[发明专利]一种太阳能碟式聚光镜系统及其设计方法

权利要求书

1.一种太阳能碟式聚光镜系统，包括太阳能碟式聚光镜和位于所述太阳能碟式聚光镜的焦平面附近的吸热器，其特征在于：所述太阳能碟式聚光镜由M个球面镜拼接而成，所述球面镜的反射面呈四边形曲面，所述四边形曲面的四个顶点位于同一旋转抛物面上，M个所述球面镜在经过所述旋转抛物面顶点的切面上的正投影均为正方形且面积相等；

在直角坐标系xyz空间内，所述旋转抛物面的方程为：z＝A(x²+y²)，z≥0，

所述正方形的面积满足如下关系：

W＝DNI*S*μ*a₁*a₂*a₃，

其中，S为M个所述正方形面积之和的等效面积，m²；

W为所述太阳能碟式聚光镜的额定功率，W；

μ为所述太阳能碟式聚光镜的光截取效率；

DNI为太阳直射常数，W/m²；

a₁为所述球面镜的反射率；

a₂为吸热器的转换效率；

a₃为大气吸收系数；

所述A满足如下关系：

A＝1/4f，

z＝A(x²+y²)，

其中，f为所述旋转抛物面的焦距，m；

b/2为所述太阳能碟式聚光镜在经过所述旋转抛物面顶点的切面上的正投影边缘到所述旋转抛物面顶点的最大距离，m；

α为边缘角；

所述球面镜的曲率半径r满足如下关系：

其中，tanK＝z'(x₁，y₁)，

坐标(x₁，y₁)为所述正方形的中心坐标，

K为经过所述球面镜顶点的切面与经过所述旋转抛物面顶点的切面之间的夹角；

所述球面镜的深度h满足如下关系：

其中，l为所述四边形的长对角线的一半，

所述l通过如下方法确定，

1)根据所述S和所需所述吸热器上光斑形状确定所述正方形的个数M和M个所述正方形的排布方式，相邻所述正方形之间设有间隙，所述间隙为10mm-20mm，从而得到所述太阳能碟式聚光镜系统在经过所述旋转抛物面顶点的切面上的正投影；

2)在经过所述旋转抛物面顶点的切面上建立空间直角坐标系xyz，xoy平面与经过所述旋转抛物面顶点的切面重合，从而在xoy平面内确定M个所述正方形四个交点的坐标以及M个正方形中心的坐标；

3)将每个所述正方形四个交点的坐标和每个正方形中心的坐标分别带入到z＝A(x²+y²)并通过Matlad软件计算得到每个正方形四个交点对应的所述四边形曲面的四个顶点的坐标，每个正方形对应的所述球面镜的口径中心的坐标和每个正方形对应的所述四边形曲面的不相邻顶点之间的连线长度。

2.根据权利要求1所述的一种太阳能碟式聚光镜系统，其特征在于：所述球面镜在经过所述球面镜顶点的切面上的正投影为四边形，所述球面镜的口径中心在经过所述球面镜顶点的切面上的正投影与所述四边形的中心重合，所述M个球面镜的焦点和所述旋转抛物面的焦点重合。

3.根据权利要求1所述的一种太阳能碟式聚光镜系统，其特征在于：所述M个四边形曲面中至少有一个四边形曲面的不相邻的两个顶点位于经过所述旋转抛物面顶点的抛物线上。

4.根据权利要求1所述的一种太阳能碟式聚光镜系统，其特征在于：所述边缘角为45°。

5.根据权利要求1所述的一种太阳能碟式聚光镜系统，其特征在于：所述M为偶数。

6.一种设计权利要求1至5中任一权利要求所述的一种太阳能碟式聚光镜系统的方法，其特征在于具有如下步骤：

1)计算S，所述S满足如下关系：

W＝DNI*S*μ*a₁*a₂*a₃，

其中，S为M个所述正方形面积之和的等效面积，m²；

W为所述太阳能碟式聚光镜的额定功率，W；

μ为所述太阳能碟式聚光镜的光截取效率；

DNI为太阳直射常数，W/m²；

a₁为所述球面镜的反射率；

a₂为吸热器的转换效率；

a₃为大气吸收系数；

2)根据所述S和所需所述吸热器上光斑形状确定所述正方形的个数M和M个所述正方形的排布方式，相邻所述正方形之间设有间隙，所述间隙为10mm-20mm，从而得到所述太阳能碟式聚光镜系统在经过所述旋转抛物面顶点的切面上的正投影；

3)在经过所述旋转抛物面顶点的切面上建立空间直角坐标系xyz，xoy平面与经过所述旋转抛物面顶点的切面重合，从而在xoy平面内确定M个所述正方形四个交点的坐标以及M个正方形中心的坐标；

4)计算A，所述A满足如下关系：

A＝1/4f，

z＝A(x²+y²)，

其中，f为所述旋转抛物面的焦距，m；

b/2为所述太阳能碟式聚光镜在经过所述旋转抛物面顶点的切面上的正投影边缘到所述旋转抛物面顶点的最大距离，m；

α为边缘角；

5)将每个所述正方形四个交点的坐标和每个正方形中心的坐标分别带入到z＝A(x²+y²)并通过Matlad软件计算得到每个正方形四个交点对应的所述四边形曲面的四个顶点的坐标，每个正方形对应的所述球面镜的口径中心的坐标和每个正方形对应的所述四边形曲面的不相邻顶点之间的连线长度；

6)所述球面镜的曲率半径r满足如下关系：

其中，z＇为z＝A(x²+y²)的一阶导数，tanK＝z'(x₁，y₁)，

坐标(x₁，y₁)为所述正方形的中心坐标，

K为经过所述球面镜顶点的切面与经过所述旋转抛物面顶点的切面之间的夹角；

所述球面镜的深度h满足如下关系：

其中，l为所述四边形的长对角线的一半。