本发明专利技术涉及一种槽式自由曲面太阳能聚光系统，采用光伏/热能联合利用的方法来扩展PTC开口利用面积，从而获取更高的接收能量和转化效率。新的结构模型由传统抛物面槽式聚光器和扩展的自由曲面反射器组成，其中抛物面槽式聚光器搭配管式换热器进行换热，扩展的自由曲面反射器通过几何构造方法产生，并配合倾斜结构的太阳能电池板，以期对光伏侧获得均匀的聚光能流分布。通过位于底座的自由曲面联合聚光系统，将聚光辐射能流传递给设置在垂直于光轴、面向太阳入射方向、同底座聚光系统具有一定距离的热/电联合转换模块，解决了对PTC系统接收面高斯能流分布的高效利用和对太阳能热/电能量转换的灵活调控。量转换的灵活调控。量转换的灵活调控。
【技术实现步骤摘要】
一种槽式自由曲面太阳能聚光系统
[0001]本专利技术属于光电转换
，涉及一种能够实现热/电联合高效利用的聚集光路系统，实现了太阳能高倍聚集能流的高效分配利用与灵活调控，其可应用到可再生能源、太阳能利用及建筑节能等方面。
技术介绍
[0002]太阳能作为最有前途的可再生能源之一，是人类应对能源挑战的重要手段。聚光太阳能技术能够将大量太阳光线汇聚到小面积接收器上，被广泛应用于太阳能高温热转换及太阳能发电。太阳能聚光系统包括太阳能聚光器和太阳跟踪系统。其中，太阳能聚光器是聚光太阳能技术中收集太阳能的关键部件，太阳能聚光器包括点聚焦太阳能聚光器和线聚焦太阳能聚光器。与点聚焦太阳能聚光器类型相比，线聚焦太阳能聚光器，尤其是槽式抛物面聚光器(全称：Parabolic Trough Collector，缩写：PTC)这类的线聚焦聚光器在国际上占据了最大的装机容量。与点聚焦太阳能聚光器相比，虽然PTC的聚光比相对较低，但具有更为简单的制造工艺和更高的性价比。
[0003]为了降低太阳能聚光器的度电成本，获得更高的商业竞争力，当前的PTC有以下两个方面发展趋势：(1)采用非成像光学设计槽式抛物面聚光器以提升PTC的聚光能流密度，使其趋近于理想聚光比；(2)增大槽式抛物面聚光器的开口面积以收集更多能量，这也意味着对跟踪精度、风载荷、镜面质量、系统控制和安装不精确性等因素提出了更加严苛的要求。现有技术中的PTCSpacetube采用的槽式聚光开口宽度尺寸达到了8.2m，边缘角达到82
°
，然而扩大的开口尺寸增加了光学损耗，对容差角度性能提出了更高的要求。在重力和风载荷影响之下，大开口的PTC的应力特性面临巨大的挑战，将显著降低PTC的光学性能。
[0004]此外，由于太阳跟踪系统和太阳能聚光器中的反射镜的积灰老化等现象，与之配合的太阳能聚光器的光学误差随运行时间而增大。随着跟踪误差、反射误差等因素的影响加剧，聚焦光斑在太阳能聚光器中抛物面上的发散程度增加，形成更加明显的高斯分布，即较高聚光比的能量在接收面中心附近，而较低聚光比的能量出现在边缘区域。
技术实现思路
[0005]要解决的技术问题
[0006]在重力和风载荷影响之下，大口径槽式聚光系统(PTC)结构的应力特性面临巨大挑战，将显著降低PTC系统的光学性能。同时由于太阳跟踪系统和反射镜的积灰老化等现象，太阳能聚光系统的光学误差随运行时间而增加。随着跟踪误差、反射误差等因素的影响加剧，聚焦光斑在接收面上的发散程度增加，形成更加明显的高斯分布。
[0007]为了避免现有技术的不足之处，本专利技术提供一种槽式自由曲面太阳能聚光系统，能够扩展聚光系统的开口面积，获取更高的聚光能量和光学效率。
[0008]技术方案
[0009]本申请的实施例提供一种聚槽式自由曲面太阳能聚光系统，其特征在于包括：圆
管换热器、槽形聚光器、固定支架和光伏板。
[0010]所述槽形聚光器包括至少一个自由曲面和槽形抛物面。所述自由曲面位于所述槽形抛物面直线边缘的一侧。
[0011]沿垂直于所述圆管换热器的截面方向，所述圆管换热器位于所述槽形抛物面的焦点上，所述光伏板位于所述槽型抛物面内，所述固定支架位于所述抛物面的顶点。
[0012]可选的，所述自由曲面的个数为两个，所述自由曲面分别位于所述槽形抛物面的直线边缘。
[0013]可选的，所述自由曲面的求解过程如下：
[0014]1)假设第一起点P
s,0
发射的光束用矢量v
s,0
表示，矢量为v
s,0
的光束与自由曲面相交于P0，根据目标矢量和目标点P
t,0
求解交点法向：
[0015][0016]并获得该法线延长线矩阵表示为其中t0表示幅角；
[0017]2)假设第二起点P
s,1
发射的光束的用矢量v
s,1
表示，矢量为v
s,1
的光束投射至目标曲面22，且反射至P
t,1
点，则存在标量λ
s,1
使得光线[P
s,1
,v
s,1
]T
同目标曲面的交点P1用式(1)表示：
[0018]P1＝P
s,1
+λ
s,1
v
s.1
，
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0019]基于此若能获得标量λ
s,1
的值即可确定光线交点P1位置；
[0020]3)为求解标量λ
s,1
，假设微元弧线段为圆弧形状，而根据法向向量n0和n1皆垂直于弧线，因此存在关系式(2)：
[0021][0022]其中，P0为已知量，P1可由下式求得：
[0023]P1＝P
s,1
+λ
s,1
v
s,1
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0024]其中，C0是向量n0和n1的交点，线段是自变量t0的单个函数，可以通过式(5)获得：
[0025][0026]同样，可以用式(6)表示为：
[0027][0028]其中，P1可以通过等式(3)得计算得，表示局部法向矢量，通过式(7)计算：
[0029]n1＝Rot(y,θ1)(
‑
v
s,1
)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(7)
[0030]其中，v
s,0
是已知的发射矢量，θ1为入射/反射矢量平分角，计算θ1如式(8)所示：
[0031][0032]一旦标量λ
s,1
被求解，坐标P1和相应的法向矢量n1可通过公式(4)和公式(7)求解；同理，点P2，P3，P4和局部法向量可求；通过连接这些离散点，可以生成自由曲面的轮廓。
[0033]可选的，所述光伏板以与水平面成倾斜角度对称布置在圆管换热器的周围。
[0034]可选的，所述光伏板的中心法线与光线经过所述槽形聚光器的角平分线互相重合。
[0035]可选的，所述槽形聚光器在所述抛物面的顶点处分为第一部分和第二部分，所述第一部分和所述第二部分间隔之间留有空隙，所述固定支架设置在所述间隙内。
[0036]有益效果
[0037]本专利技术提供的一种槽式自由曲面太阳能聚光系统，采用光伏/热能联合利用的方法来扩展PTC开口利用面积，从而获取更高的接收能量和转化效率。新的结构模型由传统抛物面槽式聚光器和扩展的自由曲面反射器组成，其中抛物面槽式聚光器搭配管式换热器进行换热，扩展的自由曲面反射器通过几何构造方法产生，并配合倾斜结构的太阳能电池板，以期对光伏侧获得均匀的聚光能流分布。通过位于底座的自由曲面联合聚光系统，将聚光辐射能流传递给设置在垂直于光轴、面向太阳入射方向、同底座聚光系统具有一定距离的热/电联合转换模块，解决对PTC系统接收面高斯能流分布的高效本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种槽式自由曲面太阳能聚光系统，其特征在于包括：圆管换热器、槽形聚光器、固定支架和光伏板；所述槽形聚光器包括槽形抛物面和至少一个自由曲面；所述自由曲面位于所述槽形抛物面直线边缘的一侧；沿垂直于所述圆管换热器的截面方向，所述圆管换热器位于所述槽形抛物面的焦点上，所述光伏板位于所述槽型抛物面内，所述固定支架位于所述抛物面的顶点。2.根据权利要求1所述的槽式自由曲面太阳能聚光系统，其特征在于，所述自由曲面的个数为两个，所述自由曲面分别位于所述槽形抛物面的两条直线的边缘。3.根据权利要求2所述的槽式自由曲面太阳能聚光系统，其特征在于，所述自由曲面的求解过程如下：1)假设第一起点P
s,0
发射的光束用矢量v
s,0
表示，矢量为v
s,0
的光束与自由曲面相交于P0，根据目标矢量和目标点P
t,0
求解交点法向：并获得该法线延长线矩阵表示为其中t0表示幅角；2)假设第二起点P
s,1
发射的光束的用矢量v
s,1
表示，矢量为v
s,1
的光束投射至目标曲面22，且反射至P
t,1
点，则存在标量λ
s,1
使得光线[P
s,1
,v
s,1
]
T
同目标曲面的交点P1用式(1)表示：P1＝P
s,1
+λ
s,1
v
s.1
，
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)基于此若能获得标量λ
s,1
【专利技术属性】
技术研发人员：孟宪龙，刘存良，杜昆，刘备，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：
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