一种新型拼接反射面碟式太阳能集热系统及其设计方法技术方案

本发明专利技术公开了一种新型拼接反射面碟式太阳能集热系统及其设计方法，本发明专利技术提出了使用多个椭球面反射镜或轮胎面反射镜拼接，作为子镜构成碟式系统反射镜，每个子镜都是椭球面或轮胎面一部分，可以较好地消除子午和弧矢像差，以及球差，可以取得很好的聚光效果。本发明专利技术使用的空腔接收器吸收率高，光线进入空腔后，基本上都被接收器吸收，使用空腔接收器，可以调整接收器内部接受面结构，保持比较均匀的腔体能流密度分布和温度分布，从而比平板式接收器热损小，热性能稳定，集热效率高。集热效率高。集热效率高。

【技术实现步骤摘要】
一种新型拼接反射面碟式太阳能集热系统及其设计方法


[0001]本专利技术涉及太阳能集热系统
，尤其涉及一种新型拼接反射面碟式太阳能集热系统及其设计方法。

技术介绍

[0002]聚光太阳能热利用是使用聚光技术，将大量低密度太阳能聚焦到较小面积上，形成高密度太阳能，从而可以产生高温热能，用于太阳能热发电，是最有希望取代燃煤电厂的热发电技术。目前的主要聚光太阳能技术有塔式、槽式、线性菲涅耳和碟式聚光太阳能技术。
[0003]通常碟式太阳能聚光技术使用旋转抛物面反射镜作为主镜，使用双向跟踪设备，让入射太阳光总是以0度左右入射角入射到碟式反射镜上，由碟式反射镜将太阳光聚焦到焦点上，使用接收器或直接加热工质，驱动安装在焦点上的发动机发电。这种方法的余弦因子最大，效率最高，是最有发展前景的聚光太阳能技术之一。
[0004]但是，通常碟式系统使用旋转抛物面反射镜作主镜，旋转抛物面加工难度大，成本高，误差大，导致系统性能下降。最简单的解决办法是使用小面积平面镜拼接构成碟式系统反射镜，如中科大王云峰的博士论文研究了这种系统性能，但聚光倍数大幅度下降，性能比旋转抛物面碟式系统差很多。其次是使用多个球面镜拼接构成反射镜，模拟旋转抛物面反射镜，如专利CN201220201616.1使用正方形球面镜，拼接组成反射镜，可以降低反射镜加工难度和成本，文献中还有用正六边形以及正三角形球面镜，但它们都引入了球面像差，包括球差，子午和弧矢面像差，仍然明显降低了系统性能。第3种解决方法是使用球面镜做主镜，在天文望远镜领域，已经成为很多巨型望远镜的主要选择方案之一，可以大幅度降低主镜加工难度和加工成本，但往往需要使用多个次镜来修正球差，使得系统结构很复杂，制造难度和成本增加，很难应用到太阳能领域。CN200610041392.1则使用球面镜代替旋转抛物面，不加像差修正，使用管式接收器，长度等于球面半径一半，也就是球面镜焦距，聚光倍数和性能都大幅度下降。CN201610278112.2和CN201610278111.8则使用多个非球面反射镜构建离轴碟式系统，反而加工难度和成本都增加。

技术实现思路

[0005]本专利技术目的就是为了弥补已有技术的缺陷，提供一种新型拼接反射面碟式太阳能集热系统及其设计方法。本专利技术提出了使用多个椭球面反射镜或轮胎面反射镜拼接，作为子镜构成碟式系统反射镜，每个子镜都是椭球面或轮胎面一部分，提出可以较好地消除子午和弧矢像差，以及球差的方法，就可以取得很好的聚光效果。
[0006]本专利技术是通过以下技术方案实现的：
[0007]一种新型拼接反射面碟式太阳能集热系统，包括反射镜组和接收器，所述反射镜组是由多个椭球面反射镜或轮胎面反射镜拼接而成的，所有椭球面反射镜或轮胎面反射镜中心都在同一个旋转抛物面上，每个椭球面反射镜或轮胎面反射镜中心法向量都和安装位
置的抛物面法向量一致；所述的接收器安装在旋转抛物面焦点上。
[0008]所述的椭球面反射镜的子午面焦距fx和弧矢面焦距fy，按下式确定：
[0009][0010][0011]是子镜中心所在位置的边缘角，f为蝶式太阳能集热系统焦距；则椭球面三个轴长度符合以下要求，其中z轴半轴长度c取值范围为2—10*fx，子午面短半轴长度a和弧矢面短半轴长度b，按下式计算：
[0012][0013][0014]所述轮胎面反射镜曲面方程为：
[0015][0016]其中x,y和z是曲面上任意一点的三维坐标，Rx和Ry是曲面方程参数，分别按下式计算：
[0017][0018][0019]所述的椭球面反射镜或轮胎面反射镜，其外形是长方形或正方形或六边形或扇环；最大宽度和最大长度d均应满足：
[0020][0021]其中σ是反射光线高斯分布方差，是碟式太阳能集热系统边缘角。其中实用扇环，可以减少反射镜子镜种类，制造安装成本较低。
[0022]所述接收器采用空腔接收器或平板接收器，接收器半径R由下式决定：
[0023][0024]W为碟式太阳能集热系统半径。
[0025]所述的碟式太阳能集热系统边缘角范围为40—50度。
[0026]所述的接收器上方安装圆台型聚光反射镜，所述圆台型聚光反射镜是圆台侧面形状的反射镜，直径较大的圆台入口安装到碟式太阳能集热系统的焦平面上，所述的接收器安装到圆台型聚光反射镜的出口上；反射面与垂直方向夹角θ范围为2
‑
10度，圆台型聚光反射镜的入口半径等于没有安装圆台型聚光反射镜情况下的碟式太阳能集热系统的接收器
半径，圆台型聚光反射镜的出口半径R
′
则与增加圆台型聚光反射镜后的接收器半宽相等，按下式计算：
[0027][0028]所述接收器使用空腔接收器时，在空腔接收器开口处安装球缺面透明玻璃盖板，凹面置于空腔接收器内部。
[0029]一种新型拼接反射面碟式太阳能集热系统的设计方法，具体包括以下步骤：
[0030]第一步，确定碟式太阳能集热系统半径W；
[0031]第二步，确定碟式太阳能集热系统边缘角
[0032]第三步，根据半径W和边缘角计算碟式太阳能集热系统焦距f，计算式为：
[0033][0034]第四步；确定每个反射镜曲面形状和参数，如果使用椭球面反射镜，所述椭球面反射镜的子午面焦距fx和弧矢面焦距fy，按下式确定：
[0035][0036][0037]是子镜中心所在位置的边缘角；则椭球面z轴半轴长度c取值范围为2—10*fx，子午面短半轴长度a和弧矢面短半轴长度b，按下式计算：
[0038][0039][0040]如果使用轮胎面反射镜，所述轮胎面反射镜曲面方程为：
[0041][0042]其中x,y和z是曲面上任意一点的三维坐标，Rx和Ry是曲面方程参数，分别按下式计算
[0043][0044]第五步，确定每个椭球面反射镜最大宽度或长度，用d表示，按下式确定；
[0045][0046]σ是反射太阳光线高斯分布方差；
[0047]第六步，确定接收器半宽R，计算式为：
[0048][0049]所述的接收器上方安装圆台型聚光反射镜，圆台型聚光反射镜的出口半径R
′
按下式计算：
[0050][0051]所述的接收器使用空腔接收器，在空腔接收器开口处安装球缺面透明玻璃盖板，球缺面透明玻璃盖板的球缺面开口半径等于接收器半径。
[0052]本专利技术的优点是：本专利技术提出了使用多个椭球面反射镜或轮胎面反射镜拼接，作为子镜构成碟式系统反射镜，每个子镜都是椭球面或轮胎面一部分，可以较好地消除子午和弧矢像差，以及球差，可以取得很好的聚光效果。
[0053]本专利技术使用的空腔接收器吸收率高，光线进入空腔后，基本上都被接收器吸收，使用空腔接收器，可以调整接收器内部接受面结构，保持比较均匀的腔体能流密度分布和温度分布，从而比平板式接收器热损小，热性能稳定，集热效率高。
附图说明
[0054]图1为椭球面拼接碟式系本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种新型拼接反射面碟式太阳能集热系统，包括反射镜组和接收器，其特征在于：所述反射镜组是由多个椭球面反射镜或轮胎面反射镜拼接而成的，所有椭球面反射镜或轮胎面反射镜中心都在同一个旋转抛物面上，每个椭球面反射镜或轮胎面反射镜中心法向量都和安装位置的抛物面法向量一致；所述的接收器安装在旋转抛物面焦点上。2.根据权利要求1所述的一种新型拼接反射面碟式太阳能集热系统，其特征在于，所述的椭球面反射镜的子午面焦距fx和弧矢面焦距fy，按下式确定：的椭球面反射镜的子午面焦距fx和弧矢面焦距fy，按下式确定：的椭球面反射镜的子午面焦距fx和弧矢面焦距fy，按下式确定：是子镜中心所在位置的边缘角，f为蝶式太阳能集热系统焦距；则椭球面三个轴长度符合以下要求，其中z轴半轴长度c取值范围为2—10*fx，子午面短半轴长度a和弧矢面短半轴长度b，按下式计算：轴长度b，按下式计算：所述轮胎面反射镜曲面方程为：其中x,y和z是曲面上任意一点的三维坐标，Rx和Ry是曲面方程参数，分别按下式计算：其中x,y和z是曲面上任意一点的三维坐标，Rx和Ry是曲面方程参数，分别按下式计算：3.根据权利要求1或2所述的一种新型拼接反射面碟式太阳能集热系统，其特征在于，所述的椭球面反射镜或轮胎面反射镜，其外形是长方形或正方形或六边形或扇环；最大宽度和最大长度d均满足：其中σ是反射光线高斯分布方差，是碟式太阳能集热系统边缘角。4.根据权利要求3所述的一种新型拼接反射面碟式太阳能集热系统，其特征在于，所述接收器采用空腔接收器或平板接收器，接收器半径R由下式决定：W为碟式太阳能集热系统半径。5.根据权利要求4所述的一种新型拼接反射面碟式太阳能集热系统，其特征在于，所述
的碟式太阳能集热系统边缘角范围为40—50度。6.根据权利要求5所述的一种新型拼接反射面碟式太阳能集热系统，其特征在于，所述的接收器上方安装圆台型聚光反射镜，所述圆台型聚光反射镜是圆台侧面形状的反射镜，直径较大的圆台入口安装到碟式太阳能集热系统的焦平面上，所述的接收器安装到圆台型聚光反射镜的出口上；反射面与...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄卫东，
申请(专利权)人：中国科学技术大学，
类型：发明
国别省市：