一种分段式CPC太阳能聚光器及其设计方法技术

本发明专利技术提供一种分段式CPC太阳能聚光器及其设计方法，复合抛物面反射镜固定在框架内；平板接收面为平板状聚光接收体的吸热面，复合抛物面反射镜对称置于平板接收面的两侧；复合抛物面反射镜由多段子反射镜组成，各子反射镜依次首尾连接，从下往上各子反射镜在平板接收面上产生的焦线由中间向两侧依次均匀排布，各子反射镜的焦线位置不同、焦线相互平行。本发明专利技术将传统的槽式抛物面聚光器型线进行分段设计，使平板接收面上的能流密度呈多焦线均匀分布，有效提高了聚光器平板接收面能流密度分布的均匀性，大幅降低了平板接收面热应力集中，进而有效延长了聚光器的使用寿命。进而有效延长了聚光器的使用寿命。进而有效延长了聚光器的使用寿命。

【技术实现步骤摘要】
一种分段式CPC太阳能聚光器及其设计方法


[0001]本专利技术属于太阳能聚光器领域，具体涉及一种分段式CPC太阳能聚光器及其设计方法。

技术介绍

[0002]太阳能是一种清洁的可再生能源，在国民经济发展和人们日常生活中发挥着越来越重要的作用。照射到地面的太阳光能流密度比较低，约为1kW/m2，限制了太阳能利用的程度和光热/光电转换效率。太阳能聚光器将太阳光汇聚在一起，增强了平板接收面上的太阳能能流密度，为太阳能中高温热利用和聚光光伏发电奠定了基础。
[0003]按照光线传播方式，太阳能聚光器可以为三大类：反射聚光器、折射聚光器、混合聚光器。反射聚光器中塔式、碟式聚光器将入射太阳光汇聚为点状，集中在一个很小范围，大大提高了太阳能能流密度，但需要对太阳运动方位进行二维跟踪，跟踪装置和控制系统成本较高。槽式、复合抛物面反射镜、线性菲涅尔等反射式聚光器，将太阳光汇聚为线形投射到平板接收面上，需要的跟踪精度小，一维跟踪即可。其中，平板型复合抛物面反射镜聚光器(简称CPC)是一种太阳能中温集热装置，该种聚光器根据边缘光线原理设计，可将给定接受角范围内的入射光线反射到接收器上，其接收器为平板型，其聚光器结构简单，对聚光面线型加工精度要求不高。
[0004]目前，CPC已在太阳能中低温场合得到了推广和利用，比如供暖、物料干燥、农业设施保温等。太阳光经过CPC采光面照射到抛物面上，经一次或多次反射汇聚于平板接收面上，光线传递过程损失较少，可对接收角范围内的入射光线进行有效收集。但受限于CPC结构特点，平板接收面上太阳能能流分布极不均匀，呈现两端高、中间低的特点，并且差别极大。这种极不均匀的能流分布使得光热转换过程效率低下，同时造成转换装置温度分布不均，容易产生热应力破坏，这些都影响和限制了CPC聚光器的推广和太阳能的高效利用。

技术实现思路

[0005]传统CPC运行时，平板接收面的能流密度分布不均匀，不仅降低了光热效率，还使得转换装置温差大极易造成热应力破坏，针对该技术问题，本专利技术将CPC型线分段设计，每段型线焦点均匀分布，大幅提高平板接收面太阳能能流分布均匀度，进而为CPC的安全经济运行奠定基础。
[0006]具体的技术方案为：
[0007]一种分段式CPC太阳能聚光器，包括：框架、复合抛物面反射镜、平板接收面、入射面、垫板、玻璃盖板；复合抛物面反射镜固定在框架内；所述平板接收面为平板状聚光接收体的吸热面；复合抛物面反射镜对称置于平板接收面的两侧；复合抛物面反射镜由多段子反射镜组成，各子反射镜依次首尾连接，从下往上各子反射镜在平板接收面上产生的焦线由中间向两侧依次均匀排布，各子反射镜的焦线位置不同、焦线相互平行；
[0008]平板接收面下方设有垫板，框架顶部设有玻璃盖板。
[0009]复合抛物面反射镜的多段子反射镜具体设计方法如下：
[0010]S1、确定分段数量：给定聚光器的聚光比为C，即入射面面积与平板接收面面积的比值为C；当太阳光垂直入射面入射，一部分光直接照射在平板接收面上，另一部分光经复合抛物面反射镜反射后汇聚在平板接收面，进而达到聚光的目的。由于只有经复合抛物面反射镜反射后的光才会在平板接收面形成焦线，因此为了提高平板接收面光线分布的均匀程度，故对复合抛物面反射镜进行分段设计，各侧子反射镜数量为C
‑
1。
[0011]S2、确定焦线排布：每段子反射镜都产生独立的焦线，复合抛物面反射镜左右两侧对称，所以焦线数量为2(C
‑
1)，均匀分布在平板接收面上。单侧各子反射镜依次首尾连接，从下往上各子反射镜在平板接收面上产生的焦线由中间向两侧依次均匀排布。
[0012]S3、各抛物面段型线方程：
[0013]给定分段式聚光器中平板接收面的宽度为2L，复合抛物面反射镜的子反射镜依次首尾相连，初始一段固定在平板接收面侧边处；以平板接收面型线中点为原点建立X
‑
Y二维直角坐标系，X
‑
Y坐标平面垂直于各子反射镜焦线和平板接收面，以X
‑
Y坐标平面和平板接收面交线为X轴，X
‑
Y坐标平面和聚光器对称面交线为Y轴。以平板接收面连接的子反射镜为起始，从下往上依次给子反射镜编上号i，起始段为1号，假设第i个分段子反射镜在X
‑
Y坐标系上型线方程表达式为2P
i
(Y
‑
b
i
)＝(X
‑
a
i
)2，第i个分段子反射镜在X
‑
Y平面上的抛物线型线方程由下式确定：
[0014][0015][0016]2P
i
(y
i
‑
b
i
)＝(xi
‑
ai)2ꢀꢀ
(3)
[0017]第i个分段子反射镜初始点横坐标：
[0018]x
i
＝iL
ꢀꢀ
(4)
[0019]第i+1个分段子反射镜初始点坐标：
[0020]x
i+1
＝(i+1)L＝x
’
i
y
i+1
＝y
’
i
ꢀꢀ
(5)
[0021]第一个分段子反射镜初始点已知：
[0022]x1＝L y1＝0
ꢀꢀ
(6)
[0023]式中：a
i
，b
i
为第i个分段子反射镜在X
‑
Y平面上抛物线方程表达式的顶点参数；
[0024]x
i
，y
i
为第i个分段子反射镜在X
‑
Y平面上抛物线方程表达式的初始点参数；
[0025]x
’
i
，y
’
i
为第i个分段子反射镜在X
‑
Y平面上抛物线方程表达式的终止点参数；也为第i+1个分段子反射镜在X
‑
Y平面上抛物线方程表达式的初始点参数；
[0026]C为分段式抛物线聚光器的聚光比；
[0027]P
i
为第i个分段子反射镜在X
‑
Y平面上抛物线方程表达式的准焦距。
[0028]将式(6)(2)(1)，代入式(3)，可求得第1个分段子反射镜在X
‑
Y平面的抛物线方程。将式(5)代入算求第1段抛物线方程，得出下段子反射镜在X
‑
Y平面抛物线的初始坐标，同理依次迭代可以确定每一个子反射镜在X
‑
Y二维直角坐标系中的抛物线方程表达式，以及所有抛物面在X
‑
Y二维直角坐标系中截线的始末坐标(x
i
，y
i
)(x
’
i
，y
’
i
)，由此确定子反射镜的安装位置。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种分段式CPC太阳能聚光器，其特征在于，包括：框架(2
‑
1)、复合抛物面反射镜(2
‑
2)、平板接收面(2
‑
3)、入射面(2
‑
4)；复合抛物面反射镜(2
‑
2)固定在框架(2
‑
1)内；复合抛物面反射镜(2
‑
2)对称置于平板接收面(2
‑
3)的两侧；所述平板接收面(2
‑
3)为平板状聚光接收体的吸热面；复合抛物面反射镜(2
‑
2)由多段子反射镜组成，各子反射镜依次首尾连接，从下往上各子反射镜在平板接收面(2
‑
3)上产生的焦线由中间向两侧依次均匀排布，各子反射镜的焦线位置不同、焦线相互平行。2.根据权利要求1所述的一种分段式CPC太阳能聚光器，其特征在于，所述的平板接收面(2
‑
3)下方设有垫板(2
‑
5)，框架(2
‑
1)顶部设有玻璃盖板(2
‑
6)。3.根据权利要求1或2所述的一种分段式CPC太阳能聚光器的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、确定分段数量：给定分段式抛物线聚光器比为C，即入射面(2
‑
4)面积与平板接收面(2
‑
3)面积的比值为C；平板接收面(2
‑
3)各侧子反射镜数量为C
‑
1；S2、确定焦线排布：每段子反射镜都产生独立的焦线，复合抛物面反射镜(2
‑
2)左右两侧对称，焦线数量为2(C
‑
1)，均匀分布在平板接收面(2
‑
3)上；单侧各子反射镜依次首尾连接，从下往上各子反射镜在平板接收面(2
‑
3)上产生的焦线由中间向两侧依次均匀排布；S3、各抛物面段型线方程：给定分段式聚光器中平板接收面(2
‑
3)的宽度为2L，复合抛物面反射镜(2
‑
2)的子反射镜依次首尾相连，初始一段固定在平板接收面(2
‑
3)侧边处；以平板接收面(2
‑
3)型线中点为原点建立X
‑
Y二维直角坐标系，X
‑
Y坐标平面垂直于各子反射镜焦线和平板接收面(2
‑
3)，以X
‑
Y坐标平面和平板接收面(2
‑
3)交线为X轴，X
‑
Y坐标平面和聚光器对称面交线为Y轴；以平板接收面(2
‑
3)连接的子反射镜为起始，从下往上依次给子反射镜编上号i，起始...

【专利技术属性】
技术研发人员：王亚辉，史伟，郭枭，胡俊虎，王胜捷，李威，郭建民，
申请(专利权)人：内蒙古工业大学，
类型：发明
国别省市：