CN101666897A - 折射式太阳能汇聚装置 - Google Patents

Abstract

一种折射式太阳能汇聚装置，由透镜、张紧装置及安装框架等部件构成，其特征为：包含一片周边预制有一至二对装配凸棱的矩形平板式菲涅耳透镜片、一至二对与菲涅耳透镜片的装配凸棱相嵌接的联接镶条、一副矩形刚性框架以及一至多组弹性张紧器，构成一个所述的折射式太阳能汇聚装置；平板式菲涅耳透镜片周边预制的装配凸棱镶嵌在联接镶条的凹槽内，平板式菲涅耳透镜片嵌入联接镶条后的组合件外尺寸略小于刚性框架的内尺寸；通过弹性张紧器将联接镶条拉紧并贴近在与刚性框架对应的内侧边上，由于联接镶条的横向牵引，平板式菲涅耳透镜片被均匀地绷紧在刚性框架上。

Description

折射式太阳能汇聚装置

所属技术领域

本发明为一种折射式太阳能汇聚装置，属于太阳能的中、高温应用领域，用于将太阳能汇聚以提高其能流密度，产生高温和高光强，以便于进行高效的光热和光电应用的装置。

背景技术

由于太阳能的能流密度较低，人们在采集太阳能时需将其汇聚以获得高温和高光强，目前已得到少量应用的汇聚方法是反射法和折射法，反射法有如：太阳塔、碟形抛物面镜、槽形抛物面镜等设备，但由于其设备庞大、造价高昂而无法得到普及应用；而折射法的经典应用就是各种点焦、线焦的平板式菲涅耳透镜，虽然菲涅耳透镜的理论方案已被提出近200年，但由于其制造精度要求极高、实现工业化大生产难度很大，而透镜本身是一薄片式的大平面结构，平面几何稳定性差、机械强度低、易变形、易损坏等诸多不利因素，导致其长期以来仅限于试验室内的小批量、小面积试制和研究，无法进行工业化生产和大面积的太阳能汇聚之应用。

至今，菲涅耳透镜的应用存在以下几方面的技术难题难以突破：

1、难制造：对设备的精度要求高，尺寸精度要求达到“μ”级、角度精度要求达到“秒”级、光洁度要求达到“纳米”级，若用玻璃制造时，模具耐温需大于900℃，目前尚未找到在此温度下还能保持高的尺寸精度和高光洁度、不被氧化的模具材料，现实的例子比如至今世界上所有的压花玻璃均为半透明的“砂面”或半“砂面”表面的玻璃，从未有过全透明的光学级的压花玻璃，这是由于在高温下压花辊表面花纹被氧化而导致光洁度下降的缘故，数十年来，人们历经无数次尝试，例如用惰性气体保护等技术方案，均以失败告终，因此，目前技术条件下，大面积地使用菲涅耳透镜，唯有采用高分子材料制造这条路较为可行。

2、高分子材料不耐温、不耐候：在户外露天环境中，需经受日晒、风吹、雨霖、霜冻、雪压以及砂尘袭击，尤其是高分子在自然状态下还会自行产生蠕变、弯曲、平面凹陷，而当处于中高温工作状态下，焦斑上的高温幅射将加剧其形变、蠕变，从而使光学性能改变，焦点位移、透光率下降，严重影响其正常使用。而高分子材料普遍存在的吸水性也严重影响其透光率和使用寿命。

3、不耐刮：当用高分子材料制造时，其表面硬度较低(往往小于1H)，当遇风沙或飘尘后，无法清洁，甚至经不起擦拭，用布或软刷拂拭也会使其表面起“雾”而降低透明度、透光度。

4、平面强度低，易破裂：由于菲涅耳透镜本身是一薄片式的大平面结构，平面几何稳定性极差、机械强度低，当在户外环境下长期承受交变风载，反复双向“鼓、胀”，易产生疲劳断裂。

5、与无机玻璃进行复合的缺陷：人们也曾尝试过用高分子菲涅耳透镜片与平板式无机玻璃进行复合，结果也不尽人意，其缺点表现在：a、二者材料的热膨胀系数不同，无论在胶合状态还是在真空贴合状态下，在户外的日、夜温差环境中，其复合平面易产生相对滑移、弯曲、变形甚至破裂；b、由于增加了二层介质，使复合体的透光度大幅下降，比如PMMA或PC或CR-39的透光度为92％、超白玻璃的透光度为91％、UV胶的透光度为92％，那么，其复合体的总透光度为三者连乘，仅剩77％，并且，光线通过多重“光疏/光密”界面的轮替后产生了附加的散射损失，严重影响使用效果。c、复合体单位面积的重量增加了三至五倍，增加了跟踪设备的荷载。

6、设备的抗风能力差：由于太阳能的应用均为大面积采集，平板式高分子菲涅耳透镜片的受风面积很大，当遇台风、飓风时设备的风载很大，易被吹裂、吹垮，设备的安全系数很低。

7、跟踪要求高：由于实际应用中总是追求较小的焦宽比，平板式菲涅耳透镜片的边缘折射角度都设计得比较大，多在光学材料的近全反射角或亚全反射角之内，太阳光只要稍偏离其垂直面，处于边缘的折射棱镜就会进入全反射区而使进入的光线全部反射回大气中，所以，对跟踪系统的感知灵敏度和响应灵敏度均有较高要求。

但是，菲涅耳透镜的优异特点也是显而易见的，比如：

1、轻便，每平方米小于3公斤(高分子基)，组成的设备重量小，便于运输、安装和使用；2、聚光比大，可做到几十上百倍，容易获得高温；3、价廉，单位面积的物料成本和工艺成本之和是所有材料中最低的，便于大面积推广使用。因此，设计一种既能发挥其优点又能克服其缺点的折射式太阳能汇聚装置就显得十分必要。

发明内容

本发明的目的，就是为太阳能的中高温应用提供一种高效、耐用、经济、方便的折射式太阳能汇聚装置，以便获得高温、高光强、高能流密度的新能源，提供给后续的光伏、光热设备，使之得到高效应用。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

本发明的折射式太阳能汇聚装置，系由一片周边预制有一至二对装配凸棱的矩形平板式菲涅耳透镜片、一至二对与菲涅耳透镜片的装配凸棱相嵌接的联接镶条、一副矩形刚性框架以及一至多组快装式弹性张紧器或内置式弹性张紧器构成，其中，大面积平板式菲涅耳透镜片可大至0.2至数平方米，其表面经过硬化处理，硬度达到4H以上。平板式菲涅耳透镜片周边预制的装配凸棱镶嵌在联接镶条的凹槽内，平板式菲涅耳透镜片嵌入联接镶条后的组合件外尺寸略小于刚性框架的内尺寸，形成一热变形补偿缝；通过一至多组快装式弹性张紧器或螺旋式弹性张紧器将联接镶条拉紧并贴近在与刚性框架对应的内侧边上，再通过联接镶条的横向牵引，使平板式菲涅耳透镜片被均匀地绷紧在刚性框架上，让容易形变的大平面薄片菲涅耳透镜片通过联接镶条、弹性张紧器予紧在刚性框架上，变成一张形状稳定、强度高、能自动补偿热胀冷缩、易于装拆和更换、易于清洗的大面积的菲涅耳聚光透镜组件。

附图说明

下面结合附图对本发明进一步说明。

图1是本发明的主视图

图2是本发明的剖视图

图3是本发明的局部剖视图

图4是本发明的快装式弹性张紧器张紧状态主视图

图5是本发明的快装式弹性张紧器张紧状态左视图

图6是本发明的快装式弹性张紧器解脱状态主视图

图7是本发明的快装式弹性张紧器解脱状态左视图

图8是本发明的快装式弹性张紧器张紧过程示意视图

图9是本发明的快装式弹性张紧器上的弹性拉扣主视图

图10是本发明的快装式弹性张紧器上的弹性拉扣俯视图

图11是本发明的快装式弹性张紧器上的滑槽主视图

图12是本发明的快装式弹性张紧器上的滑槽左视图

图13是本发明的快装式弹性张紧器上的滑动座主视图

图14是本发明的快装式弹性张紧器上的滑动座左视图

图15是本发明的快装式弹性张紧器上的翻转手柄示意图

图16是本发明的螺旋式弹性张紧器的张紧状态示意图

上图中：1为刚性框架，2为快装式弹性张紧器，3为联接镶条，4为菲涅耳透镜片，5为弹性拉扣，6为翻转手柄，7为手柄支架，8为滑动座，9为销轴，10为滑槽，11为限位螺钉，12为压缩弹簧，13为螺杆。

具体实施方式

如附图1、附图2所示：本折射式太阳能汇聚装置，由菲涅耳聚光透镜片、联接镶条、张紧装置及刚性框架等部件构成。

其中，透镜是一片周边预制有一至二对装配凸棱的矩形平板式菲涅耳聚光透镜片，系由透明的高分子材料如PMMA、PC、CR-39等制成的菲涅耳条焦透镜片或点焦透镜片，这片菲涅耳透镜片里含有一个至多个焦线或焦点，并通过有机硅等材料对其进行表面硬化处理，使之表层硬度提高到4H以上，同时，其表层还能通过涂复一层由TiO₂等组成的超亲水性材料，使其具有自洁功能。由于有机硅材料具有“防水、拒水、防潮”的性能，避免了透镜材料的吸湿性而导致其透光率的下降，同时，由于有机硅保护材料涂层兼具“防眩”和“增透”效果，还能使菲涅耳透镜片的透明度进一步提高。

联接镶条是由铝合金或硬塑等易于挤压成长条形的材料制成，其剖面为带凹槽的型材，其凹槽形状与平板式菲涅耳透镜片外缘的装配凸棱相匹配，装配凸棱能从长度方向直接插入联接镶条的凹槽之内，在宽度方向上又被联接镶条凹槽的窄口卡住，使其能方便地互嵌并保证在张紧状态下不被横向拉脱。

刚性框架是一付由通用型材或专用型材通过焊接或铆接而成的矩形外框，其内侧净空尺寸略大于由平板式菲涅耳透镜片嵌入联接镶条后的组合件的外尺寸，以便通过多组弹性张紧器将联接镶条拉紧并贴近在与刚性框架对应的内侧边上，由于联接镶条的横向牵引，使得平板式菲涅耳透镜片被均匀地绷紧在刚性框架上。刚性框架的内侧缘上有连续的或均布的定位凸台，凸台可以是一次性拉制成型也可以是用通用型材如角形型材、方形型材组合成型，此凸台用于承托平板式菲涅耳透镜片嵌入联接镶条后的组合件，使之在垂直方向上定位。

张紧装置可选择“快装式弹性张紧器”或“螺旋式弹性张紧器”两大类。

典型的快装式弹性张紧器为一手动翻转自锁式弹性拉扣装置，其手柄支架(7)固定联接在滑动座(8)上，翻转手柄(6)的中心孔通过销轴(9)与手柄支架(7)上的孔铰接并可绕销轴(9)转动，弹性拉扣(5)又与翻转手柄(6)侧下方的一对偏心孔铰接；滑动座(8)安装在滑槽(10)内，而滑槽(10)固定联接在刚性框架(1)的顶面。弹性拉扣(5)为一根弹簧钢丝绕制的一端有一回形拉钩、回形拉钩上部有对称的两个半圈或单圈或多圈的弹性圈，而弹簧钢丝的两个端头延伸到弹性张紧器另一端并互作一相向的垂直内勾，此对内勾可装在翻转手柄(6)侧下方的那对偏心孔内。滑动座(8)为一“凹”字形断面、两侧竖边上各有一个用于装限位螺钉的螺纹孔，手柄支架(7)通过焊接或铆接在其上；快装式弹性张紧器上的滑槽(10)为一“凹”字形断面，其两侧竖边上各有一个限位槽，滑动座(8)可沿纵向插入其中并可相对滑动，通过限位螺钉(11)限制其滑动行程。翻转手柄(6)的侧视图为：一端是一半圆头而另端为一扁手把，半圆头的圆心处有一销孔，在销孔的右下侧有另一对用于装弹性拉扣(5)的偏心孔。

如附图8所示，当翻转手柄(6)从附图3所示的水平位置向上拉起并沿逆时针方向扳到底时，弹性拉扣(5)的前端张紧钩被带动向刚性框架(1)的内侧方向平移并与联接镶条(3)脱离，并且滑动座(8)可通过手动推向刚性框架(1)的外侧方向(如图6)，此时弹性张紧器为解脱状态，被固定物(联接镶条)的横向约束和竖直方向的约束被同时解除，此时，平板式菲涅耳透镜片嵌入联接镶条后的组合件可从刚性框架(1)上取下进行清洗、更换或临时收藏。

如图3所示，当翻转手柄(6)从刚性框架(1)的内侧顺时针方向扳回右侧水平止点的过程中，弹性拉扣(5)的前端张紧钩被带动向靠近刚性框架(1)的方向平移，当弹性拉扣(5)的前端张紧钩钩到联接镶条(3)时，滑动座(8)受反作用力向刚性框架(1)的内侧方向平移至联接镶条的正上方，将联接镶条(3)连同菲涅耳透镜片(4)一起约束在刚性框架(1)所包围的平面内，此时，弹性张紧器为张紧状态并已自锁，非外力不会自行放松。

因此，快装式弹性张紧器使本系统的菲涅耳透镜片具有快装、快拆功能，便于安装、清洗和维护，当遇到设备难以抵御的台风、飓风天气时，可将菲涅耳透镜片快速拆下收藏，过后又能极其方便地装回刚性框架内而恢复正常使用，其实施例见图1、图2所示。

典型的螺旋式弹性张紧器如图16所示，由压缩弹簧(12)、螺栓(13)等构成；压缩弹簧(12)的弹力通过螺杆(13)、联接镶条(3)传递到菲涅耳透镜片上使之产生张紧力。本实施例虽然结构极其简单，但也能起到将大面积“薄而软”的菲涅耳透镜片张紧在弹性框架上的功用。其缺点是不方便对菲涅耳透镜片进行拆装维护，其实施例见图16所示。

由于采用了以上种种技术手段，使得本发明的折射式太阳能汇聚装置具备了以下优异功能：

1、使得薄而软的大平面菲涅耳透镜片能保持良好的平面度和稳定的几何形状，使易变形的大面积薄片做成大口径、大聚光比的聚光装置成为可能，使这一质轻、价廉、高效的透镜能大面积安装并保证焦斑形状和投射位置稳定不变。

2、使得菲涅耳透镜片本身仍能保持其固有的柔韧性，当透镜平面上任一点受外力冲击时，通过四周均布的弹性张紧器的自身形变，能将外力大部份吸收并传递到刚性框架上，有效地保护了高分子菲涅耳透镜片，使之不致破裂。

3、高分子菲涅耳透镜片通过四周均布的弹性张紧器的张紧，能将日、夜温差造成的材料的热胀、冷缩导致的几何尺寸的微量变化得到有效补偿，不致造成应力集中而破裂，使之保持良好的工作状态。

4、高分子菲涅耳透镜片通过四周均布的弹性张紧器张紧在刚性框架上，由于弹性张紧器具有快装、快卸功能，当遇台风、飓风、暴雨、暴雪等不良气候时，可快速方便地将菲涅耳透镜单独收起，此外，当需对菲涅耳透镜片进行单独清洁、更新时也可方便地从刚性框加上拆下进行清洗、更换。

5、通过本装置实现了大口径菲涅耳透镜片在太阳能汇聚领域的实施应用，并且本装置在结构上独立于后续的集热器如真空管、金属导热油管等高温器件，可在对流空气中自由散热，而由于菲涅耳透镜片的焦距正比于其口径或幅宽的缘故，其口径或幅宽越大焦距也越长，使得本装置距离高温器件越远，有效减缓了高温热源对菲涅耳透镜片的热幅射，从而使得本装置的应用解决了组成菲涅耳透镜片的高分子材料的耐热问题。

由于采取了以上的种种技术措施并得到了很好的效果，使得本发明的《折射式太阳能汇聚装置》能够在中高温太阳能领域中得到广泛应用，为人类深度利用太阳能、逐步减少并最终停止使用化石能源找到一条便捷之路。

Claims (10)

1、一种折射式太阳能汇聚装置，由透镜、张紧装置及安装框架等部件构成，其特征为：包含一片周边预制有一至二对装配凸棱的矩形平板式菲涅耳透镜片、一至二对与菲涅耳透镜片的装配凸棱相嵌接的联接镶条、一副矩形刚性框架以及一至多组弹性张紧器，构成一个所述的折射式太阳能汇聚装置；平板式菲涅耳透镜片周边预制的装配凸棱镶嵌在联接镶条的凹槽内，平板式菲涅耳透镜片嵌入联接镶条后的组合件外尺寸略小于刚性框架的内尺寸；弹性张紧器将联接镶条拉紧并贴近在与刚性框架对应的内侧边上，通过联接镶条的横向牵引，平板式菲涅耳透镜片被均匀地绷紧在刚性框架上。

2、根据权利要求1所述的折射式太阳能汇聚装置，其特征为：平板式菲涅耳透镜片是一片矩形的周边预制有一至二对装配凸棱的透明的高分子材料如PMMA、PC、CR-39等制成的菲涅耳线焦透镜片或点焦透镜片，这片菲涅耳透镜片里含有一个至多个焦线或焦点，并通过有机硅等材料对其进行表面硬化处理，使之表层硬度提高到4H以上。

3、根据权利要求1或2所述的折射式太阳能汇聚装置，其特征为：平板式菲涅耳透镜片的表层涂复一层由TiO₂等组成的超亲水性材料，使其具有自洁功能。

4、根据权利要求1所述的折射式太阳能汇聚装置，其特征为：联接镶条的剖面为带凹槽的型材，其凹槽形状与平板式菲涅耳透镜片外缘的装配凸棱相匹配，装配凸棱能从长度方向直接插入联接镶条的凹槽之内，在宽度方向上又被联接镶条凹槽的窄口卡住，使其能方便地互嵌并保证在张紧状态下不被横向拉脱。

5、根据权利要求1所述的折射式太阳能汇聚装置，其特征为：弹性张紧器可分为“快装式弹性张紧器”和“螺旋式弹性张紧器”两大类，典型的快装式弹性张紧器为一手动翻转自锁式弹性拉扣装置，其手柄支架(7)固定联接在滑动座(8)上，翻转手柄(6)的中心孔通过销轴(9)与手柄支架(7)上的孔铰接并可绕销轴(9)转动，弹性拉扣(5)又与翻转手柄(6)侧下方的一对偏心孔铰接；滑动座(8)安装在滑槽(10)内，而滑槽(10)固定联接在刚性框架(1)的顶面。

6、根据权利要求1或5所述的折射式太阳能汇聚装置，其特征为：快装式弹性张紧器上的弹性拉扣(5)为一根弹簧钢丝绕制的一端有一回形拉钩、回形拉钩上部有对称的两个半圈或单圈或多圈的弹性圈，而弹簧钢丝的两个端头延伸到弹性张紧器另一端，两尾部互作一相向的垂直内勾，此对内勾可装在翻转手柄(6)侧下方的那对偏心孔内。

7、根据权利要求1或5或6所述的折射式太阳能汇聚装置，其特征为：快装式弹性张紧器上的滑动座(8)为一“凹”字形断面，两侧竖边上各有一个用于装限位螺钉的螺纹孔，手柄支架(7)通过焊接或铆接在其上；快装式弹性张紧器上的滑槽(10)为一“凹”字形断面，其两侧竖边上各有一个限位槽，滑动座(8)可沿纵向插入其中并可相对滑动，通过限位螺钉(11)限制其滑动行程。

8、根据权利要求1或5所述的折射式太阳能汇聚装置，其特征为：快装式弹性张紧器上的翻转手柄(6)的侧视图为：一端是一半圆头而另一端为一扁手把，半圆头的圆心处有一销孔，在销孔的右下侧有另一对用于装弹性拉扣(5)的偏心孔。

9、根据权利要求1或5所述的折射式太阳能汇聚装置，其特征为：典型的螺旋式弹性张紧器由压缩弹簧(12)、螺栓(13)等构成；压缩弹簧(12)的弹力通过螺杆(13)、联接镶条(3)传递到菲涅耳透镜片上使之产生张紧力。

10、根据权利要求1所述的折射式太阳能汇聚装置，其特征为：刚性框架的内侧缘上有连续的或均布的定位凸台，凸台可以是与框架型材一次性拉制成形也可以是用通用型材如角形型材、方形型材组合成型，此凸台用于承托平板式菲涅耳透镜片嵌入联接镶条后的组合件，使之在垂直方向上被承托定位。

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