一种考虑太阳张角的类球面反射聚光器

1.本发明涉及一种考虑太阳张角的类球面反射聚光器，属于光伏发电技术领域。


背景技术：

2.生产太阳能电池需要开采大量的硅资源，而矿石资源的需要大量的能量，并且会对环境造成很大破坏；太阳能资源能量的分散性与不连续性也会影响太阳电池的发电效率；聚光光伏发电技术利用廉价的光学聚光器提高光伏电池表面的能流密度，可以大幅度减少昂贵光伏电池的面积，是提高系统效率、降低光伏发电成本的有效途径。


技术实现要素：

3.为解决太阳电池生产过程中能耗大，高污染，以及太阳能资源能量的分散性与不连续性，本发明根据太阳光入射到地球的角度，光线反射定律设计了一种类球面反射式聚光器。
4.为实现上述问题，本发明提供如下技术方案：一种考虑太阳张角的类球面反射聚光器，包括聚光器(1)，接收器(2)。
5.以聚光器(1)剖面图为例，聚光器(1)的剖面可以看作o1所在圆的一段弧ab，经过聚光光伏系统中轴线左右对称所得，聚光器(1)三维模型可以直接由聚光器(1)剖面图绕中轴线旋转180
°
形成。
6.以o1为原点建立坐标系，a、b点坐标可以由入射角α1、α2和弧面半径r来表示，实线l1、l2代表垂直入射光线，箭头指示了其入射方向，在聚光器(1)剖面图中选取的l1、l2是最具代表性的最外与最内侧入射光线，由于圆弧形聚光器(1)没有固定焦点，根据反射原理，入射光线以入射点和圆心连线为法线反射，设计聚光器(1)反射光全部汇聚到接收器(2)的下表面聚光硅电池上，α1、α2为入射光线l1、l2的入射角，l1、l2的反射光线分别照射到聚光器(1)下表面的最左侧和最右侧。
7.太阳射入地球上的光在严格意义上并非平行入射，实际上，在地球上任一点所接受的太阳光线都可以看作以光锥形式入射的，光锥以这一点与太阳中心点为轴，以过此点的太阳的切线为母线，两母线的夹角为太阳张角，根据国际天文学联合会数据，太阳的直径约为1.392*106km，日地距离取近日点和远日点的平均值149597870km。由以上数据和平面几何关系可得太阳张角2δ为：这样，在考虑太阳张角时，我们可以将入射到地球的阳光看成一个16
′
的光锥；聚光器(1)剖面圆弧所对应的角度为θ，入射角α1、α2与θ的关系如下式：θ＝α
1-α2反射光线ac斜率k
ac
与入射角α1满足下式：k
ac
＝cot(2α
1-δ)
则反射光线ac所在直线的点斜式方程为：y-ya＝k
ac
*(x-xa)式中，xa、ya分别为a点在坐标系中的横纵坐标；同理，入射光线l2的反射光线bd满足：k
bd
＝cot(2α2+δ)y-yb＝k
bd
*(x-xb)式中，xb、yb分别为b点在坐标系中的横纵坐标；内侧入射光线l2的反射光线恰好达到双面太阳能电池板的下表面最右侧d点,则满足下式：y
d-yb＝k
bd
*(x
d-xb)式中，xd、yd分别为点d在坐标系中的横纵坐标；b和点c处于同一垂直入射光线，聚光器(1)左右对称，右侧按照同样的方法设计。
8.接收器(2)的直径为l：l＝x
d-xc聚光器(1)开口直径为h：h＝2*(x
b-xa)+l太阳能电池板距聚光器(1)开口水平面高度为h：h＝y
c-ya分析发现聚光器(1)剖面图中弧ab的圆心角θ，聚光器(1)开口直径h、太阳能电池板的直径l与高度h、聚光光伏系统的聚光比等实际上都只与聚光器(1)最外入射光线的入射角α1、最内入射光线的入射角α2、弧面半径r有关，在假设已知弧面半径r情况下，整个系统的变量只是入射角α1和α2，其余参数只需在计算结果上根据r的大小按比例调整即可。
9.由于太阳张角的作用，如果外侧入射角α1≥π/4-δ，将会导致l1右的反射光线不能照射到太阳能电池板上，太阳能电池板直径l》0，则α2》0，所以对入射角的要求为：α1，α2需要满足0《α2《α1《671π/2700。
10.聚光器(1)的几何聚光比为：式中：g为聚光器(1)聚光比，h、l分别为聚光器(1)开口直径和接收器(2)直径；通过选取g的最优值来确定其他参数，完成聚光器(1)的建立。
11.本发明具有以下优点和有益效果：可以节省电池材料的面积，提高太阳能的能流密度，提高光伏电池的发电效率，结构简单，绿色环保。
附图说明
12.图1为聚光器剖面结构图。
13.图2为太阳光束半角示意图。
14.图3为太阳张角下的聚光器剖面图。
15.图4为聚光器立体图。
具体实施方式
16.以聚光器(1)剖面图为例，聚光器(1)的剖面可以看作o1所在圆的一段弧ab，经过聚光光伏系统中轴线左右对称所得，聚光器(1)三维模型可以直接由聚光器(1)剖面图绕中轴线旋转180
°
形成。
17.以o1为原点建立坐标系，a、b点坐标可以由入射角α1、α2和弧面半径r来表示，实线l1、l2代表垂直入射光线，箭头指示了其入射方向，在聚光器(1)剖面图中选取的l1、l2是最具代表性的最外与最内侧入射光线，由于圆弧形聚光器(1)没有固定焦点，根据反射原理，入射光线以入射点和圆心连线为法线反射，设计聚光器(1)反射光全部汇聚到接收器(2)的下表面聚光硅电池上，α1、α2为入射光线l1、l2的入射角，l1、l2的反射光线分别照射到聚光器(1)下表面的最左侧和最右侧。
18.太阳射入地球上的光在严格意义上并非平行入射，实际上，在地球上任一点所接受的太阳光线都可以看作以光锥形式入射的，光锥以这一点与太阳中心点为轴，以过此点的太阳的切线为母线，两母线的夹角为太阳张角，根据国际天文学联合会数据，太阳的直径约为1.392*106km，日地距离取近日点和远日点的平均值149597870km。由以上数据和平面几何关系可得太阳张角2δ为：这样，在考虑太阳张角时，我们可以将入射到地球的阳光看成一个16
′
的光锥；聚光器(1)剖面圆弧所对应的角度为θ，入射角α1、α2与θ的关系如下式：θ＝α
1-α2反射光线ac斜率k
ac
与入射角α1满足下式：k
ac
＝cot(2α
1-δ)则反射光线ac所在直线的点斜式方程为：y-ya＝k
ac
*(x-xa)式中，xa、ya分别为a点在坐标系中的横纵坐标；同理，入射光线l2的反射光线bd满足：k
bd
＝cot(2α2+δ)y-yb＝k
bd
*(x-xb)式中，xb、yb分别为b点在坐标系中的横纵坐标；内侧入射光线l2的反射光线恰好达到双面太阳能电池板的下表面最右侧d点,则满足下式：y
d-yb＝k
bd
*(x
d-xb)式中，xd、yd分别为点d在坐标系中的横纵坐标；b和点c处于同一垂直入射光线，聚光器(1)左右对称，右侧按照同样的方法设计。
19.接收器(2)的直径为l：l＝x
d-xc聚光器(1)开口直径为h：h＝2*(x
b-xa)+l太阳能电池板距聚光器(1)开口水平面高度为h：
h＝y
c-ya分析发现聚光器(1)剖面图中弧ab的圆心角θ，聚光器(1)开口直径h、太阳能电池板的直径l与高度h、聚光光伏系统的聚光比等实际上都只与聚光器(1)最外入射光线的入射角α1、最内入射光线的入射角α2、弧面半径r有关，在假设已知弧面半径r情况下，整个系统的变量只是入射角α1和α2，其余参数只需在计算结果上根据r的大小按比例调整即可。
20.由于太阳张角的作用，如果外侧入射角α1≥π/4-δ，将会导致l1右的反射光线不能照射到太阳能电池板上，太阳能电池板直径l》0，则α2》0，所以对入射角的要求为：α1，α2需要满足0《α2《α1《671π/2700。
21.聚光器(1)的几何聚光比为：式中：g为聚光器(1)聚光比，h、l分别为聚光器(1)开口直径和接收器(2)直径；通过选取g的最优值来确定其他参数，完成聚光器(1)的建立。
22.取聚光比g＝19，r＝400,计算参数关系可得α1＝0.7417，α2＝0.3449、l＝78.0062、h＝93.9354、h＝347.9580，完成聚光器的建立。

技术特征：
1.一种考虑太阳张角的类球面反射聚光器，其特征是：聚光器(1)由造价便宜的镀膜反射镜组成，接收器(2)为双面圆形太阳电池，上面采用普通光伏电池，接收器(2)的下面采用适合中低倍聚光光伏系统的聚光硅电池。2.根据权利要求1所述的类球面反射聚光器，其特征是：以聚光器(1)剖面图为例，聚光器(1)的剖面可以看作o1所在圆的一段弧ab，经过聚光光伏系统中轴线左右对称所得，聚光器(1)三维模型可以直接由聚光器(1)剖面图绕中轴线旋转180
°
形成。3.根据权利要求1所述的类球面反射聚光器，其特征是：以o1为原点建立坐标系，a、b点坐标可以由入射角α1、α2和弧面半径r来表示，实线l1、l2代表垂直入射光线，箭头指示了其入射方向，在聚光器(1)剖面图中选取的l1、l2是最具代表性的最外与最内侧入射光线，由于圆弧形聚光器(1)没有固定焦点，根据反射原理，入射光线以入射点和圆心连线为法线反射，设计聚光器(1)反射光全部汇聚到接收器(2)的下表面聚光硅电池上，α1、α2为入射光线l1、l2的入射角，l1、l2的反射光线分别照射到聚光器(1)下表面的最左侧和最右侧。4.根据权利要求1所述的类球面反射聚光器，其特征是：太阳射入地球上的光在严格意义上并非平行入射，实际上，在地球上任一点所接受的太阳光线都可以看作以光锥形式入射的，光锥以这一点与太阳中心点为轴，以过此点的太阳的切线为母线，两母线的夹角为太阳张角，根据国际天文学联合会数据，太阳的直径约为1.392*106km，日地距离取近日点和远日点的平均值149597870km。由以上数据和平面几何关系可得太阳张角2δ为：这样，在考虑太阳张角时，我们可以将入射到地球的阳光看成一个16
′
的光锥；聚光器(1)剖面圆弧所对应的角度为θ，入射角α1、α2与θ的关系如下式：θ＝α
1-α2反射光线ac斜率k
ac
与入射角α1满足下式：k
ac
＝cot(2α
1-δ)则反射光线ac所在直线的点斜式方程为：y-y
a
＝k
ac
*(x-x
a
)式中，x
a
、y
a
分别为a点在坐标系中的横纵坐标；同理，入射光线l2的反射光线bd满足：k
bd
＝cot(2α2+δ)y-y
b
＝k
bd
*(x-x
b
)式中，x
b
、y
b
分别为b点在坐标系中的横纵坐标；内侧入射光线l2的反射光线恰好达到双面太阳能电池板的下表面最右侧d点,则满足下式：y
d-y
b
＝k
bd
*(x
d-x
b
)式中，x
d
、y
d
分别为点d在坐标系中的横纵坐标；b和点c处于同一垂直入射光线，聚光器(1)左右对称，右侧按照同样的方法设计。5.根据权利要求1所述的类球面反射聚光器，其特征是：接收器(2)的直径为l：l＝x
d-x
c
聚光器(1)开口直径为h：
h＝2*(x
b-x
a
)+l太阳能电池板距聚光器(1)开口水平面高度为h：h＝y
c-y
a
分析发现聚光器(1)剖面图中弧ab的圆心角θ，聚光器(1)开口直径h、接收器(2)的直径l与高度h、聚光光伏系统的聚光比等实际上都只与聚光器(1)最外入射光线的入射角α1、最内入射光线的入射角α2、弧面半径r有关，在假设已知弧面半径r情况下，整个系统的变量只是入射角α1、α2，其余参数只需在计算结果上根据r的大小按比例调整即可。6.根据权利要求1所述的类球面反射聚光器，其特征是：由于太阳张角的作用，如果外侧入射角α1≥π/4-δ，将会导致l1右的反射光线不能照射到太阳能电池板上，太阳能电池板直径l>0，则α2>0，所以对入射角的要求为：α1，α2需要满足0<α2<α1<671π/2700。7.根据权利要求1所述的类球面反射聚光器，其特征是：聚光器(1)的几何聚光比为：式中：g为聚光器(1)聚光比，h、l分别为聚光器(1)开口直径和接收器(2)直径；通过选取g的最优值来确定其他参数，完成聚光器(1)的建立。

技术总结
本发明利用反射原理提出一种类球面反射聚光器设计方案。包括类球面反射聚光器和位于聚光器正上方的接收器，接收器设计为双面太阳电池结构，上面采用普通光伏电池，接收器的下面采用适合中低倍聚光光伏系统的聚光硅电池，聚光器采用造价便宜的镀膜反光镜。本设计结构简单，能够节省电池材料，提高发电效率。提高发电效率。提高发电效率。


技术研发人员：白润泽 余泽泓 罗舒琦 朱永强 夏瑞华
受保护的技术使用者：华北电力大学
技术研发日：2022.02.14
技术公布日：2022/5/25