CN105403987A - 一种组合式太阳能聚光镜 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及太阳能光热设备的技术领域，具体涉及一种组合式太阳能聚光镜，其特征在于，包括垂直入射的菲涅尔透镜A(1)，位于所述菲涅尔透镜A(1)两侧的非垂直入射的菲涅尔透镜B(2)和非垂直入射的菲涅尔透镜C(3)；所述位于两侧的非垂直入射的菲涅尔透镜B(2)和非垂直入射的菲涅尔透镜C(3)以水平中心线(4)为对称轴上下对称，且与所述菲涅尔透镜A(1)有小幅度倾斜，倾斜角度θ≤45°；所述菲涅尔透镜A(1)、菲涅尔透镜B(2)和菲涅尔透镜C(3)三者的镜面的一面为光滑面，另一面为带齿愣。该发明引入了两侧镜片的倾斜角度，在一定程度上减小了色散和齿楞面的二次反射损耗；同时降低了加工的工艺难度。

Description

一种组合式太阳能聚光镜
技术领域
本发明涉及太阳能光热设备的技术领域，具体涉及一种组合式太阳能聚光镜。
背景技术
太阳能清洁无污染、储量巨大、可持续利用，是一种重要的可再生能源。但同时，由于太阳能存在能流密度低、间歇性以及空间分布不均等缺点，提高太阳能利用率，降低太阳能发电系统成分仍是目前太阳能应用中面临的主要问题。
太阳能聚光器是一种将太阳能通过透镜或其他方式聚集起来增加能流密度以提高利用效率的技术。它配合太阳跟踪技术以及高效的光热、光电、光化等能量转化技术为高倍聚焦发电提供了可能，这种综合系统大大节约了太阳能使用的成本，提高了太阳能的利用率。太阳能聚光器按聚光方式可分为透射式聚光和反射式聚光，这两种聚光器在各自的领域有着不同应用，目前应用于高倍聚焦太阳能发电的一般为透射式聚光器，在透射式聚光器中又以菲涅尔聚光器应用最为广泛。
对菲涅尔透镜的理论分析表明，线聚焦比点聚焦有较高的光学效率，且线聚焦透镜允许纵向有较大的接收角。相对于同尺寸的平板型线聚焦菲涅尔透镜，柱面线聚焦菲涅尔透镜可有效地降低边缘部分的光学损失，在一定的设计偏差角内柱面透镜对横向偏差角并不敏感。但是柱面菲涅尔透镜，特别是大口径的柱面菲涅尔透镜加工精度要求高，材料成本相对昂贵，操作及维护存在困难。
发明内容
针对上述现有技术中存在的技术问题，本发明旨在提供一种组合式太阳能聚光镜。
为实现该技术目的，本发明的方案是：菲涅尔透镜的光学作用类似于凸透镜，在大口径的条件下，离轴较远的边角容易出现强烈的色散和二次反射损失，这对聚光条件要求较高的太阳能聚光器来说十分不利，本发明引入两侧镜片倾斜角，在小角度前提下形成非垂直入射，相较于传统透射式太阳能聚光镜，在离轴较远部分的聚光效率可提高10％。该发明具有设计简单，透镜齿楞面二次反射及色散损耗小，聚光比大，集热效率高等优点。
一种组合式太阳能聚光镜，它包括三片法向不同的菲涅尔透镜组合而成，一种组合式太阳能聚光镜，其特征在于，包括垂直入射的菲涅尔透镜A(1)，位于所述菲涅尔透镜A(1)两侧的非垂直入射的菲涅尔透镜B(2)和非垂直入射的菲涅尔透镜C(3)；所述位于两侧的非垂直入射的菲涅尔透镜B(2)和非垂直入射的菲涅尔透镜C(3)以水平中心线(4)为对称轴上下对称，且与所述菲涅尔透镜A(1)有小幅度倾斜，倾斜角度θ≤45°；所述菲涅尔透镜A(1)、菲涅尔透镜B(2)和菲涅尔透镜C(3)三者镜面的一面为光滑面，另一面为带齿愣，所述齿愣均等宽；太阳光入射面为镜片的平滑面。
进一步，所述垂直入射的菲涅尔透镜A(1)，位于两侧的非垂直入射的菲涅尔透镜B(2)和非垂直入射的菲涅尔透镜C(3)的镜片材质为聚甲基丙烯酸甲酯、PC板或玻璃。
进一步，所述菲涅尔透镜A(1)、菲涅尔透镜B(2)和菲涅尔透镜C(3)三者的齿愣宽度均为0.85±0.5mm，厚度均为3±1mm；所述菲涅尔透镜A(1)、菲涅尔透镜B(2)和菲涅尔透镜C(3)三者整体口径为6m,所述菲涅尔透镜A(1)的口径为3±0.5m。
与现有的太阳能聚光镜相比，具有以下有益效果：
1、一般的太阳能聚光器采用传统的菲涅尔透镜，这种透镜光学效果与凸透镜相同，在远离主轴的部分容易出现色散和齿楞面的二次反射，这些损耗大大降低了太阳能的利用率，特别对于有汇聚温度要求的光热太阳能系统，极有可能因为汇聚温度不够而无法工作。该发明引入了两侧镜片的倾斜角度，在一定程度上减小了色散和齿楞面的二次反射损耗。由于小角度倾斜的引入，远端镜片齿楞的齿深较相同尺寸的传统菲涅尔透镜要小，这一改变同时降低了加工的工艺难度。
2、菲涅尔透镜的光学作用类似于凸透镜，在大口径的条件下，离轴较远的边角容易出现强烈的色散和二次反射损失，这对聚光条件要求较高的太阳能聚光器来说十分不利。本发明引入两侧镜片倾斜角，在小角度前提下形成非垂直入射，相较于传统透射式太阳能聚光镜，在离轴较远部分的聚光效率可提高10％。该发明具有设计简单，透镜齿楞面二次反射及色散损耗小，聚光比大，集热效率高的优点。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是菲涅尔透镜A的截面图；
图3是菲涅尔透镜B的截面图；
图4是组合式太阳能聚光镜和传统平板式聚光镜的光学效率对比图。
图中：1-菲涅尔透镜A，2-菲涅尔透镜B，3-菲涅尔透镜C。
具体实施方式
如图1所示，一种组合式太阳能聚光镜，它包括三片法向不同的菲涅尔透镜组合而成，一种组合式太阳能聚光镜，其特征在于，包括垂直入射的菲涅尔透镜A1，位于所述菲涅尔透镜A1两侧的非垂直入射的菲涅尔透镜B2和非垂直入射的菲涅尔透镜C3；所述位于两侧的非垂直入射的菲涅尔透镜B2和非垂直入射的菲涅尔透镜C3以水平中心线4为对称轴上下对称，且与所述菲涅尔透镜A1有小幅度倾斜，倾斜角度θ≤45°；所述菲涅尔透镜A1、菲涅尔透镜B2和菲涅尔透镜C3三者镜面的一面为光滑面，另一面为带齿愣，所述齿愣均等宽；太阳光入射面为镜片的平滑面。
进一步，所述垂直入射的菲涅尔透镜A1，位于两侧的非垂直入射的菲涅尔透镜B2和非垂直入射的菲涅尔透镜C3的镜片材质为聚甲基丙烯酸甲酯、PC板或玻璃。
进一步，所述菲涅尔透镜A1、菲涅尔透镜B2和菲涅尔透镜C3三者的齿愣宽度均为0.85±0.5mm，厚度均为3±1mm；所述菲涅尔透镜A1、菲涅尔透镜B2和菲涅尔透镜C3三者整体口径为6m,所述菲涅尔透镜A1的口径为3±0.5m。
优选的，所述菲涅尔透镜A(1)的尺寸为3100mmx960mm，所述菲涅尔透镜B(2)的投影尺寸为1450mmx960mm，所述菲涅尔透镜B(2)的焦点与所述菲涅尔透镜A(1)的焦点重合；所述菲涅尔透镜C(3)的投影尺寸为1450mmx960mm，倾斜角度θ＜45°，所述菲涅尔透镜C(3)的焦点与所述菲涅尔透镜A(1)的焦点重合。
具体的，如图2所示，对于PMMA的典型折射率菲1.49，菲涅尔透镜A1厚度D＝3mm，齿楞宽度d＝0.85mm，齿楞高度由公式1得出其中i为齿楞序数。如图3所示，菲涅尔透镜B2的倾斜角度为θ，厚度D＝3mm，齿楞宽度为0.85mm。以θ＝20°为例，菲涅尔透镜B2的齿楞角度参数由公式2、公式3和公式4联立得出。
公式1：h＝0.85×(0.425+0.85×(i-1)/(1.49×((0.425+0.85×(i-1))^2+5000^2)^0.5-5000)；
公式2:Φ＝90°-acrsin(sinθ/1.49)；
公式3：θi＝20°+arctan(0.394-sinUi)/(cosUi-2.094)；
公式4：Ui＝arctan(1549.6+0.799xi)/(5000.145-0.289xi)，其中i为齿楞序数。如图4所示，在离中轴较远的部分，特别是引入倾角的镜片部分，本发明所述的组合式太阳能聚光镜较之传统的平板式聚光镜，具有较高的光学效率。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此,举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (4)

1.一种组合式太阳能聚光镜，其特征在于，包括垂直入射的菲涅尔透镜A(1)，位于所述菲涅尔透镜A(1)两侧的非垂直入射的菲涅尔透镜B(2)和非垂直入射的菲涅尔透镜C(3)；所述位于两侧的非垂直入射的菲涅尔透镜B(2)和非垂直入射的菲涅尔透镜C(3)以水平中心线(4)为对称轴上下对称，且与所述菲涅尔透镜A(1)有小幅度倾斜，倾斜角度θ≤45°；所述菲涅尔透镜A(1)、菲涅尔透镜B(2)和菲涅尔透镜C(3)三者的镜面的一面为光滑面，另一面为带齿愣，所述齿愣均等宽；太阳光入射面为平滑面。
2.根据权利要求1所述的一种组合式太阳能聚光镜，其特征在于，所述垂直入射的菲涅尔透镜A(1)，位于两侧的非垂直入射的菲涅尔透镜B(2)和非垂直入射的菲涅尔透镜C(3)三者的镜片材质为聚甲基丙烯酸甲酯、PC板或玻璃。
3.根据权利要求1所述的一种组合式太阳能聚光镜，其特征在于，所述菲涅尔透镜A(1)、菲涅尔透镜B(2)和菲涅尔透镜C(3)三者的齿愣宽度均为0.85±0.5mm，厚度均为3±1mm；所述菲涅尔透镜A(1)、菲涅尔透镜B(2)和菲涅尔透镜C(3)的整体口径为6m,其中所述菲涅尔透镜A(1)的口径为3±0.5m。
4.根据权利要求2或3所述的一种组合式太阳能聚光镜，其特征在于，所述菲涅尔透镜A(1)的尺寸为3100mmx960mm，所述菲涅尔透镜B(2)的投影尺寸为1450mmx960mm，所述菲涅尔透镜B(2)的焦点与所述菲涅尔透镜A(1)的焦点重合；所述菲涅尔透镜C(3)的投影尺寸为1450mmx960mm，所述菲涅尔透镜C(3)的焦点与所述菲涅尔透镜A(1)的焦点重合。
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