一种新型拼接反射面碟式太阳能集热系统

1.本实用新型涉及太阳能集热系统技术领域，尤其涉及一种新型拼接反射面碟式太阳能集热系统。


背景技术：

2.聚光太阳能热利用是使用聚光技术，将大量低密度太阳能聚焦到较小面积上，形成高密度太阳能，从而可以产生高温热能，用于太阳能热发电，是最有希望取代燃煤电厂的热发电技术。目前的主要聚光太阳能技术有塔式、槽式、线性菲涅耳和碟式聚光太阳能技术。
3.通常碟式太阳能聚光技术使用旋转抛物面反射镜作为主镜，使用双向跟踪设备，让入射太阳光总是以0度左右入射角入射到碟式反射镜上，由碟式反射镜将太阳光聚焦到焦点上，使用接收器或直接加热工质，驱动安装在焦点上的发动机发电。这种方法的余弦因子最大，效率最高，是最有发展前景的聚光太阳能技术之一。
4.但是，通常碟式系统使用旋转抛物面反射镜作主镜，旋转抛物面加工难度大，成本高，误差大，导致系统性能下降。最简单的解决办法是使用小面积平面镜拼接构成碟式系统反射镜，如中科大王云峰的博士论文研究了这种系统性能，但聚光倍数大幅度下降，性能比旋转抛物面碟式系统差很多。其次是使用多个球面镜拼接构成反射镜，模拟旋转抛物面反射镜，如专利cn201220201616.1使用正方形球面镜，拼接组成反射镜，可以降低反射镜加工难度和成本，文献中还有用正六边形以及正三角形球面镜，但它们都引入了球面像差，包括球差，子午和弧矢面像差，仍然明显降低了系统性能。第3种解决方法是使用球面镜做主镜，在天文望远镜领域，已经成为很多巨型望远镜的主要选择方案之一，可以大幅度降低主镜加工难度和加工成本，但往往需要使用多个次镜来修正球差，使得系统结构很复杂，制造难度和成本增加，很难应用到太阳能领域。cn200610041392.1则使用球面镜代替旋转抛物面，不加像差修正，使用管式接收器，长度等于球面半径一半，也就是球面镜焦距，聚光倍数和性能都大幅度下降。cn201610278112.2和cn201610278111.8则使用多个非球面反射镜构建离轴碟式系统，反而加工难度和成本都增加。


技术实现要素：

5.本实用新型目的就是为了弥补已有技术的缺陷，提供一种新型拼接反射面碟式太阳能集热系统。本实用新型提出了使用多个椭球面反射镜或轮胎面反射镜拼接，作为子镜构成碟式系统反射镜，每个子镜都是椭球面或轮胎面一部分，提出可以较好地消除子午和弧矢像差，以及球差的方法，就可以取得很好的聚光效果。
6.本实用新型是通过以下技术方案实现的：
7.一种新型拼接反射面碟式太阳能集热系统，包括反射镜组和接收器，所述反射镜组是由多个椭球面反射镜或轮胎面反射镜拼接而成的，所有椭球面反射镜或轮胎面反射镜中心都在同一个旋转抛物面上，每个椭球面反射镜或轮胎面反射镜中心法向量都和安装位
置的抛物面法向量一致；所述的接收器安装在旋转抛物面焦点上。
8.所述的椭球面反射镜的子午面焦距fx和弧矢面焦距fy，按下式确定：
[0009][0010][0011]
是子镜中心所在位置的边缘角，f为蝶式太阳能集热系统焦距；则椭球面三个轴长度符合以下要求，其中z轴半轴长度c取值范围为2—10*fx，子午面短半轴长度a和弧矢面短半轴长度b，按下式计算：
[0012][0013][0014]
所述轮胎面反射镜曲面方程为：
[0015][0016]
其中x,y和z是曲面上任意一点的三维坐标，rx和ry是曲面方程参数，分别按下式计算：
[0017][0018][0019]
所述的椭球面反射镜或轮胎面反射镜，其外形是长方形或正方形或六边形或扇环；最大宽度和最大长度d均应满足：
[0020][0021]
其中σ是反射光线高斯分布方差，是碟式太阳能集热系统边缘角。其中实用扇环，可以减少反射镜子镜种类，制造安装成本较低。
[0022]
所述接收器采用空腔接收器或平板接收器，接收器半径r由下式决定：
[0023][0024]
w为碟式太阳能集热系统半径。
[0025]
所述的碟式太阳能集热系统边缘角范围为40—50度。
[0026]
所述的接收器上方安装圆台型聚光反射镜，所述圆台型聚光反射镜是圆台侧面形状的反射镜，直径较大的圆台入口安装到碟式太阳能集热系统的焦平面上，所述的接收器安装到圆台型聚光反射镜的出口上；反射面与垂直方向夹角θ范围为2-10度，圆台型聚光反射镜的入口半径等于没有安装圆台型聚光反射镜情况下的碟式太阳能集热系统的接收器
半径，圆台型聚光反射镜的出口半径r
′
则与增加圆台型聚光反射镜后的接收器半宽相等，按下式计算：
[0027][0028]
所述接收器使用空腔接收器时，在空腔接收器开口处安装球缺面透明玻璃盖板，凹面置于空腔接收器内部。
[0029]
本实用新型的优点是：本实用新型提出了使用多个椭球面反射镜或轮胎面反射镜拼接，作为子镜构成碟式系统反射镜，每个子镜都是椭球面或轮胎面一部分，可以较好地消除子午和弧矢像差，以及球差，可以取得很好的聚光效果。
[0030]
本实用新型使用的空腔接收器吸收率高，光线进入空腔后，基本上都被接收器吸收，使用空腔接收器，可以调整接收器内部接受面结构，保持比较均匀的腔体能流密度分布和温度分布，从而比平板式接收器热损小，热性能稳定，集热效率高。
附图说明
[0031]
图1为椭球面拼接碟式系统侧视图；
[0032]
图2为椭球面拼接碟式系统扇形子镜拼接组成的反射镜；
[0033]
图3为扇形子反射镜外形轮廓；
[0034]
图4为六边形子镜拼接组成的反射镜；
[0035]
图5为带有圆台形反射聚光镜的椭球面拼接碟式系统侧视图；
[0036]
图6为实用新型使用空腔接收器的开口面(焦面)能流密度分布图；
[0037]
图中，1是反射镜组；2是圆台型聚光反射镜，3是接收器，4是球缺面透明玻璃盖板。
具体实施方式
[0038]
如图1-5所示，一种新型拼接反射面碟式太阳能集热系统，包括反射镜组1和接收器3，所述反射镜组1是由多个椭球面反射镜或轮胎面反射镜拼接而成的，所有椭球面反射镜或轮胎面反射镜中心都在同一个旋转抛物面上，每个椭球面反射镜或轮胎面反射镜中心法向量都和安装位置的抛物面法向量一致；所述的接收器3安装在旋转抛物面焦点上。
[0039]
所述的椭球面反射镜的子午面焦距fx和弧矢面焦距fy，按下式确定：
[0040][0041][0042]
是子镜中心所在位置的边缘角，f为蝶式太阳能集热系统焦距；则椭球面三个轴长度符合以下要求，其中z轴半轴长度c取值范围为2—10*fx，子午面短半轴长度a和弧矢面短半轴长度b，按下式计算：
[0043][0044]
[0045]
所述轮胎面反射镜曲面方程为：
[0046][0047]
其中x,y和z是曲面上任意一点的三维坐标，rx和ry是曲面方程参数，分别按下式计算：
[0048][0049][0050]
所述的椭球面反射镜或轮胎面反射镜，其外形是长方形或正方形或六边形或扇环；最大宽度或长度d满足：
[0051][0052]
其中σ是反射光线高斯分布方差，是碟式太阳能集热系统边缘角。
[0053]
所述接收器采用空腔接收器或平板接收器，接收器半径r由下式决定：
[0054][0055]
w为碟式太阳能集热系统半径。
[0056]
所述的碟式太阳能集热系统边缘角范围为40—50度。
[0057]
所述的接收器上方安装圆台型聚光反射镜2，所述圆台型聚光反射镜2是圆台侧面形状的反射镜，直径较大的圆台入口安装到碟式太阳能集热系统的焦平面上，所述的接收器安装到圆台型聚光反射镜的出口上；反射面与垂直方向夹角θ范围为2-10度，圆台型聚光反射镜的入口半径等于没有安装圆台型聚光反射镜情况下的碟式太阳能集热系统的接收器半径，圆台型聚光反射镜的出口半径r
′
则与增加圆台型聚光反射镜后的接收器半宽相等，按下式计算：
[0058][0059]
所述接收器使用空腔接收器时，在空腔接收器开口处安装球缺面透明玻璃盖板4，凹面置于空腔接收器内部。
[0060]
本实用新型系统的设计方法，具体包括以下步骤：
[0061]
第一步，确定碟式太阳能集热系统半径w；
[0062]
第二步，确定碟式太阳能集热系统边缘角
[0063]
第三步，根据半径w和边缘角计算碟式太阳能集热系统焦距f，计算式为：
[0064][0065]
第四步；确定每个反射镜曲面形状和参数，如果使用椭球面反射镜，所述椭球面反射镜的子午面焦距fx和弧矢面焦距fy，按下式确定：
[0066][0067][0068]
是子镜中心所在位置的边缘角；则椭球面z轴半轴长度c取值范围为2—10*fx，子午面短半轴长度a和弧矢面短半轴长度b，按下式计算：
[0069][0070][0071]
如果使用轮胎面反射镜，所述轮胎面反射镜曲面方程为：
[0072][0073]
rx和ry分别按下式计算：
[0074][0075][0076]
第五步，确定每个椭球面反射镜最大宽度和最大长度，用d表示，均按下式确定；
[0077][0078]
σ是反射太阳光线高斯分布方差；
[0079]
第六步，确定接收器半径r，计算式为：
[0080][0081]
所述的接收器上方安装圆台型聚光反射镜，圆台型聚光反射镜的出口半径r
′
按下式计算：
[0082][0083]
所述的接收器使用空腔接收器，在空腔接收器开口处安装球缺面透明玻璃盖板，球缺面透明玻璃盖板的球缺面开口半径等于接收器半径。
[0084]
下面以椭球面反射镜拼接构成通光半径w＝4.1米的碟式系统为例，给出主要设计参数。如前所述，反射光强高斯分布方差σ＝4.776mrad，采用空腔接收器，最大聚光比时，系统边缘角为45度，接收器半径r＝117.5毫米，聚光比为1217。系统焦距米，子镜最大宽度或长度与子镜球面半径w/r《1.257，我们在以前申请的专利202221295614.3中指出，支撑聚光反射镜时，受力点应布置在反射镜周边，考虑到反射镜所使用的玻璃很薄，反射镜不宜过大，我们选择圆柱面反射镜平均宽度和高度不超过0.5米，而不是按计算得到的最大值所对应尺寸。系统可用8种椭球面反射镜拼接，下面以
最外圈椭球面反射镜设计为例介绍本文提出的设计方法，这时扇环外圆半径为4.1米，内圆半径为3.6米，平均为3.85米，周长为24.9757米，可平均划分为50个椭球面反射镜，每个平均弧长略小于0.5米。每个椭球面中心对应的碟式系统边缘角弧度，则椭球面反射镜子午面焦距fx＝5.9630米，弧矢面焦距fy＝5.2663米，可选择椭球面z轴半长度c＝25米，则椭球面x和y方向半长轴长度a＝17.2670米，b＝16.2270米。其他7圈椭球反射镜设计类似。将其安装到双向跟踪装置上，空腔接收器半径为117.5mm，安装到焦点上，就可以构成碟式系统。我们建立的光线追踪程序计算了焦面能流密度分布，反射面光学误差为4.776mrad，如图2所示。拦截率达到98.56％。如果采用旋转抛物面构建同样碟式系统，通光半径和接收器半径相同，但抛物面径向误差为2.5mrad，光学误差为6.6nrad，拦截率为97.75％，比拼接碟式系统低0.8％，但其制作复杂，成本高。
[0085]
首先讨论消除子午面和弧矢面像差的方法和效果。子午面和弧矢面像差，是入射平行光线以一定入射角λ被球面反射后，子午面焦距fx和弧矢面焦距fy都不同于垂直入射时，球面镜焦距f，参考rabl《active solar collectors and their applications》第七章建立的球面定日镜子午面和弧矢面焦距理论，应分别按下式计算：
[0086]fx
＝f*cosλ
[0087]fy
＝f/cosλ
[0088]
如果我们使用球面镜作为子镜拼接碟式系统，则无论采用什么焦距，让接受面在什么位置，都会在焦面上形成光斑。我们需要改变反射镜子午面和弧矢面焦距，才能将其聚焦到原先的焦点上。如果拼接子镜中心在碟式系统上对应的边缘角为碟式系统焦距为f，则子午面和弧矢面焦距应当分别为：
[0089][0090][0091]
使用椭球面镜时，按下述方法确定椭球面三个轴长度，其中z轴半轴长度c应大于2fx，可取值5-10fx；子午面短半轴长度a和弧矢面短半轴长度b，可按下式计算：
[0092][0093][0094]
使用轮胎面反射镜时，轮胎面方程为：
[0095][0096]
其中x,y和z是曲面上任意一点的三维坐标，rx和ry是曲面方程参数，分别按下式计算：
[0097]
[0098][0099]
就可以完全消除子午面和弧矢面慧差。相反，如果我们不做子午慧差校正，采用球面镜，最佳的设计是让球面镜焦距等于球面反射镜中心到碟式抛物面焦点，也就是说：
[0100][0101]
此时，产生的子午慧差，对通光半径w为0.5米球面子镜，安装位置边缘角为45度时，就会增大象斑半径为米，与消除慧差后的接收器半径，按上式计算，对通光半径为4米碟式系统为95.5mm，相当接近，从而使性能大幅度下降。
[0102]
其次讨论消除球差的方法和影响。球差是指平行球面镜主轴入射的平行光，在焦面上会形成较大的光斑，光斑半径δx，就是横向球差，参见(苏)克略帕洛娃等《光学系统的研究与检验》第175页，可以用下式表示：
[0103]
δ
x
＝r*tan(ψ)*sin2(ψ/4)/cos(ψ/2)
[0104]
r是球面反射镜球的半径，ψ是球面反射镜反射光线与主轴的最大交角。
[0105]
旋转抛物面碟式系统不存在球差，接收器主要拦截弥散的反射光线，但使用椭球面或轮胎面子镜拼接构成旋转抛物面碟式系统，虽然经过消除手段，但像差影响仍然存在，我们的研究表明，如果σ是反射光强高斯分布方差，应当完全拦截
±
3σ范围的反射光，可以得到接收器半径r应按下式计算：
[0106][0107]
w是碟式系统通光半径，是碟式系统边缘角，使用球面镜拼接时，球差就是使拦截的反射光斑半径增加部分，此时，接收器半径计算式为：
[0108][0109]
我们消除球差，就是要降低球差的影响，我们的研究结果表明，当球差≤5％r，影响就可以忽略了，也就是：
[0110][0111]
由于消除球差就是要求ψ很小，可近似地认为，sin(ψ/2)≈ψ/2；sin(ψ/4)≈ψ/4；另一方面，
[0112][0113]
sin(ψ/2)＝d/(2r)
[0114]
这里d代表球面镜通光最大宽度或最大长度，应用2f＝r，是因为靠近抛物槽顶点的圆柱面反射镜的焦距和半径最小，同样宽度下，ψ最大，产生的球差最大，因此，我们只需要讨论该反射镜。则
[0115][0116]
其中反射光强高斯分布方差σ的计算式为：
[0117][0118]
参考bendt等发表的槽式系统研究报告《optical analysis and optimization of line focus solar collectors》提供的实测数据，可取太阳光球分布方差σ
sun
为4.1mrad，σ
slope
是反射镜坡度误差分布方差，使用球面镜时，取1.0mrad；σ
tracking
是跟踪误差高斯分布方差，取1.0mrad；σ
disp
是系统安装误差高斯分布方差，取1mrad；σ
specular
是反射镜材料等误差高斯分布方差，通常很小，可忽略不计；计算得到σ＝4.776mrad。忽略球差影响后，参考公式2，度时，聚光比最大，代入上式，得到：
[0119]
d/r≤1.257
[0120]
由此我们就得到了基本消除球差的要求，我们的设计方案就引入上述要求，消除了球差影响，从而可以获得较高性能。
[0121]
下面分析使用空腔接收器的有益效果。
[0122]
使用空腔接收器比平板接收器性能优越，其原因是空腔接收器吸收率高，光线进入空腔后，基本上都被接收器吸收，而平板接收器会反射一部分被拦截的太阳光线，通常这部分约占5％-10％，使得吸收率较低。这是使用空腔接收器的主要有益效果。
[0123]
此外，参见图6，碟式旋转抛物面反射镜在焦面上能流密度分布很不均匀，使得接受面温度分布不均匀，导致热损会较大，热性能稳定性较差，还容易烧毁接受面。对比使用空腔接收器，就可以调整接收器内部接受面结构，保持比较均匀的腔体能流密度分布和温度分布，从而比平板式接收器热损小，热性能稳定，集热效率高。
[0124]
本实用新型提出的设计方法，可以快速方便地确定包括使用碟式系统以及使用的两种拼接子镜曲面的设计参数。通常如何选择接收器各项设计参数，包括边缘角，接收器半径，子镜子午面和弧矢面焦距，常常是大量仿真计算不同条件下系统性能，综合考虑多种因素影响，才能确定，如美国bendt等发表的槽式系统研究报告《optical analysis and optimization of line focus solar collectors》。这种方法过程复杂，工作量很大，还不一定得到优化的设计方案。本方法则是根据本人提出的接收器尺寸计算公式，得到聚光比计算公式，从而可以确定最佳边缘角和接收器尺寸，从而确定系统各个设计参数。在拼接子镜设计方面，则建立了消除球差和子午慧差条件和计算公式，从而确定圆柱面反射镜参数。本实用新型提出的设计方法，计算过程简单，思路清晰，可以比较容易得到可靠设计，优于传统光学方法得到的设计。
[0125]
本实用新型提出了估算旋转抛物面碟式系统接收器半径的计算公式，从而可以方便地确定系统各项设计参数。通常碟式系统多使用空腔接收器，如何选择接收器半径，常常是大量仿真计算不同条件下系统性能，综合考虑多种因素影响，才能确定接收器半径，如美国bendt等发表的槽式系统研究报告《optical analysis and optimization of line focus solar collectors》。
[0126]
另一方面，理论上经常忽略光学系统误差，将反射光线看成是来自太阳光球，估算碟式系统可以选择的最小接收器半径，从而可以估算碟式系统最大理论聚光比，但这种理论估算，对人们设计实际碟式系统没有帮助。本实用新型类比该理论，我们提出了估算碟式系统接收器半径的理论和计算公式，从而得到最大聚光比设计参数，简要阐述如下：
[0127]
抛物面槽式反射镜反射的太阳光，可以用高斯分布描述其强度分布。接收器拦截
的反射光分布角决定了拦截率，例如，拦截的分布角等于高斯分布平均宽度σ时，约68％的光线被拦截，而增加到2σ时，拦截率就会增加到95.4％，增加到4σ时，拦截率就会增加到100％了。我们研究表明，离焦点最远的反射点都被接收器拦截的分布角应为3σ，也就是所有分布角小于3σ都被拦截，在系统边缘角为45度时，这时最近反射点的拦截分布为3.516σ，则平均拦截率可以近似估算为99％。因此，我们推导的碟式系统空腔接收器半径r计算式为：
[0128][0129]
这里是碟式系统边缘角。另一方面，碟式系统通光半径代入后得到：
[0130][0131]
聚光比gr计算式为：
[0132][0133]
要使碟式性能最佳，就应当聚光比最大，此时边缘角度，由此可以确定碟式系统边缘角，从而可以根据上式得到接收器半径r＝6σ*w。从而就可以给出旋转抛物面碟式系统设计参数。采用椭球面反射镜或轮胎面反射镜，则可以根据消除球差和子午面以及弧矢面慧差要求，给出设计参数。

技术特征：
1.一种新型拼接反射面碟式太阳能集热系统，包括反射镜组和接收器，其特征在于：所述反射镜组是由多个椭球面反射镜或轮胎面反射镜拼接而成的，所有椭球面反射镜或轮胎面反射镜中心都在同一个旋转抛物面上，每个椭球面反射镜或轮胎面反射镜中心法向量都和安装位置的抛物面法向量一致；所述的接收器安装在旋转抛物面焦点上。2.根据权利要求1所述的一种新型拼接反射面碟式太阳能集热系统，其特征在于，所述的碟式太阳能集热系统边缘角范围为40—50度。3.根据权利要求1所述的一种新型拼接反射面碟式太阳能集热系统，其特征在于，所述接收器使用空腔接收器时，在空腔接收器开口处安装球缺面透明玻璃盖板，凹面置于空腔接收器内部。

技术总结
本实用新型公开了一种新型拼接反射面碟式太阳能集热系统，本实用新型提出了使用多个椭球面反射镜或轮胎面反射镜拼接，作为子镜构成碟式系统反射镜，每个子镜都是椭球面或轮胎面一部分，可以较好地消除子午和弧矢像差，以及球差，可以取得很好的聚光效果。本实用新型使用的空腔接收器吸收率高，光线进入空腔后，基本上都被接收器吸收，使用空腔接收器，可以调整接收器内部接受面结构，保持比较均匀的腔体能流密度分布和温度分布，从而比平板式接收器热损小，热性能稳定，集热效率高。集热效率高。集热效率高。


技术研发人员：黄卫东
受保护的技术使用者：中国科学技术大学
技术研发日：2023.02.06
技术公布日：2023/10/20