[發明專利]一種非成像碟式聚光器及其設計方法

有效

• 申請號: 201711304503.8
• 申請日: 2017-12-11
• 公開（公告）號: CN107894658B
• 公開（公告）日: 2019-12-10
• 發明（設計）人: 顏健;彭佑多
• 申請（專利權）人: 湖南科技大學
• 主分類號: G02B19/00
• 分類號: G02B19/00
• 代理公司: 43108 湘潭市匯智專利事務所(普通合伙)
• 代理人: 顏昌偉

本發明公開了一種非成像碟式聚光器的設計方法，包括以下步驟：建立全局坐標系；將腔體接收器安裝在理想拋物碟式聚光器的焦點位置；建立非成像碟式聚光器的反射鏡曲面的空間方程；建立各環反射鏡面的聚焦光斑的半徑模型；建立以能流均勻性為目標，以各段拋物母線的旋轉角度為優化變量的數學模型；優化建立的數學模型，最終確定與腔體接收器匹配的非成像碟式聚光器的反射鏡的曲面形狀，獲得均勻的能流分布。本發明的非成像碟式聚光器的反射鏡由多環反射鏡面組成，每環反射鏡面的曲面方程均不相同，不僅能夠顯著地提升能流均勻性，還能降低局部聚光比的峰值，從而有效地避免高溫熱斑的形成，進而提升吸熱器的工作壽命和可靠性。

技術領域

本發明涉及太陽能發電領域，特別涉及一種非成像碟式聚光器及其設計方法。

背景技術

太陽能是清潔環保、供應充足和分布廣泛的可再生能源。聚光太陽能熱發電是開發和利用太陽能資源的一種重要技術，被認為是解決能源短缺和環境污染問題的重要途徑。碟式-斯特林太陽能熱發電系統是通過拋物碟式聚光器將太陽光聚集到接收器內的金屬盤管表面，并用于加熱金屬管內的氣體工質(通常為氫氣或氦氣)，然后被加熱的氣體工質會驅動斯特林熱機工作并帶動發電機工作輸出電能。由于碟式-斯特林太陽能熱發電系統具有太陽能-電能轉換效率高(最高紀錄是31.25％)，布置靈活和模塊化程度高等優點，被認為是一種具有廣闊應用前景的高品位太陽能熱利用裝備。

眾所周知，理想拋物碟式聚光器是一個單點聚焦成像光學裝置，他能將與其焦軸平行的光線聚集到焦點處。因此，碟式聚光系統中腔體接收器表面的能流分布通常是極其不均勻的。然而，非均勻且高密度的太陽輻射能可能會對腔體接收器裝置產生一些不利的影響，這包括降低接收器的工作效率，更為嚴重的可能還會產生高溫熱斑而影響接收器的安全性和工作壽命。

發明內容

為了解決上述技術問題，本發明提供一種結構簡單、能提升流均勻性的非成像碟式聚光器，并提供非成像碟式聚光器的設計方法。

本發明解決上述問題的技術方案是：一種非成像碟式聚光器，包括網架、反射鏡、立柱、雙軸跟蹤裝置、支撐桁架和控制裝置，所述雙軸跟蹤裝置安裝在立柱頂端，所述控制裝置與雙軸跟蹤裝置電連接，控制裝置計算太陽的實時位置并控制雙軸跟蹤裝置的轉動，實現聚光器實時跟蹤太陽位置；所述支撐桁架下端與雙軸跟蹤裝置連接，所述網架中心與支撐桁架下端固定連接，反射鏡安裝在網架上，所述反射鏡由多環反射鏡面組成，每環反射鏡面的曲面方程均不相同。

上述非成像碟式聚光器，各環反射鏡面的生成過程為：在二維平面內，將理想拋物母線沿半徑方向劃分成K等分，即總共有K環反射鏡面，然后將各段拋物母線繞其一個端點旋轉一定角度，最后將各母線繞原來理想拋物曲線的焦軸旋轉一周形成一個非成像碟式聚光器的反射鏡。

上述非成像碟式聚光器，每環反射鏡面由多個沿圓周布置的鏡面單元構成。

一種非成像碟式聚光器的設計方法，包括以下步驟：

1)在理想拋物母線的頂點O位置建立全局坐標系O-xyz，其中z軸指向拋物曲面的焦點F，設定理想拋物母線的焦距、理想拋物碟式聚光器的半徑、沿半徑方向等分的數量以及反射鏡的反射率；

2)設定腔體接收器的幾何參數和壁面反射或吸收參數，將腔體接收器安裝在原來的理想拋物碟式聚光器的焦點位置，即腔體接收器的接收窗平面位于原來的拋物碟式聚光器的焦平面位置；

3)將各段拋物母線繞其內端點旋轉一定角度，建立新的非成像碟式聚光器的反射鏡曲面的空間方程；

4)建立各環反射鏡面在接收窗平面聚焦形成的聚焦光斑的半徑模型；

5)基于步驟3)得到的空間方程和步驟4)得到的半徑模型，建立以腔體接收器內部的吸熱器表面的目標區域的能流均勻性為目標，以各段拋物母線的旋轉角度為優化變量的數學模型；