CN106352562B - 一种线性菲涅尔太阳能聚光集热器的制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种线性菲涅尔太阳能聚光集热器，包括下支架、真空集热管、集热铜管、上支架和菲涅尔透镜，所述真空集热管固定架设于下支架的上端，所述菲涅尔透镜固定安装于所述上支架上，所述上支架可摆动套设于所述真空集热管上；所述集热铜管安装于所述真空集热管内；所述真空集热管为单向开口透明结构，所述菲涅尔透镜的焦点位于所述集热铜管上；所述集热铜管为U型结构，且其U型面竖直设置。还提供一种制造方法，1)构建二维X‑Y直角坐标系；2)在线性菲涅尔透镜的焦线处安装真空集热管；3)在真空集热管内安装抛物反射镜；4)在真空集热管的中心轴线处竖直设置集热铜管。本发明具有结构合理、太阳能利率高和安全可靠的有益效果。

Description

一种线性菲涅尔太阳能聚光集热器的制造方法

技术领域

本发明属于太阳能热利用技术领域，涉及一种太阳能聚光集热器的制造方法，尤其是指一种线性菲涅尔太阳能聚光集热器的制造方法。

背景技术

线性菲涅尔太阳能聚光集热器是通过线性菲涅尔透镜将太阳能聚焦成线，利用真空集热管内的导热油、水或者水蒸气等传热工质吸收太阳能的热量而将太阳能收集利用。现有的太阳能聚光器按照结构主要分为两种：一种为免跟踪类，一种为可跟踪类。免跟踪类的线性菲涅尔太阳能聚光集热器的菲涅尔线性菲涅尔透镜不随太阳光照射角度的变化而自动进行角度调节，只能在某段时间进行聚光，其太阳光能量吸收率和利用率低；可跟踪类的线性菲涅尔太阳能聚光集热器的集热铜管的结构布置不合理，集热铜管壁面的太阳能流密度不均，使得壁面温度梯度较大，导致真空集热管的集热效率低和安全性较差的情况。

发明内容

本发明的目的在于解决现有可跟踪类的线性菲涅尔太阳能聚光集热器的集热铜管的结构布置不合理，集热铜管壁面的太阳能流密度不均，使得壁面温度梯度较大而导致真空集热管的集热效率低和安全性较差的问题，提供一种结构合理、太阳能利率高和安全可靠的线性菲涅尔太阳能聚光集热器的制造方法。

本发明的目的可采用以下技术方案来达到：

一种线性菲涅尔太阳能聚光集热器，包括下支架、真空集热管、集热铜管、上支架和菲涅尔透镜，所述真空集热管固定架设于下支架的上端，所述菲涅尔透镜固定安装于所述上支架上，所述上支架可摆动套设于所述真空集热管上；所述集热铜管安装于所述真空集热管内；所述真空集热管为单向开口透明结构，所述菲涅尔透镜的焦点位于所述集热铜管上；所述集热铜管为U型结构，所述集热铜管的U型面竖直设置。

作为一种优选的方案，所述真空集热管内设有抛物反光镜，所述抛物反光镜设于所述集热铜管的下方，且抛物反光镜的开口向上设置；所述抛物反光镜的焦点位于所述真空集热管的圆心处；所述抛物反光镜的宽度不小于集热铜管的直径。

进一步地，所述上支架的下端设有圆环，所述圆环可摆动套设于所述真空集热管上，且该圆环的外圆周上设有轮齿；所述下支架上固定安装有电机，所述电机通过齿轮与所述轮齿啮合，驱动上支架摆动。

作为一种优选的方案，所述圆环的下端固定安装有配重。

作为一种优选的方案，所述圆环通过轴承可摆动套设于所述真空集热管上。

一种线性菲涅尔太阳能聚光集热器的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)以线性菲涅尔透镜的焦线点作为坐标原点O，以垂直于菲涅尔线性菲涅尔透镜平面的中心直线作为Y轴，以过原点O与Y轴垂直的直线为X轴，构建二维X-Y直角坐标系；

2)在线性菲涅尔透镜的焦线处安装真空集热管，且真空集热管的中心线与焦线重合；

3)在真空集热管内且位于其中心轴线下方安装抛物反射镜，抛物反光镜的开口向上设置；

4)在真空集热管的中心轴线处设置集热铜管，所述抛物反光镜的焦点位于所述真空集热管的圆心处，即坐标原点O处。

进一步地，所述步骤3)的具体内容如下：设线性菲涅尔透镜的边缘为点A，光线经点A(f)通过坐标原点O到达抛物反光镜点B，之后反射到与吸热铜管相切的点C处；

其中l为线性菲涅尔透镜的截面长度，f为线性菲涅尔透镜的焦距。在该二维X-Y直角坐标系下，抛物反光镜的曲线方程为：

其中，f₁为抛物反光镜的焦距；

U型集热铜管的下半部分的圆铜管的曲线方程为：

x²+(y-a)²＝r² (2)

其中a为U型集热铜管的下半部分的圆铜管的圆心距原点O的距离，故点C的坐标为(-r，a)；

直线AB，即直线AO的直线方程为：

故B点的坐标为(-r，)，将B点坐标代入式(1)得：

因为f₁为焦距，大于零，故：

将f₁代入式(1)中，即可得到抛物反光镜的安装位置的曲线方程为：

综上所述，抛物反光镜应满足光线经A折射，通过O点，能存在B点使其反射到C点，故抛物反光镜的曲线方程应满足以下条件：

抛物反光镜的曲线方程与AO直线方程有交点。

进一步地，所述线性菲涅尔透镜和抛物反光镜关于Y轴对称设置。

实施本发明，具有如下有益效果：

1、本发明在真空集热管内装竖直设置对称的U型集热铜管，U型集热铜管由于需要放置在菲涅尔透镜形成的近似三角形聚光区域,其上下两部分铜管均能吸收太阳能。而当U型集热铜管水平放置时,由于铜管平行间距相对三角形而言较大,而不能获得较大的聚光比,不能对太阳能的中高温的能量进行吸收利用，从而竖直设置U型集热铜管提高对太阳能的集热效率和利用率，具有结构合理、太阳能利率高和安全可靠的特点。

2、本发明在U型集热铜管下方加装抛物反光镜，能使透过焦线的部分光线通过抛物反光镜聚焦于U型集热铜管的下管的下半部分，使得铜管壁面的下半部分的的太阳能流密度分布更加均匀，减少了铜管壁面的温度梯度，使得整个U型铜管能均温分布，提高了真空集热管的安全性，提高了太阳光的利用率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明线性菲涅尔太阳能聚光集热器的结构示意图；

图2是本发明线性菲涅尔太阳能聚光集热器的圆环部的局部放大图；

图3是本发明线性菲涅尔太阳能聚光集热器的光照路径示意图；

图4是图3的下部的局部放大图；

图5是图4的内部的局部放大图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例

参照图1，本实施例涉及线性菲涅尔太阳能聚光集热器，包括下支架1、真空集热管2、集热铜管3、上支架4和菲涅尔透镜5，所述真空集热管2固定架设于下支架1的上端，所述菲涅尔透镜5固定安装于所述上支架4上，所述上支架4可摆动套设于所述真空集热管2上；所述集热铜管3安装于所述真空集热管2内；所述真空集热管2为单向开口透明结构，所述菲涅尔透镜5的焦点位于所述集热铜管3上；所述集热铜管3为U型结构，所述集热铜管3的U型面竖直设置。

本发明在使用时，其长度方向以南北方向设置。在真空集热管2内装竖直设置对称的U型集热铜管，U型集热铜管由于需要放置在菲涅尔透镜5形成的近似三角形聚光区域,其上下两部分铜管均能吸收太阳能。而当U型集热铜管水平放置时,由于铜管平行间距相对三角形而言较大,而不能获得较大的聚光比,不能对太阳能的中高温的能量进行吸收利用，从而竖直设置U型集热铜管提高对太阳能的集热效率和利用率，具有结构合理、太阳能利率高和安全可靠的特点。

结合图1、图3和图4所示，所述真空集热管2内设有抛物反光镜6，所述抛物反光镜6设于所述集热铜管3的下方，且抛物反光镜6的开口向上设置；所述抛物反光镜6的焦点位于所述真空集热管2的圆心处；所述抛物反光镜6的宽度不小于集热铜管3的直径。在U型集热铜管下方加装抛物反光镜6，能使透过焦线的部分光线通过抛物反光镜6聚焦于U型集热铜管的下管的下半部分，使得铜管壁面的下半部分的的太阳能流密度分布更加均匀，减少了铜管壁面的温度梯度，使得整个U型铜管能均温分布，提高了真空集热管2的安全性，提高了太阳光的利用率。

如图1和图2所示，所述上支架4固定安装有用于检测太阳光照射角的***7，所述上支架4的下端设有圆环41，所述圆环41可摆动套设于所述真空集热管2上，且该圆环41的外圆周上设有轮齿42；所述下支架1上固定安装有电机8，所述电机8通过齿轮9与所述轮齿42啮合，驱动上支架4摆动。通过***7实时检测太阳光的照射角的变化，当太阳角发生变化时，控制装置输出控制信号到电机8以控制电机8正转、反转或停止，而带动上支架4进行相应角度的摆动和停止，保持太阳光能垂直地照射到菲涅尔透镜5上，最大化地提高菲涅尔透镜5对光阳光的利用率。

所述圆环41的下端固定安装有配重43。该配重43与上支架4关于圆环41的中心轴线对称设置。在上支架4摆动的过程中，上支架4两侧的受力平衡，可防止上支架4产生失重的情况，整个集热器不易偏倒，且减少了电机8的负荷，提高电机8控制的准确性和安全性。

所述圆环41通过轴承44可摆动套设于所述真空集热管2上。通过轴承44可减小上支架4摆动时与真空集热管2的摩擦阻力，保证上支架4摆动的稳定性和准确性。

本实施例还提供一种线性菲涅尔太阳能聚光集热器的制造方法，如图3至图5所示，包括以下步骤：

1)以线性菲涅尔透镜5的焦线点作为坐标原点O，以垂直于菲涅尔线性菲涅尔透镜5平面的中心直线作为Y轴，以过原点O与Y轴垂直的直线为X轴，构建二维X-Y直角坐标系；所述线性菲涅尔透镜5和抛物反光镜6关于Y轴对称设置。

2)在线性菲涅尔透镜5的焦线处安装真空集热管2，且真空集热管2的中心线与焦线重合；

3)在真空集热管2内且位于其中心轴线下方安装抛物反射镜，抛物反光镜6的开口向上设置；

4)在真空集热管2的中心轴线处竖直设置集热铜管3，所述抛物反光镜6的焦点位于所述真空集热管2的圆心处，即坐标原点O处。

如图4和图5所示，在真空集热管2内装竖直设置对称的U型集热铜管，U型铜管由于需要放置在菲涅尔透镜5形成的近似三角形聚光区域,其上下两部分铜管均能吸收太阳能。而当U型集热铜管水平放置时,由于铜管平行间距相对三角形而言较大,而不能获得较大的聚光比,不能对太阳能的中高温的能量进行吸收利用，从而竖直设置U型集热铜管提高对太阳能的集热效率和利用率。

该方法在U型集热铜管下方设置抛物反光镜6，能使透过焦线的部分光线通过抛物反光镜6聚焦于U型集热铜管的下管的下半部分，使得铜管壁面的下半部分的的太阳能流密度分布更加均匀，减少了铜管壁面的温度梯度，使得整个U型铜管能均温分布，提高了真空集热管2的安全性，提高了太阳光的利用率。

对于抛物反光镜6的设置位置通过以下方法进行确定，具体内容如下：

如图3至图5所示，设线性菲涅尔透镜5的边缘为点A，光线经点A(f)通过坐标原点O到达抛物反光镜6点B，之后反射到与吸热铜管相切的点C处；

其中l为线性菲涅尔透镜5的截面长度，f为线性菲涅尔透镜5的焦距。在该二维X-Y直角坐标系下，抛物反光镜6的曲线方程为：

其中，f₁为抛物反光镜6的焦距；

U型集热铜管的下半部分的圆铜管的曲线方程为：

x²+(y-a)²＝r² (2)

其中a为U型集热铜管的下半部分的圆铜管的圆心距原点O的距离，故点C的坐标为(-r，a)；

直线AB，即直线AO的直线方程为：

故B点的坐标为(-r，)，将B点坐标代入式(1)得：

因为f₁为焦距，大于零，故：

将f₁代入式(1)中，即可得到抛物反光镜6的安装位置的曲线方程为：

综上所述，抛物反光镜6应满足光线经A折射，通过O点，能存在B点使其反射到C点，故抛物反光镜6的曲线方程应满足以下条件：

抛物反光镜6的曲线方程与AO直线方程有交点。

具体的，如下表1所示的参数为例，将表1中相关的尺寸代入到公式(4)中，即可得到均光抛物反光镜6的安装位置的曲线方程约为：

经求根公式运算，式(5)满足了能与直线AO式(6)有交点的条件，故该方程符合要求。所以抛物反光镜6的宽度略大于2r，即大于10mm，可取12mm，均光抛物反光镜6长度略小于真空集热管2长度l 1，即小于1800mm，可取1700mm。

故抛物反光镜6的宽度为12mm，长度1700mm，焦距为6.91mm，曲线方程为：

表1

因此，当采用表1的参数时，位于该抛物反光镜6的曲线方程上的x、y的位置即为抛物反光镜6的设置位置。

以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (2)

1.一种线性菲涅尔太阳能聚光集热器的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)以线性菲涅尔透镜的焦线点作为坐标原点O，以垂直于菲涅尔线性菲涅尔透镜平面的中心直线作为Y轴，以过原点O与Y轴垂直的直线为X轴，构建二维X-Y直角坐标系；

2)在线性菲涅尔透镜的焦线处安装真空集热管，且真空集热管的中心线与焦线重合；

3)在真空集热管内且位于其中心轴线下方安装抛物反射镜，抛物反光镜的开口向上设置；

4)在真空集热管的中心轴线处竖直设置集热铜管，所述抛物反光镜的焦点位于所述真空集热管的圆心处，即坐标原点O处；

所述步骤3)的具体内容如下：设线性菲涅尔透镜的边缘为点A，光线经点通过坐标原点O到达抛物反光镜点B，之后反射到与吸热铜管相切的点C处；

其中l为线性菲涅尔透镜的截面长度，f为线性菲涅尔透镜的焦距； 在该二维X-Y直角坐标系下，抛物反光镜的曲线方程为：

其中，f₁为抛物反光镜的焦距；

U型集热铜管的下半部分的圆铜管的曲线方程为：

x²+(y-a)²＝r² (2)

其中a为U型集热铜管的下半部分的圆铜管的圆心距原点O的距离，故点C的坐标为(-r，a)；

直线AB，即直线AO的直线方程为：

故B点的坐标为将B点坐标代入式(1)得：

因为f₁为焦距，大于零，故：

将f₁代入式(1)中，即可得到抛物反光镜的安装位置的曲线方程为：

综上所述，抛物反光镜应满足光线经A折射，通过O点，能存在B点使其反射到C点，故抛物反光镜的曲线方程应满足以下条件：

抛物反光镜的曲线方程与AO直线方程有交点。

2.根据权利要求1所述的一种线性菲涅尔太阳能聚光集热器的制造方法，其特征在于，所述线性菲涅尔透镜和抛物反光镜关于Y轴对称设置。