一種二次聚光反射-透射型拋物槽式太陽能集熱器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及太陽能熱發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種二次聚光反射-透射型拋物槽式太陽能集熱器。
【背景技術(shù)】
[0002]太陽能作為取之不盡，用之不竭，且清潔無污染的新能源，受到人們越來越廣泛的關(guān)注。太陽能光熱發(fā)電按集熱形式主要有槽式、塔式和碟式三種，其中槽式太陽能熱發(fā)電技術(shù)最為成熟，國外已實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用，是近期在世界范圍內(nèi)推進(jìn)太陽能熱發(fā)電技術(shù)發(fā)展的重點(diǎn)方向。
[0003]輻照條件良好的夏季，對于南北軸布置，東西軸跟蹤的槽式集熱器，峰值集熱效率可達(dá)65%以上，且全天集熱效率波動不大，槽式熱發(fā)電系統(tǒng)表現(xiàn)出良好的熱力性能。然而，隨著冬季太陽輻照強(qiáng)度下降，太陽入射角增加，槽式集熱器的集熱效率明顯下降，冬季典型日里的太陽能集熱效率僅為30%左右，集熱效率下降將帶來太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)汽輪機(jī)的降負(fù)荷運(yùn)行，導(dǎo)致槽式熱發(fā)電系統(tǒng)年均發(fā)電效率難以提高，或者為了汽機(jī)維持穩(wěn)定運(yùn)行而增設(shè)儲能設(shè)備，帶來投資成本和發(fā)電成本進(jìn)一步提高。
[0004]上述集熱性能下降導(dǎo)致技術(shù)經(jīng)濟(jì)性難以提高的問題，是目前槽式熱發(fā)電技術(shù)遇到的關(guān)鍵問題，直接制約了其大規(guī)模商業(yè)化推廣應(yīng)用。因此，改善槽式集熱器在太陽輻照下降且入射角增大時的集熱性能，是該領(lǐng)域亟待解決的重要技術(shù)問題。
【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0005](一 )要解決的技術(shù)問題
[0006]有鑒于此，本實(shí)用新型的主要目的在于提供一種二次聚光透射-反射型拋物槽式太陽能集熱器，通過布置線性菲涅爾透鏡，準(zhǔn)直菲涅爾透鏡，實(shí)現(xiàn)對太陽能的一次聚光，再通過拋物槽面反射鏡實(shí)現(xiàn)對太陽能的二次聚光，從而解決目前太陽輻照下降的工作條件下，槽式集熱器集熱性能下降的技術(shù)難題。
[0007]( 二)技術(shù)方案
[0008]為達(dá)到上述目的，本實(shí)用新型提供了一種二次聚光反射-透射型拋物槽式太陽能集熱器，該拋物槽式太陽能集熱器包括線聚焦菲涅爾透鏡1、準(zhǔn)直菲涅爾透鏡2、真空集熱管3和拋物槽面反射鏡4，太陽光依次透過線聚焦菲涅爾透鏡I和準(zhǔn)直菲涅爾透鏡2照射至拋物槽面反射鏡4，被拋物槽面反射鏡4反射匯聚至真空集熱管3的壁面，進(jìn)而提高槽式集熱器的集熱效率。
[0009]上述方案中，所述線聚焦菲涅爾透鏡I的實(shí)焦點(diǎn)與準(zhǔn)直菲涅爾透鏡2的虛焦點(diǎn)重入口 ο
[0010]上述方案中，所述太陽光透過線聚焦菲涅爾透鏡I完成一次聚光，并照射至準(zhǔn)直菲涅爾透鏡2。
[0011]上述方案中，所述完成一次聚光的太陽光經(jīng)過準(zhǔn)直菲涅爾透鏡2被重新擴(kuò)散為平行光。
[0012]上述方案中，所述拋物槽面反射鏡4將一次聚光并被重新擴(kuò)散為平行光的太陽光反射匯聚至真空集熱管3的壁面，完成二次聚光。
[0013]上述方案中，所述真空集熱管3位于拋物槽面反射鏡4的焦線位置，以保證太陽光被拋物槽面反射鏡4聚焦后，聚焦光斑準(zhǔn)確落在真空集熱管3上，真空集熱管3內(nèi)部傳熱介質(zhì)吸收聚焦太陽能，完成升溫過程。
[0014](三)有益效果
[0015]從上述技術(shù)方案可以看出，本實(shí)用新型具有以下有益效果:
[0016]1、利用本實(shí)用新型，通過菲涅爾透鏡和拋物槽面反射鏡，可實(shí)現(xiàn)對太陽輻照的二次聚光，從而增大真空集熱管接受的太陽能能流密度，大幅提高槽式集熱器的集熱效率。
[0017]2、利用本實(shí)用新型，菲涅爾透鏡是多由聚烯烴材料注壓而成的薄片，鏡身輕薄。用菲涅爾透鏡作為二次聚光裝置，相對增大傳統(tǒng)槽式集熱器開口面積以收集更多太陽輻照的方式，可降低太陽能集熱器對支撐結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度要求，節(jié)省支架的鋼用量，從而節(jié)約成本，提高槽式太陽能熱發(fā)電的經(jīng)濟(jì)性。
[0018]3、利用本實(shí)用新型，菲涅爾透鏡具有加工便捷，可批量生產(chǎn)，價格便宜等優(yōu)點(diǎn)，在現(xiàn)代工業(yè)中早已被廣泛應(yīng)用。用菲涅爾透鏡作為二次聚光裝置，可降低高聚光比太陽能集熱器的自身造價，提高槽式太陽能熱發(fā)電的經(jīng)濟(jì)性。
[0019]4、利用本實(shí)用新型，可根據(jù)實(shí)際集熱需求變化，重新對線性菲涅爾透鏡和準(zhǔn)直菲涅爾透鏡進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，從而通過只更換菲涅爾透鏡的方式調(diào)整集熱器的聚光比，易于對集熱器進(jìn)行改造。
【附圖說明】
[0020]圖1為傳統(tǒng)拋物槽式太陽能集熱器的示意圖；
[0021]其中附圖標(biāo)記為:1_真空集熱管；2_拋物槽面反射鏡。
[0022]圖2為依照本實(shí)用新型實(shí)施例的二次聚光透射-反射型拋物槽式太陽能集熱器的示意圖；
[0023]其中附圖標(biāo)記為:1_線聚焦菲涅爾透鏡；2_準(zhǔn)直菲涅爾透鏡；3_真空集熱管；4-拋物槽面反射鏡。
【具體實(shí)施方式】
[0024]為使本實(shí)用新型的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照附圖，對本實(shí)用新型進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0025]如圖2所示，本實(shí)用新型提供的透射-反射型拋物槽式太陽能集熱器，包括線聚焦菲涅爾透鏡1、準(zhǔn)直菲涅爾透鏡2、真空集熱管3和拋物槽面反射鏡4，太陽光依次透過線聚焦菲涅爾透鏡I和準(zhǔn)直菲涅爾透鏡2照射至拋物槽面反射鏡4，被拋物槽面反射鏡4反射匯聚至真空集熱管3的壁面，進(jìn)而提高槽式集熱器的集熱效率。
[0026]線聚焦菲涅爾透鏡I的實(shí)焦點(diǎn)與準(zhǔn)直菲涅爾透鏡2的虛焦點(diǎn)重合。線聚焦菲涅爾透鏡I將平行太陽光進(jìn)行一次聚光，并照射至準(zhǔn)直菲涅爾透鏡2 ;準(zhǔn)直菲涅爾透鏡2將一次聚光后的太陽光重新擴(kuò)散為平行太陽光，并照射至拋物槽面反射鏡4 ;拋物槽面反射鏡4將經(jīng)歷一次聚光后的該平行太陽光反射匯聚至真空集熱管3的壁面，實(shí)現(xiàn)二次聚光。真空集熱管3位于拋物槽面反射鏡4的焦線位置，以保證近似平行的太陽光線被聚焦后，聚焦光斑可準(zhǔn)確落在真空集熱管3上，真空集熱管3內(nèi)部的傳熱介質(zhì)吸收聚焦太陽能，完成升溫過程。
[0027]在傳統(tǒng)槽式集熱器中，如圖1所示，拋物槽式反射鏡只能在開口面內(nèi)接收太陽光，在冬季等輻照強(qiáng)度下降的時段內(nèi)，開口面積內(nèi)接收的太陽光能量密度下降，鏡場集熱性能下降明顯，導(dǎo)致年均效率降低。
[0028]在本實(shí)用新型中，如圖2所示，通過在拋物槽面反射鏡開口面方向布置線性菲涅爾透鏡和準(zhǔn)直菲涅爾透鏡，可將更多太陽光匯聚到拋物槽面反射鏡上，從而解決冬季等太陽輻照下降以及太陽入射角增加后，由于集熱器接收的有效入射太陽輻照下降，而導(dǎo)致集熱效率下降的問題，有效提高了低輻照下鏡場的集熱性能。
[0029]本實(shí)用新型提供的二次聚光反射-透射型拋物槽式太陽能集熱器，具有單軸光線追蹤能力，可根據(jù)實(shí)際需要加熱量或者實(shí)際需要達(dá)到溫度，確定太陽能集熱器的聚光比，從而確定線聚焦菲涅爾透鏡和準(zhǔn)直菲涅爾透鏡的齒角、齒距，拋物面反射鏡的開口形狀、開口寬度等結(jié)構(gòu)參數(shù)。
[0030]以南北水平軸布置東西跟蹤的槽式集熱器LS3為例，對其進(jìn)行二次聚光的設(shè)計(jì)改造，假設(shè)集熱器設(shè)置在我國太陽能資源豐富的石嘴山地區(qū)，其年有效累計(jì)輻照(大于300W/m2)可達(dá)1988kWh/m2。其中，夏至日正午的有效入射輻照為:DNIXcos Θ = 1022ff/m2X0.96=981W/m2;然而，在冬至日，正午有效入射輻照下降至:DNIXcos Θ = 900ff/m2X0.46 =414W/m2。其中，cos Θ為太陽入射角的余弦。由此可見，即使在太陽能資源如此豐富的一類地區(qū)，正午冬季有效輻照相比夏季也至少下降了一半，即在跟蹤方式不變，集熱器面積一定情況下，冬季鏡面接收到的能量密度下降了約一半。
[0031]為了提高冬季能量密度，可以考慮在冬季為槽式集熱器加裝線性菲涅爾透鏡和準(zhǔn)直菲涅爾透鏡，進(jìn)行二次聚光。冬至日拋物槽開口面接收太陽光的能量密度減少約一半，如使其再次提升至夏至日水平，透鏡組的收束比(即線聚焦菲涅爾透鏡焦距與準(zhǔn)直菲涅爾透鏡焦距之比)設(shè)定為fVA= 2。對于開口為5.77m，拋物槽面反射鏡焦距為1.71m的LS3槽式集熱器，計(jì)算可得，線聚焦菲涅爾透鏡焦距丨2約為6m，兩個透鏡間距約為3m。據(jù)估計(jì)，二次聚光改造后，太陽能集熱場的年均集熱效率將由現(xiàn)有年均45 %?50 %提升至60 %?65%。
[0032]以上所述的具體實(shí)施例，對本實(shí)用新型的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本實(shí)用新型的具體實(shí)施例而已，并不用于限制本實(shí)用新型，凡在本實(shí)用新型的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種二次聚光反射-透射型拋物槽式太陽能集熱器，其特征在于，該拋物槽式太陽能集熱器包括線聚焦菲涅爾透鏡(I)、準(zhǔn)直菲涅爾透鏡(2)、真空集熱管(3)和拋物槽面反射鏡(4)，太陽光依次透過線聚焦菲涅爾透鏡(I)和準(zhǔn)直菲涅爾透鏡(2)照射至拋物槽面反射鏡(4)，被拋物槽面反射鏡(4)反射匯聚至真空集熱管(3)的壁面，進(jìn)而提高槽式集熱器的集熱效率。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的二次聚光反射-透射型拋物槽式太陽能集熱器，其特征在于，所述線聚焦菲涅爾透鏡(I)的實(shí)焦點(diǎn)與準(zhǔn)直菲涅爾透鏡(2)的虛焦點(diǎn)重合。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的二次聚光反射-透射型拋物槽式太陽能集熱器，其特征在于，所述太陽光透過線聚焦菲涅爾透鏡(I)完成一次聚光，并照射至準(zhǔn)直菲涅爾透鏡(2)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的二次聚光反射-透射型拋物槽式太陽能集熱器，其特征在于，所述完成一次聚光的太陽光經(jīng)過準(zhǔn)直菲涅爾透鏡(2)被重新擴(kuò)散為平行光。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的二次聚光反射-透射型拋物槽式太陽能集熱器，其特征在于，所述拋物槽面反射鏡(4)將一次聚光并被重新擴(kuò)散為平行光的太陽光反射匯聚至真空集熱管(3)的壁面，完成二次聚光。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的二次聚光反射-透射型拋物槽式太陽能集熱器，其特征在于，所述真空集熱管(3)位于拋物槽面反射鏡(4)的焦線位置，以保證太陽光被拋物槽面反射鏡(4)聚焦后，聚焦光斑準(zhǔn)確落在真空集熱管(3)上，真空集熱管(3)內(nèi)部傳熱介質(zhì)吸收聚焦太陽能，完成升溫過程。
【專利摘要】本實(shí)用新型公開了一種二次聚光反射-透射型拋物槽式太陽能集熱器，包括線聚焦菲涅爾透鏡、準(zhǔn)直菲涅爾透鏡、真空集熱管和拋物槽面反射鏡，具有單軸光線追蹤能力。其中，線聚焦菲涅爾透鏡的實(shí)焦點(diǎn)與準(zhǔn)直菲涅爾透鏡的虛焦點(diǎn)重合；真空集熱管位于拋物槽面反射鏡的焦線位置；平行太陽光經(jīng)過線聚焦菲涅爾透鏡完成一次聚光，再經(jīng)過準(zhǔn)直菲涅爾透鏡重新擴(kuò)散為平行光；拋物槽面反射鏡將一次聚光后的平行太陽光反射到真空集熱管壁面，完成二次聚光；真空集熱管內(nèi)傳熱介質(zhì)吸收聚焦太陽能，完成升溫過程。該太陽能集熱器可應(yīng)用于太陽能光熱領(lǐng)域，很好解決了在冬季等太陽輻照下降、入射角增大的時段里，傳統(tǒng)槽式集熱器集熱效率大幅降低的難題，且成本低廉。
【IPC分類】F24J2-24, F24J2-08, F24J2-05, F24J2-12
【公開號】CN204421389
【申請?zhí)枴緾N201420771119
【發(fā)明人】金紅光, 趙雅文, 洪慧
【申請人】中國科學(xué)院工程熱物理研究所
【公開日】2015年6月24日
【申請日】2014年12月9日