專利名稱：一種均勻聚集太陽能光線的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明用于太陽能利用領(lǐng)域。本發(fā)明是一種太陽光束聚集方法和裝置，特別是一種可將太陽光束均勻聚集在太陽能接收裝置上的聚集方法和裝置。
背景技術(shù)：
太陽能是一種資源豐富的可再生資源，具有獨(dú)特的優(yōu)勢和巨大的開發(fā)利用潛力。但太陽能電池的高價位，嚴(yán)重制約了太陽能發(fā)電的開發(fā)和利用，聚集太陽光束就成了一個重要的解決途徑。對此，國內(nèi)外已經(jīng)有了一些研究，國內(nèi)也有不少的專利，但能達(dá)到真正實(shí)用的、高效的反射方法和裝置卻不多，特別是要保證光強(qiáng)度均勻分布和高的垂直光通量比率。
實(shí)用新型專利01246339.6所公開的太陽能拋物面聚光反射板，發(fā)明專利96192810.7反射器可更換的改進(jìn)的太陽能收集裝置，以及實(shí)用新型專利98242671.2所公開的復(fù)合曲面聚光太陽能收集器，這些專利所用的反射器剖面圖均為以為拋物面為主體的曲面，接受裝置均布置在反射裝置中的中間。它們共同存在的缺點(diǎn)是反射鏡面加工需要專門的工藝和設(shè)備，加工成本高，風(fēng)載承受能力差，反射效率(指受陽面積與反射總面積之比)不能做得太高，因此難以做成較大的反射裝置。實(shí)用新型專利200420033528.0條狀平板式線形太陽能聚集器，能夠充分的收集太陽能，條形結(jié)構(gòu)迎風(fēng)承載能力強(qiáng)，跟蹤結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，成本低。但是該產(chǎn)品不能保證光通量在接受裝置上均勻分布；各反射鏡面后所使用的帶式傳動精度較差，很難保證各反射鏡同步轉(zhuǎn)動，特別是在惡劣的環(huán)境條件(如大風(fēng))下，更容易出現(xiàn)各反射鏡面轉(zhuǎn)動不同步的情況。發(fā)明專利CN85101607A復(fù)合平面太陽能聚光器，它將每面反射鏡分割成多個傾角不同的平面鏡塊，制造工藝有了較大的簡化，但其接受裝置仍放置在兩面反射鏡中間，聚光器受光面積小，仍沒有解決風(fēng)載問題，跟蹤系統(tǒng)功耗也較大。發(fā)明專利96193759.9太陽能收集系統(tǒng)，風(fēng)阻小，但是驅(qū)動復(fù)雜，漏光率高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提出了一種新的聚集光束的設(shè)計方法和裝置。它將接受單元固定設(shè)置在反射單元的側(cè)上方；在對稱布置情況下，一邊的光束反射并均勻分布在對稱的另一邊上方的接受裝置上；在非對稱布置的情況下，光束反射到發(fā)置在中間的立鏡上，經(jīng)立鏡再反射并均勻分布到反射面上方的接受裝置上。另一方面，本方法提出了一種用迭代法求取復(fù)雜的二階非齊微分方程的方法，用此方法設(shè)計的柵板結(jié)構(gòu)，不僅簡化了反射鏡的制造工藝，而且更重要的是能保證將光束均勻分布在接受裝置上。采用進(jìn)一步的結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)，并經(jīng)過計算機(jī)模型的優(yōu)化設(shè)計后，可以使接受裝置的垂直光通量達(dá)95％以上，受光均勻系數(shù)達(dá)90％以上。本發(fā)明可使只要在白天陽光照射的情況下，都能達(dá)到反射裝置均勻反射、接受裝置均勻接受反射裝置反射來的光線的效果。
以下是結(jié)合附圖對具體工作原理的相關(guān)描述參見圖4，太陽光線射到P(xp，yp)點(diǎn)，第一次反射到達(dá)M(XM，yM)點(diǎn)，經(jīng)第二次反射后到達(dá)接受裝置上的Q(xQ，yQ)點(diǎn)，角度關(guān)系如圖所示。根據(jù)光學(xué)原理，設(shè)過P點(diǎn)的切線與水平線夾角為β，過M點(diǎn)的入射角是θ，則θ＝90°-2β (1)xp×tanθ+xQ×tanθ＝y(tǒng)Q-yp(2)tanθ=yQ-ypXP+XQ···(3)]]>設(shè)過曲線上任一點(diǎn)P(xp，yp)點(diǎn)的切線方程是y＝f(x)，則y′＝f′(x)＝tanβ， (4)
=1-tan2β2tanβ=1-y′22y′···(5)]]>從(3)(5)式可以得到二階非齊次微分方程y′2(x+xQ)+y′(2yQ-2y)＝x+xQ(6)在Q(xQ，yQ)點(diǎn)確定的情況下，根據(jù)(6)式即可以確定一條曲線。
顯然，若用此曲線作反射鏡面，不僅制造工藝復(fù)雜，生產(chǎn)成本高，而且承受風(fēng)載能力差。另一方面，實(shí)際上，接受裝置不是一個點(diǎn)，而是一個有一定寬度的面，而且往往要求反射的光線能在其上均勻分布。為此，本發(fā)明提出了一種柵板的設(shè)計方法。如附圖5所示，根據(jù)上述方程(6)式，我們可以設(shè)計使每塊柵板的上部的光線反射到接受裝置的上部，使每塊柵板的下部光線反射到接受裝置的下部。然后，從上至下或者從下往下，逐步迭代計算，就可以計算出每個柵板的角度和寬度。根據(jù)函數(shù)連續(xù)性，每塊柵板中間的光線，會反射到接受裝置的相對應(yīng)位置上，從而保證了接受裝置上的所接受的光線是完全均勻的。再應(yīng)用計算機(jī)模型，對各參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化計算，以提高接受裝置的垂直光線比率、反射效率等，以得到一個性能良好的柵板結(jié)構(gòu)的反射裝置模型。
采用此方法，可以將反射裝置設(shè)計成單邊結(jié)構(gòu)，在單邊結(jié)構(gòu)情況下，需要在中間采用一個與光線進(jìn)入方向平行的立鏡，太陽光線需要經(jīng)過主反射鏡、立鏡的二次反射才能到達(dá)接受裝置。也可以在立鏡與主反射鏡之間加上一段斜鏡，斜鏡將其上的光線直接反射到同一側(cè)面的接受裝置上。斜面反射鏡也可以采用同樣的設(shè)計方法，設(shè)計成柵板結(jié)構(gòu)。
根據(jù)光學(xué)的特性，在去掉立鏡的情況下，可以將整個反射裝置設(shè)計成對稱的結(jié)構(gòu)，包括對稱的V型、U型、園型或者多邊型結(jié)構(gòu)；還可以在中間部位對稱布置的斜面反射鏡，設(shè)計成W型。在對稱設(shè)計的情況下，斜鏡是將其接受的光線直接反射到同一側(cè)上方的接受裝置上，而其它反射鏡是將其接受到的光線反射到另一側(cè)上方對稱布置的接受裝置上。但無論采用哪一種結(jié)構(gòu)形式，一般只需要經(jīng)過一次反射就可以到達(dá)接受裝置。
根據(jù)設(shè)計原理，無論采用哪種反射裝置布置形式，利用此計算方法，均能保證反射光線均勻分布在接受裝置上的各點(diǎn)上。
如果采用對稱布置，由于接受裝置設(shè)置在反射裝置的側(cè)上方，反射裝置實(shí)際上是將光線反射到另一側(cè)反射單元上方的接受裝置上，使得反射光線能以很大的入射角進(jìn)入接受裝置。經(jīng)過計算機(jī)模擬優(yōu)化計算，接收裝置上的垂直光通量比率(指進(jìn)入接受裝置的光通量中垂直接受裝置表面的部分占總的入射通量的比值)可以達(dá)到95％以上。大大高于一般接受裝置布置在中間的反射裝置。這樣，會在不提高接受裝置的最大發(fā)電能力的情況下，明顯地提高裝置的實(shí)際產(chǎn)出。
根據(jù)本發(fā)明，還可以將各柵板之間保留一定的垂直間隙(只需要在迭代計算中，在下一個柵板的起始位置垂直下移所需要的間隙即可)，這樣在不透光的情況下，可以透風(fēng)，可以有效降低反射裝置的重量和支撐結(jié)構(gòu)，減少跟蹤所需要的動力消耗。
不同緯度，太陽照射角也不同，通常是采用平均優(yōu)化值來選擇整個裝置的安裝傾角。一年四季中根據(jù)地球與太陽相對位置的變化，和同一時間不同地區(qū)的緯度變化來調(diào)節(jié)整個裝置的傾角，它既用于平面屋頂，又可用于斜面屋頂。盡可能地使太陽光線垂直照射反射裝置，使之得到最大的太陽輻照量。
另外，反射器制造工藝簡單，跟蹤系統(tǒng)功耗小，支撐結(jié)構(gòu)可以放在幾何重心位置，也是本發(fā)明的特點(diǎn)。


圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意2是圖1的側(cè)視3是本發(fā)明的對稱結(jié)構(gòu)光路示意4是本發(fā)明折線形受光面的光路示意5是本發(fā)明接收裝置和反射器的光路示意中1.反射裝置，2.接受裝置具體實(shí)施方式
參見圖1，2，3，說明根據(jù)本發(fā)明的一個較好的實(shí)施例。一種柵板排列均勻聚光的反射器，包括該反射器的接受裝置2固定聯(lián)接在反射裝置1的側(cè)上方，反射裝置由18面傾角不同的平面鏡以柵板形狀組合而成，使其接受的光線均勻反射到接收裝置2上。該反射器做成對稱的V型結(jié)構(gòu)，柵板上接受的光線，可以直接反射到位于對稱的另一邊的接受裝置上。各柵板直接安插在兩端方管上，該反射器的支撐軸放在幾何重心處。該反射裝置1通過跟蹤系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對太陽光線的連續(xù)反射。
參見圖4，入射角是β，經(jīng)過一次反射后到達(dá)M(XM，yM)點(diǎn)，過該M(XM，yM)點(diǎn)的入射角是θ，則θ＝90°-2β，經(jīng)過第二次反射后到達(dá)Q(xQ，yQ)點(diǎn)，即太陽能接受裝置。
本發(fā)明數(shù)學(xué)模型y′2(x+xQ)+y′(2yQ-2y)＝x+xQ(6)中的接受裝置的最高點(diǎn)Q(xQ，yQ)點(diǎn)坐標(biāo)確定，反射器最高點(diǎn)即反射鏡的最高點(diǎn)坐標(biāo)確定，則得到y(tǒng)′＝tanβ (7)從而得到β角度值，過反射器最高點(diǎn)的切線斜率值和tanθ值。
本發(fā)明關(guān)于β的具體參數(shù)值如下表1所示

參見圖5，根據(jù)本發(fā)明所采用的數(shù)學(xué)模型，射到P1點(diǎn)的光線反射到Q1點(diǎn)，射到P2點(diǎn)的光線反射到Q2點(diǎn)，根據(jù)函數(shù)連續(xù)性，P1 P2中間的光線，會反射到接受裝置的相對應(yīng)位置上，從而保證了接受裝置上的所接受的光線是完全均勻的。實(shí)際應(yīng)用中，P1 P2用一面平面反射鏡或者金屬鏡代替，以此迭代計算出P3，P4……P18。同理，滿足射到P3點(diǎn)的光線反射到Q1點(diǎn)，射到P4點(diǎn)的光線反射到Q2點(diǎn)，一直迭代到P18。
對一個實(shí)際的太陽能聚光器，為了獲得盡可能大的受陽面積，β角應(yīng)盡可能小(但實(shí)際上，不能太小)。本實(shí)例的反射面積利用率(指反射裝置的受陽面積與整個裝置的反射面的面積之比)可達(dá)到75％以上，具有很好的經(jīng)濟(jì)性。
權(quán)利要求
1.一種柵板排列的、并能將太陽光束均勻反射的反射器。其特征在于所述反射器的接受裝置設(shè)置在反射單元的側(cè)上方(或者對稱面的側(cè)上方)；反射單元由一面或一面以上的傾角不同的反射柵板組合而成，而且各柵板與反射單元構(gòu)架固定聯(lián)接；經(jīng)過一種計算確定的各柵板的位置和角度，能使其接受的光線均勻反射到接受裝置上，接受裝置均勻接受反射裝置反射來的光線。
2.如權(quán)利要求1所述的反射器，其特征在于反射器可以做成單邊結(jié)構(gòu)。這時，需要在與接受裝置不相鄰的一邊，設(shè)置一與光線進(jìn)入方向平行的立鏡。與接受裝置相鄰的反射柵板接受到的光線，首先反射在立鏡上，通過立鏡再反射到接受裝置上。
3.如權(quán)利要求1和2所述的反射器，其特征在于在立鏡與柵板反射單元之間，設(shè)置一個或者一個以上由柵板組成的斜鏡，斜鏡接受的光線，可以直接反射到其同側(cè)的接受裝置上。
4.如權(quán)利要求1所述的反射器，其特征在于反射器可以做成對稱的V型、U型、圓型、或者偶數(shù)多邊形結(jié)構(gòu)。柵板上接受的光線，可以直接反射到位于對稱的另一邊的接受裝置上。
5.如權(quán)利要求1和4所述的反射器，其特征在于在與接受裝置不相鄰的柵板的下邊對稱設(shè)置斜鏡，構(gòu)成W型。斜鏡由一個或者一個以上的柵板組成，斜鏡上接受的光線直接反射到其同側(cè)的接受裝置上。
6.如權(quán)利要求1所述的反射器，其特征在于各柵板可以設(shè)計成平面型，也可以設(shè)計成曲面型。其柵板的位置和角度經(jīng)過一種設(shè)計計算，使其上邊緣接受的光線反射到接受裝置的上邊緣，各柵板下邊緣接受的光線反射到接受裝置的下邊緣，從而使光線均勻聚集在接收裝置上。
7.如權(quán)利要求1所述的反射器，其特征在于考慮到地理位置不同，太陽的緯度不同，太陽的輻射強(qiáng)度不同，在不同地區(qū)整個裝置的傾斜角度不同。
全文摘要
本發(fā)明是用于將太陽光束反射并均勻聚集在一個接收裝置上的方法和裝置。本發(fā)明中提出的一種聚光器，其接受裝置位于反射裝置的側(cè)上方；在對稱布置情況下，一邊的光束反射并均勻分布在對稱的另一邊上方的接受裝置上；在非對稱布置的情況下，光束反射到設(shè)置在中間的立鏡上，經(jīng)立鏡再反射并均勻分布到反射面上方的接受裝置上。經(jīng)過計算機(jī)模型的優(yōu)化設(shè)計后，可以使接受裝置的垂直光通量達(dá)95％以上，受光均勻系數(shù)達(dá)90％以上。
文檔編號F24J2/10GK1940403SQ200510105428
公開日2007年4月4日 申請日期2005年9月28日 優(yōu)先權(quán)日2005年9月28日
發(fā)明者孫長貴 申請人:北京太陽河技術(shù)發(fā)展有限責(zé)任公司