專利名稱：透射式太陽能聚光器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種太陽能聚光器，具體涉及一種免跟蹤的透射式太陽能聚 光器。
背景技術(shù)：
迫于能源危機(jī)和環(huán)境污染的雙重壓力，世界各國都在投入巨大的人力物 力進(jìn)行潔凈的二次能源的開發(fā)和研究，而太陽能因?yàn)橥瑫r(shí)具備這二個(gè)特點(diǎn)首當(dāng)其沖成為研究的重點(diǎn)之一；然而由于太陽能的分散性(1000W/m2)和不確 定性，導(dǎo)致其推廣應(yīng)用進(jìn)展緩慢；雖然隨著材料科學(xué)和自動(dòng)化技術(shù)的不斷發(fā) 展，人們研制出了各種形式的反射式和透射式太陽能聚光器，如反射式拋物 球面(點(diǎn)聚光)和拋物柱面(線聚光)等結(jié)構(gòu)形式，但是其共同特征就是一 般都必然包括有一維或者二維的太陽光自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)；盡管非常成熟的自動(dòng) 控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)跟蹤太陽光己經(jīng)不成困難，然而太陽能聚光器所處的惡劣 的室外工作環(huán)境使其驅(qū)動(dòng)部分故障率頻發(fā)，從而導(dǎo)致整個(gè)聚光器系統(tǒng)基本上 失去實(shí)用價(jià)值。如果要解決好該問題又因?yàn)橥度胩喙杀镜拇蠓壬仙?，從而失去市場競爭力；如從日本進(jìn)口的專利產(chǎn)品-向日葵系列太陽光采集與導(dǎo)入系統(tǒng)的主要特點(diǎn)就是工作可靠性好，這是因?yàn)樗讯S自動(dòng)跟蹤的 驅(qū)動(dòng)部分連同太陽能聚光體全部封閉在一個(gè)用有機(jī)材料做成的透明大罩子內(nèi) 才得以保證驅(qū)動(dòng)部分能夠長期穩(wěn)定正常運(yùn)行；但是對于太陽聚光總面積僅為 0. 04m2的六聚光片結(jié)構(gòu)的透射式聚光體以及配套的二維自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)組成的 太陽能聚光器來說，高達(dá)三萬余元的價(jià)格則失去了產(chǎn)品的市場競爭力。而科 技人員曾經(jīng)設(shè)計(jì)的復(fù)合拋物面聚光器(CPC)就是人們在早年關(guān)于免跟蹤反射式太陽能聚光器的較深入全面的探索成果之一，但是由于其接收太陽光有效 時(shí)間太少以及在反射式太陽能聚光器結(jié)構(gòu)中入射光與反射光處于聚光體的同 一側(cè)很難滿足保證反射面的反射效率等不足而在推廣應(yīng)用中也被擱淺。經(jīng)過多年來的探索，在總結(jié)前人經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上我們先后立項(xiàng)研制出了具 有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的改進(jìn)型反射式折面形拋物柱太陽能聚光體和自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)(寧鐸.家用太陽能聚光器自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)的設(shè)計(jì).西北輕工業(yè)學(xué)院學(xué).2002.(20): 59-62;寧鐸，張東煜。 一維驅(qū)動(dòng)、二維跟蹤太陽能自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)設(shè) 計(jì)。微計(jì)算機(jī)信息。2006。 16期；寧鐸.折面形拋物柱太陽能聚光器的研制.太 陽能學(xué)報(bào).2003. (24): 616-619， EI收錄號(hào):04128075357;寧鐸等.再i侖 折面形拋物柱太陽能聚光器的改進(jìn).太陽能學(xué)報(bào).2004.(25): 643-646. EI收 錄號(hào)05129007771;寧鐸.拋物柱折面形太陽能聚光器.專利號(hào)022246312; 寧鐸.折面形拋物柱太陽能聚光器玻璃條寬度的配比方法.發(fā)明專利號(hào) 2004100259046;寧鐸.一種新型太陽能聚光器.專利號(hào)032190506)，以及透 射式平面菲涅耳透鏡太陽能聚光器(寧鐸，張東煜。陽光輸送機(jī)的研究。陜 西科技大學(xué)學(xué)報(bào);2005年01期)，盡管在利用雙層玻璃結(jié)構(gòu)防止聚光體的反 射層脫落、聚光不均勻以及利用多折面形拋物柱有效代替曲面拋物柱從而大 幅度降低生產(chǎn)成本等方面有了很大的進(jìn)展，但是如上所述，皆因?yàn)榕涮妆夭?可少的自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)所帶來的高故障率以及高成本使其推廣起來仍然困難重 重。自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)就是為了保證每天最長時(shí)間里太陽光能垂直的入射至U聚光 體表面以達(dá)到有效提高太陽光能量密度，從而在光伏發(fā)電、常溫、中高溫以 及直接應(yīng)用太陽光照明等場合得到廣泛應(yīng)用。其通常是由光傳感器、信號(hào)處 理與判斷(單片機(jī)或者計(jì)算機(jī))以及驅(qū)動(dòng)裝置等部分組成，不但結(jié)構(gòu)復(fù)雜， 而且和聚光器必須一同放在戶外工作，可靠性和耐用性長期以來就是一個(gè)老大難問題，另外還需要增加能源消耗和制造成本。所以在目前條件下，如果 能夠充分利用現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)成果，設(shè)計(jì)一個(gè)免跟蹤的太陽能聚光器，實(shí)現(xiàn)低 成本、高可靠性的有效的提高太陽能密度，那將無疑會(huì)為太陽能在光伏發(fā)電、 中高溫以及直接利用太陽光照明等領(lǐng)域的推廣應(yīng)用創(chuàng)出一條新路來。由于地球繞極軸以每小時(shí)15 °的速度自西向東的自轉(zhuǎn)以及圍繞太陽的公 轉(zhuǎn)引起太陽光方向及強(qiáng)度的不斷變化。但在工程中常采用地平坐標(biāo)系統(tǒng)使得 聚光器的支撐及跟蹤結(jié)構(gòu)的表達(dá)更為簡單，即在地平坐標(biāo)系統(tǒng)里的太陽的高 度角和方位角一天當(dāng)中同時(shí)發(fā)生變化。然后再根據(jù)工程實(shí)際情況進(jìn)一步具體 化太陽的運(yùn)動(dòng)范圍是固定的因?yàn)樵谠绯亢桶頃r(shí)分太陽光線很弱而不進(jìn) 行采光工作，所以有效的太陽方位角(從東至西)變化范圍大約為±75° ; 如果以北緯34°的西安為聚光器安裝地點(diǎn)，太陽方位角的變化范圍為±75° ， 太陽高度角的變化為47。。所以聚光系統(tǒng)的二維自動(dòng)跟蹤范圍應(yīng)該大于或等 于太陽的運(yùn)動(dòng)范圍即可。另外，考慮到在透射式聚光體結(jié)構(gòu)中光源(太陽)和受光體分別置于聚 光體兩側(cè)從而為聚光器設(shè)計(jì)成一個(gè)整體提供了條件的優(yōu)勢；再結(jié)合隨著材料科學(xué)的發(fā)展在室外抗老化的有機(jī)光學(xué)材料的面世和機(jī)械加工技術(shù)的不斷提高，使得有實(shí)用價(jià)值的平面菲涅耳透鏡的設(shè)計(jì)與制造已非難事；那么通過增 加聚光體面積的方法來保證太陽光在正常采集時(shí)間內(nèi)都能夠有效的被聚光體 中的某一部分聚積到同一區(qū)域，從而實(shí)現(xiàn)在免跟蹤情況下正常的太陽聚光的 目標(biāo)。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供一種結(jié)構(gòu)簡單，實(shí)現(xiàn)免跟蹤，且可靠性高的有效的 提高太陽能密度的透射式太陽能聚光器。為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是包括菲涅耳聚光透鏡組以及設(shè)置在菲涅耳聚光透鏡組光路中的菲涅耳透鏡，所說的菲涅耳聚光透鏡組 為一折面圓弧形結(jié)構(gòu)，且在菲涅耳聚光透鏡組的焦點(diǎn)之前設(shè)置有與菲涅耳聚光透鏡組光軸平面成90°夾角的平面菲涅耳透鏡，在菲涅耳聚光透鏡的焦點(diǎn)之 前設(shè)置用于光線整理的凹透鏡，使陽光以較小的入射角進(jìn)入接收光窗。本發(fā)明的菲涅耳聚光透鏡組由若干組菲涅耳透鏡組成一弧度為150^的聚 光透鏡組；菲涅耳聚光透鏡組采用耐老化的有機(jī)材料利用激光加工高精度模 具擠塑成型。由于本發(fā)明的菲涅耳聚光透鏡組為一折面圓弧形結(jié)構(gòu)，從而使增加聚光 器接收面積來實(shí)現(xiàn)在免跟蹤情況下達(dá)到自動(dòng)跟蹤的目的。


圖1是本發(fā)明菲涅耳聚光透鏡組A的陣列圖；圖2是本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。參見圖1 ，本實(shí)施例以五個(gè)形平面菲涅耳透鏡按圖l視日運(yùn)動(dòng)軌跡構(gòu)成折 面形透射式太陽能聚光器，在球心處進(jìn)行陽光接收。從聚光性能上來分析， 菲涅耳透鏡是一種非成像聚光器，只需要將太陽光聚集到一個(gè)小的區(qū)域內(nèi)而 非一條幾何光線；所以在太陽的方位角為O。 、 ±30° 、 ±60°時(shí)，太陽光對 于相應(yīng)的菲涅耳透鏡的入射角為O。，當(dāng)太陽偏離這些個(gè)特殊角度時(shí)，會(huì)存在 一個(gè)不等于(T的入射角，這時(shí)聚焦后的光線會(huì)偏離焦點(diǎn)，接收器接收到的光 通量有所減少。參見圖2，但是具體對于陽光輸送機(jī)來說，則要求實(shí)現(xiàn)點(diǎn)聚光，所以本發(fā) 明將線形菲涅耳聚光透鏡按照視日運(yùn)動(dòng)軌跡和圖l所示的幾何角度在空間進(jìn) 行排列，得到如圖2所示的線形菲涅耳聚光透鏡陣列；在利用菲涅耳聚光透鏡組l實(shí)現(xiàn)第一次線聚光的基礎(chǔ)上，再把菲涅耳透鏡2在光軸平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)90°后安 裝在菲涅耳聚光透鏡組l的焦點(diǎn)之前進(jìn)行二次聚光，從而實(shí)現(xiàn)點(diǎn)聚光。并在菲 涅耳聚光透鏡2的焦點(diǎn)之前設(shè)置用于光線整理的凹透鏡3，從而使陽光以較小 的入射角進(jìn)入接收光窗4，實(shí)現(xiàn)了免自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)下太陽能聚光器的有效聚 光。在實(shí)際工程中表面具有很好自潔性能的平面菲涅耳透鏡是采用耐老化的 有機(jī)材料利用激光加工的高精度模具擠塑成型的，所以工業(yè)化生產(chǎn)不但使得 成本大幅度下降，而且具有一定的形變的特性使得本發(fā)明直接根據(jù)需要彎曲 成所要求的幾乎理想的弧度為150°的圓弧形狀，而不用象玻璃作為基材的鋼性 聚光體不得不采用由多平面組成的折面形狀；從而在有效接收太陽光的任意 時(shí)刻都保證存在0。的入射角的太陽光線，又由于平面菲涅耳透鏡組成的圓弧 的曲率比較小，而且接收太陽光的實(shí)際上具有一定寬度的一個(gè)區(qū)域而并非一條線，所以實(shí)際上在任意太陽光照射時(shí)間里都存在一定寬度范圍接近o。入射角的太陽光被有效接收(對于圓弧長度為3m的聚光體，入射角在士3。范圍的 聚光體寬度達(dá)到124mm范圍內(nèi)的太陽光都能夠聚積在該有效區(qū)域中)。又因?yàn)?陽光輸送機(jī)的太陽光利用效率大于50%，所以這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完全能夠滿足整機(jī) 對于聚光器的要求；根據(jù)所在地區(qū)的緯度不同再把菲涅耳聚光透鏡組l前后彎 成一定曲面，并且安裝成上仰一定角度，該曲面的曲率及上仰角度取決于該 設(shè)備安裝地區(qū)的緯度(高度角變化范圍的平均值)的位置固定，則又完全避 免了每年隨著季節(jié)變化而定期手動(dòng)調(diào)整聚光體高度角人為操作；至次使得設(shè) 計(jì)的免跟蹤透射式平面菲涅耳透鏡太陽能聚光器基本達(dá)到配置二維自動(dòng)跟蹤 系統(tǒng)的太陽能聚光器的同樣效果。
權(quán)利要求
1. 一種透射式太陽能聚光器，包括菲涅耳聚光透鏡組(1)以及設(shè)置在菲涅耳聚光透鏡組(1)光路中的菲涅耳透鏡(2)，其特征在于所說的菲涅耳聚光透鏡組(1)為一折面圓弧形結(jié)構(gòu)，且在菲涅耳聚光透鏡組(1)的焦點(diǎn)之前設(shè)置有與菲涅耳聚光透鏡組(1)光軸平面成90°夾角的平面菲涅耳透鏡(2)，在菲涅耳聚光透鏡(2)的焦點(diǎn)之前設(shè)置用于光線整理的凹透鏡(3)，使陽光以較小的入射角進(jìn)入接收光窗(4)。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的透射式太陽能聚光器，其特征在于所說的菲 涅耳聚光透鏡組(1)由若干組菲涅耳透鏡組成一弧度為150c的聚光透鏡組。
3、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的透射式太陽能聚光器，其特征在于所說的菲涅耳聚光透鏡組(1)采用耐老化的有機(jī)材料利用激光加工高精度模具擠塑成 型。
全文摘要
一種透射式太陽能聚光器，包括菲涅耳聚光透鏡組以及設(shè)置在菲涅耳聚光透鏡組光路中的菲涅耳透鏡，所說的菲涅耳聚光透鏡組為一折面圓弧形結(jié)構(gòu)，且在菲涅耳聚光透鏡組的焦點(diǎn)之前設(shè)置有與菲涅耳聚光透鏡組光軸平面成90°夾角的平面菲涅耳透鏡，在菲涅耳聚光透鏡的焦點(diǎn)之前設(shè)置用于光線整理的凹透鏡，使陽光以較小的入射角進(jìn)入接收光窗。由于本發(fā)明的菲涅耳聚光透鏡組1為一折面圓弧形結(jié)構(gòu)，從而使增加聚光器接收面積來實(shí)現(xiàn)在免跟蹤情況下達(dá)到自動(dòng)跟蹤的目的。
文檔編號(hào)F24J2/38GK101251641SQ20081001784
公開日2008年8月27日 申請日期2008年3月28日 優(yōu)先權(quán)日2008年3月28日
發(fā)明者吳彥銳, 璽 姚, 鐸 寧, 亮 狄 申請人:陜西科技大學(xué)