CN106091418A - 一种免跟踪小型太阳能聚光集热器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种免跟踪小型太阳能聚光集热器，包括复合抛物面聚光器（3），多个复合抛物面聚光器（3）两两对称组合成复合抛物面聚光器组（4）后固定在箱体（5）的底部，沿着复合抛物面聚光器（3）的长度方向在全部复合抛物面聚光器（3）的上沿一一对应竖直设置有平面反射镜（2），在平面反射镜（2）上覆盖有线性菲涅尔透镜（1），线性菲涅尔透镜（1）、多个平面反射镜（2）、复合抛物面聚光器组（4）和箱体（5）构成一个能够抽真空的密闭空腔，且在该密闭空腔内设有沿复合抛物面聚光器（3）长度方向设置的多组集热管（6）。本发明安装方便、体积小、质量轻、无需追光***、光学效率高且集热温度能够达到中高温，故便于推广。
Description
技术领域
本发明涉及太阳能光热转换装置，具体地说是一种以线性菲涅尔透镜作为一级聚光器、复合抛物面聚光器作为二级聚光器以实现二级聚光目的的免跟踪小型太阳能聚光集热器。
背景技术
能源是人类生产生活不可缺少的一部分。据统计，建筑以及工业生产的热能需求约占全球热能需求的50%，中高温热能（100-400℃）主要用于生产高温蒸汽以及空调设备，占总工业用热的27%。能源短缺，能源安全以及环境污染等问题，促使了可持续清洁能源的发展与利用。太阳能蕴藏丰富，是一种用之不竭的清洁资源。人类已经提出了很多收集太阳能的方法，同时也设计了各式各样的太阳能集热器，包括聚光和非聚光型以及是否带有太阳追光***的集热器。
目前非聚光型集热器结构简单，无需追光***，便于制造安装，成本低，维护维修费用低，易于普及，可以直接吸收太阳的辐射与散射，占用空间小，经过改进易于实现太阳能集热与建筑一体化。然而，其缺点为工作温度较低（小于100℃），只能满足低温需求。
聚光型集热器要达到较好的聚光效果则需要复杂而精密的太阳能追光***。机构较为复杂，一般情况下体积庞大，占地面积广阔，很难与建筑进行一体化集成，设计整个热循环***也会较为复杂，聚光器体积过大还需考虑整个机构的抗风载的能力以及土地利用率的问题。综合考虑以上问题，聚光集热***的设计、制造、安装、运行、维护以及土地占用都需要花费较大投资，每瓦特能量投资较高，市场占有率较低。然而，聚光型集热器具有较高的集热热特性，它可以满足工业对于高温热水和低压蒸汽的需求。由于中高温高品位热能有着广阔的工业前景和商业市场，因此小型太阳能聚光集热装置有着巨大的潜力。
发明内容
本发明的目的是针对现有太阳能集热技术的不足，提供一种安装方便、体积小、质量轻、无需追光***、光学效率高且集热温度能够达到中高温的免跟踪小型太阳能聚光集热器。
本发明的目的是通过以下技术方案解决的：
一种免跟踪小型太阳能聚光集热器，包括线性菲涅尔透镜、平面反射镜和复合抛物面聚光器，其特征在于：多个复合抛物面聚光器两两对称组合成复合抛物面聚光器组后固定在箱体的底部，沿着复合抛物面聚光器的长度方向在全部复合抛物面聚光器的上沿一一对应竖直设置有平面反射镜，在平面反射镜上覆盖有线性菲涅尔透镜，线性菲涅尔透镜、多个平面反射镜、复合抛物面聚光器组和箱体构成一个能够抽真空的密闭空腔，且在该密闭空腔内设有沿复合抛物面聚光器长度方向设置的多组集热管；使用时，线性菲涅尔透镜为一级主聚光器用以提高太阳光照能流密度、复合抛物面聚光器组作为二次聚光器将不同入射角的太阳直射光和散光聚集到集热管，平面反射镜用以增加该聚光集热器的入射半角且集热管用于该聚光集热器聚集的太阳能与流体工质之间的热交换。
所述的箱体包括箱体底座和箱体上座，箱体底座上设有内置梯台使得箱体上座能够密封嵌置在箱体底座内。
所述箱体上座上设有嵌置槽，嵌置槽设置在箱体上座的中部和两端用以嵌置平面反射镜；且嵌置槽和平面反射镜之间的间隙加以高性能粘合剂以使得平面反射镜紧固。
所述箱体上座的上缘内侧设有凹台，支撑板嵌置在凹台上后再将线性菲涅尔透镜镶嵌在支撑板的网状框架上，线性菲涅尔透镜镶嵌完成后在PMMA支撑板和凹台之间的间隙上涂上密封胶以提高密封性能。
所述的线性菲涅尔透镜和支撑板皆采用透射率不低于92%的聚甲基丙烯酸甲酯PMMA材料制成。
所述箱体底座的底部设有用于支撑复合抛物面聚光器组的固定横梁，该固定横梁采用铝合金方管制成并焊接在箱体底座的底部；且在箱体底座的上部用于固定箱体上座的定位销。
所述的复合抛物面聚光器采用反射率不低于85%的镜面铝压制而成。
所述箱体的两端分别设有流体工质进口管和流体工质出口管，流体工质进口管和流体工质出口管分别和集热管的两端相连接。
所述的箱体上分别设有真空压力表和压力阀门，用于监控箱体的密闭空腔内的压力状态的真空压力表和作为抽真空接口的压力阀门分别通过螺栓和橡胶垫片固定在箱体上。
所述箱体的底部设有连接底座使得该聚光集热器能够固定在建筑上。
本发明相比现有技术有如下优点：
本发明的免跟踪小型太阳能聚光集热器中的线性菲涅尔透镜能够使原本分散的能量汇聚成高密度的高能量的光束，使得太阳能的得以高效的利用；复合抛物面聚光器（CPC）能够将复合抛物面聚光器入射角内的全部光线反射到集热管上，这样能够不用太阳跟踪***而实现较高时长的聚光，同时复合抛物面聚光器还能够收集太阳杂散射光，提高光的利用效率；平面反射镜用于补偿由于太阳光线入射角的变化而产生的光学损失、提高光学效率；集热管采用铜质圆管，具有较高的热传导系数，便于太阳能与流体工质高效的热交换，与此同时，铜质圆管表面镀有镍铬涂层，能够提高铜质圆管对入射光线的吸收率；箱体内部的密闭空腔抽真空能有效减小热损失，整个太阳能聚光集热器的结构简单、紧凑且便于安装，小体积能够减小风阻对结构的影响，质量轻能够方便的安装于建筑物，还能够实现多个太阳能聚光集热器的集成运行；且光学效率较高使得集热温度能够达到中高温水平，以满足家庭以及工业对高品位热能的需求。
本发明的免跟踪小型太阳能聚光集热器由于采用了较大接收半角的复合抛物面聚光器和平面反射镜，使得不同入射角的太阳光线能够在线性菲涅尔透镜聚光后反射到集热管上，实现在不跟踪太阳的情况下将太阳光线聚焦到集热管上；整个聚光集热器结构紧凑、厚度小、质量轻、集热温度和效率高，无需跟踪，便于与建筑一体化集成，能够为家庭采暖制冷和工业等提供100-400℃热能，具有较高的实用与商业价值。
附图说明
附图1为本发明的免跟踪小型太阳能聚光集热器结构示意图；
附图2为如图1的局部横截面结构示意图；
附图3为本发明的箱体上座结构示意图；
附图4为本发明的支撑板结构示意图；
附图5为本发明的复合抛物面聚光器组结构示意图；
附图6为本发明的箱体底座结构示意图。
其中：1—线性菲涅尔透镜；2—平面反射镜；3—复合抛物面聚光器；4—复合抛物面聚光器组；5—箱体；6—集热管；7—箱体底座；8—箱体上座；9—内置梯台；10—嵌置槽；11—凹台；12—支撑板；13—固定横梁；14—定位销；15—流体工质进口管；16—流体工质出口管；17—真空压力表；18—压力阀门；19—连接底座。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步的说明。
如图1-6所示：一种免跟踪小型太阳能聚光集热器，包括线性菲涅尔透镜1、平面反射镜2和复合抛物面聚光器3，复合抛物面聚光器2采用反射率不低于85%的镜面铝压制而成，多个复合抛物面聚光器3两两对称组合成复合抛物面聚光器组4后固定在箱体5的底部，沿着复合抛物面聚光器3的长度方向在全部复合抛物面聚光器3的上沿一一对应竖直设置有平面反射镜2，在平面反射镜2上覆盖有线性菲涅尔透镜1，线性菲涅尔透镜1、多个平面反射镜2、复合抛物面聚光器组4和箱体5构成一个能够抽真空的密闭空腔，且在该密闭空腔内设有沿复合抛物面聚光器3长度方向设置的多组集热管6；另外箱体5的两端分别设有流体工质进口管15和流体工质出口管16，流体工质进口管15和流体工质出口管16分别和集热管6的两端相连接；在箱体5上分别设有真空压力表17和压力阀门18，用于监控箱体5的密闭空腔内的压力状态的真空压力表17和作为抽真空接口的压力阀门18分别通过螺栓和橡胶垫片固定在箱体5上；且在箱体5的底部设有连接底座19使得该聚光集热器能够固定在建筑上。使用时，线性菲涅尔透镜1为一级主聚光器用以提高太阳光照能流密度、复合抛物面聚光器组4作为二次聚光器将不同入射角的太阳直射光和散光聚集到集热管6，平面反射镜2用以增加该聚光集热器的入射半角且集热管6用于该聚光集热器聚集的太阳能与流体工质之间的热交换。
在上述结构中，具体如图1-6所示，箱体5包括箱体底座7和箱体上座8，箱体底座7上设有内置梯台9使得箱体上座8能够密封嵌置在箱体底座7内，而在箱体底座7的底部设有用于支撑复合抛物面聚光器组4的固定横梁13，该固定横梁13采用铝合金方管制成并焊接在箱体底座8的底部；且在箱体底座7的上部用于固定箱体上座8的定位销14。同时在箱体上座8上设有嵌置槽10，嵌置槽10设置在箱体上座8的中部和两端用以嵌置平面反射镜2，且嵌置槽10和平面反射镜2之间的间隙加以高性能粘合剂以使得平面反射镜2紧固；另外在箱体上座8的上缘内侧设有凹台11，支撑板12嵌置在凹台11上后再将线性菲涅尔透镜1镶嵌在支撑板12的网状框架上，线性菲涅尔透镜1镶嵌完成后在PMMA支撑板12和凹台11之间的间隙上涂上密封胶以提高密封性能，线性菲涅尔透镜1和支撑板12皆采用透射率不低于92%的聚甲基丙烯酸甲酯PMMA材料制成。
本发明的免跟踪小型太阳能聚光集热器在组装时，首先采用反射率不低于85%的镜面铝压制而成复合抛物面聚光器3，多个复合抛物面聚光器3组装成复合抛物面聚光器组4，两个复合抛物面聚光器组4固定设置在一个箱体底座7的固定横梁13上且复合抛物面聚光器组4与箱体底座7之间的间隙密封；同时将平面反射镜2嵌置在箱体上座8的嵌置槽10中且嵌置槽10和平面反射镜2之间的间隙加以高性能粘合剂以使得平面反射镜2紧固，接着将支撑板12嵌置在凹台11上后再将线性菲涅尔透镜1镶嵌在支撑板12的网状框架上用于防止外部大气压力对线性菲涅尔透镜1的损坏，线性菲涅尔透镜1通过数控机床按照要求加工而且通过强力粘合剂将线性菲涅尔透镜1密封，在线性菲涅尔透镜1镶嵌完成后在PMMA支撑板12和凹台11之间的间隙上涂上密封胶以提高密封性能；最后将上述组装好的箱体上座8放置在内置梯台9上采用定位销14固定箱体上座8且箱体上座8和箱体底座7之间的间隙密封，即完成该免跟踪小型太阳能聚光集热器的组装。安装时通过螺栓将箱体5的连接底座19固定在建筑物的表面。
本发明的免跟踪小型太阳能聚光集热器中的线性菲涅尔透镜1能够使原本分散的能量汇聚成高密度的高能量的光束，使得太阳能的得以高效的利用；复合抛物面聚光器3能够将复合抛物面聚光器3入射角内的全部光线反射到集热管6上，这样能够不用太阳跟踪***而实现较高时长的聚光，同时复合抛物面聚光器3还能够收集太阳杂散射光，提高光的利用效率；平面反射镜2用于补偿由于太阳光线入射角的变化而产生的光学损失、提高光学效率；集热管6采用铜质圆管，具有较高的热传导系数，便于太阳能与流体工质高效的热交换，与此同时，铜质圆管表面镀有镍铬涂层，能够提高铜质圆管对入射光线的吸收率；箱体5内部的密闭空腔抽真空能有效减小热损失，整个太阳能聚光集热器的结构简单、紧凑且便于安装，小体积能够减小风阻对结构的影响，质量轻能够方便的安装于建筑物，还能够实现多个太阳能聚光集热器的集成运行；且光学效率较高使得集热温度能够达到中高温水平，以满足家庭以及工业对高品位热能的需求。本发明的免跟踪小型太阳能聚光集热器由于采用了较大接收半角的复合抛物面聚光器3和平面反射镜2，使得不同入射角的太阳光线能够在线性菲涅尔透镜1聚光后反射到集热管6上，实现在不跟踪太阳的情况下将太阳光线聚焦到集热管6上；整个聚光集热器结构紧凑、厚度小、质量轻、集热温度和效率高，无需跟踪，便于与建筑一体化集成，能够为家庭采暖制冷和工业等提供100-400℃热能，具有较高很好的实用与商业价值。
本发明提供了一种免跟踪小型太阳能聚光集热器的思路及原理，具体实现该技术方案的方法和途径颇多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域内，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。
Claims (10)
1.一种免跟踪小型太阳能聚光集热器，包括线性菲涅尔透镜（1）、平面反射镜（2）和复合抛物面聚光器（3），其特征在于：多个复合抛物面聚光器（3）两两对称组合成复合抛物面聚光器组（4）后固定在箱体（5）的底部，沿着复合抛物面聚光器（3）的长度方向在全部复合抛物面聚光器（3）的上沿一一对应竖直设置有平面反射镜（2），在平面反射镜（2）上覆盖有线性菲涅尔透镜（1），线性菲涅尔透镜（1）、多个平面反射镜（2）、复合抛物面聚光器组（4）和箱体（5）构成一个能够抽真空的密闭空腔，且在该密闭空腔内设有沿复合抛物面聚光器（3）长度方向设置的多组集热管（6）；使用时，线性菲涅尔透镜（1）为一级主聚光器用以提高太阳光照能流密度、复合抛物面聚光器组（4）作为二次聚光器将不同入射角的太阳直射光和散光聚集到集热管（6），平面反射镜（2）用以增加该聚光集热器的入射半角，集热管（6）用于该聚光集热器聚集的太阳能与流体工质之间的热交换。
2.根据权利要求1所述的免跟踪小型太阳能聚光集热器，其特征在于：所述的箱体（5）包括箱体底座（7）和箱体上座（8），箱体底座（7）上设有内置梯台（9）使得箱体上座（8）能够密封嵌置在箱体底座（7）内。
3.根据权利要求2所述的免跟踪小型太阳能聚光集热器，其特征在于：所述箱体上座（8）上设有嵌置槽（10），嵌置槽（10）设置在箱体上座（8）的中部和两端用以嵌置平面反射镜（2）；且嵌置槽（10）和平面反射镜（2）之间的间隙加以高性能粘合剂以使得平面反射镜（2）紧固。
4.根据权利要求2或3所述的免跟踪小型太阳能聚光集热器，其特征在于：所述箱体上座（8）的上缘内侧设有凹台（11），支撑板（12）嵌置在凹台（11）上后再将线性菲涅尔透镜（1）镶嵌在支撑板（12）的网状框架上，线性菲涅尔透镜（1）镶嵌完成后在PMMA支撑板（12）和凹台（11）之间的间隙上涂上密封胶以提高密封性能。
5.根据权利要求4所述的免跟踪小型太阳能聚光集热器，其特征在于：所述的线性菲涅尔透镜（1）和支撑板（12）皆采用透射率不低于92%的聚甲基丙烯酸甲酯PMMA材料制成。
6.根据权利要求2所述的免跟踪小型太阳能聚光集热器，其特征在于：所述箱体底座（7）的底部设有用于支撑复合抛物面聚光器组（4）的固定横梁（13），该固定横梁（13）采用铝合金方管制成并焊接在箱体底座（8）的底部；且在箱体底座（7）的上部用于固定箱体上座（8）的定位销（14）。
7.根据权利要求1所述的免跟踪小型太阳能聚光集热器，其特征在于：所述的复合抛物面聚光器（2）采用反射率不低于85%的镜面铝压制而成。
8.根据权利要求1所述的免跟踪小型太阳能聚光集热器，其特征在于：所述箱体（5）的两端分别设有流体工质进口管（15）和流体工质出口管（16），流体工质进口管（15）和流体工质出口管（16）分别和集热管（6）的两端相连接。
9.根据权利要求1所述的免跟踪小型太阳能聚光集热器，其特征在于：所述的箱体（5）上分别设有真空压力表（17）和压力阀门（18），用于监控箱体（5）的密闭空腔内的压力状态的真空压力表（17）和作为抽真空接口的压力阀门（18）分别通过螺栓和橡胶垫片固定在箱体（5）上。
10.根据权利要求1所述的免跟踪小型太阳能聚光集热器，其特征在于：所述箱体（5）的底部设有连接底座（19）使得该聚光集热器能够固定在建筑上。
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