太陽能集光器間隙及其接收器設計的製作方法
2023-12-02 01:23:11 4
專利名稱：太陽能集光器間隙及其接收器設計的製作方法
技術領域：
本發明一般涉及一種在一個主反射器與太陽能接收器之間具有一間隙的太陽能集光器。特別地，本發明涉及一種太陽能集光器，其具有相對於主反射器和在該主反射器輪廓上的一個鄰近凹槽或空腔優化定位的接收器(收集器)。
背景技術：
設計新一代的非映像(nonimaging)太陽能集光器的需要已重新對所謂的「間隙問題」發生興趣，即怎樣設計接近理想的集光器，其中基於熱隔離或機械原因反射器必須在吸收器周圍具有一個空間或間隙。這一直有著巨大的實際意義。這個課題可追溯到20年前，然而某些早期的發明有相當大的缺陷。
現有技術的非映像太陽能集光器典型地要求反射器和吸收器接觸。原因是不得不這樣做，並且值得重新描述這些原因。這些設計強迫輸入和輸出廣延以匹配反射器的合理使用。論點如下廣延(etendue)可以用在反射器的輸入和輸出端沿最大角度射線(邊緣射線)的光學路徑長度來表達。輸出射線隨後入射到吸收器。這種關係是周知的且利用了Hilbert積分，這是一種由變量微積分借用來的概念並適用於光學。廣延匹配要求是通過使得在輸入和輸出末端的極限邊緣射線的光路徑長度相同來滿足的。這是通過輸入和輸出的鏡面反射段(mirror segment)平分該極限邊緣射線之間的角度來實現的。一條極限射線反射到另一條極限射線，使得它按相同的光路徑返回。通過使路徑相同就提高了光路徑的質量。這種方法論要求鏡面反射段與輸入和輸出鄰接且特別要與吸收器接觸。然而，實際應用要求在吸收器和反射器之間有一個間隙。Hilbert積分的觀點是插入間隙將導致光通量損失，聚焦度(concentration)損失或兩者均有損失。
對於太陽能熱集中器，需要在熱吸收器和反射器之間有一個物理空間或「間隙」以利用真空或空氣絕緣所述吸收器，或只為保護反射器不受損壞。這種對間隙的實際需求引發了各種改進設計的嘗試，這些嘗試以減少或消除通過所述間隙引起的潛在輻射損失並同時保持接近最大聚焦度為目標。一個重要的成果是發明了一個低損W形空腔，其間隙(g)為(g+r)＝ r，其中r是圓柱體吸收器的半徑。這為低損解決方法的存在提供了證據，但是它放棄了聚焦度。然後，發現了一種微結構，其使吸收器角狀體外部的所有輻射改變方向進入吸收器中。這樣就得到改進的情形g＝r，其中外部廣延恰恰和由接收器所對著的廣延匹配。這一局限性的情形是明確的對g＝r，在空腔壁處吸收器對著的角為60度。吸收器對著的廣延是2sin30(常數因子)而外部廣延是2(1-sin30)(常數因子)。這是相等的。當然，仍要放棄一點聚焦度，因為要求所有輻射位於吸收器角狀體外部確定是足夠的，但卻多於所需。外部廣延的某些部分是空的，因為空氣中的光線不會照射到此處。不管怎樣，這個解決方案是實際的，因為該微結構的所有元素都是相同的。該結構是V形的且按傳統映像方法設計。在大間隙限制g＝r中，微凹槽具有120度的開度角。通常所需的實際應用只是單個V形，可以在g≈0.27時完美地工作，並且即使間隙更大時也可以很好地工作。然而，要求光損失為零是非常受限制的，因為其導致很大的聚焦度損失。各種設計有選擇地允許在保持最大聚焦度的同時接受光損失，以損失聚焦度為代價消除光損失，或在兩種極限情形之間找到平衡點。甚至有可能設計一種比物理吸收器更大的虛擬吸收器，由此產生甚至多於理想狀態的聚焦度。當然這是以損失光通量為代價的，因為輻射通過該間隙逸散。由於其示意性外形，這種設計被稱為「冰淇淋蛋筒」設計。所需要的是一種方法，用來優化光損失與聚焦度之間的折衷。這種折衷還要考慮經濟和製造因素。
發明內容
因此本發明的一個目的在於提供一種改進的太陽能集光器設計。
本發明的另一目的在於提供一種新穎的太陽能集光器間隙設計。
本發明的再一目的在於提供一種改進的太陽能集光器，其在一個主反射器、雙V形-凹槽部分與一個太陽能接收器之間具有特殊的空間關係。
本發明的又一目的在於提供一種新穎的太陽能集光器，其具有一個接收器的真實空間位置，該空間位置通過基於一個虛擬接收器表面的切線而形成的一個鏡像來定義，該切線是通過連接兩點(在二維構造中)以形成主反射器的末端點和V形凹槽的起點來定義的。
本發明的再一目的在於提供一種改進的具有一個接收器的位置的太陽能集光器，該位置是通過一個虛擬接收器跨過V形凹槽的一個邊(或三維空間中的平面)及該虛擬接收器的切線的鏡像來定義的。
本發明的其它目的和優點通過附圖和本說明書的說明將更加清楚。
附圖示出了在一個二維坐標中一個虛擬接收器相對於一個實際太陽能接收器的位置的截面圖。
具體實施例方式
依據本發明的一個具有間隙的太陽能集光器大致如附圖中的附圖標記10所示。該太陽能集光器10僅示出一個二維橫截面，但是應理解它也可擴展到三維坐標以便實際應用。該太陽能集光器10包括一個主反射器20，在最佳實施例中該主反射器20包含一個定製的表面輪廓以便優化聚光效率。例如，參見USPN5,586,013，在此引入該文以作為為達到要求目的而定製的反射器的參考。
與主反射器20相耦合的是一V形凹槽30，其具有一個按如前所述最好是定製的特徵表面輪廓。另外，該V形凹槽30本身也可以定製以優化其光處理效率，從而有益於太陽能集光器10。
如前所述，為了進一步優化工作效率，仔細地將光接收器35相對於間隙38放置是很有用的。特別地，在附圖所示的二維橫截面中，該光接收器35的位置是通過形成一條由點50和點60定義的切線40來確定的，該點50和60是由於主反射器20與V形凹槽30的表面曲率之間的不連續性而出現的。在三維情形中，在兩條直線之間形成一個平面，這兩條直線是通過主反射器20與V形凹槽30之間的表面輪廓不連續性而建立的。為了便於解釋，我們將以附圖的二維結構為例，可以理解，在商業應用中這是可以擴展為三維系統的。
在附圖的二維幾何形狀的實例中，在光接收器35的虛像90上建立了一個切點80。由此產生的虛像90通過V形凹槽30的任一平面100或102的表面輪廓被反射。因此，接收器30也就沿鏡像線110相同地排列(線110的左右區域是相等的)。接收器35，主反射器20以及V形凹槽30的合成配置通過操作實現了效率優化並同時保持了在太陽能集光器10中必要的間隙。
本發明更多的優點和特徵可參考後面的權利要求書了解到。雖然介紹了最優實施例，本領域技術人員就可以清楚地了解在不背離本發明的精神和範圍的條件下可以有其他變化和調整。
權利要求
1.一種太陽能集光器，包括一個具有表面輪廓的主反射器；一個V形凹槽部分，其通過形成於所述主反射器表面輪廓與所述V形凹槽部分之間的第一直線和第二直線與所述主反射器相耦接；和在跨過一平面的鏡像位置處設置的一個接收器，該平面相對於在此有切線的接收器虛像定義所述V形凹槽部分，該切線是由一個包含所述第一直線和第二直線的平面定義的；
2.如權利要求1所述的太陽能集光器，其中接收器虛像包括所述V形凹槽部分任一邊的一個映像。
3.如權利要求2所述的太陽能集光器，其中所述接收器相對於所述V形凹槽部分對稱設置。
4.如權利要求1所述的太陽能集光器，其中所述主反射器包括一個定製的非映像表面輪廓。
5.如權利要求1所述的太陽能集光器，其中所述V形凹槽部分包括一個定製的非映像表面輪廓。
全文摘要
一種太陽能集光器的吸收器和反射器之間的間隙。基於熱隔離的原因，在一個太陽能集光器(10)中需要一個間隙(39)；為了獲得最佳的太陽光接收效率，該接收器(35)相對於一個反射器(20)和一個凹槽(30)的位置被優化。
文檔編號F24J2/06GK1441893SQ01812801
公開日2003年9月10日 申請日期2001年6月19日 優先權日2000年6月19日
發明者洛蘭德·溫斯頓 申請人:太陽企業國際有限責任公司