菲涅耳透射与反射复合聚光滚筒式太阳能高温集热器

摘要

本发明涉及一种菲涅耳透射与反射复合聚光滚筒式太阳能高温集热器，包括菲涅耳透射式聚光器、真空管、二次聚光器、管状外壳、太阳光跟踪器、封盖、转动轴，外围设备为电机；其中真空管包括真空管接收器和真空管外壳，管状外壳内表面的顶部设置有与管状外壳轴向等长的菲涅耳透射式聚光器，菲涅耳透射式聚光器的中心线正对着太阳光线，真空管置于二次聚光器的中心线上，并与二次聚光器一起固定在管状外壳的内部下方，二次聚光器的开口朝上且中心线与管状外壳的轴心线重合。本发明利用菲涅耳透射聚光与反射聚光的原理，采用二次聚光器，并通过太阳光跟踪器对太阳光线的跟踪，保证太阳光线最大限度折射至真空管接收器上，其工作效率高且热量散失少。

权利要求

1.一种菲涅耳透射与反射复合聚光滚筒式太阳能高温集热器，其特征在于，该集热器包括菲涅耳透射式聚光器（1）、真空管、两个以上的导光器（3）、二次聚光器（5）、管状外壳（6）、太阳光跟踪器（13）、封盖（14）、转动轴（15），外围设备为电机；其中真空管包括真空管接收器（4）和真空管外壳（10），真空管外壳（10）套在真空管接收器（4）外表面且真空管外壳（10）和真空管接收器（4）之间为真空，真空管接收器（4）内充满工质；管状外壳（6）为滚筒式结构，菲涅耳透射式聚光器（1）为内表面具有向内凸起的连续不规则锯齿的圆弧形结构；二次聚光器（5）是由两个左右对称的渐开线反射面组成的ω形结构；导光器（3）为反射镜面；

整体安装关系：管状外壳（6）内表面的顶部设置有与管状外壳（6）轴向等长的菲涅耳透射式聚光器（1），菲涅耳透射式聚光器（1）的中心线正对着太阳光线，真空管置于二次聚光器（5）的中心线上，并与二次聚光器（5）一起固定在管状外壳（6）的内部下方，二次聚光器（5）的开口朝上且中心线与管状外壳（6）的轴心线（9）重合；管状外壳（6）的两端均安装有封盖（14），封盖（14）的中心连接转动轴（15），转动轴（15）与电机相连，管状外壳（6）的外表面设置有太阳光跟踪器（13），太阳光跟踪器（13）位于菲涅耳透射式聚光器（1）外表面的中心线上，导光器（3）对称安装在管状外壳（6）内表面中上部的安装槽内，且导光器（3）布置的角度能保证将太阳光线经折射后汇集至真空管接收器（4）。

2.如权利要求1所述的菲涅耳透射与反射复合聚光滚筒式太阳能高温集热器，其特征在于，所述的菲涅耳透射式聚光器（1）内连续不规则锯齿的每段斜角均能保证将太阳光线经折射后汇集至真空管接收器（4）。

3.如权利要求1所述的菲涅耳透射与反射复合聚光滚筒式太阳能高温集热器，其特征在于，所述的管状外壳（6）做成半圆柱形壳体，并增加封装底板（12）和封装法兰（11），封装底板（12）的中部加工有半圆形凹槽，管状外壳（6）的开口朝下且开口处安装有封装底板（12）并通过封装法兰（11）固定，将真空管接收器（4）和二次聚光器（5）置于封装底板（12）的凹槽内且位于管状外壳（6）的轴心线（9）上。

4.如权利要求1所述的菲涅耳透射与反射复合聚光滚筒式太阳能高温集热器，其特征在于，所述的管状外壳（16）采用椭圆形结构代替原来的滚筒式结构。

说明书

菲涅耳透射与反射复合聚光滚筒式太阳能高温集热器

技术领域

[0001] 本发明涉及一种太阳能聚光集热器，具体涉及一种利用不同形式的聚光器与高温接收器结合组成的结构，实现太阳光高密度聚集并产生高温热能的太阳能利用装置，属于太阳能聚光与太阳能高温热利用技术领域。

背景技术

[0002] 目前推广使用的中高温线聚焦太阳能集热器中，主要有菲涅耳反射式线聚光和二维抛物槽反射线聚焦(亦称槽式聚光器)两类。前者的优点是真空管接收器不需要运动，利于与地面储能用能系统连接，缺点是装置的每一块反射镜都存在余弦效应，不能将太阳光聚集在很小区域，且需要独立跟踪太阳，控制过程复杂。后者的优点是可以将太阳光聚集到很小的区域，有利于利用真空管产生高温热能，且只需一维跟踪太阳，缺点是真空管接收器在一天之内必须跟踪太阳作大幅度的运动，不利于与地面储能用能系统连接。这两类装置的集光原理均是通过反射镜面将太阳光反射至真空管接收器上产生高温热能。由于太阳能接收器在抛物面的上方，因此，太阳能接收器一般会在抛物面上留下阴影，从而阻挡了部分太阳光的采集。另外，对于高纬度地区和太阳高度角较小的冬季，不管聚光器是如何放置的，大多时候太阳光都是倾斜入射至聚光器上的，此时太阳光线在装置中的运行路线变长，加大了系统对跟踪精度的要求。再由于太阳能接收器在抛物面的上方，它所处的热损失环境更为恶劣，会经历风吹雨淋，并与天空产生辐射换热，从而减少了部分效率。

发明内容

[0003] 有鉴于此，本发明提供了一种菲涅耳透射与反射复合聚光滚筒式太阳能高温集热器，能够将入射到滚筒式管外表面的太阳光会聚成线光源，并在二次聚光器的配合下将光聚集到真空管接收器上，最后实现将光能转化为高温热能。

[0004] 一种菲涅耳透射与反射复合聚光滚筒式太阳能高温集热器，该集热器包括菲涅耳透射式聚光器、真空管、二次聚光器、管状外壳、太阳光跟踪器、封盖、转动轴，外围设备为电机；其中真空管包括真空管接收器和真空管外壳，真空管外壳套在真空管接收器外表面且真空管外壳和真空管接收器之间为真空，真空管接收器内充满工质；管状外壳为滚筒式结构，菲涅耳透射式聚光器为内表面具有向内凸起的连续不规则锯齿的圆弧形结构；

[0005] 整体安装关系：管状外壳内表面的顶部设置有与管状外壳轴向等长的菲涅耳透射式聚光器，菲涅耳透射式聚光器的中心线正对着太阳光线，真空管置于二次聚光器的中心线上，并与二次聚光器一起固定在管状外壳的内部下方，二次聚光器的开口朝上且中心线与管状外壳的轴心线重合；管状外壳的两端均安装有封盖，封盖的中心连接转动轴，转动轴与电机相连，管状外壳的外表面设置有太阳光跟踪器，太阳光跟踪器位于菲涅耳透射式聚光器外表面的中心线上。

[0006] 所述的二次聚光器是由两个左右对称的渐开线反射面组成的ω形结构。

[0007] 所述的菲涅耳透射式聚光器内连续不规则锯齿的每段斜角均能保证将太阳光线经折射后汇集至真空管接收器。

[0008] 所述的集热器还包括两个或两个以上的导光器，导光器为反射镜面，导光器对称安装在管状外壳内表面中上部的安装槽内。

[0009] 所述的导光器布置的角度能保证将太阳光线经反射后汇集至真空管接收器。

[0010] 所述的管状外壳做成半圆柱形壳体，并增加封装底板和封装法兰，封装底板的中部加工有半圆形凹槽，管状外壳的开口朝下且开口处安装有封装底板并通过封装法兰固定，将真空管接收器和二次聚光器置于封装底板的凹槽内且位于管状外壳的轴心线上。

[0011] 所述的管状外壳采用椭圆形结构代替原来的圆筒形结构。

[0012] 工作原理：太阳光线沿菲涅耳透射式聚光器的中心线方向入射至管状外壳的外表面，经菲涅耳透射式聚光器的透射后得到折射光线，并被投射到真空管接收器上转化成热能。部分未被菲涅耳透射式聚光器接收到的光线，经管状外壳透射进入其内部，并被置于管状外壳内壁的导光器反射得到反射光线，反射光线穿过真空管玻璃外壳至真空管接收器上转化成热能，且真空管玻璃外壳和真空管接收器间的真空能起到保温并减少热量散失的作用。当太阳光线与正入射光线有一定偏角时，菲涅耳透射式聚光器汇聚的光线及导光器反射的光线有一部分会偏离真空管接收器，而进入二次聚光器中，此时二次聚光器能将所收集到的太阳光再次汇集至真空管接收器转化为热能，经工质输送给用户。此外太阳光跟踪器能追踪太阳光的入射方向，并指示电机带动管状外壳及管状外壳内的所有部件绕管状外壳的中心线转动，保证菲涅耳透射式聚光器的中心线总是对准太阳光线，从而实现装置接收太阳光效率的最大化。

[0013] 有益效果：(1)本发明的壳体采用圆筒式结构，使其抗风能力大大加强，且将接收器安装在壳体内，大大改善了真空管的工作环境，热损失小；(2)本发明的菲涅耳透射镜及反射镜也都安装在壳体内，使其不容易受到风沙和雨水的侵蚀；(3)本发明利用菲涅耳透射聚光与反射聚光的原理，采用二次聚光器，并通过太阳光跟踪器对太阳光线的跟踪，保证太阳光线最大限度折射至真空管接收器上，集热器的工作效率高且热量散失少。

附图说明

[0014] 图1为本发明太阳能高温集热器的结构图。

[0015] 图2为本发明太阳能高温集热器的左视图。

[0016] 图3为本发明太阳能高温集热器的主视图。

[0017] 图4为本发明管状外壳采用半圆柱形结构代替圆筒形结构的实施例图。

[0018] 图5为本发明管状外壳采用椭圆形结构代替圆筒形结构的实施例图。

[0019] 图6为本发明装置跟踪太阳运转的原理图。

[0020] 其中，1-菲涅耳透射式聚光器、2-太阳光线、3-导光器、4-真空管接收器、5-二次聚光器、6-管状外壳、7-折射光线、8-反射光线、9-管状外壳的轴心线、10-真空管玻璃外壳、11-封装法兰、12-封装底板、13-太阳光跟踪器、14-封盖、15-转动轴、16-椭圆形管状外壳

具体实施方式

[0021] 下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

[0022] 如附图1及附图2所示，本发明提供了一种菲涅耳透射与反射复合聚光滚筒式太阳能高温集热器，该集热器包括菲涅耳透射式聚光器1、4个导光器3、真空管、二次聚光器5、管状外壳6、太阳光跟踪器13、封盖14、转动轴15，外围设备为电机；其中真空管包括真空管接收器4和真空管玻璃外壳10，真空管玻璃外壳10套在真空管接收器4外表面且真空管玻璃外壳10和真空管接收器4之间为真空，真空管接收器4内充满工质；管状外壳6为滚筒式结构，管状外壳6内表面的中部对称加工有4个与管状外壳6轴向等长的安装槽，菲涅耳透射式聚光器1为内表面具有向内凸起的连续不规则锯齿的圆弧形结构，二次聚光器
5是由两个左右对称的渐开线反射面组成的ω形结构；

[0023] 整体安装关系：管状外壳6内表面的顶部设置有与管状外壳6轴向等长的菲涅耳透射式聚光器1，菲涅耳透射式聚光器1的中心线正对着太阳光线，导光器3安装在管状外壳6内部的安装槽内，真空管置于二次聚光器5的中心线上，并与二次聚光器5一起固定在管状外壳6的内部下方，二次聚光器5的开口朝上且中心位于管状外壳6的轴心线9上；如附图3所示，管状外壳6的两端均安装有封盖14，封盖14的中心连接转动轴15，转动轴15与电机相连，管状外壳6的外表面设置有太阳光跟踪器13，太阳光跟踪器13位于菲涅耳透射式聚光器1外表面的中心线上。

[0024] 工作原理：太阳光线2沿菲涅耳透射式聚光器1的中心线方向入射至管状外壳6的外表面，经菲涅耳透射式聚光器1的透射后得到折射光线7，并被投射到真空管接收器4上转化成热能。部分未被菲涅耳透射式聚光器1接收到的光线，经管状外壳6透射进入其内部，并被置于管状外壳6内壁的导光器3反射得到反射光线8，反射光线8穿过真空管玻璃外壳10至真空管接收器4上转化成热能，且真空管玻璃外壳10和真空管接收器4间的真空能起到保温并减少热量散失的作用。当太阳光线与正入射光线有一定偏角时，菲涅耳透射式聚光器1汇聚的光线及导光器3反射的光线有一部分会偏离真空管接收器4，而进入二次聚光器5中，此时二次聚光器5能将所收集到的太阳光再次汇集至真空管接收器4转化为热能，经工质输送给用户。如附图6所示，此外太阳光跟踪器13能追踪太阳光的入射方向，并指示电机带动管状外壳6及管状外壳内的所有部件绕管状外壳6的中心线转动，保证菲涅耳透射式聚光器1的中心线总是对准太阳光线，从而实现装置接收太阳光效率的最大化。

[0025] 如附图4所示，将管状外壳6做成半圆柱形壳体，并增加封装法兰11和封装底板12，封装底板12的中部加工有半圆形凹槽，管状外壳6的开口朝下且开口处安装有封装底板12并通过封装法兰11固定，将真空管接收器4和二次聚光器5置于封装底板12的凹槽内且位于管状外壳6的轴心线9上。

[0026] 如附图5所示，管状外壳16采用椭圆形结构代替原来的圆筒形结构，这有利于增加太阳光的接收面积，提高系统的太阳光接收总量。

[0027] 综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。