一種太陽能內置式反射板及其設計方法
2023-05-04 05:49:21 1
一種太陽能內置式反射板及其設計方法
【專利摘要】本發明提供了一種太陽能內置式反射板及其設計方法。解決了現有反光板聚光率低、加工難、精度低，易損傷吸熱部件等問題。本發明中吸熱管的截面為圓形，該圓形具有豎直中心線與水平中心線，反射板的斷面形狀沿豎直中心線成對稱分布，反射板斷面形狀的半部對稱結構為弧形曲線段，弧形曲線段包括若干段相銜接的圓弧線，左右對稱的兩半弧形曲線段之間通過連接段銜接，弧形曲線段的外端起始點不高於水平中心線的位置，連接段與吸熱管圓形截面之間留設間隙。其設計方法包括：作出第一圓弧；作出第二圓弧；沿豎直中心線鏡像；連接段銜接兩側弧形曲線段。本發明減省材料，提升聚光率與反射率；增加板強度，提高加工精度，降低加工難度，保護吸熱部件。
【專利說明】一種太陽能內置式反射板及其設計方法
【技術領域】
[0001]本發明屬於太陽能利用【技術領域】，涉及一種對太陽光進行聚光、反光的設備，特別是一種太陽能內置式反射板及其設計方法。
【背景技術】
[0002]目前，中國光能產熱發展極快，特別是其核心的太陽能真空集熱管生產技術已經非常成熟，已經達到年產過億支的規模，年新增集熱面積達到千萬平方米以上，而真空集熱管的保有量更是達到近3億平方米。
[0003]目前太陽能光熱所用的核心集熱部件基本為同軸式的全玻璃太陽能真空集熱管。這種集熱元件有內外兩根同軸分布的玻璃管連接而成，內管外邊獨有吸熱膜層，內管和外管之間設有真空夾層。該種全玻璃真空集熱管加工方法較為簡便，集熱性能好。但其缺點也非常明顯，如其適合應用於如太陽能熱水器低溫熱利用領域，且其存在有內管盛水多，冗餘熱量較多，從而導致熱水器可用的熱量減少。
[0004]伴隨這個太陽能熱利用行業向中高溫領域擴展，平鋪型的全玻璃式同軸真空集熱管無法適應中高溫集熱範圍要求。新型的帶有反射聚光裝置的太陽能真空集熱管不斷出現，為中高溫熱利用的發展帶來了契機。
[0005]目前出現較多的反射板可以分為內置式和外置式兩種，其中以外置式的反光板最為廣泛。
[0006]外反射中最簡單的為漫反射的壓花鋁板，其表面有各種凸起，將該反射板設置在吸熱體的後方，太陽能光線除了正面直接照射在吸熱體上半部分外，從安裝空隙漏過的太陽能光線被漫反射板反射到吸熱體下半陰影部分，從而實際上提高了採光面積，進而提高太陽能實際利用率。但該種方式中漫反射板的作用有限，且實際使用中的風阻極大，特別是對中高溫熱利用的實際意義不明顯。
[0007]聚光型，特別是高倍聚焦型外反射板，目前均以拋物線或者圓漸開線為主。低倍聚光條件下，以複合拋物面(CPC)型反光板較為典型，如專利CN01246339.6中公布所示，該種反射板為兩條對稱分布的拋物線的複合融合而成。拋物線有焦點位置，因此從理論上，其在不跟蹤太陽位置的情況下，就能夠較好的實現光線的匯集，從而達到相同吸熱體面積的情況下，吸收更大採光面積的太陽輻射能量，從而使吸熱體溫度更高，傳熱效率好，使用溫度範圍更快的優點。但CPC反光板對鏡面材質、加工成型精度要求很高，其使用的成本也較高。特別是外置CPC反光板在中國的實際環境中使用，環境中的塵土、浮灰等易使外置反光板蒙灰，清洗困難，導致其集熱效果大幅度下降，影響了該產品的推廣。
[0008]對於中溫熱利用情況下，低倍聚焦型反射板的意義更大。因此有研究人員開發了內置於真空夾層中的內置式反光板。內置式的反光板極大的緩解了環境塵土對反射板表面的影響，從而保證了反光板的使用壽命和效果。
[0009]目前使用內置式反光板有CPC、圓漸開線等幾種，專利CN201320717269.2，CN201110252593.7等均提到了使用拋物面或者複合拋物的反射板。由於拋物面式反光板加工難度較大，而且裝配過程中難免會導致基材的變形，從而失去精度，故其實際應用困難極大。專利 CN200720000692.5，CN201020124610.X，CN201110044226.8 等均公開了圓漸開線式的反光板，將拋物面分解為很多個圓弧組成的漸開線，其反應了加工過程的實際情況，但並沒有實際降低加工難度。
[0010]對此，專利CN201310144002.3中提到使用圓弧、拋物線、圓漸開線以及它們之間的組合構成的聚焦板。這其中圓弧的加工難度和精度要求最低，實際應用的可操作性最強。專利CN201320879630.1提到了一種平板集熱器的聚焦式板芯，其中使用了兩端圓弧組成的反光板。該種反光板較好的解決了加工精度的問題。但是卻未考慮實際應用中，圓弧交匯處的尖角過高，和集熱體直接接觸，集熱形成的熱量大量向反光板傳遞，不僅造成熱量的流失，而且會導致反光板溫度升高，進而容易翹曲變形，特別是裝配過程中的扭動，極容易擦傷、損壞吸熱體膜層，降低實用效果。
【發明內容】
[0011]本發明的目的是針對現有的技術存在上述問題，提出了一種設計多段圓弧組合銜接，且在對稱結構之間過渡連接，以提升太陽能利用率，保證加工精度，保護吸熱部件的太陽能內置式反射板及其設計方法。
[0012]本發明的目的可通過下列技術方案來實現:一種太陽能內置式反射板，設置於吸熱管的下方，所述吸熱管的截面為圓形，該圓形具有豎直中心線與水平中心線，反射板的斷面形狀沿豎直中心線成對稱分布，其特徵在於，反射板斷面形狀的半部對稱結構為弧形曲線段，所述弧形曲線段包括若干段相銜接的圓弧線，左右對稱的兩半弧形曲線段之間通過連接段銜接，所述弧形曲線段的外端起始點不高於水平中心線的位置，所述連接段與吸熱管圓形截面之間留設間隙。
[0013]本太陽能內置式反射板中，吸熱管與反射板兩者相平行設置，故在任意垂直的截面中兩者的截面形狀與位置關係均相同。連接段相當於給反射板增加了兩道加強筋，從而在節省材料的同時，能夠更大程度的增強反射板的強度，以保證反射板不易變形，更適合實際使用。連接段能夠充分保證兩側的弧形曲線段在加工過程中的精度控制，特別是兩側弧形曲線段在中間軸線處的交匯部分。由於板體存在實際厚度，其交匯區域極為尖銳，會在交匯區域不可避免的發生不可控制的形變，從而影響交匯區域的加工精度。設置連接段後，交匯處變為較大的規則區域，其過渡變化平緩柔和，從而保證了加工精度，降低了加工難度，提高了反射板的實際應用價值。
[0014]在上述的太陽能內置式反射板中，所述弧形曲線段的外端起始點與水平中心線交於A點，所述吸熱管圓形截面的切線一端與水平中心線交於A點，另一端與豎直中心線交於G點，所述連接段與豎直中心線的交點不低於G點位置。因連接段可為多種形狀，故其中點為連接段所在平面或曲面的代表點，而G點為連接段所在平面或曲面高度位置的參考點。
[0015]在上述的太陽能內置式反射板中，所述連接段沿豎直中心線成對稱分布，且連接段與豎直中心線的交點為連接段中點，該連接段中點與上述G點相重合。
[0016]在上述的太陽能內置式反射板中，所述連接段與吸熱管圓形截面之間的間隙範圍是0.05mm至0.1mm。該間隙較小，從而保證了光線不會通過間隙穿出。再者間隙能夠保證吸熱管的膜層在裝配、運輸和使用過程中不被反射板劃傷、損壞，其次在使用過程中，吸熱管的熱量基本不會熱傳導給反射板，從而延長了反射板的使用壽命，提高了吸熱管的熱利用效率。
[0017]在上述的太陽能內置式反射板中，所述連接段為平直線段、弧線段、波浪段或折線段。優選平直線段或弧線段的連接方式。
[0018]在上述的太陽能內置式反射板中，所述弧形曲線段包括數量不超過5個的圓弧線。優先選擇2個圓弧組合，一方面能保證優良的集熱效果基礎；另一方面能夠儘可能的降低加工精度要求，從而降低加工難度。
[0019]在上述的太陽能內置式反射板中，所述反射板為金屬板或者塑料板，金屬板或者塑料板的表面覆蓋鍍膜層，所述鍍膜層為玻璃表膜層、鏡面鋁表膜層或鏡面不鏽鋼表膜層。優先選擇鏡面鋁表膜層或鏡面不鏽鋼表膜層。
[0020]一種太陽能內置式反射板的設計方法，包括以下設計步驟:
[0021]I)、繪製出吸熱管截面的圓形，通過圓形的圓心O分別作出豎直中心線與水平中心線；
[0022]2)、制定反射板的投影寬度L，以圓心O為起點，測量一側水平中心線OA長度為二分之一投影寬度L，且OA線與圓形交於D點；
[0023]3)、過A點作圓形的上切線AC，過D點作圓形的豎直切線，上切線AC與豎直切線相交於B點，連接圓心O與B點形成OB線，OB線與圓形交於01點，以01點為圓心，OlA長度為半徑作第一圓弧，第一圓弧的起始點為A點，向下弧線延伸與豎直切線相交於F點；
[0024]4)、過A點作圓形的下切線AE，下切線AE與豎直中心線相交於G點，以水平中心線作為對稱線，作出01點的對稱點02，以02點為圓心，02F長度為半徑作第二圓弧，第二圓弧的起始點為F點，向上弧線延伸與下切線AE相交於H點；
[0025]5)、以豎直中心線作為對稱線，作出弧形曲線段AFH的對稱弧形曲線段AlFlHl ；
[0026]6)、使用連接段銜接H點與Hl點，連接段沿豎直中心線對稱分布，且連接線與豎直中心線的交點通過G點或位於G點之上。
[0027]本太陽能內置式反射板的設計方法，設計出吸熱管與反射板在同一垂直橫截面內所表現的斷面結構，及其裝配位置關係。進一步通過一致的斷面結構，製作整體長條狀的反射板板體，且根據吸熱管的實際長度，設置反射板的相應長度。反射板的寬度以及其上的弧形曲線凹槽利於在反射材料最減省的情況下，提升至最大程度的陽光匯聚效果和反射效果O
[0028]在上述的太陽能內置式反射板的設計方法中，所述連接段為弧線段，且連接線與豎直中心線的交點通過G點。
[0029]與現有技術相比，本太陽能內置式反射板及其設計方法具有左右對稱的弧形曲線段，弧形曲線段設定有合理的投影寬度及圓弧組合，由此既減省反射材料，又提升聚光率與反射率，避免光能浪費；兩側弧形曲線段之間設置連接段實現了平緩的過渡銜接，由此優化了合理結構，增加板體強度，提高加工精度，降低加工難度，保護了吸熱部件，延長整體設備的使用壽命。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0030]圖1是本太陽能內置式反射板的斷面結構示意圖。
[0031]圖2是本太陽能內置式反射板的設計方法的原理示意圖。
[0032]圖中，1、圓形截面；2、弧形曲線段；2a、第一圓弧；2b、第二圓弧；3、連接段。
【具體實施方式】
[0033]以下是本發明的具體實施例並結合附圖，對本發明的技術方案作進一步的描述，但本發明並不限於這些實施例。
[0034]如圖1所示，本太陽能內置式反射板設置於吸熱管的下方，吸熱管的截面為圓形，該圓形具有豎直中心線與水平中心線，反射板的斷面形狀沿豎直中心線成對稱分布。吸熱管與反射板兩者相平行設置，故在任意垂直的截面中兩者的截面形狀與位置關係均相同。
[0035]反射板斷面形狀的半部對稱結構為弧形曲線段2。該弧形曲線段2包括若干段相銜接的圓弧線，具體包括數量不超過5個的圓弧線。優先選擇2個圓弧組合，一方面能保證優良的集熱效果基礎；另一方面能夠儘可能的降低加工精度要求，從而降低加工難度。
[0036]左右對稱的兩半弧形曲線段2之間通過連接段3銜接，連接段3為平直線段、弧線段、波浪段或折線段。優選平直線段或弧線段的連接方式。
[0037]弧形曲線段2的外端起始點與水平中心線交於A點，吸熱管圓形截面I的切線一端與水平中心線交於A點，另一端與豎直中心線交於G點。連接段3沿豎直中心線成對稱分布，且連接段3與豎直中心線的交點為連接段3中點，該連接段3中點與上述G點相重合。因連接段3可為多種形狀，故其中點為連接段3所在平面或曲面的代表點，而G點為連接段3所在平面或曲面高度位置的參考點。
[0038]連接段3與吸熱管圓形截面I之間留設間隙，該間隙的範圍是0.05mm至0.1mm。該間隙較小，從而保證了光線不會通過間隙穿出。再者間隙能夠保證吸熱管的膜層在裝配、運輸和使用過程中不被反射板劃傷、損壞，其次在使用過程中，吸熱管的熱量基本不會熱傳導給反射板，從而延長了反射板的使用壽命，提高了吸熱管的熱利用效率。
[0039]連接段3相當於給反射板增加了兩道加強筋，從而在節省材料的同時，能夠更大程度的增強反射板的強度，以保證反射板不易變形，更適合實際使用。連接段3能夠充分保證兩側的弧形曲線段2在加工過程中的精度控制，特別是兩側弧形曲線段2在中間軸線處的交匯部分。由於板體存在實際厚度，其交匯區域極為尖銳，會在交匯區域不可避免的發生不可控制的形變，從而影響交匯區域的加工精度。設置連接段3後，交匯處變為較大的規則區域，其過渡變化平緩柔和，從而保證了加工精度，降低了加工難度，提高了反射板的實際應用價值。
[0040]反射板為金屬板或者塑料板，金屬板或者塑料板的表面覆蓋鍍膜層，該鍍膜層為玻璃表膜層、鏡面鋁表膜層或鏡面不鏽鋼表膜層。優先選擇鏡面鋁表膜層或鏡面不鏽鋼表膜層。
[0041]如圖2所示，本太陽能內置式反射板的設計方法包括以下設計步驟:
[0042]I)、繪製出吸熱管截面的圓形，通過圓形的圓心O分別作出豎直中心線與水平中心線；
[0043]2)、制定反射板的投影寬度L，以圓心O為起點，測量一側水平中心線OA長度為二分之一投影寬度L，且OA線與圓形交於D點；
[0044]3)、過A點作圓形的上切線AC，過D點作圓形的豎直切線，上切線AC與豎直切線相交於B點，連接圓心O與B點形成OB線，OB線與圓形交於01點，以01點為圓心，OlA長度為半徑作第一圓弧2a，第一圓弧2a的起始點為A點，向下弧線延伸與豎直切線相交於F
佔.
[0045]4)、過A點作圓形的下切線AE，下切線AE與豎直中心線相交於G點，以水平中心線作為對稱線，作出01點的對稱點02，以02點為圓心，02F長度為半徑作第二圓弧2b，第二圓弧2b的起始點為F點，向上弧線延伸與下切線AE相交於H點；
[0046]5)、以豎直中心線作為對稱線，作出弧形曲線段AFH的對稱弧形曲線段AlFlHl ；
[0047]6)、使用連接段3銜接H點與Hl點，該連接段3為弧線段，連接段3沿豎直中心線對稱分布，且連接線與豎直中心線的交點通過G點。
[0048]本太陽能內置式反射板的設計方法，設計出吸熱管與反射板在同一垂直橫截面內所表現的斷面結構，及其裝配位置關係。進一步通過一致的斷面結構，製作整體長條狀的反射板板體，且根據吸熱管的實際長度，設置反射板的相應長度。反射板的寬度以及其上的弧形曲線凹槽利於在反射材料最減省的情況下，提升至最大程度的陽光匯聚效果和反射效果O
[0049]本文中所描述的具體實施例僅僅是對本發明精神作舉例說明。本發明所屬【技術領域】的技術人員可以對所描述的具體實施例做各種各樣的修改或補充或採用類似的方式替代，但並不會偏離本發明的精神或者超越所附權利要求書所定義的範圍。
[0050]儘管本文較多地使用了圓形截面I ;弧形曲線段2 ;第一圓弧2a ;第二圓弧2b ;連接段3等術語，但並不排除使用其它術語的可能性。使用這些術語僅僅是為了更方便地描述和解釋本發明的本質；把它們解釋成任何一種附加的限制都是與本發明精神相違背的。
【權利要求】
1.一種太陽能內置式反射板，設置於吸熱管的下方，所述吸熱管的截面為圓形，該圓形具有豎直中心線與水平中心線，反射板的斷面形狀沿豎直中心線成對稱分布，其特徵在於，反射板斷面形狀的半部對稱結構為弧形曲線段，所述弧形曲線段包括若干段相銜接的圓弧線，左右對稱的兩半弧形曲線段之間通過連接段銜接，所述弧形曲線段的外端起始點不高於水平中心線的位置，所述連接段與吸熱管圓形截面之間留設間隙。
2.根據權利要求1所述的太陽能內置式反射板，其特徵在於，所述弧形曲線段的外端起始點與水平中心線交於A點，所述吸熱管圓形截面的切線一端與水平中心線交於A點，另一端與豎直中心線交於G點，所述連接段與豎直中心線的交點不低於G點位置。
3.根據權利要求2所述的太陽能內置式反射板，其特徵在於，所述連接段沿豎直中心線成對稱分布，且連接段與豎直中心線的交點為連接段中點，該連接段中點與上述G點相重合。
4.根據權利要求1所述的太陽能內置式反射板，其特徵在於，所述連接段與吸熱管圓形截面之間的間隙範圍是0.05mm至0.1mm。
5.根據權利要求1所述的太陽能內置式反射板，其特徵在於，所述連接段為平直線段、弧線段、波浪段或折線段。
6.根據權利要求1至5中任一項所述的太陽能內置式反射板，其特徵在於，所述弧形曲線段包括數量不超過5個的圓弧線。
7.根據權利要求1至5中任一項所述的太陽能內置式反射板，其特徵在於，所述反射板為塑料板，且塑料板的表面覆蓋鍍膜層，所述鍍膜層為玻璃表膜層、鏡面鋁表膜層或鏡面不鏽鋼表膜層。
8.根據權利要求1所述太陽能內置式反射板的設計方法，其特徵在於，包括以下設計步驟: 1)、繪製出吸熱管截面的圓形，通過圓形的圓心O分別作出豎直中心線與水平中心線； 2)、制定反射板的投影寬度L，以圓心O為起點，測量一側水平中心線OA長度為二分之一投影寬度L，且OA線與圓形交於D點； 3)、過A點作圓形的上切線AC，過D點作圓形的豎直切線，上切線AC與豎直切線相交於B點，連接圓心O與B點形成OB線，OB線與圓形交於01點，以01點為圓心，OlA長度為半徑作第一圓弧，第一圓弧的起始點為A點，向下弧線延伸與豎直切線相交於F點； 4)、過A點作圓形的下切線AE，下切線AE與豎直中心線相交於G點，以水平中心線作為對稱線，作出01點的對稱點02，以02點為圓心，02F長度為半徑作第二圓弧，第二圓弧的起始點為F點，向上弧線延伸與下切線AE相交於H點； 5)、以豎直中心線作為對稱線，作出弧形曲線段AFH的對稱弧形曲線段AlFlHl； 6)、使用連接段銜接H點與Hl點，連接段沿豎直中心線對稱分布，且連接線與豎直中心線的交點通過G點或位於G點之上。
9.根據權利要求8所述太陽能內置式反射板的設計方法，其特徵在於，所述連接段為弧線段，且連接線與豎直中心線的交點通過G點。
【文檔編號】F24J2/10GK104236123SQ201410496148
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2014年9月25日 優先權日:2014年9月25日
【發明者】王國偉, 李輝忠, 朱文豪, 劉本棟, 周華飛 申請人:海寧微動光能科技有限公司