一种太阳能内置式反射板及其设计方法
【专利摘要】本发明提供了一种太阳能内置式反射板及其设计方法。解决了现有反光板聚光率低、加工难、精度低，易损伤吸热部件等问题。本发明中吸热管的截面为圆形，该圆形具有竖直中心线与水平中心线，反射板的断面形状沿竖直中心线成对称分布，反射板断面形状的半部对称结构为弧形曲线段，弧形曲线段包括若干段相衔接的圆弧线，左右对称的两半弧形曲线段之间通过连接段衔接，弧形曲线段的外端起始点不高于水平中心线的位置，连接段与吸热管圆形截面之间留设间隙。其设计方法包括：作出第一圆弧；作出第二圆弧；沿竖直中心线镜像；连接段衔接两侧弧形曲线段。本发明减省材料，提升聚光率与反射率；增加板强度，提高加工精度，降低加工难度，保护吸热部件。
【专利说明】一种太阳能内置式反射板及其设计方法
【技术领域】
[0001]本发明属于太阳能利用【技术领域】，涉及一种对太阳光进行聚光、反光的设备，特别是一种太阳能内置式反射板及其设计方法。
【背景技术】
[0002]目前，中国光能产热发展极快，特别是其核心的太阳能真空集热管生产技术已经非常成熟，已经达到年产过亿支的规模，年新增集热面积达到千万平方米以上，而真空集热管的保有量更是达到近3亿平方米。
[0003]目前太阳能光热所用的核心集热部件基本为同轴式的全玻璃太阳能真空集热管。这种集热元件有内外两根同轴分布的玻璃管连接而成，内管外边独有吸热膜层，内管和外管之间设有真空夹层。该种全玻璃真空集热管加工方法较为简便，集热性能好。但其缺点也非常明显，如其适合应用于如太阳能热水器低温热利用领域，且其存在有内管盛水多，冗余热量较多，从而导致热水器可用的热量减少。
[0004]伴随这个太阳能热利用行业向中高温领域扩展，平铺型的全玻璃式同轴真空集热管无法适应中高温集热范围要求。新型的带有反射聚光装置的太阳能真空集热管不断出现，为中高温热利用的发展带来了契机。
[0005]目前出现较多的反射板可以分为内置式和外置式两种，其中以外置式的反光板最为广泛。
[0006]外反射中最简单的为漫反射的压花铝板，其表面有各种凸起，将该反射板设置在吸热体的后方，太阳能光线除了正面直接照射在吸热体上半部分外，从安装空隙漏过的太阳能光线被漫反射板反射到吸热体下半阴影部分，从而实际上提高了采光面积，进而提高太阳能实际利用率。但该种方式中漫反射板的作用有限，且实际使用中的风阻极大，特别是对中高温热利用的实际意义不明显。
[0007]聚光型，特别是高倍聚焦型外反射板，目前均以抛物线或者圆渐开线为主。低倍聚光条件下，以复合抛物面(CPC)型反光板较为典型，如专利CN01246339.6中公布所示，该种反射板为两条对称分布的抛物线的复合融合而成。抛物线有焦点位置，因此从理论上，其在不跟踪太阳位置的情况下，就能够较好的实现光线的汇集，从而达到相同吸热体面积的情况下，吸收更大采光面积的太阳辐射能量，从而使吸热体温度更高，传热效率好，使用温度范围更快的优点。但CPC反光板对镜面材质、加工成型精度要求很高，其使用的成本也较高。特别是外置CPC反光板在中国的实际环境中使用，环境中的尘土、浮灰等易使外置反光板蒙灰，清洗困难，导致其集热效果大幅度下降，影响了该产品的推广。
[0008]对于中温热利用情况下，低倍聚焦型反射板的意义更大。因此有研究人员开发了内置于真空夹层中的内置式反光板。内置式的反光板极大的缓解了环境尘土对反射板表面的影响，从而保证了反光板的使用寿命和效果。
[0009]目前使用内置式反光板有CPC、圆渐开线等几种，专利CN201320717269.2，CN201110252593.7等均提到了使用抛物面或者复合抛物的反射板。由于抛物面式反光板加工难度较大，而且装配过程中难免会导致基材的变形，从而失去精度，故其实际应用困难极大。专利 CN200720000692.5，CN201020124610.X，CN201110044226.8 等均公开了圆渐开线式的反光板，将抛物面分解为很多个圆弧组成的渐开线，其反应了加工过程的实际情况，但并没有实际降低加工难度。
[0010]对此，专利CN201310144002.3中提到使用圆弧、抛物线、圆渐开线以及它们之间的组合构成的聚焦板。这其中圆弧的加工难度和精度要求最低，实际应用的可操作性最强。专利CN201320879630.1提到了一种平板集热器的聚焦式板芯，其中使用了两端圆弧组成的反光板。该种反光板较好的解决了加工精度的问题。但是却未考虑实际应用中，圆弧交汇处的尖角过高，和集热体直接接触，集热形成的热量大量向反光板传递，不仅造成热量的流失，而且会导致反光板温度升高，进而容易翘曲变形，特别是装配过程中的扭动，极容易擦伤、损坏吸热体膜层，降低实用效果。
【发明内容】
[0011]本发明的目的是针对现有的技术存在上述问题，提出了一种设计多段圆弧组合衔接，且在对称结构之间过渡连接，以提升太阳能利用率，保证加工精度，保护吸热部件的太阳能内置式反射板及其设计方法。
[0012]本发明的目的可通过下列技术方案来实现:一种太阳能内置式反射板，设置于吸热管的下方，所述吸热管的截面为圆形，该圆形具有竖直中心线与水平中心线，反射板的断面形状沿竖直中心线成对称分布，其特征在于，反射板断面形状的半部对称结构为弧形曲线段，所述弧形曲线段包括若干段相衔接的圆弧线，左右对称的两半弧形曲线段之间通过连接段衔接，所述弧形曲线段的外端起始点不高于水平中心线的位置，所述连接段与吸热管圆形截面之间留设间隙。
[0013]本太阳能内置式反射板中，吸热管与反射板两者相平行设置，故在任意垂直的截面中两者的截面形状与位置关系均相同。连接段相当于给反射板增加了两道加强筋，从而在节省材料的同时，能够更大程度的增强反射板的强度，以保证反射板不易变形，更适合实际使用。连接段能够充分保证两侧的弧形曲线段在加工过程中的精度控制，特别是两侧弧形曲线段在中间轴线处的交汇部分。由于板体存在实际厚度，其交汇区域极为尖锐，会在交汇区域不可避免的发生不可控制的形变，从而影响交汇区域的加工精度。设置连接段后，交汇处变为较大的规则区域，其过渡变化平缓柔和，从而保证了加工精度，降低了加工难度，提高了反射板的实际应用价值。
[0014]在上述的太阳能内置式反射板中，所述弧形曲线段的外端起始点与水平中心线交于A点，所述吸热管圆形截面的切线一端与水平中心线交于A点，另一端与竖直中心线交于G点，所述连接段与竖直中心线的交点不低于G点位置。因连接段可为多种形状，故其中点为连接段所在平面或曲面的代表点，而G点为连接段所在平面或曲面高度位置的参考点。
[0015]在上述的太阳能内置式反射板中，所述连接段沿竖直中心线成对称分布，且连接段与竖直中心线的交点为连接段中点，该连接段中点与上述G点相重合。
[0016]在上述的太阳能内置式反射板中，所述连接段与吸热管圆形截面之间的间隙范围是0.05mm至0.1mm。该间隙较小，从而保证了光线不会通过间隙穿出。再者间隙能够保证吸热管的膜层在装配、运输和使用过程中不被反射板划伤、损坏，其次在使用过程中，吸热管的热量基本不会热传导给反射板，从而延长了反射板的使用寿命，提高了吸热管的热利用效率。
[0017]在上述的太阳能内置式反射板中，所述连接段为平直线段、弧线段、波浪段或折线段。优选平直线段或弧线段的连接方式。
[0018]在上述的太阳能内置式反射板中，所述弧形曲线段包括数量不超过5个的圆弧线。优先选择2个圆弧组合，一方面能保证优良的集热效果基础；另一方面能够尽可能的降低加工精度要求，从而降低加工难度。
[0019]在上述的太阳能内置式反射板中，所述反射板为金属板或者塑料板，金属板或者塑料板的表面覆盖镀膜层，所述镀膜层为玻璃表膜层、镜面铝表膜层或镜面不锈钢表膜层。优先选择镜面铝表膜层或镜面不锈钢表膜层。
[0020]一种太阳能内置式反射板的设计方法，包括以下设计步骤:
[0021]I)、绘制出吸热管截面的圆形，通过圆形的圆心O分别作出竖直中心线与水平中心线；
[0022]2)、制定反射板的投影宽度L，以圆心O为起点，测量一侧水平中心线OA长度为二分之一投影宽度L，且OA线与圆形交于D点；
[0023]3)、过A点作圆形的上切线AC，过D点作圆形的竖直切线，上切线AC与竖直切线相交于B点，连接圆心O与B点形成OB线，OB线与圆形交于01点，以01点为圆心，OlA长度为半径作第一圆弧，第一圆弧的起始点为A点，向下弧线延伸与竖直切线相交于F点；
[0024]4)、过A点作圆形的下切线AE，下切线AE与竖直中心线相交于G点，以水平中心线作为对称线，作出01点的对称点02，以02点为圆心，02F长度为半径作第二圆弧，第二圆弧的起始点为F点，向上弧线延伸与下切线AE相交于H点；
[0025]5)、以竖直中心线作为对称线，作出弧形曲线段AFH的对称弧形曲线段AlFlHl ；
[0026]6)、使用连接段衔接H点与Hl点，连接段沿竖直中心线对称分布，且连接线与竖直中心线的交点通过G点或位于G点之上。
[0027]本太阳能内置式反射板的设计方法，设计出吸热管与反射板在同一垂直横截面内所表现的断面结构，及其装配位置关系。进一步通过一致的断面结构，制作整体长条状的反射板板体，且根据吸热管的实际长度，设置反射板的相应长度。反射板的宽度以及其上的弧形曲线凹槽利于在反射材料最减省的情况下，提升至最大程度的阳光汇聚效果和反射效果O
[0028]在上述的太阳能内置式反射板的设计方法中，所述连接段为弧线段，且连接线与竖直中心线的交点通过G点。
[0029]与现有技术相比，本太阳能内置式反射板及其设计方法具有左右对称的弧形曲线段，弧形曲线段设定有合理的投影宽度及圆弧组合，由此既减省反射材料，又提升聚光率与反射率，避免光能浪费；两侧弧形曲线段之间设置连接段实现了平缓的过渡衔接，由此优化了合理结构，增加板体强度，提高加工精度，降低加工难度，保护了吸热部件，延长整体设备的使用寿命。
【专利附图】
【附图说明】
[0030]图1是本太阳能内置式反射板的断面结构示意图。
[0031]图2是本太阳能内置式反射板的设计方法的原理示意图。
[0032]图中，1、圆形截面；2、弧形曲线段；2a、第一圆弧；2b、第二圆弧；3、连接段。
【具体实施方式】
[0033]以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。
[0034]如图1所示，本太阳能内置式反射板设置于吸热管的下方，吸热管的截面为圆形，该圆形具有竖直中心线与水平中心线，反射板的断面形状沿竖直中心线成对称分布。吸热管与反射板两者相平行设置，故在任意垂直的截面中两者的截面形状与位置关系均相同。
[0035]反射板断面形状的半部对称结构为弧形曲线段2。该弧形曲线段2包括若干段相衔接的圆弧线，具体包括数量不超过5个的圆弧线。优先选择2个圆弧组合，一方面能保证优良的集热效果基础；另一方面能够尽可能的降低加工精度要求，从而降低加工难度。
[0036]左右对称的两半弧形曲线段2之间通过连接段3衔接，连接段3为平直线段、弧线段、波浪段或折线段。优选平直线段或弧线段的连接方式。
[0037]弧形曲线段2的外端起始点与水平中心线交于A点，吸热管圆形截面I的切线一端与水平中心线交于A点，另一端与竖直中心线交于G点。连接段3沿竖直中心线成对称分布，且连接段3与竖直中心线的交点为连接段3中点，该连接段3中点与上述G点相重合。因连接段3可为多种形状，故其中点为连接段3所在平面或曲面的代表点，而G点为连接段3所在平面或曲面高度位置的参考点。
[0038]连接段3与吸热管圆形截面I之间留设间隙，该间隙的范围是0.05mm至0.1mm。该间隙较小，从而保证了光线不会通过间隙穿出。再者间隙能够保证吸热管的膜层在装配、运输和使用过程中不被反射板划伤、损坏，其次在使用过程中，吸热管的热量基本不会热传导给反射板，从而延长了反射板的使用寿命，提高了吸热管的热利用效率。
[0039]连接段3相当于给反射板增加了两道加强筋，从而在节省材料的同时，能够更大程度的增强反射板的强度，以保证反射板不易变形，更适合实际使用。连接段3能够充分保证两侧的弧形曲线段2在加工过程中的精度控制，特别是两侧弧形曲线段2在中间轴线处的交汇部分。由于板体存在实际厚度，其交汇区域极为尖锐，会在交汇区域不可避免的发生不可控制的形变，从而影响交汇区域的加工精度。设置连接段3后，交汇处变为较大的规则区域，其过渡变化平缓柔和，从而保证了加工精度，降低了加工难度，提高了反射板的实际应用价值。
[0040]反射板为金属板或者塑料板，金属板或者塑料板的表面覆盖镀膜层，该镀膜层为玻璃表膜层、镜面铝表膜层或镜面不锈钢表膜层。优先选择镜面铝表膜层或镜面不锈钢表膜层。
[0041]如图2所示，本太阳能内置式反射板的设计方法包括以下设计步骤:
[0042]I)、绘制出吸热管截面的圆形，通过圆形的圆心O分别作出竖直中心线与水平中心线；
[0043]2)、制定反射板的投影宽度L，以圆心O为起点，测量一侧水平中心线OA长度为二分之一投影宽度L，且OA线与圆形交于D点；
[0044]3)、过A点作圆形的上切线AC，过D点作圆形的竖直切线，上切线AC与竖直切线相交于B点，连接圆心O与B点形成OB线，OB线与圆形交于01点，以01点为圆心，OlA长度为半径作第一圆弧2a，第一圆弧2a的起始点为A点，向下弧线延伸与竖直切线相交于F
占.
[0045]4)、过A点作圆形的下切线AE，下切线AE与竖直中心线相交于G点，以水平中心线作为对称线，作出01点的对称点02，以02点为圆心，02F长度为半径作第二圆弧2b，第二圆弧2b的起始点为F点，向上弧线延伸与下切线AE相交于H点；
[0046]5)、以竖直中心线作为对称线，作出弧形曲线段AFH的对称弧形曲线段AlFlHl ；
[0047]6)、使用连接段3衔接H点与Hl点，该连接段3为弧线段，连接段3沿竖直中心线对称分布，且连接线与竖直中心线的交点通过G点。
[0048]本太阳能内置式反射板的设计方法，设计出吸热管与反射板在同一垂直横截面内所表现的断面结构，及其装配位置关系。进一步通过一致的断面结构，制作整体长条状的反射板板体，且根据吸热管的实际长度，设置反射板的相应长度。反射板的宽度以及其上的弧形曲线凹槽利于在反射材料最减省的情况下，提升至最大程度的阳光汇聚效果和反射效果O
[0049]本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属【技术领域】的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
[0050]尽管本文较多地使用了圆形截面I ;弧形曲线段2 ;第一圆弧2a ;第二圆弧2b ;连接段3等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。
【权利要求】
1.一种太阳能内置式反射板，设置于吸热管的下方，所述吸热管的截面为圆形，该圆形具有竖直中心线与水平中心线，反射板的断面形状沿竖直中心线成对称分布，其特征在于，反射板断面形状的半部对称结构为弧形曲线段，所述弧形曲线段包括若干段相衔接的圆弧线，左右对称的两半弧形曲线段之间通过连接段衔接，所述弧形曲线段的外端起始点不高于水平中心线的位置，所述连接段与吸热管圆形截面之间留设间隙。
2.根据权利要求1所述的太阳能内置式反射板，其特征在于，所述弧形曲线段的外端起始点与水平中心线交于A点，所述吸热管圆形截面的切线一端与水平中心线交于A点，另一端与竖直中心线交于G点，所述连接段与竖直中心线的交点不低于G点位置。
3.根据权利要求2所述的太阳能内置式反射板，其特征在于，所述连接段沿竖直中心线成对称分布，且连接段与竖直中心线的交点为连接段中点，该连接段中点与上述G点相重合。
4.根据权利要求1所述的太阳能内置式反射板，其特征在于，所述连接段与吸热管圆形截面之间的间隙范围是0.05mm至0.1mm。
5.根据权利要求1所述的太阳能内置式反射板，其特征在于，所述连接段为平直线段、弧线段、波浪段或折线段。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的太阳能内置式反射板，其特征在于，所述弧形曲线段包括数量不超过5个的圆弧线。
7.根据权利要求1至5中任一项所述的太阳能内置式反射板，其特征在于，所述反射板为塑料板，且塑料板的表面覆盖镀膜层，所述镀膜层为玻璃表膜层、镜面铝表膜层或镜面不锈钢表膜层。
8.根据权利要求1所述太阳能内置式反射板的设计方法，其特征在于，包括以下设计步骤: 1)、绘制出吸热管截面的圆形，通过圆形的圆心O分别作出竖直中心线与水平中心线； 2)、制定反射板的投影宽度L，以圆心O为起点，测量一侧水平中心线OA长度为二分之一投影宽度L，且OA线与圆形交于D点； 3)、过A点作圆形的上切线AC，过D点作圆形的竖直切线，上切线AC与竖直切线相交于B点，连接圆心O与B点形成OB线，OB线与圆形交于01点，以01点为圆心，OlA长度为半径作第一圆弧，第一圆弧的起始点为A点，向下弧线延伸与竖直切线相交于F点； 4)、过A点作圆形的下切线AE，下切线AE与竖直中心线相交于G点，以水平中心线作为对称线，作出01点的对称点02，以02点为圆心，02F长度为半径作第二圆弧，第二圆弧的起始点为F点，向上弧线延伸与下切线AE相交于H点； 5)、以竖直中心线作为对称线，作出弧形曲线段AFH的对称弧形曲线段AlFlHl； 6)、使用连接段衔接H点与Hl点，连接段沿竖直中心线对称分布，且连接线与竖直中心线的交点通过G点或位于G点之上。
9.根据权利要求8所述太阳能内置式反射板的设计方法，其特征在于，所述连接段为弧线段，且连接线与竖直中心线的交点通过G点。
【文档编号】F24J2/10GK104236123SQ201410496148
【公开日】2014年12月24日 申请日期:2014年9月25日 优先权日:2014年9月25日
【发明者】王国伟, 李辉忠, 朱文豪, 刘本栋, 周华飞 申请人:海宁微动光能科技有限公司