CN110794491A - 十米直径的线性菲涅尔透镜系统 - Google Patents

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Abstract

十米直径的线性菲涅尔透镜系统，从高聚光太阳能发电系统整体考虑，逐一改变各组成，比如菲涅尔透镜的设计、直接利用大型平板玻璃生产线热压成型线性菲涅尔透镜、改变自动跟踪太阳的方式、抵抗恶劣环境的方法等，为高聚光太阳能利用闯低成本新路。

Description

十米直径的线性菲涅尔透镜系统
技术领域
本发明属于菲涅尔透镜技术领域。
技术背景
菲涅尔透镜已广泛于应用于光学投影、太阳能聚光发电等领域。目前看，高聚光太阳能发电成本高，还竞争不过普通平板太阳能电池。
发明内容
本发明的目的：从高聚光太阳能发电系统整体考虑，逐一改变各组成，比如菲涅尔透镜的设计、直接利用大型平板玻璃生产线热压成型线性菲涅尔透镜、改变自动跟踪太阳的方式、抵抗恶劣环境的方法等，为高聚光太阳能利用闯低成本新路。下面结合附图予以说明：
入射光为平行光，但要求经玻璃折射后(折射系数为n)都集中于同一焦点F(见图1)，设A点距透镜中心O的距离为OA＝r，焦距OF＝f，夹角
Figure BSA0000168197020000011
图中ab为A点的玻璃表面，为入射角，
Figure BSA0000168197020000013
为折射角，根据光学定律
Figure BSA0000168197020000014
由图1可推出
Figure BSA0000168197020000015
若按等间距型要求来设计线性菲涅尔透镜，就有图2的结果，比如间距为0.02mm，则有
Figure BSA0000168197020000016
x代表深度，虽然不同点有不同斜率，但在0.02mm范围内均为直线。用直线替代本来的曲线，就会产生误差，尤其是远离中心的边沿部分误差更大。
我们按等深度型要求来设计线性菲涅尔透镜(图3，比如0.5mm深度)，而且每段都按球面曲线来处理，精度自然高。中心区的曲线平缓，边沿区的曲线陡急，总台阶数比等间距型要少得多，加工制作也方便。这里的球面曲线半经R≠f，要依据‘球面上所有点都必须垂直球心’的特点来求出：图1中A点垂线与透镜中心轴相交的长度即为R，有
Figure BSA0000168197020000021
这里R不是常数，会因r不同而变。具体设计步骤分两步走：确定玻璃n和f后
首先按r由小到大逐个列表计算Δ、
Figure BSA0000168197020000022
等数据：
Figure BSA0000168197020000023
表1
然后进一步用球面算法来处理各，点的数据(图4)：
这里的s是变量，比如依0.001mm为基本单位逐级增涨。先算表1中0至r1的数据，此时式
Figure BSA0000168197020000025
中R要用R1代入。随着s逐级增涨，r也逐级增涨，直至r≥r2，式
Figure BSA0000168197020000026
中R改用R2代入；然后继续增涨至r≥r3，中R改用R3代入；然后...。这样就完成了所有计算。我们来解释计算结果：当r由r1增至r2过程中要用R2代入，相当于保持半经R2不变画了一段园弧。这段园弧与0至r1的园弧在斜率上稍有不同。但只要0至r1的增量足够小，那么这两段园弧所组成曲线就可以看成连续变化。
我们利用现有平板玻璃生产线，加雕花辊轴，直接热压制成型的办法制作直径10米菲涅尔透镜。先讨论雕花辊轴制作，也就是菲涅尔透镜的阴模制作：若采用线性菲涅尔透镜方案，则辊轴的直径可做得与普通压花用的辊轴一样小，阴模上5米长如图3花纹，直接用用5米以上卧式数控车床便能加工，考虑到热玻璃有表面张力，抛光要求可稍低。上面设计的数据还要经阴阳转换才能用于机床加工。不过这里的需要特别说明，上面设计中的所有点所有园弧还都处在一条水平线上。车床加工要有深度如图3所示，这里的x对应于s，但不完全相同，x要不断由0涨至0.5mm，然后突跳至0，然后重复再由0涨至0.5mm。这样反复目的，是把上述一条线上各点各种曲率圆弧，平移成一段完整、连续变化的曲线，如图3花纹。5米辊轴正好与5米平板玻璃生产线匹配，两片镜像对接可制作直经10米的线性菲涅尔透镜。按理论计算，若10米线性菲涅尔透镜的聚焦光斑宽度为1cm，相当与聚焦了1000个太阳。因此不必采用二次聚焦了，因为每加一次聚焦，要增设备增成本，还要增加0.92玻璃透光率的损失。通过改变聚焦面上下位置的设定，改变太阳光单位面积能量。
附图说明
图1是本发明的光路示意图
图2是本发明的等间距型菲涅尔透镜示意图
图3是本发明的等深度型菲涅尔透镜示意图
图4是本发明的球面曲面计算示意图
图5是本发明的自动跟踪阳光型10米线性菲涅尔透镜系统构成图
图6是本发明的廉价型大面积线性菲涅尔透镜系统构成图
具体实施方式
考虑抵抗恶劣环境及降低成本要求，10米线性菲涅尔透镜系统做成图5、图6模样。图5为自动跟踪阳光型，图中1为10米×10米线性菲涅尔透镜；2为聚焦面上太阳能电池；3为固定在旋转底盘7上的前墙(若能深挖地基，则可降低墙高)，与线性菲涅尔透镜1之间用铰链方式连接；4为后墙，其上有液压、电动顶杠5，用于支撑线性菲涅尔透镜1作高低张合，起到经线方向对太阳的精密跟踪作用。因为太阳在经线方向上移动很慢，按天变化难以觉察、按季度才有较大改变。慢变化的精密跟踪好处理，甚至用人工操控都行。由于我们线性菲涅尔透镜的聚焦面是按水平方向铺设的，控制方向正好针对经线，所以即使民用供热用廉价型大面积线性菲涅尔透镜系统图6中，还要有液压、电动顶杠5，这样就能保证水平方向热交换管始终跟踪太阳，垂直方向用抬高焦平面位置、同时加大热交换管面积。后墙比前墙高，线性菲涅尔透镜1放下来就靠在后墙上，有前后墙及前后墙两侧的连墙，自动组成抵抗恶劣环境保护圈。也就是当遭遇恶劣天气时，选择立即放下线性菲涅尔透镜1靠在后墙4上。旋转底盘7是园形的，其四周装有滑轮，可以在与地基连接的的、弯成圆环形的槽钢6中滑动，由纬线方向太阳控制器控制其滑动旋转跟踪太阳；纬线方向旋转控制器控制精度要求不高，要特别结实可靠。

Claims (1)

1.一种线性菲涅尔透镜系统，包括菲涅尔透镜的设计、直接利用大型平板玻璃生产线热压成型线性菲涅尔透镜、改变自动跟踪太阳的方式、抵抗恶劣环境的方法，其特征在于：
a.菲涅尔透镜的设计分两步走：
确定玻璃n和f后，首先按r由小到大逐个列表计算Δ、
Figure 1
、
Figure 2
等数椐：
Figure FSA0000168197010000013
表1
然后进一步用球面算法来处理各r点的数椐，见图4：
Figure FSA0000168197010000014
这里的s是变量，比如依0.001mm为基本单位逐级增涨；先算表1中0至r1的数据，此时式
Figure FSA0000168197010000015
中R要用R1代入；随着s逐级增涨，r也逐级增涨，直至r≥r2，式
Figure FSA0000168197010000016
中R改用R2代入；然后继续增涨至r≥r3，
Figure FSA0000168197010000017
中R改用R3代入；然后...；这样就完成了所有计算；我们来解释计算结果：当r由r1增至r2过程中要用R2代入，相当于保持半经R2不变画了一段园弧；这段园弧与0至r1的园弧在斜率上稍有不同；但只要0至r1的增量足够小，那么这两园弧所组成曲线就可以看成连续变化；
b.直接利用大型平板玻璃生产线，热压成型线性菲涅尔透镜：利用现有平板玻璃生产线，加雕花辊轴，直接热压制成直径10米线性菲涅尔透镜；先讨论雕花辊轴制作，也就是线性菲涅尔透镜的阴模制作：阴模上5米长如图3花纹，用5米以上卧式数控车床便能加工；上面设计的数椐还要经阴阳转换才能用于机床加工；不过这里需要特别说明，上面设计中的所有点所有园弧还都处在一条水平线上；车床加工要有深度如图3所示，这里的x对应于s，但不完全相同，x要不断由0涨至0.5mm，然后突跳至0，然后重复再由0涨至0.5mm；这样反复目的，是把上述一条线上各点各种曲率圆弧，平移成一段完整、连续变化的曲线，即图3花纹；5米辊轴正好与5米平板玻璃生产线匹配，两片镜像对接可制作直经10米的线性菲涅尔透镜；
c.改变自动跟踪太阳的方式、抵抗恶劣环境的方法：考虑到抵抗恶劣环境及降低成本要求，10米线性菲涅尔透镜系统做成图5、图6模样；图5为自动跟踪阳光型，图中1为10米×10米线性菲涅尔透镜；2为聚焦面上太阳能电池；3为固定在旋转底盘7上的前墙，与线性菲涅尔透镜1之间用铰链方式连接，若能深挖地基，则可降低墙高；4为后墙，其上有液压、电动顶杠5，用于支撑线性菲涅尔透镜1作高低张合，起到经线方向对太阳的精密跟踪作用；因为太阳在经线方向上移动很慢，按天变化难以觉察、按季度才有较大改变；慢变化的精密跟踪好处理，甚至用人工操控都行；由于我们线性菲涅尔透镜的聚焦面是按水平方向铺设的，控制方向正好针对经线，所以即使廉价型大面积线性菲涅尔透镜系统图6中，还要有液压、电动顶杠5；后墙比前墙高，线性菲涅尔透镜1放下来就靠在后墙上，有前后墙及前后墙两侧的连墙，自动组成抵抗恶劣环境保护圈；也就是当遭遇恶劣天气时，选择立即放下线性菲涅尔透镜1靠在后墙4上；旋转底盘7是园形的，其四周装有滑轮，可以在与地基连接的、弯成圆环形的槽钢6中滑动，由纬线方向太阳控制器控制其滑动旋转跟踪太阳；纬线方向旋转控制器控制精度要求不高，要特别结实可靠。
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