一种反射镜及采用该反射镜的太阳能槽式集热器

摘要

本发明公开了一种反射镜及采用该反射镜的太阳能槽式集热器，属于太阳能技术领域。本发明的初次反射镜至少包括一第一反射面和位于其左右两侧的第二、第三反射面中的两个反射面，第一反射面构造为将直射光线反射至一第一焦线，第二反射面构造为将直射光线反射至第一焦线的右侧，第三反射面构造为将直射光线反射至第一焦线的左侧；本发明的槽式集热器包括一上述初次反射镜，一二次反射镜，一接收管，其中部分直射光线经初次反射镜直接反射至接收管上形成第一焦线，部分直射光线经初次反射镜反射到二次反射镜上后再反射至接收管上形成另一条或几条焦线。本发明提高了槽式集热器的聚光效率，提升了了器件的使用寿命，节约成本，具有广泛的应用前景。

说明书

技术领域

本发明属于太阳能技术领域，尤其涉及一种用来收集太阳光线的反射镜，以及一种采用这种反射镜的太阳能集热器。

技术背景

太阳能槽式集热器包含直线型反射镜，大多为直线形的抛物面形，通常围绕其重心转动跟踪太阳，把太阳辐射反射到直线型接收器上。这种接收器可以有几种形状，但出于机械方面的考虑，大多使用圆柱形管，内部有循环于整个接收器的液体，这样通过液体流动把接收器收集到的热量传送到应用处。大多数情况下，接收器是一根镀有光谱选择性吸收膜的钢管，这层膜可以吸收大部分太阳辐射并充分减少辐射热损失。

一层或多层封闭接收器的玻璃封套可以进一步减少接收管的热损。商业上生产的集热单元(HEC)在接收管和玻璃封套之间有封闭的真空，用于再进一步减少热损。但在温度高达400摄氏度的环境中长久保持低于13帕的真空是非常困难的。NREL在GoldenColorado杂志2007年3月9日的“Parabolic Trough Workshop”一文中曾报道了很多因氢渗漏而造成的真空被破坏。

提高操作温度是很重要的，因为这样可以提高使用处的热循环效率。但是，从某个温度点开始，由接收管热辐射造成的效率损失会比得到的热循环效率增长得更快，减少热损失可以通过提高聚光率来实现。当今技术使用由几部分或几个小面组成的初次反射镜，设法把尽可能多的太阳辐射集中到接收管上。

出于经济上和实用性的考虑，抛物形状是缩短了的，这样接收器朝阳面就不能被初次反射镜的反射光照射到，因此最大聚光率减小了。同时造成光照不均匀，同时不均匀的热量使接收管弯曲，经常挤碎玻璃封套。

为了增大聚光率，有过几种设计，其中包括在接收器旁边安装一种二次反射镜。接收器的尺寸变小，通常初次反射镜反射的无法聚集到接收器上的光就会被二次反射镜反射到原来接收器没有被照射到的部分。二次反射镜就像一个捕光套，把散落的光线聚集到接收器上原来没有被照射到的地方。基本上，二次反射镜能把聚光效果提高一倍，并能允许更高的光学误差。

现有技术中带有二次反射镜的槽式集熱器如图1-5所示：图1为Duke Solar真空封套中的二次反射镜，二次反射镜接收管之间无空隙，初次反射镜的曲率半径大，边界角小。图2为大边界角抛物面槽式集熱器，带有在透明玻璃管中的复合二次反射镜与接收管(参考：J.M.Gordon 1991 Solar energy vol 47No 6pp 457¨C 466.High rim parabolic trough withcomplex secondary reflector and absorber tube inside a transparent glass tube)。图3为采用复合抛物面集热器式二次反射镜和平板接收器的槽式集熱器，其初次反射镜曲率半径大，边界角小(参考：J.M.Gordon 1991Solar energy vol 47No 6pp 457¨C 466，parabolic troughwith CPC secondary and a flat receiver.The primary parabolic reflector has a low rim angle)。图4展示了槽式集熱器的各种形式的二次反射镜(参考：Harald Ries(1996)Applied optics/Vol 35 No 13/1May 1996，various shapes of secondaries for parabolic trough collectors)。图5为1993年Gordon的冰淇淋蛋卷形CPC(复合抛物面式集热器)。它是为带玻璃封套的圆柱形接收器开发的，因此这种形式的CPC的反光镜与接收管之间有缝隙。缝隙损失被增加的反光面积所补偿。这种CPC与杜瓦瓶太阳能真空管结合，广泛运用于家用热水系统。

理论上，二次反射镜的顶部应该与接收管相接以使捕光套闭合起来，但这十分困难。接收管由于受热不均产生弯曲，而二次反射镜是由玻璃材料制成，不能承受与极热的接收管接触时产生的巨大冷热冲击。在二次反射镜和接收管之间留出一定空隙会使捕光套张开则会导致缝隙损失。另一个问题是部分被聚集的光会在二次反射镜被多次反射之后才到达接收器上。这两个原因导致光学损失。通常，有二次聚光镜的槽式集热器光学性能都比没有的效率较低一些。由于这个原因，二次反射镜没有在商业槽式集熱器上得到运用。

发明内容

本发明的目的在于给出一种采用新型反射镜的太阳能集热器，使得接收器的采光更加均匀。

本发明的另一目的在于提供一种太阳能集热器，具有更高的聚光效果，同时增加对光线的捕捉功能，避免缝隙损失和二次反射镜面多次反射问题。

本发明的反射器，至少包括一第一反射面、位于第一反射面左侧的一第二发射面和位于第一反射面右侧的一第三反射面中的两个反射面，其特征在于该第一反射面构造为将直射光线反射至一第一焦线或准焦线，该第二反射面构造为将直射光线反射至第一焦线或准焦线的右侧，第三反射面构造为将直射光线反射至第一焦线或准焦线的左侧。

所述第二反射面构造为将直射光线反射至一位于第一焦线右侧的第二焦线或准焦线上，第三反射面构造为将直射光线反射至一位于第一焦线左侧的第三焦线或准焦线上。

所述第一反射面包括分开的左右两个部分，其中左边部分与第二反射面连接，右边部分与第三反射面连接。

本发明的反射镜可采用左右对称的结构。

本发明的太阳能槽式集热器，包括一初次反射镜，一二次反射镜，一接收管，所述初次反射镜至少包括一第一反射面、位于第一反射面左侧的一第二发射面和位于第一反射面右侧的一第三反射面中的两个反射面，第一反射面构造为将直射光线反射至接收管上，第二反射面构造为将直射光线反射至二次反射镜的右侧反射面并经二次反射镜反射至接收管上，第三反射面构造为将直射光线反射至二次反射镜的左侧反射面并经二次反射镜反射至接收管上。

上述二次反射镜为冰淇淋形蛋卷二次反射镜。

所述第一反射面构造为将直射光线反射至第一焦线或准焦线，所述第一焦线为接收管的中心线。

所述初次反射镜的第二反射面构造为将直射光线反射至一位于第一焦线右侧的第二焦线或准焦线上，第三反射面构造为将直射光线反射至一位于第一焦线左侧的第三焦线或准焦线上。

所述第二反射面和/或第三反射面将直射光线反射至二次反射镜的光线均为边源光线区域的中心线，即这些光线都是某一边缘光线区域的中心线。

所述第二反射面可以包括一个或几个如下区域：

第二反射面区域一，该区域反射面构造为将直射光线反射至二次反射镜的光线均为边缘光线区域的中心线，所述边缘光线区域的一条边缘光线以切线射在接收管上，另一条经二次反射镜右侧反射面一次反射以切线射在接收管上；

第二反射面区域二，该区域反射面构造为将直射光线反射至二次反射镜的光线均为边缘光线区域的中心线，所述边缘光线区域的一条边缘光线以切线射在接收管上，另一条经二次反射镜右侧边缘一次反射以切线射在接收管上；

第二反射面区域三，该区域反射面构造为将直射光线反射至二次反射镜的光线均为边缘光线区域的中心线，所述边缘光线区域的一条边缘光线以切线射在接收管上，另一条经二次反射镜右侧边缘一次反射至接收管表面上；

第二反射面区域四，该区域反射面构造为将直射光线反射至二次反射镜的光线均为边缘光线区域的中心线，所述边缘光线区域的一条边缘光线经二次反射镜左侧边缘射在接收管上，另一条经二次反射镜右侧边缘一次反射至接收管上；

所述第三反射面可以包括一个或几个如下区域：

第三反射面区域一，该区域反射面构造为将直射光线反射至二次反射镜的光线均为边缘光线区域的中心线，所述边缘光线区域的一条边缘光线以切线射在接收管上，另一条经二次反射镜左侧反射面一次反射以切线射在接收管上；

第三反射面区域二，该区域反射面构造为将直射光线反射至二次反射镜的光线均为边缘光线区域的中心线，所述边缘光线区域的一条边缘光线以切线射在接收管上，另一条经二次反射镜左侧边缘一次反射以切线射在接收管上；

第三反射面区域三，该区域反射面构造为将直射光线反射至二次反射镜的光线均为边缘光线区域的中心线，所述边缘光线区域的一条边缘光线以切线射在接收管上，另一条经二次反射镜左侧边缘一次反射至接收管表面上；

第三反射面区域四，该区域反射面构造为将直射光线反射至二次反射镜的光线均一边缘光线区域的中心线，所述边缘光线区域的一条边缘光线经二次反射镜右侧边缘射在接收管上，另一条经二次反射镜左侧边缘一次反射至接收管上。

所述初次反射镜为镀银的低铁玻璃，所述接收管为有光谱选择性吸收层的圆柱形钢管。

所述接收器设一层或多层圆柱形玻璃封套，玻璃封套内的真空度为低于100帕。

所述二次反射镜与接收管不接触，之间可以有距离。

所述初次反射镜的第一反射面包括分开的左右两部分，两者之间的距离为二次反射镜在初次反射镜上的正投影宽度。

所述二次反射镜的表面有低热辐射涂层，背面设保温层，保温层包裹钢片，二次反射镜面向初次反射面的一面用玻璃片或特氟纶薄片封闭，该玻璃片或特氟纶薄片表面有减反层。

所述集热器还包括一初次反射镜转动轴，以自动追踪太阳光线。

所述集热器还包括包括一倾斜轴，与所述初次反射镜不共面。

所述接收管或接收管的玻璃封套可由导向滚轮支撑。

与现有技术不同，本发明能把太阳辐射均匀地分布到接收管周围，从而大大减少了热应力和接收管的弯曲。

本发明能带来更高的聚光效果，降低了对光学精度的要求，本发明的初次反射镜需要的CPC顶部与接收管之间可以有很大的空隙，接收器与二次反射镜顶部的大空隙让生产过程更容易、产品性能更可靠。

而且当本发明的二次反射镜的背面被良好地隔热、面向初次反射镜的一面用玻璃片封住时，这样的二次反射镜不需使用昂贵的真空技术，就能比已知的任何有类似反光面积的槽式集熱器上的HCE热损小。这个特色能帮助接受更高的工作温度，从而提高整体效率。由于不需使用高真空技术，其造价降低，而可靠性大大增加。

附图说明：

图1Duke Solar真空封套中的二次反射镜示意图

图2现有的大边界角抛物面槽式集熱器示意图

图3现有技术中采用CPC式二次反射镜和平板接收器的槽式集熱器示意图

图4a)-4d)现有技术中的各种形式的二次反射镜示意图

图5冰淇淋蛋卷形CPC示意图

图6a)-6b)分别为本发明太阳能集热器左视图和后视图

图7本发明倾斜的集热器剖示图

图8本发明初次反射镜与CPC位置关系示意图

图9本发明的光线反射示意图

图10切去顶端的线性冰淇淋蛋卷形CPC示意图

图11边缘光线示意图，其中边缘光线d，e均经二次反射镜一次反射后切线射在接收管上

图12边缘光线示意图，其中边缘光线f，g均经二次反射镜一次反射后切线射在接收管上，但入射角度较大

图13反射光线不位于边缘区域时的光缝隙损失示意图，i，，j之间的同向光线发生缝隙损失

图14边缘光线示意图，其中边缘光线m以切线射在接收管上，l经二次反射镜一次反射后切线射在接收管上

图15边缘光线示意图，其中边缘光线o以切线射在接收管上，n经二次反射镜边缘21一次反射后切线射在接收管上

图16边缘光线示意图，其中边缘光线q以切线射在接收管上，p经二次反射镜边缘21一次反射后射在接收管上

图17边缘光线示意图，其中边缘光线q’经二次反射镜边缘22射在接收管上，p’经二次反射镜边缘21反射后射在接收管上

图18边缘光线d，e的中心线r示意图

图19边缘光线f，g的中心线s示意图

图20边缘光线l，m的中心线t示意图

图21边缘光线n，o的中心线u示意图

图22边缘光线p，q的中心线v示意图

图23边缘光线p’，q’的中心线w示意图

图24直射光线S1，S2，S3，S4，S5经初次反射镜反射的光线为边缘光线区域中心线r，s，t，u，v，w的示意图

图25初次反射镜反射面设计原理图

图26接收管及二次反射镜的结构图

图27本发明的光学响应与现有的LS3的对比效果图

其中

1-CPC  2-初次反射镜  3-支撑初次反射镜的钢结构  4-钢结构支柱5-水泥钢筋底座  6-扭矩盒  7-转动轴  8-钢片  9-玻璃片  10-导向滚轮101-二次反射镜  102-接收管。

具体实施方式

本发明集热器的结构如图6所示，其中CPC 1包含二次反射镜和钢制接收管，初次反射镜2材料为镀银的低铁玻璃，部件3为支撑初次反射镜的钢结构，部件4为钢结构支柱，部件5为水泥钢筋底座。部件6为扭矩盒。

图7为倾斜的槽式集熱器，追踪太阳光线的转动轴7与倾斜角不同。在此情况下转动轴是水平的，倾斜角为8度，且两者不共面。这样的结构为南北朝向，能在冬季产生更多的能量。

本发明的原理图如图8所示，接收管和二次反射镜之间有很大的空隙。初次反射镜的弯曲度比抛物线略大一些，包括左上部分，左中部分，右上部分，右中部分。

初次反射镜的反射原理图如图9所示，初次反射镜左上部分把阳光反射到二次反射镜的右边部分，然后通过二次反射镜的右边部分将光线反射到接收管右侧上。初次反射镜右上部分把阳光反射到二次反射镜的左边部分，然后通过二次反射镜的左边部分将光线反射到接收管左侧上。

初次反射镜中间部分一分为二，因为初次反射镜上被二次反射镜阴影遮挡的地方没有作用，被省略了。初次反射镜中间部分将光线直接反射到接收管的下侧或上侧上。

初次反射镜形状设计如图10～图25所示：

图10为切去顶端的线性冰淇淋蛋卷形CPC，因为顶端被截去，所以二次反射镜与接收管之间有较大缝隙，其接收角度的一半为50度；接收管钢制、镀有太阳光选择性吸收层。平行的光线a，b和c直接射在CPC上。光线a和c经二次反射镜反射后被接收管的上半部分吸收。CPC的二次反射镜一部分是渐开线，意味着任何与接收管相切的光线(如b)，只要其入射角小于接收角度，就会被CPC的反射镜反射回来，仍然与同一支接收管相切。

图11(图12)所示：边缘光线d和e(f和g)。边缘光线是这样的两条线，它们划出一个最大的区域，这个区域之中任何与边缘光线入射角相同的光线都直接或经过一次反射后落到接收管上。

因此，一条光线在以下条件下就是边缘光线：

1、以切线射在接收管上，或

2、经过CPC的一次反射后，以切线射在接收管上，或

3、经过点Z1或者点Z2，直接落在接收管上，或

4、经过点Z1或者点Z2，经过CPC的一次反射落在接收管上

在边缘光线d和e(f和g)形成的区域之外，并与d(f)方向一致的光线，不会直接或经过一次反射后落到接收管上。很多这样的光线会在接收管和CPC的反射镜之间通过而流失。

图13所示：从某一个入射角开始，i和j之间的光线在CPC的左边部分被反射到一个错误的方向。i和j之间的光线会流失。这种情况存在缝隙损失，所以为了使光套闭合，以前的设计中二次反射镜和接收管是相接的。因为本发明中的边缘光线是h和i(l和m)

本发明不存在缝隙损失问题，因为初次反射镜将直线光线反射为边缘区域的中心线，这样一来，任何被初次反射镜反射向二次反射镜上的光线都位于一边缘光线区域内，因而都直接或经过一次反射后落到接收管上。

图15所示，光线n落在CPC的边缘上。由于入射角增大了(图16和17所示)，边缘光线p不再被反射到与接收管相切。边缘光线q也不再与接收管相切。

图18到图23所示的是两条边缘光线所形成区域正中间的光线。这些正中的光线是r，s，t，w，v，和u。如果初次反射镜按这些中间光线反射，那么我们就会得到一个没有缝隙损失的系统。所有的光线都会直接或最多经过一次反射后落在接收管上。这个特点使本发明有很高的性能。

图24所示为如何得出初次反射镜。所有正中的光线r，s，t，u，v和w也在图中绘出。

按照设定的焦距长度与第一条中间光线r相交的地方得到交点X1。在这个交点X1的位置，入射光线S1需要被反射为r。这个条件定义了初次反射镜的一部分即R1的斜率。这个部分R1与S2的交点得出第二个点X2。

图25所示为入射光线S3、反射光线t。因为角Alfa(反射角)和角Betha(入射角)相等，那么反射镜(R3)在点X3的斜率可知。初次反射镜的一部分R3与S4的交点给出初次反射镜上的下一个点X4。用大量已经计算好的中间光线，重复以上步骤，即可得到整个初次反射镜的形状。

如图24，R1部分相当于初次反射镜的第一反射面，将直射光线反射到接收管的中心线上；R2相当于前述的第三反射面区域一，该区域反射面构造为将直射光线反射至二次反射镜的光线均为边缘光线区域的中心线，所述边缘光线区域的一条边缘光线以切线射在接收管上，另一条经二次反射镜左侧反射面反射以切线射在接收管上；R3相当于前述的第三反射面区域二，该区域反射面构造为将直射光线反射至二次反射镜的光线均为边缘光线区域的中心线，所述边缘光线区域的一条边缘光线以切线射在接收管上，另一条经二次反射镜左侧边缘反射以切线射在接收管上；R4相当于前述的第三反射面区域三，该区域反射面构造为将直射光线反射至二次反射镜的光线均为边缘光线区域的中心线，所述边缘光线区域的一条边缘光线以切线射在接收管上，另一条经二次反射镜左侧边缘反射至接收管表面上；R5相当于前述的第三反射面区域四，该区域反射面构造为将直射光线反射至二次反射镜的光线均一边缘光线区域的中心线，所述边缘光线区域的一条边缘光线经二次反射镜右侧边缘射在接收管上，另一条经二次反射镜左侧边缘反射至接收管上。

初次反射镜的R1把光线转向到接收管中部；R3，R4，R5，把光线转向接受管左部的准焦线上。同样的，出于对称，初次反射镜的左部对应区域把光线转向接受管右部的准焦线上。这些准焦线有个优点：使得二次反射镜很容易调整，方法是在CPC开口处放置一个有刻度的屏幕，检查这些准焦线是否落在正确的位置上。

初次反射镜比现有的抛物线弯曲度更大一些。这种新型的初次反射镜可以大致当作包含三个部分的抛物线。中间部分可以不必改动，两边需要向里略微弯一些以使他们的焦线移到计算好的准聚线上，左上部分的初次反射镜焦线落在位于接收管右边计算好的焦线上，右上部分的初次反射镜焦线落在位于接收管左边计算好的焦线上。使用上面所述的这种抛物线形状，会使初次反射镜两端至中间的R2区域性能降低，因为上述R2区域不能反射到所述焦线或准焦线上，但是在安装上更快捷，可以使用现有的装置，或者可以使用市场上的标准部件。

实际操作中，接收管及二次反射镜的结构如图26所示，二次反射镜101会从背面设置保温层进行隔热处理，面向初次反射镜的入口部分也会用玻璃片9或特氟纶薄片盖住，目的是为了减少热损失。这种玻璃可以是钢化玻璃或硼硅玻璃，因为它们可以经受较大的冷热温差和温度变化。用减反层或排污层可以减少反射损失。这样的涂层必须是折射率低的，多孔硅土就有这样的性质。再在玻璃或特氟纶上平行地加一层玻璃或特氟纶可以进一步减少热损。隔热层周围包裹钢片8可以使之在雨天保持干燥，同时这些钢片还可以形成稳定的轴承结构，所有部件都可以依附其上。为了使这钢片不受到集中的辐射影响，我们可以在钢片周围装上防辐射档片。

接收管102或其玻璃封套会受热膨胀，支撑它的是轴承上的两个导向滚轮10，这样可以使接收管102容易移动，从而减小其热应力。为提高性能，接收管需要有选择性吸收层，这样的选择性吸收层对阳光吸收率高而对外热辐射低。反射镜可以用热弯硼硅玻璃制成，这种材料可以承受大的温差。反射涂层可以是银，上面加保护层，如硅土或氧化铝。

图27显示此发明的光学响应与现有的LS3的对比。在这个分析里，新结构比LS3在聚光率上高出25％，光学效应高出60％。