CN204880790U - 一种免跟踪太阳能复合抛物面聚光器 - Google Patents

一种免跟踪太阳能复合抛物面聚光器 Download PDF

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Abstract

本实用新型提供一种免跟踪太阳能复合抛物面聚光器,包括复合抛物面聚光反射镜支架、抛物面反射镜面支架、平面反射镜面支架、抛物面反射镜面、平面反射镜面、集热器、蓄热箱、热导流管、回流管、水平支撑架;复合抛物面反射镜面由抛物线聚光曲线复合而生成:依据免跟踪要求不同,在抛物线曲线坐标图上分别选取不同的与其全反射临界角相对应的二个截点,并截取,再以焦点F为定点,将位于1象区的半个抛物线段按顺时针方向旋转至其焦线与Y轴的夾角等于47°;由此生成的一种免跟踪太阳能复合抛物面聚光器,在全固定条件下最大有效采聚光比可达4倍,若每年调节一次,最大有效采聚光比可达8倍、若每月调节一次,最大有效采聚光比可达20倍。

Description

一种免跟踪太阳能复合抛物面聚光器
技术领域
本实用新型涉及太阳能应用领域,具体来说,涉及一种无光象免跟踪太阳能复合抛物面聚光器。
背景技术
太阳能是地球上最丰富的可再生能源,太阳能因密度低,且受太阳高度角,方位角,气象等影响,利用率很低,为了提高太阳能可利用率,人们应用太阳能聚光器提高太阳能辐射密度。聚光器主要有折射、反射、混合等类型,聚光形式主要有点聚焦和线聚焦,纵观国内外研究开发的太阳能聚光器都存在共同的不足,均要求聚光器具有一套精确的自动跟踪系统、聚光面、跟踪支架和传动机械,才能保证以上跟踪和聚光有效。因此,全自动跟踪太阳能聚光器制造成本高,运行成本大大高于常规能源,从而阻碍其商业化发展。为此,为了克服自动跟踪太阳能聚光器的上述不足,有人提出了免跟踪太阳能聚光器,如CPC聚光器、复合抛物线柱面镜等反射型聚光器。然而,通过采用这样的聚光器,尽管会简化聚光器的结构,降低聚光的精度要求和制造成本,但是由于此类聚光器在免跟踪条件下聚光比低,可利用性差,聚光效果差,由此导致其商业化发展非常缓慢。对免跟踪太阳能聚光器而言,如何提高太阳能的利用率,提高其聚光比,降低聚光器制造精度要求,简化结构,降低应用成本,提高可应用性,是其商业化进程中极需解决的问题。
实用新型内容
针对现有免跟踪太阳能聚光器的上述问题,本实用新型目的在于提供一种聚光比高,热利用效果好,结构简单,应用成本低的免跟踪太阳能聚光器,即一种免跟踪太阳能复合抛物面聚光器,
本实用新型的技术解决方案是,所述一种免跟踪太阳能复合抛物面聚光器,包括复合抛物面聚光反射镜支架、抛物面反射镜面支架、平面反射镜面支架、抛物面反射镜面、平面反射镜面、集热器、蓄热箱、热导流管、回流管、水平支撑架,集热器、蓄热箱均设有进、出接口,反射镜面为反光材料,集热器为平板式、或真空玻璃集热管列阵式、或翅翼式,集热器两平面皆为吸热面,复合抛物面聚光反射镜面支架、包含抛物面反射镜面支架、与平面反射镜面支架、且互为一体,其特征在于:抛物面反射镜面,平面反射镜面,由抛物线聚光曲线复合而生成,平面反射镜面朝上固定在平面反射镜面支架上,集热器安装在两半个抛物面反射镜面的复合聚焦面上,并贴近平面反射镜面竖向固定在平面反射镜面支架上,两个抛物面反光镜面相向分设在集热器的两面,并与平面反射镜面两边沿相接,固定在抛物面反射镜面支架上,集热器的出口通过热导流管与蓄热箱的进口连接,蓄热箱的出口通过回流管与集热器的进口连接,复合抛物面聚光反射镜面支架依据安装该聚光器当地的地理纬度,整体调节其最低入射角后固定在水平支撑架上,并通过水平支撑架固定在承载面上。
所述的抛物面聚光反射镜面,平面反射镜面,由抛物线聚光曲线复合而生成,其生成方法是:依据应用要求选择抛物线焦距F,根据Y=X2/4F抛物线方程,作以焦距为F的抛物线曲线坐标图,在抛物线曲线坐标图上,依据免跟踪太阳能复合抛物面聚光器是完全固定式还是定时可调节免跟踪要求不同,分别选取不同的与其全反射临界角相对应的二个截点C、D点,并截取,以焦点F为定点,将截取的位于1象区的COF半个抛物线段按顺时針方向旋转至其焦距OF与Y轴的夾角等于其全反射临界角,连接焦点F与OO直线上任意一点E,生成的COOD复合抛物线聚光曲线段,与直线FE,沿其所在平面的垂直方向平行移动任意长,并按需要截取,截取段即为本实用新型一种免跟踪太阳能复合抛物面聚光器,其中,截取的端截面为该聚光器的端面,二抛物线段平移形成的抛物面为该聚光器的抛物面聚光反射面,直线段平移生成的平面为该复合聚光器的平面反射面,FE直线段平行移动生成的平面为该复合聚光器的复合集热面。
所述复合聚焦面为复合生成的两半个抛物线曲线段,形成两亇聚焦线,连接焦点与该两焦线顶点连线上仼意点的直线,均可视为两半个抛物线段的复合聚焦线,以此生成的聚焦面即为该复合抛物面聚光器的复合聚焦面,其中以垂直面最小,最大有效聚光比最大,将集热器安装在该复合聚焦面上,凡照射到该复合抛物面聚光器反光镜面上的光线,都能反射到该集热器两边的吸热面上。
所述的依据应用要求选择抛物线焦距F,是依据安装场所要求:如是平面,坡面,还是垂直面;安装方位要求:南北向还是东西向;应用形式的要求:是民用与建筑结合,还是大面积商业化连片应用等各种各样的应用条件。选择不同的抛物线焦距,以生成适用各种应用条件的复合抛物面聚光器。
所述一种免跟踪太阳能复合抛物面聚光器,其特征在于:上述完全固定式免跟踪太阳能复合抛物面聚光器,是在抛物线曲线坐标图上,分别选取与全反射临界角为47度相对应的二截点处截取,其生成的该固定式免跟踪太阳能复合抛物面聚光器最大聚光比可达4倍。
所述可调节免跟踪太阳能复合聚光器,是依据定时调节时间周期不同,选取不同的与其全反射临界角相对应的二截点处截取,对复合抛物面聚光器而言,调节时间周期越短,选取的二截点处对应的全反射临界角越小,最大有效聚光比越大,例如,每年在春分、秋分各调节一次,可选取与26度全反射临界角相对应的截点处截取,其生成的免跟踪太阳能复合抛物面聚光器全反射临界角为26度,最大有效聚光比可达8倍。若每月定时调节一次,选取与全反射临界角为11度相对应截点处截取,其全反射临界角为11度,最大有效聚光比可达20倍
所述全反射临界角即为截点处外切线与Y軸的夹角,从该截点处截取生成的复合抛物面聚光镜面上每个点,全年都能接受到太阳日照光线,并被全反射,
上述完全固定式免跟踪太阳能复合抛物面聚光器,是在抛物线曲线坐标图上,分别选取与全反射临界角为47度相对应的二截点处截取,二截点处X/OF值为1.9,因X轴与Y轴(光轴)垂直,X值可作为截取的抛物线曲线段的最大有效采光开口值,X/OF=1.9可视为截取的半个抛物线曲线的最大有效聚光比,因此,从全反射临界角为47度相对应的二截点处截取,生成的固定式免跟踪太阳能复合抛物面最大聚光比可达3.8倍,在全固定式免跟踪条件下,该截点处全反射临界角具有唯一性,凡最大有效聚光比大于3.8倍的截点,其截点处的全反射临界角均小于47度;反之全反射临界角大于47度的截点,其最大有效聚光比均小于3.8倍,唯有从该截点处截取的抛物线段生成的免跟踪太阳能复合抛物面,才能保证全年变化47度范围内的太阳日照光线,都能入射到其复合聚光镜面上被全反射,并取得最大3.8倍的有效聚光效果。本实用新型效果:
1、生成方法简单。依据应用要求不同,选定抛物线曲线的焦距和聚光比很容易生成适应各种应用要求并具有较佳聚光效果的免跟踪太阳能复合抛物面聚光器,且可贴近地平面,坡面、垂直面安装,无需支撑支架,因此结构简单,应用成本低。
2、如图5、6、7、8所示,槽式抛物线曲线分布在Y轴两边,在免跟踪的情况下,只有当光线平行光轴射入的瞬间,光线经两边抛物线会聚后从光轴两边反射至焦点F。当光线斜向射入,偏离光轴射入的象区,光线经会聚后,反射至焦点F上方光轴的延长线上为无效聚光。光线入射角每偏离10°,反射光线会聚点向上移动一倍焦距的距离,应用效果很差;本实用新型完全克服了以上弊端,当光线斜向射入,射向1、2象区的入射光线,经汇聚后都能反射至集热器两边的吸热面上,入射光线全部被有效利用,热利用效果最好,因此,同等条件下聚光比是槽式柱面镜二倍,光能利用率高。
3、本实用新型生成的免跟踪太阳能复合聚光器,单个面积可大到几十m2,可小到不足一个m2,通过将单体组合成方阵,可大面积连片,在并联场合可提供中、低温热源用于集中供热,在串联场合则可提供中、高温热源用于热发电。另外,与光电池结合可成倍提高光电池的光照强度,提高光转换率,降低光电池的应用成本。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步说明。
图1为示出平面放置的全固定免跟踪太阳能复合抛物面聚光器结构示意图,
图中:1复合抛物面聚光反射镜支架、2抛物面反射镜面、3平面反射镜面、4集热器、5蓄热箱、6热导流管、7回流管。
图2为示出平面放置的全固定免跟踪太阳能复合抛物面聚光器端截面结构示意图,
图中:8抛物面反射镜面支架、9平面反射镜面支架、10水平支撑架,11地坪。
图3为示出一种免跟踪太阳能复合抛物线聚光曲线图。
图4为示出坡屋面全固定太阳能复合抛物面聚光器端截面图。
图中12复合抛物面聚光反射镜支架、13抛物面反射镜面、14平面反射镜面、15集热器、16抛物面反射镜面支架、17平面反射镜面支架、18水平支撑架,19坡屋面。
图5为示出抛物线的光线入射角度偏离1度反射光线分析图。
图6为示出抛物线的光线入射角度偏离10°反射光线分析图。
图中光线入射角偏离10°,反射光线会聚在焦点上方光轴的延长线上一倍焦距的距离。
图7为示出抛物线的光线入射角度偏离30°反射光线分析图。
图中光线入射角偏离30°,反射光线会聚在焦点上方光轴的延长线上三倍焦距的距离。
图8为示出抛物线的光线入射角度偏离40度反射光线分析图。
图中光线入射角偏离40°,反射光线会聚在焦点上方光轴的延长线上四倍焦距的距离。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步说明。
实施例1:
应用要求:一是完全固定免跟踪,二是平屋顶安放,三是应用场地为北纬30.0度,且要求与屋顶平面一体化安装,
参见图1、2、3一种免跟踪太阳能复合抛物面聚光器,其复合抛物面反射镜面由抛物线聚光曲线复合而生成,依据Y=X2/4F抛物线方程,作以焦距为50cm的抛物线曲线坐标图,在抛物线曲线坐标图上,依据免跟踪太阳能复合抛物面聚光器是完全固定式要求,选取与全反射临界角为47°相对应的二个截点,并截取,以焦点为定点,将截取的位于1象区的半个抛物线段按顺时針方向旋转至其焦线与Y轴的夾角等于47°,将生成的复合抛物线聚光曲线段,沿其所在平面的垂直方向平行移动任意长,并按需要截取,本实施例截取有效长度2m,截取段即为本实用新型一种全固定免跟踪太阳能复合抛物面聚光器,包括1复合抛物面聚光反射镜支架、2抛物面反射镜面、.3平面反射镜面、4集热器、5蓄热箱、6热导流管、7回流管、8抛物面反射镜面支架、9平面反射镜面支架、10水平支撑架,集热器、蓄热箱均设有进、出接口,反射镜面为反光材料,集热器为平板式、或真空玻璃集热管列阵式、或翅翼式,本实施例为平板式,集热器两平面皆为吸热面,复合抛物面聚光反射镜面支架、包含抛物面反射镜面支架、与平面反射镜面支架、且互为一体,平面反射镜面朝上固定在平面反射镜面支架上,集热器安装在两半个抛物面反射镜面的复合聚焦面上,垂直并贴近平面反射镜面固定在平面反射镜面支架上,两个抛物面反光镜面相向分设在集热器的两面,并与平面反射镜面两边沿相接,固定在抛物面反射镜面支架上,集热器的出口通过热导流管与蓄热箱的进口连接,蓄热箱的出口通过回流管与集热器的进口连接,其技术参数为:平板式集热器有效长度2m、宽0.46m,集热器集光面积0.92m2,最大有效采光面积3.8m2,最大有效采聚光比为4.1倍,全反射临界角47°,依据该聚光器安装地为北纬30°,冬至日太阳高度角为36.5°,复合抛物面聚光反射镜面支架需整体顺时針向下旋转10.5°,固定在水平支撑架上,并通过水平支撑架固定在承载面上,在全固定免跟踪条件下可全年采集阳光,并可与平屋面东西向一体化安装。
实施例2
应用要求:一是完全固定免跟踪。二是安放场地为向阳坡屋面,屋面坡度40°。三是应用地为北纬30°,。四是为不影响建筑景观,生成的聚光器厚度不得超过20cm,在完全固定免跟踪的条件下,保证全年接纳入射阳光。
参见图4一种免跟踪太阳能复合抛物面聚光器,其复合抛物面反射镜面由抛物线聚光曲线复合而生成,生成方法是:依据Y=X2/4F抛物线方程,作以焦距为7cm的抛物线曲线坐标图,在抛物线曲线坐标图上,依据免跟踪太阳能复合抛物面聚光器是完全固定式要求,选取与全反射临界角为47°相对应的二个截点,并截取,以焦点为定点,将截取的位于1象区的半个抛物线段按顺时針方向旋转至其焦线与Y轴的夾角等于47°,将生成的该复合抛物线聚光曲线段,沿其所在平面的垂直方向平行移动任意长,并按需要截取,本实施例截取有效长度200cm,截取段即为本实用新型一种免跟踪太阳能复合抛物面聚光器,包括12复合抛物面聚光反射镜支架、13抛物面反射镜面、14平面反射镜面、15集热器、16抛物面反射镜面支架、17平面反射镜面支架、18水平支撑架,19坡屋面,集热器设有进、出接口,反射镜面为反光材料,15集热器为平板式、或真空玻璃集热管列阵式、或翅翼式,本实施例为真空玻璃集热管,外径为7cm,内吸热管直径5.5cm,有效长度200cm,12复合抛物面聚光反射镜面支架、包含16抛物面反射镜面支架、与17平面反射镜面支架、且互为一体,14平面反射镜面朝上固定在17平面反射镜面支架上,集热器安装在两半个抛物面反射镜面的复合聚焦面上,并贴近14平面反射镜面固定在17平面反射镜面支架上,13抛物面反光镜面相向分设在15集热器的两面,并与14平面反射镜面两边沿相接,固定在16抛物面反射镜面支架上,集热器的進、出口通过管道与蓄热箱连接,其技术参数为:玻璃真空集热管有效长度200cm,外径为7cm,内吸热管直径5.5cm,集光面积1100cm2,最大有效采光面积5320cm2,最大有效采聚光比为4.8倍,单个复合聚光器单体几何尺寸:开口高度约15cm,宽约22.3cm,长200cm,面积约0.5平方米,将多个该聚光器单体例如5个并联,组成一个整体的平面方阵式复合抛物面聚光器阵列,其集热器有效集光面积0.55m2,最大有效采光面2.66m2,最大有效采聚光比为4.8倍,其厚度约20cm,全反射临界角47°,依据该聚光器安装地为北纬30°坡屋面,冬至日太阳高度角为36.5°,需将每个单体12复合抛物面聚光反射镜面支架从水平位置整体逆时針向上旋转29.5°,固定在18水平支撑架上,并通过水平支撑架固定在坡度为40°坡屋面19承载面上,在完全固定免跟踪的条件下,保证全年接纳入射阳光。
本实用新型并不局限于上述实施方式和实施例中,还可以对本实用新型作出各种修饰和变更,在不脱离本实用新型宗旨和范围之内的内容及其等同物均落入所附权利要求书的保护范围之中。

Claims (6)

1.一种免跟踪太阳能复合抛物面聚光器,包括复合抛物面聚光反射镜支架、抛物面反射镜面支架、平面反射镜面支架、抛物面反射镜面、平面反射镜面、集热器、蓄热箱、热导流管、回流管、水平支撑架,集热器、蓄热箱均设有进、出接口,反射镜面为反光材料,集热器为平板式、或真空玻璃集热管列阵式、或翅翼式,集热器两面皆为吸热面,复合抛物面聚光反射镜面支架、包含抛物面反射镜面支架、与平面反射镜面支架、且互为一体,其特征在于:抛物面反射镜面、平面反射镜面,由抛物线聚光曲线复合而生成,平面反射镜面朝上固定在平面反射镜面支架上,集热器安装在两半个抛物面反射镜面的复合聚焦面上,并贴近平面反射镜面竖向固定在平面反射镜面支架上,两个抛物面反光镜面相向分设在集热器的两面,并与平面反射镜面两边沿相接,固定在抛物面反射镜面支架上,集热器的出口通过热导流管与蓄热箱的进口连接,蓄热箱的出口通过回流管与集热器的进口连接,复合抛物面聚光反射镜面支架依据该聚光器安装当地的地理讳度,整体调节其最低入射角后固定在水平支撑架上,并通过水平支撑架固定在承载面上。
2.如权利要求1所述一种免跟踪太阳能复合抛物面聚光器,其特征在于:所述的抛物面聚光反射镜面,平面反射镜面,由抛物线聚光曲线复合而生成,其生成方法是:依据应用要求选择抛物线焦距F,根据Y=X2/4F抛物线方程,作以焦距为F的抛物线曲线坐标图,在抛物线曲线坐标图上,依据免跟踪太阳能复合抛物面聚光器是完全固定式还是定时可调节免跟踪要求不同,分别选取不同的与其全反射临界角相对应的二个截点C、D点,并截取,以焦点F为定点,将截取的位于1象区的COF半个抛物线段按顺时針方向旋转至其焦距OF与Y轴的夾角等于其全反射临界角,连接焦点F与OO直线上任意一点E,生成的COOD复合抛物线聚光曲线段,与直线FE,沿其所在平面的垂直方向平行移动任意长,并按需要截取,截取段即为本发明一种免跟踪太阳能复合抛物面聚光器,其中,截取的端面为该聚光器的端截面,二抛物线段平移形成的抛物面为该聚光器的抛物面聚光反射面,直线段平移生成的平面为该复合聚光器的平面反射面,FE直线段平行移动生成的平面为该复合聚光器的复合集热面。
3.如权利要求2所述一种免跟踪太阳能复合抛物面聚光器,其特征在于:上述所述复合聚焦面为复合生成的两半个抛物线曲线段,形成两个聚焦线,连接焦点与该两焦线顶点连线上任意点的直线,均可视为两半个抛物线曲线段的复合聚焦线,以此生成的聚焦面即为该复合抛物面聚光器的复合聚焦面,其中以垂直面最小,最大有效聚光比最大,将集热器安装在该复合聚焦面上,凡照射到该复合抛物面聚光器反光镜面上的光线,都能反射到该集热器两边吸热面上。
4.如权利要求2所述一种免跟踪太阳能复合抛物面聚光器,其特征在于:上述完全固定式免跟踪太阳能复合抛物面聚光器,是在抛物线曲线坐标图上,分别选取与全反射临界角为47度相对应的二截点处截取,其生成的该固定式免跟踪太阳能复合抛物面聚光器最大聚光比可达4倍。
5.如权利要求2所述一种免跟踪太阳能复合抛物面聚光器,其特征在于:所述可调节免跟踪太阳能复合聚光器,是依据定时调节时间周期不同,选取不同的与其全反射临界角相对应的二截点处截取,调节时间周期越短,选取的截点处对应的全反射临界角越小,最大有效聚光比越大。
6.如权利要求2所述一种免跟踪太阳能复合抛物面聚光器,其特征在于:上述全反射临界角即为截点处外切线与Y軸的夹角,在免跟踪条件下从该截点处截取生成的免跟踪太阳能复合抛物面聚光镜面上每一个点,全年都能接受到太阳日照光线,并被全反射。
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CN106091422A (zh) * 2016-06-16 2016-11-09 昆山诃德新能源科技有限公司 一种免跟踪二次聚光太阳能装置

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