一种球面碟式聚光器及其设计方法技术

本发明专利技术公开了一种球面碟式聚光器及其设计方法，包括有反射镜和接收器，所述的反射镜是由多个环形球面镜拼接构成，所述任何一个环形球面镜的横向中间点构成的圆，都在同一个旋转抛物面上，所述的接收器是平板接收器或空腔接收器，安装在所述旋转抛物面焦点上。本发明专利技术提出了使用球面反射镜拼接，作为子镜构成碟式系统反射镜，每个子镜都是球面一部分，通过控制环形球面反射镜宽度，设计合适的球面半径，能较好地消除球差，也不存在慧差和象散，取得很好的聚光效果，不仅提高了系统效率4.25%，而且降低了加工难度和成本。且降低了加工难度和成本。且降低了加工难度和成本。

【技术实现步骤摘要】
一种球面碟式聚光器及其设计方法


[0001]本专利技术涉及聚光太阳能光热利用
，尤其涉及一种碟式聚光器及其设计方法。

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和我们2022年发表在apply Science的优化文章，都使用正方形球面镜，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和慧差等像差，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。专利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。
[0005]使用双镜和多镜构建望远镜是天文学领域常用方法，在太阳能领域，多镜系统复杂，技术实现上也比较困难，不太可行，但目前已有使用双镜方案，例如，潘其坤等发表的《基于卡塞格林结构的高倍太阳能聚光镜》(中国光学，2012，Vol5,No4)设计的双镜系统，接收器使用光伏电池，使用旋转抛物面反射镜作主镜，旋转双曲面作副镜，仅消除球差，理论聚光比仅为550倍，而且加工难度大，实际聚光比为500倍，性能低于传统碟式系统。
[0006]最近我们提出的解决方案之一，如专利2023100678201所述，是使用椭球面镜拼接构成主反射镜，虽然消除了子镜像差，包括球差和象散，保持了性能，加工难度减小，实际性能有所增加，但其加工难度仍然较大，加工精度则比不上球面镜。

技术实现思路

[0007]本专利技术目的就是为了弥补已有技术加工难度大，精度低，从而系统性能低的缺陷，提供一种球面碟式聚光器及其设计方法，本专利技术提出了使用环形球面反射镜拼接构成碟式系统反射镜，通过选择合适的通过宽度和半径，消除像差。
[0008]本专利技术是通过以下技术方案实现的：
[0009]一种球面碟式聚光器，包括反射镜和接收器，所述的反射镜是由多个环形球面镜拼接构成，所述任何一个环形球面镜的横向中间点构成的圆，都在同一个旋转抛物面上，所述的接收器是平板接收器或空腔接收器，安装在所述旋转抛物面焦点上。用环形球面代替对应的环形旋转抛物面，由于使用的环形球面镜通光宽度较小，它们反射的光也有共同的焦点，虽然离整个球面反射镜的焦点有一定的距离，但本身聚焦的光斑半径较小，从而消除了大部分球差。通过调整球面位置和球面半径，让环形球面反射镜焦点也在旋转抛物面焦点上，从而消除球差。
[0010]若所述环形球面镜的横向中间点构成的圆周上任意一点离旋转抛物面主轴距离为d
i
，在旋转抛物面上的边缘角为所述环形球面镜的球面半径为r
i
，则
[0011]聚光太阳能系统优化的目标是获得最多的热能。增加接收器半径，可以提高拦截率，使得吸收器吸收更多能量，但是，接收器工作在高温下，损失的能量与接收器开口面积成正比，从而增加损失的能量。我们的研究表明，当反射光分布在3σ张角范围内的都被拦截，获得能量接近最多。继续增加接收器半径，虽可增加拦截的张角范围，但拦截的能量增加很少，而损失的热能增加得反而更多，从而得不偿失，因此，我们通过研究得出结论之一，就是初步设计，可采用拦截张角小于等于3σ范围反射太阳光，则所述的碟式系统接收器半径r
c
可按下式计算：
[0012][0013]其中σ是反射太阳光强高斯分布方差，R0是碟式聚光太阳能集热系统通光半径，为碟式聚光太阳能集热系统边缘角；反射太阳光强高斯分布方差σ计算式为：
[0014][0015]σ
sun
为太阳光球高斯分布方差，σ
slopex
是反射镜坡度误差分布方差；σ
tracking
是跟踪误差高斯分布方差；σ
disp
是系统安装误差高斯分布方差；σ
specular
是反射镜材料误差高斯分布方差，通常很小，可忽略不计；参考Bendt等发表的槽式系统研究报告《Optical analysis and optimization of line focus solar collectors》提供的实测数据，可取太阳光球分布方差σ
sun
为4.1mrad，σ
slope
是反射镜坡度误差分布方差，使用球面镜时，取1.0mrad；σ
tracking
是跟踪误差高斯分布方差，取1.0mrad；σ
disp
是系统安装误差高斯分布方差，取1mrad；σ
specular
是反射镜材料等误差高斯分布方差，通常很小，可忽略不计；计算得到σ＝4.776mrad。上述结果可作为初步设计值，用于优化。
[0016]所述任意一个环形球面镜通光宽度不应超过按下述方法计算得到的上限：
[0017]若该环形球面镜任意一点到焦点连线与旋转抛物面对称轴夹角最大值为ψ
i
，则横向中间点对应的环上边缘角
[0018][0019]则该环形球面镜通光宽度w的上限按下式计算：
[0020][0021]按照上式设计，就可以消除球面镜带来的像差，从而消除使用球面镜带来的缺点，同时可以利用球面镜容易加工，光学误差小的优点。
[0022]所述环形球面镜是由扇形球面镜拼接构成的，构成同一个环形球面镜的每个扇形球面镜外形和球面半径都相同，从而可以方便地制造。
[0023]所述碟式聚光太阳能集热系统边缘角范围是35
‑
50度，从中选定一个值开始设计计算。通常使用45度作为初始设计值本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种球面碟式聚光器，包括反射镜和接收器，其特征在于：所述的反射镜是由多个环形球面镜拼接构成，所述任何一个环形球面镜的横向中间点构成的圆，都在同一个旋转抛物面上，所述的接收器是平板接收器或空腔接收器，安装在所述旋转抛物面焦点上。2.根据权利要求1所述的一种球面碟式聚光器，其特征在于：若所述环形球面镜的横向中间点构成的圆周上任意一点离旋转抛物面主轴距离为d
i
，在旋转抛物面上的边缘角为所述环形球面镜的球面半径为r
i
，则3.根据权利要求2所述的一种球面碟式聚光器，其特征在于：所述的接收器半径r
c
按下式计算：其中σ是反射太阳光强高斯分布方差，R0是所述碟式聚光太阳能集热系统通光半径，为碟式聚光太阳能集热系统边缘角；反射太阳光强高斯分布方差σ计算式为：σ
sun
为太阳光球高斯分布方差，σ
slopex
是反射镜坡度误差分布方差；σ
tracking
是跟踪误差高斯分布方差；σ
disp
是系统安装误差高斯分布方差；σ
specular
是反射镜材料误差高斯分布方差。4.根据权利要求3所述的一种球面碟式聚光器，其特征在于：所述任意一个环形球面镜通光宽度的上限按如下方法计算：若该环形球面镜任意一点到焦点连线与旋转抛物面对称轴夹角最大值为ψ
i
，则横向中间点对应的环上边缘角则该环形球面镜通光宽度w的上限按下式计算：5.根据权利要求1到4任一...

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