CN201725081U - 一种平板型平面玻璃镜反射太阳能聚光器 - Google Patents

Abstract

一种平板型平面玻璃镜反射太阳能聚光器，主要通过在平面框架上倾斜放置粘贴或镶嵌在平直型材上的多块条形玻璃镜构成，聚光接受体为平板光伏电池或平板集热器或圆柱形真空管集热器。条形玻璃镜的宽度和倾斜角度随自身所处位置、聚光接受体形状尺寸和位置、是否考虑太阳入射光立体角影响等因素而变，并由所给公式确定，并且条形玻璃镜排放时，第i+1块玻璃镜的最佳起始位置位于第i块玻璃镜外侧反射光线延长线上，避免第i块玻璃镜的遮挡，最大程度减小玻璃镜之间的间隙并保证反射光均匀叠加在接受体上。聚光器用于聚光光伏发电时，焦斑光强分布均匀，可提高发电效率，用于聚光集热时，可提高太阳能利用率。聚光器的加工简单，成本低，风阻小。

Description

一种平板型平面玻璃镜反射太阳能聚光器 

所属技术领域：

本实用新型涉及一种太阳能聚光器，尤其是一种平板型平面玻璃镜反射太阳能聚光器。 

背景技术：

目前，开发利用太阳能已成为世界各国可持续发展的主要战略决策之一。但是，太阳能的能流密度低(约1kW/m²)的缺点成为利用太阳能的主要障碍之一。为了提高太阳能的辐射能流密度，可以采用聚光的方法将太阳光聚集到接受器上，在进行光热利用时可提高集热温度，在进行光伏发电时则可减少昂贵的光伏电池用量。因此研制具有实用价值的低成本、高效率、高稳定性的太阳能聚光器，能够进一步促进太阳能的广泛应用。 

目前常用的聚光方法主要有槽式、碟式、菲涅尔透镜式等。前两者需要加工复杂的曲面反射镜，价格较贵，加工精度要求高，焦平面光强分布不均匀；后者虽然价格便宜，但是目前难以做成单块大面积的产品，且聚光均匀性较差。而聚光光强的均匀性对聚光光伏发电效率影响十分强烈，光强分布不均匀会造成弱光强照射处的光电池反而变成负载，导致电能内耗并引起温升等严重问题。因此，使用玻璃镜组合替代曲面反光镜可以降低加工要求和成本，例如专利200410025904.6(宁铎，张振国.抛物柱折面形太阳能聚光器玻璃条宽度的配列方法)提出了一种用镀银双层玻璃装配在抛物柱曲面形框架的槽内的太阳能聚光器设计方法，但该聚光器依然需要加工抛物型线槽，对加工精度要求较高，同时所提配列公式没有考虑太阳入射光立体角及接受面倾角等多种因素的影响，因此仍然不能对太阳能进行高效充分利用。 

发明内容：

本实用新型提出一种平板型平面玻璃镜反射太阳能聚光器，使用多个长条状平面玻璃镜按特定尺寸、位置放置在平板型框架上反射聚光，用于光伏发电时，放射光均匀叠加在焦平面上，光强分布均匀，可以提高光伏电池发电效率，也可用于圆柱或平面集热器产生中高温热能。聚光器各平面玻璃镜条相对位置确定后，可东西向长列布置，不用每天对日跟踪，只需对纬度每日或隔日略加调节跟踪即可；或者置于双轴太阳能***上，每日准确跟踪太阳，可获得最佳聚光性能。 

具体技术方案为： 

平面玻璃镜反射太阳能聚光器包括平板框架(1-1)、条形玻璃镜(1-2)、平板状聚光接受 体(1-3)或圆柱状聚光接受体(1-4)。 

其特征在于：在平面框架(1-1)上倾斜放置粘贴或镶嵌在平直型材上的条形玻璃镜(1-2)，条形玻璃镜(1-2)的宽度和倾斜角度随自身所处位置、聚光接受体(1-3)或(1-4)位置而改变，为了达到最佳聚光效果，条形玻璃镜(1-2)的宽度和角度应保证其所反射的有效光线全部处于聚光接受体(1-3)或(1-4)的有效区域内，并且玻璃镜条边界反射的光线位于聚焦接受体有效区域边界。 

所述的平板状聚光接受体(1-3)可以平板光伏电池或平板集热器，所述的圆柱状聚光接受体(1-4)可以是圆柱形真空管集热器或其他集热器。 

1.采用平板状聚光接受体： 

当平板状聚光接受体(1-3)为平板光伏电池时，由于对聚光光强均匀性要求较高，因此，对于此种情况，仅考虑玻璃镜反射太阳平行光。平板光伏电池接受体(1-3)相对于平板框架(1-1)的角度为θ，宽度为L，与平板框架(1-1)最小垂直距离为a。当θ＝0时，聚光接受体(1-3)与平板框架(1-1)平行。在平板框架上以聚光接受体投影位置为中心，向两侧依次排开若干条形玻璃镜(1-2)，或以聚光接受体投影位置为一端，向另一侧依次排开若干条形玻璃镜(1-2)，并编上号i，中间或起始一块为0号。设第任意i块玻璃镜的宽度为W_i，相对于平面底板框架的角度为α_i，玻璃镜与框架交点到中心线的距离为x_i，交点到玻璃镜下边缘的距离为b。此时，θ、L、a、b、x_i为已知，根据几何关系，可以有下列公式计算出第i块玻璃镜相对于平板框架(1-1)的角度α_i和宽度W_i： 

atan(2α_i)+bcosα_i+bsinα_itan(2α_i)-x_i＝0               (1) 

$W_i=\frac{L\cos (2{\mathrm{\α}}_i-\mathrm{\θ})}{\cos {\mathrm{\α}}_i}---\left(2\right)$

当该交点位于玻璃镜中心处时，玻璃镜的倾角计算公式可写为下式： 

${\mathrm{\α}}_i=\frac{1}{2}\arctan \left(\frac{x_i-\frac{L}{2}\cos \mathrm{\θ}}{a+\frac{L}{2}\sin \mathrm{\θ}}\right)---\left(3\right)$

当平板状聚光接受体(1-3)为平板热接收器时，由于对聚光光强均匀性要求较低，因此，对于此种情况，可以按前述方式仅考虑使用玻璃镜反射太阳平行光，也可以考虑太阳入射光立体角2Ω₁的影响，从而获得最大接收能量。此时，在相同条件下，玻璃镜的夹角α_i和宽度计算公式为： 

atan(2α_i+Ω₁)+bcosα_i+bsinα_itan(2α_i)-x_i＝0           (4) 

$W_i=\frac{(a+L\sin \mathrm{\θ}+b\sin {\mathrm{\α}}_i)\tan (2{\mathrm{\α}}_i-{\mathrm{\Ω}}_1)+L\cos \mathrm{\θ}+b\cos {\mathrm{\α}}_i-x_i}{\cos {\mathrm{\α}}_i+\sin {\mathrm{\α}}_i\tan (2{\mathrm{\α}}_i-{\mathrm{\Ω}}_1)}---\left(5\right)$

2.采用圆柱状聚光接受体： 

圆柱状聚光接受体(1-4)半径为r，圆心距平板框架(1-1)垂直距离为a，在平板框架(1-1)上以聚光接受体投影位置为中心，向两侧依次排开若干条形玻璃镜(1-2)，或以聚光接受体中心投影位置为一端，向一侧依次排开若干条形玻璃镜(1-2)，并编上号i，设第任意i块玻璃镜的宽度为W_i，相对于平面底板框架的角度为α_i，玻璃镜与框架交点到中心线的距离为x_i，交点到玻璃镜下边缘的距离为b。此时，r、a、b、x_i为已知。当仅考虑玻璃镜反射太阳平行光时，根据几何关系，可以确定第i块玻璃镜相对于平面底板框架的角度α_i和宽度W_i由下列公式迭代解出： 

$\tan \left(2{\mathrm{\α}}_i\right)=\frac{x_i[(\frac{W_i}{2}-b)\cos {\mathrm{\α}}_i+(\frac{W_i}{2}-b)\sin {\mathrm{\α}}_i\tan \left(2{\mathrm{\α}}_i\right)]}{a}---\left(6\right)$

$W_i=\frac{2r}{\cos {\mathrm{\α}}_i}---\left(7\right)$

当交点位于玻璃镜中间时，即b＝W_i/2，公式(5)可简化为： 

$\tan \left(2{\mathrm{\α}}_i\right)=\frac{x_i}{a}---\left(8\right)$

当考虑太阳入射光立体角2Ω₁的影响时，第i块玻璃镜的相对于平面底板框架的角度α_i和宽度W_i由下式确定： 

$[a-\frac{r}{\sin (2{\mathrm{\α}}_i+{\mathrm{\Ω}}_1)}]\tan (2{\mathrm{\α}}_i+{\mathrm{\Ω}}_1)=x_i-[b\cos {\mathrm{\α}}_i+b\sin {\mathrm{\α}}_i\tan (2{\mathrm{\α}}_i+{\mathrm{\Ω}}_1)]---\left(9\right)$

$(W_i-b)[\cos {\mathrm{\α}}_i+\sin {\mathrm{\α}}_i\tan (2{\mathrm{\α}}_i-{\mathrm{\Ω}}_1)]=(a+\frac{r}{\cos (2{\mathrm{\α}}_i-{\mathrm{\Ω}}_1)})\tan (2{\mathrm{\α}}_i-{\mathrm{\Ω}}_1)-x_i---\left(10\right)$

条形玻璃镜位置设计时还要尽量不遮挡相邻玻璃条反射的有效光线。 

本实用新型采用价格便宜、反射率高的条形玻璃镜作为反光面，使各条形玻璃镜将直射太阳光反射至接收器上，当接收器为平板接收器时，可以通过特定的玻璃镜尺寸和布置方式，使条形玻璃镜反射的光斑在平板接收面上形状相同且相互叠加，从而产生均匀的光强分布，有利于提高光伏电池发电效率。因此，本实用新型的有益效果是：具有低成本、高光学效率、可产生均匀光强聚光光斑，并且由于聚光面为多个条型玻璃组成的类似百叶窗式结构，还具有风阻小的特点。 

附图说明：

图1平面玻璃镜反射太阳能聚光器原理图 

(a)聚光接受体为平板(b)聚光接受体为圆柱体 

图2聚光接受体为平板且玻璃镜仅反射太阳平行光时的设计光路图 

图3聚光接受体为平板且考虑玻璃镜反射太阳光立体角时的设计光路图 

图4聚光接受体为圆柱体且玻璃镜仅反射太阳平行光时的设计光路图 

图5聚光接受体为圆柱体且考虑玻璃镜反射太阳光立体角时的设计光路图 

具体实施方式：

实施例1，用于平面光伏电池聚光光伏发电的平面玻璃镜反射太阳能聚光器结构示意参见图1(a)，平板状聚光接受体(1-3)为平板光伏电池，光伏电池宽度为L，布置时倾角为θ，对于光伏发电，光伏电池上的光强分布均匀性极为重要，因此对于本实施例仅考虑反射太阳直射平行光，光路示意图见图2。所述的平面玻璃镜反射太阳能聚光器要保证每面玻璃镜所反射的平行光线恰好全部落在平板状聚光接受体(1-3)的光电池上，并保证每面反光镜两边界的反光线都分别落在光电池相应的两边界上或略靠外。条状平面玻璃反光镜依次排放在平面框架(1-1)上。第一块玻璃镜的最佳起始位置处于平板状聚光接受体(1-3)在平面框架(1-1)上投影的外边缘处，以最大限度利用太阳能，玻璃镜的宽度W₁和角度α₁根据公式(1)、(2)确定，第二块玻璃镜的最佳起始位置位于第一块玻璃镜外侧反射光线延长线上，避免第一块玻璃镜的遮挡同时可以最大程度减小玻璃镜之间的间隙，其宽度W₂和角度α₂根据公式(1)、(2)确定，同理以此类推。聚光器聚光倍数为： 

$n=\frac{\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{W}_i\cos {\mathrm{\α}}_i}{L}---\left(11\right)$

实施例2，用于平面聚光光热利用的平面玻璃镜反射太阳能聚光器结构示意参见图1(a)，平板状聚光接受体(1-3)为平板状集热器，宽度为L，布置时倾角为θ，对于光热利用所述的平面玻璃镜反射太阳能聚光器要保证每面反光镜所反射的所有光线尽可能多的落在集热器上，因此本实施例考虑太阳入射光立体角2Ω₁的影响，从而获得最大接收能量，同时保证每面反光镜两边界的反光线都分别落在平板状聚光接受体(1-3)相应的两边界上或略靠外，光路示意图见图3。条状平面玻璃反光镜依次排放在平面框架(1-1)上。第一块玻璃镜的最佳起始位置处于平板状聚光接受体(1-3)在平面框架(1-1)上投影的外边缘处，以最大限度利用太阳能，玻璃镜的宽度W₁和角度α₁根据公式(4)、(5)确定，第二块玻璃镜的最佳起 始位置位于第一块玻璃镜外侧反射光线延长线上，避免第一块玻璃镜的遮挡同时可以最大程度减小玻璃镜之间的间隙，其宽度W₂和角度α₂根据公式(4)、(5)确定，同理以此类推。聚光器聚光倍数为可根据公式(11)确定。 

实施例3，用于聚光接受体为圆柱体的平面玻璃镜反射太阳能聚光器结构示意参见图1(b)，圆柱状聚光接受体(1-4)半径为r，圆心距平面框架(1-1)垂直距离为a，对于本实施例仅考虑反射太阳直射平行光，光路示意图见图4。所述的平面玻璃镜反射太阳能聚光器要保证每面玻璃镜所反射的平行光线恰好全部落在圆柱状聚光接受体(1-4)上，并保证每面反光镜两边界的反光线都分别落在圆柱状聚光接受体(1-4)相应的两边界上或以内。条状平面玻璃反光镜依次排放在平面框架(1-1)上。第一块玻璃镜的最佳起始位置处于圆柱状聚光接受体(1-4)在平面框架(1-1)上投影的外边缘处，以最大限度利用太阳能，玻璃镜的宽度W₁和角度α₁根据公式(6)、(7)确定，第二块玻璃镜的最佳起始位置位于第一块玻璃镜外侧反射光线延长线上，避免第一块玻璃镜的遮挡同时可以最大程度减小玻璃镜之间的间隙，其宽度W₂和角度α₂根据公式(6)、(7)确定，同理以此类推。 

实施例4，用于聚光接受体为圆柱体的平面玻璃镜反射太阳能聚光器结构示意参见图1(b)，圆柱状聚光接受体(1-4)半径为r，圆心距平面框架(1-1)垂直距离为a，对于本实施例考虑太阳入射光立体角2Ω₁的影响，从而获得最大接收能量，光路示意图见图5。所述的平面玻璃镜反射太阳能聚光器要保证每面玻璃镜所反射的平行光线恰好全部落在圆柱状聚光接受体(1-4)上，并保证每面反光镜两边界的反光线都分别落在圆柱状聚光接受体(1-4)相应的两边界上或以内。条状平面玻璃反光镜依次排放在平面框架(1-1)上。第一块玻璃镜的最佳起始位置处于圆柱状聚光接受体(1-4)在平面框架(1-1)上投影的外边缘处，以最大限度利用太阳能，玻璃镜的宽度W₁和角度α₁根据公式(9)、(10)确定，第二块玻璃镜的最佳起始位置位于第一块玻璃镜外侧反射光线延长线上，避免第一块玻璃镜的遮挡同时可以最大程度减小玻璃镜之间的间隙，其宽度W₂和角度α₂根据公式(9)、(10)确定，同理以此类推。 

Claims (7)

1.平板型平面玻璃镜反射太阳能聚光器包括平板框架(1-1)、条形玻璃镜(1-2)、平板状聚光接受体(1-3)或圆柱状聚光接受体(1-4)；

其特征在于：在平面框架(1-1)上倾斜放置粘贴或镶嵌在平直型材上的条形玻璃镜(1-2)，条形玻璃镜(1-2)的宽度和倾斜角度随自身所处位置、聚光接受体(1-3)或(1-4)位置而改变，为了达到最佳聚光效果，条形玻璃镜(1-2)的宽度和角度应保证其所反射的有效光线全部处于聚光接受体(1-3)或(1-4)的有效区域内，并且玻璃镜条边界反射的光线位于聚焦接受体有效区域边界。

2.所述的平板状聚光接受体(1-3)可以平板光伏电池或平板集热器，所述的圆柱状聚光接受体(1-4)可以是圆柱形真空管集热器或其他集热器。

3.根据权利要求1所述的平板型平面玻璃镜反射太阳能聚光器，当使用平板状聚光接受体(1-3)且接受体为平板光伏电池或集热器时，其特征为：聚光器仅需考虑玻璃镜反射太阳平行光，第i块玻璃镜相对于平板框架(1-1)的角度α_i和宽度W_i由下式确定：

atan(2α_i)+bcosα_i+bsinα_itan(2α_i)-x_i＝0                    (1)

式中θ为平板状聚光接受体(1-3)相对于平板框架(1-1)的角度，L为平板状聚光接受体(1-3)宽度，a为为平板状聚光接受体(1-3)与平板框架(1-1)最小垂直距离，x_i为玻璃镜与框架交点到中心线的距离，b为交点到玻璃镜下边缘的距离。

4.根据权利要求1所述的平板型平面玻璃镜反射太阳能聚光器，当使用平板状聚光接受体(1-3)且接受体为集热器时，其特征为：聚光器考虑太阳入射光立体角2Ω₁的影响，第i块玻璃镜相对于平板框架(1-1)的角度α_i和宽度W_i由下式确定：

atan(2α_i+Ω₁)+bcosα_i+bsinα_i tan(2α_i)-x_i＝0                (3)

式中θ为平板状聚光接受体(1-3)相对于平板框架(1-1)的角度，L为平板状聚光接受体(1-3)宽度，a为为平板状聚光接受体(1-3)与平板框架(1-1)最小垂直距离，x_i为玻璃镜与框架交点到中心线的距离，b为交点到玻璃镜下边缘的距离。

5.根据权利要求1所述的平板型平面玻璃镜反射太阳能聚光器，当使用圆柱状聚光接受体(1-4)且仅考虑利用太阳能平行光时，其特征为：第i块玻璃镜相对于平面底板框架的角 度α_i和宽度W_i由下列公式确定：

式中r为圆柱状聚光接受体(1-4)的半径，a为圆心距平板框架(1-1)垂直距离，x_i为玻璃镜与框架交点到中心线的距离，b为交点到玻璃镜下边缘的距离。

6.根据权利要求1所述的平板型平面玻璃镜反射太阳能聚光器，当使用圆柱状聚光接受体(1-4)且考虑太阳入射光立体角2Ω₁的影响时，其特征为：当第i块玻璃镜的相对于平面底板框架的角度α_i和宽度W_i由下式确定：

式中r为圆柱状聚光接受体(1-4)的半径，a为圆心距平板框架(1-1)垂直距离，x_i为玻璃镜与框架交点到中心线的距离，b为交点到玻璃镜下边缘的距离。

7.根据权利要求1所述的平板型平面玻璃镜反射太阳能聚光器，条形玻璃镜(1-2)排放时，第i+1块玻璃镜的最佳起始位置位于第i块玻璃镜外侧反射光线延长线上，避免第i块玻璃镜的遮挡，最大程度减小玻璃镜之间的间隙。 

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