CN202581855U - 利用嵌套圆锥环面的全周向辐射接受聚光器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种利用嵌套圆锥环面的全周向辐射接受聚光器，由环形会聚透镜板、环形发散透镜板、反射板、集热管、框架组成。环形会聚透镜板设置1个中心会聚透镜和多个环形会聚透镜，环形发散透镜板上设置1个中心发散透镜和多个环形发散透镜，反射板嵌套设置多个圆锥环反射面；太阳入射光线通过环形会聚透镜和对应的环形发散透镜的聚光，形成聚光平行光线，再经过圆锥环反射面的反射，形成与中心轴垂直的聚光径向光线，并全部射向中心轴处集热管的表面。该装置能全面接受聚光辐射，集热管设置在聚光器的后方，不会产生遮挡阴影，聚光辐射接受处与太阳光入射接受面之间的距离小，加工难度低，聚光辐射功率高，有利于形成更高的聚光温度。
Description
技术领域
本实用新型涉及太阳能利用技术领域，特别是涉及一种对太阳光进行聚光利用的光学装置。
背景技术
太阳能是一种清洁无污染的可再生能源，取之不尽，用之不竭，充分开发利用太阳能不仅可以节约日益枯竭的常规能源，缓解严峻的资源短缺问题，而且还可以减少污染，保护人类赖以生存的生态环境。
在众多的太阳能利用技术中，最为常见的有太阳能光伏发电、太阳能热发电、太阳能热水器等。目前，在太阳能光伏发电中，绝大多数采用的是硅电池片的光伏发电技术，而硅电池片只将到达地面的太阳能的15%左右的能量转换为电能，太阳能的利用效率总体还是比较低的。
太阳能光热发电技术中，主要是先对太阳光进行聚光，达到中高温后，再利用其热量进行发电。包括太阳能光伏发电技术在内，目前的聚光技术主要有反射式聚光和透射式聚光两类。反射式聚光主要有塔式、碟式、槽式、和线性菲涅尔四种形式。透射式聚光主要采用普通的圆弧面透镜和菲涅尔透镜两种形式。而太阳能是一种能量密度比较低的资源，因此要求无论是反射式聚光还是透射式聚光，都要求将采光面积设置的比较大。而普通的圆弧面透镜要做得比较大时，其工艺成本就会直线上升，尤其是重量太大，一般只在天文望远镜等特殊场合使用。
菲涅尔透镜的面积做得比较大时，也存在加工工艺难、成本过高的问题。菲涅尔透镜还具有较大的光学损失，大致可以分为反射损失、吸收损失、工艺性损失以及结构损失，其中工艺性损失是由于透镜成型对理想透镜轮廓进行修改而导致部分光线发散引起的光学损失,比如脱模锥度、圆角等。结构损失是由于菲涅尔透镜采用棱镜元组成的不连续曲面取代一般透镜的连续球面而导致部分光线发散引起的光学损失。例如，对于平面朝外的菲涅尔透镜，由于楞高会遮挡部分折射光线，使得从第二楞开始就出现部分透射光发散。对于平面朝内的菲涅尔透镜，当透镜焦距小于某临界值时，出射界面上入射角大于其全反射角，使透射光不能到达设定的焦斑范围内而损失。同时，菲涅尔透镜的焦径比通常控制在0.8—1.4之间，在透镜与聚光点之间有较大空间，从而加大了支架或框架的尺寸，从而使成本升高。
槽式热发电是最早实现商业化的太阳能热发电系统。它采用大面积的槽式抛物面反射镜将太阳光聚焦反射到集热真空管上。通过管内热载体将水加热成蒸汽，同时在热转换设备中产生高压、过热蒸汽，然后送入常规的蒸气涡轮发电机内进行发电。但是采用槽式发电对太阳能进行聚光时，集热真空管会在抛物反射面上形成遮挡阴影，使集热真空管上有一部分不能接受到聚光辐射。集热真空管背朝抛物聚光器的一面，还会将一部分能源辐射出去。由于集热真空管管路很长，使能量损失较大，使内部导热油传热工质的运行温度只能达到400 °C左右，只能停留在中温阶段，从而限制了太阳能槽式热发电的效率。
发明内容
为了克服上述圆弧面透镜、菲涅尔透镜以及槽式抛物面反射镜等聚光器存在的缺点和不足，本实用新型提供一种利用嵌套圆锥环面的全周向辐射接受聚光器，能够全面接受聚光辐射而不存在遮挡和阴影，没有像菲涅尔透镜折射楞圆角产生的工艺性损失和结构损失，聚光辐射接受处与太阳光入射接受面之间的距离更小，加工难度降低，聚光辐射功率高，有利于形成更高的聚光温度。
本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：
本实用新型是一种利用嵌套圆锥环面的全周向辐射接受聚光器，由环形会聚透镜板、环形发散透镜板、反射板、集热管、框架组成。环形会聚透镜板、环形发散透镜板和反射板通过框架固定安装。环形发散透镜板位于环形会聚透镜板和反射板中间，环形会聚透镜板朝向太阳入射光线；集热管为圆柱形，安装在反射板中心，紧临环形发散透镜板出射光侧。
环形会聚透镜板朝向太阳入射光线的一侧为平面；出射一侧设置1个中心会聚透镜和n个环形会聚透镜，其中n≥2；环形发散透镜板上设置1个中心发散透镜和n个与环形会聚透镜相对应的环形发散透镜；
反射板嵌套设置n个与环形会聚透镜和环形发散透镜相对应的圆锥环反射面；经过中心轴的剖面与任一圆锥环反射面的交线和中心轴间的夹角为45°；环形会聚透镜、环形发散透镜、圆锥环反射面和集热管通过中心轴共轴对称，中心轴垂直于环形会聚透镜板的上表面平面。
每个环形会聚透镜和对应的环形发散透镜、圆锥环反射面形成一组聚焦和反射关系；平行于中心轴的太阳入射光线通过环形会聚透镜和对应的环形发散透镜的聚光，形成聚光平行光线，再经过圆锥环反射面的反射，形成与中心轴垂直的聚光径向光线，并全部射向集热管的表面；中心会聚透镜和中心发散透镜通过中心轴形成一组聚焦关系，将太阳入射光线形成聚光平行光线后，射向集热管的端部，从而使到达环形会聚透镜板表面的全部太阳入射光线通过聚焦和反射汇聚至集热管的表面。环形会聚透镜的上表面在同一平面，与中心轴之间的半径不同但具有相同的焦距，每个环形会聚透镜形成的聚焦环的直径不同，但位于同一平面；每个环形会聚透镜的宽度相同，并等于中心会聚透镜的直径。
环形会聚透镜和环形发散透镜采用平滑弧面制作，不会产生制造菲涅尔透镜时的工艺性损失和结构损失，降低了制造的难度，提高了太阳能利用率；环形会聚透镜和环形发散透镜组合形成聚光平行光线的空间尺寸更小。
由环形会聚透镜、环形发散透镜和圆锥环反射面形成的聚光径向光线，使集热管的周向都可以接受到聚光辐射，集热管的表面积越小，则聚光辐射功率越高，越有利于形成更高的聚光温度。
集热管接受聚光辐射的轴向长度L为：
L= n×w， 其中，n≥2，表示环形会聚透镜的数量，w是聚光平行光线和聚光径向光线的宽度；
环形会聚透镜板总直径D为：
D=d×（2n+1），其中：d>0，是环形会聚透镜的宽度，也是中心会聚透镜的直径;
根据几何与光学常识可知，本实用新型提供一种利用嵌套圆锥环面的全周向辐射接受聚光器的最小厚度h为：h=f+ n×w ，其中，f为环形会聚透镜板和环形发散透镜板之间的外尺寸。聚焦接受处与太阳光入射接受面之间的距离很小，远小于普通菲涅尔透镜的焦径比0.8—1.4。
由几何和光学知识可知，当n个环形会聚透镜的宽度相同，并等于中心会聚透镜的直径时，第i+1个与第i个环形会聚透镜的面积比为：（i+1）/i，其中i、n为整数，且1≤i≤(n-1), n≥2;每个环形会聚透镜形成的相应聚光辐射对应在集热管周向表面w的长度范围内；因此，第i+1个与第i个环形会聚透镜在集热管周向表面形成的聚光辐射强度之比也为：（i+1）/i。
本实用新型的有益效果是：能全面接受聚光辐射，集热管设置在聚光器的后方，不会产生遮挡阴影，聚光辐射接受处与太阳光入射接受面之间的距离更小，加工难度降低，聚光辐射功率高，有利于形成更高的聚光温度。
附图说明
图1是现有技术的槽式热发电的原理示意图。
图2是现有技术的槽式热发电的聚光剖面示意图。
图3是本实用新型的立体剖面结构示意图。
图4是本实用新型的中心轴剖面结构及部分光路示意图。
图5是本实用新型中单个环形会聚透镜的立体结构示意图。
图6是本实用新型中单个环形会聚透镜的轴向剖面结构示意图。
图7是本实用新型中多个环形会聚透镜的立体结构示意图。
图8是本实用新型中多个环形会聚透镜的轴向剖面结构示意图。
图9是本实用新型的聚光原理与结构示意图。
图10是本实用新型的部分光路示意图。
图11是本实用新型的轴向剖面光路结构示意图。
图12是本实用新型的环形会聚透镜与集热管接受聚光辐射对应关系示意图。
图中标号说明如下：
1-槽式抛物反射面、2-集热真空管、3-太阳入射光线、4-反射面遮挡区、5-集热管遮挡区、6-集热管热辐射线、7-聚光平行光线、8-聚光径向光线、9-中心会聚透镜、10-中心发散透镜、11-环形会聚透镜板、12-环形会聚透镜、13-环形发散透镜板、14-环形发散透镜、15-反射板、16-圆锥环反射面、17-集热管、18-框架、19-中心轴、20-光路中心线、21-聚焦环。
具体实施方式
如图1、图2所示，在现有技术中，槽式热发电的槽式抛物反射面1将太阳入射光线3聚焦反射到集热真空管2上。集热真空管2会在槽式抛物反射面1上形成反射面遮挡区4，使集热真空管2上形成集热管遮挡区5，从而使集热真空管2的一部分不能接受到聚光辐射。集热真空管2背朝抛物聚光器的一面，通过集热管热辐射线6，将一部分能源辐射出去。
如图3、图4所示，本实用新型提供一种利用嵌套圆锥环面的全周向辐射接受聚光器，由环形会聚透镜板11、环形发散透镜板13、反射板15、集热管17、框架18组成。环形会聚透镜板11、环形发散透镜板13和反射板15通过框架18固定安装。环形发散透镜板13位于环形会聚透镜板11和反射板15中间，环形会聚透镜板11朝向太阳入射光线3；集热管17为圆柱形，安装在反射板15中心，紧临环形发散透镜板13出射光侧；
环形会聚透镜板11朝向太阳入射光线3的一侧为平面，以方便清洁，防止积存灰尘；出射一侧设置1个中心会聚透镜9和n个环形会聚透镜12，其中n≥2；环形发散透镜板13上设置1个中心发散透镜10和n个与环形会聚透镜12相对应的环形发散透镜14；
反射板15嵌套设置n个与环形会聚透镜12和环形发散透镜14相对应的圆锥环反射面16；经过中心轴19的剖面与任一圆锥环反射面16的交线和中心轴19间的夹角为45°；环形会聚透镜12、环形发散透镜14、圆锥环反射面16和集热管17通过中心轴19共轴对称，中心轴19垂直于环形会聚透镜板11的上表面平面。
如图4所示，每个环形会聚透镜12和对应的环形发散透镜14、圆锥环反射面16通过光路中心线20形成一组聚焦和反射关系；平行于中心轴19的太阳入射光线3通过环形会聚透镜12和对应的环形发散透镜14的聚光，形成聚光平行光线7，再经过圆锥环反射面16的反射，形成与中心轴19垂直的聚光径向光线8，并全部射向集热管17的表面；中心会聚透镜9和中心发散透镜10通过中心轴19形成一组聚焦关系，将太阳入射光线3形成聚光平行光线7后，射向集热管17的端部，从而实现将到达环形会聚透镜板11表面的全部太阳入射光线3通过聚焦和反射汇聚至集热管17的表面。
如图5、图6所示，环形会聚透镜12以中心轴19为旋转对称轴，太阳入射光线3与中心轴19平行入射时，经环形会聚透镜12聚焦后，会形成聚焦环21。
如图7、图8所示，每个环形会聚透镜12位于同一平面，与中心轴19之间的半径不同但具有相同的焦距，每个环形会聚透镜12形成的聚焦环21的直径不同，但位于同一平面。
如图9所示，宽度为d的环形会聚透镜12形成聚焦环21，与环形发散透镜板13上的环形发散透镜14的虚聚焦环完全重合；根据光学常识可知，太阳入射光线3经过环形会聚透镜12的聚焦，再经过环形发散透镜14的发散，形成平行于中心轴19的宽度为w的聚光平行光线7，其中，d>w>0；环形会聚透镜12和环形发散透镜14采用平滑弧面制作，不会产生制造菲涅尔透镜时的工艺性损失和结构损失，降低了制造的难度，提高了太阳能利用率；环形会聚透镜12和环形发散透镜14组合，在环形会聚透镜12和聚焦环21之间的位置上形成聚光平行光线7，环形会聚透镜板11和环形发散透镜板13之间的外尺寸f，小于环形会聚透镜12的焦距F，即f<F，因此这种结构可以减小形成聚光平行光线7的空间尺寸。
如图10所示，太阳入射光线3经过一组对应的环形会聚透镜12和环形发散透镜14，形成聚光平行光线7，再经过对应的圆锥环反射面16的反射，形成聚光径向光线8，汇聚至集热管17表面，使集热管17的周向都可以接受到聚光辐射，集热管17的表面积越小，则聚光辐射功率越高，越有利于形成更高的聚光温度。
如图11所示，集热管17接受聚光辐射的轴向长度L为：
L= n×w， 其中，n≥2，表示环形会聚透镜12的数量，w是聚光平行光线7和聚光径向光线8的宽度；
环形会聚透镜板11表面的直径D为：
D=2×（n×d+(d/2)）=d×（2n+1），其中：d>0;
根据几何与光学常识可知，本实用新型提供一种利用嵌套圆锥环面的全周向辐射接受聚光器的最小厚度h为：h=f+ n×w ，其中，f为环形会聚透镜板11和环形发散透镜板13之间的外尺寸；
当d=50mm,F=50,f=40mm,w=5mm,n=10,a=50mm时，焦径比F/d=1，环形会聚透镜板11的直径D为：D= d×（2n+1）=50×（2×10+1）=1050mm；
厚度h为：h=f+ n×w=40+10×5=90mm，聚焦接受处与太阳光入射接受面之间的距离非常小；
厚度h与直径D的比R为：R=h/D=90/1050≈0.086；远小于普通菲涅尔透镜的焦径比0.8—1.4。
如图12所示，由几何和光学知识可知，当n个环形会聚透镜12的宽度相同，并等于中心会聚透镜9的直径时，第i+1个与第i个环形会聚透镜12的面积比为：（i+1）/i，其中i、n为整数，且1≤i≤(n-1), n≥2;每个环形会聚透镜12形成的相应聚光辐射对应在集热管17周向表面w的长度范围内；因此，第i+1个与第i个环形会聚透镜12在集热管17周向表面形成的聚光辐射强度之比也为：（i+1）/i。
Claims (4)
1.一种利用嵌套圆锥环面的全周向辐射接受聚光器，由环形会聚透镜板(11)、环形发散透镜板(13)、反射板(15)、集热管(17)、框架(18)组成，环形会聚透镜板(11)、环形发散透镜板(13)和反射板(15)通过框架(18)固定安装，其特征在于：环形发散透镜板(13)位于环形会聚透镜板(11)和反射板(15)中间，环形会聚透镜板(11)朝向太阳入射光线(3)；集热管(17)为圆柱形，安装在反射板(15)中心，紧临环形发散透镜板(13)出射光侧；环形会聚透镜板(11)朝向太阳入射光线(3)的一侧为平面；出射一侧设置1个中心会聚透镜(9)和n个环形会聚透镜(12)，其中n≥2；环形发散透镜板(13)上设置1个中心发散透镜(10)和n个与环形会聚透镜(12)相对应的环形发散透镜(14)；反射板(15)嵌套设置n个与环形会聚透镜(12)和环形发散透镜(14)相对应的圆锥环反射面(16)；经过中心轴(19)的剖面与任一圆锥环反射面(16)的交线和中心轴(19)间的夹角为45°；环形会聚透镜(12)、环形发散透镜(14)、圆锥环反射面(16)和集热管(17)通过中心轴(19)共轴对称，中心轴(19)垂直于环形会聚透镜板(11)的上表面平面；每个环形会聚透镜(12)位于同一平面，与中心轴(19)之间的半径不同但具有相同的焦距，每个环形会聚透镜(12)形成的聚焦环(21)的直径不同，但位于同一平面；每个环形会聚透镜(12)的宽度相同，并等于中心会聚透镜(9)的直径。
2.根据权利要求1所述的利用嵌套圆锥环面的全周向辐射接受聚光器，其特征在于：每个环形会聚透镜(12)和对应的环形发散透镜(14)、圆锥环反射面(16)形成一组聚焦和反射关系；平行于中心轴(19)的太阳入射光线(3)通过环形会聚透镜(12)和对应的环形发散透镜(14)的聚光，形成聚光平行光线(7)，再经过圆锥环反射面(16)的反射，形成与中心轴(19)垂直的聚光径向光线(8)，并全部射向集热管(17)的表面；中心会聚透镜(9)和中心发散透镜(10)通过中心轴(19)形成一组聚焦关系，将太阳入射光线(3)形成聚光平行光线(7)后，射向集热管(17)的端部。
3.根据权利要求1所述的利用嵌套圆锥环面的全周向辐射接受聚光器，其特征在于：集热管(17)接受聚光辐射的轴向长度L为：L＝n×w，其中，n≥2，表示环形会聚透镜(12)的数量，w是聚光平行光线(7)和聚光径向光线(8)的宽度。
4.根据权利要求1所述的利用嵌套圆锥环面的全周向辐射接受聚光器，其特征在于：n个环形会聚透镜(12)的宽度相同，且等于中心会聚透镜(9)的直径，第i+1个与第i个环形会聚透镜(12)在集热管(17)周向表面形成的聚光辐射强度之比为：(i+1)/i，其中i、n为整数，且1≤i≤(n-1)，n≥2。
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Assignee: Xinjiang Yijin Energy Technology Co., Ltd. Assignor: Qu Rui Contract record no.: 2013650000005 Date of cancellation: 20140411 |
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| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20180801 Address after: 830011, 4 floor, grand view building, 81 Central South Road, Urumqi, the Xinjiang Uygur Autonomous Region Patentee after: Xinjiang Sunshine Electric Communication Technology Co., Ltd. Address before: 830000 Room 502, unit 2, building 2, Huamei Wen Xuan District, Kashi East Road, Urumqi, the Xinjiang Uygur Autonomous Region. Patentee before: Qu Rui |
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| TR01 | Transfer of patent right | ||
| CX01 | Expiry of patent term |
Granted publication date: 20121205 |
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| CX01 | Expiry of patent term |