CN102608742B - 太阳能条形平行光超薄聚光器 - Google Patents

太阳能条形平行光超薄聚光器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种太阳能条形平行光超薄聚光器，由条形会聚透镜板、条形发散透镜板、第一反射体、第i反射体、第p反射体、框架组成。条形会聚透镜板与条形发散透镜板上有对应的2n个条形会聚透镜和条形发散透镜；第一反射体上有输出反射面，第i反射体上有输出反射面和法向反射面，第p反射体上有法向反射面；太阳入射光线经条形会聚透镜的聚焦，再经条形发散透镜，形成透镜聚光平行光线，通过法向反射面形成反射光线，再通过输出反射面形成聚光输出光线。该装置能将表面入射太阳光全部转化为聚光光线，聚光输出光线与太阳入射光线平行且同方向传播，聚光区域在聚光器的后方，聚光距离小，加工难度低，聚光辐射功率高，聚光辐射分布均匀。

Description

太阳能条形平行光超薄聚光器
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条形平行光超薄聚光器，能够将表面入射太阳光全部转化为聚光光线而不存在遮挡和阴影，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接受面之间的距离更小，加工难度降低，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：
 本发明提供一种太阳能条形平行光超薄聚光器，由条形会聚透镜板、条形发散透镜板、第一反射体、第i反射体、第p反射体、框架组成，并通过框架固定安装为一体，有共同的对称面；第一反射体、第i反射体、第p反射体嵌套安装在条形发散透镜板出射光线的一侧,其中，1<i<p，i、p均为正整数；
 条形会聚透镜板和条形发散透镜板为透光材料，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为正整数；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；对称面与条形会聚透镜板上表面垂直，与条形会聚透镜的延伸方向平行。
第一反射体上有输出反射面，第i反射体上有输出反射面和法向反射面，第p反射体上有法向反射面和聚光输出口；所有输出反射面、法向反射面与对称面之间的夹角均为∠45°。
每个条形会聚透镜和对应的条形发散透镜通过透镜光路中心线形成一组聚焦关系；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；垂直于条形会聚透镜板的上表面平面的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，形成宽度为w的透镜聚光平行光线，其中，d>w>0；透镜聚光平行光线通过法向反射面形成反射光线，再通过输出反射面形成聚光输出光线，由第p反射体上的聚光输出口输出；聚光输出光线与太阳入射光线平行且同方向传播；
第p反射体上的法向反射面将部分透镜聚光平行光线反射至第i个反射体的输出反射面上，其中i=p-1,形成聚光输出光线；被第i反射体遮挡的部分透镜聚光平行光线，通过第i反射体上的法向反射面和第（i-1）反射体上的输出反射面的反射，形成聚光输出光线；第一反射体位于条形发散透镜板出射光线的一侧和两组相邻透镜聚光平行光线之间，不遮挡透镜聚光平行光线的传播。因此，这种结构的聚光器可以将垂直于条形会聚透镜板的上表面平面的太阳入射光线，全部形成聚光输出光线，而没有光线被遮挡。
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，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，因此这种结构可以减小形成透镜聚光平行光线的空间尺寸。
每个宽度为d的条形会聚透镜与对应的条形发散透镜，形成的宽度为w的透镜聚光平行光线，都通过透镜光路中心线分别对应一个法向反射面；每个法向反射面在条形发散透镜板上的投影宽度均为w，相邻距离为d；同一个反射体上的法向反射面在对称面上的投影宽度均为w，相邻距离为0。
在对称面其中一侧的第i个输出反射面在条形发散透镜板上的投影相邻且不重叠，对应的长度为：
                                                 
Figure 243313DEST_PATH_IMAGE001
其中，i、m均为正整数；
 
Figure 643333DEST_PATH_IMAGE002
其中，当i=1时，
Figure 446204DEST_PATH_IMAGE003
 在对称面其中一侧的n个条形会聚透镜的总宽度为：
在对称面其中一侧的条形会聚透镜的数量为：
Figure 293123DEST_PATH_IMAGE005
从条形会聚透镜板表面至聚光输出口的最小聚光距离h为：
Figure 231254DEST_PATH_IMAGE006
其中，f为条形会聚透镜板和条形发散透镜板之间的外尺寸。h远小于n个条形会聚透镜的总宽度L。
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，形成的相应聚光输出光线9具有相同的、均匀的聚光辐射强度。
本发明的有益效果是：能将表面入射太阳光全部转化为聚光光线，聚光区域在聚光器的后方，聚光输出光线与太阳入射光线平行且同方向传播，聚光输出与太阳光入射接受面之间的距离更小，加工难度降低，聚光辐射功率高，有利于形成更高的聚光温度，聚光辐射分布均匀。
附图说明
图1是本发明的立体剖面结构示意图； 
图2是本发明的剖面结构及部分光路示意图；
图3是本发明的部分剖面结构及光路示意图；
图4是本发明的剖面结构尺寸关系示意图；
图5是本发明的结构尺寸和聚光原理示意图。
图中标号说明如下：
3-太阳入射光线、7-透镜聚光平行光线、8-反射光线、9-聚光输出光线、10-聚光输出口、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、18-框架、19-对称面、20-透镜光路中心线、21-第一反射体、22-第i反射体、24-第p反射体、31-输出反射面、42-法向反射面。
具体实施方式
如图1、图2所示，本发明提供一种太阳能条形平行光超薄聚光器，由条形会聚透镜板11、条形发散透镜板13、第一反射体21、第i反射体22、第p反射体24、框架18组成，并通过框架18固定安装为一体，有共同的对称面19；第一反射体21、第i反射体22、第p反射体24嵌套安装在条形发散透镜板13出射光线的一侧,其中，1<i<p，i、p均为正整数；条形会聚透镜板11和条形发散透镜板13为透光材料，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为正整数；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；对称面19与条形会聚透镜板11上表面垂直，与条形会聚透镜12的延伸方向平行。
如图3所示，第一反射体21上有输出反射面31，第i反射体22上有输出反射面31和法向反射面42，第p反射体24上有法向反射面42和聚光输出口10；所有输出反射面31、法向反射面42与对称面19之间的夹角均为∠45°。
每个条形会聚透镜12和对应的条形发散透镜14通过透镜光路中心线20形成一组聚焦关系；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；垂直于条形会聚透镜板11的上表面平面的太阳入射光线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，形成宽度为w的透镜聚光平行光线7，其中，d>w>0；透镜聚光平行光线7通过法向反射面42形成反射光线8，再通过输出反射面31形成聚光输出光线9，由第p反射体24上的聚光输出口10输出；聚光输出光线9与太阳入射光线3平行且同方向传播；
第p反射体24上的法向反射面42将部分透镜聚光平行光线7反射至第i个反射体22的输出反射面31上，其中i=p-1,形成聚光输出光线9；被第i反射体22遮挡的部分透镜聚光平行光线7，通过第i反射体22上的法向反射面42和第(i-1)反射体22上的输出反射面31的反射，形成聚光输出光线9；第一反射体21位于条形发散透镜板13出射光线的一侧和两组相邻透镜聚光平行光线7之间，不遮挡透镜聚光平行光线7的传播。因此，这种结构的聚光器可以将垂直于条形会聚透镜板11的上表面平面的太阳入射光线3，全部形成聚光输出光线9，而没有光线被遮挡。
如图3所示，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，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，因此这种结构可以减小形成透镜聚光平行光线7的空间尺寸。
如图3、图4所示，每个宽度为d的条形会聚透镜12与对应的条形发散透镜14，形成的宽度为w的透镜聚光平行光线7，都通过透镜光路中心线20分别对应一个法向反射面42；每个法向反射面42在条形发散透镜板13上的投影宽度均为w，相邻距离为d；同一个反射体上的法向反射面42在对称面19上的投影宽度均为w，相邻距离为0。
如图4所示，在对称面19其中一侧的第i个输出反射面31在条形发散透镜板13上的投影相邻且不重叠，对应的长度为Xi：
       
Figure 216528DEST_PATH_IMAGE001
其中，i、m均为正整数；
     
Figure 463969DEST_PATH_IMAGE002
其中，当i=1时，
Figure 721644DEST_PATH_IMAGE003
在对称面19其中一侧的n个条形会聚透镜12的总宽度为：
Figure 712734DEST_PATH_IMAGE004
在对称面19其中一侧的条形会聚透镜12的数量为:
Figure 235070DEST_PATH_IMAGE005
如图5所示，本发明提供一种太阳能条形平行光超薄聚光器，从条形会聚透镜板11表面至聚光输出口10的最小聚光距离h为：
Figure 653413DEST_PATH_IMAGE006
其中，f为条形会聚透镜板11和条形发散透镜板13间的外尺寸。
当d=40mm,w=8mm，f=50mm时，根据上述公式计算：
 
Figure 132805DEST_PATH_IMAGE007
即m=1或m=2。
当m=1时，
i X L n h h/L
1 8 40 1 58 1.45
2 32 200 5 90 0.45
3 160 1000 25 250 0.25
4 800 5000 125 1050 0.21
5 4000 25000 625 5050 0.20
6 20000 125000 3125 25050 0.20
当m=2时，
i X L n h h/L
1 16 80 2 66 0.83
2 64 400 10 130 0.33
3 320 2000 50 450 0.23
4 1600 10000 250 2050 0.21
5 8000 50000 1250 10050 0.20
6 40000 250000 6250 50050 0.20
由上表计算结果可以看出，最小聚光距离h与对称面19其中一侧的n个条形会聚透镜12的总宽度L的比值较小，聚光输出口10与条形会聚透镜板11表面间的距离非常小，远小于普通菲涅尔透镜通常的焦径比0.8—1.4。
如图5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，形成的相应聚光输出光线9具有相同的、均匀的聚光辐射强度。

Claims (1)

1.一种太阳能条形平行光超薄聚光器，该聚光器由条形会聚透镜板(11)、条形发散透镜板(13)、第一反射体(21)、第                                                
Figure 2012101159976100001DEST_PATH_IMAGE001
反射体(22)、第
Figure 285262DEST_PATH_IMAGE002
反射体(24)、框架(18)组成，并通过框架(18)固定安装为一体，其特征在于：
条形会聚透镜板(11)、条形发散透镜板(13)、第一反射体(21)、第
Figure 546479DEST_PATH_IMAGE001
反射体(22)、第
Figure 825144DEST_PATH_IMAGE002
反射体(24)、框架(18)有共同的对称面(19)；第一反射体(21)、第
Figure 398602DEST_PATH_IMAGE001
反射体(22)、第
Figure 215248DEST_PATH_IMAGE002
反射体(24)嵌套安装在条形发散透镜板(13)出射光线的一侧,其中，1<
Figure 827626DEST_PATH_IMAGE001
<
Figure 351011DEST_PATH_IMAGE002
,
Figure 92440DEST_PATH_IMAGE001
、均为正整数；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为正整数；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)；对称面(19)与条形会聚透镜板(11)上表面垂直，与条形会聚透镜(12)的延伸方向平行；
第一反射体(21)上有输出反射面(31)，第
Figure 484555DEST_PATH_IMAGE001
反射体(22)上有输出反射面(31)和法向反射面(42)，第
Figure 190343DEST_PATH_IMAGE002
反射体(24)上有法向反射面(42)和聚光输出口(10)；所有输出反射面(31)、法向反射面(42)与对称面(19)之间的夹角均为∠45°；
宽度为d的条形会聚透镜(12)的实焦线，与对应的条形发散透镜(14)的虚焦线重合；垂直于条形会聚透镜板(11)的上表面平面的太阳入射光线(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，形成宽度为w的透镜聚光平行光线(7)，其中，d>w>0；透镜聚光平行光线(7)通过法向反射面(42)形成反射光线(8)，再通过输出反射面(31)形成聚光输出光线(9)，由第
Figure 840024DEST_PATH_IMAGE002
反射体(24)上的聚光输出口(10)输出；聚光输出光线(9)与太阳入射光线(3)平行且同方向传播；
第一反射体(21)位于条形发散透镜板(13)出射光线的一侧和两组相邻透镜聚光平行光线(7)之间，不遮挡透镜聚光平行光线(7)的传播；
条形会聚透镜(12)和条形发散透镜(14)表面为平滑弧面；
每个法向反射面(42)在条形发散透镜板(13)上的投影宽度均为w，相邻距离为d；同一个反射体上的法向反射面(42)在对称面(19)上的投影宽度均为w，相邻距离为0；
在对称面(19)其中一侧的第
Figure 631262DEST_PATH_IMAGE001
个输出反射面(31)在条形发散透镜板(13)上的投影相邻且不重叠，对应的长度为
Figure 523126DEST_PATH_IMAGE003
：
Figure 21103DEST_PATH_IMAGE004
其中，、
Figure 117290DEST_PATH_IMAGE005
均为正整数；
Figure 62112DEST_PATH_IMAGE006
其中
Figure 227646DEST_PATH_IMAGE008
＞1,
 当
Figure 371244DEST_PATH_IMAGE010
=1时，
Figure 809178DEST_PATH_IMAGE011
  ；
在对称面(19)其中一侧的n个条形会聚透镜(12)的总宽度为：
Figure 292112DEST_PATH_IMAGE012
在对称面(19)其中一侧的条形会聚透镜(12)的数量为：
Figure 577731DEST_PATH_IMAGE013
；
从条形会聚透镜板(11)表面至聚光输出口(10)的最小聚光距离
Figure 2012101159976100001DEST_PATH_IMAGE014
为：
Figure 799503DEST_PATH_IMAGE015
，其中，f为条形会聚透镜板(11)和条形发散透镜板(13)间的外尺寸；
聚光输出光线(9)具有相同的、均匀的聚光辐射强度。
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