CN113791466A

CN113791466A - 一种波浪形菲涅尔透镜及其制备方法

Info

Publication number: CN113791466A
Application number: CN202111326096.7A
Authority: CN
Inventors: 胡站伟; 宋记峰; 张可心; 王闻墨; 张平涛; 何苗
Original assignee: Low Speed Aerodynamics Institute of China Aerodynamics Research and Development Center
Current assignee: Low Speed Aerodynamics Institute of China Aerodynamics Research and Development Center
Priority date: 2021-11-10
Filing date: 2021-11-10
Publication date: 2021-12-14
Anticipated expiration: 2041-11-10
Also published as: CN113791466B

Abstract

本发明适用于太阳光采光罩技术领域，尤其涉及一种波浪形菲涅尔透镜及其制备方法，本发明的波浪形菲涅尔透镜由若干个波节周期性排列，每个所述波节包括第一线性菲涅尔透镜片和第二线性菲涅尔透镜片；所述第一线性菲涅尔透镜片和所述第二线性菲涅尔透镜片镜像对称；所述第一线性菲涅尔透镜片的宽度方向与波节排列方向具有一个偏折角θ；所述第一线性菲涅尔透镜片和所述第二线性菲涅尔透镜片的锯齿结构中锯齿的轴线方向为宽度方向。太阳光在大角度入射时，波浪形的迎光线一侧波浪形菲涅尔透镜的夹角较小，且不会照射到背光一侧的透镜上，因此可以形成较理想的聚光效果，并且提高了空间面积的利用效率，提高了聚光器的有效聚焦角度范围。

Description

一种波浪形菲涅尔透镜及其制备方法

技术领域

本发明涉及太阳光采光罩技术领域，尤其是涉及一种波浪形菲涅尔透镜及其制备方法。

背景技术

太阳能利用中，许多场合采取聚光的方式，总体上可以分为反射式聚光器、折射式聚光器两类。按其聚光方式不同，又可以分为点聚焦聚光镜和线聚焦聚光镜。在太阳方位跟踪要求低的中小尺度聚光系统中，往往采样线聚焦聚光镜和二次聚光器（如复合抛物面聚光器，CPC）结合的方式。

线聚焦聚光镜在透镜应用中，常见平面线性菲涅尔透镜和曲面线性菲涅尔透镜。其结构设计根据几何光学，在平行光入射情况下焦点位置与透镜棱线有严格对应关系。但是在入射光线角度偏离设计光轴较大的情况下，线性菲涅尔透镜的焦点会产生显著偏离，严重影响聚光效果。

现有技术中有一些对菲涅尔透镜的改进或设计，以解决入射光线角度偏离时聚光效果低的技术问题：

例如文献“透射式太阳能CPV/T系统的设计及性能研究，北京理工大学，冯朝卿”设计了一种圆弧形投射式太阳能发电/热综合利用系统。但是该系统中采用的线性菲涅尔聚光设备，随着光线轴向入射角的增大，光线汇聚焦点逐渐上移，而接收器上的光斑逐渐分散。当光线轴向入射角增大到15°时，接收器已经不能把全部光线接收，有少量光线逃逸；当光线轴向入射角继续增大时，越来越多的光线无法被接收器接收，当轴向入射角增大到35°时，仅有约20%的光线被接收器接收。在更大轴向入射角下，聚光器焦点完全无法形成有效聚焦。因此，在工程上，该聚光器仅能在10:00~14:00之间工作，全天太阳能的有效利用率仅为20%；

申请号为CN201310423270.9的专利公开了一种聚焦反射式采光罩，包括球冠面或半球面、圆台筒和防雨裙，球冠面或半球面位于采光罩的顶部，圆台筒安装在球冠面或半球面的底部，防雨裙安装在圆台筒的底部周侧，圆台筒的内壁上设有凸透镜圆环，在圆台筒内壁底部设有凸面反射镜且凸面反射镜的反射面朝向采光罩的内部。该采光罩能够最大限度地捕捉早上和傍晚小角度太阳光的聚焦式采光罩；

申请号为CN200810017842.2的专利公开了一种透射式太阳能聚光器，用多段平面菲涅尔透镜组合成折面圆弧形透镜，实现对不同角度下聚焦效率的提升。

但是现有技术仍然没有能够很好地解决入射光线角度偏离时的聚光效率大幅降低的技术问题，并且还存在例如以上后两种现有技术中的聚光结构在空间的布设会直接降低空间面积利用率，造成全系统成本和效率的降低。

发明内容

为了解决现有技术中存在的技术问题，本发明提供一种波浪形菲涅尔透镜及其制备方法：

一种波浪形菲涅尔透镜，包括若干个波节，所述若干个波节周期性排列；

每个所述波节包括第一线性菲涅尔透镜片和第二线性菲涅尔透镜片；所述第一线性菲涅尔透镜片和所述第二线性菲涅尔透镜片镜像对称；

所述第一线性菲涅尔透镜片的宽度方向与波节排列方向具有一个偏折角θ；

所述第一线性菲涅尔透镜片和所述第二线性菲涅尔透镜片的锯齿结构中锯齿的轴线方向为宽度方向。

进一步地，所述偏折角θ的取值范围为10~40°。

进一步地，所述偏折角θ的取值范围为20~30°。

进一步地，所述所述第一线性菲涅尔透镜片和所述第二线性菲涅尔透镜片均为平面线性菲涅尔透镜或均为曲面线性菲涅尔透镜。

进一步地，所述波浪形菲涅尔透镜采用一次性压铸成型，或采用线性菲涅尔透镜切割后拼接。

进一步地，当采用一次性压铸成型时，所述第一线性菲涅尔透镜片（10）的宽度为1-10mm；

当采用线性菲涅尔透镜切割后拼接时，所述第一线性菲涅尔透镜片（10）的宽度为1-50cm。

一种如上所述的波浪形菲涅尔透镜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

S10. 切割线性菲涅尔透镜；

将线性菲涅尔透镜沿其宽度方向进行切割，切割成第1,2,3，...，L-1,L片宽度相同的线性菲涅尔透镜片；

S20. 设置偏折角度θ；

S30. 拼接一个波节；

将第1片线性菲涅尔透镜片与第2片线性菲涅尔透镜片拼接在一起，使得所述第1片线性菲涅尔透镜片与所述第2片线性菲涅尔透镜片之间具有夹角δ，

；

S40. 拼接若干个波节；

将其余线性菲涅尔透镜片按照步骤S30拼接若干个波节，并将若干个波节连接在一起。

进一步地，所述步骤S10中，所述线性菲涅尔透镜片的宽度为1-50cm。

进一步地，所述偏折角度θ根据使用时光的入射角度范围进行选择。

采用本发明的一种波浪形菲涅尔透镜，相比于现有技术，至少具有以下有益效果：

1. 本发明的波浪形菲涅尔透镜由于波浪形的设置，直接提高了空间面积的利用效率；

2. 发明的波浪形菲涅尔透镜可以在A方向一直延伸设置多个波节，便于做大聚光镜的尺寸，非常适用于需要大型透镜的场合；

3. 本发明的波浪形的菲涅尔透镜可以极大的提升不同角度下的聚光效率，增加太阳能系统的有效聚焦角度范围，有效提升工作时间，提高对太阳能的利用率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例1提供的一种波浪形菲涅尔透镜宏观结构图；

图2是本发明实施例的平面线性菲涅尔透镜结构示意图；

图3是本发明实施例2提供的一种如实施例1的波浪形菲涅尔透镜的制备过程示意图；

图4是本发明中的实施例3提供的另一种波浪形菲涅尔透镜宏观结构图；

图5是本发明实施例的曲面线性菲涅尔透镜结构示意图；

图6是本发明实施例4采用波浪形菲涅尔透镜组成的聚光系统结构示意图；

图7是本发明实施例4采用波浪形菲涅尔透镜组成的聚光系统结构的另一视角示意图。

图中，1-波浪形菲涅尔透镜；10-第一线性菲涅尔透镜片，11-第二线性菲涅尔透镜片；2-平面线性菲涅尔透镜；3-曲面线性菲涅尔透镜，4-CPC聚光器。

具体实施方式

以下的说明提供了许多不同的实施例、或是例子，用来实施本发明的不同特征。以下特定例子所描述的元件和排列方式，仅用来精简的表达本发明，其仅作为例子，而并非用以限制本发明。

实施例1

本实施例1提供一种波浪形菲涅尔透镜1，如图1和图3所示，包括若干个波节，所述若干个波节周期性排列，本实施例中假设若干个波节沿A方向排列；每个所述波节包括第一线性菲涅尔透镜片10和第二线性菲涅尔透镜片11；所述第一线性菲涅尔透镜片10和所述第二线性菲涅尔透镜片11镜像对称；所述第一线性菲涅尔透镜片10的宽度方向与所述A方向具有一个偏折角θ；所述第一线性菲涅尔透镜片10和所述第二线性菲涅尔透镜片11的锯齿结构中锯齿的轴线方向为宽度方向。图2中，传统的菲涅尔透镜上从第1,2,3到第L-1,L的分割方向即为菲涅尔透镜的锯齿结构中锯齿的轴线方向，也即是线性菲涅尔透镜片，即第一线性菲涅尔透镜片和第二线性菲涅尔透镜片的锯齿结构中锯齿的轴线方向。

本领域技术人员可以理解，为了保证透镜的正常使用，所有波节内的第一线性菲涅尔透镜片10和第二线性菲涅尔透镜片11中有锯齿的一面均朝向同一侧。本实施例中所述的A方向并不特指某一具体的方向，而是指多个波节沿着同一个方向周期性地排列。

本实施例中，第一线性菲涅尔透镜片和第二线性菲涅尔透镜片均为平面线性菲涅尔透镜。每一个菲涅尔透镜片的截面形状均相同，并且是一个完整的传统的菲涅尔透镜的截面，如此，即便无限延伸波节，即设置非常多的波节，也能保证该波浪形菲涅尔透镜的焦点在一条直线上，便于采用例如CPC这样的聚光装置进一步进行聚光。

偏折角θ可以根据使用时光的入射角度范围进行选择，例如用于太阳光聚光时，一般需要考虑使用时，一天内有效聚光时间范围内的太阳光的入射角度范围，工程上一般选择10~40°，优选为20~30°。

值得说明的是，本发明中的“若干”个波节至少是大于等于2个，实际上，每个波节中的线性菲涅尔透镜片的尺寸在厘米或毫米级，正常情况下，用于聚光的菲涅尔透镜的尺寸应是“米”级别的宽度，因而波节的数量是非常多的，本领域技术人员可以根据所需波浪形涅尔透镜的尺寸、线性菲涅尔透镜片的尺寸以及偏折角来最终确定所需的波节数量。

实施例2

本实施例2提供一种如实施例1的波浪形菲涅尔透镜1的制备方法，本实施例中，采用普通的平面线性菲涅尔透镜来制作本实施例的波浪形菲涅尔透镜，如图2和图3所示。

S10. 切割线性菲涅尔透镜

将平面线性菲涅尔透镜2沿其宽度方向进行切割，切割成第1,2,3，...，L-1,L片宽度相同的线性菲涅尔透镜片，如图2所示。值得说明的是，本实施例中的线性菲涅尔透镜即为普通的平面线性菲涅尔透镜；

S20. 设置偏折角度θ

S30. 拼接一个波节

；由此，第1片线性菲涅尔透镜片即为第一线性菲涅尔透镜片10，第2片线性菲涅尔透镜片即为第二线性菲涅尔透镜片11；

S40. 拼接若干个波节

将其余线性菲涅尔透镜片按照步骤S30拼接若干个波节，并将若干个波节沿A方向连接在一起；即沿着A方向延伸布置若干个波节，形成如图1所示的波浪形菲涅尔透镜。

作为优选，每一片线性菲涅尔透镜片的宽度均为厘米级，优选为1-50cm。

实施例3

本实施例也提供一种波浪形菲涅尔透镜1，与实施例1不同的是，实施例1的波浪形菲涅尔透镜为平板型，而本实施例中的波浪形菲涅尔透镜为弧形，如图4所示，两种结构的透镜应用场景不同。

本实施例采用如图5所示的曲面线性菲涅尔透镜3切割并拼接成：

S10. 切割线性菲涅尔透镜

将曲面线性菲涅尔透镜3沿其宽度方向进行切割，切割成第1,2,3，...，L-1,L片宽度相同的线性菲涅尔透镜片，如图5所示。值得说明的是，本实施例中的线性菲涅尔透镜即为普通的曲面线性菲涅尔透镜；

S20. 设置偏折角度θ

S30. 拼接一个波节

本领域技术人员可以理解，拼接时将两片线性菲涅尔透镜切割时的切割面进行对接。

S40. 拼接若干个波节

将其余线性菲涅尔透镜片按照步骤S30拼接若干个波节，并将若干个波节沿A方向连接在一起；即沿着A方向延伸布置若干个波节，形成如图4所示的波浪形菲涅尔透镜。

值得说明的是，以上实施例2和3中，波浪形菲涅尔透镜均是采用将线性菲涅尔透镜切割后拼接组成，而实际上，采用一次性压铸成型的方法制备本申请的波浪形菲涅尔透镜也是可以的，这种情况下，线性菲涅尔透镜片的宽度可以设置为毫米级或亚毫米级，优选为1-10mm。

实施例4

本实施例采用实施例3的波浪形菲涅尔透镜与CPC聚光器4组合成聚光系统，如图6和图7所示，并对该系统进行仿真计算其聚光效率，结果如表1所示，当纵向入射角度为0°、10°、20°、30°、40°、50°、60°、70°时，聚光效率分别为80.13%、68.50%、71.73%、66.26%、53.41% 、46.89%、29.43%、13.43%。

表1. 采用波浪形菲涅尔透镜与CPC聚光器在不同入射角度下的聚光效率

角度	0°	10°	20°	30°	40°	50°	60°	70°
									效率	80.13%	68.50%	71.73%	66.26%	53.41%	46.89%	29.43%	13.43%

而当直接采用曲面线性菲涅尔透镜与CPC聚光器组合成聚光系统，当纵向入射角度为0°、2.5°、5°、7.5°、10°、12.5°、15°时聚光效率分别37.8%、37.75%、36.5%、34.58%、34.54%、31.6%，大于15°时的聚光效率已经非常低，结果如表2所示。

表1. 采用曲面线性菲涅尔透镜与CPC聚光器在不同入射角度下的聚光效率

角度	0°	2.5°	5°	7.5°	10°	12.5°	15°
								效率	76.84%	37.8%	37.75%	36.5%	34.58%	34.54%	31.6%

由此可以看出，采用传统的线性菲涅尔透镜在10°入射角度时的聚光效率已经由垂直入射的76.84%下降到了34.58%，下降了超过50%，而在大于15°的角度入射时，聚光效率已经下降到非常低的程度。而本发明的波浪形菲涅尔透镜在10°入射角度时的聚光效率还有68.50%，入射角偏移到50°时，还有46.89%的聚光效率，聚光效率的下降仍未超过50%；而在70°以上的偏移角时，聚光效率才显著降低。由此可以看出，本发明的波浪形菲涅尔透镜能够显著提聚光透镜的有效聚焦角度范围，对于太阳光的聚能上，有效工作时间得到大幅提升。

这是由于，太阳光在大角度入射时，波浪形的迎光线一侧波浪形菲涅尔透镜的夹角较小，且不会照射到背光一侧的透镜上，因此可以形成较理想的聚光效果。

本发明中，由于每一个线性菲涅尔透镜片都有一个传统菲涅尔透镜的完整截面，波节在A方向的延伸只是增加了透镜的整体尺寸，并不影响整个波浪形菲涅尔透镜的聚焦位置，因此本发明的波浪形菲涅尔透镜可以在A方向一直延伸设置多个波节，便于做大聚光镜的尺寸，而不像背景技术提到的第二和第三个背景技术中采用的技术方案那样对透镜的尺寸受到限制。

对于增加波节这种情况，只需要相应地增加聚光设备的尺寸即可，聚光设备的位置并不需要变化，如图7所示，若波浪形菲涅尔透镜1的波节增加，只需相应地增加CPC聚光器的长度即可。

同时，本发明的波浪形菲涅尔透镜由于波浪形的设置，直接提高了空间面积的利用效率。

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

1.一种波浪形菲涅尔透镜，其特征在于，包括若干个波节，所述若干个波节周期性排列；

每个所述波节包括第一线性菲涅尔透镜片（10）和第二线性菲涅尔透镜片（11）；所述第一线性菲涅尔透镜片（10）和所述第二线性菲涅尔透镜片（11）镜像对称；

所述第一线性菲涅尔透镜片（10）的宽度方向与波节排列方向具有一个偏折角θ；

所述第一线性菲涅尔透镜片（10）和所述第二线性菲涅尔透镜片（11）的锯齿结构中锯齿的轴线方向为宽度方向。

2.根据权利要求1所述的一种波浪形菲涅尔透镜，其特征在于，所述偏折角θ的取值范围为10~40°。

3.根据权利要求2所述的一种波浪形菲涅尔透镜，其特征在于，所述偏折角θ的取值范围为20~30°。

4.根据权利要求1所述的一种波浪形菲涅尔透镜，其特征在于，所述所述第一线性菲涅尔透镜片（10）和所述第二线性菲涅尔透镜片（11）均为平面线性菲涅尔透镜或均为曲面线性菲涅尔透镜。

5.根据权利要求1-4任一所述的一种波浪形菲涅尔透镜，其特征在于，所述波浪形菲涅尔透镜采用一次性压铸成型，或采用线性菲涅尔透镜切割后拼接。

6.根据权利要求5所述的一种波浪形菲涅尔透镜，其特征在于，

当采用一次性压铸成型时，所述第一线性菲涅尔透镜片（10）的宽度为1-10mm；

7.一种波浪形菲涅尔透镜的制备方法，用于制备如权利要求1-4任一所述的一种波浪形菲涅尔透镜，其特征在于，包括以下步骤：

S10. 切割线性菲涅尔透镜；

S20. 设置偏折角度θ；

S30. 拼接一个波节；

；

S40. 拼接若干个波节；

8.根据权利要求7所述的一种波浪形菲涅尔透镜的制备方法，其特征在于，所述步骤S10中，所述线性菲涅尔透镜片的宽度为1-50cm。

9.根据权利要求7所述的一种波浪形菲涅尔透镜的制备方法，其特征在于，所述偏折角度θ根据使用时光的入射角度范围进行选择。