專(zhuān)利名稱(chēng)：太陽(yáng)能軸對(duì)稱(chēng)平行光超薄聚光器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及太陽(yáng)能利用技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種對(duì)太陽(yáng)光進(jìn)行聚光的光學(xué)裝置。
背景技術(shù)：
太陽(yáng)能是一種清潔無(wú)污染的可再生能源，取之不盡，用之不竭，充分開(kāi)發(fā)利用太陽(yáng)能不僅可以節(jié)約日益枯竭的常規(guī)能源，緩解嚴(yán)峻的資源短缺問(wèn)題，而且還可以減少污染，保護(hù)人類(lèi)賴(lài)以生存的生態(tài)環(huán)境。在眾多的太陽(yáng)能利用技術(shù)中，最為常見(jiàn)的有太陽(yáng)能光伏發(fā)電、太陽(yáng)能熱發(fā)電、太陽(yáng)能熱水器等。目前，在太陽(yáng)能光伏發(fā)電中，絕大多數(shù)采用的是硅電池片的光伏發(fā)電技術(shù)，而硅電池片只將到達(dá)地面的太陽(yáng)能的15%左右的能量轉(zhuǎn)換為電能，太陽(yáng)能的利用效率總體還是比較低的。太陽(yáng)能光熱發(fā)電技術(shù)中，主要是先對(duì)太陽(yáng)光進(jìn)行聚光，達(dá)到中高溫后，再利用其熱量進(jìn)行發(fā)電。包括太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)在內(nèi)，目前的聚光技術(shù)主要有反射式聚光和透射式聚光兩類(lèi)。反射式聚光主要有塔式、碟式、槽式、和線(xiàn)性菲涅爾四種形式。透射式聚光主要采用普通的圓弧面透鏡和菲涅爾透鏡兩種形式。而太陽(yáng)能是一種能量密度比較低的資源， 因此要求無(wú)論是反射式聚光還是透射式聚光，都要求將采光面積設(shè)置的比較大。而普通的圓弧面透鏡要做得比較大時(shí)，其工藝成本就會(huì)直線(xiàn)上升，尤其是重量太大，一般只在天文望遠(yuǎn)鏡等特殊場(chǎng)合使用。菲涅爾透鏡的面積做得比較大時(shí)，也存在加工工藝難、成本過(guò)高的問(wèn)題。菲涅爾透鏡還具有較大的光學(xué)損失，包括反射損失、吸收損失、工藝性損失以及結(jié)構(gòu)損失，其中工藝性損失是由于透鏡成型對(duì)理想透鏡輪廓進(jìn)行修改而導(dǎo)致部分光線(xiàn)發(fā)散引起的光學(xué)損失， 比如脫模錐度、圓角等。結(jié)構(gòu)損失是由于菲涅爾透鏡采用棱鏡元組成的不連續(xù)曲面取代一般透鏡的連續(xù)球面而導(dǎo)致部分光線(xiàn)發(fā)散引起的光學(xué)損失。例如，對(duì)于平面朝外的菲涅爾透鏡，由于楞高會(huì)遮擋部分折射光線(xiàn)，使得從第二楞開(kāi)始就出現(xiàn)部分透射光發(fā)散。對(duì)于平面朝內(nèi)的菲涅爾透鏡，當(dāng)透鏡焦距小于某臨界值時(shí)，出射界面上入射角大于其全反射角，使透射光不能到達(dá)設(shè)定的焦斑范圍內(nèi)而損失。同時(shí)，菲涅爾透鏡的焦徑比通常控制在O. 8 — I. 4之間，在透鏡與聚光點(diǎn)之間有較大空間，從而加大了支架或框架的尺寸，從而使成本升高。槽式熱發(fā)電是最早實(shí)現(xiàn)商業(yè)化的太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)。它采用大面積的槽式拋物面反射鏡將太陽(yáng)光聚焦反射到集熱真空管上。通過(guò)管內(nèi)熱載體將水加熱成蒸汽，同時(shí)在熱轉(zhuǎn)換設(shè)備中產(chǎn)生高壓、過(guò)熱蒸汽，然后送入常規(guī)的蒸氣渦輪發(fā)電機(jī)內(nèi)進(jìn)行發(fā)電。但是采用槽式發(fā)電對(duì)太陽(yáng)能進(jìn)行聚光時(shí)，集熱真空管會(huì)在拋物反射面上形成遮擋陰影，使集熱真空管上有一部分不能接受到聚光輻射。集熱真空管背朝拋物聚光器的一面，還會(huì)將一部分能量輻射出去。由于集熱真空管管路很長(zhǎng)，使能量損失較大，使內(nèi)部導(dǎo)熱油傳熱工質(zhì)的運(yùn)行溫度只能達(dá)到400 ° C左右，只能停留在中溫階段，從而限制了太陽(yáng)能槽式熱發(fā)電的效率。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服上述圓弧面透鏡、菲涅爾透鏡以及槽式拋物面反射鏡等聚光器存在的缺點(diǎn)和不足，本發(fā)明提供一種太陽(yáng)能軸對(duì)稱(chēng)平行光超薄聚光器，能夠?qū)⒈砻嫒肷涮?yáng)光全部轉(zhuǎn)化為聚光光線(xiàn)而不存在遮擋和陰影，沒(méi)有像菲涅爾透鏡折射楞圓角產(chǎn)生的工藝性損失， 聚光輻射接受處與太陽(yáng)光入射接受面之間的距離更小，加工難度降低，聚光輻射功率高，有利于形成更高的聚光溫度。本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是
本發(fā)明提供一種太陽(yáng)能軸對(duì)稱(chēng)平行光超薄聚光器，由環(huán)形會(huì)聚透鏡板、環(huán)形發(fā)散透鏡板、第一反射體、第i反射體、第P反射體、框架組成,并通過(guò)框架固定安裝為一體,有共同的對(duì)稱(chēng)軸；第一反射體、第i反射體、第P反射體嵌套安裝在環(huán)形發(fā)散透鏡板出射光線(xiàn)的一側(cè)，其中，l〈i〈p，i、P均為正整數(shù)；
環(huán)形會(huì)聚透鏡板和環(huán)形發(fā)散透鏡板為透光材料，如透光玻璃、透光塑料等；環(huán)形會(huì)聚透鏡板朝向太陽(yáng)入射光線(xiàn)的一側(cè)為平面，以方便清潔，防止積存灰塵；出射一側(cè)設(shè)置η個(gè)環(huán)形會(huì)聚透鏡，其中η為正整數(shù)；環(huán)形發(fā)散透鏡板上設(shè)置η個(gè)與環(huán)形會(huì)聚透鏡相對(duì)應(yīng)的環(huán)形發(fā)散透鏡；對(duì)稱(chēng)軸與環(huán)形會(huì)聚透鏡板上表面垂直，與環(huán)形會(huì)聚透鏡的延伸方向平行。第一反射體上有輸出反射錐面，第i反射體上有輸出反射錐面和法向反射錐面， 第P反射體上有法向反射錐面和聚光輸出口 ；所有輸出反射錐面、法向反射錐面與通過(guò)對(duì)稱(chēng)軸的剖面的交線(xiàn)與對(duì)稱(chēng)軸間的夾角均為Z 45°，并通過(guò)對(duì)稱(chēng)軸共軸對(duì)稱(chēng)。每個(gè)環(huán)形會(huì)聚透鏡和對(duì)應(yīng)的環(huán)形發(fā)散透鏡通過(guò)透鏡光路中心線(xiàn)形成一組聚焦關(guān)系；寬度為d的環(huán)形會(huì)聚透鏡的實(shí)焦，與環(huán)形發(fā)散透鏡板上的環(huán)形發(fā)散透鏡的虛焦重合；垂直于環(huán)形會(huì)聚透鏡板的上表面平面的太陽(yáng)入射光線(xiàn)經(jīng)過(guò)環(huán)形會(huì)聚透鏡的聚焦，再經(jīng)過(guò)環(huán)形發(fā)散透鏡的發(fā)散，形成寬度為w的透鏡聚光平行光線(xiàn)，其中，d>w>0 ;透鏡聚光平行光線(xiàn)通過(guò)法向反射錐面形成反射光線(xiàn)，再通過(guò)輸出反射錐面形成聚光輸出光線(xiàn)，由第P反射體上的聚光輸出口輸出；聚光輸出光線(xiàn)與太陽(yáng)入射光線(xiàn)平行且同方向傳播；
第P反射體上的法向反射錐面將部分透鏡聚光平行光線(xiàn)反射至第i個(gè)反射體的輸出反射錐面上，其中i=P_l，形成聚光輸出光線(xiàn)；被第i反射體遮擋的部分透鏡聚光平行光線(xiàn)，通過(guò)第i反射體上的法向反射錐面和第i-Ι反射體上的輸出反射錐面的反射，形成聚光輸出光線(xiàn)；第一反射體位于環(huán)形發(fā)散透鏡板出射光線(xiàn)的一側(cè)和最小直徑透鏡聚光平行光線(xiàn)的空間內(nèi)，不遮擋透鏡聚光平行光線(xiàn)的傳播。因此，這種結(jié)構(gòu)的聚光器可以將垂直于環(huán)形會(huì)聚透鏡板的上表面平面的太陽(yáng)入射光線(xiàn)，全部形成聚光輸出光線(xiàn)，而沒(méi)有光線(xiàn)被遮擋。環(huán)形會(huì)聚透鏡和環(huán)形發(fā)散透鏡采用平滑弧面制作，不會(huì)產(chǎn)生制造菲涅爾透鏡時(shí)的工藝性損失，降低了制造的難度，提高了太陽(yáng)光的透過(guò)率；環(huán)形會(huì)聚透鏡和環(huán)形發(fā)散透鏡組合的平行光聚光結(jié)構(gòu)尺寸更小，因此這種結(jié)構(gòu)可以減小形成透鏡聚光平行光線(xiàn)的空間尺寸。每個(gè)寬度為d的環(huán)形會(huì)聚透鏡與對(duì)應(yīng)的環(huán)形發(fā)散透鏡，形成的寬度為w的透鏡聚光平行光線(xiàn)，都通過(guò)透鏡光路中心線(xiàn)分別對(duì)應(yīng)一個(gè)法向反射錐面；法向反射錐面在環(huán)形發(fā)散透鏡板上的投影寬度均為W，相鄰距離為d;同一個(gè)反射體上的法向反射面在對(duì)稱(chēng)軸上的投影寬度均為《，相鄰距離為0。相鄰的第i個(gè)輸出反射錐面在環(huán)形發(fā)散透鏡板上的投影相鄰且不重疊，對(duì)應(yīng)的長(zhǎng) 度Xi為
權(quán)利要求
1.一種太陽(yáng)能軸對(duì)稱(chēng)平行光超薄聚光器，該聚光器由環(huán)形會(huì)聚透鏡板(11)、環(huán)形發(fā)散透鏡板(13)、第一反射體(21)、第i反射體(22)、第P反射體(24)、框架(18)組成，并通過(guò)框架(18)固定安裝為一體，其特征在于環(huán)形會(huì)聚透鏡板(11)、環(huán)形發(fā)散透鏡板(13)、第一反射體(21)、第i反射體(22)、第P 反射體(24)、框架(18)有共同的對(duì)稱(chēng)軸(19);第一反射體(21)、第i反射體(22)、第p反射體(24)嵌套安裝在環(huán)形發(fā)散透鏡板(13)出射光線(xiàn)的一側(cè)，其中，l〈i〈p，i、p均為正整數(shù)；環(huán)形會(huì)聚透鏡板(11)和環(huán)形發(fā)散透鏡板(13)為透光材料；環(huán)形會(huì)聚透鏡板(11)上設(shè)置η個(gè)環(huán)形會(huì)聚透鏡(12)，其中η為正整數(shù)；環(huán)形發(fā)散透鏡板(13)上設(shè)置η個(gè)與環(huán)形會(huì)聚透鏡(12)相對(duì)應(yīng)的環(huán)形發(fā)散透鏡(14);對(duì)稱(chēng)軸(19)與環(huán)形會(huì)聚透鏡板(11)上表面垂直，所有環(huán)形會(huì)聚透鏡(12)和環(huán)形發(fā)散透鏡(14)通過(guò)對(duì)稱(chēng)軸 (19)共軸對(duì)稱(chēng);第一反射體(21)上有輸出反射錐面(31)，第i反射體(22)上有輸出反射錐面(31)和法向反射錐面(42)，第P反射體(24)上有法向反射錐面(42)和聚光輸出口(10);所有輸出反射錐面(31)、法向反射錐面(42)與通過(guò)對(duì)稱(chēng)軸(19)的剖面的交線(xiàn)與對(duì)稱(chēng)軸(19)間的夾角均為Z 45°，并通過(guò)對(duì)稱(chēng)軸(19)共軸對(duì)稱(chēng)；寬度為d的環(huán)形會(huì)聚透鏡(12)的實(shí)焦，與對(duì)應(yīng)的環(huán)形發(fā)散透鏡(14)的虛焦重合；垂直于環(huán)形會(huì)聚透鏡板(11)的上表面平面的太陽(yáng)入射光線(xiàn)(3)經(jīng)過(guò)環(huán)形會(huì)聚透鏡(12)的聚焦，再經(jīng)過(guò)環(huán)形發(fā)散透鏡(14)的發(fā)散，形成寬度為w的透鏡聚光平行光線(xiàn)(7)，其中，d>w>0 ； 透鏡聚光平行光線(xiàn)(7)通過(guò)法向反射錐面(42)形成反射光線(xiàn)(8)，再通過(guò)輸出反射錐面(31)形成聚光輸出光線(xiàn)(9),由第P反射體(24)上的聚光輸出口(10)輸出；聚光輸出光線(xiàn)(9)與太陽(yáng)入射光線(xiàn)(3)平行且同方向傳播；第一反射體(21)位于環(huán)形發(fā)散透鏡板(13)出射光線(xiàn)的一側(cè)和最小直徑透鏡聚光平行光線(xiàn)(7)的空間內(nèi)，不遮擋透鏡聚光平行光線(xiàn)(7)的傳播。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的太陽(yáng)能軸對(duì)稱(chēng)平行光超薄聚光器，其特征在于環(huán)形會(huì)聚透鏡(12)和環(huán)形發(fā)散透鏡(14)表面為平滑弧面。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的太陽(yáng)能軸對(duì)稱(chēng)平行光超薄聚光器，其特征在于每個(gè)法向反射錐面(42)在環(huán)形發(fā)散透鏡板(13)上的投影寬度均為W，相鄰距離為d;同一個(gè)反射體上的法向反射面(42)在對(duì)稱(chēng)軸(19)上的投影寬度均為W，相鄰距離為O。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的太陽(yáng)能軸對(duì)稱(chēng)平行光超薄聚光器，其特征在于 相鄰的第i個(gè)輸出反射錐面(31)在環(huán)形發(fā)散透鏡板(13)上的投影相鄰且不重疊，對(duì)應(yīng)的長(zhǎng)度Xi為K.lt'y其中，i、m均為正整數(shù)，最大環(huán)形會(huì)聚透鏡(12)的外側(cè)半徑為
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的太陽(yáng)能軸對(duì)稱(chēng)平行光超薄聚光器，其特征在于聚光輸出光線(xiàn)(9)具有相同的、均勻的聚光輻射強(qiáng)度。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種太陽(yáng)能軸對(duì)稱(chēng)平行光超薄聚光器，由環(huán)形會(huì)聚透鏡板、環(huán)形發(fā)散透鏡板、第一反射體、第i反射體、第p反射體、框架組成。環(huán)形會(huì)聚透鏡板與環(huán)形發(fā)散透鏡板上有對(duì)應(yīng)的n個(gè)環(huán)形會(huì)聚透鏡和環(huán)形發(fā)散透鏡；第一反射體上有輸出反射錐面，第i反射體上有輸出反射錐面和法向反射錐面，第p反射體上有法向反射錐面；太陽(yáng)入射光線(xiàn)經(jīng)過(guò)環(huán)形會(huì)聚透鏡和環(huán)形發(fā)散透鏡，形成透鏡聚光平行光線(xiàn)，通過(guò)法向反射錐面形成反射光線(xiàn)，再通過(guò)輸出反射錐面形成聚光輸出光線(xiàn)。該裝置能將表面入射太陽(yáng)光全部轉(zhuǎn)化為聚光光線(xiàn)，聚光輸出光線(xiàn)與太陽(yáng)入射光線(xiàn)平行且同方向傳播，聚光區(qū)域在聚光器的后方，聚光距離小，加工難度低，聚光輻射功率高，聚光輻射分布均勻。
文檔編號(hào)G02B3/00GK102608743SQ201210116069
公開(kāi)日2012年7月25日 申請(qǐng)日期2012年4月19日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月19日
發(fā)明者屈瑞, 張德勝 申請(qǐng)人:張德勝