CN2262222Y - 一种非对称复合抛物面聚光集热器 - Google Patents

一种非对称复合抛物面聚光集热器 Download PDF

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Abstract

一种非对称复合抛物面太阳能聚光集热器，由两侧非对称的同向倾斜的带有渐开线或圆弧曲面的抛物面经相对复合形成开口反向倾斜的聚光槽，槽口倾角近似等于当地地球纬度，收集角相当于最大的太阳升角，吸热器装设于聚光槽底部，太阳能同时入射到两侧抛物面上而集中聚光于吸热器底部，如同太阳灶那样具有更高的集热效率，聚光槽东西向放置，开口朝南，无需跟踪装置，一年四季均可使用，用以获得热水、开水、蒸汽、热空气等。

Description

一种非对称复合抛物面聚光集热器
本实用新型涉及一种太阳能热利用装置，尤其是太阳能聚光式集热器。
普通聚光式集热器只能吸收太阳直射辐射的能量，通常需要一套跟踪装置，制造成本大，维修麻烦；平板型太阳能集热器通常不用跟踪，但其获得的工作温度较低。为解决上述问题，国内外近年来先后试验研究了复合抛物面聚光集热器，简称CPC(原文为Compound Parabolic Concentrator Collector)，在美国CPC工作原理作为1977年100项重大研究成果之一，获得IR-100奖励。我国郭延玮与刘鉴民编著的((太阳能的利用》及全国太阳能利用函授班辅导教材第三期，介绍了CPC的特点是两侧抛物面以中剖面为对称，焦线重合置于吸收管顶点，抛物面与复合侧的轴面在聚光槽开口交合封闭，它聚光而不成像，不仅能吸收太阳直射辐射的能量，还能吸收散射辐射的能量，工作温度较高，不需要跟踪系统，最多每年调整几次。但CPC存在下列问题：第一、聚光度较小，一般在10以下，若做成不调整的固定式聚光器，聚光比在3以下：第二、收集角较小，存在有阴影背阳问题，限制了阳光的投入量，例如当阳光与阴影线平行入射时，只能照射到复合侧的抛物面，而阴影侧完全背阳。因此说CPC不能完全适应太阳高度角的变化，而取得最大的热效能。
本实用新型的目的是提供一种非对称CPC，提高其聚光度，减少其背阳阴影的影响。
本实用新型是这样实现的：将两侧非对称的同向倾斜的带有渐开线或园弧曲面的抛物面相对复合，形成开口反向倾斜的聚光槽，两侧焦线互相分离同处于设置在聚光槽底部的吸热器内。其截面图设计步骤分列如下：
1、将上、下两侧轴线都朝同一方向(沿顺时针方向)与水平倾斜成锐角相交，下轴线的倾角等于最大的太阳升角Hmax，上轴线的倾角等于允许的最小太阳升角Hmin，以吸热管(器)为基园，园心设在轴线交角的平分线上，顶点处于轴线交角下方，轴线切割基园；
2、适当选取基园直径，于基园底点为初始点，作渐开线；
3、选取上轴线与基园上部之切割点为焦点，上轴线与渐开线的交点为顶点，作上侧抛物线；
4、在上侧抛物线上，选取那条与水平面倾角等于Hmax的切线作为上入射切线，此时该切线与下轴线互相平行(若下轴线倾角＜Hmax，则该切线与下轴线形成张角)。
5、用一个反向于轴线倾斜方向(沿反时针方向)的倾斜平面截取抛物线，形成聚光槽开口，该倾斜平面通过上入射切线的切点，其倾角近似地等于当地地球纬度。
6、将下抛物线的焦点设于基园内部下方，调节焦距，使得下抛物线在聚光槽开口处的入射切线与水平面的倾角小于Hmin，此时该切线与上轴线形成张角。作园弧联接顶点和基园初始点。
使用时，复合抛物面聚光槽东西横向放置，开口朝南。
本实用新型两侧抛物面互不对称，上轴面和下轴面都按顺时针方向倾斜，复合抛物面聚光槽开口则反方向倾斜，上、下轴面各自与对方的抛物面分离开口，这样复合抛物面的入射口径就由上入射切面与下轴面、下轴面与上轴面、上轴面与下入射切面之间的入射口组成，口径扩大了，加上两组焦线互相分离，各自向底部下移，抛物面开口也相应加大(当焦距不变时)。由于聚光度与入射口径成正比，那么聚光度也就提高了。由于上入射切面倾角等于最大太阳升角Hmax，而下入射切面倾角小于允许的最小太阳升角Hmin，表明上侧抛物面的收集角等同于Hmax，下侧抛物面的阴影角小于Hmin，因此，太阳从Hmin到Hmax或者从Hmax到Hmin，都能同时入射到上、下两侧抛物面上。聚光槽开口倾角近似等于当地地球纬度，并朝南放置，有利于太阳光线垂直辐射，从而得到最大的年日射量。
本实用新型的具体结构由以下的实施例及其附图给出。
图1为非对称CPC截面图。
图2为平板型槽式非对称CPC示意图。
下面将结合附图详细说明依据本实用新型提出的具体装置的细节及工作情况。
本实用新型如图1所示，包括带有渐开线的上侧抛物面1，带有园弧的下侧抛物面2和吸热器3，上抛物面轴MB与下抛物面轴ND都朝向开口且与水平面倾斜而相交于G，其倾角分别选取30°与78°，吸热管3处于轴面交角下方，焦线F1落在吸热器3内右上方，焦线F2落在吸热器3内左下方，上入射切面AT其倾角等于Hmax，下入射切面CP其倾角小于Hmin。复合抛物面槽开口AC沿反方向倾斜45°，口径由AN、MN、CM三段组成。收集角相当于Hmax(一年调节2次，可基本消除下侧抛物面阴影角小于Hmin之影响)，当阳光沿BM轴平行入射时，抛物面AB首先将反射光聚焦于上焦线F1，渐开线曲面BO的反射光由于入射光分居于法线两侧，故首先落在吸热管3底部O点右侧，抛物面CD上面的反射光由于分居于法线的两侧，因此将射入园弧DO，经园弧DO二次反射后则汇集于O点左侧。当阳光由MB方向逐渐向DN方向偏移时，投射在AB面上的入射角将逐渐变大，根据反射定律，反射角也逐渐变大，反射光将从F1开始，自上而下逐次被吸热管截获，而CD面和DO面上的入射角则逐渐减少，反射角相应逐渐变小，反射光则从O点底部逐次上移，也被吸热管截获。当阳光上升到沿着ND平行入射时抛物面AB，渐开线BO则将反射光汇集于吸热管底部O点右侧，而抛物面CD则将反射光聚焦于F2。相反的，当阳光从ND方向向MB方向逐渐偏移时，抛物面AB与渐开线BO则将反射光从O点右侧逐渐向上移动，聚焦于焦点F1，抛物面CD与园弧DO则同时将反射光从焦点F2逐渐下移到O点左侧，同样都被吸热管截获。显然，反射光主要集中于集热器底部，这样就象太阳灶一样，具有更高的集热效率。
平板型槽式非对称CPC，如图2所示，包括带有渐开线或园弧的非对称抛物面1、2倾斜相对复合形成的聚光槽4，槽面安装反光材料6，槽口封装透光密封板7，槽底设置吸热管3。二个或二个以上互相平行的聚光槽4、吸热器3横向排列，组合于同一个平板主体5，使用时将槽面开口朝南放置，无需跟踪装置。平板主体5采用硬质发泡塑料模注，或者采用玻璃钢制造。这样比普通平板型集热器供热温度高、造价低廉，比普通聚光式集热器和标准CPC则体积减少，便于搬运、安装。

Claims (7)

1、一种非对称复合抛物面太阳能聚光集热器，由两侧带有渐开线或园弧曲面的抛物面(1)、(2)复合形成聚光槽(4)以及装设于底部的吸热器(3)组成，聚光槽(4)东西横向放置，开口朝南，其特征在于，带有渐开线或园弧曲面的抛物面(1)与(2)不对称，它们的轴面(BM)与(DN)按同一方向倾斜，聚光槽开口则反方向倾斜，它们各自与对方的轴面分离开口。
2、根据权利要求1所述非对称复合抛物面聚光集热器，其特征是两侧焦线F1与F2不重合。
3、根据权利要求1所述的非对称复合抛物面聚光集热器，其特征是上侧轴面(BM)水平倾角小于下侧轴面(ND)的水平倾角。
4、根据权利要求1所述非对称复合抛物面聚光集热器，其特征是上入射切面(AT)的倾角≥下侧轴面(DN)的倾角，下入射切面(CP)的倾角≤上侧轴面(BM)的倾角。
5、根据权利要求1所述非对称复合抛物面聚光集热器，其特征是聚光槽开口反向于轴面倾斜方向的倾角近似等于当地地球纬度。
6、根据权利要求1所述非对称复合抛物面聚光集热器，其特征是带有渐开线或园弧曲面的抛物面(1)、(2)经倾斜复合形成非对称聚光槽(4)，聚光槽(4)底部设置吸热器(3)，二个或二个以上的聚光槽(4)、吸热器(3)依次平行排列，组合于同一平板主体(5)。
7、根据权利要求3所述倾斜轴面，其特征是上侧轴面(BM)倾斜角度15°-38°，下侧轴面(DN)倾斜角度60°-86°。
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