一种非跟踪非对称复合平面型最大反射聚光器、设计方法及应用与流程

本发明涉及一种非跟踪非对称复合平面型最大反射聚光器、设计方法及应用，属于非跟踪低倍率反射聚光的太阳能应用技术领域。

背景技术：

我国已将可再生能源装置与建筑一体化应用技术作为重点支持的高新技术领域之一，在各种可再生能源中，考虑资源的丰富性普遍性、技术的成熟性以及与建筑集成的可行性，太阳能技术无疑是最有前途的技术之一。太阳能能流密度较低，采用聚光方式可以提高太阳辐射照度及减少昂贵的吸收器面积，降低成本。目前的聚光器可分为以抛物槽式、碟式、菲涅尔式等为代表的跟踪型聚光器和以复合抛物面聚光器为代表的非跟踪型聚光器。跟踪部件制造成本较高，增加运行和维护成本，而且此类聚光器一般结构较为复杂，不适合建筑一体化应用。复合抛物面聚光器可接收的太阳入射角的范围一般较小，而且抛物面的加工精度高；由于抛物面反射聚光的特点使得吸收体上的辐照均匀度较差，降低光伏电池的发电效率。因此对聚光器而言，如何减少跟踪部件，简化结构，降低聚光器制造精度要求，提高聚光均匀性及光学效率，是其推广利用过程中亟待解决的问题。

技术实现要素：

本发明旨在解决目前聚光器存在的上述问题，提出一种非跟踪非对称复合平面型反射聚光器，并给出了设计方法，该聚光器结构简单，极大程度地降低制造精度要求，可达到优异的光学性能，光学效率高；吸收体上聚光均匀度较好，当用于光伏发电时，可以提高光伏电池的发电效率。该聚光器可吸收的太阳入射角范围广泛，无需跟踪太阳或调节角度，且结构扁平，因此可以作为建筑构件固定安装。

本发明的技术方案：

一种非跟踪非对称复合平面型最大反射聚光器，包括反射面1-1、平板状吸收体1-2和玻璃盖板1-3；所述的反射面1-1由多块平面镜复合相接而成，各块平面镜与水平面的夹角及宽度的设计需满足以一定角度范围入射的太阳光线全部反射到吸收体1-2上；平板状吸收体1-2的受光面接收来自玻璃盖板1-3的光，玻璃盖板1-3覆盖在平板状吸收体1-2表面或玻璃盖板1-3搭接在反射面1-1与平板状吸收体1-2上；

当玻璃盖板1-3搭接在反射面1-1与平板状吸收体1-2上时，要求非跟踪非对称复合平面型最大反射聚光器内部密封，防止反射面1-1受外界环境影响且有利于形成温室效应，起到保温的作用；

所述的平板状吸收体1-2的构造形式根据用途来确定，当用于集热时，受光面涂有选择性吸收涂层；当用于光伏发电时，受光面敷设光伏电池；当用于光伏/光热一体化(pv/t)系统时，受光面敷设光伏电池，流体管道敷设于光伏电池背部。

所述的反射面1-1为镀铝平面镜、镀银平面镜、镜面铝板或镜面钢板。

所述的玻璃盖板1-3为超白玻璃或钢化玻璃。

所述的平板状吸收体1-2根据安装地点设计最佳安装角度(水平、垂直或倾斜)。以θ0角入射的太阳光线均能被反射到平板状吸收体(1-2)的上端，从而保证该结构可接收的太阳入射角范围为

一种非跟踪非对称复合平面型最大反射聚光器的设计方法，步骤如下：

(1)确定太阳光线的入射角θ0和平面镜的块数n

当所述聚光器开口位于水平位置时，θ0与当地纬度的关系为当所述聚光器开口位于竖直位置时，θ0与当地纬度的关系为

平面镜的块数n根据聚光比及制造的精度要求选择合理的n值，n越大，聚光比越大；

(2)确定平面镜的端点a和pi的坐标

βi为第i块平面镜的倾角，平板状吸收体1-2长度oa＝r，则a的坐标为(0,-r)；令pi点坐标值为：

其中，i为平面镜的块数，pi为第i块平面镜上端点坐标；

(3)以几何聚光比最大为优化目标，确定各平面镜倾角βi、几何聚光比及各块平面镜的宽度，几何聚光比为：

确定当时，cr取最大值。

第i块平面镜的宽度为

所述的非跟踪非对称复合平面型最大反射聚光器，其可吸收的太阳入射角范围广，可固定安装，全年无需调节角度，适用于平面、斜坡等场合；也可与建筑一体化安装，如屋顶、墙面、阳台板和窗台等各个部位；还能预制成建筑构件，适应于不同的立面造型。

本发明的有益效果是：结构简单，由平面镜组成，加工精度要求低，扁平式结构有利于平面、坡面、垂面安装；无活动部件，可固定安装，降低应用成本；可接收的太阳入射角范围大，为θ0～90°，可最大程度地接收直射和反射光线，应用的范围广泛；光学效率高，且随着入射角增大，光学效率会增大；沿长度方向的均匀度较好。

附图说明

图1是本发明太阳能聚光器的结构示意图。

图2是本发明太阳能聚光器当n取无穷大时的结构示意图。

图3是本发明实施例1中太阳能聚光器截面结构的设计图。

图4是本发明实施例2中聚光器在竖墙安装的示意图。

图中：1-1反射面；1-2为平板状吸收体；1-3为玻璃盖板；1-4附属支架。

具体实施方式

为了更加清晰地描述本发明的设计方案及技术优势，以下结合附图及实施例进行详细说明。应当理解的是，此处具体实施例仅用以解释本发明，事实上本发明并不限定于此。

实施例1：

(1)应用条件：项目地点为纬度39°附近(如大连、北京等地)，平屋顶水平安装，以全年集热量最大化为设计目标。

(2)设计过程：若水平安装，全年最小太阳入射角为夏至日正午12:00时的因此选择θ0＝15°进行设计；增大θ0和n可以增大几何聚光比，此处选择n＝3。

如图2所示，βi为第i块平面镜的倾角，光线以θ0＝15°角入射，圆弧半径长度为r，则光线的在该镜面上的入射角为βi+θ0。

令平面反射镜ap1所在直线方程为y＝tanβ1x-r，则p1点坐标为

令平面反射镜p1p2所在直线方程为则p2点坐标为

对于最后一块平面镜，时，即则p3点坐标为

第i块平面镜的宽度为

几何聚光比为

经优化计算，几何聚光比的最大值为2，β1、β2、β3的取值分别为12.5°、25°、37.5°，根据上述各式确定的点的坐标即可得到截面设计图。

(3)光学性能仿真：采用tracepro软件进行分析，该聚光器在入射角为0°～15°时可部分接收；入射角为15°～90°时可完全接收，应用于纬度38°以上的地区全年均能表现出很高的光学效率。材料选择超白玻璃盖板透光率为0.94，反光铝板反射率为0.9，选择性吸收涂层吸收率为0.95：入射角为15°时，光学效率为81.31％；入射角为40°时，光学效率为82.85％；入射角为60°时，光学效率为87.63％。

实施例2：

(1)应用条件：项目地点同样为纬度39°附近(如大连、北京等地)，沿墙体竖直安装，以全年集热量最大化为设计目标。

(2)设计结果：此例设计过程与实施例相同，不同之处在于应该以冬至日太阳高度角作为设计角θ0＝27.5°，同样取n＝3，同理可优化计算得到该聚光器几何聚光比的最大值为2.53。可保证全年无需调整安装角或跟踪设计，即可接纳全年入射太阳光。图4展示的是其在竖墙上安装的示意图。