论折面形抛物柱太阳能聚光器的改进

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第2 5卷

第 5期

太阳

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20 0 4年 l O月

AC A E T NE G2 OL I 2 C R AE S AR S SN2 A

文章编号：0 5 -0 6 2 0 0 -6 30 2 40 9 ( 0 4)50 4 -4

再论折面形抛物柱太阳能聚光器的改进马菊侠，宁铎，侯勇严，李天利， 张东煜(陕西科技大学，阳 728 )咸 0 2 2

摘

要：虽然折面形抛物柱太阳能聚光器有效解决了聚光不均匀、加工费用高及银反射光层易脱落等长期存在的

三个难题，而且对于圆柱体形受光面，其效果与理论上完全一致；但对于像光伏电池板这种平面式受光体，则存

在着随 O角增大聚光效果下降的现象。本文对此产生的原因进行了理论分析，提出了改进方法，并推导出一个实 t用的计算玻璃条宽度的通用公式，这些对于该产品性能的完善及工业化生产都具有重要的指导意义。 关键词：太阳能；折面形抛物柱；聚光效率；玻璃条宽度中图分类号：T 5 3 4 K 1. 文献标识码：A ,

0前言开发利用太阳能是解决人类能源危机的有效手

段之一，各国对此均投人了大量的人力、物力进行深人广泛的研究。而研制具有实用价值的太阳能聚

光器，实现低成本提高太阳能密度，则是促进太阳能广泛应用的主要途径之一。太阳能经聚光后可广泛应用在光一热利用 (电、发制冷 )、光一伏发

电等许多领域。

我们所研制的折面形抛物柱面太阳能聚光器，从理论和实践的结合上有效解决了常用的 4 反射型抛物柱面聚光器在使用过程中一直存在的聚光不均匀、曲面加工费用高、寿命短三个难题，达到了预期的目的。但在实践中发现该产品对于受光面为圆柱体时 (太阳能热水管 )如，效果是最理想的；而对于受光面是平面的情形 (太阳能光伏电如池板 ),则随着角度的增大而使部分反射光位于受光面以外，从而导致聚光效率的下降，如图 1所示 (里仅画出二维的抛物线 )以光伏电池板作这。为受光面而言，将其平面改成折面也可以解决该问题，如图 2所示。但这又会给光伏电池板的密封工艺带来很大的困难。

图 1折线型

抛物线光路示意图 Fg T elg t ah i iz g o a a oi atr i.1 h ih t n zg a fp rb l p t n p c e

y

对此，根据其工作原理，设想将构成折面形抛物柱太阳能聚光器的等宽玻璃条的宽度按一定规律随着角增大而变窄，则应能保证使其所反射的光线全部处于受光平面内，从而达到最佳效果，使收稿日期：20 . . 032 2 2 7

图 2折面形受光面示意图F g 2 T el h ah i iz g s ra e i. h i tp t n zg a u fc g

问题得以解决。实验证明该设想不但在理论上是正

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确的，而且在实践中也是实用的，并对于工业化生产中提高该产品的性价比具有很大的实际意义。

=

sn t n i o a 2 t+ c st t o oo

1理论分析与计算根据图 1所示的光路图，由几何定理可知，聚光区域的宽度与线段 P C长度相等 (行线间的 .平

4—==二二二二二二二 -—/

1

14 t n O - a 9/ .‘

:

三

×

平行线段相等 )。为了分析和证明方便，我们仅画出图 1中任意一个玻璃条单元的光路及其辅助线，如图 3所示。

014 tnO - a/

( 1一tn￣) a2

于是对每一个玻璃条，均有:

兰

× (:1,…,一 ) ,3 n 1 2,() 1

1 4 t n Ot - a/

又结合图 1和图 2,任意一段折线 (表一个代玻璃条 )的直线方程为：

yl p p 2=口+ )口l (l 2一 2其中，口为抛物线方程 Y似=中的常系数。当=1,。 时：+ - c。s - +

() 2

×

×—,

=

旦+

×

/+a 2 1 t‘! 1 t l +a 0 n n/

图 3入射光线、反射光线及反射面间的角度关系F g 3 T ea ge rlt n h pa n n ie c i. h n l eai s i mo g icd n e, o rfe t n a d rf cin s r c e ci n e e t u f e l o l o a

t a n — -=口

口+ ( +

×

在图 3中，容易证明△ P P C为钝角三角形 (中， P P其

l2 C>仃 2,有 P P P C P,/) l2 C≥ 2 l 所以玻璃条宽度 (即线段 PP的长度 )小于等于。线段 PC的长度。换言之，按照原来的设计方案 .2: ,

、 1tO=4n (— )1t —a/ a -二nl +4, -‘ - + ×￡×L

同样，当 i 2时：=

(结合图1图 3,所有的玻璃条宽度都为 W=L和 ),则当= 0时， P P P C P=,且 W=L l2 C= 2 l 0

s一

+

×

成立 (即线段 PP与线段 PC重合 )。。;但随着角度的增大，宽度为 w的玻璃条 (即线段 P P )所。

+—二！—二×L——三× —— +14 tn O - a/,

反射光线的分布区域必然超出受光区 Q以外。如 M果要保证任何时候反射光线分布在受光区 Q以 M内，则必须适当减小玻璃条的宽度。 在图 3中，不难看出：= y = 现设 P P玻璃条宽度为，受光平面宽度为。,

t=c+=( g口 口 o t 2++

××,

。 1 tn .… 2。 4 a -+

×

+

。1 - t n 4 a

…/

1

玻璃条的个数为 n,则 P C=Q。 M= L而在 A lP中，P C=L= l PC 2 l P B+B C=W oa+ cs

: a/ t 2( tO 1 a,口1 n. n)、+4‘ ‘ -, - 4同样方法可求得：t an~

Ws o× a2/ it t O n n,所以有

( 2+

“

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65 4

2 1=

+ t n 2 a‘

+

1+ t n 3, a‘

1

tn 3— 6 L aa a‘ . .

=( 1—3 aL ) 6 () 4 () 5

2(+ n 1t 1。1t 11t,+n)—a —+ ,\兰— a ++ n a

tn一 2a a iL

Wi= ( 1—4 i L)Ⅱ

依次继续下去，得

利用上面所推导出的公式 ( )和 ( ) 4 5,我们可

以很容易地计算出使反射太阳光积聚在宽度为的

0个 t=。芝}+ )聚光区域的每个玻璃条宽度。例如第 l位置 a 2(—妻 c

的玻璃条的宽度为： n L {— 3—k= l

对于一个实际的折面形双层镀银反射式抛物柱太阳能聚光器，为了获得尽可能大的截面积，值 一

W1= ( 0 1—4×1×2 0×1一×1 )×10 0 0 0=

( 1—0 1 .6)×10=8 ( 0 4 mm)

般都很小，在我们的样品中，取= .0 2 0 0 0,截

依照此方法，对于折面形双层镀银反射式抛物柱太阳能聚光器，当受光面的宽度 L=10 m时， 0m 则每个玻璃条的实际宽度如表 1所示：其中玻璃条在抛物线中的位置分别用 i 0、2…1=、1、3 0等等

面积为 10 20 m 2 0× 4 0 m,即聚光器的抛物线断面方程为：Y 0 0 0 x= .0 2

根据 ( )式和 ( )式，可得到： 1 3tn 1— 2 L aa atn,一 4 aⅡ

W1= ( 1—4 aL )=( 1—1 a L ) 6

来代表从中心向两边的顺序，表示放在不同位 置的玻璃条的宽度。

L二 l1J

表 1不同位置的玻璃条与其宽度的对照表 T b e T eCo t s a l fga sb ri i ee tp st n a d i’ dh a ll h nr ttbeo ls a n df rn o i o n t Swi t a f i

对于工业化生产及安装来说，这种方法是简

单易行的：先将镀银双层反射玻璃依次分别批量地裁成各种规格宽度的玻璃条，并依次编上号码，如 0、1、2、等，标识于玻璃背面，在安 装时按顺序依次镶入抛物柱槽中 (注意两边对并称)即可。

决，从而更进一步完善了该产品的设计方案，为这种已获得专利的产品的工业化生产及广泛应用铺平了道路。而实用可靠的太阳能聚光器自动跟踪系统，则使该产品已经具备了市场化的条件。

[参考文献]刘玉珩 .光伏聚光技术新发展[] J .太阳能，99 19,( )~8 4:5 .

2讨论及结论低成本提高太阳能密度已成为促进太阳能应用的有效方法之一。而我们在研制出折面形双层

杨智勇 .聚光条件下太阳能光热联用途径初探[ . M] 2世纪太阳能新技术，上海交通大学出版社。 l20 0 3:4 0 9 2 . Be S n

. Ac yi oa e eg rfe t g i m M n o B r l s lr n ry e ci f c l n l 3

镀银反射式抛物柱太阳能聚光器的基础上，又针对其受光面为平面时所引起的聚光效率下降问题，分析了产生的原因，建立了数学模型，并提出了简单易行的解决方法和实施方案，按此方法制作的改进型折面双层镀银反射式抛物柱太阳能

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宁宁

铎 .折面形抛物柱太阳能聚光器的研制[] J. 铎等 .家用太阳能聚光器自动跟踪系统的设计

太阳能学报，03 2 5: l- 69 20, 4( ) 66 _ l. []西北轻工业学院学报， 0,2 ( ) 5—6 . J. 2 2 02: 9 2 0

聚光器实际测试结果和理论推导结果完全一致。 这就从理论和实践的结合上使该问题得以有效解

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