CN215412577U - 一种多圆弧轨迹太阳能线性聚光装置及其阵列 - Google Patents

Abstract

本实用新型实施例公开了一种多圆弧轨迹太阳能线性聚光装置及其阵列，该装置太阳能线性反射聚光镜和线性吸热器，其特征在于,所述太阳能线性反射聚光镜包括至少两个线性反射聚光镜条，所述各个线性反射聚光镜条围绕各自的轴心线转动/滑动以实现跟踪聚光，所述各轴心线相互平行，所述线性反射聚光镜条的转动/滑动轨迹为圆弧轨迹，所述各圆弧轨迹所在的圆必须相交且有共同交点；所述线性吸热器固定于所述共同交点或所述共同交点附近。该装置聚光过程余弦效应低，有效缓解了过焦或欠焦的散光问题，光斑集中聚光倍率较高，工程设计和安装精度要求不高，进而降低了系统成本，适合大规模推广应用。

Description

一种多圆弧轨迹太阳能线性聚光装置及其阵列

技术领域

本实用新型涉及太阳能利用聚光技术领域，尤其涉及一种多圆弧轨迹太阳能线性聚光装置及其阵列。

背景技术

线性菲涅尔聚光是一种线性聚光技术，常规的线性菲涅尔聚光是通过多轴布置的反射镜反射太阳光，使反射光聚焦在一条轴线上进行。目前线性菲涅尔聚光装置分为南北轴和东西轴两种，前者跟踪的是太阳光的方位角，每日跟踪旋转角度范围较大；后者跟踪的是太阳光在南北向垂直截面上的垂直投影角，每日跟踪旋转角度范围较小。

申请号为CN201721423493.5的实用新型专利保护了一种反射镜整体移动跟踪的太阳能线性聚光装置及阵列，多个反射镜条布置在同一圆弧轨道上跟踪太阳光的高度角或方位角，将太阳光反射到与圆弧轨道同一圆周上的接收器上。上述方案虽然余弦效应低，提高了聚光效率，但是布置在圆弧轨道上的多个反射镜条呈锯齿状，在工程实现上较为复杂，如果将多个反射镜条更换为一个大尺寸的反射镜，则散光较为严重，聚光过程中存在较严重的过焦(焦点或光斑最窄位置在接收器之前)或欠焦(焦点或光斑最窄位置在接收器之后)的问题，导致聚光宽度较大，难以实现高倍率聚光，设计、安装过程中对聚光的精度要求较高，进而使设备成本难以下降。

因此，开发出一种余弦效应小、聚光效率高，工程实现简单，且有效解决聚光过焦、欠焦严重问题的线性聚光装置，对进一步有效降低设备成本具有显著效果。

实用新型内容

本实用新型的目的是克服现有技术的缺陷，提供一种余弦效应小、聚光效率高，工程实现简单，且解决聚光过焦或欠焦严重问题的线性聚光装置。

本实用新型提供了一种多圆弧轨迹太阳能线性聚光装置，包括太阳能线性反射聚光镜和线性接收器，其特征在于,所述太阳能线性反射聚光镜包括至少两个线性反射聚光镜条，所述各个线性反射聚光镜条围绕各自的轴心线转动/滑动以实现跟踪聚光，所述各轴心线相互平行，所述线性反射聚光镜条的转动/滑动轨迹为圆弧轨迹，所述各圆弧轨迹所在的圆必须相交且有共同交点；所述线性接收器固定于所述共同交点或所述共同交点附近；所述各线性反射聚光镜条与所述各自的圆弧轨迹有两个交点；所述线性接收器和所述太阳能线性反射聚光镜沿长度方向平行设置。

进一步地，跟踪太阳聚光时，初始状态时，位于初始位置的各所述反射聚光镜条将初始角度的入射太阳光线反射汇聚到所述共同交点处；当太阳光在南北向垂直截面上的垂直投影角度变化为α时，根据几何学原理可推导出，所述各线性反射聚光镜条绕所述各自的轴心线转动/滑动角度为三分之二α，所述线性反射聚光镜条上位于所述圆弧轨迹上的反射点可以将入射角变化了α后的入射光线仍旧反射到所述共同交点位置，所述线性反射聚光镜条上靠近所述圆弧轨迹的反射点则可以将入射角变化了α后的入射光线反射到所述共同交点位置的附近。

进一步地，所述线性反射聚光镜条中间部分位于所述圆弧轨迹所在圆形区域内部，所述线性反射聚光镜条的两端部分位于所述圆弧轨迹所在圆形区域外部；所述线性反射聚光镜条中间部分与所述线性反射聚光镜条两端部分距离所述圆弧轨迹的径向距离最短，也就是说所述线性反射聚光镜条整体尽量靠近所述圆弧轨迹布置，以达到反射汇聚光线偏离所述共同交点的尺寸最小，所述线性反射聚光镜条反射汇聚后形成的光带最窄。

优选地，所述线性反射聚光镜条为连续曲面镜，所述曲面镜可由冷弯或者热弯制作得到，所述连续曲面镜能够将入射太阳光汇聚到所述线性接收器上进行光热和/或光伏转换。

优选地，所述线性反射聚光镜条为至少两个平面镜和/或曲面镜拼接组成的锯齿状镜面，拼接后可以得到与连续曲面镜相似或更好的聚光效果，所述锯齿状镜面能够将入射太阳光汇聚到所述线性接收器上进行光热和/或光伏转换。

本实用新型还提供一种多圆弧轨迹太阳能线性聚光装置阵列，包括多个平行布置的多圆弧轨迹太阳能线性聚光装置。

进一步地，多个所述线性反射聚光镜条的轴心线东西方向排列，所述多个线性反射聚光镜条向阳倾斜布置。

进一步地，多个所述线性反射聚光镜条呈V型布置。

由以上技术方案可知，本实施例采用多个线性聚光反射镜条绕各自的旋转轴心线转动/滑动，以跟踪太阳进行聚光，所述各线性聚光反射镜条转动/滑动的轨迹均为圆弧轨迹，所述各圆弧轨迹所在的圆相交于共同交点，线性接收器布置在共同交点上或者附近位置接收汇聚的太阳光。上述装置在工程上实现简单，制造和安装成本较低；实施多圆弧轨迹跟踪，可以采用多个中等面积的反射镜条，不仅采/截光口径较大，而且能够缓解严重的过焦或者欠焦问题，最终汇聚的光带较窄可以实现较高的聚光倍率，降低工程设计和安装实现时聚光精度的要求，进一步降低线性聚光装置的系统成本。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为东西轴倾斜向阳布置的双圆弧轨迹太阳能线性聚光装置结构及光路简图。

图2为所述线性聚光反射镜条与其圆弧轨迹位置关系图。

图3为东西轴向阳布置的三圆弧轨迹太阳能线性聚光装置结构简图。

图4为东西轴向阳布置的四圆弧轨迹太阳能线性聚光装置结构简图。

图5为呈V型布置的三圆弧轨迹太阳能线性聚光装置结构简图。

图6为东西轴倾斜向阳布置的双圆弧轨迹太阳能线性聚光装置阵列布置图。

图7为呈V型布置的三圆弧轨迹太阳能线性聚光装置阵列布置图。

11为第一线性反射聚光镜条，12为第二线性反射聚光镜条，13为第三线性反射聚光镜条，14为第四线性反射聚光镜条，15为第五线性反射聚光镜条，21为第一圆弧轨迹，22为第二圆弧轨迹，23为第三圆弧轨迹，24为第四圆弧轨迹，25为第五圆弧轨迹，3为线性接收器，B为共同交点，A1为第一轴心线，A2为第二轴心线，A3为第三轴心线，A4为第四轴心线，A5为第五轴心线，d1为第一距离，所述线性反射聚光镜条位于圆弧轨迹外一端与圆弧轨迹的径向距离，d3为第二距离，所述线性反射聚光镜条位于圆弧轨迹外另一端与圆弧轨迹的径向距离，d2为第三距离，所述线性反射聚光镜条位于圆弧轨迹内最远处与圆弧轨迹的径向距离

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

实施例一

图1、图3以及图4为东西轴向阳倾斜布置的双圆弧轨迹、三圆弧轨迹、四圆弧轨迹太阳能线性聚光装置结构及光路简图，如图所示，多圆弧轨迹太阳能线性聚光装置包括太阳能线性反射聚光镜和线性接收器，其特征在于, 所述太阳能线性聚光镜包括至少两个线性反射聚光镜条，图1、图3、图4 分别示出的太阳能线性聚光镜分别包括两个、三个、四个所述线性反射聚光镜条，实际应用时，还可以根据需要布置更多个所述线性反射聚光镜条。

如图1所示，所述线性反射聚光镜条11绕轴心线A1转动(或者叫滑动) 以实现跟踪聚光，所述线性反射聚光镜条11转动/滑动按照图中所示箭头方向下方转动(或者叫滑动)，以跟踪太阳光的高度角的上升，而所述线性反射聚光镜条11转动/滑动的轨迹为所述第一圆弧轨迹21。所述第一圆弧轨迹为半径A1B1和半径A1B2所截取的圆弧B1B2，所述圆弧B1B2对应的圆心角小于180°。所述各第一圆弧轨迹21和所述第二圆弧轨迹22所在的圆必须相交且有共同交点B；所述线性接收器3固定于所述的共同交点B或所述共同交点B附近，也就是说，多个所述线性反射聚光镜条反射太阳光的焦线与所述线性接收器3的中心线基本重合，所述线性反射聚光镜条11和所述线性反射聚光镜条12反射的太阳光的焦线穿过所述共同交点B或者位于所述共同交点B附近；所述线性接收器3、所述线性反射聚光镜条11以及所述线性反射聚光镜条12沿长度方向平行设置。当所述线性反射聚光镜条跟踪太阳聚光时，所述线性接收器3接收所述线性反射镜聚光镜条11和所述述线性反射镜聚光镜条12汇聚的太阳光进行光热和/或光伏转换。跟踪太阳聚光时，初始状态时，位于初始位置的各所述反射聚光镜条将初始角度的入射太阳光线反射汇聚到所述共同交点处；当太阳光在南北向垂直截面上的垂直投影角度变化为α时，根据几何学原理可推导出，所述各线性反射聚光镜条绕(例如线性反射聚光镜条11、线性反射聚光镜条12)所述各自的轴心线转动/滑动角度为三分之二α，所述线性反射聚光镜条上位于所述圆弧轨迹上的反射点可以将入射角变化了α后的入射光线仍旧反射到所述共同交点位置，所述线性反射聚光镜条上靠近所述圆弧轨迹的反射点则可以将入射角变化了α后的入射光线反射到所述共同交点位置的附近。需要注意的是，所述转动/滑动角度三分之二α为理论值，实际运行时，可以根据实际情况进行很小的微调，以使聚光后的聚光光带更加适应接收器的需要。

值得注意的是，东西轴向阳倾斜布置指的是所述多圆弧轨迹太阳能线性聚光装置中的多个与地面(水平面)平行的东西方向的线性反射聚光镜条的旋转轴心线不在同一高度上，接收器布置在比全部或大部分反射聚光镜条更靠近赤道的位置，且距离接收器越远的所述线性反射聚光镜条的旋转轴心线越高。例如所述多圆弧轨迹太阳能线性聚光装置布置在北半球时，所述太阳能线性聚光镜与所述线性接收器东西轴向布置，所述全部或大部分的太阳能线性反射聚光镜条布置于所述线性接收器的北面，如图4所示，所述轴心线 A1、所述轴心线A2、所述轴心A3线以及所述轴心线A4依次远离所述线性接收器，并且所述轴心线A1、所述轴心线A2、所述轴心线A3以及所述轴心线 A4依次升高，整体呈向阳倾斜布置的形式。

如图1所示，所述各线性反射聚光镜条(例如线性反射聚光镜条11、线性反射聚光镜条12)与所述各自的圆弧轨迹(例如圆弧轨迹21、圆弧轨迹22)有两个交点，且所述线性反射聚光镜条11和所述线性反射聚光镜条 12一部分位于各自圆弧轨迹所在圆形区域内，另一部分位于各自圆弧轨迹所在圆形区域外；布置所述线性反射聚光镜条时，优选的是所述各线性反射聚光镜条位于所述圆弧轨迹的最外侧部分和最内侧部分到所述圆弧轨迹的径向距离最短。

具体实施时，如图2所示，给出了所述线性聚光反射镜条与其圆弧轨迹位置关系，所述线性反射聚光镜条1与所述圆弧轨迹2有两个交点。第一距离d1为所述线性反射聚光镜条1位于所述圆弧轨迹2外一端与所述圆弧轨迹2所在圆形区域外的径向距离，第二距离d2为所述线性反射聚光镜条1 位于所述圆弧轨迹2所在圆形区域外的另一端与所述圆弧轨迹2的径向距离，第三距离d3为所述线性反射聚光镜条1位于所述圆弧轨迹2所在圆形区域内最远处与所述圆弧轨迹2的径向距离，布置所述线性反射聚光镜条时，保证d1、d2、d3都尽量最小。

优选地，为了实际生产制造环节的简化可靠，所述线性反射聚光镜条为连续曲面镜，所述线性反射聚光镜条能够将入射太阳光汇聚反射所述线性接收器上进行光热和/或光伏转换，使得反射的太阳光形成的焦线宽度较小，且光带的能流密度较为均匀，在实现光热转换和/或光电转化时效率更高，更容易控制。进一步地，所述线性反射聚光镜条为至少两个平面镜和/或曲面镜拼接组成的锯齿状镜面，可以起到类似连续曲面镜的聚光效果，但是由于采用尺寸较小的平面镜/曲面镜为原材料，成本较单一的连续曲面反射镜会有所下降，且汇聚的焦线宽度更小。

实施例二

本实用新型还提供一种多圆弧轨迹太阳能线性聚光装置阵列，包括多个平行布置的多圆弧轨迹太阳能线性聚光装置。优选地，多个多圆弧轨迹太阳能线性聚光装置为所述线性接收器中心线东西轴向阳倾斜布置，或者呈V型布置。图6为东西轴向阳倾斜布置的双圆弧轨迹太阳能线性聚光装置阵列。图7为呈V型布置的三圆弧轨迹太阳能线性聚光装置阵列。

需要说明的是，呈V型布置的多圆弧轨迹太阳能线性聚光装置的轴心线及接收器可东西方向布置(称为东西轴)，也可南北方向布置(称为南北轴)。呈V型布置的多圆弧轨迹太阳能线性聚光装置中，多个线性反射聚光镜条的旋转轴心线在所述线性接收器的两侧布置，在所述线性接收器的单侧，距离所述线性接收器越远，所述旋转轴心线越高，最终所述旋转轴心呈V型布置。图5所示出了呈V型布置的三圆弧轨迹太阳能线性聚光装置结构简图，如图所示，所述轴心线A1和所述轴心线A3较所述线性接收器3对称布置，且在同一水平面上，所述轴心线A1、所述轴心线A2以及所述轴心线A3呈V型布置，也就是说，在所述线性吸收器3的单侧，所述轴心线A1距离所述线性吸收器3较远，因此，所述轴心线A1高于所述轴心线A2；所述轴心线A1、所述轴心线A2以及所述轴心线A3同一垂面上各点的连线呈V型。

应当理解的是，本实用新型并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本实用新型的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (8)

1.一种多圆弧轨迹太阳能线性聚光装置，包括太阳能线性反射聚光镜和线性接收器，其特征在于,所述太阳能线性反射聚光镜包括至少两个线性反射聚光镜条，所述各个线性反射聚光镜条围绕各自的轴心线转动/滑动以实现跟踪聚光，所述各轴心线相互平行，所述线性反射聚光镜条的转动/滑动轨迹为圆弧轨迹，所述各圆弧轨迹所在的圆必须相交且有共同交点；所述线性接收器固定于所述共同交点或所述共同交点附近；所述各线性反射聚光镜条与所述各自的圆弧轨迹有两个交点；所述线性接收器和所述太阳能线性反射聚光镜沿长度方向平行设置。

2.根据权利要求1所述的多圆弧轨迹太阳能线性聚光装置，其特征在于，跟踪太阳聚光时，当太阳光在南北向垂直截面上的垂直投影角度变化为α时，所述各线性反射聚光镜条绕所述各自的轴心线转动/滑动角度为三分之二α。

3.根据权利要求1所述的多圆弧轨迹太阳能线性聚光装置，其特征在于，所述线性反射聚光镜条中间部分位于所述圆弧轨迹所在圆形区域内部，所述线性反射聚光镜条的两端部分位于所述圆弧轨迹所在圆形区域外部；所述线性反射聚光镜条中间部分与所述线性反射聚光镜条两端部分距离所述圆弧轨迹的径向距离最短。

4.根据权利要求1-3任一项所述的一种多圆弧轨迹太阳能线性聚光装置，其特征在于，所述线性反射聚光镜条为连续曲面镜，所述连续曲面镜能够将入射太阳光汇聚到所述线性接收器上进行光热和/或光伏转换。

5.根据权利要求1-3任一项所述的一种多圆弧轨迹太阳能线性聚光装置，其特征在于，所述线性反射聚光镜条为至少两个平面镜和/或曲面镜拼接组成的锯齿状镜面，所述锯齿状镜面能够将入射太阳光汇聚到所述线性接收器上进行光热和/或光伏转换。

6.一种多圆弧轨迹太阳能线性聚光装置阵列，其特征在于，所述阵列包括平行布置的多个如权利要求1-5任一项所述的多圆弧轨迹太阳能线性聚光装置。

7.根据权利要求6所述的一种多圆弧轨迹太阳能线性聚光装置阵列，其特征在于，多个所述线性反射聚光镜条的轴心线东西方向排列，所述多个线性反射聚光镜条向阳倾斜布置。

8.根据权利要求6所述的一种多圆弧轨迹太阳能线性聚光装置阵列，其特征在于，多个所述线性反射聚光镜条呈V型布置。

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