CS218367B1

CS218367B1 - Linear Fresnel lens

Info

Publication number: CS218367B1
Application number: CS189981A
Authority: CS
Inventors: Miroslav Maly; Bohumil Nabelek; Jaroslav Cerny; Jaroslav Hajfler; Karel Jaska; Josef Tuma
Original assignee: Miroslav Maly; Bohumil Nabelek; Jaroslav Cerny; Jaroslav Hajfler; Karel Jaska; Josef Tuma
Priority date: 1982-01-11
Filing date: 1982-01-11
Publication date: 1983-02-25

Abstract

Vynález se týká kolektorů slunečního záření pro využití sluneční energie k ohřevu vody něho jiné kapaliny. Řeší je geometrické uspořádání jednotlivých optických prvků Fresnelovy čočky za účelem umožnění její efektivní výroby válcováním skloviny.. Matematickými vztahy mezi rozměry jednotlivých optických prvků lineární Fresnelovy čočky je vyjádřeno uspořádání, při kterém je minimalizováno přemísťování tuh noucí skloviny pod pracovním válcem. Vynález je možno využít ve sklářském průmyslu při hromadné výrobě lineárních Fresnelových čoček válcováním.The invention relates to solar collectors for using solar energy to heat water or other liquids. It is solved by the geometric arrangement of individual optical elements of a Fresnel lens in order to enable its efficient production by glass rolling. The mathematical relationships between the dimensions of individual optical elements of a linear Fresnel lens express an arrangement in which the displacement of solid glass under the working cylinder is minimized. The invention can be used in the glass industry in the mass production of linear Fresnel lenses by rolling.

Description

Vynález 'se týká Freisnelovy čočky pro kolektor slunečního záření.The invention relates to a Freisnel lens for a solar collector.

V kolektorch slunečního záření se ohřívá pro použití ve výrobě nebo v domácnosti libovolná kapalina, nejčastěji voda. Za účelem dosažení co nejvyšší výstupní teploty této 'kapaliny se kolektory vybavují optickým koncentrátorem záření, buď zrcadlovým, nebo lámávým. Jako lámávý koncentrátor záření se nejčastěji používá FreSnelova čočka, obvykle lisovaná ze skla nebo z čiré plastické hmoty. Na optické vlastnosti Fresnelovy čočky pro tyto účely jsou kladeny skromné požadavky, neboť jde pouze o to, aby soustředila svazek rovnoběžných paprsků slunečního světla na povrch absorbujícího elementu, jímž prochází ohřívaná kapalina. Těžiště problému spočívá především v nalezení co nejlevnějšího způsobu výroby a dosažení dlouhé funkční životnosti Fresnelovy čočky, neboť u kolektorů slunečního záření přichází v úvahu zpracování mohutných průřezů světelných paprsků — řádově čtverečných metrů nebo i desítek čtverečných metrů. Každé zlevnění výroby, jakož i prodloužení životnosti Fresnelových čoček se zde projeví značným hospodářským účinkem.In solar collectors, any liquid, most often water, is heated for use in production or in the home. In order to maximize the outlet temperature of this liquid, the collectors are equipped with an optical radiation concentrator, either mirror or refractive. The most commonly used refractive radiation concentrator is a FreSnel lens, usually molded from glass or clear plastic. The optical properties of the Fresnel lens for this purpose are subject to modest demands, since it is merely to concentrate the beam of parallel rays of sunlight on the surface of the absorbing element through which the heated liquid passes. The main focus of the problem lies in finding the cheapest method of production and achieving a long functional lifetime of the Fresnel lens, because in solar collectors it is possible to process large cross-sections of light rays - in the order of square meters or even tens of square meters. Any reduction in production as well as an extension of the lifetime of Fresnel lenses will have a significant economic effect.

Zkouškami bylo ověřeno, že životnost Ffésnelových čoček z plastické hmoty je v podmínkách agresivního vnějšího prostředí, zejména v průmyslových oblastech, poměrně nízká. Objevily se proto snahy vyrábět Fresnelovy čočky k těmto účelům ze skla, což je však dosud technologicky dosti náročnou záležitostí. Proces lisování skla neumožňuje zvětšovat rozměry Fresnelovy čočky podle potřeby, neboť omezujícím činitelem je konečná velikost lisovacího nástroje. Nabízí se vyrábět tyto čočky válcováním v dlouhých skleněných pásech, avšak tato technologie dosud neposkytovala upotřebitelné výsledky, protože vysoká členitost povrchu Fresnelovy čočky vyvolává nutnost přemísťování značného objemu tuhnoucí skloviny pod pracovním válcem, v důsledku čehož výsledek není opticky uspokojivý. Z těchto důvodů se dále uvažovalo o aplikaci broušení opticky účinných ploch diamantovým kotoučem, avšak tento postup se ukázal pro daný účel použití neúnosně nákladný.Tests have shown that the durability of plastic Ffésnel lenses is relatively low under aggressive environmental conditions, particularly in industrial areas. Efforts have therefore been made to produce Fresnel lenses for this purpose from glass, but this is still a technologically demanding matter. The glass pressing process does not allow the dimensions of the Fresnel lens to be increased as needed, since the final size of the pressing tool is a limiting factor. It is proposed to produce these lenses by rolling in long glass strips, but this technology has not yet yielded useful results because the high articulation of the surface of the Fresnel lens makes it necessary to move a considerable amount of solidifying glass below the work roll, which results in optically unsatisfactory results. For these reasons, further consideration has been given to the application of diamond wheel grinding of optically effective surfaces, but this process has proved unbearable for the intended use.

Pokud jde o tvarové uspořádání Fresnelovy čočky pro kolektor slunečního záření, byla navržena tzv. lineární FreSnelova čočka, vytvořená 'souměrným seskupením hranolů lámajících rovnoběžný svazek světelných paprsků do ohniskové přímky. V praktickém provedení se ovšem tato přímka zobrazí v důsledku optických aproximací a výrobních nepřesností jako úzký pás koncentrovaného záření dopadající na povrch absorbujícího elementu s ohřívanou kapalinou.Regarding the shape of the Fresnel lens for the solar collector, a so-called linear FreSnel lens was created, formed by a symmetrical grouping of prisms breaking a parallel beam of light rays into a focal line. In a practical embodiment, however, this line is imaged as a narrow band of concentrated radiation incident on the surface of the absorbing element with the heated liquid due to optical approximations and manufacturing inaccuracies.

Cím širší Fresnelovu čočku se podaří vyrobit vcelku, tím vyššího koncentračního poměru se dosáhne a tím vyšší teplotu bude mít povrch absorbujícího elementu. Pro zvýšení tepelného výkonu je možné sestavit několik Fresnelových čoček do společné kolektorové plochy.The wider the Fresnel lens can be made whole, the higher the concentration ratio is reached and the higher the temperature of the absorbing element surface. To increase the heat output, it is possible to assemble several Fresnel lenses into a common collector surface.

Úkolem vynálezu je stanovit geometrické uspořádání optických elementárních hranolů lineární Fresnelovy čočky tak, aby bylo možno tuto čočku vyrábět s dostatečnou přesností kontinuálním válcováním skla, to jest velmi produktivním způsobem. Oproti použití plastické hmoty se tak získají Fresnelovy čočky o vysoké životnosti.SUMMARY OF THE INVENTION The object of the present invention is to determine the geometrical arrangement of optical element prisms of a linear Fresnel lens so that it can be produced with sufficient precision by continuously rolling glass, i.e. in a very productive manner. Compared to the use of plastic, Fresnel lenses of high durability are thus obtained.

Úkolem vynálezu je dále upravit neúčinnou část Fresnelovy čočky, představovanou skloněnými fasetami mezi opticky účinnými lámavými plochami jednotlivých elementárních hranolů tak, aby s využitím totální reflexe a lomu tyto fasety vrhaly paprsky do stran, a sice právě do míst, kde leží ohniskové přímky sousedních Fresnelových čoček, pokud je z nich kolektor Sestaven. Tím se využije 1 energie, která se dosud rozptýlila.It is another object of the present invention to provide an ineffective portion of the Fresnel lens, represented by inclined facets between the optically effective refractive surfaces of individual elementary prisms, so as to use total reflection and refraction to project these facets into the sides. if the collector is assembled. This uses 1 energy that has been dispersed so far.

Předmětem vynálezu je lineární Fresnelova čočka pro kolektor slunečního záření, zejména skleněná, jejíž první plocha je rovinná a geometrické uspořádání vyhovuje vztahu d = h — {[ (h² + f²)^,/2 — v . n]² — (f — v)²}¹-⁴kde:The object of the invention is a linear Fresnel lens for a solar collector, in particular a glass collector, whose first surface is planar and the geometrical arrangement satisfies the relation d = h - {[(h ² + f ² ) ^{, / 2} - v. n] ² - (f - v) ² } ¹ - ⁴ where:

d = šířka elementárního hranolu lineární Fresnelovy čočky, h = vzdálenost vnější hrany elementárního hranolu od optické roviny souměrnosti lineární Fresnelovy čočky, f = ohnisková vzdálenost lineární Fresnelovy čočky, v = výška elementárního hranolu a n = index lomu použitého skla.d = width of the elementary prism of the linear Fresnel lens, h = distance of the outer edge of the elementary prism from the optical plane of symmetry of the linear Fresnel lens, f = focal length of the linear Fresnel lens, v = height of the element prism and n = refractive index of the glass used.

Ve výhodném provedení je tato čočka dále upravena tak, že vrcholový úhel mezi opticky účinnou lárnavou plochou dementárníhio hranolu a rovinou přilehlé fasety alespoň u části elementárních hranolů splňuje podmínku jř nno ' ť [ . _r SÍn (Ci) ' Zj j .In a preferred embodiment, the lens is further arranged such that the apex angle between the optically effective lunar surface of the dementary prism and the plane of the adjacent facet at least at a portion of the elementary prisms satisfies the condition. _r Si (Ci) 'Zj j.

o = 90° — —-—{ω + are sin [-—-— J n ’ kde:o = 90 ° - —-— {ω + are sin [-—-— J where:

, f — h β = are tg---_x sin a a = are tg—— t = rozteč mezi optickými rovinami Sou, , měrnosti sousedních lineárních Fresί nelových čoček., f - h β = are tg --- _x sin and a = are tg—— t = the spacing between the optical planes Sou,, of the proportions of adjacent linear Fresί lenses.

líWliW

Yjgj Na výkresech je znázorněn na obr. 1 axo’ε-nometrický pohled na lineární Fresnelovu čočku se schematicky zachyceným Chodem paprsků, na obr. 2 je v částečném řezu znázorněno geometrické uspořádání lineární Fresnelovy čočky podle vynálezu a na obr. 3 je znázorněna úprava lineární Fresnelovy čočky sloužící k využití energie až doposud rozptýlené.1 is a perspective view of a linear Fresnel lens with schematically captured beam travel, FIG. 2 is a partial cross-sectional view of the geometric arrangement of a linear Fresnel lens according to the invention, and FIG. Fresnel lenses used to use energy so far scattered.

Lineární Fresnelova čočka 1 se výhodně uspořádá podle obr. 1 v kolektoru slunečního záření rovnou plochou proti zdroji záření, tedy proti slunci. Díky tomu odpadne nákladné ruční čištění, neboť rovnou plochu snadno omyjí atmosférické srážky.The linear Fresnel lens 1 is preferably arranged according to FIG. 1 in a solar radiation collector with a flat surface opposite the radiation source, i.e. against the sun. This eliminates the need for costly manual cleaning as the flat surface is easily washed away by atmospheric precipitation.

Na protilehlé optické ploše lineární Fresnelovy čočky 1 jsou válcováním vytvořeny elementární hranoly 2, z výrobních důvodů opatřené rovinnými lámavými plochami 3. V důsledku této optické nepřesnosti se ohnisková přímka rozšíří v úzký pás 4 koncentrovaného záření, jež dopadá na absorbující element ležící v optické rovině 5 souměrnosti. Řešení podle vynálezu ovšem nevylučuje úpravu lineární Fresnelovy čočky 1 se zakřivenými přímkovými lámavými plochami 3 elementárních hranolů 2, což je však pro daný účel zbytečně precizní opatření.On the opposite optical surface of the linear Fresnel lens 1, elementary prisms 2 are formed by rolling, provided with plane refractive surfaces 3 for manufacturing reasons. As a result of this optical inaccuracy, the focal line expands into a narrow concentrated radiation band 4 impinging on the absorbing element lying in the optical plane 5 symmetry. However, the solution according to the invention does not preclude the treatment of a linear Fresnel lens 1 with curved rectilinear refractive surfaces 3 of the element prisms 2, which, however, is an unnecessarily precise measure for this purpose.

Jak je patrno z obr. 2, mění se šířka d elementárního hranolu 2 lineární Fresnelovy čočky 1 v závislosti na vzdálenosti h vnější hrany elementárního· hranolu 2 od optické roviny 5 souměrnosti, a to při zachování konstantní výšky v všech elementárních hranolů 2, jakož i jejich konstantní ohniskové vzdálenosti ř. Vzhledem k tomu, že od optické roviny 5 souměrnosti vzdálenější elementární hranoly 2 mají strmější lámavé plochy 3, musí být v souladu s podstatou tohoto vynálezu užší tak, aby objem ískloviny přemísťované při výrobě válcováním zůstal v mezích, umožňujících získat dostatečně funkční výsledný výrobek.As can be seen from FIG. 2, the width d of the elementary prism 2 of the linear Fresnel lens 1 varies depending on the distance h of the outer edge of the elementary prism 2 from the optical plane of symmetry 5 while maintaining a constant height in all elementary prisms 2. their constant focal lengths l. Since the distal elementary prisms 2 have steeper refractive surfaces 3 from the optical plane of symmetry 5, they have to be narrower in accordance with the invention so that the volume of the alumina transferred during production by rolling remains within limits a sufficiently functional end product.

Jak je potrno z obr. 3, je výhodné upravit lineární Fresnelovu čočku 1 podle vynálezu dále tak, aby skloněné fasety 6 mezi jednotlivými elementárními hranoly 2 s využitím totální reflexe i lomu vrhaly paprsky do stran, a to právě do míst, kde leží ohniskové přímky Fz sousedních lineárních Freisnelových čoček 1.As shown in Fig. 3, it is advantageous to provide the linear Fresnel lens 1 according to the invention further such that the inclined facets 6 between the individual prisms 2, using total reflection and refraction, throw beams laterally, just where the focal lines lie Fz adjacent linear Freisnel lenses 1.

Tato úprava se ovšem může týkat jen části elementárních hranolů 2 a jim příslušných faset 6. Na zbývajícím povrchu lineární Fresnelovy čočky 1, na kterém se zmíněná úprava neprovede, dojde k rozptýlení zářivé energie u dosud známých provedení Fresnelových čoček.However, this treatment may only apply to a portion of the prisms 2 and their respective facets 6. On the remaining surface of the linear Fresnel lens 1 on which the treatment is not carried out, the radiant energy is dissipated in the prior art Fresnel lenses.

Lineární Fresnelovy čočky 1 podle tohoto vynálezu se mohou skládat do velkoplošných kolektorů slunečního záření s konstantní roztečí t mezi sousedními ohniskovými přímkami Fi, Fz atd. Úhly α, β, ω, S zakreslené na obr. 3 je možno vypočítat z jednotlivých délkových hodnot uvedených na výkresech za pomoci vzorců obsažených v popisu.The linear Fresnel lenses 1 according to the invention can be assembled into large-area solar collectors with a constant pitch t between adjacent focal lines Fi, Fz etc. The angles α, β, ω, S plotted in Fig. 3 can be calculated from the individual length values given on drawings using the formulas contained in the description.

Claims

Linear Fresnel lens for a solar collector, in particular a glass collector, characterized in that its first surface is planar and the geometrical arrangement satisfies the relation d = h - {[(h ^{1 2} + f ² ) ¹ ' ⁴ - v. n] ² - (f - v) 2} ^1/2 where:

d = width of the elementary prism (2) of the linear Fresnel lens (1), h = distance of the outer edge of the elementary prism (2J from the optical plane [5] Symmetries of the linear Fresnel lens (1), f = focal length of the linear Fresnel lens (lj, v = height of elementary prism (2) and n = refractive index of the glass used.

2. Linear Fresnel lens according to point

1, characterized in that the apex angle (tf) between the fracture surface (3) of the elementary prism (2) and the plane of the adjacent facet (6) at least in part of the elementary prisms (2) satisfies the condition:

1,, _r sin —— (ω + are sin [-tf = 90 ° - / i where:

ω = are tg sin and cos a]} β = are tg-a = are tg ——, where t = distance between optical planes (5) of symmetry of adjacent linear Fresnel lenses (1), h = distance of outer edge of elementary prism (2) ) from the optical plane (5) of symmetry, f = the focal length of the linear Fresnel lens (1) and n = the refractive index of the glass used.