CN109491064B - 一种拉伸变焦式柔性菲涅耳透镜太阳能聚光器 - Google Patents

Abstract

本发明为一种拉伸变焦式菲涅耳透镜太阳能聚光器，属于太阳能聚光技术领域。当光线倾斜射入菲涅耳透镜时，光线在菲涅耳透镜内部的光路会变长，从而引起焦距改变。本发明提出一种可拉伸变焦的菲涅耳透镜的设计思想，即将菲涅耳透镜采用弹性透明材料制作，使之在外力作用下能够产生弹性形变。具体是，当在菲涅耳透镜两侧施加拉力时，菲涅耳透镜宽度变宽，相应材料产生收缩，厚度变薄，此时倾斜入射的光线在变形后的菲涅耳透镜中的光路重新变短，光线穿过菲涅耳透镜后能够重新汇聚到原焦点处。这种拉伸变焦式菲涅耳透镜不仅能够有效实现焦距的调节，在拉伸过程中菲涅耳透镜的宽度有效增加，从而使其能够更多地接收到太阳光线。

Description

一种拉伸变焦式柔性菲涅耳透镜太阳能聚光器

所属技术领域

本发明为一种拉伸变焦式菲涅耳透镜太阳能聚光器，属于太阳能聚光技术领域。具体地说，是一种利用弹性材料的在拉伸条件下的弹性变形，实现对菲涅耳透镜的焦距调节，以适应太阳能位置变化的太阳能收集装置。

背景技术

太阳能作为一种清洁、可再生的能源，已经广泛被开发利用。由于太阳辐射能分布广，能流密度低，要利用太阳能产生较高温度的热能，必须使用到太阳能聚光器。菲涅耳透镜自被发明已有近200年，被应用与太阳能聚光领域也有近50年时间，然而并没有被广泛地推广使用，其主要原因之一就是菲涅耳透镜的焦距会随着太阳光线倾斜入射角的增大而出现缩短的现象。菲涅耳透镜可视为由一系列三棱镜按照特定序列排列而成的结构，对太阳光的汇聚作用主要基于棱镜的折射作用。当光线倾斜入射菲涅耳透镜时，在菲涅耳透镜中走过的光路变长，光路截面会发生变化，主要特征时光路截面的上边线和下边线之间的夹角变大，会导致光线在棱镜表面上的入射角和折射角增大，进而引起焦距缩短，而焦距缩短所带来的严重问题是固定安装的接收器无法完全接收到菲涅耳透镜汇聚的光线。现有的研究和发明针对这一问题，主要采取的是适应焦距伸缩变化的解决办法，一种方式是添加大尺寸的二次聚光器，优化接收器的安装位置，使较大倾斜入射角范围内的入射光线都能够被接收，这种办法只能在小角度范围内适用，无法彻底解决问题，另一种方式是采用二维跟踪，这种方式不仅大大的增加聚光器结构的复杂性，而且使聚光器成本更高，不利于大面积建设菲涅耳透镜式太阳能聚光器。鉴于此，本发明提出了一种拉伸变焦式菲涅耳透镜太阳能聚光器，采用弹性透明材料如有机硅聚合物等，制作成弹性的菲涅耳透镜，菲涅耳透镜在自然状态下保持原有设计形状，满足正入射时的聚光；当光线倾斜入射时，光线在菲涅耳透镜中的光路截面增大，此时在菲涅耳透镜两侧施加拉力，使其宽度加宽的同时，厚度变薄，光线倾斜穿过厚度变薄的菲涅耳透镜时，其光路截面会接近正入射时的光路截面，从而使倾斜入射时的焦距与正入射焦距相等，此时固定安装的接收器便可以完全接收到倾斜入射时菲涅耳透镜汇聚的所有光线。

这种拉伸变焦式菲涅耳透镜太阳能聚光器不仅可以满足变焦，提高光线倾斜入射时的光线接收能力，而且菲涅耳透镜在被拉宽时，其增加的宽度能也够接收更多的太阳光，从而有效补偿了光线倾斜入射时产生的余弦损失，提高聚光器的聚光性能。

发明内容

菲涅耳透镜在光线倾斜入射时会出现焦距缩短现象，而焦距缩短所带来的严重问题是固定安装的接收器无法完全接收到菲涅耳透镜汇聚的光线。现有的研究和发明针对这一问题，主要采取的是适应焦距变化的解决办法，这种办法会使聚光器的结构变得复杂，提高成本，且不能从根本上解决问题。不同于适应焦距变化的办法，本发明提出一种变焦的办法，即提出一种拉伸变焦式菲涅耳透镜太阳能聚光器。带有弹性的菲涅耳透镜在拉力作用下会发生弹性变形，在宽度变宽的同时厚度变小，从而减小对光线的折射角度，达到调节菲涅耳透镜焦距的目的。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：采用弹性透明材料制作成菲涅耳透镜(2)，菲涅耳透镜(2)通过透镜夹(3)与右拉伸臂(4)和左拉伸臂(21)相连接，两个拉伸臂通过拉伸转轴(5)与支杆(12)形成铰链连接，两个拉伸臂下端通过左旋螺母(16)和右旋螺母(8)与螺纹轴(15)连接。当电机(19)驱动螺纹轴(15)转动时，左右两个螺母会同向或反向移动，带动两个拉伸臂完成张合运动，从而拉动菲涅耳透镜(2)变宽或变窄，此时入射光束(1)穿过厚度变化的菲涅耳透镜(2)后焦距也会出现加长或缩短的改变。该技术方案对菲涅耳透镜(2)的焦距进行调整的同时，由于拉伸而引起的宽度增加，也使菲涅耳透镜接收到了更多的太阳光线，补偿了光线在倾斜入射条件下的余弦损失，使聚光器的聚光性能更好。

附图说明

下面结合附图和实例对本发明进一步说明

图1是本发明的结构原理图。

其中，1-入射光束，2-菲涅耳透镜，3-透镜夹，4-右拉伸臂，5-拉伸转轴，6-卡槽，7-销，8-右旋螺母，9-销槽，10-底座，11-高度角跟踪轴，12-支杆，13-定位槽，14-定位盘，15-螺纹轴，16-左旋螺母，17-电机座，18-联轴器，19-电机，20-接收管，21-左拉伸臂，22-接收管夹。

图2是本发明采用平面对称结构菲涅耳透镜的实施例图。

其中，23-平面对称菲涅耳透镜。

图3是本发明采用线聚焦凸透镜作为聚光元件的实施例图。

其中，24-凸透镜。

图4是本发明采用二次聚光器进行辅助聚光的实施例图。

其中，25-二次聚光器。

图5是本发明采用单臂拉伸的实施例图。

其中，26-单旋螺纹轴，27-活动电机座，28-电机座转轴。

具体实施方式

对图1，对装置的分步运行原理解释进行解释。

采用弹性透明材料加工成的菲涅耳透镜(2)，其两侧与透镜夹(3)连接。透镜夹(3)分别与右拉伸臂(4)和左拉伸臂(21)进行铰链连接，右拉伸臂(4)、左拉伸臂(21)与支杆(12)通过拉伸转轴(5)形成铰链连接，左、右拉伸臂的下端各带有卡槽(6)和销槽(9)，通过卡槽(6)与螺母形成平面定位连接。两个相同的销(7)分别于两个螺母固定在一起，销(7)可在销槽(9)中滑动，并带动拉伸臂运动。螺纹轴(15)两端的螺纹旋向相反，与相配合的螺母对应。螺纹轴(15)的一端通过联轴器(19)与电机(19)连接，电机(19)通过电机支架(17)固定安装在支杆(12)上，支杆(12)上带有定位槽(13)，与螺纹轴(15)上的定位盘(14)相配合。支架(12)的上端带有接收管夹(22)，用于固定接收管(20)。支架(12)的下端与底座(10)通过高度角跟踪轴(11)形成铰链连接。在自然状态下，菲涅耳透镜(2)保持设计形状，并且聚光器沿东西方向放置，通过调整支杆(12)与底座(10)的角度使聚光器与太阳高度角相同。对于中午时分，太阳处在正南方位，入射光束(1)正好沿垂直于菲涅耳透镜(2)表面的方向入射，穿过菲涅耳透镜后完美汇聚在接收管(20)上。当时间在上午或下午是，入射光束(1)会沿着偏东或偏西的方向倾斜入射菲涅耳透镜(2)，光线在菲涅耳透镜(2)中走过的路径变长，穿过菲涅耳透镜(2)后的折射角变大，使光线汇聚在接收管(20)的上方，导致接收管(20)不能完全接收到所有光线。此时，启动电机(19)通过联轴器(18)驱动螺纹轴(15)转动，螺纹轴(15)两端不同旋向的螺母会逐渐靠近，与螺母固定在一起的销(7)带动左右拉伸臂的下端相互靠近，拉伸臂的上端也相互远离，带动透镜夹(3)逐渐远离。在透镜夹(3)的拖拽下，菲涅耳透镜(2)的宽度逐渐变宽，由于材料具有弹性，菲涅耳透镜(2)的厚度会收缩变薄。此时，倾斜入射的入射光束(1)在菲涅耳透镜内部的光路会重新变短，以接近垂直入射时的折射条件穿过菲涅耳透镜，使光线能够重新汇聚到接收管(20)上。随着入射光束(1)的倾斜角增大，电机不断转动使菲涅耳透镜(2)的宽度不断加宽，实现对焦距的调节。相反的，随着入射光束(1)的倾斜角减小，电机不断反向转动使菲涅耳透镜(2)的宽度不断变窄，使焦距逐渐恢复原始状态。

对图2，对本发明采用平面对称结构菲涅耳透镜的实施例进行说明。

拉伸变焦式菲涅耳透镜太阳能聚光器的聚光元件可以是平面对称菲涅耳透镜(23)，这种平面对称菲涅耳透镜(23)在厚度方向上为对称结构，在拉伸变形的过程中，能够保持厚度上的变形均匀性。平面对称菲涅耳透镜(23)通过透镜夹(3)与两个拉伸臂连接。拉伸过程中，由电机(19)通过驱动螺纹轴(15)对两个拉伸臂的张合角度进行调整，进而拉动平面对称菲涅耳透镜(23)使其宽度加宽，导致厚度变薄。入射光束(1)穿过变形后的平面对称菲涅耳透镜(23)后同样会出现焦距变化。

对图3，对本发明采用线聚焦凸透镜作为聚光元件实施例进行说明。

拉伸变焦式菲涅耳透镜太阳能聚光器的聚光元件可以是线聚焦凸透镜(24)，线聚焦凸透镜(24)的两端通过透镜夹(3)与两个拉伸臂连接。变焦过程与图1所示的分步运行原理一致。

对图4，对本发明采用二次聚光器进行辅助聚光的实施例进行说明。

聚光器对太阳能高度的跟踪是通过调节支杆(12)与底座(10)之间的角度实现跟踪的，当该角度存在跟踪误差使，入射光束(1)穿过菲涅耳透镜(2)后的光线会存在偏离接收管(20)的情况，此时，在接收管(20)的下方添加二次聚光器(25)。当入射光束(1)穿过菲涅耳透镜(2)在接收管(20)附近完成汇聚，由于太阳高度角误差引起汇聚的光线便宜接收管(20)时，会打在二次聚光器(25)的反射面上，经过二次聚光器(25)反射后的光线，可以再次达到接收管(20)上。

对图5，对本发明采用单臂拉伸的实施例进行说明。

拉伸变焦式菲涅耳透镜太阳能聚光器可以采用单臂拉伸的方式。左拉伸臂(21)与支杆(12)固定连接，电机(19)安装在活动电机座(27)上，活动电机座(27)通过电机座转轴(28)与支杆(12)铰链连接，右拉伸臂(4)通过螺母(8)与单旋螺纹轴(26)连接，单旋螺纹轴(26)通过联轴器(18)与电机(19)连接。拉伸调整时，电机(19)驱动单旋螺纹轴(26)转动，从而拉动右拉伸臂(4)实现张合运动，右拉伸臂通过透镜夹(3)拉动菲涅耳透镜(2)伸缩，实现变焦。

Claims (2)

1.一种拉伸变焦式菲涅耳透镜太阳能聚光器，其特点是：有一个可弹性变形的菲涅耳透镜(2)，菲涅耳透镜(2)两侧分别有右拉伸臂(4)和左拉伸臂(21)，两个拉伸臂中间通过铰链连接的方式与支杆(12)连接，两个拉伸臂下端与螺纹轴(15)的两端采用螺纹副连接，螺纹轴(15)的正转和反转实现拉伸臂相互靠近或远离，菲涅耳透镜(2)在两个拉伸臂的拉力作用下实现弹性变形，进而使菲涅耳透镜的厚度产生改变，引起变焦；

与菲涅耳透镜(2)的两侧边相连接的透镜夹(3)分别与右拉伸臂(4)和左拉伸臂(21)进行铰链连接，右拉伸臂(4)、左拉伸臂(21)与中枢支杆(12)通过拉伸转轴(5)形成铰链连接，左、右两个拉伸臂的下端分别与左旋螺母(16)和右旋螺母(8)通过销(7)进行连接，与左右螺母配合的螺纹轴(15)两端的螺纹也分别为左旋和右旋，当螺纹轴(15)转动时，驱动左右螺母同向或反向移动，从而驱动两个拉伸臂的张合运动，实现对菲涅耳透镜(2)的拉伸调整。

2.根据权利要求1所述的一种拉伸变焦式菲涅耳透镜太阳能聚光器，其特征是：菲涅耳透镜(2)采用弹性透明材料制作，在外拉力作用下可以发生弹性变形，菲涅耳透镜(2)两侧采用透镜夹(3)固定并进行拉伸，拉伸时菲涅耳透镜(2)的宽度变宽，由于材料收缩使其厚度变薄，进而改变光线经过菲涅耳透镜时的路径，实现变焦。

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