一种二级曲面菲涅尔反射式太阳能腔体集热装置的制作方法

本发明涉及一种太阳能集热装置，特别是一种二级曲面菲涅尔反射式太阳能腔体集热装置，属于太阳能利用技术领域。

背景技术：

太阳能的商业化开发和利用是可再生能源领域的一个重要发展趋势，国际能源署(iea)预计，到2040年太阳能发电将占世界电力供应的20%以上。聚光式太阳能热发电技术作为太阳能利用的一种重要方式，已成为国际太阳能技术发展的重要方向之一。中国《可再生能源发展“十一五”规划》中也明确提出，要在内蒙古鄂尔多斯高地沿黄河平坦荒漠、甘肃河西走廊平坦荒漠、新疆哈密地区、西藏拉萨或北京周边选择适宜地区，开展太阳能热发电试点工作。

采用跟踪聚光型太阳能集热器，可以获得较高品质的热能。因此，利用聚焦技术可以提高太阳能光热转换温度，能够实现太阳能在中高温领域的应用在太阳能中高温利用中。聚焦型太阳能集热器分为点聚焦和线聚焦两类，点聚焦有碟式和塔式，线聚焦有线性菲涅尔反射式和槽式，能获得较高热能，是高品质热源，属于中高温应用。在太阳能中高温利用中，目前的主要研究方向是中温太阳能工业加热、太阳能制冷与空调和太阳能高温热发电技术。线性菲涅尔反射式和槽式属于线性聚光，目前已经实现商业化应用。碟式和塔式属于点聚焦，由于成本高且具有很高的技术难度一直处于示范阶段。因此，线聚焦太阳能集热器在中高温利用方面占有重要地位。

线性菲涅尔反射集热装置是一种线聚焦太阳能集热器。由多组水平布置的窄带形平面镜构成，每组反射镜都有一定的倾角，将入射的太阳光反射到公共的焦线上，接收器安装在反射镜的公共交点处，吸收聚焦的太阳能。该类装置具有大聚光比、低风载稳定性以及占地面积小等优点，降低了单位峰值功率的投资成本和发电成本。线性菲涅尔反射集热装置可用于大型太阳能热发电、小型蒸汽发电工程、蒸汽式制冷工程等。

但是目前线性菲涅尔反射式太阳能系统存在以下不足，影响了该系统的发展和推广应用：1、由于采用平面镜，限制了该系统的聚光比，影响了太阳能集热器的适用温度和集热效率；2、集热器固定在空中，影响了集热器的稳定性和安全性，不利于管道的布置及系统的安装，同时具有较高的热损失；3、光线反射到集热器上的角度过大，增加了对跟踪精度的要求。

腔体式太阳能吸收器采用黑体的原理，进入到腔体内的太阳光多次反射后被吸收而转化为热能，由于无需采用真空措施进行保温，可以有效地降低集热器成本、也避免了真空管吸收器对玻璃和金属封接技术的高要求，提高了装置的可靠性，但是对入射光线角度和开口尺寸有较高的要求。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服上述现有相关线性菲涅尔反射式太阳能集热装置的缺陷，提供了一种聚光比大、集热效率高、稳定性好、成本低的线性菲涅尔反射式太阳能集热装置。

为解决上述技术问题，本专利提供的技术方案为：

采用二级曲面菲涅尔反射式太阳能腔体集热装置，包括一级反光镜、一级反光镜支撑环、二级反光镜、二级反光镜支撑杆、转动装置、太阳能集热器；一级反光镜由多个一级反光镜单元构成，每个一级反光镜单元为长条形凹面镜，一级反光镜单元的镜面朝上，一级反光镜单元的背部设有转动轴，一级反光镜单元可以围绕转动轴转动，多个一级反光镜单元的转动轴平行，转动轴与转动装置连接，每个一级反光镜单元上套有一级反光镜支撑环，一级反光镜的上方设有二级反光镜，二级反光镜由多个二级反光镜单元构成，每个二级反光镜单元为长条形凸面镜，二级反光镜单元镜面朝下，多个二级反光镜单元的长边平行，二级反光镜通过二级反光镜支撑杆固定到地面上，太阳能集热器位于二级反光镜的下方，太阳能集热器固定在地面上。

作为本发明的一种改进，所述的转动装置包括蜗轮、蜗杆、电机，蜗轮固定连接到一级反光镜单元的转动轴的两端，多个蜗轮与蜗杆啮合连接，蜗杆与电机连接。

作为本发明的一种改进，所述的太阳能集热器采用腔体式集热器，腔体式集热器包括外壳、内腔、喇叭形开口、保温层、介质通道；外壳为长方体状、内腔为圆柱腔体状，内腔通过喇叭形开口连通到外部，内腔上覆有吸热层，介质通道紧贴内腔，介质通道的截面为月牙状，外壳、喇叭形开口、介质通道所构成的封闭空间中填充有保温层。

作为本发明的一种改进，所述的一级反光镜包含2~10个一级反光镜单元，所述的二级反光镜包含2~10个二级反光镜单元，一级反光镜单元和二级反光镜单元的个数相同。

作为本发明的一种改进，所述的一级反光镜单元为圆弧面凹面镜或抛物面凹面镜，所述的二级反光镜单元为圆弧面凸面镜或抛物面凸面镜。

作为本发明的一种改进，所述的喇叭形开口上覆有反光层。

相对于现有技术，本发明中所述的装置具有如下优势：

1）该二级曲面菲涅尔反射式太阳能腔体集热装置采用二级反射的设计，实现了太阳能集热器高度的降低，将固定在空中的太阳能集热器调整到靠近地面的位置，可以提高集热器的稳定性和安全性，利于管道的布置及系统的安装，同时减少了空气流动造成的热损失；

2）该二级曲面菲涅尔反射式太阳能腔体集热装置的一级反光镜采用凹面镜，对反射光线有汇聚效果，可以提高菲涅尔反射式太阳能集热装置的聚光比，进而提高太阳能利用率及太阳能集热装置的介质温度；

3）该二级曲面菲涅尔反射式太阳能腔体集热装置的二级反光镜采用凸面镜，将由一级反光镜过来的汇聚光线反射成近似平行光线，使得光线更为均匀和集中的被太阳能集热器接收；

4）一级反光镜和二级反光镜采用一凹一凸的设计可减少二级反光镜的面积，进而降低对太阳光的遮挡，提高太阳能利用率；同时也使得反射到太阳能集热器的入射光束角度更为集中，进一步提高太阳能集热器的效率；

5）太阳能集热器采用了腔体式集热器，无真空装置，可以有效地降低集热器成本、也避免了真空管吸收器对玻璃和金属封接技术的高要求，提高了装置的可靠性。两级反光镜形成的窄入射角度太阳光也使得腔体式太阳能集热器的开口面积更小，提高太阳能集热器的太阳能转化效率；

6）所设计的菲涅尔反射式太阳能集热装置，二级反射镜固定，多个一级反射镜单元可以由一个电机进行同步跟踪，具有聚光比高、风力载荷小、稳定性高，结构简单成本低，具有推广潜力。

附图说明

图1是二级曲面菲涅尔反射式太阳能腔体集热装置的结构示意图；

图2是二级曲面菲涅尔反射式太阳能腔体集热装置的光学示意图；

图3是转动装置的结构示意图；

图4是腔体式集热器的结构示意图。

其中：1是一级反光镜单元、2是一级反光镜支撑环、3是二级反光镜单元、4是二级反光镜支撑杆、5是转动装置、6是太阳能集热器、7是太阳光线、8是蜗轮、9是蜗杆、10是电机、11是转动轴、12是外壳、13是内腔、14是喇叭形开口、15是保温层、16是介质通道。

具体实施方式

实施例1：

参见图1-图4，采用二级曲面菲涅尔反射式太阳能腔体集热装置，包括一级反光镜、一级反光镜支撑环2、二级反光镜、二级反光镜支撑杆4、转动装置5、太阳能集热器6；一级反光镜由多个一级反光镜单元1构成，每个一级反光镜单元1为长条形凹面镜，一级反光镜单元1的镜面朝上，一级反光镜单元1的背部设有转动轴11，一级反光镜单元1可以围绕转动轴11转动，多个一级反光镜单元1的转动轴11平行，转动轴11与转动装置5连接，每个一级反光镜单元1上套有一级反光镜支撑环2，一级反光镜的上方设有二级反光镜，二级反光镜由多个二级反光镜单元3构成，每个二级反光镜单元3为长条形凸面镜，二级反光镜单元3镜面朝下，多个二级反光镜单元3的长边平行，二级反光镜通过二级反光镜支撑杆4固定到地面上，太阳能集热器6位于二级反光镜的下方，太阳能集热器6固定在地面上。

实施例2：

参见图1-图4，作为本发明的一种改进，所述的转动装置5包括蜗轮8、蜗杆9、电机10，蜗轮8固定连接到一级反光镜单元1的转动轴11的两端，多个蜗轮8与蜗杆9啮合连接，蜗杆9与电机10连接。

实施例3：

参见图1-图4，作为本发明的一种改进，所述的太阳能集热器采用腔体式集热器。，腔体式集热器包括外壳12、内腔13、喇叭形开口14、保温层15、介质通道16；外壳12为长方体状、内腔13为圆柱腔体状，内腔13通过喇叭形开口14连通到外部，内腔13上覆有吸热层，介质通道16紧贴内腔，介质通道16的截面为月牙状，外壳12、喇叭形开口14、介质通道16所构成的封闭空间中填充有保温层15。

实施例4：

参见图1-图4，作为本发明的一种改进，所述的一级反光镜包含2~10个一级反光镜单元1，所述的二级反光镜包含2~10个二级反光镜单元3，一级反光镜单元1和二级反光镜单元3的个数相同。

实施例5：

参见图1-图4，作为本发明的一种改进，所述的一级反光镜单元1为圆弧面凹面镜或抛物面凹面镜，所述的二级反光镜单元3为圆弧面凸面镜或抛物面凸面镜。

实施例6：

参见图4，作为本发明的一种改进，所述的喇叭形开口14上覆有反光层。

工作原理和过程：

参见图1-图4，太阳光入射到一级反光镜单元1，经反射后达到对应的二级反光镜单元3，由于一级反光镜单元1为凹面镜，光线有汇聚效果，故二级反光镜单元3的面积小于一级反光镜单元1；经二级反光镜单元3反射后的太阳光入射到太阳能集热器6，二级反光镜单元3为凸面镜，可以将一级反光镜单元1反射过来的汇聚光线反射为近似平行的光线。这样的设计实现了：1、一级反光镜单元1对光线的汇聚效果，提高了菲涅尔反射式太阳能集热装置的聚光比；2、二级反光镜单元3的面积较小，对太阳光的遮挡也较小；3、反射到太阳能集热器6的光线角度较为集中。

当太阳位置发生变化时，转动装置5控带动一级反光镜单元1转动，保证太阳光线7经反射后能达到太阳能太阳能集热器6，菲涅尔反射镜的特点是反射镜的旋转跟踪太阳时，转动角速度是相同的，本装置采用了微曲面的反射镜，保留了这一特点，跟踪时，电机10带动蜗杆9转动，蜗杆9带动蜗轮8转动，进而带动一级反光镜单元1转动。

太阳能集热器6采用腔体式集热器，经二级反光镜单元3反射的太阳光线喇叭形开口14进入内腔13，在内腔13中经多次反射被吸收，并加热介质通道16中的介质，二级反光镜单元3反射的太阳光线较为集中，使得喇叭形开口14较小，保障了腔体式集热器的太阳能吸收率，喇叭形开口14上覆有反光层可以提高太阳光线进入内腔13的比率。

本发明还可以将实施例2、3、4、5、6所述技术特征中的至少一个与实施例1组合，形成新的实施方式。

需要说明的是上述实施例仅仅是本发明的较佳实施例，并没有用来限定本发明的保护范围，本发明的保护范围以权利要求书为准。