專利名稱：太陽能收集器用的包絡管的制作方法
技術領域：
本發明涉及用于太陽能收集器特別用于拋物面形槽式收集器的一種包絡管。此外，本發明還涉及一種接收管及一種拋物面形槽式收集器。
拋物面形槽式收集器由一個單軸拋物線式成形的反射鏡和一個接收管組成，該接收管被安置在拋物面反射鏡的焦點上。反射鏡的寬度一般為5至6米。接收管由一個最好是依太陽輻射選擇加以涂層的內部子管亦稱吸收管和一個用玻璃制的用于絕緣的外部包絡管組成。反射鏡和接收管都是跟蹤太陽行程加以制導的，所以太陽光的照射總是依開口平面的法線方向進行，最理想的是將全部入射在反光鏡上的太陽輻射都引導到接收管上。
由于種種原因之故，在拋物面形槽式收集器上會導致產生聚焦誤差，從而導致造成幾何條件決定的光損失。因此，例如反光鏡元件本身就有一定的總體形狀公差或者還有波紋性，導致產生聚焦誤差。反射鏡各元件在安裝時的定位只在一定公差范圍內是可能的。還有，對拋物面槽式收集器安裝在其上的鋼結構，也必須考慮到制造公差、裝配公差以及固有變形。還有一點亦應重視，就是有時出現的風也可能導致總結構的變形，從而導致聚焦誤差。
迄今做過試驗，企圖利用安置在接收管上的二次聚焦器通過散焦來減小光損失。因此已采用一種平的二次反射器進行了實驗性研究。在WO 97/00408中介紹了配有具金屬反射器形式的二次聚焦器的拋物面形槽式收集器的另一種裝置。在H.Price等人發表在《Journal ofSolar Energy Engineering》雜志，124卷(2002)109-125頁上的文章中，采用了一種鋸齒形金屬板作為二次聚焦器。
如果為二次聚焦器使用一種高反射的材料例如拋光的金屬板，最好將之安置在處于真空中的包絡管內，借以保護它不受污染和不致老化。其中，二次聚焦器可固定在包絡管上，或固定在吸收管上。由于二次聚焦器安置在吸收管上方，所以在背向反射鏡的一邊就產生吸收管的陰影。若二次聚焦器的寬度大于吸收管，則反射鏡的一部分亦被蒙上陰影。若二次聚焦器被固定在包絡管上，則投射到二次聚焦器的背向反射鏡的一邊的那一部分輻射便喪失了，這是因為包絡管和吸收管在熱學上斷聯之故。利用這一部分輻射的一種可能性在于將二次聚焦器固定在吸收管上，并使得在其背向反射鏡的一邊上有吸收性。這樣就可利用更多的輻射。與此同時，通過吸收表面的擴大，熱損失也會升高。
通過使用一個二次聚焦器所達到的截獲系數的提高(遇上吸收管的那一部分輻射)，必須用由于所述缺點造成的輻射損失去換取。因此總起來說并沒有達到截獲系數的多大改善。
本發明的任務是提供用于太陽能收集器特別是用于拋物面形槽式收集器的一種包絡管以及一種接收管和一種拋物面形槽式收集器，該接收管具有盡可能高的截獲系數。
上述任務是通過如權利要求1所述包絡管、權利要求9所述接收管和權利要求10所述拋物面形槽式收集器加以解決的。
通過在包絡管上設計的聚焦性結構可實現下述目標從一定角度范圍通過一個光滑的包絡管進入而又出來的輻射線，不會遇到吸收管，而是直接地被偏轉到吸收管表面上。這里涉及的特別是這樣的輻射線，它們從拋物面反射鏡的外部出來遇到包絡管；以及這樣的輻射線，它們直接來自太陽而投射到包絡管。包絡管的光學結構對所述的角度范圍實現吸收管的一種光學擴大，等同于一個放大鏡效應。根據反射鏡誤差的大小和空間分布之不同，光學效率的提高可以達到大約1-3％。
在反射鏡誤差或裝配誤差較大時，光學效率的提高還可進一步增大。在采用本發明提出的一種包絡管的情況下也可以容忍反射鏡制造和裝配上的較高公差，這可導致成本明顯降低。
本發明提出的包絡管的另一優點在于熱負載大致均勻地分布到吸收管上。拋物面形槽式收集器就是有這么一個不利的性質吸收管的朝向反射鏡的一邊所受到的輻射照射要比背向反射鏡的一邊強得多。這樣，通常在該管圓周面上產生溫度梯度，又會導致吸收管的材料應力和變形。通過特別是直接遇上包絡管的輻射線的聚焦和遇到吸收管的遠軸的輻射線的聚焦，也可稍強地照射吸收管的背向反射鏡的一邊。
包絡管的聚焦性結構設計最好能相當于大量的透鏡或大量的多面體，特別是最好相當于大量的棱鏡。這類光學元件具有這樣的性能，就是聚焦到包絡管的內部，從而聚焦到吸收管上。
所謂的聚焦性結構設計可以是一種相應設計的薄膜，將之貼在包絡管的內面或外面上。從生產工藝上說，貼在外表面上是比較簡單的。為了保護薄膜不受氣候影響和不受污染，可以這樣安排，就是將薄膜事先固定在包絡管的內表面上。在固定薄膜時應考慮的一點是薄膜依光學要求耦聯到包絡管上。例如，薄膜可以粘貼上去或者敷上去。
按一個優選的實施形式，所謂的包絡管就是一種拉制的玻璃管。在拉制的玻璃管上，依包絡管的縱向的聚焦性結構是恒定的。透鏡型的結構設計例如可通過玻璃管的內壁和/或外壁的一種波形結構來實現。棱鏡型的結構設計則可通過玻璃管內壁和/或外壁的一種基本上呈鋸齒形的結構來實現。在采用棱鏡型結構時，實際中必須注意的一點是棱鏡的倒棱只在工藝可能的范圍內才可加以避免。
有利的做法是，包絡管在其內表面和/或外表面上具有一消反射層。這樣就可以保證遇到包絡管的輻射線的最大部分也可導向到吸收管上，而不會被向外反射掉。
已證明下述做法是有利的只在至少一個扇形區域上設定一些具有所述結構的部位。例如在朝向太陽的一邊上的結構在這樣一部位上是部分地中斷的，在該部位上太陽輻射也不通過包絡管的聚焦性結構的轉向而遇到吸收管。特別有利的是這種結構由兩個帶狀體組成，這兩個帶狀體在一個20°至105°的角度范圍內特別最好在一個35°至65°的角度范圍內對稱于包絡管上拋物面形槽的法線軸線加以布置。
根據拋物面形槽式收集器的一個優選的實施形式，拋物面形反射鏡和接收管之間的距離減小到包絡管和吸收管之間的距離的大約一半，這樣便使焦點向上移。由此，輻射造成的損失便可減小，這些輻射未擊中吸收管，這時它們在接收管的下方即在接收管和反射鏡之間離去了。這一點導致如下結果熱載荷較均勻地分布在吸收管上，從而獲得在吸收管圓周上的較小溫度梯度，進而使吸收管上的變形和材料應力變得較小。
現參照下面的圖對本發明做更詳細的說明。附圖表示
圖1一個拋物面形槽式收集器的示意圖；圖2在一接收管上的光程；
圖3在一拋物面形槽式收集器上的光程；圖4具有扇形包絡管的一種接收管；圖5a、b、c具有有聚焦性結構的包絡管；圖6a在一傳統接收管上邊緣輻射的光程；圖6b在本發明提出的一種接收管上遠軸輻射的光程；圖7a用于直接從太陽入射的輻射線的一種傳統接收管上的光程；圖7b用于直接從太陽入射的輻射線的本發明提出的接收管上的光程；圖8a局部截獲系數與離光軸的距離的關系；圖8b截獲系數與入射角的關系；圖9一接收管在一拋物面形槽式收集器上的布置。
圖1中示出一個拋物面反射鏡1和一個接收管2，其中，接收管2安置在拋物面反射鏡1的焦點上。輻射線總是依法線方向從朝向太陽的一邊射入，因為反射鏡1和接收管2是精確地跟隨太陽位置加以制導的。在接收管2的朝向反射鏡1的一邊上，輻射線在一個介于160°和180°的角度下射入。輻射線的入射角均以箭頭表示。
圖2中示出一個接收管2，它由包絡管3和吸收管4組成。所謂輻射束5、5’和6、6’指的是近軸的輻射線6、6’和遠軸的輻射線5、5’，后者通過包絡管3，不遇到吸收管4。
圖3中示例地表示出由于反射鏡變形而造成的聚焦誤差。損失主要產生在拋物面形反射鏡1的外部上，因為由于離接收管2的距離越大則誤差所起的影響就越強之故，與在一種近軸的輻射7(就光學軸線0加以測量)條件下的輻射線擴大相比，在遠軸的輻射8條件下的輻射線擴大，由于反射鏡1和接收管2之間的距離較大之故，而導致一個較大的輻射橫斷面。一般地說，由于不利的載荷分布之故，反射鏡1在邊緣上的變形程度大于在中心的變形程度。這樣，反射鏡誤差附帶地隨著離光軸0的距離的不斷增大而增大。聚焦誤差則具有不同的后果從反射鏡1的邊緣部位遇到包絡管3的輻射8通過包絡管部分地達到上面的背向反射鏡的一邊；從反射鏡中心部位出來的輻射7則幾乎沒有損失地遇到接收管2。經過包絡管3的輻射線，在它遇到反射鏡1之前，部分地遇到吸收管4。另一部分則離開包絡管3，不遇到吸收管4，而被導向到反射鏡1上。輻射線通過包絡管3仍然部分地如此強地被偏導，使得它們在反射鏡1上反射之后不能擊中吸收管4。
圖4中示出一個接收管2，該接收管由一個吸收管4和一個設計成一定扇形體的包絡管3組成。按圖4中所示的實施例，區域a中的設計結構被略去了，在該區域中從太陽直接入射的輻射線也是在沒有附帶導向的情況下遇到吸收管4。此外，在包絡管3的朝向反射鏡的區域中也略去了設計結構。由于在朝向反射鏡的一邊上的入射角空間幾乎都被充滿，所以在這個區域內不可能通過設計結構來達到截獲系數的顯著提高。特別在下面的包絡管區域，輻射線從一個接近180°的角度范圍入射，甚至可能使截獲系數有一個微小的局部降低。
業已指出至少在以c表示的扇形區域中應當有一種設計結構，也就是說在一個與拋物面槽的法線軸線N成35°至65°的角度范圍內應當有。如果以b和d標示的扇形區域也配有一種設計結構，就可進一步提高截獲系數。這相當于一個與拋物面槽的法線軸線N成20°至105°的角度范圍。這樣在假定一個反射鏡誤差為4-5mrad(毫拉德)的條件下，可將截獲系數提高到3％。
在圖5a-c中舉例示出配有設計結構的包絡管3的具體實施形式的橫斷面。所有三個包絡管3都只在一定的角度范圍內顯示出一種設計結構9。在圖5a中的是一種透鏡形設計結構9a；在圖5b中的是一種棱鏡形設計結構9b；在圖5c中的是一種鋸齒形設計結構9c，這種結構是針對一個最佳化的截獲系數設計的。界面都是如此選擇的，使得在一定入射角和反射鏡誤差情況下，在吸收管上達到尺可能高的聚焦。
在圖6a中示出了在用玻璃制造的有限厚度包絡管3中的接收管上的光程，和在一吸收管4上的光程。這里指的是一種遠軸輻射束的光程。特別在包絡管3’的背向反射鏡的那一部分上，各輻射束入射到包絡管3’上，而不遇到吸收管4。此外還可看出包絡管3’的輕微散焦效應。這種散焦效應是由包絡管3的有限厚度和由玻璃與空氣或者玻璃與真空的不同折射率所引起的。在圖6b中，包絡管3在包絡管內側配有一個鋸齒形結構，該結構特別在與法線軸線成90°至20°的角度范圍內特別加以模壓成形的。鋸齒形輪廓之作用于入射的遠軸輻射線，如同一種棱鏡裝置，將要不然散焦的入射的輻射線的一大部分導引到吸收管4上。
在圖7a和7b中，比較了與圖6a和6b中所示相同的裝置，用于直接從太陽投射到由包絡管3和吸收管4組成的接收管2上的輻射。投射到吸收管4上的輻射和經過此的輻射之比相當于通過吸收管4和通過包絡管的縱斷面中的橫斷面面積之比(圖6a)。此外，在依法線方向入射的情況下，包絡管3’的散焦效應就變得特別明顯。采用本發明提出的包絡管3固然也不能將所有輻射導引到吸收管4上，但仍能大大提高投射到吸收管4上的輻射占投射到包絡管3上的輻射的份額。
上述效應也以圖8a和8b中的圖解清楚地表示出來了。圖8a中示出局部截獲系數(以百分數表示)與離光軸的距離(以毫米表示)的關系。貫通的實線相當于一種傳統的未加以結構設計的平滑型包絡管。虛線則相當于本發明提出的具有聚焦性結構的一種包絡管。可以明顯看出，在直接從太陽入射的輻射方面(離光軸的距離接近于0毫米)和離光學裝置大約2000毫米以上的遠軸區域內，截獲系數的升高情況。根據入射角與法線軸線的關系(圖8b)，通過包絡管的聚焦性結構可使截獲系數升高大約1％(入射角在0°和10°之間)至3％(入射角在50°和60°之間)。
圖9中表示出關于拋物面形反射鏡1的由包絡管3和吸收管4組成的接收管2的一個優選布置示意草圖。通常將接收管2安置在焦點F上(虛線)。但為了減小在接收管2下方經過而未投射到吸收管上的輻射數量，將接收管2從焦點F沿拋物面形反射鏡1的方向移動包絡管3和吸收管2之間一半距離d加以安置。
權利要求
1.用于太陽能收集器特別是用于拋物面形槽式收集器的包絡管(3)，其特征在于包絡管具有一種結構(9a、9b、9c)，該結構經過太陽光的衍射和/或折射而聚焦到一個安置在包絡管中的吸收管上。
2.按權利要求1所述的包絡管，其特征在于結構(9a)相當于大量透鏡。
3.按權利要求1所述的包絡管，其特征在于結構(9b、9c)相當于大量多面體。
4.按權利要求1或3所述的包絡管，其特征在于結構(9b、9c)相當于大量棱鏡。
5.按權利要求1至4中的任一項所述的包絡管，其特征在于包絡管具有一個貼敷的設計有結構的薄膜。
6.按權利要求1至4中任一項所述的包絡管，其特征在于包絡管具有一種依縱向恒定的結構(9a、9b、9c)。
7.按權利要求1至6中任一項所述的包絡管，其特征在于結構(9a、9b、9c)被限制在包絡管的至少一個扇形區域(b、c、d)上。
8.按權利要求1至7中任一項所述的包絡管，其特征在于包絡管具有一種消反射層。
9.接收管(2)，配有一個按權利要求1至8中任一項所述的包絡管(3)和安置在其中的吸收管(4)。
10.由一個拋物面形反射鏡(1)和一個安置在焦點上的接收管(2)組成的拋物面形槽式收集器，接收管具有一個按權利要求1至8中任一項所述的包絡管(3)。
11.按權利要求10所述的拋物面形槽式太陽能收集器，其特征在于接收管(2)是從焦點(F)沿拋物面形反射鏡(1)的方向移動包絡管(3)和吸收管(4)之間的一半距離加以安置的。
全文摘要
拋物面形槽式太陽能收集器由一個單軸拋物線式成形的反射鏡(1)和一個接收管(2)組成，接收管安置在拋物面反射鏡(1)的焦點(F)中。接收管(2)包含一個吸收管(4)和一個外包絡管(3)，后者都是用玻璃制作的。在拋物面形槽式收集器上，會產生聚焦誤差，從而造成幾何條件決定的光損失。為了減小這一損失，提出如下設計在包絡管(3)上配備一種結構(9a、b、c)，該結構經過太陽光的衍射和/或折射將太陽光聚焦到安置在包絡管(3)中的吸收管(4)上。
文檔編號F24J2/07GK1519517SQ200410003279
公開日2004年8月11日 申請日期2004年2月3日 優先權日2003年2月3日
發明者T·庫克爾科恩, T 庫克爾科恩 申請人:肖特玻璃制造廠