一種碟式太陽能聚光器及其設(shè)計方法
【專利摘要】一種碟式太陽能聚光器，碟面底部設(shè)有圓形開口，碟面為旋轉(zhuǎn)曲面，并且旋轉(zhuǎn)曲面的母線為基于特定一階非線性微分方程曲線。一種碟式太陽能聚光器的設(shè)計方法，根據(jù)光線均勻反射原理和相關(guān)光學(xué)幾何知識，經(jīng)過計算推導(dǎo)得出碟面的旋轉(zhuǎn)曲面的特定的一階非線性微分方程母線方程。本發(fā)明提供的具有碟面底部開口、碟面的旋轉(zhuǎn)曲面母線為特定的一階非線性微分方程曲線的碟式太陽能聚光器及其設(shè)計方法，該碟式太陽能聚光器能夠在接收器上形成非常均勻的熱流分布，顯著提高聚光器的能量轉(zhuǎn)換效率及其它綜合性能，特別適用于大尺寸接收器的聚光光伏太陽能裝置。
【專利說明】一種碟式太陽能聚光器及其設(shè)計方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種碟式太陽能聚光器及其設(shè)計方法，屬于太陽能聚光器【技術(shù)領(lǐng)域】?！颈尘凹夹g(shù)】
[0002]太陽能作為一種清潔無污染、取之不盡的可再生能源，日益成為當(dāng)今能源領(lǐng)域的研究熱點。特別是近年來聚光光伏太陽能技術(shù)迅速發(fā)展，不僅通過減少光伏電池原材料逐漸降低了總的系統(tǒng)成本，并有效提高了能量轉(zhuǎn)換效率和生產(chǎn)電量，因而得到越來越廣泛的應(yīng)用。聚光光伏太陽能裝置采用碟式聚光器，碟式聚光器的反射器為旋轉(zhuǎn)拋物面，具有良好的聚光性能和集熱性能。
[0003]但是，現(xiàn)有的碟式太陽能聚光器也存在固有的缺陷:反射碟面的旋轉(zhuǎn)拋物面結(jié)構(gòu)本身的幾何特性即是使光線向焦點聚集，因此，經(jīng)過碟面反射后形成的光線自然是非均勻的，因而在接收器上形成的熱流也是非均勻的。接收器表面的熱流不均，既降低了聚光器的聚光效率，過高的熱流又易導(dǎo)致元件、設(shè)備的損壞，嚴(yán)重影響了太陽能聚光器的綜合性能，也阻止了太陽能聚光器大型化、規(guī)?；陌l(fā)展。另外，由于接收器遮擋而使得碟式聚光器的中部并無光線入射，因而碟式聚光器中部的反光結(jié)構(gòu)并未實際使用，存在結(jié)構(gòu)浪費。更重要的是，由于接收器的遮擋而在接收器上形成了中部陰影區(qū)域，在接收器熱流分布上形成了中部凹陷，加劇了接收器熱流分布不均勻的問題。
[0004]參見圖1現(xiàn)有碟式聚光器的聚光中部陰影缺陷示意圖，自接收器邊緣的入射光線經(jīng)過碟式聚光器反射后，在焦流面聚焦后發(fā)散再入射接收器后，在接收器的中部形成一小塊陰影區(qū)域，根據(jù)光學(xué)幾何知識可以得知，在這一小塊陰影區(qū)域內(nèi)沒有任何光線入射，因而該區(qū)域的熱流非常小，這種現(xiàn)象稱為焦流面中部凹陷現(xiàn)象。參見圖2現(xiàn)有碟式聚光器的接收器熱流分布示意圖，由于旋轉(zhuǎn)拋物面的聚焦作用使接收器邊緣的熱流量小于中部，而焦流面中部凹陷現(xiàn)象導(dǎo)致中部熱流凹陷，因而在整個接收器的熱流分布形成了雙駝峰式的曲線分布，熱流分布極不均勻。
[0005]接收器表面熱流不均現(xiàn)象嚴(yán)重影響了碟式太陽能聚光器的應(yīng)用，對光伏電池的影響主要是會造成熱斑效應(yīng)，進而對太陽能電池產(chǎn)生負面影響。隨著光伏發(fā)電系統(tǒng)的不斷發(fā)展，碟式聚光器的幾何尺寸不斷增加，這種由于接收器的遮擋形成的熱流分布不均的現(xiàn)象更為嚴(yán)重，加之大型聚光器本身更容易產(chǎn)生的制作、安裝誤差，光線跟蹤精度誤差等因素，更是加劇了接收器的聚焦光斑大、熱流分布不均的程度，因而，接收器表面熱流不均的技術(shù)問題已經(jīng)嚴(yán)重困擾碟式太陽能聚光器的進一步推廣和發(fā)展。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的旨在針對現(xiàn)有的碟式太陽能聚光器存在的由于接收器遮擋、旋轉(zhuǎn)拋物面幾何形狀等因素造成的接收器熱流分布不均勻，影響聚光性能、降低能量轉(zhuǎn)換效率等缺陷與不足，提供一種具有碟面底部開口、碟面的旋轉(zhuǎn)曲面母線為特別曲線的碟式太陽能聚光器及其設(shè)計方法，該碟式太陽能聚光器能夠在接收器上形成較為均勻的熱流分布，提高聚光器的能量轉(zhuǎn)換效率及其它綜合性能，特別適用于大尺寸接收器的聚光光伏太陽能裝置。
[0007]本發(fā)明為實現(xiàn)技術(shù)目的采用的技術(shù)方案是:一種碟式太陽能聚光器，包括碟面和接收器，所述碟面為旋轉(zhuǎn)曲面，并且碟面底部設(shè)有直徑大于或等于接收器的直徑的圓形開口，所述碟面的旋轉(zhuǎn)曲面的母線為基于以下一階非線性微分方程Y1或者Y2描述的曲線，并且所述碟面的旋轉(zhuǎn)曲面母線被長度等于碟面底部開口直徑的線段對稱地截斷為兩段曲線[0008]
【權(quán)利要求】
1.一種碟式太陽能聚光器，包括碟面和接收器，其特征在于:所述碟面為旋轉(zhuǎn)曲面，并且碟面底部設(shè)有直徑大于或等于接收器直徑的圓形開口，所述碟面的旋轉(zhuǎn)曲面的母線為基于以下一階非線性微分方程Y1或者Y2描述的曲線，并且所述碟面的旋轉(zhuǎn)曲面母線被長度等于碟面底部開口直徑的線段對稱地截斷為兩段曲線:
2.一種根據(jù)權(quán)利要求1所述的碟式太陽能聚光器的設(shè)計方法，其特征在于包括以下步驟:(1)設(shè)定所述碟式太陽能聚光器的基本參數(shù)為:碟面直徑為D，碟面底部開口直徑為d，碟面底部到接收器的距離為L，接收器的直徑為a ；假定一條入射光線在碟面上的入射點坐標(biāo)為(x，y)，入射光線在碟面上的入射點與對稱軸的距離為Q，入射光線在接收器上的入射點與對稱軸的距離為L2，為使接收器平面上的光斑對平行入射光均勻分布，由幾何知識可知，則該光線在接收器平面的圓形面積(^1札廠2)與整個理論光斑面積(l/4*Ji*a~2)的比值應(yīng)該等于所述入射光線入射范圍內(nèi)的碟面環(huán)形面積與碟面總環(huán)形面積之比，由此得到下述等式al:
3.一種根據(jù)權(quán)利要求1所述的碟式太陽能聚光器的設(shè)計方法，其特征在于包括以下步驟:(1)所述碟式太陽能聚光器的基本參數(shù)為:碟面開口直徑為D，碟面底面開口直徑為d，碟面底部到接收器的距離為L，接收器的直徑為a ；假定一條入射光線在碟面上的入射點坐標(biāo)為(X，y)，入射光線在碟面上的入射點與對稱軸的距離為L，在接收器上的入射點與對稱軸的距離為L2，為使接收器平面上的光斑對平行入射光均勻分布，由幾何知識可知，則該光線在接收器平面的圓形面積與整個理論光斑面積(l/4*Ji*a~2)的比值應(yīng)該等于所述入射光線的入射范圍內(nèi)碟面環(huán)形面積與碟面總環(huán)形面積之比，由此得到下述等式(a2):
【文檔編號】G02B19/00GK103684236SQ201310533636
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2013年11月1日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月1日
【發(fā)明者】周正, 程強, 李萍萍, 周懷春 申請人:華中科技大學(xué)