本發明涉及太陽能采集應用技術領域，具體涉及一種受熱體玻璃管接收角不對稱的cpc復合拋物面內聚光真空管太陽能集熱器。

背景技術：

近年來，以普通全玻璃真空管為主體的太陽能熱水器是太陽能光熱轉換低溫應用(100℃以下)的成功產品，其已經在社會上大量普及，起到了節能、環保、降碳的積極作用。太陽能光熱轉換中溫應用(100～250℃)具有廣泛的市場需求和節能、環保、降碳的積極作用，例如化工、食品、紡織、餐飲、服裝、醫藥等行業都有急切的需求。目前，這種急切的需求尚不能得到滿足，只能依靠傳統的煤炭燃燒、燃氣燃燒或者耗電來解決。現有的普通全玻璃真空管太陽能熱水器(包括熱管式太陽能熱水器)，由于其集熱原理與結構設計上的原因，其受熱體管或者板不可能在較高的工作溫度下工作，在太陽能中溫應用(100～250℃)的溫度范圍內，集熱效率很低，因而失去實用價值。面對太陽能中溫應用(100～250℃)的急切需求與節能、環保、降碳的世界潮流，只有研制出聚光比較高、集熱熱效率比較高的新型內聚光真空管太陽能集熱器，才能滿足這種需求，并且符合節能、環保、降碳的世界潮流。

技術實現要素：

本發明的目的就是要針對現有集熱器在太陽能中溫應用(100～250℃)的溫度范圍內，集熱效率很低，因而失去實用價值等不足，提供一種受熱體玻璃管接收角不對稱的cpc復合拋物面內聚光真空管太陽能集熱器，其在太陽能中溫應用(100～250℃)的溫度范圍內，聚光比較高、集熱熱效率比較高，具有極大的實用價值。

為實現上述目的，本發明所涉及的一種受熱體玻璃管接收角不對稱的cpc復合拋物面內聚光真空管太陽能集熱器，包括集熱管，所述集熱管內設有受熱管，所述集熱管內還設有反光板，所述集熱管設置在固定板上，所述固定板內部設有集水管，所述受熱管與集水管連通；所述集熱管與受熱管之間為真空狀態，所述反光板設置在受熱管一側，從而將反光板接收到的陽光折射到受熱管上。

進一步地，所述反光板為接收角不對稱的cpc復合拋物面。

進一步地，所述集熱管內還設有用于固定受熱管的固定支架。

進一步地，所述受熱管表面設有吸收涂層。

更進一步地，所述反光板表面設有反光膜。

進一步地，所述集熱管內還設有消氣劑。

更進一步地，所述固定板內還設有保溫層，所述集水管設置在保溫層內。

作為優選項，所述集熱管與固定板連接處還設有密封圈。

作為優選項，所述反光膜為金屬反光膜。

作為優選項，所述集熱管、受熱管、反光板、固定支架均為玻璃材質。

本發明的優點在于：

集熱管中漸開線反光板內聚光受熱管，能夠使太陽光通過內聚光，以較高的聚光比反射并聚光到受熱管表面，被選擇性吸收涂層高效率地吸收，轉化為熱能，在真空管特定的保溫條件下，將太陽能轉換為受熱體玻璃管中水的熱能，使之成為過熱水，溫度達到100～180℃，當過熱水釋放時，轉化為100～180℃蒸汽，既可以為用戶提供100℃開水(一個標準大氣壓下)，也可以為用戶提供100～180℃的蒸汽。

附圖說明

圖1為本發明的內部結構示意圖；

圖2為本發明另一視角的內部結構示意圖；

圖3為受熱管基礎圓φ0的漸開線對入射光線的反射與聚光原理圖；

圖4為實施例中φ145mm受熱體玻璃管接收角不對稱的cpc復合拋物面內聚光真空管結構原理圖。

圖中：集熱管1、受熱管2、反光板3、固定板4、集水管5、固定支架6、吸收涂層7、反光膜8、消氣劑9、保溫層10、密封圈11。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施例對本發明作進一步的詳細描述：

如圖1～2所示的一種受熱體玻璃管接收角不對稱的cpc復合拋物面內聚光真空管太陽能集熱器，，包括集熱管1，所述集熱管1內設有受熱管2，所述集熱管1內還設有用于固定受熱管2的固定支架6。所述集熱管1內還設有反光板3，所述集熱管1設置在固定板4上，所述集熱管1與固定板4連接處還設有密封圈11。所述固定板4內部設有集水管5，所述固定板4內還設有保溫層10，所述集水管5設置在保溫層10內。所述受熱管2與集水管5連通；所述集熱管1與受熱管2之間為真空狀態，所述反光板3表面設有反光膜8。所述反光膜8為金屬反光膜。所述集熱管1內還設有消氣劑9。所述反光板3設置在受熱管2一側，從而將反光板3接收到的陽光折射到受熱管2上。所述受熱管2表面設有吸收涂層7。所述集熱管1、受熱管2、反光板3、固定支架6均為玻璃材質。

所述反光板3為接收角不對稱的cpc復合拋物面。

本發明的原理：

如圖3，以x軸為aj方向，y軸為ak方向簡歷平面直角坐標系：

所述反光板3的橫截面為以受熱管2的φ0為基礎圓的漸開線以及不對稱接收角的拋物線組成的不對稱接收角的cpc復合拋物曲線。

其中漸開線曲線的數學特性決定了漸開線上方入射的光線在漸開線上反射后必須會落到基礎圓φ0的圓周上，實現漸開線反射與聚光到基礎圓φ0圓周上的目的。

cpc復合拋物曲線的數學特性：

設定拋物線曲線焦點為g點，拋物線的焦距因子為gc與gc'，拋物線焦距為p＝2gc，p'＝2gc'；左接收角為θ左＝45～60°，右接收角為θ右＝23.5～30°。

由于左右接收角不對稱，必須用兩個坐標系來描述兩個不同的拋物線方程式及相應的拋物線。

左上方的為坐標系w-z坐標系，在w-z坐標系中：

拋物線原點為c'點，拋物線接收角θ左＝45～60°；

拋物線方程式為：

w²＝2×2gc'×z

即：w²＝4(gc')z

拋物線曲線為c't'p'，其有用部分拋物線為c't'。

右上方的為u-v坐標系，在u-v坐標系中：

拋物線原點為c點，拋物線接收角θ右＝23.5～30°；

拋物線方程式為：

u²＝2×2gc×v

即：u²＝4(gc)v

拋物線曲線為ctp，其有用部分拋物線為cp。

左邊拋物線(c't')與右邊拋物線(ct)構成了接收角不對稱的兩條拋物線，兩條不對稱的拋物線與漸開線構成了接收角不對稱的cpc復合拋物曲線。

拋物線上方入射的光線在cpc復合拋物曲線上反射后必然會落到焦點g以下的基礎圓φ0的圓周上，從而實現了cpc復合拋物曲線的反光與聚光到基礎圓φ0的圓周上的目的。

可見，不對稱接收角的cpc復合拋物曲線中的漸開線與拋物線均能實現對上方入射的光線的反射與聚光到基礎圓φ0的圓周上的目的，這就是不對稱接收角的cpc復合拋物曲線反光與聚光的基本原理。而不對稱的左接收角θ左＝45～60°，以及右接收角θ右＝25～30°形成的cpc復合拋物面可以在一年四季每一天中，從太陽升起，到中午正照，再到太陽逐漸下落，集熱管1可接收全過程的太陽光入射，并產生集熱效果，而不必定時調整集熱器的傾斜角度。

依據上述聚光原理，將基礎圓設計為受熱管2的外徑，集熱管1中的反光板3為不對稱接收角cpc復合拋物面，其橫截面為以受熱管2外徑圓為基礎圓的不對稱接收角(θ左與θ右)的cpc復合拋物曲線。當太陽光入射到反光板3時，其反射光線必然會到達處于焦點g下方的受熱管2外表面，被受熱管2外表面的太陽能光熱轉換選擇性吸收涂層7所吸收，將太陽能轉換為熱能。在受熱管2中，過熱水的溫度可以達到100℃～250℃。當過熱水被釋放時，轉化為100℃～230℃的蒸汽，供用戶使用。

不對稱接收角cpc復合拋物面內聚光真空管的特點：

1、具有比較高的聚光比：

計算表明其聚光比c＝4～5；

2、具有真空管的集熱特性；

3、具有cpc復合拋物面的聚光特性；

4、受熱管2表面涂覆有太陽能光熱轉換選擇性吸收涂層，該涂層具有高吸收率和低發射率；

5、由于聚光比值較高，因而能夠提高真空管的空曬溫度：

在標準太陽輻射強度(ea＝800w/m²)的照射下，該內聚光真空管的空曬溫度能夠達到400℃以上。

6、不對稱的接收角cpc復合拋物面反光板具有高性能的反光膜：

該反光膜由金屬板表面拋光和涂鍍而成，反光性能優良，對入射的太陽光線進行反射與聚光。

7、不對稱的接收角為：

左側接收角θ左＝45～60°，右側接收角θ右＝23.5～30°

該不對稱的接收角cpc復合拋物面內聚光真空管在東西方向安裝時，一天中能有效采光7～8小時，在冬季的冬至日前后，一天能夠實現5～6小時的有效采光(北緯50°以南)；

8、不對稱接收角的cpc復合拋物面反光板3及其上的反光膜8，便于加工成型，反光性能優良：

該反光板與反光膜加工成型后，具有優良的反光與聚光性能，能將入射的太陽光線有效地反射與聚光到受熱體玻璃管表面。

另，本發明中集熱管1內設有消氣劑9為類似真空管中常見技術手段，不再贅述。本發明采用盲管結構達到熱水上升，冷水下降的自流方式，將熱水送到集水箱內。

實施例：

如圖4，受熱管2接收角不對稱的cpc復合拋物面內聚光集熱管1的主要技術參數如下：

外罩玻璃管外徑d2＝145mm，外罩玻璃管內徑d1＝138mm，外罩玻璃管壁厚δ1＝3.5mm，反光板材料厚度δ3＝0.5mm，反光板開口寬度tt’＝137mm，受熱體玻璃管外徑d2＝29.15mm，受熱體玻璃管內徑d1＝26.15mm，受熱體玻璃管壁厚δ2＝1.5mm。

漸開線方程式及相關技術參數：

基礎圓直徑φ0＝d2＝29.15mm，基礎圓半徑左接收角θ左＝52°，右接收角θ右＝25°，截短角θt＝70～75°，左拋物線原點c'，右拋物線原點c，左拋物線焦距因子gc'，右拋物線焦距因子gc，左拋物線焦距p'＝2gc'，右拋物線焦距p＝2gc。

漸開線方程式:

在x-y坐標系中,

x＝a(cost+tsint)

y＝a(sint-tcost)

式中t為漸開線上一點對應基礎圓φ0的圓切角(以弧度值表示)，bvc及其對稱曲線bv'c'即為基礎圓φ0漸開線中的兩個實用部分。

在u-v坐標系中，拋物線方程(c點為拋物線原點)：

u²＝2pv

u²＝4(gc)v式中p＝2gc

式中gc長度可按數學計算得出，也可由計算機繪圖中測量出，ct曲線即為按方程式u²＝4(gc)v繪制的右側拋物線曲線。

在w-z坐標系中，拋物線方程式(c'點為拋物線原點)：

w²＝2p'z

w²＝4(gc')z式中p'＝2gc'

式中gc'長度可按數學計算得出，也可由計算機繪圖中測量出。ct'曲線即為按方程式w²＝4(gc')z繪制的左側拋物線曲線，t'點為截短角θt＝70～75°的截短點，tt'為截短后雙拋物線之間開口寬度，也有b＝tt'＝137mm(即為拋物線開口寬度)。

曲線bvct為右邊cpc復合拋物線，其接收角為θ右＝25°；曲線bv'c't為左邊cpc復合拋物線，其接收角為θ左＝52°。

該cpc復合拋物線就是接收角不對稱的cpc復合拋物面的橫截面曲線。n點為復合拋物線曲線bv'c't上的任意一點。hn為入射光線，hn在cpc復合拋物線上的反射光線nq必然指向拋物線焦點g下方，必然會落到基礎圓φ0的圓周上，從而實現反射光線，在基礎圓φ0圓周上的聚光。而基礎圓φ0即為受熱管2的外徑。

cpc復合拋物面內聚光真空管太陽能集熱器的基本性能參數：

1、關于聚光比c值：

式中b＝tt'＝137mmd2＝φ0＝29.15mm

即得：

2、關于工作溫度為140℃時集熱器蒸汽生產量：

集熱管1規格：φ×δ1×ι＝φ145×3.5×2100(mm)；

單板集熱器中的真空管排列數量n：

采取密集排列(真空管帶有縮頸結構)，在2000mm寬度上，排列13根真空管，即有n＝13(根)；

單板集熱器有效采光面積s：

s＝d2×c×n＝0.145×2×13＝3.77m²

標準太陽輻射強度ea：

ea＝800w/m²

140℃時蒸汽的熱焓值h汽140：

h汽140＝2676kj/kg

140℃時該集熱器動態集熱熱效率μd140：

μd140＝0.4650

計算工作溫度t＝140℃時集熱器輸出熱量q140：

q140＝ea×s×μd140

＝800×3.77×0.4650

＝1402.4w/板

計算單板工作溫度為t＝140℃時的每小時蒸汽產量g汽/h：

計算每小時產10kg蒸汽(t＝140℃)需要集熱板的數量n：

即53板集熱器每小時可生產100℃開水(一個標準大氣壓下)量為：

100kg/小時。

關鍵技術問題：

1、接收角不對稱的cpc復合拋物面反光板3的形狀與尺寸參數的計算與加工：

接收角不對稱的cpc復合拋物面反光板的形狀與尺寸參數是決定內聚光真空管聚光效果的關鍵性零部件。必須按基礎圓的漸開線方程式與接收角θ左＝52°所形成的拋物線原點c'點建立w-z坐標系，以及w²＝4(gc')z拋物線方程及其對應的ct'拋物線，同時按基礎圓φ0漸開線方程式與接收角θ右＝25°所形成的拋物線原點c點建立u-v坐標系以及拋物線方程u²＝4(gc)v及其對應的ct拋物線再按截短角進行拋物線截短處理，所得到的右復合拋物線曲線bvct曲線及左復合拋物線曲線bv'c't即為不對稱的cpc復合拋物面反光板3的橫截面的內廓。在將接收角不對稱的cpc復合拋物線進行計算并繪圖的基礎上，加工制造接收角不對稱的cpc復合拋物面反光板3的模具與檢具，以該模具沖壓加工出接收角不對稱的cpc復合拋物面反光板3，并以檢具對反光板3進行質量檢查，以保證反光板3的加工質量。

反光板3可以用薄鋼板沖壓成型，再進行表面處理，也可以用拋光鋁板沖壓成型。

2、接收角不對稱的cpc復合拋物面反光板3應具有的優良反光性能：

用薄鋼板沖壓成型的反光板3，表面進行鍍膜處理，達到高度光潔度，獲得優良反光性能。

用拋光鋁板沖壓成型的反光板3，本身具有高度光潔度，具有優良反光性能。

用非拋光鋁板沖壓成型的反光板3，再進行表面拋光處理，達到高度光潔度，具有優良反光性能。

最后，應當指出，以上實施例僅是本發明較有代表性的例子。顯然，本發明不限于上述實施例，還可以有許多變形。凡依據本發明的技術實質對以上實施例所做的任何簡單修改、等同變化及修飾，均應認為屬于本發明的保護范圍。