新型圆柱面反射镜拼接槽式太阳能集热系统

1.本实用新型涉及槽式太阳能集热器技术领域，尤其涉及一种新型圆柱面反射镜拼接槽式太阳能集热系统。


背景技术：

2.聚光太阳能集热器是使用聚光技术，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，可以储热，从而可以连续发电，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集热技术有塔式、槽式、线性菲涅耳和碟式聚光太阳能技术。其中槽式太阳能集热器使用线聚焦抛物面做聚光器，是最成熟的技术，早在30多年前就实现了商业化，性能稳定，但聚光倍数不到30，工作温度低，性能很难提高，其中主要原因之一，是使用线聚焦抛物面，加工成本高，光学误差大，使得聚光倍数低。
3.专利cn200520134069.x提出使用槽型圆弧面反射镜代替抛物面反射镜，可以简化生产工艺，大幅度降低反射镜制造成本，但性能却会大幅度降低，其主要原因在于，圆柱面反射镜存在较大的像差，在同样槽宽下，圆柱面反射镜的宽度和焦距之比要远远小于抛物面反射镜，才能消除像差，同样槽式系统宽度下，圆柱面反射镜的焦距要远大于抛物面槽式系统，由于接收器半径与焦距成正比，就会比抛物面槽式系统大很多，从而降低了聚光比和工作温度，性能远远低于普通抛物面槽式系统。
4.专利cn200920231849.4提出的方案中包括使用多段圆弧反射镜代替槽式抛物面反射镜，但却没有给出如何拼接多段圆弧反射镜，模拟抛物面反射镜的方法，例如，实施例1和2使用2段圆弧反射镜代替抛物面反射镜，仍然存在较大像差；其改进形式，包括实施例3，虽然使用多个圆弧面拼接，但却没有介绍如何确定各个圆弧反射镜位置和镜面方向及其圆弧半径，给出的实施图中，各个圆弧反射镜错落布置，明显偏离抛物面，性能很难保证。
5.cn201110462998.3提出使用平面镜拼接构成槽式抛物面反射镜，由于平面镜必然在焦面上产生与平面镜宽度相同的平行光象斑，该系统聚光比会大幅度下降，从而性能远低于抛物面槽式系统。
6.专利cn200920231849.4提出的方案中，提出使用复合抛物面作二次聚焦，从而提高性能和聚光比，但这种系统所使用的复合抛物面会多次反射光线，要求很高的加工精度，否则反射光线误差会随反射次数线性增加，从而降低系统性能，使得该方案经济性很差。


技术实现要素：

7.本实用新型目的就是为了弥补已有技术的缺陷，提供一种高聚光比、光学效率较高、加工难度降低、成本下降的新型圆柱面反射镜拼接槽式太阳能集热系统。本实用新型提出的发明点一是使用多个圆柱面反射镜拼接构成近似线聚焦抛物面，可以减小系统光学误差，使性能与同样光学误差的槽式集热器几乎没有差别，在同样加工工艺下，圆柱面镜的光学误差较低，从而可以提高系统光学性能和聚光倍数；发明点二是使用空腔接收器代替管
式接收器，我们证明同样增加聚光比，减少热损；发明点三是在接收器前增加v型槽式反射聚光镜，较大幅度增加聚光倍数，从而提高系统工作温度，增加槽式太阳能热发电系统效率。
8.本实用新型是通过以下技术方案实现的：
9.一种新型圆柱面反射镜拼接槽式太阳能集热系统，包括反射镜组和接收器，所述的反射镜组是由多个条状圆柱面反射镜拼接组成的，所述的多个条状圆柱面反射镜的中心构成抛物线，每个条状圆柱面反射镜中心法向量都和其安装位置的抛物线法向量一致，从而确定每个条状反射镜安装方向；所述的接收器安装在多个条状圆柱面反射镜中心构成的抛物线焦点上；所述反射镜组和接收器均安装在太阳光跟踪设备上，通过太阳光跟踪设备跟踪太阳位置变化，通过反射镜组将太阳光线聚焦到接收器上。
10.所述的条状圆柱面反射镜的圆半径r与其中心在抛物面上位置的边缘角和抛物槽焦距f相关，按下式确定：
[0011][0012]
所述的接收器是管式接收器或条形空腔接收器或平板接收器；所述的管式接收器是真空集热管；
[0013]
所述接收器是管式接收器时，半径r由下式决定：
[0014][0015]
所述接收器是条形空腔接收器或平板接收器时，接收器半宽r由下式决定：
[0016][0017]
其中，w是槽式太阳能集热系统半槽宽，是槽式太阳能集热系统边缘角，σ是反射光强高斯分布方差，λ是太阳光在槽式太阳能集热系统入射角。
[0018]
所述接收器是管式接收器时，所述条状圆柱面反射镜宽度w与圆半径r之比符合下式条件：
[0019][0020]
所述接收器是条形空腔接收器或平板接收器时，所述条状圆柱面反射镜宽度w与圆半径r之比符合下式条件：
[0021][0022]
其中，σ是反射光强高斯分布方差，λ是太阳光在槽式太阳能集热系统入射角，是槽式太阳能集热系统边缘角。
[0023]
还包括有v型槽式反射聚光镜，所述的v型槽式反射聚光镜的入口安装到槽式太阳能集热系统的焦平面上，所述的接收器安装在v型槽式反射聚光镜的出口上；所述的v型槽
式反射聚光镜由2个倾斜的平面反射镜组成，反射面与垂直方向夹角θ为2-10度，v型槽式反射聚光镜的入口半宽等于上述槽式太阳能集热系统接收器管半径或半宽r，v型槽式反射聚光镜的出口宽度r
′
则与增加v型槽式反射聚光镜后，接收器管半径或半宽相等，按下式计算：
[0024][0025]
所述接收器使用条形空腔接收器时，在条形空腔接收器开口处安装有圆柱面透明玻璃盖板，凹面置于空腔接收器内部。
[0026]
所述接收器使用空腔接收器时，在空腔接收器开口处安装有圆柱面透明玻璃盖板，凹面朝向空腔接收器内部。在空腔接收器开口增加圆柱面透明玻璃盖板，首先是减少热损，透明玻璃材料应选择对可见光透过率高，对红外辐射透过率低的玻璃材料，类似真空集热管外管使用的玻璃材料，从而热损低；其次采用半圆形结构，或大于半圆形结构，可以减少反射损失的太阳光，增加接收器对太阳光的吸收率。
[0027]
本实用新型的优点是：
[0028]
本实用新型使用圆柱面反射镜拼接构成抛物面槽式反射镜，提出的要求，可以消除使用球面镜拼接带来的球差和子午面像差，使得系统性能与同样光学误差下的抛物面槽式系统性能差别很小；而抛物面加工难度大，同样工艺下，光学误差常常是圆柱面反射镜的2到3倍，目前主流工艺下，圆柱面反射镜坡度误差在1mrad，而抛物面在2-3mrad，因此，使用圆柱面拼接槽式系统反而性能明显优于抛物面槽式系统。
[0029]
本实用新型使用空腔或平板接收器替代通常使用的管式接收器，如真空集热管，使用空腔接收器或平板接收器的槽式系统聚光比较大，明显优于使用管式接收器的槽式系统。此外，使用空腔接收器比管式接收器和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，但管式接收器和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。
[0030]
本实用新型提出使用v型槽式反射聚光镜，虽然聚光倍数低于复合抛物面，但结构简单，使用两块倾斜的平面反射镜，就可以将一定方向的入射光线聚焦起来，v型槽所使用的平面反射镜加工容易，光学误差很小，从而消除多次反射带来的不利影响；聚光比增加，可以减少热损，提高系统工作温度，从而增加后续发电系统效率，提高槽式热发电系统总效率和性能。
[0031]
本实用新型在空腔接收器开口增加圆柱面透明玻璃盖板，首先是减少热损，透明玻璃材料应选择对可见光透过率高，对红外辐射透过率低的玻璃材料，类似真空集热管外管使用的玻璃材料，从而热损低；其次采用半圆形结构，或大于半圆形结构，可以减少反射损失的太阳光，增加接收器对太阳光的吸收率。
附图说明
[0032]
图1为本实用新型实施例1使用的真空集热管表面能流密度分布图。
[0033]
图2为本实用新型实施例2使用空腔接收器入口焦平面上能流密度分布图。
[0034]
图3为入射角为实施例3增加使用v型槽聚光器后，空腔接收器入口焦平面上上能流密度分布。
[0035]
图4为接收器为管式接收器时圆柱面反射镜拼接抛物面槽式系统结构图。
[0036]
图5为接收器为空腔接收器时圆柱面反射镜拼接抛物面槽式系统结构图。
[0037]
图6为带有v型槽式反射聚光镜的圆柱面反射镜拼接抛物面槽式系统结构图。
具体实施方式
[0038]
一种新型圆柱面反射镜拼接槽式太阳能集热系统，包括反射镜组1和接收器，所述的反射镜组1是由多个条状圆柱面反射镜拼接组成的，所述的多个条状圆柱面反射镜的中心构成抛物线，每个条状圆柱面反射镜中心法向量都和安装位置的抛物线法向量一致，从而确定每个条状反射镜安装方向；所述的接收器安装在多个条状圆柱面反射镜中心构成的抛物线焦点上；所述反射镜组和接收器均安装在太阳光跟踪设备上，通过太阳光跟踪设备跟踪太阳位置变化，通过反射镜组1将太阳光线聚焦到接收器上。
[0039]
其中所述条状圆柱面反射镜的圆半径r与其中心在抛物面上对应的边缘角和抛物槽焦距f相关，按下式确定：
[0040][0041]
其中使用管式接收器2时，所述条状圆柱面反射镜宽度w与圆半径r之比应符合下式条件：
[0042][0043]
σ是反射光强高斯分布方差，λ是太阳光在槽式系统入射角，典型的设计值可分别取10mrad和π/6弧度，是槽式系统边缘角，可取pi/2弧度，代入计算得到w/r≤0.21；这里r等于抛物槽焦距f的2倍。这说明使用管式接收器，如真空集热管时，使用多个圆柱面反射镜拼接抛物槽集热系统的圆柱面反射镜宽度w的上限是0.42倍抛物槽焦距f。
[0044]
使用空腔接收器3时，所述条状圆柱面反射镜宽度w与圆半径r之比应符合下式条件：
[0045][0046]
采用类似设计值，其中应取pi/4弧度，代入计算得到w/r≤0.1993≈1/5；这里r等于抛物槽焦距f的2倍。这说明使用空腔或平板接收器时，使用多个圆柱面反射镜拼接抛物槽集热系统的圆柱面反射镜宽度w的上限是0.40倍抛物槽焦距f。
[0047]
所述接收器是管式接收器2，或空腔接收器3或平板接收器；使用管式接收器做接收器时，接受管半径由下式决定：
[0048][0049]
这里w是槽式系统半槽宽，是槽式系统边缘角，σ是反射光强高斯分布方差，λ是太阳光在槽式系统入射角；
[0050]
如果使用空腔或平板接收器，接收器半宽r由下式决定：
[0051][0052]
系统还可以包括一个v型槽式反射聚光镜5，入口安装到槽式系统焦平面上，接收器安装在v型槽式反射聚光镜5出口上，v型槽式反射聚光镜由2个倾斜的平面反射镜组成，反射面与垂直方向夹角θ为2-10度，v型槽入口半宽等于不包括v型槽的抛物面槽式聚光器所计算得到的接收器半径或半宽r，而v型槽出口宽度r’则和增加v型槽式反射聚光镜后，接收器半径或半宽相等，可按下式计算：
[0053][0054]
所述空腔接收器开口上还可以安装圆柱面透明玻璃盖板4，凹面朝向空腔接收器内部。
[0055]
使用管式接收器作接收器的槽式太阳能集热系统的设计方法，包括以下步骤：
[0056]
第一步，确定槽式集热系统宽度；
[0057]
第二步，确定槽式系统边缘角取值范围为80-100度，优化值为90度；
[0058]
第三步，根据半槽宽w和边缘角计算系统焦距f，计算式为：
[0059][0060]
第四步，若系统使用圆柱面拼接构造抛物面槽式系统反射镜时，首先确定每个圆柱面反射镜圆的半径r，若一个圆柱面反射镜安装中心位置在抛物面上的边缘角为则r计算式为：
[0061][0062]
其次，确定圆柱面反射镜宽度，可按下式确定；
[0063][0064]
此时r应使用最小值，也就是r＝2f，用上式计算用于拼接的圆柱面反射镜最大宽度w；
[0065]
第五步确定接收器尺寸，如果使用管式接收器，则管式接收器半径r，计算式为：
[0066][0067]
其中σ是反射太阳光线高斯分布方差，可近似计算为：
[0068][0068][0069]
这里σ
sun
是太阳光强高斯分布方差，应采用安装地点测量数据；σ
slopex
和σ
slopey
分别是x和y方向槽式反射镜坡度误差高斯分布方差；σ
tracking
是跟踪误差高斯分布方差；σ
disp
是系统安装误差高斯分布方差；σ
specular
是反射镜材料误差高斯分布方差；都应取实测值。
[0070]
使用空腔或平板接收器的槽式太阳能集热系统的设计方法，包括以下步骤：
[0071]
第一步，确定槽式集热系统宽度；
[0072]
第二步，确定槽式系统边缘角取值范围为40-50度，优化值为45度；
[0073]
第三步，根据半槽宽w和边缘角计算系统焦距f，计算式为：
[0074][0075]
第四步，若系统使用圆柱面拼接构建抛物面槽式系统反射镜时，首先确定每个圆柱面反射镜圆的半径r，若一个圆柱面反射镜安装中心位置在抛物面上的边缘角为则r计算式为：
[0076][0077]
其次，确定圆柱面反射镜宽度，可按下式确定；
[0078][0079]
此时r应使用最小值，也就是r＝2f，计算用于拼接的圆柱面反射镜最大宽度w；
[0080]
第五步确定接收器半宽度r，计算式为：
[0081][0082]
其中σ是反射太阳光线高斯分布方差，可近似计算为：
[0083][0084]
这里σ
sun
是太阳光强高斯分布方差，应采用安装地点测量数据；σ
slopex
和σ
slopey
分别是x和y方向槽式反射镜坡度误差高斯分布方差；σ
tracking
是跟踪误差高斯分布方差；σ
disp
是系统安装误差高斯分布方差；σ
specular
是反射镜材料误差高斯分布方差；都应取实测值。
[0085]
所述新型槽式系统包括v型槽时，所述设计方法中，还包括v型槽设计，其中v型槽入口宽度等于所述设计方法中接收器宽度r，如果v型槽两块反射镜倾角为θ，则出口宽度为r
‘
，可按下式计算：
[0086][0087]
θ可取2-10度，增加v型槽式反射聚光镜后，槽式系统边缘角取值范围为20-60度，优化的取值是45，使用条形空腔接收器，空腔半宽度为r’；使用管式接收器作接收器，则集热管半径为r’。
[0088]
实施例一：如图4所示，槽宽8米，使用真空集热管作接收器，槽式系统边缘角为90度，焦距为2米，使用0.5米宽条状圆柱面反射镜拼接构成抛物面槽式反射镜，每个圆柱面反射镜的圆半径则按上述公式计算，所有条状反射镜中心构成抛物线，每个条状反射镜中心法向量都和安装位置的抛物线法向量一致，从而确定每个条状反射镜安装方向；真空集热管接收器安装在抛物线焦点上；反射镜和接收器都安装在跟踪设备上，通过跟踪设备跟踪
太阳位置变化，将太阳光线聚焦到接收器上；入射角为30度时，假设反射光学高斯分布方差为σ＝4.27mrad，按公式计算得到接收器半径r＝39.45毫米，采用40毫米，聚光比为32.3。系统安装到单轴跟踪设备上，使得太阳光聚焦到接收器上。需要指出，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，我们在三种技术实施方案中，都选择圆柱面反射镜宽度为0.5米，而不是按计算得到的最大值0.8米。
[0089]
我们建立光线追踪程序仿真计算了系统性能，如图1是设计条件下的能流密度分布，拦截率为99.2％。
[0090]
实施例二，如图5所示，槽宽8米，使用条状空腔作接收器，槽式系统边缘角为45度，焦距为4.8284米，使用0.5米宽条状圆柱面反射镜拼接构成抛物面槽式反射镜，每个圆柱面反射镜的圆半径则按公式计算，所有条状反射镜中心构成抛物线，每个条状反射镜中心法向量都和安装位置的抛物线法向量一致，从而确定每个条状反射镜安装方向；真空集热管接收器安装在抛物线焦点上；反射镜和接收器都安装在跟踪设备上，通过跟踪设备跟踪太阳位置变化，将太阳光线聚焦到接收器上；假设反射光线高斯分布方差为σ＝4.21mrad，接收器半径r，按公式计算得到空腔接收器半宽r＝77.85毫米，采用80毫米，聚光比为50.0倍。系统安装到单轴跟踪设备上，使得太阳光聚焦到接收器上。
[0091]
计算接受面上能流密度分布如图2，得到的拦截率为97.3％，低于上述理论公式估算的97.7％拦截率，这是因为我们建立的光线追踪程序模拟了太阳光线经玻璃背反射镜反射时，形成的三股反射线，其中第一股反射线是玻璃上表面直接反射部分，占5％左右，第二股是玻璃背面镀银反射层反射的，约占90％；第三股是经过上下玻璃表面共三次反射部分，约占4％。由于第三股光线经过3次反射，光学误差较大，使得实际拦截率较低。
[0092]
实施例三，如图6所示，在实施例二的基础上增加v型槽式反射聚光镜，v型槽开口半宽为80毫米，出口半宽为40毫米，空腔接收器半宽也等于40毫米，聚光比为100，2块v型槽反射镜宽均为140.2毫米，倾角为5度。系统安装到单轴跟踪设备上，使得太阳光聚焦到接收器上。建立光线追踪程序仿真模拟系统性能，入射角为30度，边缘角为46度，性能略好于45度，其接受面上能流密度分布如图3所示。
[0093]
计算得到的拦截率为96.3％，低于上述理论公式估算的97.7％拦截率，这是因为我们的计算模型进一步考虑了v型槽式反射聚光镜损失部分，使得实际拦截率较低。
[0094]
使用圆柱面反射镜拼接构成抛物面槽式反射镜，按照上述内容确定各项设计参数，可以消除使用球面镜拼接带来的球差和子午面像差，使得系统性能与同样光学误差下的抛物面槽式系统性能差别很小；而抛物面加工难度大，同样工艺下，光学误差常常是圆柱面反射镜的2到3倍，目前主流工艺下，圆柱面反射镜坡度误差在1mrad，而抛物面在2-3mrad，因此，使用圆柱面拼接槽式系统反而性能明显优于抛物面槽式系统。
[0095]
本实用新型提出了消除拼接圆柱面反射镜子午慧差的方法：计算拼接圆柱面反射镜的圆半径表达式，从而选择正确的圆柱面的圆半径，消除子午慧差，下面介绍我们是如何做到这一点。
[0096]
首先介绍如何消除圆柱面的子午慧差。参考rabl《active solar collectors and their applications》第七章建立的球面定日镜子午面焦距理论，类比到圆柱面反射镜上，我们通过几何光学推导了计算入射角＞0时圆柱面反射镜焦距：当使用圆柱面反射镜拼接，
当其安装中心位置对应抛物面槽式系统边缘角为时，太阳光线在槽式系统入射角λ，在该圆柱面上入射角为如果圆柱面反射镜焦距为f
‘
，则因此，我们需要适当放大圆柱面焦距，才能将其聚焦到原先的焦点上。如果用于拼接的圆柱面反射镜中心对应的边缘角为则其距离系统焦点距离为则该圆柱面焦距
[0097][0098]
圆柱面反射镜中圆的半径
[0099][0100]
当其安装在边缘角为位置时，就可以完全消除子午面慧差了。否则，就会产生子午慧差，例如，不做子午慧差校正，常用设计是让圆柱面反射镜半径应等于反射镜中心到槽式抛物面焦点距离的2倍，也就是说：
[0101][0102]
此时，由于实际聚焦位置不在槽式抛物面焦点上，就会产生子午慧差，也就是增加象斑宽度，其值等于对半宽为4米，边缘角为90度槽式系统，就会增大象斑宽度为远远大于接收器直径。
[0103]
其次，本实用新型提出了消除拼接圆柱面反射镜的球差方法，是限制拼接反射镜宽度，提出用于拼接的圆柱镜面宽度与其圆半径之比的上限计算公式。
[0104]
传统光学理论目标是成像质量，要在焦面上完美再现光源图像，消除球差的要求很高，参见(苏)克略帕洛娃等《光学系统的研究与检验》第175页，球面反射镜作主镜，相对孔径不超过1∶10.8，就是反射镜口径与焦距之比≤1/10.8，换算到反射镜口径与球面半径之比≤1/21.6。太阳能领域，光学系统主要目的是聚光，比光学成像要求低很多，我们提出了太阳能领域消除球差的要求。
[0105]
参考上书，根据几何光学原理，通常情况下，球面反射镜的横向球差δx计算式为：
[0106]
δ
x
＝r*tan(ψ)*sin2(ψ/4)/cσs(ψ/2)＝w sin2(ψ/4)/cos(ψ)
[0107]
这里w是用于拼接的圆形球面反射镜直径，r是球面反射镜球的半径，ψ是球面反射镜最大圆弧对应的圆心角。
[0108]
对于线聚焦槽式聚光器，使用圆柱面反射镜时，同样使用几何光学原理，我们推导得到柱面横向像差：
[0109][0110]
这里w是圆柱面反射镜宽度，r是圆柱面圆半径，则我们推导的接收器半径
[0111][0112]
这里σ是反射光强高斯分布方差，表达式后面部分是完全拦截反射光线高斯分布
±
2σ部分所需要的接收器半径，式中w是抛物面槽式系统半槽宽，λ是太阳光在槽式系统的入射角，该式是根据离焦点最远处，边缘角为的反射光线推导的。则聚光比
[0113][0114]
当入射角取30度，σ取5mrad时，如果使用2个圆柱面反射镜替代抛物面反射镜，也就是w/w＝1，可数值求解最大聚光比仅为6.84，对应度左右。对比抛物面槽式系统边缘角为90度，我们推导得到的最大聚光比：
[0115][0116]
这说明使用2个圆柱面代替线聚焦抛物面，性能远远比不上抛物面槽式系统。这是因为使用圆柱面反射镜，当边缘角很大时，球差很大，而边缘角较小时，同样宽度反射镜的焦距较大，使得同样拦截率下，需要的接收器半径较大，从而聚光比下降。
[0117]
我们的研究表明，使用管式接收器时，消除球差的要求是横向球差不超过抛物面槽式系统半径5％，就得到：
[0118][0119]
这里ψ是所述圆柱面反射镜弧长对应的圆心角，σ是反射光强高斯分布方差，λ是太阳光在槽式系统入射角，则球差带来的影响就很小了。由于要求ψ很小，可近似地认为，sin(ψ/4)≈ψ/4；cos(ψ)＝1-sin2(ψ/2)≈1-ψ2/4；则得到：
[0120][0121]
另一方面，
[0122]
sin(ψ/2)＝w/(2r)，
[0123][0124]
这里应用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，张角最大，产生的球差最大，因此，我们只需要讨论该反射镜。则
[0125][0126]
σ和λ典型值可分别取5mrad和π/6弧度，是槽式系统边缘角，可取pi/2弧度，代入计算得到w/r≤0.21≈1/5；我们也可以选取w/r超过1/5，这时性能就会进一步下降。因此上述公式就是管式接收器抛物面槽式系统使用圆柱面反射镜拼接构成抛物面反射镜，需要消除球差所需要的条件。由于选择r＝2f，上式可转换为：w/f≤0.42，这说明使用管式接收器，如真空集热管时，使用多个圆柱面反射镜拼接抛物槽集热系统的圆柱面反射镜宽度w的上限是0.42倍抛物槽焦距f。
[0127]
通过上述措施消除球差，我们可以忽略球差影响，下面分析按照上述要求消除拼接圆柱面球差与抛物面槽式系统差别。取入射角λ取π/6弧度，σ取5mrad，w为4.0m，边缘角弧度时，拼接反射镜最小r≈4.0m，按照公式(9)得到拼接圆柱面宽度≤0.8米，取最大值0.8米，则按照公式(2)和(3)，可计算得到圆柱面球差为0.50mm，圆柱面镜拼接抛物面加管式接收器的接收器半径r＝46.7mm，对比抛物面槽式系统接收器半径为46.2mm，仅因球差增加0.5mm，约增加1.1％，可以说基本上不影响性能。采用更小的子镜宽度，可以更进一步
减少球差，但对性能的改进很小，相反，增加了加工和安装工作量和成本；而增加宽度，则会增加球差，影响系统性能。因此，该系统使用的圆柱面反射镜拼接抛物面槽式系统是，圆柱面宽度最大可选取为0.8米。
[0128]
我们提出的消除球差影响的条件，w/r≤1/5，等于要求相对口径w/f≤1/2.5，远低于光学成像领域要求的1/10.8，使得实际实现更容易达到。
[0129]
若使用空腔接收器，如果横向球差不超过抛物面槽式系统半径5％，就得到：
[0130][0131]
得到消除圆柱面反射镜球差所需要满足的条件为：
[0132][0133]
由于使用空腔接收器时，优化的边缘角度，采用同样参数得到：w/r≤0.199≈1/5。要求与使用管式接收器相近，都远低于光学领域成像的要求。
[0134]
我们还建立了光线追踪程序，验证了上述消除两种像差要求，就是采用圆柱面拼接构建抛物面槽式系统，按照上述要求，包括使用宽度为0.8米圆柱面反射镜拼接构成8米宽，边缘角为90度，使用管式接收器的抛物面槽式系统时，每个圆柱面反射镜的半径当光学误差等相同时，其拦截率和光学效率都和使用抛物面的相同槽式系统很一致，差别不超过0.1％。相反，当选择的圆柱面半径不等于上式计算结果时，性能就会下降；加大圆柱面宽度，也会使系统性能下降。考虑到圆柱面光学误差比抛物面小得多，我们的系统性能明显优于传统抛物面槽式系统。后面还给出了定量结果，包括理论估算和光线追踪模拟结果。
[0135]
本实用新型还提出了估算槽式系统接收器半径和宽度的计算公式，从而可以方便地确定系统设计参数。通常槽式系统多使用管式接收器，常用真空集热管，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》。
[0136]
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，估算槽式系统可以选择的最小接收器半径，从而可以估算槽式系统最大理论聚光比，但这种理论估算，对人们设计实际槽式系统没有帮助。本实用新型类比该理论，我们提出了估算槽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：
[0137]
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，拦截的半分布角等于高斯分布平均方差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。我们选择离焦点最远的反射点都被接收器拦截的半分布角为2σ，也就是所有分布半视角小于2σ都被拦截，在系统边缘角为90度时，这时最近的反射点距离焦点仅为最远点一半，也就是最近反射点的拦截半视角为4σ，则平均拦截率可以近似估算为(95.4％+100％)/2＝97.7％。因此，我们推导的管式接收器半径r计算式为：
[0138][0139]
这里是槽式反射镜边缘角，λ是太阳光在槽式系统上的入射角。另一方面，槽式反射镜半宽度代入后得到：
[0140][0141]
聚光比gr计算式为：
[0142][0143]
显然，边缘角度时，聚光比最大。
[0144]
当使用空腔或平板接收器时，我们推导的接收器半宽为：
[0145][0146]
最大聚光比为：
[0147][0148]
显然，边缘角度时，聚光比最大。下面使用上述理论比较普通抛物面槽式系统和使用圆柱面反射镜拼接抛物面槽式系统的聚光比，两者的差别在于，使用圆柱面反射镜拼接槽式系统的光学坡度误差为1mrad，而普通抛物面槽式系统则为2.5mrad左右。首先计算反射光强高斯分布方差
[0149][0150]
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，假设系统安装在青藏高原上，可取太阳光强分布方差σ
sun
为3.4mrad，σ
slope
是槽式反射镜坡度误差分布方差，抛物面反射镜两个方向分布分别取2.5mrad和1mrad，圆柱面反射镜都取1mrad；σ
tracking
是跟踪误差高斯分布方差，取1mrad；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，这里忽略不计；分别计算得到普通抛物面槽式系统σ＝6.263mrad，使用圆柱面拼接槽式系统σ＝4.27mrad，按入射角为30度，分别计算得到聚光比为：
[0151]
普通抛物面槽式系统聚光比gr＝22.0；
[0152]
圆柱面拼接抛物面槽式系统聚光比gr＝32.3。
[0153]
两种槽式系统分别采用上述聚光比时，拦截率相近，性能差别主要体现在热损上，普通抛物面槽式系统接收器半径比圆柱面拼接抛物面槽式系统约大50％，在同样工况下，热损将比拼接抛物面大50％。如果两种槽式系统使用同样半径的接收器，都是拼接槽式系统接收器半径时，则太阳光入射角为30度工况下完全拦截的最大分布角为4.27*2mrad，仅是普通槽式系统高斯分布方差σ＝6.263mrad的1.36倍，则其系统拦截率是拦截分布方差分别为1.36σ和2.72σ时拦截率平均值，查高斯误差分布表得到平均拦截率＝(82.6％+
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，确定系统各个设计参数。在圆柱面反射镜拼接抛物面槽式反射镜方面，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。
[0162]
本实用新型在空腔接收器开口增加圆柱面透明玻璃盖板的有益效果，首先是减少热损。透明玻璃材料应选择对可见光透过率高，对红外辐射透过率低的玻璃材料，类似真空集热管外管使用的玻璃材料，从而热损低。其次采用半圆形结构，可以减少反射损失的太阳光，增加接收器对太阳光的吸收率。

技术特征：
1.一种新型圆柱面反射镜拼接槽式太阳能集热系统，其特征在于：包括反射镜组和接收器，所述的反射镜组是由多个条状圆柱面反射镜拼接组成的，所述的多个条状圆柱面反射镜的中心构成抛物线，每个条状圆柱面反射镜中心法向量都和其安装位置的抛物线法向量一致；所述的接收器安装在多个条状圆柱面反射镜中心构成的抛物线焦点上。2.根据权利要求1所述的一种新型圆柱面反射镜拼接槽式太阳能集热系统，其特征在于：所述接收器使用条形空腔接收器时，在条形空腔接收器开口处安装有圆柱面透明玻璃盖板，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圆柱面反射镜拼接槽式太阳能集热系统，本实用新型使用圆柱面反射镜拼接构成抛物面槽式反射镜，消除使用球面镜拼接带来的球差和子午面像差，使得系统性能与同样光学误差下的抛物面槽式系统性能差别很小；目前主流工艺下，圆柱面反射镜坡度误差在1mrad，而抛物面在2-3mrad，因此，使用圆柱面拼接槽式系统反而性能明显优于抛物面槽式系统。本实用新型提出空腔接收器聚光比较大，并在开口增加圆柱面透明玻璃盖板，减少热损和入射光反射损失；本实用新型提出增设V型槽聚光镜，增加聚光比，减少热损。减少热损。减少热损。


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：2023.01.18
技术公布日：2023/10/20