CN85101607B - 复合平面太阳能聚光器 - Google Patents

Abstract

本发明属于太阳能领域。发明中提出了一种对称的槽形非成象聚光器，每侧的反射壁由一面或一面以上的平面反射镜按自下而上依次减小的倾斜角装配到支撑肋板上，肋板固定在底架上。其主要特征是，对最下部平面反射镜的倾斜角规定了允许的最小值，因而聚光器的半接收角才与设计值保持一致，使反射壁材料实现最佳使用。随着面数的增加和倾斜角的最优化设计，获得较大的几何聚光比。该聚光器可用于聚光型太阳电池电源和聚光型集热器系统。

Description

本发明是关于一种由若干个平面反射镜组合而成的非成象太阳能聚光器的发明。

温斯顿在美国专利〔R.Winston，U.S.Patent 3923381(1975)〕中公布了具有中等聚光度，无须连续跟踪的槽形复合抛物面聚光器(简称C P C)。C P C与以前的非成象聚光器相比，在半接收角θ_c一定，反射壁面积与进光孔面积比R_a一定的条件下，具有最大的几何聚光比C_o或者说在半接收角θ_c和几何聚光比C一定的条件下，具有最小的反射壁面积与进光孔面积比R_a，因此具有反射壁材料使用最佳的性能。但是C P C的加工成形比较困难，不便于推广应用。为了克服上述缺点，马南和班内罗特在太阳能杂志上〔K.D.Mannanand R.B.Bannerot，Solar Energy21，385-391(1978)〕报导了槽形单面壁聚光器和双面壁聚光器的最佳图形设计方法及装置。单面壁聚光器两侧的反射壁是对称分布的两个平面镜，平面镜相对于槽对称面的倾斜角α(简称侧壁角)根据C＝sin(3α+δ)/sin(α+δ)，由几何聚光比C和半接收角δ确定。最佳图形的侧壁角根据使C取极大的条件确定。双面壁聚光器两侧的反射壁也是对称分布的，每一侧由相互连接的两个平面镜组成，这两个平面镜的侧壁角的最佳值根据使C取极大的条件同时确定。当光线以角δ入射到槽内时，最多经历一次反射到达槽底。单面壁聚光器和双面壁聚光器虽然明显地简化了非成象聚光器的制造方法，但是聚光器的有效聚光比保持不变(指反射系数为1的理想反射壁而言)的最大入射角数值常常超过需要的半接收角的大小单面壁聚光器发生此情况的机会比双面壁聚光器多，半接收角越小发生的机会越多。这不仅在设计方法上是有缺陷的，而且增大了反射面积与进光孔面积比R_a，不利于反射壁材料的最佳使用；其次，可获得的几何聚光比比C P C低得多，使应用范围受到限制；再者，在聚光器线度比较大的情况下双面壁聚光器的反射壁采用整体成形的方法在材料和制造条件较差的情况下仍感困难。

本发明的目的在于一方面尽可能地接近复合抛物面聚光器的性能，另一方面又尽可能地简化制造方法，使其便于推广应用。

本发明的复合平面聚光器是由对称分布的两个反射壁组成的槽形聚光器，槽的长度比进光孔宽度足够地大，每一侧的反射壁由数量相同的一个或两个或多个平面反射镜组成，分别称为复合单面聚光器、复合双面聚光器和复合多面聚光器。组成反射壁的各个平面镜分别加工后，按设计的侧壁角大小组装连接成完整的反射壁。每一个反射镜均由反光材料附着在载体上构成。槽的顶部是进光孔，槽的底部是出光孔，接收器置于槽的底部。为了避免混淆，我们指出：几何聚光比C指进光孔面积与接收器面积之比；有效聚光比C_F指接收器处的辐射强度与进光孔处的辐射强度之比；接收角2θ_c指入射到进光孔处的光线全部到达接收器处，而没有任何偏离的入射角范围；θ_c表示接收角范围的一半，称半接收角。在理想反射壁的情况下，θ_c就是θ_F保持不变的最大入射角的大小；我们还将入射光线直射或最多只经过一次反射全部到达槽底接收器处的最大入射角用符号θ₁表示；将入射到进光孔处的光线完全不能到达接收器处的入射角用符号θ_M表示。根据这些说明可知，前面援引马南等的对比文献中的半接收角δ相当于θ₁，而不是θ_c，并且有δ＜θ_c的情况。在扩大的那一部分入射角(θ_c-δ)内，开始出现光线从反射壁一侧到另一侧的高次反射。本发明的复合平面聚光器(以下简称C F C)具有θ₁＝θ_c的良好特性。在理想反射壁的情况下，当入射角的绝对值|θ|＝≤θ_c时，C_F将保持不变。一旦|θ|＞θ_c，入射光线就开始部分地反射回进光孔，致使C_F开始下降，随着|θ|的增大，直至衰减为零。C F C的面数越多，这一衰减过程进行得越快。作为极限情况，当面数趋于无穷多个时，C F C就演变成C P C。此时，在理想反射壁情况下，具有|θ|≤θ_c，C_F保持不变；|θ|＞θ_c，C_F＝0的矩形透光特性。

本发明的主要贡献在于组成C F C反射壁的各个平面反射镜的侧壁角是经过专门设计的，从而保证了上述C F C透光特性的实现。

复合单面聚光器的侧壁角α必须取下列范围以内的值：

对给定的θ_c，由〔1〕式规定的诸α值确定相应的几何聚光比。α越小，C和R_a越大。直接确定

时，获得最大几何聚光比。

复合双面聚光器上部的侧壁角为α₂，下部的侧壁角为α₁，它们参照对C的要求，通过寻优方法确定，并使α₁满足下式：

每一侧平面反射镜面数为N的复合多面聚光器的各个侧壁角，从下到上依次减小，并表示为α₁、α₂…α_N，不管N为多大，α₁取值范围与复合双面聚光器相同。N个侧壁角参照对C的具体要求，并根据使几何聚光比最大的条件，通过寻优方法确定。面数越多，可获得的最大几何聚光比越大，R_a也越大，C F C性能越接近C P C。面数越多，C F C性能与截短的C P C性能可以比拟的几何聚光比范围也越宽。当然，制造方法相应地复杂一些。因此，具体选择几面，一方面根据对几何聚光比的要求决定，另一方面根据聚光器成本与接收器成本的相对大小决定。例如对光电应用，面数可适当多一些；对光热应用，面数可适当少一些；要求集热器运行温度高，面数多一些；运行温度低，面数少一些。半接收角的大小参照调节聚光器的仰角的次数确定。

本发明的贡献还在于不管面数有多少，各个平面反射镜均可分别加工然后按设计的侧壁角组装连接成完整的槽形反射壁，并通过支撑平面镜的肋板固定在底架上。在槽的长度方向上，每一个面又可根据长度的大小，由一块或一块以上的反射镜串接而成。如果抗风要求高，各个平面反射镜之间可适当留有间隙。反射镜的反光材料可采用镀银或镀铝的平面玻璃镜、胶带式镀铝反光膜等。反光材料载体可采用带有防腐蚀保护层的薄铝板或薄钢板。也可采用表面经阳极氧化处理和抛光的铝板，此时不再需要反光材料的载体。在材料和制造条件许可时反射壁也可用玻璃钢或金属薄板整体成形。

本发明的主要优点在于复合平面聚光器具有θ₁＝θ_c的特性，在理想反射壁的情况下θ₁就是有效聚光比C_F保持不变的最大入射角，如表1所示。表1是马南的单面壁聚光器在几何聚光比取极大值时的主要性能参数与复合单面聚光器在

时的主要性能参数的比较。表中θ₁是入射光线直射或最多经过一次反射全部到达槽底接收器处的最大入射角，θ_c是半接收角，C是几何聚光比，R_a是反射面积与进光孔面积比。(“最多经过一次反射”指从一侧到另一侧)。

复合多面聚光器的优点还在于与已有的槽形平面壁聚光器相比，可获得较高的几何聚光比。在角度θ₁和几何聚光比C相同的条件下，具有比较小的反射面积与进光孔面积比，从而达到反射壁材料最佳使用的目的。与截短的C P C性能可比拟的几何聚光比范围也比较宽，详见表2.表中列出了单面壁聚光器，双面壁聚光器及面数分别为1、2、3、4、5的复合平面聚光器在半接收角为δ°时可以达到的最大几何聚光比C及相应的R_a，还列出了它们与截短的C P C性能可以比拟的几何聚光比的大概范围。这里所说的可以比拟是指，当表中所列的聚光器的几何聚光比与截短的C P C相同时，两者的反射壁面积与进光孔面积比满足〔3〕式：

R_a≤1.2R_a ¹     〔3〕

式中R_a ¹是截短的C P C的参数，R_a是其它聚光器的参数。表2中还列出了完整的C P C的几何聚光比及R_a。当半接收角θ_c的数值增大时，上述可比拟的几何聚光比范围将加大。

本发明的优点还在于制造方法简单，组装灵活，成本低廉，无须连续跟踪。可以应用于太阳能光热利用和光电利用装置。

图一是面数为四面的复合平面聚光器的一个槽体的示意图。

图二是图一的槽体沿A-A方向的剖面图。

图三是由两个图一的槽体组成的太阳能聚光器的示意图。

本发明的复合平面聚光器的一种槽体如图1所示。槽体5由对称分布在两侧的平面反射镜1、2、3和4组成，平面反射镜间有小的间隙6，槽顶处是进光孔7，槽底处是出光孔8，平面反射镜的反光材料9粘附在载体10上。反光材料9可以是镀银或镀铝的平面玻璃镜或胶带式反光膜或其它反光材料，载体10可以是薄铝板或薄钢板或其它轻质并有一定机械强度的材料，载体外表面带有防腐蚀保护层。

图二是图一所示槽体沿A-A方向的剖面图，最下部的平面反射镜1的侧壁角为α₁，面2、面3、面4的侧壁角依次是α₂、α₃、α₄，它们从下到上依次减小。当入射光线11以半接收角θ_c入射到槽内时，分别沿图中各个箭头方向直射或最多经一次反射到达槽底出光孔8处；当入射角|θ|＜θ_c时，入射光线11仍然到达出光孔8处，入射角|θ|较小的时候，入射到反射壁上部的光线可能经过位于同一侧的面到面之间的多次反射后到达出光孔8处；当入射角|θ|＞θ_c时，入射到最下部平面反射镜处的入射光线将首先在槽内经过从一侧到另一侧的多次反射后返回进光孔7，随着|θ|的增大将有越来越多的光线发生这种情况，直至|θ|＝θ_M时入射光线经过壁反射后全部返回进光孔7。

图三是由图一所示的两个槽体组成的太阳能聚光器。组成槽体的各个反射镜及其载体由肋板12支撑，肋板12用较厚的铝合金板或者钢板等，在支撑各个反射镜及其载体的直接接触部位，加工成图二所示的槽的剖面形状。这样，肋板12不仅起到支撑平面反射镜的作用，而且保证了各个平面反射镜的正确位置。肋板与平面反射镜的载体之间加上小的角型材13，以增加载体的被支撑面积。肋板12用可拆联接件14固定在底架15上。位于同一聚光槽的同一侧面的肋板12，其顶部用连接条16互连，以增加肋板的强度。为了减少无效的采光面积，连接条16的宽度以及肋板12顶部的宽度不要太大。在抗风要求高的场合，同侧相邻的平面反射镜之间可留有适当的间隙。在槽底的出光孔8处，可以放置太阳能电池(包括散热器)或集热管，并且两端固定在底架15上。底架采用铝合金或钢材制成，并有防腐蚀保护层。

当聚光器沿东西方向放置，并且每个节气日(夏至和冬至除外)调整一次仰角时，半接收角可选用7°，侧壁角α₁允许范围是20.25°-41.5°，以28°-34°效果较好。C约2.9-4.1倍。

本发明的复合平面聚光器的突出优点是入射光线直射或最多经过一次反射全部到达槽底接收器处的最大入射角θ₁就等于半接收角θ_c，在理想反射壁的情况下θ₁也就是有效聚光比C_F保持不变的最大入射角，因而具有良好的透光特性，当反射镜的面数增加时，将最终演变为复合抛物面聚光器，获得矩形透光特性；复合平面聚光器在面数比较多的情况下可获得比已有的槽形平面壁聚光器更高的几何聚光比，与截短的C P C的性能可比拟的几何聚光比的范围也比较宽，反射壁材料使用比较节省；复合平面聚光器的各个平面反射镜是分别加工后组装连接成完整的槽形反射壁的，因此制造方法简单、灵活，成本低廉；复合平面聚光器无须连续地、精密地跟踪，管理维护比较方便。

表1.单面壁聚光器与复合单面聚光器主要性能比较

表2.θ_c＝6°时聚光器的最大聚光比C_M、R_a

以及与截短的C P C可比拟的几何聚光比范围

Claims (2)

1.一种槽形非成象聚光器，每侧由一面反射镜构成，两面相对的反射镜以相同的侧壁角α对称安装在底架上，在给定半接收角θ_c和几何聚光比C时，侧壁角α可按下式取值

其特征在于，侧壁角α的取值范围为：

2.根据权利要求1所述的槽形非成象聚光器，其特征在于，对给定的半接收角θ_c，几何聚光比C取最大值时，侧壁角α的值为：

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