一种高增益太阳能复合平面聚光器的制作方法

本实用新型涉及一种太阳能聚光器，特别涉及一种高增益太阳能复合平面聚光器，属于太阳能的热利用技术领域。

背景技术：

太阳能热利用是日常生活中最常见的方式。虽然太阳辐射的总能量很大，但太阳能通量密度很低，要想利用太阳能产生高温热，往往需要对太阳光进行会聚。目前技术比较成熟的有槽式聚光系统、碟式聚光系统和塔式聚光系统、菲涅尔式聚光系统，这些聚光器结构复杂、必须连续跟踪太阳光、安装和拆卸极其不方便、系统成本较高，难以被普通的工业企业所接受。然而，到了20世纪70年代，复合抛物聚光器（CPC）开始进入到太阳能的聚光领域，被广泛应用。

CPC的几何聚光比Cg=1/sinθ，其中θ（θ＞0）为CPC的接收半角。由此式可看出，增大接收半角虽然会延长CPC的聚光工作时间，但导致了CPC聚光比减小，难以获得能流密度较高的太阳辐射能；反之减小接收半角虽然增大了CPC聚光比，但会缩短CPC的聚光工作时间，致使CPC不能长时间有效工作。因此传统CPC不能在增大接收半角的同时，又提高聚光比。

此外，加工CPC的抛物反光柱面具有一定的难度，制造过程复杂且精度低；CPC即便无需连续光跟踪装置，也需要间歇性或季节性的去调整聚光器与地面的倾角来获取更多的太阳能，且倾角随着摆放地理位置的纬度变化而变化，这样降低了系统稳定性，还增大了耗材量，进而增加成本。

技术实现要素：

本实用新型旨在克服现有技术存在的不足，提供一种高增益太阳能复合平面聚光器，无需光跟踪装置就能接受大范围的太阳能，适合于以圆柱形为吸收体的真空太阳能集热管，输出中低温热能，还可以通过串并联的方式组成大型中低温太阳能集热阵列。

本实用新型采用的技术方案是：

一种高增益太阳能复合平面聚光器，包括反光部件、圆形集热体3和基座7；

反光部件包括左右两部分，两部分各包括一个渐开线部分5和一个抛物线部分1，渐开线部分5与抛物线部分1通过连接点4连接；左右两部分的渐开线部分5通过共同的端点6连接；左右两部分以采光口的法线方向为对称轴对称；

反光部件根据现有的CPC结构改进得到，在现有CPC结构的基础上，将渐开线部分5和抛物线部分1均改为由两块以上的平面反光板依次连接组成；组成渐开线部分5的平面反光板具有相同的逃逸半角，且平面反光板间的连接点均位于CPC轮廓线2的渐开线上；组成抛物线部分1的平面反光板具有相同的接收半角，且平面反光板间的连接点均位于CPC轮廓线2的抛物线上；

反光部件安装在基座7上，圆形集热体3安装在采光口的法线方向上，与渐开线部分的端点6之间留有一定的间隙（间隙以5-8mm为宜），虽然有少部分光线穿过此间隙而逃离圆形集热体3，但可以避免圆形集热体3与反光部件接触而产生的应力致使平面反光板发生形变而影响光学效率；

采光口宽度大于具有相同半径的圆形集热体的现有CPC的采光口宽度；

安装时，所述高增益太阳能复合平面聚光器采光口朝向正南方，其采光口的法线方向与水平地面形成倾角β，β为35°-55°，β的具体数值可根据使用地纬度以及年采光量进行调整以达到接收太阳辐射能最优的角度，也可以以使用地的太阳能集热器安装倾角作为该聚光器的倾角β。

优选地，平面反光板可采用镜面不锈钢材质或贴有高反射率的玻璃镜面制造。

优选地，基座7应具有可靠的稳固性以及方便调整倾角的功能，如在基座底部设有可调节的旋钮。

工作过程：安装时，将所述高增益太阳能复合平面聚光器的采光口朝正南方向放置，调整其采光面法线方向与水平地面形成倾角β。进入到采光口的光线，一部分直接到达圆形集热体3，一部分经反光部件反射后到达圆形集热体3（如图4所示），少部分穿过间隙而逃离圆形集热体3；虽然太阳高度角α在不断变化，但由于该聚光器接收光线入射角范围宽，可以使进入到采光口的绝大部分太阳辐射能直接或被反射到圆形集热体3而被吸收利用，且直接入射到渐开线部分的光线经反射后都能到达圆形集热体3，如图4所示。

原理：本实用新型采用等逃逸半角原理设计渐开线部分（由于CPC的下部会受到集热体及其它面型的遮挡），采用等接收半角原理设计抛物线部分。

等逃逸半角原理：如图2所示，在渐开线部分5上取点B和A构成三维复合平面反光板，设点C、B、A分别为CB、BA、AD段的上端点，当太阳光线到达CB、BA、AD段表面时，太阳光线将分别会以CB、BA、AD的垂线n1、n2、n3作为法线反射。当太阳光线照射到CB段的顶点C时，反射光线CE恰好相切圆形集热体于点E，对于B和A点同样分别有反射光线BF和AG相切圆形集热体于点F、G。当点B和A所构成的三维复合平面反光板块组，其面形CB、BA、AD段上顶点C、B、A满足特征入射光线反射所对应的反射光线CE、BF、AG与法线n1、n2、n3构成的γ1、γ2、γ3数值相等，基于这样的设计原则可以得到更多维数的渐开线型复合平面反光板块组。从图2可以看出，对于C点，若入射光线与反射光线构成的角小于γ1，则反射光线不能到达圆形集热体且从其光口逃逸，反之则能到达圆形集热体，A和B点也有类似的情况。

等接收半角的原理与等逃逸半角的原理类似，如图3所示，在抛物线部分1上取点H、I、J构成三维复合平面反光板，点H、I、J分别为HI、IJ的上端点，太阳光线照射点到H、I分别以n4、n5作为法线反射，与圆形集热体各相切于点L、K，其中θ1、θ2数值相等，因此可称HI、IJ具有相同的接收半角θ。

等接收半角原理与等逃逸半角原理不同之处在于：当复合平面反光板的维数趋于无穷大时，共同的逃逸半角数值近似等于零，而共同的接收半角数值近似等于原CPC的接收半角。

等接收半角与等逃逸半角的设计均可采用编程计算或迭代的方式找出各平面反光板共同的接收半角（θ）或共同的逃逸半角（γ）以及各个平面的连接点。

本实用新型与现有技术相比，其有益效果是：

1、具有较大的采光角度以及较小的聚光面积，聚光比理论上有所增大（聚光比可定义为聚光器有效采光口的宽度与圆形集热体周长的比值），且传统CPC只能接收2θ范围内的光线，而该聚光器理论上可以接收4θ范围内的光线，达到了聚光比和接收角度同步提高的高增益效果；

2、无需光跟踪装置就能接收大范围的太阳能，且圆形集热体接收到的太阳辐射能成倍增加，实现高效聚光的同时，也提高了系统运行稳定性，增大了系统对太阳光线的捕获能力；

3、运用等接收半角原理和等逃逸半角原理来设计复合平面反光板结构，解决了CPC抛物反光柱面加工难度大以及制造过程复杂性的问题，节约材料的同时也降低了成本。

附图说明

图1 为本实用新型结构示意图；

图2 为等逃逸半角理论示意图；

图3 为等接收半角理论示意图；

图4 为本实用新型的光线路径图；

图中：1-渐开线部分，2-CPC轮廓线，3-圆形集热体，4-连接点，5-抛物线部分，6-端点，7-基座，α-太阳高度角，β-倾角，n1、n2、n3、n4、n5-法线，θ1、θ2-接收半角，γ1、γ2、γ3-逃逸半角。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。

实施例1

如图1所示，一种高增益太阳能复合平面聚光器，包括反光部件、圆形集热体3和基座7；

反光部件包括左右两部分，两部分各包括一个渐开线部分5和一个抛物线部分1，渐开线部分5与抛物线部分1通过连接点4连接；左右两部分的渐开线部分5通过共同的端点6连接；左右两部分以采光口的法线方向为对称轴对称；

反光部件根据现有的CPC结构改进得到，在现有CPC结构的基础上，将渐开线部分5和抛物线部分1均改为由两块以上的平面反光板依次连接组成；组成渐开线部分5的平面反光板具有相同的逃逸半角，且平面反光板间的连接点均位于CPC轮廓线2的渐开线上；组成抛物线部分1的平面反光板具有相同的接收半角，且平面反光板间的连接点均位于CPC轮廓线2的抛物线上；

反光部件安装在基座7上，圆形集热体3安装在采光口的法线方向上，与渐开线部分的端点6之间留有5mm的间隙；

采光口宽度大于具有相同半径的圆形集热体的现有CPC的采光口宽度；

安装时，采光口朝向正南方，其采光口的法线方向与水平地面形成倾角β，β为35°。

实施例2

本实施例与实施例1结构基本相同，不同之处在于，圆形集热体3与渐开线部分的端点6之间有8mm的间隙。

实施例3

本实施例与实施例1结构基本相同，不同之处在于，采光口的法线方向与水平地面形成的倾角β为55°。

实施例4

本实施例与实施例1结构基本相同，不同之处在于，平面反光板采用镜面不锈钢材质制造。

实施例5

本实施例与实施例1结构基本相同，不同之处在于，平面反光板采用贴有高反射率的玻璃镜面制造。

实施例6

本实施例与实施例1结构基本相同，不同之处在于，基座7底部设有可调节高度的旋钮，通过对旋钮高度的调节来调整采光口的法线方向与水平地面形成的倾角β的角度。