CN1582378A - 多反射器太阳能集热器和系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及多反射器光或太阳能集热器，和使用该集热器的系统，该集热器采用光学元件的一种配置从而有效采集光，同时使实现光汇聚和集中所需的光学系统的复杂度最小。该集热器在盘型或槽型结构中使用至少三个反射器。凹面第一反射器(20)接收太阳能并将其发送到设置在第一反射器(20)聚焦区中的第二凸面反射器(30)。而第二反射器(30)将太阳能至少部分地发送到设置在第二反射器(30)聚焦区中的第三非成像反射器(40)。在系统(10)中，接收器(70)设置在第三反射器(40)的聚焦区中。可以在接收器(70)中直接产生蒸汽，同时接收器(70)处于固定位置。

Description

多反射器太阳能集热器和系统
技术领域
本发明涉及采用折叠式光学装置的多反射器光或太阳能集热器，以及使用这种集热器的系统。具体而言，本发明涉及一种用于有效收集光，同时使实现光收集和集中所需的光学装置的复杂度最小的光学元件的配置。至少包含三个反射器。在系统中，接收器放置于第三反射器的聚焦区中。本发明的配置允许接收器处于固定位置，增强了系统的特定的变型例在接收器中直接产生蒸汽的能力。集热器的优选实施方式可以为槽型或盘型结构。
背景技术
太阳能集热器用于多种能量采集应用中，并且可以包括包含有覆盖较宽区域的众多个体系统的大规模应用。鉴于不断增长的能量需求，这样的系统更加意义重大，在基础结构和大面积区域本身没有建造传统的发电站和输电系统的第三世界国家中对此尤为感兴趣。不过，当前的太阳能集热器具有某些不足。机械元件和光学系统复杂，导致在电能产生和/或基于热的能量采集中，维护费用极高。
在US5,460,163中可以找到大规模槽型抛物线集热器的一个最近的例子。凹槽形镜面在纵向延伸。该反射器具有聚焦区，线性热管接收器设置在聚焦区中。接收器相对于反射器位置固定，从而接收器随着反射器对太阳日间的运动的跟踪而移动。
US4,173,213中披露了另一种线性反射器设计。使用一系列分离的线性抛物线反射器，外面的反射器处于内部反射器的孔径内。
US5,882,434涉及一种抛物线盘型集热器。抛物线形第一反射器在盘形中心具有用于形成环形聚焦区的平坦区域。将截头圆锥形接收器倒过来放置，使圆锥的外表面处于环形聚焦区中。光电池设置在接收器的外表面上。
David Mills的US5,899,199披露了一种多重初级反射器菲涅耳(Fresnel)系统。设置一个第一反射器阵列，以反射大量光到线性目标接收器。
Charles E.Mauk等人的文章(Optical and Thermal Analysis of aCassegrainian Solar Concentrator，Solar Energy Vol.23，pp.157-167，Pergamon Press Ltd.1979)中描述了一种卡塞格伦(Cassegrainian)式太阳能反射器。双曲线形反射器设置在抛物线盘型初级反射器的聚焦区中。双曲线的焦点指向初级抛物线反射器的中心，在该处设置加热炉来接收太阳能。
发明内容
本发明涉及多反射器太阳能集热器和使用该集热器的系统。具体而言，本发明涉及一种光学元件的配置，用于有效收集光同时使实现光收集和集中所需的光学装置的复杂度最小。至少三个反射器包含其中。凹面第一反射器接收太阳能，并将其发送到设置在该第一反射器聚焦区中的第二凸面反射器。而第二反射器将至少部分的太阳能发送到设置在第二反射器聚焦区中的非成像第三反射器。在能量采集系统中，接收器设置在第三反射器的聚焦区中。当前这种配置允许接收器处于固定位置，增强系统的特定变型例在接收器中直接产生蒸汽的能力。集热器的优选实施例可以为槽型或盘型结构。
本发明在反射器的具体设计上具有灵活性。不过，为了使能量采集最大，每个反射器的形状影响其他反射器的形状。第一反射器可以从圆形变成抛物线性。形状的变化将改变第一聚焦区的位置和大小。因此，优选为双曲线形的第二反射器的形状也将改变，其中，第二反射器的位置相对于第一反射器而设置。然后，优选为复合抛物线形状的第三反射器的确切形状也将改变，其中，第三反射器的位置相对于第二反射器而设置。通常，第三反射器靠近或处于第一反射器附近，如图1中所示。为了决定最佳结构设置，如本领域技术人员熟知的，可以使用传统遗传算法获得多种解决方案。通常，可以选择一组反射器形状，其将第一反射器孔径内光能的至少90％反射到第三聚焦区中。
在一个宽泛的实施方式中，太阳能槽型集热器包括三个反射器。第一反射器具有线性凹面结构，其确定了第一聚焦区，并具有第一纵轴。第二反射器具有线性凸面结构，其确定了第二聚焦区，并具有与第一纵轴平行对齐的第二纵轴。第二反射器设置在第一聚焦区内。第三反射器具有线性非成像结构，其确定了第三聚焦区，并具有与第一和第二纵轴平行对准的第三纵轴。第三反射器设置在第二聚焦区中。使用这种新颖结构，第一反射器反射的光能首先到达第二反射器，然后到第三反射器，最后进入第三聚焦区。
在另一宽泛的实施方式中，太阳能盘形集热器也包括三个反射器。第一反射器具有圆形凹面结构，其确定了第一聚焦区并具有第一纵轴。第二反射器具有圆形凸面结构，其确定了第二聚焦区。第二反射器设置在第一聚焦区内。第三反射器具有圆形非成像结构，其确定了第三聚焦区。第三反射器设置在第二聚焦区内。通过这种新颖结构，第一反射器反射的光能首先被反射到第二反射器，然后被反射到第三反射器，最后进入第三聚焦区。
本发明的目的在于提供一种改进的太阳能收集系统。
本发明的另一目的在于提供一种新型光学太阳能集热器，其第一反射器具有与第二反射器分离的换能器。
本发明的主要目的在于使得能量接收器设置在最后一个汇聚聚焦区中，从而使接收器不必移动，或者仅以旋转方式运动。
本发明的另一目的在于提供一种改进的太阳能收集系统，其第一和第二反射器具有特制的表面轮廓。
本发明的又一目的在于提供一种新型太阳能收集装置，其具有特制的抛物线形第一反射器，特制的双曲线形第二反射器以及特制的环绕着接收器的非映射凹槽。
本发明的另一目的在于提供一种改进的太阳能收集系统，其第二反射器系统能选择性地透射和反射光波长，以产生光电能，并且采集和集中的太阳能。
本发明的另一目的在于提供一种新型太阳能收集系统，其具有与第二反射器系统相关的太阳能换能器，能产生用于控制和/或移动太阳能收集系统的光电能量。
通过下面的详细说明和附图，本发明的其他目的、优点和变型就变得清楚了。
附图简要说明
图1示出了使用复合抛物线形第三反射器的本发明的多反射器集热器优选实施例的剖面图。
图2示出了本发明优选的线性槽型实施例的透视图。
图3示出了本发明优选的盘型实施例的透视图。
图4示出了还包括第四反射器的优选实施例的剖面图。
图5示出了本发明使用凹槽形第三反射器的另一优选实施例的剖面图。
图6示出了现有技术的卡塞格伦型反射器集热器的剖面图。
具体实施方式
图1示出了本发明的一种三反射器优选实施例。
太阳能集热器(10)包括具有抛物线截面结构的第一反射器(20)，该第一反射器(20)确定了第一孔径(22)和第一聚焦区。在第一聚焦区中设置有具有双曲线结构的第二反射器(30)，其确定了第二孔径(32)和第二聚焦区。可以使用传统结构的支撑装置(50)支撑第二反射器，以与第一反射器对准。不过，也可以使用更加复杂的可移动的跟踪装置。在第二聚焦区内设置第三反射器(40)，其具有非成像结构(如复合抛物线形状)，确定了第三孔径(42)和第三聚焦区。如图所示，第三反射器可以与第一反射器相连。第一反射器反射的光能首先传播到第二反射器，然后传播到第三反射器，最后进入第三聚焦区。
从本发明的示例性的而不是限定性的例子中的反射器相对孔径，可以看到本发明能达到的集中能量。如果第一孔径为大约5米，则第二孔径可以为大约150毫米，第三孔径可以为大约40毫米。
在槽型变型例中，第一反射器是线性的，从而也具有第一纵轴，如图2中所示，围绕第一纵轴作出了横截面。第二反射器也是线性的，从而也具有与第一纵轴平行对齐的第二纵轴。继而，第三反射器具有与第一和第二纵轴平行对齐的第三纵轴。
在盘型集热器中，反射器将具有图3中所示的圆形结构，其与槽型集热器的线性结构不同。
本发明另一优选实施例使用第四个附加反射器，如图4中所示。第四反射器(60)具有确定了第四聚焦区的非映射结构。第四反射器设置在第二孔径范围内的第二反射器的非凸表面上。可以使第四反射器的反射面的取向与第一反射器反射面取向相同。或者，可以使第四反射器的反射面的取向与第二反射器相同。在此情形中，第二反射器的非凸形表面(具有凹面结构)用作第五反射器，其具有反射面(34)，该反射面具有第五聚焦区。第四反射器设置在第五聚焦区中。从第五反射器反射的光能到达第四反射器，并进入第五聚焦区中。
第四反射器实施方式特别适用于希望预加热流体介质的能量采集系统。特别是，可以使用设置在第三反射器聚焦区中的接收器70和设置在第四聚焦区中的预加热接收器(80)。在液体流过接收器之前，首先流过预加热接收器。
在槽型集热器中，第四反射器具有与第二纵轴平行对准的第四纵轴，第四反射器设置在第二反射器的非凸形面上。
在另一优选实施例中，可以将上述的集热器与附加的可选择的第二反射器一起使用。这种结构特别适合于用光电装置发电。使用传统方法由已知的波长选择材料制成该反射器，使得来自第一反射器的光能的一部分通过第二反射器。通常，选择性地使一定范围的能量，如近红外范围，以相当的效率通过并使所设置的光电装置接收该光能。光电装置产生的电能可被用于控制集热器位置，以及其他与收集器系统有关的控制系统。
可以根据本发明构造太阳能收集系统。该系统将包括上述用于集热器的光学装置。第一线性接收器(70)沿第三纵轴方向设置在第三聚焦区中。将用于旋转太阳能集热器以跟踪日间太阳运动的传统装置与集热器(10)相连。最好，将接收器固定，从而当集热器移动时，接收器不移动。因此，无需现有技术中所使用的复杂的旋转的球窝接头。这种球窝接头不仅购买价格昂贵，而且要求大量维护保养。通过这种系统，可以使水流过接收器，以在接收器内产生蒸汽。直接产生蒸汽可省去能量传递液体和热交换器的资本成本。如果用成行的槽型集热器构造大规模系统，则可以将凹槽彼此分隔设置。一般这种间隔至少为第一孔径的大约3倍。并且，为了维护、存储的目的，或者在接收器出现流动问题，如停滞或阻塞的情形，可以将集热器放置在足够高的高度，使集热器可以旋转，从而使第一孔径处于非收集模式。
另一种优选能量收集系统使用上述盘形集热器。用于旋转太阳能盘以跟踪日间太阳运动的传统装置，安装在集热器(10)上，其最好可以双轴运动。用于转换能量的装置如热力发动机，可以设置在第三聚焦区中。或者可以将接收器设置在该处。对于大规模系统而言，可以使用多个盘形集热器，并提供用于连接每个接收器或每个热能转换装置的装置。
用于非成像反射器的特别有利的制作方法是本领域公知的。Roland Winston博士及其同事已经在包括US6,205,998；US5,967,140；US5,927,271；US5,537,991；和US5,335,152的公报中披露了这些方法，所有这些专利在此引作参考。因此，本发明的某些集热器实施例可以使用图5中所示的结构，其中第三反射器包括特制的复合抛物线形状和V-形槽(44)。
在传统的现有技术系统中，第一反射器具有抛物线形，传统接收器以第一反射器的焦点为中心，集中度(concentration ratio)(“CR”)取决于边界角φ，对于抛物线形截面的管状接收器，CR＝sinφ/πα，其中α为接收角。CR在φ＝π/2时最大，这就是为什么商业抛物线形凹槽的边界角接近90度。用α替代sinα(对α使用小角度近似，因为α通常为几度)，则集中度的极限为CR＝1/sin≈1/α。因此，简单抛物线形凹槽的集中减小了π倍(大于3)。
如图6中所示，在具有卡塞格伦(Cassegranian)凹槽设计的传统的现有技术系统中，其中卡塞格伦凹槽设计仅具有第一反射器(120)和第二反射器(130)，可通过引入两个辅助参数：抛物线的焦距(f)和双曲线两个焦距中较小的一个(a)，来确定CR。双曲线的另一焦距接近于f，从而使最终焦点处于抛物线的中心。对于边界角φ近接90度的抛物线而言，抛物线的孔径为4f(对于φ＝90度)，同样，双曲线的孔径接近于4a。双曲线的边界角同样具有接近于90度的边界角。通过跟踪边缘光线获得最终“图像”的尺寸。对着半角α的边缘光线，当从抛物线的边缘反射时，在抛物线焦点处截取的距离为4fα。该距离对着(半角)β＝(f/a)α。从而，边缘光线被双曲线反射器反射后，穿过(intercept)的尺寸为A1＝2βf＝2(f2/a)α。结果，对于卡塞格伦式的抛物线凹槽，所产生的CR为CR＝4f/A1或＝2(a/f)α。被双曲线形反射器阻挡的入射光的比例为a/f(小于10％)。因此，CR与理论极限(1/α)相差5倍。这就是这种类型的集热器不是一种有用的应用的设计的原因，如太阳能热电装置，其中CR是重要的品质特征。
在本发明集热器的优选实施例中(如图1中所示)，在孔径A1处增加非成像第三集热器。该第三集热器的接收角(θ)为大约2a/f。第三反射器的CR为大约1/θ或＝f/2a。再次假设小角度近似，则可以得出总集中度为1/或理论极限值。通过第二反射器(孔径为大约4a)和第三反射器阻挡入射光，可以使孔径近似满足CR的目的。因此，A1＝2βf＝2(f2/a)α＝4a，其中a等于 被阻挡的入射光比例为大约 A 1 / 4 f = a / f = α / 2 . 对于传统的6到10毫弧度的α值，本发明的阻挡比例在大约5％到7％范围内。
本领域普通技术人员可知，本发明可以包含任何数量的上述优选特征。
此处提及的所有公开或未公开专利申请在此引作参考。
现在或者在根据本专利说明得到的任何专利保护期间内，对本领域普通技术人员是显而易见的本发明的其他实施例在此并未给出，而这些其他的实施例均在本发明精神和范围之内。

Claims (25)

1、一种光能槽型集热器，包括：
a)具有线性凹面结构的第一反射器，其确定了第一聚焦区，并具有第一纵轴；
b)具有线性凸面结构的第二反射器，其确定了第二聚焦区，并具有与第一纵轴平行对齐的第二纵轴，第二反射器设置在第一聚焦区内；以及
c)具有线性非成像结构的第三反射器，其限定了第三聚焦区，并具有与第一和第二纵轴平行对齐的第三纵轴，第三反射器设置在第二聚焦区内；
其中第一反射器反射的光能首先到达第二反射器，然后传播到第三反射器，最后进入第三聚焦区。
2、如权利要求1所述的光能集热器，其中第一反射器具有抛物线形结构，第二反射器具有双曲线结构。
3、如权利要求1所述的光能集热器，其中设置第二反射器和第三反射器的形状使得将第一反射器所反射光能的至少75％反射到第三聚焦区中。
4、如权利要求1所述的光能集热器，其中第一反射器具有圆弓形结构。
5、如权利要求1所述的光能集热器，还包括非成像第四反射器，其限定了第四聚焦区，并具有与第二纵轴平行对准的第四纵轴，第四反射器设置在第二反射器的非凸面上。
6、如权利要求1所述的光能集热器，其中第二反射器可选择性地使来自第一反射器的一部分光能穿过，并且设置光电装置以接收所通过的光能。
7、如权利要求6所述的光能集热器，其中所通过的光能的光谱范围使光以相当的效率通过，以使光电装置产生电流。
8、如权利要求6所述的光能集热器，其中所通过的光能处于近红外范围。
9、一种光能收集系统，包括权利要求1所述的光能集热器，和沿第三纵轴方向设置在第三聚焦区内的第一线性接收器。
10、如权利要求9所述的光能收集系统，其中水通过第一接收器以产生蒸汽。
11、如权利要求9所述的光能收集系统，还包括用于旋转光能集热器以跟踪日间太阳运动的装置。
12、如权利要求11所述的光能收集系统，其中该线性接收器是不移动的。
13、如权利要求9所述的光能收集系统，还包括权利要求5中的光能集热器以及沿第四纵轴方向设置在第四聚焦区中的第二线性接收器。
14、如权利要求9所述的光能集中系统，还包括设置成与第二反射器的非双曲线侧成导热关系的第二线性接收器。
15、如权利要求14所述的光能收集系统，其中第二接收器预加热通过第一接收器的流体。
16、一种光能收集系统，包括权利要求65所述的太阳能集热器以及沿第三纵轴方向设置在第三聚焦区中的第一线性接收器。
17、一种光能盘型集热器，包括：
a)具有圆形凹面结构的第一反射器，其确定了第一聚焦区并具有第一纵轴；
b)具有圆形凸面结构的第二反射器，其确定了第二聚焦区，并且第二反射器设置在第一聚焦区内；以及
c)具有圆形非成像结构的第三反射器，其确定了第三聚焦区，第三反射器设置在第二聚焦区内；
其中从第一反射器反射的光能首先到达第二反射器，然后到第三反射器，最后进入第三聚焦区中。
18、如权利要求17所述的光能集热器，其中第一反射器具有抛物线形结构，第二反射器具有双曲线形结构。
19、如权利要求17所述的光能集热器，其中设置第二反射器和第三反射器的形状使得第一反射器所反射的光能的至少75％反射到第三聚焦区中。
20、如权利要求17所述的光能集热器，其中第一反射器具有圆弓形结构。
21、一种光能收集系统，包括权利要求17所述的光能盘型集热器以及安装在盘型集热器上的、用于跟踪太阳日间运动的装置。
22、如权利要求21所述的光能收集系统，还包括用于转换在第三聚焦区收集的光能的装置。
23、如权利要求21所述的光能收集系统，其中该光能转换装置为热力发动机。
24、如权利要求21所述的光能收集系统，还包括设置在第三聚焦区中的接收器，和用于传输来自接收器的热能的装置。
25、如权利要求24所述的热能收集系统，包括多个盘型集热器，和用于连接每个盘型集热器的多个热能传输装置的装置。
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