定向传光太阳能聚光导光集热器

1.本发明涉及一种太阳能聚光导光集热器，具体涉及一种定向传光太阳能聚光导光集热器，属于太阳能聚光导光和集热设计技术领域。


背景技术：

2.目前应用的复合多曲面聚光集热器是通过聚光来提高对入射太阳辐射的能量汇聚，但在实际应用中也存在如下缺点：
3.(1)仅实现了对太阳辐射的能量汇聚，无法对太阳辐射中的光能和热能进行分离加以高效利用，利用方式单一；
4.(2)在对太阳光进行汇聚时，接收体光热转化所得到的能量需要换热介质强制循环才可输出，系统所需驱动泵功，耗能高；
5.(3)多个聚光集热器串联时，需要对接收体进行密封连接，施工难度大，后期维护难，密封保温性能差。


技术实现要素：

6.有鉴于此，本发明提供一种定向传光太阳能聚光导光集热器，太阳光线能够在接收管内全反射定向传输，实现聚光导光；同时该太阳能聚光集热器轴向倾斜使用时能够将热能与光能逆向输出，从而实现光热分离，拓展太阳能利用方式和领域。
7.本发明所采用的技术方案是：定向传光太阳能聚光集热器，包括：复合多曲面聚光集热器和接收管；
8.所述复合多曲面聚光集热器为槽式结构；
9.所述接收管包括：同轴对接的进光管和导光管；令进光管与导光管相连的一端为其前端；所述进光管的内径从后往前递减；所述进光管的本体材料相对空气为光密介质，其外表面除沿轴向的进光道以外的位置均涂有反光材料；
10.所述导光管为锥形管，大端与进光管对接；所述导光管的外表面为光吸收材料，内表面为反光材料；所述导光管小端为光线出口；
11.所述接收管的进光管固定于复合多曲面聚光集热器内，并使所述进光管上的进光道与所述复合多曲面聚光集热器的焦线重合；且所述进光管内部的空气通道与设置在所述复合多曲面聚光集热器上的热风出口连通；所述接收管的导光管伸出所述复合多曲面聚光集热器。
12.作为本发明的一种优选方式，所述接收管在所述复合多曲面聚光集热器内的高度保证经过复合多曲面聚光集热器一次反射的光线与入射光线同向。
13.作为本发明的一种优选方式，当采用该太阳能聚光导光集热器进行导光时，将所述太阳能聚光导光集热器沿轴线倾斜放置，使所述接收管的光线出口向设定的导光位倾斜，并调整所述太阳能聚光导光集热器的朝向和倾斜角度，使光线入射角大于所述光密介质的临界角。
14.作为本发明的一种优选方式，在所述复合多曲面聚光集热器的底部设置有用于对其姿态进行调节的支架。
15.作为本发明的一种优选方式，所述支架包括：底座、万向节以和底板；
16.所述复合多曲面聚光集热器通过底板安装在万向节顶部，所述万向节支撑在底座上，通过控制万向节运动调节所述复合多曲面聚光集热器的姿态，具体为：通过旋转调节复合多曲面聚光集热器的朝向，通过倾斜调节复合多曲面聚光集热器的轴线与水平方向的夹角。
17.作为本发明的一种优选方式，当将两个以上太阳能聚光导光集热器串联用于聚光集热时，直接将上一太阳能聚光导光集热器的导光管插入到下一太阳能聚光导光集热器的进光管内部的空气通道即可。
18.作为本发明的一种优选方式，所述导光管的长度大于所述进光管的长度。
19.作为本发明的一种优选方式，所述复合多曲面聚光集热器包括：两个反射镜组件、透明盖板、槽底抛物反射镜和透明侧板；
20.两个所述反射镜组件左右对称设置，均包括：用于光线反射的抛物反射镜和连接在抛物反射镜下端用于光线反射的平面反射镜；所述透明盖板敷设于两个反射镜组件顶部；在两个反射镜组件所形成的整体的前后两侧面各敷设一个透明侧板；两个反射镜组件的底部敷设用于光线反射的槽底抛物反射镜。
21.作为本发明的一种优选方式，在所述复合多曲面聚光集热器位于后侧的透明侧板的内表面上设置有用于固定支撑接收管的支撑侧板；所述风出口为加工在支撑侧板以及对应位置处透明侧板上的开口。
22.作为本发明的一种优选方式，所述透明盖板的前后两端均相对于所述槽底抛物反射镜具有向外的延伸，由此所述透明侧板安装后处于向内倾斜状态；
23.在进行运输时，将两个以上复合多曲面聚光集热器沿高度方向层叠在一起，使上方复合多曲面聚光集热器的下端置于下方复合多曲面聚光集热器内部。
24.有益效果：
25.(1)本发明的太阳能聚光导光集热器能够实现顺向聚焦和定向传光，将太阳光线由聚光集热器的复合多曲面进行反射，然后经由与聚光集热器焦线重合的进光道进入到进光管内部，在进光管内表面的反光材料的作用下发生全反射，实现光线在光密度介质内的定向传输，进而实现聚光导光功能，由此能够拓展传统太阳能聚光集热器的利用方式和领域。
26.(2)接收管在复合多曲面聚光集热器内的位置使经过复合多曲面聚光集热器一次反射的光线与入射光线同向，由此能够实现“顺向聚焦”，提高导光效果。
27.(3)本发明的太阳能聚光导光集热器倾斜放置进行导光时，光线在接收管内部实现全反射向出光口处传输，而接收管内与此过程相伴产生的热量通过“烟囱效应”的浮升力逆向排出(即热空气向上浮升并由聚光集热器的热风出口输出)，实现无动力的光热分离，实现太阳辐射中的光能和热能的分离高效利用；由此本发明的太阳能聚光集热器可作为排气通道，利于建筑换新风。
28.(4)本发明中的导光管设计为锥台形，多个聚光导光集热器水平放置进行集热时，接收管可作为聚光集热器间的连接部件，将前一聚光导光集热器的导光管同轴嵌入下一聚
光导光集热器的进光管内即可；同时接收管内的空气在光密介质内的透射光和导光管内全反射光线的共同作用下，实现对热能的双重转化收集，显著提高了集热效率；将进光管与导光管内嵌进行集热，改善了集热时的保温效果，简化了聚光器的连接方式，有效提高了聚光器的利用效率和应用便捷性。
29.(5)本发明中设置了能够对复合多曲面聚光集热器进行支撑、旋转、倾斜的支架，通过旋转调节复合多曲面聚光集热器的朝向，通过倾斜调节复合多曲面聚光集热器的轴线与水平方向的夹角；由此能够依据使用需求调节复合多曲面聚光集热器的姿态。
30.(6)本发明中复合多曲面聚光集热器上端轴向尺寸大于下端轴向尺寸，由此在运输时能够减小沿高度方向层叠后的尺寸，节省放置高度，便于运输。
附图说明
31.图1为本发明定向传光太阳能聚光导光集热器的结构示意图；
32.图2为本发明定向传光太阳能聚光导光集热器中接收管结构示意图；
33.图3为本发明定向传光太阳能聚光导光集热器中进光管结构示意图；
34.图4为本发明定向传光太阳能聚光导光集热器中导光管结构示意图；
35.图5为本发明定向传光太阳能聚光导光集热器中接收管光线传播示意图；
36.图6为本发明定向传光太阳能聚光导光集热器的光线传播示意图；
37.图7为本发明定向传光太阳能聚光导光集热器使用实例示意图；
38.图8为两个以上向传光太阳能聚光导光集热器串联使用示意图。
39.其中：10-复合多曲面聚光集热器；110-透明盖板；120-抛物反射镜；130-热风出口；140-平面反射镜；150-槽底抛物反射镜；160-透明侧板；170-支撑侧板；
40.20-接收管；210-进光管；2110-进光道；2120-外反射层；2130-光密介质；2140-空气通道；220-导光管；2210-光线出口；2220-光吸收材料；2230-内反射层；
41.30-支架；310-控制器；320-万向节；330-底板。
具体实施方式
42.下面结合附图和实例对本发明做进一步的详细说明。
43.实施例1：
44.针对传统太阳能聚光集热器只能集热，存在光热无法实现分离(传统太阳能聚光集热器在使用时光热同向传输)而导致供能方式单一，且在实际应用中聚光和传热方向不一致、非运行期间存在接收体“过热”、连接方式复杂，难以满足不同季节对太阳辐射供能需求问题；本实施例提供一种顺向聚焦定向传光太阳能聚光导光集热器，能够实现太阳光线在接收管内的全反射定向传输，进而实现导光功能；且在此过程中能够实现光热分离，分级利用。
45.如图1所示，该定向传光太阳能聚光导光集热器包括：复合多曲面聚光集热器10和接收管20。
46.复合多曲面聚光集热器10为槽式结构，包括：两个反射镜组件、透明盖板110、槽底抛物反射镜150和透明侧板160；其中两个反射镜组件左右对称设置，均包括：用于光线反射的抛物反射镜120和连接在抛物反射镜120下端用于光线反射的平面反射镜140；透明盖板
110敷设于两个反射镜组件顶部；在两个反射镜组件所形成的整体的前后两侧面各敷设一个透明侧板160；两个反射镜组件的底部敷设用于光线反射的槽底抛物反射镜150。
47.在复合多曲面聚光集热器10内部设置有用于固定支撑接收管20的支撑侧板170；本例中，支撑侧板170竖直设置在位于后侧的透明侧板160的内表面上；热风出口130为加工在支撑侧板170以及对应位置处透明侧板160上的开口。
48.如图2、图3和图5所示，接收管20包括：同轴对接的进光管210和导光管220；为方便描述，令进光管210与导光管220相连的一端为其前端；其中进光管210外圆周面为等直径的圆柱面，内圆周面为从后往前轴向渐缩的圆柱面，即进光管210沿轴向各位置处的外径相同，内径从后往前递减；进光管210内圆周面为轴向渐缩的圆柱面，用于实现定向传光。进光管210本体的材料为光密介质2130(相对于空气，即与空气相比，进光管210本体的材料为光密介质，空气为光疏介质)，如玻璃、pc或亚克力等，依靠光密介质实现了由外层到内层的形状转变。进光管210的外表面涂有一层反光材料形成外反射层2120，外反射层2120并不完全完全覆盖进光管210的外表面，而是沿轴向预留一条进光道2110(即外反射层2120为未闭合的环形结构，在进光道2110所在位置漏出进光管210本体)；进光管210内部通道为空气通道2140。
49.如图2和图4所示，导光管220为锥形管(即导光管220为锥台状)，导光管220大端与进光管210同轴对接，且导光管220大端外径与进光管210外径相同。导光管220的外表面为黑色光吸收材料2220，内表面为反光材料，形成内反射层2230；导光管220小端为光线出口2210。将进光管210内圆周面设计为轴向渐缩的圆柱面以及采用锥形导光管220均是为了保证定向传光，使进入接收管的光线只能沿着从进光管210向导光管220的方向传输。
50.安装接收管20时，接收管20的进光管210通过支撑侧板170固定于复合多曲面聚光集热器10内，并使进光管210上的进光道2110与太阳能聚光集热器的焦线重合；且进光管210内部的空气通道2140(即进光管210的中心孔)与热风出口130连通。槽底抛物反射镜150支撑保护进光管210，导光管220从位于前侧的透明侧板160伸出复合多曲面聚光集热器10，导光管220入光口(即导光管220的大端)与进光管210的出光口(即进光管210的前端)刚性连接。
51.接收管20在复合多曲面聚光集热器10内的位置应保证经过复合多曲面聚光集热器10一次反射的光线与入射光线同向，由此实现顺向聚焦(“顺向聚焦”是指聚焦光线和入射光线同向)；如图6所示，接收管20需位于抛物反射镜120与平面反射镜140对接线以下的位置，即位于两块平面反射镜140之间的区域内。为保证复合多曲面聚光集热器10一次反射的光线与入射光线同向，接收管20的具体高度依据实际抛物反射镜120的曲线方程设计得到。
52.如图6所示，复合多曲面聚光集热器10从上往下依次具有：抛物反射镜120、平面反射镜140和槽底抛物反射镜150；抛物反射镜120用于将经透明盖板110的入射光线反射至位于进光管210表面的进光道2110中，槽底抛物反射镜150支撑和保护进光管20以及聚光集热器的密封保温。进光管210的上表面上的进光道2110位于两个抛物反射镜的焦线位置；如光线a和光线b为两条入射光线，入射光线经抛物反射镜120反射后由进光道2110进入到进光管210内部(如图6中，两条入射光线和经光线经抛物反射镜120一次反射的光线c和d同向，即为顺向聚焦)，进入到进光管210的光线在光密介质2130与外反射层2120的共同作用下在
进光管内实现全反射定向传播。
53.当采用该太阳能聚光导光集热器进行聚光集热时，其集热方式与传统太阳能聚光集热器使用方式相同。
54.当采用该太阳能聚光导光集热器进行导光时，如图5所示，将该太阳能聚光集热器沿轴线倾斜放置，使接收管20的光线出口2210向导光位倾斜，并调整该太阳能聚光导光集热器的朝向和倾斜角度，使光线入射角大于光密介质2130临界角；此时入射光线经过复合多曲面聚光集热器10汇聚至接收管20后，通过进光管210的进光道2110由光疏介质空气进入光密介质2130中，因光线入射角大于光密介质2130临界角，入射的太阳光将在光密介质2130中实现全反射，并将光线传输到导光管220中，光线由导光管220的内反射层2230再次进行全反射传输，最终由光线出口2210传出，实现导光。
55.实施例2：
56.在上述实施例1的基础上，为方便为复合多曲面聚光集热器10的姿态进行调节，进一步设置了支架30。支架30为复合多曲面聚光集热器10的底座，用于支撑、旋转、倾斜复合多曲面聚光集热器10，支架30包括：底座、控制器310、万向节320以及与复合多曲面聚光集热器10直接固定的底板330。复合多曲面聚光集热器10通过底板330安装在万向节320顶部，万向节320支撑在底座上，通过控制器310控制万向节320运动，能够调节复合多曲面聚光集热器10的姿态，具体为：通过旋转调节复合多曲面聚光集热器10的朝向，通过倾斜调节复合多曲面聚光集热器10的轴线与水平方向的夹角。
57.实施例3：
58.在上述实施例2的基础上，给出该太阳能聚光导光集热器的一种具体使用方式。
59.如图7所示，当采用该太阳能聚光导光集热器用于日光温室夏季导光时，支架30在控制器310的作用下，使该太阳能聚光导光集热器处于倾斜向下状态，且接收管20向下倾斜，且使导光管220伸入日光温室内部，复合多曲面聚光集热器10位于日光温室外部且朝向南向。
60.太阳光线经透明盖板110和透明侧板160进入复合多曲面聚光集热器10内部，并在抛物反射镜120的反射下通过进光道2110进入到进光管210内部，并经外反射层2120以及内反射层2230对光线全反射传播到光线出口2210，进而实现导光；同时日光温室内部的热量可利用“烟囱效应”的浮升力经接收管20以及热风出口130导出到室外，达到日光温室的换新风与除湿效果。
61.实施例4：
62.在上述实施例1-3的基础上，如图8所示，导光管220的长度略大于进光管210的长度；当将多个太阳能聚光导光集热器串联用于聚光集热时，直接将上一太阳能聚光导光集热器的导光管220插入到下一太阳能聚光导光集热器的进光管210内层空气通道2140的内部即可，从而简化了聚光集热器的连接方式。
63.同时由于导光管220的外表面为黑色光吸收材料2220，在进行聚光集热时黑色光吸收材料2220可有效吸收太阳光线并加热流经空气通道2140内部的循环介质；并且在进行聚光集热时，由于进光管210与导光管220处于嵌套状态，未被第一个聚光集热器利用的经接收管20传输的光线可再次对第二个加热空气通道2140内部的空气进行加热，实现热能的高效利用。
64.由此，该种结构形式的太阳能聚光导光集热器串联使用时能够将进光管与导光管内嵌进行集热，减少了集热时的散热损失，实现了光传输与热输运同向，简化了聚光器的连接方式，有效提高了聚光器的利用效率。
65.实施例5：
66.在上述实施例1-4的基础上，为方便复合多曲面聚光集热器10的运输(接收管20和复合多曲面聚光集热器10分开运输)，使复合多曲面聚光集热器10上端轴向尺寸大于下端轴向尺寸，即透明盖板110的长度大于槽底抛物反射镜150的长度，具体的，透明盖板110的前后两端均相对于槽底抛物反射镜150具有向外的延伸，由此透明侧板160安装后处于向内倾斜状态。
67.在进行运输时，先不安装透明盖板110(对于有支架30的太阳能聚光导光集热器，也先不安装支架30)，将多个复合多曲面聚光集热器10沿高度方向层叠在一起，由于复合多曲面聚光集热器10上端轴向尺寸大于下端轴向尺寸，此时上方复合多曲面聚光集热器10的下端能够置于下方复合多曲面聚光集热器10内部，节省放置高度，方便运输。
68.以上内容是结合具体的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。