CN112762629B - 一种翼型线性菲涅尔聚光系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于太阳能聚光技术相关技术领域，更具体地，涉及一种翼型线性菲涅尔聚光系统。该系统包括反射镜、四块菲涅尔透镜和集热管，四块菲涅尔透镜设置在集热管的上方，第一菲涅尔透镜与第二菲涅尔透镜之间的夹角为钝角，第二菲涅尔透镜水平放置，第三菲涅尔透镜和第四菲涅尔透镜关于集热管的竖直方向中心线与第一菲涅尔透镜和第二菲涅尔透镜镜像对称，四块菲涅尔透镜用于将入射光线聚焦到集热管上，两块反射镜关于集热管竖直方向中心线左右对称设置在集热管的下方，用于将经菲涅尔透镜折射但未聚焦在集热管上的光线反射至集热管上。通过本发明，减少菲涅尔透镜边缘位置的反射率，提高聚光均匀性，降低因集热不均而产生效率和安全性问题的风险。

Description

一种翼型线性菲涅尔聚光系统

技术领域

本发明属于太阳能聚光技术相关技术领域，更具体地，涉及一种翼型线性菲涅尔聚光系统。

背景技术

太阳能热发电系统将分散的太阳辐射通过聚光器聚集到集热装置表面，加热集热装置内的传热工质，进而利用工质的热量推动汽轮机发电。太阳能热发电具有发电稳定，运行费用低的优势，具有较好的应用前景。线性菲涅尔热发电作为太阳能热发电系统中的重要组成部分，利用菲涅尔透镜或反射镜聚集太阳光，结构简单，安装拆卸方便，占地面积小，前期投资低，是未来槽式太阳能热发电系统的有效替代方式。

目前影响线性菲涅尔系统广泛应用的重要因素之一是其聚光均匀性较差，在集热管表面产生不均匀的热流密度。聚光系统将绝大多数太阳光聚焦到了集热管的一侧，不均匀的热流密度导致吸热管表面出现局部高温，金属吸热管表面涂层性能下降，吸收太阳辐射能力下降，光热效率降低；吸热管表面局部高温致使导热油发生热降解，生成并析出氢气，降低真空吸热管真空度，金属吸热管圆周方向较大的温度梯度导致吸热管周向变形，金属吸热管在运行中偏离设计位置，增加光学损失，对于真空吸热管，严重的金属吸热管变形甚至可以触碰到外层的玻璃管，导致玻璃管破裂，破坏真空，集热器对流损失增加，影响集热管效率和寿命。实验表明在运行十年后，SEGS VI-IX太阳能发电厂中30％～40％的的玻璃-金属密封件失效。因此，设计开发一种具有均匀聚光的线性菲涅尔太阳能聚光系统成为一种迫切需求。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种翼型线性菲涅尔聚光系统，通过对菲涅尔透镜棱镜焦点的设计和反射镜的位置设置，使得光线完全聚焦至集热管上，并且均匀聚焦在集热管上，既减少了菲涅尔透镜边缘位置的反射率，又不会造成透镜成本的大幅升高；相较于其他菲涅尔透镜聚光器的设计方法，提高了聚光器聚光均匀性，降低因集热不均而产生效率问题和安全性问题的风险。

为实现上述目的，按照，提供了一种翼型线性菲涅尔聚光系统，该系统包括反射镜、四块菲涅尔透镜和集热管，其中：

四块所述菲涅尔透镜设置在所述集热管的上方，包括依次连接的第一菲涅尔透镜、第二菲涅尔透镜、第三菲涅尔透镜和第四菲涅尔透镜，所述第一菲涅尔透镜与所述第二菲涅尔透镜之间的夹角为钝角，所述第二菲涅尔透镜水平放置，所述第三菲涅尔透镜和第四菲涅尔透镜关于所述集热管的竖直方向中心线与所述第一菲涅尔透镜和第二菲涅尔透镜镜像对称，四块所述菲涅尔透镜用于将入射光线聚焦到所述集热管上，两块所述反射镜关于所述集热管竖直方向中心线左右对称设置在所述集热管的下方，用于将经所述菲涅尔透镜折射但未聚焦在所述集热管上的光线反射至所述集热管上；

将所述集热管按照水平和竖直方向的中心线分为四个部分，所述第一菲涅尔透镜和第四菲涅尔透镜上棱镜的焦点分别均匀分布在所述集热管的左上半部分和右上半部分，使得所述第一菲涅尔透镜和第四菲涅尔透镜折射的光线均匀聚焦在所述集热管的上半部分，所述第二菲涅尔透镜和第三菲涅尔透镜上棱镜的焦点分别均匀分布在右侧和左侧的所述反射镜上，使得所述第二菲涅尔透镜和第三菲涅尔透镜折射的光线入射至所述反射镜并经该反射镜反射均匀聚焦在所述集热管的下半部分，以此实现经四块所述菲涅尔透镜折射的光线全部并且均匀聚焦在所述集热管上。

进一步优选地，第二菲涅尔透镜和第三菲涅尔透镜上的棱镜第j个楞齿的倾斜角θ_j满足下列关系式：

其中，θ_i是楞齿i的倾斜角，βi是光线透射过楞齿i后与垂直线的夹角，n是透镜的折射率。

进一步优选地，所述βi和k_1,i满足下列关系式：

其中，βi是光线透射过楞齿i后与垂直线的夹角，k_1,i是通过楞齿i透射到反射镜的光线斜率，F是透镜的焦距，i是楞齿i与中心线间的楞齿数量，l_i是楞齿的齿宽，x_i、y_i是穿过楞齿i的光线投射到反射镜轮廓线的坐标。

进一步优选地，所述第一菲涅尔透镜和第四菲涅尔透镜第j个楞齿下表面与水平面的夹角满足下列关系式：

其中，φ_2j是楞齿j的下表面与水平面的夹角，γ_1j是光线进入楞齿j时与楞齿j上表面所成的入射角，γ_2j是光线经过楞齿j上表面后的出射角，γ_3j是光线出射楞齿j时与楞齿j下表面所成的入射角，γ_4j是光线经过楞齿j下表面后的出射角。

进一步优选地，所述第一菲涅尔透镜与所述第二菲涅尔透镜之间的夹角满足下列关系式：

τ_j＝(1-ρ₁)(1-ρ₂)

其中，τ是该段透镜的总透射率，τ_j是楞齿j的透射率，ρ₁是光线穿过楞齿j上表面的反射率，ρ₂是光线穿过楞齿j下表面的反射率，γ_1j是光线进入楞齿j时与楞齿j上表面所成的入射角，γ_2j是光线经过楞齿j上表面后的出射角，γ_3j是光线出射楞齿j时与楞齿j下表面所成的入射角，γ_4j是光线经过楞齿j下表面后的出射角。

进一步优选地，将所述集热管均分为多个弧段，弧段之间所接收的热流密度之比等于弧段长度之比。

进一步优选地，所述弧段之间所接收的热流密度之比等于弧段长度之比时，需满足下列关系式：

其中，ω_i是过楞齿i焦点的集热管半径与Y轴的夹角，i是从中心起到楞齿i的楞齿数量，α_n是楞齿i对应的集热管上弧段角度。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具备下列有益效果：

1.本发明中通过对四块菲涅尔透镜上棱镜焦点的设计以及相应的反射镜位置的设计，将太阳光高效地聚焦到集热管的全周向表面，一方面实现光线的全部聚集，避免能量的浪费，另一方面实现能量的均匀分布，避免局部过热，降低集热管表面温度梯度，避免集热管出现局部过热和明显热应变，提高集热管的安全性；

2.本发明中通过对四块菲涅尔透镜的焦点的设置，第一菲涅尔透镜和第四菲涅尔透镜倾斜角的设置，集热管表面热流密度的设计，以及菲涅尔透镜和反射镜的位置的设计，最终保证了集热管表面温度的均匀分布以及能量的百分百利用，整体结构简单紧凑，生产成本较低，有利于推广普及，可以有效推进线性菲涅尔聚光系统的市场化应用。

附图说明

图1是按照本发明的优选实施例所构建的翼形线性菲涅尔聚光系统的结构示意图；

图2是按照本发明的优选实施例所构建的第二和第三菲涅尔透镜的局部结构示意图；

图3是按照本发明的优选实施例所构建的集热管底部的二级反射镜局部结构示意图；

图4是按照本发明的优选实施例所构建的第一和第四菲涅尔透镜的局部结构示意图；

图5是按照本发明的优选实施例所构建的第一和第四菲涅尔透镜在集热管表面的焦点分布局部结构示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1-第一菲涅尔透镜，2-第二菲涅尔透镜，3-第三菲涅尔透镜，4-第四菲涅尔透镜，5-集热管，6-反射镜。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1所示，翼形线性菲涅尔聚光系统，该系统包括反射镜、四块菲涅尔透镜和集热管，其中：

四块所述菲涅尔透镜设置在所述集热管的上方，包括依次连接的第一菲涅尔透镜、第二菲涅尔透镜、第三菲涅尔透镜和第四菲涅尔透镜，所述第一菲涅尔透镜与所述第二菲涅尔透镜之间的夹角为钝角，所述第二菲涅尔透镜水平放置，所述第三菲涅尔透镜和第四菲涅尔透镜关于所述集热管的竖直方向中心线与所述第一菲涅尔透镜和第二菲涅尔透镜镜像对称，四块所述菲涅尔透镜用于将入射光线聚焦到所述集热管上，两块所述反射镜关于所述集热管竖直方向中心线左右对称设置在所述集热管的下方，用于将经所述菲涅尔透镜折射但未聚焦在所述集热管上的光线反射至所述集热管上；

将所述集热管按照水平和竖直方向的中心线分为四个部分，如图5所示，所述第一菲涅尔透镜和第四菲涅尔透镜上棱镜的焦点分别均匀分布在所述集热管的左上半部分和右上半部分，使得所述第一菲涅尔透镜和第四菲涅尔透镜折射的光线均匀聚焦在所述集热管的上半部分，所述第二菲涅尔透镜和第三菲涅尔透镜上棱镜的焦点分别均匀分布在右侧和左侧的所述反射镜上，使得所述第二菲涅尔透镜和第三菲涅尔透镜折射的光线入射至所述反射镜并经该反射镜反射均匀聚焦在所述集热管的下半部分，以此实现经四块所述菲涅尔透镜折射的光线全部并且均匀聚焦在所述集热管上。

1.四块菲涅尔透镜中背面设置有多个棱镜，为保证第二、第三菲涅尔透镜焦点的位置，需要保证棱镜楞齿的倾斜角满足一定的关系式，具体如下：

(1)第二和第三菲涅尔透镜楞齿的焦点分布在反射镜上，平行光经过菲涅尔透镜聚集到反射镜，经反射镜反射到集热管下方的弧段3和弧段4上。楞齿i是第一和第三菲涅尔透镜中的任意楞齿，经楞齿j折射的光线投射到反射镜的E_i点，由反射镜反射到集热管。垂直入射的光线经过楞齿i，在楞齿的斜面处产生折射，聚焦到二级反射镜的CD段。对于楞齿i，根据斯涅耳公式和几何计算，有：

其中γ_i是光线入射透镜斜面的入射角，γ_i'是出射角，θ_i是楞齿i的倾角，β_i是光线经过楞齿折射后变化的角度。

经过楞齿折射的光线聚焦到聚光器的二级反射镜上。二级反射镜主要利用CD段反射光线，其余部分起连接作用。其中端点C位置(x_c、y_c)可以根据经验确定，对于C点位置的选择，应保证：从第二或第四菲涅尔透镜靠近轴线处透射至C点的光线不会被集热管遮挡，从C点反射的光线可以到达集热管的底部位置。太阳光线经过主干菲涅尔透镜楞齿i的斜边N点射出后到达反射镜上的E_i点，再反射到达集热器上的Q点。根据楞齿i的参数可以推得对应的反射镜几何关系方程：

其中F是聚光系统的焦距，k_1,i为通过楞齿j透射到反射镜的光线的斜率，x_i、y_i为楞齿j对应的反射点E_j坐标。

同样，反射镜到集热管的光线斜率也可通过几何关系得到：

其中k_2,i为从反射点E_i投射到集热管的光线斜率，r是集热管外径，，ω_i是过楞齿i焦点的集热管半径与集热管垂线的夹角，α_k是楞齿k对应的集热管弧段的角度。

反射镜的反射角等于入射角，可列几何关系方程：

其中，o_i为E_i位置的反射镜法线斜率，q_i为切线斜率。

可得：

此时楞齿i对光线的偏转角βi：

楞齿i的倾斜角θ_i：

则得到第二和第三透镜段的楞齿i的设计参数。

(2)第一和第四菲涅尔透镜棱镜楞齿的焦点均匀分布在集热管顶部，为达到该条件，

垂直入射的光线经过楞齿j，在楞齿的上下表面发生两次折射，将光线聚焦到集热管上。对于楞齿j，其对应的光学几何关系为：

其中，其中φ_2j是楞齿j下表面和水平面的夹角；L_f为楞齿水平透镜段的半长；l_j为楞齿j与倾斜透镜段靠近中心轴线边缘的距离。

根据光学几何原理可计算得到：

2.第一和第四菲涅尔透镜的上表面倾斜角的设计满足下列关系，具体地，

如图2和图4所示，由于第二和第四菲涅尔透镜与第一和第三菲涅尔透镜之间存在夹角

入射太阳光线与翼形菲涅尔透镜并不垂直，太阳光在翼形菲涅尔透镜楞齿的入射面和出射面分别发生两次折射。光线在两次折射过程中都会发生部分反射，造成效率的损失，根据透明介质的反射公式可以推导出倾斜透镜段的透射率。首先，光线从空气通过楞齿上表面，进入楞齿，此过程的反射率为：

同理，光线从透镜内部通过楞齿下表面，进入空气介质中，此过程反射率为：

因此，光线穿过整个楞齿的透射率可得：

τ_j＝(1-ρ₁)(1-ρ₂)

因为翼形菲涅尔透镜的楞齿齿宽相等，则该段透镜的整体透射率τ可以通过对该段的m个楞齿透射率取平均得到：

根据斯涅耳公式，有：

透镜的透射率τ是与透镜长度和上表面倾角

相关的函数，其最大值可通过下式得到：

3.每个弧段的长度之比与透镜的水平宽度之比相等，设其中一块透镜的楞齿数量为N，将与其对应的弧段分为N小段，每一个楞齿对应一个小弧段，因此，集热管每一弧段接收的热流密度相等，具体通过下列方式实现：

对中间位置的第二、第三透镜和与之配合的二级反射镜，令透镜的每个楞齿i的焦点依次与反射镜的每一个小弧段和集热管每个一弧段相对应。由于每个楞齿i大小相等，接收的太阳辐射相同，因此聚集到集热管表面每个弧段的太阳辐射能量相同，从而使集热管表面的太阳能热流密度趋于均匀。

所述的线性菲涅尔透镜水平透镜段楞齿的焦点分布在反射镜上，平行光经过菲涅尔透镜聚集到反射镜，经反射镜反射到集热管下方的弧段3和弧段4上。楞齿i是水平透镜段中的任意楞齿，经楞齿j折射的光线投射到反射镜的E_j点，由反射镜反射到集热管。垂直入射的光线经过楞齿i，在楞齿的斜面处产生折射，聚焦到二级反射镜的CD段。对于楞齿i，根据斯涅耳公式和几何计算，有：

其中γ_i是光线入射透镜斜面的入射角，γ_i'是出射角，θ_i是楞齿倾角，β_i是光线经过楞齿折射后变化的角度。

经过楞齿折射的光线聚焦到聚光器的二级反射镜上。二级反射镜主要利用CD段反射光线，其余部分起连接作用。其中端点C位置(x_c、y_c)可以根据经验确定，对于C点位置的选择，应保证：从第二透镜边缘处透射至C点的光线不会被集热管遮挡，从C点反射的光线可以到达集热管的底部中心位置。利用楞齿i的参数可以推得对应的反射镜几何关系方程：

其中k_1,i为通过楞齿j透射到反射镜的光线的斜率，x_i、y_i为楞齿i对应的反射点E_i坐标。

同样，反射镜到集热管的光线斜率也可通过几何关系得到：

其中k_2,i为从反射点E_i投射到集热管的光线斜率，r是集热管外径。

如图3所示，根据对入射反射关系，可列几何关系方程：

其中，o_i为E_i位置的反射镜法线斜率，q_i为切线斜率。

联立上式可得：

此时楞齿i对光线的偏转角βi：

楞齿i的倾斜角θ_i：

则得到第二和第四透镜段的楞齿i的设计参数。

根据上式，与楞齿i+1对应的反射点E_j+1的位置(x_i+1,y_i+1)为：

再利用递推法，重复上述过程，可得到水平透镜段全部楞齿的设计参数。可得到主干透镜段全部楞齿和对应的反射镜轮廓点的设计参数，再采用贝塞尔曲线对反射镜轮廓点进行平滑化处理，得到完整的反射镜轮廓函数。由于均匀焦点菲涅尔集热器结构关于轴线对称，采用相同的方法可得左半部分的反射镜轮廓函数。

翼形线性菲涅尔聚光系统的第一和第四菲涅尔透镜设计过程：

假设第一菲涅尔透镜有m个楞齿，则将其透射光对应的集热管弧段均分成m小弧段，令第一菲涅尔透镜的每个楞齿j的焦点依次与集热管每个一弧段相对应。由于每个楞齿j大小相等，接收的太阳辐射相同，因此聚集到集热管表面每个弧段的太阳辐射能量相同，从而使集热管表面的太阳能热流密度趋于均匀。

基于得到的φ_1j，楞齿j下表面和水平面的夹角φ_2j可求得。倾斜透镜段将光线聚焦到集热管的弧段1，每个楞齿对应一个小弧段，经过楞齿j的光线聚焦在集热管表面长为α_j的弧段上，则楞齿i对应的集热管弧段位置为：

其中，ω_j是过楞齿j焦点的集热管半径与Y轴的夹角，j是从中心起到楞齿j的楞齿数量，α_k是楞齿k对应的集热管上弧段角度。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种翼型线性菲涅尔聚光系统，其特征在于，该系统包括四块菲涅尔透镜、集热管(5)和反射镜(6)，其中：

四块所述菲涅尔透镜设置在所述集热管(5)的上方，包括依次连接的第一菲涅尔透镜(1)、第二菲涅尔透镜(2)、第三菲涅尔透镜(3)和第四菲涅尔透镜(4)，所述第一菲涅尔透镜(1)与所述第二菲涅尔透镜(2)之间的夹角为钝角，所述第二菲涅尔透镜(2)水平放置，所述第三菲涅尔透镜(3)和第四菲涅尔透镜(4)关于所述集热管的竖直方向中心线与所述第一菲涅尔透镜(1)和第二菲涅尔透镜(2)镜像对称，四块所述菲涅尔透镜用于将入射光线聚焦到所述集热管(5)上，两块所述反射镜(6)关于所述集热管(5)竖直方向中心线左右对称设置在所述集热管的下方，用于将经所述菲涅尔透镜折射但未聚焦在所述集热管(5)上的光线反射至所述集热管上；

将所述集热管(5)按照水平和竖直方向的中心线分为四个部分，所述第一菲涅尔透镜(1)和第四菲涅尔透镜(4)上棱镜的焦点分别均匀分布在所述集热管(5)的左上半部分和右上半部分，使得所述第一菲涅尔透镜和第四菲涅尔透镜折射的光线均匀聚焦在所述集热管的上半部分，所述第二菲涅尔透镜和第三菲涅尔透镜上棱镜的焦点分别均匀分布在右侧和左侧的所述反射镜(6)上，使得所述第二菲涅尔透镜和第三菲涅尔透镜折射的光线入射至所述反射镜并经该反射镜反射均匀聚焦在所述集热管的下半部分，以此实现经四块所述菲涅尔透镜折射的光线全部并且均匀聚焦在所述集热管上；

所述第一菲涅尔透镜(1)和第四菲涅尔透镜(4)第j个楞齿下表面与水平面的夹角满足下列关系式：

其中，φ_2j是楞齿j的下表面与水平面的夹角，γ_1j是光线进入楞齿j时与楞齿j上表面所成的入射角，γ_2j是光线经过楞齿j上表面后的出射角，γ_3j是光线出射楞齿j时与楞齿j下表面所成的入射角，γ_4j是光线经过楞齿j下表面后的出射角。

2.如权利要求1所述的一种翼型线性菲涅尔聚光系统，其特征在于，第二菲涅尔透镜(2)和第三菲涅尔透镜(3)上的棱镜第i个楞齿的倾斜角θ_i满足下列关系式：

其中，θ_i是楞齿i的倾斜角，β_i是光线透射过楞齿i后与垂直线的夹角，n是透镜的折射率。

3.如权利要求2所述的一种翼型线性菲涅尔聚光系统，其特征在于，所述β_i和k_1,i满足下列关系式：

其中，β_i是光线透射过楞齿i后与垂直线的夹角，k_1,i是通过楞齿i透射到反射镜的光线斜率，F是透镜的焦距，i是楞齿i与中心线间的楞齿数量，l_i是楞齿的齿宽，x_i、y_i是穿过楞齿i的光线投射到反射镜轮廓线的坐标。

4.如权利要求1所述的一种翼型线性菲涅尔聚光系统，其特征在于，所述第一菲涅尔透镜(1)与所述第二菲涅尔透镜(2)之间的夹角满足下列关系式：

τ_j＝(1-ρ₁)(1-ρ₂)

其中，τ是该段透镜的总透射率，τ_j是楞齿j的透射率，ρ₁是光线穿过楞齿j上表面的反射率，ρ₂是光线穿过楞齿j下表面的反射率，γ_1j是光线进入楞齿j时与楞齿j上表面所成的入射角，γ_2j是光线经过楞齿j上表面后的出射角，γ_3j是光线出射楞齿j时与楞齿j下表面所成的入射角，γ_4j是光线经过楞齿j下表面后的出射角。

5.如权利要求1所述的一种翼型线性菲涅尔聚光系统，其特征在于，将所述集热管(5)均分为多个弧段，弧段之间所接收的热流密度之比等于弧段长度之比。

6.如权利要求5所述的一种翼型线性菲涅尔聚光系统，其特征在于，所述弧段之间所接收的热流密度之比等于弧段长度之比时，需满足下列关系式：

其中，ω_i是过楞齿i焦点的集热管半径与Y轴的夹角，i是从中心起到楞齿i的楞齿数量，α_n是楞齿k对应的集热管上弧段角度。

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