专利名称：复合曲面二次反射聚光集热器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种太阳能槽式聚光集热装置，尤其应用在太阳能中、高温系统 中，属于太阳能聚光集热技术领域。
背景技术：
为了得到高温蒸汽、电能等，科研工作者对太阳能转换和利用中的聚光原理 进行了探索和研究，开发出槽式太阳能热利用技术、塔式太阳能热利用技术和碟 式太阳能热利用技术。槽式太阳能热利用技术是其中最为成熟的技术，己成为所 有可再生能源技术中最有可能替代常规能源的一种手段。常规槽式太阳能热利用 系统的聚光集热器一般采用抛物面聚光镜将光线反射聚焦到集热管上，加热管内 工质。这种聚光集热器聚光比较低，工质温度一般在400'C以下；大面积的抛物 面制作困难，成本较高；而且经抛物面聚光镜反射聚焦后的焦线很难保证在集热 管吸收面范围内，对跟踪精度要求较高；集热管壁散热量大。也有人采用了低成 本的圆弧反射聚光镜，但其具有近轴光线成焦的特性使得聚光装置的相对高度很 高，且聚光带过宽而被抛弃。为了提高聚光比，日本采用平面镜和抛物面镜混合 聚光系统，多台平面镜将阳光反射到同一抛物面镜上，经抛物面镜反射聚焦到集 热管上，这种混合聚光集热器提高了聚光比，但平面镜和抛物面镜需要两套跟踪 系统，要求精度较高，结构复杂，加工难度大，成本高。美国有学者提出采用抛 物面聚光镜聚焦光线到次级复合抛物面聚光镜(Compound parabolic concentrator, 简称为CPC)，再次反射聚焦到集热管上。优点是二级反射聚光集热器放置在同 一支撑系统上，使用同一套跟踪系统，比单级聚光集热器聚光比大，跟踪精度要 求降低。但是其也存在着大面积抛物面的制造困难，成本高的问题；且由于复合 抛物面的接收角的限制，抛物面相对圆弧的短焦距优势也不存在；复合抛物面聚 光镜遮挡了部分光线，降低了聚光比；单块抛物面的设计缺乏设计的自由度。以 往的这些设计都是一个支架对应一根集热管，在大多情况下都加大了成本及占地 面积。
发明内容
技术问题本发明的目的在于克服上述现有槽式聚光技术所存在的缺陷，提出一种复合曲面二次反射聚光集热器， 一个支撑机构上对称安装有两个复合抛物 面二级聚光器和集热管， 一级反射镜改为由多段圆弧或折平面构成，二级反射镜 为复合抛物面反射镜。在复合抛物面二级反射镜上方安装平面一级反射镜，在复 合圆弧一级反射镜的外端部安装折平面二级反射镜。
技术方案本发明的复合曲面二次反射聚光集热器，两集热管对称安装在一 套支架上以减少成本和占地面积，采用多段圆弧或折平面代替抛物面以降低加工 成本并增加设计的自由度，为了利用被复合抛物面遮挡的光线，采用平面镜为一 级反射镜，折平面镜为二级反射镜的方式。当光线沿装置轴方向进入采光口内， 小部分光经两次镜面反射进入复合抛物面聚光镜，大部分经复合圆弧聚光镜或折 平面聚光镜反射汇聚到复合抛物面聚光镜内，进入复合抛物面聚光镜内的光线直 接或经折射最终到达集热管上。
该聚光器包括集热管、平面一级反射镜、折平面二级反射镜、复合圆弧一级 反射镜、复合抛物面二级反射镜、支撑架；集热管由两根平行的集热管组成并位 于复合抛物面二级反射镜的内部，复合抛物面二级反射镜位于复合圆弧一级反射 镜的上方并且复合抛物面二级反射镜的镜面开口朝向复合圆弧一级反射镜，平面 一级反射镜位于复合抛物面二级反射镜的正上方，折平面二级反射镜与复合圆弧 一级反射镜连接，支撑架位于复合圆弧一级反射镜的下面并用来固定复合圆弧一 级反射镜，并从复合圆弧一级反射镜中间的缝隙处伸出支撑杆来支撑复合抛物面 二级反射镜。
折平面二级反射镜或为圆弧面二级反射镜。
复合圆弧一级反射镜的每片圆弧反射镜之间或不连接。 复合圆弧一级反射镜可为折平面一级反射镜。
复合抛物面二级反射镜可为外聚光复合抛物面二级反射镜或内聚光复合抛 物面二级反射镜。 有益效果
1) 采用一支架双集热管的设计，优点为调整复合抛物面反射镜的朝向，可以 显著降低集热器的相对高度(集热管与反射镜底端的距离/采光口面积)；省 去一个支撑架，降低了成本；可以应用在U形集热管回路中，使得单个聚光
器就可以满足热水、冷水端在一端的需求。
2) —级反射镜采用的是复合圆弧反射镜，也可以釆用抛物面、复合折平面等反 射镜，在成本及加工难度上，抛物面〉复合圆弧〉复合折平面，在聚光成焦效 果上，抛物面〉复合圆弧〉复合折平面。
4由于采用了复合抛物面二级反射器，它具有汇聚所有接收角以内的入射光的 特性，这样就使得一级反射后在接收角范围内进入复合抛物面聚光镜即可， 降低了一级反射镜聚光成焦的要求，以及对跟踪精度的要求，也使得采用复 合圆弧、复合折平面作为一级反射镜成为可能。即一级反射镜采用抛物面， 降低了跟踪精度及镜面精度的要求；采用复合折平面，降低了成本及加工的 难度；采用复合圆弧，可以同时具有以上两种的优点。
3) 采用了复合圆弧，使得设计的自由度大大增加，通过改变圆弧段的个数及其 各自不同的直径，可以达到接近抛物面的效果；通过改变每个圆弧段的位置， 可以满足增加聚光比，减少加工成本等需求；改变相邻圆弧段之间的距离， 可以减少风压对镜面及支撑系统的影响。
4) 采用了二次反射技术，可以使得聚光比增加，通过改变复合抛物面的接收角 及中心轴向可以使聚光比在较大的范围内调整。
5) 在复合抛物面聚光镜的上方设置了平面镜进行反射，在复合圆弧段设置了相 应的二级反射镜，它可以采用抛物面、圆弧、折平面等，因面积较小，这里 采用的是折平面的方式。这样的设计可以把落在复合抛物面聚光镜上表面的 光线也汇聚到复合抛物面聚光镜内，在相同聚光比下减少聚光器的开口面积， 提高了光利用率。
6) 集热管位于复合抛物面聚光镜内部，管外壁的辐射及对流散热相对于普通的 槽式抛物面聚光器要小很多。
整套设计科学、简单、合理，聚光效果好，便于大规模工业化生产，成本低， 易推广。
图1复合曲面二次反射聚光器的立体结构示意图，
图中有集热管l、平面一级反射镜2、折平面二级反射镜3、复合圆弧一级
反射镜4、复合抛物面二级反射镜5、支撑架6。 图2是复合曲面二次反射聚光装置的设计光路图， 图3是复合曲面二次反射聚光装置(改进方案l)的设计光路图 图4是复合曲面二次反射聚光装置(改进方案2)的设计光路图 图5是复合曲面二次反射聚光装置(改进方案3)的设计光路图 图6是利用被CPC遮挡的部分光的反射镜设计光路图 图7 a是内聚光复合抛物面聚光器结构示意图
5图7 b是外聚光复合抛物面聚光器结构示意图
图中有反射镜7、玻璃罩8、真空9、接收器IO、内聚光复合抛物面聚光 器ll、外聚光复合抛物面聚光器12。
具体实施例方式
本发明采用的复合曲面以及二次反射原理的聚光集热器包括集热管1、平面
一级反射镜2、折平面二级反射镜3、复合圆弧一级反射镜4、复合抛物面二级 反射镜5、支撑架6;集热管1由两根平行的集热管组成并位于复合抛物面二级 反射镜5的内部，复合抛物面二级反射镜5位于复合圆弧一级反射镜4的上方并 且复合抛物面二级反射镜5的镜面开口朝向复合圆弧一级反射镜4，平面一级反 射镜2位于复合抛物面二级反射镜5的正上方，折平面二级反射镜3与复合圆弧 一级反射镜4连接，支撑架3位于复合圆弧一级反射镜4的下面并用来固定复合 圆弧一级反射镜4，并从复合圆弧一级反射镜4中间的缝隙处伸出支撑杆来支撑 复合抛物面二级反射镜5。折平面二级反射镜3或为圆弧面二级反射镜。复合圆 弧一级反射镜4的每片圆弧反射镜之间或不连接。复合圆弧一级反射镜4或为折 平面一级反射镜。复合抛物面二级反射镜5为外聚光复合抛物面二级反射镜或内 聚光复合抛物面二级反射镜。 实施例1
该槽式太阳能聚光器通过跟踪系统使得太阳光沿轴向入射到接受面，落到复 合圆弧一级反射镜(4)上的光经反射汇聚到复合抛物面二级反射镜(5)内，设 计时要使得进入(5)的光线与其轴夹角小于它的最大接收角，根据复合抛物面 聚光镜的特性，这样最后所有的光线都将到达集热管(1)上。所有的反射镜及 集热管通过支撑架(6)固定。采用三段圆弧作为一级反射镜(2)，接收角为30 。C的复合抛物面聚光镜作为二级反射镜(3)的双管道反射器的光线示意图如图 2所示。
实施例2
该槽式太阳能聚光器通过跟踪系统使得太阳光沿轴向入射到接受面，落到复 合圆弧一级反射镜(4)上的光经反射汇聚到复合抛物面二级反射镜(5)内，光 线直接或经反射到达集热管(1)上。所有的反射镜及集热管通过支撑架(6)固 定。釆用两段圆弧作为一级反射镜(2)，为了增大聚光比，或者为了使用平面支 架，可以对复合圆弧一级反射镜的设计(4)进行改进，其设计图如图3，其缺 点是采光范围内有部分光损失。实施例3
该槽式太阳能聚光器通过跟踪系统使得太阳光沿轴向入射到接受面，落到复 合圆弧一级反射镜(4)上的光经反射汇聚到复合抛物面二级反射镜(5)内，光 线直接或经反射到达集热管(1)上。所有的反射镜及集热管通过支撑架(6)固 定。采用两段圆弧作为一级反射镜(2)，为了节省制造成本，复合圆弧一级反射 镜(4)可以只采用一种尺寸的圆弧，但各圆弧的位置要进行调整，其设计图如 图4，缺点是聚光比与圆弧连在一起的设计相比偏小。
实施例4
该槽式太阳能聚光器通过跟踪系统使得太阳光沿轴向入射到接受面，落到一 级反射镜(4)上的光经反射汇聚到复合抛物面二级反射镜(5)内，光线直接或 经反射到达集热管(1)上。所有的反射镜及集热管通过支撑架(6)固定。用复 合折平面代替复合圆弧作为一级反射镜(4)，可以使得加工工艺进一步简化。其 设计图如图5。
实施例5
该槽式太阳能聚光器通过跟踪系统使得太阳光沿轴向入射到接受面，落到复 合抛物面聚光镜上方的光线经平面一级反射镜(2)反射到折平面二级反射镜(3)， 再次反射进入复合抛物面二级反射镜(5)。其余落到复合圆弧一级反射镜(4) 上的光经反射汇聚到复合抛物面(CPC) 二级反射镜(5)内，设计时要使得进入 复合抛物面聚光镜的光线与其轴夹角小于它的最大接收角，根据复合抛物面聚光 镜的特性，这样最后所有的光线都将到达集热管(1)上。所有的反射镜及集热 管通过支撑架(6)固定。为了利用被复合抛物面聚光镜遮挡的部分光，采用了 附加的二次反射镜，可以采用圆弧或抛物面，其设计光路图如图6。
实施例6
该槽式太阳能聚光器通过跟踪系统使得太阳光沿轴向入射到接受面，落到复 合圆弧一级反射镜(4)上的光经反射汇聚到复合抛物面二级反射镜(5)内，光 线直接或经反射到达集热管(1)上。所有的反射镜及集热管通过支撑架(6)固 定。以上设计对于复合抛物面二级反射镜(5)都是外聚光复合抛物面聚光镜， 由于集热器玻璃管和接收管之间的空隙，使得光线有部分损失。所以它比较适合 较大面积反射镜的情况，能降低成本。可以将其改成内聚光式复合抛物面聚光镜。 其光学损失和热损失相对较小，可以把工质加热到更高的温度，但成本偏高。所 以在一定情况下可以将外聚光复合抛物面聚光镜改为内聚光复合抛物面聚光镜， 见图7。
权利要求
1、一种复合曲面二次反射聚光集热器，其特征在于该聚光器包括集热管(1)、平面一级反射镜(2)、折平面二级反射镜(3)、复合圆弧一级反射镜(4)、复合抛物面二级反射镜(5)、支撑架(6)；集热管(1)由两根平行的集热管组成并位于复合抛物面二级反射镜(5)的内部，复合抛物面二级反射镜(5)位于复合圆弧一级反射镜(4)的上方并且复合抛物面二级反射镜(5)的镜面开口朝向复合圆弧一级反射镜(4)，平面一级反射镜(2)位于复合抛物面二级反射镜(5)的正上方，折平面二级反射镜(3)位于复合圆弧一级反射镜(4)两侧并与复合圆弧一级反射镜(4)连接，支撑架(6)位于复合圆弧一级反射镜(4)的下面并用来固定复合圆弧一级反射镜(4)，并从复合圆弧一级反射镜(4)中间的缝隙处伸出支撑杆来支撑复合抛物面二级反射镜(5)。
2、 根据权利要求1所述的复合曲面二次反射聚光集热器，其特征在于折平面 二级反射镜(3)为圆弧面二级反射镜。
3、 根据权利要求1所述的复合曲面二次反射聚光集热器，其特征在于复合 圆弧一级反射镜(4)的每片圆弧反射镜之间不紧密连接。
4、 根据权利要求1所述的复合曲面二次反射聚光集热器，其特征在于复合 圆弧一级反射镜(4)为折平面一级反射镜。
5、 根据权利要求1所述的复合曲面二次反射聚光集热器，其特征在于复合 抛物面二级反射镜(5)为外聚光复合抛物面二级反射镜或内聚光复合抛物面二 级反射镜。
全文摘要
复合曲面二次反射聚光集热器涉及一种太阳能槽式聚光集热装置，该聚光器包括集热管(1)、平面一级反射镜(2)、折平面二级反射镜(3)、复合圆弧一级反射镜(4)、复合抛物面二级反射镜(5)、支撑架(6)；集热管(1)由两根平行的集热管组成并位于复合抛物面二级反射镜(5)的内部，支撑架(3)位于复合圆弧一级反射镜(4)的下面并用来固定复合圆弧一级反射镜(4)。采用一支架双集热管的设计，可以显著降低集热器的成本及高度；采用复合抛物面二级反射器，降低了对跟踪精度的要求；采用了复合圆弧一级反射镜，增加了设计的自由度；采用了平面镜+折平面的设计，提高了光能的利用率。
文档编号F24J2/00GK101660845SQ20091003518
公开日2010年3月3日 申请日期2009年9月7日 优先权日2009年9月7日
发明者雷 余, 张耀明, 军 王 申请人:东南大学