点亦应重视，就是有时出现的风也可能导致总结构的变形，从而导致聚焦误差。
迄今做过试验，企图利用安置在接收管上的二次聚焦器通过散焦来减小光损失。因此已采用一种平的二次反射器进行了实验性研究。在WO 97/00408中介绍了配有具金属反射器形式的二次聚焦器的抛物面形槽式收集器的另一种装置。在H.Price等人发表在《Journal ofSolar Energy Engineering》杂志，124卷(2002)109-125页上的文章中，采用了一种锯齿形金属板作为二次聚焦器。
如果为二次聚焦器使用一种高反射的材料例如抛光的金属板，最好将之安置在处于真空中的包络管内，借以保护它不受污染和不致老化。其中，二次聚焦器可固定在包络管上，或固定在吸收管上。由于二次聚焦器安置在吸收管上方，所以在背向反射镜的一边就产生吸收管的阴影。若二次聚焦器的宽度大于吸收管，则反射镜的一部分亦被蒙上阴影。若二次聚焦器被固定在包络管上，则投射到二次聚焦器的背向反射镜的一边的那一部分辐射便丧失了，这是因为包络管和吸收管在热学上断联之故。利用这一部分辐射的一种可能性在于：将二次聚焦器固定在吸收管上，并使得在其背向反射镜的一边上有吸收性。这样就可利用更多的辐射。与此同时，通过吸收表面的扩大，热损失也会升高。
通过使用一个二次聚焦器所达到的截获系数的提高(遇上吸收管的那一部分辐射)，必须用由于所述缺点造成的辐射损失去换取。因此总起来说并没有达到截获系数的多大改善。
本发明的任务是提供用于太阳能收集器特别是用于抛物面形槽式收集器的一种包络管以及一种接收管和一种抛物面形槽式收集器，该接收管具有尽可能高的截获系数。
上述任务是通过如权利要求1所述包络管、权利要求9所述接收管和权利要求10所述抛物面形槽式收集器加以解决的。
通过在包络管上设计的聚焦性结构可实现下述目标：从一定角度范围通过一个光滑的包络管进入而又出来的辐射线，不会遇到吸收管，而是直接地被偏转到吸收管表面上。这里涉及的特别是这样的辐射线，它们从抛物面反射镜的外部出来遇到包络管；以及这样的辐射线，它们直接来自太阳而投射到包络管。包络管的光学结构对所述的角度范围实现吸收管的一种光学扩大，等同于一个放大镜效应。根据反射镜误差的大小和空间分布之不同，光学效率的提高可以达到大约1-3％。
在反射镜误差或装配误差较大时，光学效率的提高还可进一步增大。在采用本发明提出的一种包络管的情况下也可以容忍反射镜制造和装配上的较高公差，这可导致成本明显降低。
本发明提出的包络管的另一优点在于：热负载大致均匀地分布到吸收管上。抛物面形槽式收集器就是有这么一个不利的性质：吸收管的朝向反射镜的一边所受到的辐射照射要比背向反射镜的一边强得多。这样，通常在该管圆周面上产生温度梯度，又会导致吸收管的材料应力和变形。通过特别是直接遇上包络管的辐射线的聚焦和遇到吸收管的远轴的辐射线的聚焦，也可稍强地照射吸收管的背向反射镜的一边。
包络管的聚焦性结构设计最好能相当于大量的透镜或大量的多面体，特别是最好相当于大量的棱镜。这类光学元件具有这样的性能，就是聚焦到包络管的内部，从而聚焦到吸收管上。
所谓的聚焦性结构设计可以是一种相应设计的薄膜，将之贴在包络管的内面或外面上。从生产工艺上说，贴在外表面上是比较简单的。为了保护薄膜不受气候影响和不受污染，可以这样安排，就是将薄膜事先固定在包络管的内表面上。在固定薄膜时应考虑的一点是：薄膜依光学要求耦联到包络管上。例如，薄膜可以粘贴上去或者敷上去。
按一个优选的实施形式，所谓的包络管就是一种拉制的玻璃管。在拉制的玻璃管上，依包络管的纵向的聚焦性结构是恒定的。透镜型的结构设计例如可通过玻璃管的内壁和/或外壁的一种波形结构来实现。棱镜型的结构设计则可通过玻璃管内壁和/或外壁的一种基本上呈锯齿形的结构来实现。在采用棱镜型结构时，实际中必须注意的一点是：棱镜的倒棱只在工艺可能的范围内才可加以避免。
有利的做法是，包络管在其内表面和/或外表面上具有一消反射层。这样就可以保证：遇到包络管的辐射线的最大部分也可导向到吸收管上，而不会被向外反射掉。
已证明下述做法是有利的：只在至少一个扇形区域上设定一些具有所述结构的部位。例如在朝向太阳的一边上的结构在这样一部位上是部分地中断的，在该部位上太阳辐射也不通过包络管的聚焦性结构的转向而遇到吸收管。特别有利的是这种结构由两个带状体组成，这两个带状体在一个20°至105°的角度范围内特别最好在一个35°至65°的角度范围内对称于包络管上抛物面形槽的法线轴线加以布置。
根据抛物面形槽式收集器的一个优选的实施形式，抛物面形反射镜和接收管之间的距离减小到包络管和吸收管之间的距离的大约一半，这样便使焦点向上移。由此，辐射造成的损失便可减小，这些辐射未击中吸收管，这时它们在接收管的下方即在接收管和反射镜之间离去了。这一点导致如下结果：热载荷较均匀地分布在吸收管上，从而获得在吸收管圆周上的较小温度梯度，进而使吸收管上的变形和材料应力变得较小。
现参照下面的图对本发明做更详细的说明。附图表示：
图1一个抛物面形槽式收集器的示意图；
图2在一接收管上的光程；
图3在一抛物面形槽式收集器上的光程；
图4具有扇形包络管的一种接收管；
图5a、b、c具有有聚焦性结构的包络管；
图6a在一传统接收管上边缘辐射的光程；
图6b在本发明提出的一种接收管上远轴辐射的光程；
图7a用于直接从太阳入射的辐射线的一种传统接收管上的光程；
图7b用于直接从太阳入射的辐射线的本发明提出的接收管上的光程；
图8a局部截获系数与离光轴的距离的关系；
图8b截获系数与入射角的关系；
图9一接收管在一抛物面形槽式收集器上的布置。
图1中示出一个抛物面反射镜1和一个接收管2，其中，接收管2安置在抛物面反射镜1的焦点上。辐射线总是依法线方向从朝向太阳的一边射入，因为反射镜1和接收管2是精确地跟随太阳位置加以制导的。在接收管2的朝向反射镜1的一边上，辐射线在一个介于160°和180°的角度下射入。辐射线的入射角均以箭头表示。
图2中示出一个接收管2，它由包络管3和吸收管4组成。所谓辐射束5、5’和6、6’指的是近轴的辐射线6、6’和远轴的辐射线5、5’，后者通过包络管3，不遇到吸收管4。
图3中示例地表示出由于反射镜变形而造成的聚焦误差。损失主要产生在抛物面形反射镜1的外部上，因为由于离接收管2的距离越大则误差所起的影响就越强之故，与在一种近轴的辐射7(就光学轴线0加以测量)条件下的辐射线扩大相比，在远轴的辐射8条件下的辐射线扩大，由于反射镜1和接收管2之间的距离较大之故，而导致一个较大的辐射横断面。一般地说，由于不利的载荷分布之故，反射镜1在边缘上的变形程度大于在中心的变形程度。这样，反射镜误差附带地随着离光轴0的距离的不断增大而增大。聚焦误差则具有不同的后果：从反射镜1的边缘部位遇到包络管3的辐射8通过包络管部分地达到上面的背向反射镜的一边；从反射镜中心部位出来的辐射7则几乎没有损失地遇到接收管2。经过包络管3的辐射线，在它遇到反射镜1之前，部分地遇到吸收管4。另一部分则离开包络管3，不遇到吸收管4，而被导向到反射镜1上。辐射线通过包络管3仍然部分地如此强地被偏导，使得它们在反射镜1上反射之后不能击中吸收管4。
图4中示出一个接收管2，该接收管由一个吸收管4和一个设计成一定扇形体的包络管3组成。按图4中所示的实施例，区域a中的设计结构被略去了，在该区域中从太阳直接入射的辐射线也是在没有附带导向的情况下遇到吸收管4。此外，在包络管3的朝向反射镜的区域中也略去了设计结构。由于在朝向反射镜的一边上的入射角空间几乎都被充满，所以在这个区域内不可能通过设计结构来达到截获系数的显著提高。特别在下面的包络管区域，辐射线从一个接近180°的角度范围入射，甚至可能使截获系数有一个微小的局部降低。
业已指出：至少在以c表示的扇形区域中应当有一种设计结构，也就是说在一个与抛物面槽的法线轴线N成35°至65°的角度范围内应当有。如果以b和d标示的扇形区域也配有一种设计结构，就可进一步提高截获系数。这相当于一个与抛物面槽的法线轴线N成20°至105°的角度范围。这样在假定一个反射镜误差为4-5mrad(毫拉德)的条件下，可将截获系数提高到3％。
在图5a-c中举例示出配有设计结构的包络管3的具体实施形式的横断面。所有三个包络管3都只在一定的角度范围内显示出一种设计结构9。在图5a中的是一种透镜形设计结构9a；在图5b中的是一种棱镜形设计结构9b；在图5c中的是一种锯齿形设计结构9c，这种结构是针对一个最佳化的截获系数设计的。界面都是如此选择的，使得在一定入射角和反射镜误差情况下，在吸收管上达到尺可能高的聚焦。
在图6a中示出了在用玻璃制造的有限厚度包络管3中的接收管上的光程，和在一吸收管4上的光程。这里指的是一种远轴辐射束的光程。特别在包络管3’的背向反射镜的那一部分上，各辐射束入射到包络管3’上，而不遇到吸收管4。此外还可看出包络管3’的轻微散焦效应。这种散焦效应是由包络管3的有限厚度和由玻璃与空气或者玻璃与真空的不同折射率所引起的。在图6b中，包络管3在包络管内侧配有一个锯齿形结构，该结构特别在与法线轴线成90°至20°的角度范围内特别加以模压成形的。锯齿形轮廓之作用于入射的远轴辐射线，如同一种棱镜装置，将要不然散焦的入射的辐射线的一大部分导引到吸收管4上。
在图7a和7b中，比较了与图6a和6b中所示相同的装置，用于直接从太阳投射到由包络管3和吸收管4组成的接收管2上的辐射。投射到吸收管4上的辐射和经过此的辐射之比相当于通过吸收管4和通过包络管的纵断面中的横断面面积之比(图6a)。此外，在依法线方向入射的情况下，包络管3’的散焦效应就变得特别明显。采用本发明提出的包络管3固然也不能将所有辐射导引到吸收管4上，但仍能大大提高投射到吸收管4上的辐射占投射到包络管3上的辐射的份额。
上述效应也以图8a和8b中的图解清楚地表示出来了。图8a中示出局部截获系数(以百分数表示)与离光轴的距离(以毫米表示)的关系。贯通的实线相当于一种传统的未加以结构设计的平滑型包络管。虚线则相当于本发明提出的具有聚焦性结构的一种包络管。可以明显看出，在直接从太阳入射的辐射方面(离光轴的距离接近于0毫米)和离光学装置大约2000毫米以上的远轴区域内，截获系数的升高情况。根据入射角与法线轴线的关系(图8b)，通过包络管的聚焦性结构可使截获系数升高大约1％(入射角在0°和10°之间)至3％(入射角在50°和60°之间)。
图9中表示出关于抛物面形反射镜1的由包络管3和吸收管4组成的接收管2的一个优选布置示意草图。通常将接收管2安置在焦点F上(虚线)。但为了减小在接收管2下方经过而未投射到吸收管上的辐射数量，将接收管2从焦点F沿抛物面形反射镜1的方向移动包络管3和吸收管2之间一半距离d加以安置。

Claims (11)

1.用于太阳能收集器特别是用于抛物面形槽式收集器的包络管(3)，
其特征在于：包络管具有一种结构(9a、9b、9c)，该结构经过太阳光的衍射和/或折射而聚焦到一个安置在包络管中的吸收管上。
2.按权利要求1所述的包络管，
其特征在于：结构(9a)相当于大量透镜。
3.按权利要求1所述的包络管，
其特征在于：结构(9b、9c)相当于大量多面体。
4.按权利要求1或3所述的包络管，
其特征在于：结构(9b、9c)相当于大量棱镜。
5.按权利要求1至4中的任一项所述的包络管，
其特征在于：包络管具有一个贴敷的设计有结构的薄膜。
6.按权利要求1至4中任一项所述的包络管，
其特征在于：包络管具有一种依纵向恒定的结构(9a、9b、9c)。
7.按权利要求1至6中任一项所述的包络管，
其特征在于：结构(9a、9b、9c)被限制在包络管的至少一个扇形区域(b、c、d)上。
8.按权利要求1至7中任一项所述的包络管，
其特征在于：包络管具有一种消反射层。
9.接收管(2)，配有一个按权利要求1至8中任一项所述的包络管(3)和安置在其中的吸收管(4)。
10.由一个抛物面形反射镜(1)和一个安置在焦点上的接收管(2)组成的抛物面形槽式收集器，接收管具有一个按权利要求1至8中任一项所述的包络管(3)。
11.按权利要求10所述的抛物面形槽式太阳能收集器，
其特征在于：接收管(2)是从焦点(F)沿抛物面形反射镜(1)的方向移动包络管(3)和吸收管(4)之间的一半距离加以安置的。
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