CN1215175A - 系列台阶式太阳能折射聚光镜片 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一个系列的太阳能折射聚光镜片。它的应用将开拓出新一类太阳能设备——折射聚光式设备,拓宽太阳能的应用领域。此系列折射聚光镜片的特点是都采用多层台阶式的内剖面。镜片的外表面可为单球面或组合球面,也可为单圆柱面或组合圆柱面。球面镜片可将太阳光汇集在很小的圆形面积上,柱面镜片可将阳光汇集在一条直线上。镜片平均厚度为几毫米。大大减轻了镜片重量。本系列聚光镜片可根据需要制成截光面积很大的镜片,形成很大集光功率。大型镜片可制成多片拼装。

Description

系列台阶式太阳能折射聚光镜片

本发明型涉及一个系列的工业和民用太阳能设备的折射聚光镜片。

现有的太阳能设备可分两类，一类是直射吸收式设备，如太阳能热水器、太阳能电池等，另一类是反射聚焦式设备，如抛物面反射太阳能灶。

太阳能热水器等直射吸收式设备，因不能把太阳光汇集起来，所以不能形成高温，无法将水烧开，更不能进行蒸煮等厨房制作。太阳能电池因造价较高，现在还不能全面推广。抛物面反射聚焦式设备虽能将阳光汇集起来形成高温，但这种设备体积大，造价较高，效率低，使用寿命短，而且聚焦点在抛物面上方，离地面较高，操作不便，使抛物面不宜做得很大。

本发明型将开拓出利用太阳能的第三类设备——折射聚光式太阳能设备。系列台阶式太阳能折射聚光镜片是这类设备的核心部件。

本发明型系列折射聚光镜片的特点是：都采用台阶式内剖面结构，使镜片的平均厚度变得很薄(几毫米)，重量大大减轻(约在非台阶同种镜片的3％以下)，而且聚光效果更佳。因它重量轻，此类镜片的截光面积可以做得很大，如几平方米，几十平方米，几百平方米甚至更大。因在地球表面与阳光垂直的1平方米面积上，太阳光的功率约为1千瓦，所以此类镜片接收的太阳光的功率可达几千瓦，几十千瓦，几百千瓦甚至更大，可以适应各种民用和工业用(如太阳能发电等)太阳能设备的需要。由于制造此类镜片可不用较贵重的光学玻璃，而用普通民用白玻璃或透明塑料制造，因此可使造价大大降低，便于推广。对于大型镜片可制成多片拼装，且它的聚焦点在镜片下方，使制造、安装、操作都很简便。

现对本发明型结合附图，分类说明如下。

图1为本发明型之一——台阶式单球面折射聚光镜片示意图。

图2为本发明型之二——变台阶角度式单球面折射聚光镜片示意图。

图3为台阶角度计算的原理图。

图4为本发明型之三——台阶式组合球面折射聚光镜片示意图。

图5为组合球面设计原理图。

图6为本发明型之四——台阶式柱面折射聚光镜片示意图。

如图1所示为本发明型之——台阶式单球面折射聚光镜片示意图。本图为纵剖图，其中MO＇N为以O点为球心的球面，OO＇为其中央轴线。其内剖面由多层直角台阶组成，AA＇、BB＇、CC＇……均为环形平面，并都跟中央轴线OO＇垂直。aa＇、bb＇、cc＇……为半径不同的圆柱面，这些圆柱面有共同的轴线-OO＇。下表面MO＇N是以O为球心的球面。当有平行于OO＇的阳光入射时，每条光线都跟环形平面垂直，不改变方向地进入镜片的介质中，并在球面上发生折射，形成会聚光束。由于受球差的影响，离中央轴线越远的光线汇集点离O＇点越近，但可以在光束截面积最小的PQ面上收集光能。

此种台阶式聚光镜片，留厚越薄，台阶高度越小重量越轻。一台两平方米的玻璃折射聚光镜片，如果设计焦距为2.5米，不采用台阶式结构时，其重量约为760公斤。若采用台阶式结构，每3毫米一个台阶，留厚2毫米，其重量约为19公斤，是原重的2.5％。

上述台阶式单球面折射聚光镜片适应于球差影响小的大半径球面的长焦距镜片。对于短半径球面短焦距镜片，由于镜片边缘入射光在球面上的入射角较大，球差影响也大，光的反射损失也大，甚至发生全反射，使光能无法收集。解决这一问题有两种方法，一种是改直角台为钝角台阶，从中央向外依次增大台阶环形上面的下倾角度，从而使光线在球面上的入射角减小。另一种方法是仍采用直角台阶，但镜片下表面采用组合球面，由中央向外分段增大球面半径，也使球面处的入射角减小。

图2是本发明型之二——变台阶角度式单球面折射聚光镜片示意图。由内向外台阶角度依次增大，台阶的倾角可由折射定律逐一算出。图3为台阶角度计算原理图。

在图3中，OF为镜片中央轴线，α为台阶上环面与中央轴线垂线的夹角，即台阶下倾角，R为球面半径，F为要求光线的汇集点，PQ为台阶上环面的法线，a为光线在球面上的入射角，β为折射角。当光线平行于中央轴线入射时，在此台阶的入射角亦为α，折射角为(α-b)。

在计算某一台阶的下倾角α时，首先在此台阶正下方所对应的圆弧线中央，确定球面上的一点A，过A点作中央轴线的垂线AB，设AB长为X，BF长为Y，测出X和Y，即可分别求得半径OA和折射光线AF与中央轴线的夹角θ和φ(R已知)。由图3知，β=θ+φ，若镜片材料的折射率为n，由 $n=\frac{\mathrm{Sin\β}}{\mathrm{Sina}}$ 可求得角α，由β=a+b和 $n=\frac{\mathrm{Sin\α}}{\mathrm{Sin}(\mathrm{\α}-b)}$ 可求得： $\mathrm{Sin\α}=\frac{\mathrm{nSin}(\mathrm{\θ}-a)}{\sqrt{n^2+1-2\mathrm{nCos}(\mathrm{\θ}-a)}}$

由此式可求得该台阶的下倾角α，此台阶的钝角值即为(90°+α)，各台阶的角度求法相同。设计时也可将临近的几个台阶取相同的下倾角。

图4为本发明型之三——台阶式组合球面折射聚光镜片示意图。中央CD部分为半径是R₁的球面，BC、DE部分为半径是R₂的环形球面，AB、BF部分为半径是R₃的环形球面，且R₃＞R₂＞R₁。各球面球心都在中央轴线上。组合球面的个数可根据聚光面积大小的需要确定，由透镜中夹向外，各环形球面的宽度要依次减小。环形球面越多，越窄，聚光面积越小。

图5为组合球面设计原理图。设计各球面前，首先画出中央球面

MO’N折射光路图，入射平行光线要画得等距且尽量密些，并由折射定律计算出各条光线的折射角，根据折射角画出各条折射会聚光线的分布，由其分布选定光线最佳汇集范围AB(光线最佳汇集范围应选在会聚光线分布最集中的位置，此范围选得越小，各球面越窄)。观察各折射光线，若发现C点折射光线恰通过A点，则由C点作中央轴线的垂线CD，设CD=X，DB=Y，测出X和Y值，并作直线CB，由X、Y值即可求出CB与中央轴线的夹角φ。因C点对应新球面的折射角β=φ+θ(θ为入射角)，若镜片材料的折射率为n，则有： $n=\frac{\mathrm{Sin}(\mathrm{\Φ}+\mathrm{\θ})}{\mathrm{Sin\θ}}$ ，可求得： $\mathrm{Sin\θ}=\frac{\mathrm{Sin\Φ}}{\sqrt{n^2+1-2\mathrm{nCos\Φ}}}$ ，再由 $R_2=\frac{X}{\mathrm{Sin\θ}}$ 求得R2。然后以C为圆心以R₂为半径画弧交中央轴线于O₂点。再以O₂点为圆心，以R₂为半径画出圆弧CE与CO’N相接。再画出CE球面折射光线分布图，找出折射光线过A点的D点，CD即为一个组合球面。CD外侧的球面求法跟此法相同。

对于长条形受热面的太阳能设备(如真空管式铝氮铝膜太阳能热水器)，可将上述圆形折射聚光镜片变形为另一种新样一本发明型之四——台阶式柱面折射聚光镜片，如图6所示。这种镜片的轴线垂直横截面可跟图1、图2、图4、图6中的任一种相同，但内部为多层与轴线平行的直角台阶或变角度的钝角台阶，外部为单圆柱面或组合圆柱面。此种聚光镜片可将平行光汇集于曲面下方一条与柱面轴线平行等长的狭长平面上，以利于长直受热面的接收。用此种镜片的太阳能热水器，可只用一根稍粗些的真空铝氮铝膜管，并会很快将水烧开，使它变为太阳能开水器。也可设想用此种镜片多片衔接成很长的柱面，形成很长的聚焦线，在聚焦线上设置长受热管，让冷水由一端流入，另一端即可流出的开水。或为民用或为工业用，如太阳能发电。

本发明型配合太阳自动跟踪系统使用最佳。

Claims (4)

1、一个系列的太阳能设备折射聚光镜片，可分为台阶式单球面折射聚光镜片、台阶式组合球面折射聚光镜片、变台阶角度式单球面折射聚光镜片和台阶式柱面折射聚光镜片。其中台阶式柱面折射聚光镜片，按其柱面特点和台阶特点，又可分为台阶式单圆柱面折射聚光镜片、台阶式组合圆柱面折射聚光镜片和变台阶角度式单圆柱面折射聚光镜片。此系列折射聚光镜片其特征在于都有台阶式的内剖面，或为多层直角台阶或为由中央向外依次增大的多层钝角台阶。其外表面可分为单球面、组合球面和柱面，其中柱面又可分为单圆柱面和组合圆柱面。组合球面个数和组合圆柱面个数不限。各镜片都可整片制造，或制成多片拼装。

2、根据权利要求1所述，本发明型系列折射聚光镜片的特征在于内剖面都为多层台阶式构造。可分为多层直角台阶和由中央向外角度依次增大的多层钝角台阶。

3、根据权利要求1所述，本发明型系列折射聚光镜片，其特征在于外表面可为单球面、组合球面或为单圆柱面和组合圆柱面。其中组合球面个数和组合圆柱面个数不限。

4、根据权利要求1所述，本发明型系列折射聚光镜片都可整片制造，也都可制成多片拼装。

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