太阳能聚光器、太阳能聚光器的制备方法及布局确定方法

摘要

本发明公开一种太阳能聚光器、太阳能聚光器的制备方法及布局确定方法。该太阳能聚光器包括N面球面反射镜，所述球面反射镜紧密排列；N块球面反射镜按照同轴对称排列或经纬对称排列；每块所述球面反射镜的弧矢焦点重合；所述同轴对称排列的排列方式为以中心球面反射镜的光轴为对称轴，每个外围球面反射镜均存在一个与其呈轴对称的外围球面反射镜；所述经纬对称排列的排列方式N块所述球面反射镜呈矩阵排列。本发明公开的太阳能聚光器布局及设计方法，在保证太阳能转换效率的同时大幅降低了成本。

说明书

技术领域

本发明涉及新能源技术领域，特别是涉及一种太阳能聚光器、太阳能聚光器的制备方法及布局确定方法。

背景技术

过去的数十年，为了降低发电成本并与化石能源发电的成本相竞争，太阳能发电系统的研究方向主要在提高太阳能电力转换效率和降低制造成本。对于太阳能发电系统而言，无论热电系统还是光伏系统，决定太阳能电系统效率的核心之一，是太阳能聚光器的结构形式。其中聚光单元制造成本在系统总成本中占很大比重。在众多的太阳能聚光收集方法中，由于抛物面型聚焦器具有大聚光比而得到广泛的实践应用，但因为大口径的抛物面聚光器面型精度要求较高，导致制造成本居高不下，使太阳能发电系统因成本原因，造成推广应用受到限制。为了降低成本，基于抛物面形状的各种布局和制造材料被广泛研究。其中得到实际应用的一种聚光器镜面布局方案是先加工制作可以构成抛物面聚光器的各个子曲面，再将各个子曲面进行拼接形成完整的抛物面，但各个子曲面的曲率不同，每种曲率的子曲面均需要对应的加工模具，因此增加了模具的种类，成本降低的效果并不理想。

发明内容

本发明的目的是提供一种太阳能聚光器、太阳能聚光器的制备方法及布局确定方法，在保证太阳能聚光效率的同时大幅降低了成本。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种太阳能聚光器，包括N块球面反射镜，N块所述球面反射镜紧密排列；每块所述球面反射镜按照同轴对称排列或经纬对称排列；每块所述球面反射镜的弧矢焦点重合；所述同轴对称排列的排列方式为以中心球面反射镜的光轴为对称轴，每个外围球面反射镜均存在一个与其呈轴对称的外围球面反射镜；所述经纬对称排列的排列方式是N块所述球面反射镜呈矩阵排列。

可选的，每块所述球面反射镜的直径为0.5-1米，焦距为4米。

本发明还公开一种太阳能聚光器的制备方法，包括：

获取球面反射镜的焦距；

确定与所述球面反射镜焦距相等的二维抛物线方程；

以所述抛物线的轴为对称轴，沿所述抛物线延伸的方向依次排列多个球面反射镜，从而得到球面反射镜组；所述球面反射镜组中的球面反射镜顶点均与所述抛物线相交，且在每个所述球面反射镜与抛物线的相交点处所述球面反射镜的法线与所述抛物线的法线重合；

重新确定每个球面反射镜的空间位置和倾斜角度，使每个球面反射镜的弧矢焦点共焦于所述抛物线的焦点处，构成二维共焦球面反射镜组；

以所述二维共焦球面反射镜组为基准确定构成所述太阳能聚光器的所有球面反射镜的空间位置和倾斜角度，得到三维共焦球面反射镜组；

按照所述三维共焦球面反射镜组中各个球面反射镜的空间位置和倾斜角度，安装各个球面反射镜，得到所述太阳能聚光器。

本发明还公开一种太阳能聚光器的布局确定方法，包括：

根据球面反射镜焦距确定抛物线方程参数空间坐标；

根据球面反射镜直径确定多个球面反射镜在抛物线上依次放置时各个球面反射镜的空间坐标；各个所述球面反射镜的顶点均位于所述抛物线上，且在每个所述球面反射镜与抛物线的相交点处所述球面反射镜的法线与所述抛物线的法线重合；

根据所述各个球面反射镜的空间坐标和所述抛物线焦点坐标，计算使各个球面反射镜平移并旋转到与所述抛物线焦点共焦时的各个球面反射镜的平移距离和旋转角度；

确定各个球面反射镜沿按照各自的平移距离和旋转角度移动到与所述抛物线焦点共焦时的的空间坐标，形成二维共焦球面反射镜组；

对所述二维共焦球面反射镜组进行空间变换，得到构成所述三维太阳能聚光器的每个球面反射镜的空间坐标，从而确定所述太阳能聚光器的布局。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明公开的太阳能聚光器设计及布局确定方法，由球面反射镜构成所述太阳能聚光器，只需加工一种球面反射镜即可实现太阳能聚光器的制作，使得太阳能聚光器的制作成本大大降低。同时各个球面反射镜实现弧矢共焦，使太阳光线能聚焦在一点上，在降低成本的同时保证了光能的聚光效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明太阳能聚光器实施例的结构图；

图2为本发明太阳能聚光器实施例的同轴对称布局的结构图；

图3为本发明太阳能聚光器实施例的经纬对称布局的结构图；

图4为本发明太阳能聚光器的制备方法实施例的方法流程图；

图5为本发明太阳能聚光器的制备方法实施例的确定共焦球面反射镜组的原理图；

图6为本发明太阳能聚光器的制备方法实施例的实现经纬对称布局的原理图；

图7为本发明太阳能聚光器的布局确定方法实施例的方法流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明太阳能聚光器实施例的结构图。

参见图1，该太阳能聚光器，包括N块球面反射镜，N块所述球面反射镜紧密排列；N块球面反射镜分为一块中心球面反射镜1和N-1块外围球面反射镜2；每块所述外围球面反射镜2环绕在所述中心球面反射镜1外围；每块所述外围球面反射镜2的弧矢焦点均与抛物面3的焦点4重合；所述共焦抛物面3为顶点与所述中心球面反射镜1的中心点重合。每块所述球面反射镜的直径为1米，焦距为4米。

本发明公开N块球面反射镜在构成所述太阳能聚光器时，存在两种布局，分别为同轴对称布局和经纬对称布局。

图2为本发明太阳能聚光器实施例的同轴对称布局的结构图。

参见图2，以所述中心球面反射镜1的光轴为对称轴，该太阳能聚光器中的每个外围球面反射镜2均存在一个与其呈轴对称的外围球面反射镜2。该同轴对称布局的太阳能聚光器只需先通过所述设计及布局方法获得二维共焦球面反射镜组各球面反射镜的二维坐标和倾斜角度，将所述球面反射镜组以所述中心球面反射镜的光轴为中心轴进行空间旋转即可得到所述光轴对称布局，布局形成简单。

图3为本发明太阳能聚光器实施例的经纬对称布局的结构图。

参见图3，该经纬对称布局中的球面反射镜呈矩阵排列。该经纬对称布局中的各个球面反射镜的顶点位置只需经过简单排列即可得到，因此在完成经纬对称布局时，只需根据所述的设计和布局方法确定二维共焦球面反射镜组各球面反射镜的二维坐标和倾斜角度，通过旋转依次确定出各个球面反射镜的旋转角度即能实现经纬对称布局。

本发明公开的太阳能聚光器，由球面反射镜构成所述太阳能聚光器，只需加工一种球面反射镜即可实现太阳能聚光器的制作，使得太阳能聚光器的制作成本大大降低。同时各个球面反射镜与抛物面实现弧矢共焦，使光线能聚焦在一点上，保证了光能的聚光效率。

图4为本发明太阳能聚光器的制备方法实施例的方法流程图。

参见图4，该太阳能聚光器的制备方法，包括：

步骤401：获取球面反射镜的焦距。

步骤402：确定与所述球面反射镜焦距相等的二维抛物线方程。

步骤403：以所述抛物线的轴为对称轴，沿所述抛物线延伸的方向依次排列多个球面反射镜，从而得到球面反射镜组；所述球面反射镜组中的球面反射镜顶点均与所述抛物线相交，且在每个所述球面反射镜与抛物线的相交点处所述球面反射镜的法线与所述抛物线的法线重合。

步骤404：重新确定每个球面反射镜的空间位置和倾斜角度，使每个球面反射镜的弧矢焦点共焦于所述抛物线的焦点处，构成二维共焦球面反射镜组。

图5为本发明太阳能聚光器的设计方法实施例确定二维共焦球面反射镜组的原理图。

参见图5，假设图5中a(x₀,y₀)点为所述球面反射镜对应到抛物线上时的中心点坐标，aa’bb’为球面反射镜光轴，b(x_f,y_f)点为球面反射镜光轴上焦点，点为抛物线的焦点，b’F为过抛物线焦点与球面反射镜光轴垂直的垂线。在水平入射光线照射下，要使球面反射镜焦点与抛物线焦点共焦，首先，通过将球面反射镜沿光轴平移到a’(x_new,y_new)点，移动的距离为由此可以得到球面反射镜新位置的坐标为：

其中θ′_norm为球面反射镜在抛物线上点的法线角，f为球面反射镜或聚光器的焦距，即球面反射镜曲率半径的一半。

当确定位置后，子球面镜旋转适当的角度可实现离轴子球面镜与抛物线焦点的重合，在假设入射光线斜率k_in＝0的条件下，子球面镜在新位置斜率可由解析几何的等分角公式推得：

其中k_norm为球面反射镜在新位置的斜率和反射光线斜率，k_reflec球面反射镜在新位置时的反射光线斜率。由此可得到球面反射镜在新位置的旋转角度。

确定沿所述每个球面反射镜在新位置的坐标和旋转角度后即确定所述二维共焦球面反射镜组的各球面反射镜位置。

步骤405：以所述二维共焦球面反射镜组为基准确定构成所述太阳能聚光器的所有球面反射镜的空间位置和倾斜角度，得到三维共焦球面反射镜组。

当所述太阳能聚光器为同轴对称布局时，该光轴对称布局的太阳能聚光器只需将所述二维共焦球面反射镜组整体以所述抛物线对称轴为中心轴进行空间旋转即可得到所述光轴对称布局，布局形成简单。

当所述太阳能聚光器为经纬对称布局时，只需在形成所述球面反射镜组的基础上对已确定位置的各个球面反射镜逐个进行空间旋转即可得到所述经纬对称布局。

图6为本发明太阳能聚光器的设计方法实施例的实现经纬对称布局的原理图。

参见图6，XY平面，表示过抛物面的顶点与所述抛物面相切的平面，ZY平面，表示过所述抛物面的顶点与所述XY平面垂直的平面。ZY平面中的粗黑实曲线为抛物线，细黑实曲线是二维共焦球面反射镜组中各球面反射镜顶点构成的曲线，命名为基曲线，共焦球面反射镜组中的各个球面反射镜布置在该基曲线上。设p点对应二维共焦球面反射镜组中的某个球面反射镜中心点在XY平面的投影，与p点对应的球面反射镜紧邻平行放置的球面反射镜顶点为q点；以X轴和Y轴的交点为圆心，将q点逆时针旋转，交y轴于q’点，过q’点做水平线交基曲线于q”点，然后确定q”点在所述基曲线上的法线，即q点处球面反射镜共焦所需的角度，所述过程从而确定与p点水平相邻的q点处球面反射镜的空间位置和旋转角度。重复上述过程，即可确定所述太阳能聚光器经纬布局的每个球面反射镜的空间位置和旋转角度，从而得到太阳能聚光器的经纬对称布局。

步骤406：按照所述三维共焦球面反射镜组中各个球面反射镜的空间位置和倾斜角度，安装各个球面反射镜，得到所述太阳能聚光器。

本发明由球面反射镜构成所述太阳能聚光器，只需加工一种球面反射镜即可实现太阳能聚光器的制作，使得太阳能聚光器的制作成本大大降低。同时各个球面反射镜与抛物面实现弧矢共焦，使光线能聚焦在一点上，保证了光能的聚光效率。

图7为本发明太阳能聚光器的布局确定方法实施例的方法流程图。

参见图7，太阳能聚光器的布局确定方法，包括：

步骤701：根据球面反射镜焦距确定抛物线方程参数空间坐标；

步骤702：根据球面反射镜直径确定多个球面反射镜在抛物线上依次放置时各个球面反射镜的空间坐标；各个所述球面反射镜的顶点均位于所述抛物线上，且在每个所述球面反射镜与抛物线的相交点处所述球面反射镜的法线与所述抛物线的法线重合；

步骤703：根据所述各个球面反射镜的空间坐标和所述抛物线焦点坐标，计算使各个球面反射镜平移并旋转到与所述抛物线焦点共焦时的各个球面反射镜的平移距离和旋转角度；

步骤704：确定各个球面反射镜沿按照各自的平移距离和旋转角度移动到与所述抛物线焦点共焦时的的空间坐标，形成二维共焦球面反射镜组；

步骤705：对所述二维共焦球面反射镜组进行空间变换，得到构成所述三维太阳能聚光器的每个球面反射镜的空间坐标，从而确定所述太阳能聚光器的布局。

本发明由球面反射镜构成所述太阳能聚光器，只需加工一种球面反射镜即可实现太阳能聚光器的制作，使得太阳能聚光器的制作成本大大降低。同时各个球面反射镜实现弧矢共焦，使光能聚焦在一点上，保证了光能的聚光效率。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。