專(zhuān)利名稱(chēng)：一種二維復(fù)合拋物面聚光器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種太陽(yáng)能利用聚光器，特別是一種靜態(tài)非成像聚光器，屬于太
陽(yáng)能聚光技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
太陽(yáng)能作為一種清潔、無(wú)污染的可再生能源，其開(kāi)發(fā)和利用被認(rèn)為世界能源戰(zhàn)略 的重要組成部分。復(fù)合拋物面聚光器(Compound parabolic concentrator,簡(jiǎn)稱(chēng)為CPC)是 根據(jù)邊緣光學(xué)原理設(shè)計(jì)的非成像聚光器。在理論上，接收角范圍內(nèi)的入射光直接或經(jīng)反射 都最終到達(dá)接收器上，對(duì)于給定的接受角范圍它可以實(shí)現(xiàn)最大的聚光比，因而被應(yīng)用在太 陽(yáng)能光熱、光伏系統(tǒng)中，非跟蹤、跟蹤(二級(jí)反射器)系統(tǒng)中。CPC模型的建立與發(fā)展起于 七十年代末，大量學(xué)者做了相關(guān)研究。管狀CPC在光熱系統(tǒng)中的應(yīng)用最為廣泛，它具有最小 的散熱面積，無(wú)需跟蹤裝置而降低了成本，可以實(shí)現(xiàn)中高溫集熱的需求。對(duì)于復(fù)合拋物面聚 光器，不可避免的存在著接收器與反光鏡之間的縫隙，它造成了光能的損失。主要原因有 1)為了避免熱傳遞損失，接收管不可以與反射鏡面相接觸；2)外聚光CPC的玻璃管與接收 管之間存在縫隙；3)實(shí)際應(yīng)用中吸收管的形狀及安裝位置與設(shè)計(jì)的情況有一些偏離，而對(duì) 于接收管單端固定式CPC，長(zhǎng)期的重力作用會(huì)使得另一端向下形變。因而在設(shè)計(jì)時(shí)要預(yù)留一 定的縫隙裕量。 相關(guān)文獻(xiàn)計(jì)算出縫隙損失約為5% 20%，可見(jiàn)縫隙損失的影響是不可忽略的。 A.Rabl提出了三種解決留出縫隙的方案，a)減小接收管尺寸；b)水平截?cái)嗉饨?；c)改變接 收管的形狀，而在一些實(shí)際設(shè)計(jì)中常采用的是將接收管直接上移的方式。這些方法存在著 光能損失大，光學(xué)效率波動(dòng)大等問(wèn)題；W. R. Mcintire提出在漸開(kāi)線尖角部分用W形或多V 行折面代替的方案，這種設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)無(wú)光線通過(guò)縫隙，但要損失約15%的聚光比。還有學(xué) 者提出了通過(guò)漸開(kāi)線初始點(diǎn)前移，使得漸開(kāi)線部分的尖端與圓管有一定的距離，此方法要 改變整個(gè)曲線方程，而且縫隙效率波動(dòng)較大。
發(fā)明內(nèi)容技術(shù)問(wèn)題本實(shí)用新型的目的在于克服上述現(xiàn)有管式復(fù)合拋物面聚光器所存在的 缺陷，提出一種二維復(fù)合拋物面聚光器。在管狀復(fù)合拋物面聚光器底部的尖角部分用v字 形狀的折平面鏡代替。 技術(shù)方案本實(shí)用新型的二維復(fù)合拋物面聚光器，管狀復(fù)合拋物面剖面輪廓曲線 含有漸開(kāi)線段和曲線段，曲線段采用的是由Winston提出，U. 0rtabasi等人推導(dǎo)出方程式 并稱(chēng)為cusp reflector的曲線方程，對(duì)于漸開(kāi)線段，則根據(jù)需要縫隙的大小將尖角部分改 為新V形或者鋸齒形。 該聚光器包括集熱管、復(fù)合拋物面聚光鏡的曲線段鏡面、復(fù)合拋物面聚光鏡的漸 開(kāi)線段鏡面、新V形結(jié)構(gòu)鏡面；復(fù)合拋物面聚光鏡的曲線段與復(fù)合拋物面聚光鏡的漸開(kāi)線 段鏡面連接，復(fù)合拋物面聚光鏡的漸開(kāi)線段鏡面與新V形結(jié)構(gòu)鏡面連接，集熱管位于由復(fù) 合拋物面聚光鏡的曲線段鏡面、復(fù)合拋物面聚光鏡的漸開(kāi)線段鏡面和新V形結(jié)構(gòu)鏡面所形 成的半封閉結(jié)構(gòu)中。[0009] 復(fù)合拋物面聚光鏡的曲線段鏡面(2)的橫截面曲線方程為 x = rsint-I (t) cost, y = _rcost_I (t) sint， I (t) = rt，、《t《ji /2+ 9 復(fù)合拋物面聚光鏡的漸開(kāi)線段鏡面(3)的橫截面曲線方程為 x = rsint_I(t) cost, y = _rcost_I (t)sint /0) = ^-;"~r~7~^-ji/2+e《t《3ji/2-9
l + sin(卜60
初始角
新V形結(jié)構(gòu)鏡面(4)的橫截面曲線方程為 y = kx k要滿(mǎn)足圖3的臨界光線要求
上述方程式中9——接收角；r——接收管管半徑；t——角度變量參數(shù)；tf ;g——縫隙的大小。 新V形結(jié)構(gòu)鏡面(4)或?yàn)閳D2的鋸齒形結(jié)構(gòu)鏡面。 有益效果
1)采用復(fù)合拋物面聚光器，可以將接收角范圍內(nèi)的入射光線全部收集到接收器 上，并在該接收角下實(shí)現(xiàn)理論上的最大幾何聚光比。接收器為管狀，可以與廣泛運(yùn)用于集熱 的圓管相配套，并將散熱表面積降到最小。 2)曲線段采用的是U. 0rtabasi等人推導(dǎo)出的公式曲線，這種曲線設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，并在 聚光比、聚光器尺寸上具有優(yōu)勢(shì)。 3)漸開(kāi)線段運(yùn)用了新V形結(jié)構(gòu)，新V形法相對(duì)漸開(kāi)線前移法具有縫隙效率高且穩(wěn) 定、所需鏡面尺寸小，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì)，相對(duì)多V形和W形法具有高出約15%聚光比、容易 設(shè)計(jì)等優(yōu)勢(shì)。相對(duì)減小接收管尺寸、水平截?cái)嗉饨?、改變接收管的形狀、提高圓管等方法，性 能優(yōu)勢(shì)更為明顯，新V形法的相對(duì)聚光比在一定的入射光線角范圍內(nèi)是沒(méi)有縫隙光能損失 的，且該范圍內(nèi)反射損失也小，可以有很好的利用價(jià)值。 4)在g/r < 0. 51時(shí)，采用新V法可以在相對(duì)聚光比不變的情況下將到達(dá)底端面 上的光線全反射到接收管上。在g/r > 0. 51時(shí)采用鋸齒法可以將縫隙光能損失降到最小。 g-縫隙大小，r-接收管半徑。 該設(shè)計(jì)科學(xué)、簡(jiǎn)單、合理，聚光效果好，便于大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)，成本低，易推廣。

圖1是二維復(fù)合拋物面聚光器的立體結(jié)構(gòu)示意圖， 圖中有集熱管1、復(fù)合拋物面聚光鏡的曲線段鏡面2、復(fù)合拋物面聚光鏡的漸開(kāi) 線段鏡面3、新V形結(jié)構(gòu)鏡面4， 圖2是二維復(fù)合拋物面聚光器的立體結(jié)構(gòu)示意圖(改進(jìn)方案)， 圖中有集熱管1、復(fù)合拋物面聚光鏡的曲線段鏡面2、復(fù)合拋物面聚光鏡的漸開(kāi) 線段鏡面3、新鋸齒形結(jié)構(gòu)鏡面5， 圖3是二維復(fù)合拋物面聚光器的設(shè)計(jì)光路圖， 圖4是二維復(fù)合拋物面聚光器(改進(jìn)方案)的設(shè)計(jì)光路圖。
具體實(shí)施方式該二維復(fù)合拋物面聚光器包括集熱管1、復(fù)合拋物面聚光鏡的曲線段鏡面2、復(fù)合
4拋物面聚光鏡的漸開(kāi)線段鏡面3、新V形結(jié)構(gòu)鏡面4 ;復(fù)合拋物面聚光鏡的曲線段2與復(fù)合 拋物面聚光鏡的漸開(kāi)線段鏡面3連接，復(fù)合拋物面聚光鏡的漸開(kāi)線段鏡面3與新V形結(jié)構(gòu) 鏡面4連接，集熱管1位于由復(fù)合拋物面聚光鏡的曲線段鏡面2、復(fù)合拋物面聚光鏡的漸開(kāi) 線段鏡面3和新V形結(jié)構(gòu)鏡面4所形成的半封閉結(jié)構(gòu)中。新V形結(jié)構(gòu)鏡面4或?yàn)閳D2的鋸
齒形結(jié)構(gòu)鏡面。 實(shí)施例1 當(dāng)太陽(yáng)光在該聚光器的接收角范圍內(nèi)入射到開(kāi)口面內(nèi)，光能直接或經(jīng)復(fù)合拋物面 聚光鏡的曲線段鏡面2、復(fù)合拋物面聚光鏡的漸開(kāi)線段鏡面3、新V形結(jié)構(gòu)鏡面4鏡面反射 后，最終到達(dá)集熱管1上。圖3為光路示意圖，接收角為60°C， g/r = 0. 5，折面的角度為 32°C。 實(shí)施例2 當(dāng)太陽(yáng)光在該聚光器的接收角范圍內(nèi)入射到開(kāi)口面內(nèi)，光能直接或經(jīng)復(fù)合拋物面 聚光鏡的曲線段鏡面2、復(fù)合拋物面聚光鏡的漸開(kāi)線段鏡面3、鋸齒形結(jié)構(gòu)鏡面5鏡面反射 后，最終到達(dá)集熱管1上。圖4為光路示意圖，接收角為60°C， g/r = 1。
權(quán)利要求一種二維復(fù)合拋物面聚光器，其特征在于該聚光器包括集熱管(1)、復(fù)合拋物面聚光鏡的曲線段鏡面(2)、復(fù)合拋物面聚光鏡的漸開(kāi)線段鏡面(3)、V形結(jié)構(gòu)鏡面(4)；其中，V形結(jié)構(gòu)鏡面(4)的兩邊分別連接漸開(kāi)線段鏡面(3)，漸開(kāi)線段鏡面(3)的外側(cè)分別連接曲線段鏡面(2)形成二維復(fù)合拋物面聚光器，集熱管(1)位于由曲線段鏡面(2)、漸開(kāi)線段鏡面(3)和V形結(jié)構(gòu)鏡面(4)所形成的半封閉結(jié)構(gòu)中。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種二維復(fù)合拋物面聚光器，其特征在于復(fù)合拋物面聚光鏡 的曲線段鏡面(2)的橫截面曲線方程為<formula>formula see original document page 2</formula> r——接收管管半徑；t——角度變量參數(shù)——初始角。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種二維復(fù)合拋物面聚光器，其特征在于復(fù)合拋物面聚光鏡 的漸開(kāi)線段鏡面(3)的橫截面曲線方程為<formula>formula see original document page 2</formula><formula>formula see original document page 2</formula>;e—接收角。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種二維復(fù)合拋物面聚光器，其特征在于V形結(jié)構(gòu)鏡面(4)的橫截面曲線方程為y = kx k要滿(mǎn)足臨界光線要求。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種二維復(fù)合拋物面聚光器，其特征在于V形結(jié)構(gòu)鏡面(4) 為鋸齒形結(jié)構(gòu)鏡面(5)。
專(zhuān)利摘要二維復(fù)合拋物面聚光器涉及一種太陽(yáng)能利用聚光器，特別是一種靜態(tài)非成像聚光器，該聚光器的復(fù)合拋物面聚光鏡的曲線段(2)與復(fù)合拋物面聚光鏡的漸開(kāi)線段鏡面(3)連接，復(fù)合拋物面聚光鏡的漸開(kāi)線段鏡面(3)與新V形結(jié)構(gòu)鏡面(4)連接，集熱管(1)位于由復(fù)合拋物面聚光鏡的曲線段鏡面(2)、復(fù)合拋物面聚光鏡的漸開(kāi)線段鏡面(3)和新V形結(jié)構(gòu)鏡面(4)所形成的半封閉結(jié)構(gòu)中。采用管狀接收器，可以將散熱表面積降到最小。采用的曲線段鏡面，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，并在聚光比、聚光器尺寸上具有優(yōu)勢(shì)。采用的新V形結(jié)構(gòu)，可以將由接受管和鏡面之間的縫隙所造成的光能損失降到最小。
文檔編號(hào)F24J2/00GK201547966SQ200920231848
公開(kāi)日2010年8月11日 申請(qǐng)日期2009年9月7日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月7日
發(fā)明者余雷, 張耀明, 王軍 申請(qǐng)人:東南大學(xué)