CN102607193B - 太阳能直线型超薄光热利用聚光器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种太阳能直线型超薄光热利用聚光器，由条形会聚透镜板、条形发散透镜板、反射板、集热管、框架组成。条形会聚透镜板一侧设置2n个条形会聚透镜；条形发散透镜板上设置2n个条形发散透镜；反射板设置2n个条形反射面，每个条形会聚透镜和对应的条形发散透镜、条形反射面形成聚焦和反射关系；光线通过条形会聚透镜和条形发散透镜，形成聚光平行光线，经条形反射面反射，形成反射光线，并全部射向集热管的两侧表面。该装置能全面接受聚光辐射，集热管设置在聚光器后方，无遮挡阴影，聚光辐射接受处与太阳光入射接受面之间的距离小，加工难度降低，聚光辐射功率高，能形成更高的聚光温度，集热管侧面接受的聚光辐射强度均匀。
Description
技术领域
本发明涉及太阳能利用技术领域，特别是涉及一种对太阳光进行聚光热利用的光学装置。
背景技术
太阳能是一种清洁无污染的可再生能源，取之不尽，用之不竭，充分开发利用太阳能不仅可以节约日益枯竭的常规能源，缓解严峻的资源短缺问题，而且还可以减少污染，保护人类赖以生存的生态环境。
在众多的太阳能利用技术中，最为常见的有太阳能光伏发电、太阳能热发电、太阳能热水器等。目前，在太阳能光伏发电中，绝大多数采用的是硅电池片的光伏发电技术，而硅电池片只将到达地面的太阳能的15%左右的能量转换为电能，太阳能的利用效率总体还是比较低的。
太阳能光热发电技术中，主要是先对太阳光进行聚光，达到中高温后，再利用其热量进行发电。包括太阳能光伏发电技术在内，目前的聚光技术主要有反射式聚光和透射式聚光两类。反射式聚光主要有塔式、碟式、槽式、和线性菲涅尔四种形式。透射式聚光主要采用普通的圆弧面透镜和菲涅尔透镜两种形式。而太阳能是一种能量密度比较低的资源，因此要求无论是反射式聚光还是透射式聚光，都要求将采光面积设置的比较大。而普通的圆弧面透镜要做得比较大时，其工艺成本就会直线上升，尤其是重量太大，一般只在天文望远镜等特殊场合使用。
菲涅尔透镜的面积做得比较大时，也存在加工工艺难、成本过高的问题。菲涅尔透镜还具有较大的光学损失，包括反射损失、吸收损失、工艺性损失以及结构损失，其中工艺性损失是由于透镜成型对理想透镜轮廓进行修改而导致部分光线发散引起的光学损失,比如脱模锥度、圆角等。结构损失是由于菲涅尔透镜采用棱镜元组成的不连续曲面取代一般透镜的连续球面而导致部分光线发散引起的光学损失。例如，对于平面朝外的菲涅尔透镜，由于楞高会遮挡部分折射光线，使得从第二楞开始就出现部分透射光发散。对于平面朝内的菲涅尔透镜，当透镜焦距小于某临界值时，出射界面上入射角大于其全反射角，使透射光不能到达设定的焦斑范围内而损失。同时，菲涅尔透镜的焦径比通常控制在0.8—1.4之间，在透镜与聚光点之间有较大空间，从而加大了支架或框架的尺寸，从而使成本升高。
槽式热发电是最早实现商业化的太阳能热发电系统。它采用大面积的槽式抛物面反射镜将太阳光聚焦反射到集热真空管上。通过管内热载体将水加热成蒸汽，同时在热转换设备中产生高压、过热蒸汽，然后送入常规的蒸气涡轮发电机内进行发电。但是采用槽式发电对太阳能进行聚光时，集热真空管会在抛物反射面上形成遮挡阴影，使集热真空管上有一部分不能接受到聚光辐射。集热真空管背朝抛物聚光器的一面，还会将一部分能量辐射出去。由于集热真空管管路很长，使能量损失较大，使内部导热油传热工质的运行温度只能达到400 °C左右，只能停留在中温阶段，从而限制了太阳能槽式热发电的效率。
发明内容
为了克服上述圆弧面透镜、菲涅尔透镜以及槽式抛物面反射镜等聚光器存在的缺点和不足，本发明提供一种太阳能直线型超薄光热利用聚光器，能够将到达聚光器表面的全部太阳光线转化为聚光光线，不存在遮挡和阴影，没有像菲涅尔透镜折射楞圆角产生的工艺性损失，聚光辐射接受处与太阳光入射面之间的距离小，加工难度低，聚光辐射功率高，有利于形成更高的聚光温度。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：该聚光器由条形会聚透镜板、条形发散透镜板、反射板、集热管、框架组成。条形会聚透镜板、条形发散透镜板和反射板通过框架固定安装。条形发散透镜板位于条形会聚透镜板和反射板之间；集热管的截面为矩形，安装在反射板和条形发散透镜板之间，平行并穿过对称面；条形会聚透镜板和条形发散透镜板采用透光材料制作，如透光玻璃、透光塑料等；条形会聚透镜板朝向太阳入射光线的一侧为平面，以方便清洁，防止积存灰尘；出射一侧设置2n个条形会聚透镜，其中n为整数，n≥1；条形发散透镜板上设置2n个与条形会聚透镜相对应的条形发散透镜； 反射板嵌套设置2n个条形反射面，并与条形会聚透镜和条形发散透镜相对应；所有条形反射面和对称面间的夹角为∠45°；条形会聚透镜、条形发散透镜、条形反射面和集热管通过对称面共面对称；对称面垂直于条形会聚透镜板的上表面平面，并平行于条形会聚透镜的延伸方向。
每个条形会聚透镜和对应的条形发散透镜、条形反射面通过光路中心线形成一组聚焦和反射关系；太阳入射光线平行于对称面并且垂直于条形会聚透镜板的上表面平面；太阳入射光线通过条形会聚透镜和对应的条形发散透镜的聚光，形成聚光平行光线，再经过条形反射面的反射，形成与对称面垂直的反射光线，并全部射向对称面处集热管的两侧表面，从而实现将到达条形会聚透镜板表面的全部太阳入射光线通过聚焦和反射汇聚至集热管的两侧表面。
宽度为d的条形会聚透镜的实焦线，与条形发散透镜板上的条形发散透镜的虚焦线重合；根据光学常识可知，太阳入射光线经过条形会聚透镜的聚焦，再经过条形发散透镜的发散，形成平行于对称面的宽度为w的聚光平行光线，其中，d>w>0；条形会聚透镜和条形发散透镜采用平滑弧面制作，不会产生制造菲涅尔透镜时的工艺性损失和结构损失，降低了制造的难度，提高了太阳光的透过率；条形会聚透镜和条形发散透镜组合的平行光聚光结构尺寸更小。
2n个条形会聚透镜的上表面在同一平面内，与对称面平行且互不重叠并具有相同的焦距，对称面两侧分别有n个条形会聚透镜。
太阳入射光线经过一组对应的条形会聚透镜和条形发散透镜，形成聚光平行光线，再经过对应的条形反射面的反射，形成反射光线，汇聚至集热管两侧表面，使集热管的两侧都可以接受到聚光辐射，集热管的表面积越小，则聚光辐射功率越高，越有利于形成更高的聚光温度。
由几何和光学知识可知，当2n个条形会聚透镜的宽度相同时，每个条形会聚透镜的面积相同，则每个条形会聚透镜形成的相应聚光辐射对应在集热管侧面w的长度范围内，并且具有相同的聚光辐射强度，也就是在集热管侧面所接受的聚光辐射强度是均匀的。
本发明的有益效果是：将到达聚光器表面的全部太阳光线转化为聚光光线，不存在遮挡和阴影，没有像菲涅尔透镜折射楞圆角产生的工艺性损失，聚光辐射接受处与太阳光入射面之间的距离小，加工难度低，聚光辐射功率高，有利于形成更高的聚光温度，聚光辐射强度均匀。
附图说明
图1是现有技术的槽式热发电的原理示意图；
图2是现有技术的槽式热发电的聚光剖面示意图；
图3是本发明的立体剖面结构示意图；
图4是本发明的垂直于集热管的剖面结构及部分光路示意图；
图5是本发明的聚光原理与结构示意图；
图6是本发明的垂直于集热管的剖面光路及结构尺寸示意图。
图中标号说明如下：
1-槽式抛物反射面、2-集热真空管、3-太阳入射光线、4-反射面遮挡区、5-集热管遮挡区、6-集热管热辐射线、7-聚光平行光线、8-反射光线、11-条形会聚透镜板、12-条形会聚透镜、13-条形发散透镜板、14-条形发散透镜、15-反射板、16-条形反射面、17-集热管、18-框架、19-对称面、20-光路中心线。
具体实施方式
如图1、图2所示，在现有技术中，槽式热发电的槽式抛物反射面1将太阳入射光线3聚焦反射到集热真空管2上。集热真空管2会在槽式抛物反射面1上形成反射面遮挡区4，使集热真空管2上形成集热管遮挡区5，从而使集热真空管2的一部分不能接受到聚光辐射。集热真空管2背朝抛物聚光器的一面，通过集热管热辐射线6，将一部分能量辐射出去。
如图3、图4所示，本发明提供一种太阳能直线型超薄光热利用聚光器，由条形会聚透镜板11、条形发散透镜板13、反射板15、集热管17、框架18组成。条形会聚透镜板11、条形发散透镜板13和反射板15通过框架18固定安装。条形发散透镜板13位于条形会聚透镜板11和反射板15之间；集热管17的截面为矩形，安装在反射板15和条形发散透镜板13之间，平行并穿过对称面19；
条形会聚透镜板11和条形发散透镜板13采用透光材料制作，如透光玻璃、透光塑料等；条形会聚透镜板11朝向太阳入射光线3的一侧为平面，以方便清洁，防止积存灰尘；出射一侧设置2n个条形会聚透镜12，其中n为整数，n≥1；条形发散透镜板13上设置2n个与条形会聚透镜12相对应的条形发散透镜14；
反射板15嵌套设置2n个条形反射面16，并与条形会聚透镜12和条形发散透镜14相对应；所有条形反射面16和对称面19间的夹角为∠45°；条形会聚透镜12、条形发散透镜14、条形反射面16和集热管17通过对称面19共面对称；对称面19垂直于条形会聚透镜板11的上表面平面，并平行于条形会聚透镜12的延伸方向。
如图4所示，每个条形会聚透镜12和对应的条形发散透镜14、条形反射面16通过光路中心线20形成一组聚焦和反射关系；太阳入射光线3平行于对称面19并且垂直于条形会聚透镜板11的上表面平面；太阳入射光线3通过条形会聚透镜12和对应的条形发散透镜14的聚光，形成聚光平行光线7，再经过条形反射面16的反射，形成与对称面19垂直的反射光线8，并全部射向对称面19处集热管17的两侧表面，从而实现将到达条形会聚透镜板11表面的全部太阳入射光线3通过聚焦和反射汇聚至集热管17的两侧表面。
如图5所示，宽度为d的条形会聚透镜12的实焦线，与条形发散透镜板13上的条形发散透镜14的虚焦线重合；根据光学常识可知，太阳入射光线3经过条形会聚透镜12的聚焦，再经过条形发散透镜14的发散，形成平行于对称面19的宽度为w的聚光平行光线7，其中，d>w>0；条形会聚透镜12和条形发散透镜14采用平滑弧面制作，不会产生制造菲涅尔透镜时的工艺性损失和结构损失，降低了制造的难度，提高了太阳光的透过率；条形会聚透镜12和条形发散透镜14组合的平行光聚光结构尺寸更小，即条形会聚透镜板11和条形发散透镜板13之间的外尺寸f，小于条形会聚透镜12的焦距，因此这种结构可以减小形成聚光平行光线7的空间尺寸。
如图6所示，2n个条形会聚透镜12的上表面在同一平面内，与对称面19平行且互不重叠并具有相同的焦距，对称面19两侧分别有n个条形会聚透镜12。
如图6所示，太阳入射光线3经过一组对应的条形会聚透镜12和条形发散透镜14，形成聚光平行光线7，再经过对应的条形反射面16的反射，形成反射光线8，汇聚至集热管17表面，使集热管17的两侧都可以接受到聚光辐射，集热管17的表面积越小，则聚光辐射功率越高，越有利于形成更高的聚光温度。
如图6所示，集热管17的其中一侧接受聚光辐射的高度L为：
L= n×w， 其中，n≥1，w是聚光平行光线7和反射光线8的宽度；
在垂直于对称面19方向上的条形会聚透镜板11表面的宽度D为：
D=2n×d ，其中：d>0，表示任一个条形会聚透镜12的宽度;
根据几何与光学常识可知，本发明提供一种太阳能直线型超薄光热利用聚光器的最小厚度h为：h=f+ n×w ，其中，f为条形会聚透镜板11和条形发散透镜板13之间的外尺寸；
当d=50mm,f=50mm,w=5mm,n=10时，条形会聚透镜12的焦径比为1.1，条形会聚透镜板11的宽度D为：D= 2n×d =2×10×50=1000mm；
厚度h为：h=f+ n×w=50+10×5=100mm，聚焦接受处与太阳光入射接受面之间的距离非常小；
厚度h与宽度D的比R为：R=h/D=100/1000=0.1；远小于普通菲涅尔透镜通常的焦径比0.8—1.4。
如图12所示，由几何和光学知识可知，当2n个条形会聚透镜12的宽度相同时，每个条形会聚透镜12的面积相同，则每个条形会聚透镜12形成的相应聚光辐射对应在集热管17侧面w的长度范围内，并且具有相同的聚光辐射强度，也就是在集热管17侧面所接受的聚光辐射强度是均匀的。
Claims (7)
1.一种太阳能直线型超薄光热利用聚光器，该聚光器由条形会聚透镜板(11)、条形发散透镜板(13)、反射板(15)、集热管(17)和框架(18)组成；条形会聚透镜板(11)、条形发散透镜板(13)和反射板(15)通过框架(18)固定安装；其特征在于：条形发散透镜板(13)位于条形会聚透镜板(11)和反射板(15)之间；集热管(17)的截面为矩形，安装在反射板(15)和条形发散透镜板(13)之间，平行并穿过对称面(19)；
条形会聚透镜板(11)和条形发散透镜板(13)为透光材料；条形会聚透镜板(11)朝向太阳入射光线(3)的一侧为平面；出射一侧设置2n个条形会聚透镜(12)，其中n为整数，n≥1；条形发散透镜板(13)上设置2n个条形发散透镜(14)，并与条形会聚透镜(12)相对应；对称面(19)垂直于条形会聚透镜板(11)的上表面平面，与条形会聚透镜(12)的延伸方向平行；
反射板(15)嵌套设置2n个条形反射面(16)，并与条形会聚透镜(12)和条形发散透镜(14)相对应；所有条形反射面(16)和对称面(19)间的夹角为∠45°；条形会聚透镜(12)、条形发散透镜(14)、条形反射面(16)和集热管(17)通过对称面(19)共面对称。
2.根据权利要求1所述的太阳能直线型超薄光热利用聚光器，其特征在于：每个条形会聚透镜(12)和对应的条形发散透镜(14)、条形反射面(16)通过光路中心线(20)形成一组聚焦和反射关系；太阳入射光线(3)平行于对称面(19)并且垂直于条形会聚透镜板(11)的上表面平面；太阳入射光线(3)通过条形会聚透镜(12)的聚光和对应的条形发散透镜(14)的发散，形成聚光平行光线(7)，再经过条形反射面(16)的反射，形成与对称面(19)垂直的反射光线(8)，并全部射向对称面(19)处集热管(17)的两侧表面。
3.根据权利要求1所述的太阳能直线型超薄光热利用聚光器，其特征在于：宽度为d的条形会聚透镜(12)的实焦线与条形发散透镜板(13)上的条形发散透镜(14)的虚焦线重合；太阳入射光线(3)经过条形会聚透镜(12)的聚焦，再经过条形发散透镜(14)的发散，形成平行于对称面(19)的宽度为w的聚光平行光线(7)，其中，d>w>0；条形会聚透镜(12)和条形发散透镜(14)采用平滑弧面制作。
4.根据权利要求1所述的太阳能直线型超薄光热利用聚光器，其特征在于：2n个条形会聚透镜(12)的上表面在同一平面内，与对称面(19)垂直且互不重叠并具有相同的焦距，对称面(19)两侧分别有n个条形会聚透镜(12)。
5.根据权利要求1所述的太阳能直线型超薄光热利用聚光器，其特征在于：集热管(17)的其中一侧接受聚光辐射的高度L为：
L= n×w，其中n为整数，n≥1，w是聚光平行光线(7)和反射光线(8)的宽度。
6.根据权利要求1所述的太阳能直线型超薄光热利用聚光器，其特征在于：该聚光器的最小厚度h为：h=f+ n×w ，其中，f为条形会聚透镜板(11)和条形发散透镜板(13)之间的外尺寸，n为整数，n≥1，w是聚光平行光线(7)和反射光线(8)的宽度。
7.根据权利要求1所述的太阳能直线型超薄光热利用聚光器，其特征在于：集热管(17)侧面所接受的聚光辐射强度是均匀的。
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