CN101251641A - 透射式太阳能聚光器 - Google Patents

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Abstract

一种透射式太阳能聚光器，包括菲涅耳聚光透镜组以及设置在菲涅耳聚光透镜组光路中的菲涅耳透镜，所说的菲涅耳聚光透镜组为一折面圆弧形结构，且在菲涅耳聚光透镜组的焦点之前设置有与菲涅耳聚光透镜组光轴平面成90°夹角的平面菲涅耳透镜，在菲涅耳聚光透镜的焦点之前设置用于光线整理的凹透镜，使阳光以较小的入射角进入接收光窗。由于本发明的菲涅耳聚光透镜组1为一折面圆弧形结构，从而使增加聚光器接收面积来实现在免跟踪情况下达到自动跟踪的目的。

Description

透射式太阳能聚光器
技术领域
本发明涉及一种太阳能聚光器，具体涉及一种免跟踪的透射式太阳能聚光器。
背景技术
迫于能源危机和环境污染的双重压力，世界各国都在投入巨大的人力物力进行洁净的二次能源的开发和研究，而太阳能因为同时具备这二个特点首当其冲成为研究的重点之一；然而由于太阳能的分散性(1000W/m2)和不确定性，导致其推广应用进展缓慢；虽然随着材料科学和自动化技术的不断发展，人们研制出了各种形式的反射式和透射式太阳能聚光器，如反射式抛物球面(点聚光)和抛物柱面(线聚光)等结构形式，但是其共同特征就是一般都必然包括有一维或者二维的太阳光自动跟踪系统；尽管非常成熟的自动控制技术实现自动跟踪太阳光已经不成困难，然而太阳能聚光器所处的恶劣的室外工作环境使其驱动部分故障率频发，从而导致整个聚光器系统基本上失去实用价值。如果要解决好该问题又因为投入太多引起成本的大幅度上升，从而失去市场竞争力；如从日本进口的专利产品——向日葵系列太阳光采集与导入系统的主要特点就是工作可靠性好，这是因为它把二维自动跟踪的驱动部分连同太阳能聚光体全部封闭在一个用有机材料做成的透明大罩子内才得以保证驱动部分能够长期稳定正常运行；但是对于太阳聚光总面积仅为0.04m2的六聚光片结构的透射式聚光体以及配套的二维自动跟踪系统组成的太阳能聚光器来说，高达三万余元的价格则失去了产品的市场竞争力。而科技人员曾经设计的复合抛物面聚光器(CPC)就是人们在早年关于免跟踪反射式太阳能聚光器的较深入全面的探索成果之一，但是由于其接收太阳光有效时间太少以及在反射式太阳能聚光器结构中入射光与反射光处于聚光体的同一侧很难满足保证反射面的反射效率等不足而在推广应用中也被搁浅。
经过多年来的探索，在总结前人经验的基础上我们先后立项研制出了具有自主知识产权的改进型反射式折面形抛物柱太阳能聚光体和自动跟踪系统(宁铎.家用太阳能聚光器自动跟踪系统的设计.西北轻工业学院学.2002.(20)：59-62；宁铎，张东煜。一维驱动、二维跟踪太阳能自动跟踪系统设计。微计算机信息。2006。16期；宁铎.折面形抛物柱太阳能聚光器的研制.太阳能学报.2003.(24)：616-619，EI收录号：04128075357；宁铎等.再论折面形抛物柱太阳能聚光器的改进.太阳能学报.2004.(25)：643-646.EI收录号：05129007771；宁铎.抛物柱折面形太阳能聚光器.专利号：022246312；宁铎.折面形抛物柱太阳能聚光器玻璃条宽度的配比方法.发明专利号：2004100259046；宁铎.一种新型太阳能聚光器.专利号：032190506)，以及透射式平面菲涅耳透镜太阳能聚光器(宁铎，张东煜。阳光输送机的研究。陕西科技大学学报；2005年01期)，尽管在利用双层玻璃结构防止聚光体的反射层脱落、聚光不均匀以及利用多折面形抛物柱有效代替曲面抛物柱从而大幅度降低生产成本等方面有了很大的进展，但是如上所述，皆因为配套必不可少的自动跟踪系统所带来的高故障率以及高成本使其推广起来仍然困难重重。
自动跟踪系统就是为了保证每天最长时间里太阳光能垂直的入射到聚光体表面以达到有效提高太阳光能量密度，从而在光伏发电、常温、中高温以及直接应用太阳光照明等场合得到广泛应用。其通常是由光传感器、信号处理与判断(单片机或者计算机)以及驱动装置等部分组成，不但结构复杂，而且和聚光器必须一同放在户外工作，可靠性和耐用性长期以来就是一个老大难问题，另外还需要增加能源消耗和制造成本。所以在目前条件下，如果能够充分利用现代科学技术成果，设计一个免跟踪的太阳能聚光器，实现低成本、高可靠性的有效的提高太阳能密度，那将无疑会为太阳能在光伏发电、中高温以及直接利用太阳光照明等领域的推广应用创出一条新路来。
由于地球绕极轴以每小时15°的速度自西向东的自转以及围绕太阳的公转引起太阳光方向及强度的不断变化。但在工程中常采用地平坐标系统使得聚光器的支撑及跟踪结构的表达更为简单，即在地平坐标系统里的太阳的高度角和方位角一天当中同时发生变化。然后再根据工程实际情况进一步具体化：太阳的运动范围是固定的：因为在早晨和傍晚时分太阳光线很弱而不进行采光工作，所以有效的太阳方位角(从东至西)变化范围大约为±75°；如果以北纬34°的西安为聚光器安装地点，太阳方位角的变化范围为±75°，太阳高度角的变化为47°。所以聚光系统的二维自动跟踪范围应该大于或等于太阳的运动范围即可。
另外，考虑到在透射式聚光体结构中光源(太阳)和受光体分别置于聚光体两侧从而为聚光器设计成一个整体提供了条件的优势；再结合随着材料科学的发展在室外抗老化的有机光学材料的面世和机械加工技术的不断提高，使得有实用价值的平面菲涅耳透镜的设计与制造已非难事；那么通过增加聚光体面积的方法来保证太阳光在正常采集时间内都能够有效的被聚光体中的某一部分聚积到同一区域，从而实现在免跟踪情况下正常的太阳聚光的目标。
发明内容
本发明的目的在于提供一种结构简单，实现免跟踪，且可靠性高的有效的提高太阳能密度的透射式太阳能聚光器。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：包括菲涅耳聚光透镜组以及设置在菲涅耳聚光透镜组光路中的菲涅耳透镜，所说的菲涅耳聚光透镜组为一折面圆弧形结构，且在菲涅耳聚光透镜组的焦点之前设置有与菲涅耳聚光透镜组光轴平面成90°夹角的平面菲涅耳透镜，在菲涅耳聚光透镜的焦点之前设置用于光线整理的凹透镜，使阳光以较小的入射角进入接收光窗。
本发明的菲涅耳聚光透镜组由若干组菲涅耳透镜组成一弧度为150°的聚光透镜组；菲涅耳聚光透镜组采用耐老化的有机材料利用激光加工高精度模具挤塑成型。
由于本发明的菲涅耳聚光透镜组为一折面圆弧形结构，从而使增加聚光器接收面积来实现在免跟踪情况下达到自动跟踪的目的。
附图说明
图1是本发明菲涅耳聚光透镜组A的阵列图；
图2是本发明的整体结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
参见图1，本实施例以五个形平面菲涅耳透镜按图1视日运动轨迹构成折面形透射式太阳能聚光器，在球心处进行阳光接收。从聚光性能上来分析，菲涅耳透镜是一种非成像聚光器，只需要将太阳光聚集到一个小的区域内而非一条几何光线；所以在太阳的方位角为0°、±30°、±60°时，太阳光对于相应的菲涅耳透镜的入射角为0°，当太阳偏离这些个特殊角度时，会存在一个不等于0°的入射角，这时聚焦后的光线会偏离焦点，接收器接收到的光通量有所减少。
参见图2，但是具体对于阳光输送机来说，则要求实现点聚光，所以本发明将线形菲涅耳聚光透镜按照视日运动轨迹和图1所示的几何角度在空间进行排列，得到如图2所示的线形菲涅耳聚光透镜阵列；在利用菲涅耳聚光透镜组1实现第一次线聚光的基础上，再把菲涅耳透镜2在光轴平面内旋转90°后安装在菲涅耳聚光透镜组1的焦点之前进行二次聚光，从而实现点聚光。并在菲涅耳聚光透镜2的焦点之前设置用于光线整理的凹透镜3，从而使阳光以较小的入射角进入接收光窗4，实现了免自动跟踪系统下太阳能聚光器的有效聚光。
在实际工程中表面具有很好自洁性能的平面菲涅耳透镜是采用耐老化的有机材料利用激光加工的高精度模具挤塑成型的，所以工业化生产不但使得成本大幅度下降，而且具有一定的形变的特性使得本发明直接根据需要弯曲成所要求的几乎理想的弧度为150°的圆弧形状，而不用象玻璃作为基材的钢性聚光体不得不采用由多平面组成的折面形状；从而在有效接收太阳光的任意时刻都保证存在0°的入射角的太阳光线，又由于平面菲涅耳透镜组成的圆弧的曲率比较小，而且接收太阳光的实际上具有一定宽度的一个区域而并非一条线，所以实际上在任意太阳光照射时间里都存在一定宽度范围接近0°入射角的太阳光被有效接收(对于圆弧长度为3m的聚光体，入射角在±3°范围的聚光体宽度达到124mm范围内的太阳光都能够聚积在该有效区域中)。又因为阳光输送机的太阳光利用效率大于50％，所以这种结构设计完全能够满足整机对于聚光器的要求；根据所在地区的纬度不同再把菲涅耳聚光透镜组1前后弯成一定曲面，并且安装成上仰一定角度，该曲面的曲率及上仰角度取决于该设备安装地区的纬度(高度角变化范围的平均值)的位置固定，则又完全避免了每年随着季节变化而定期手动调整聚光体高度角人为操作；至次使得设计的免跟踪透射式平面菲涅耳透镜太阳能聚光器基本达到配置二维自动跟踪系统的太阳能聚光器的同样效果。

Claims (3)

1. 一种透射式太阳能聚光器，包括菲涅耳聚光透镜组(1)以及设置在菲涅耳聚光透镜组(1)光路中的菲涅耳透镜(2)，其特征在于：所说的菲涅耳聚光透镜组(1)为一折面圆弧形结构，且在菲涅耳聚光透镜组(1)的焦点之前设置有与菲涅耳聚光透镜组(1)光轴平面成90°夹角的平面菲涅耳透镜(2)，在菲涅耳聚光透镜(2)的焦点之前设置用于光线整理的凹透镜(3)，使阳光以较小的入射角进入接收光窗(4)。
2. 根据权利要求1所述的透射式太阳能聚光器，其特征在于：所说的菲涅耳聚光透镜组(1)由若干组菲涅耳透镜组成一弧度为150°的聚光透镜组。
3. 根据权利要求1所述的透射式太阳能聚光器，其特征在于：所说的菲涅耳聚光透镜组(1)采用耐老化的有机材料利用激光加工高精度模具挤塑成型。
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