專利名稱：太陽能軸對稱平行光超薄聚光器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及太陽能利用技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種對太陽光進行聚光的光學(xué)
>J-U裝直。
背景技術(shù)：
太陽能是一種清潔無污染的可再生能源，取之不盡，用之不竭，充分開發(fā)利用太陽能不僅可以節(jié)約日益枯竭的常規(guī)能源，緩解嚴峻的資源短缺問題，而且還可以減少污染，保護人類賴以生存的生態(tài)環(huán)境。在眾多的太陽能利用技術(shù)中，最為常見的有太陽能光伏發(fā)電、太陽能熱發(fā)電、太陽能熱水器等。目前，在太陽能光伏發(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地面的太陽能的15%左右的能量轉(zhuǎn)換為電能，太陽能的利用效率總體還是比較低的。太陽能光熱發(fā)電技術(shù)中，主要是先對太陽光進行聚光，達到中高溫后，再利用其熱量進行發(fā)電。包括太陽能光伏發(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。反射式聚光主要有塔式、碟式、槽式、和線性菲涅爾四種形式。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。而太陽能是一種能量密度比較低的資源，因此要求無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，其工藝成本就會直線上升，尤其是重量太大，一般只在天文望遠鏡等特殊場合使用。菲涅爾透鏡的面積做得比較大時，也存在加工工藝難、成本過高的問題。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理想透鏡輪廓進行修改而導(dǎo)致部分光線發(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)致部分光線發(fā)散引起的光學(xué)損失。例如，對于平面朝外的菲涅爾透鏡，由于楞高會遮擋部分折射光線，使得從第二楞開始就出現(xiàn)部分透射光發(fā)散。對于平面朝內(nèi)的菲涅爾透鏡，當透鏡焦距小于某臨界值時，出射界面上入射角大于其全反射角，使透射光不能到達設(shè)定的焦斑范圍內(nèi)而損失。同時，菲涅爾透鏡的焦徑比通?？刂圃?.8 — I. 4之間，在透鏡與聚光點之間有較大空間，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)電是最早實現(xiàn)商業(yè)化的太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)。它采用大面積的槽式拋物面反射鏡將太陽光聚焦反射到集熱真空管上。通過管內(nèi)熱載體將水加熱成蒸汽，同時在熱轉(zhuǎn)換設(shè)備中產(chǎn)生高壓、過熱蒸汽，然后送入常規(guī)的蒸氣渦輪發(fā)電機內(nèi)進行發(fā)電。但是采用槽式發(fā)電對太陽能進行聚光時，集熱真空管會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，還會將一部分能量輻射出去。由于集熱真空管管路很長，使能量損失較大，使內(nèi)部導(dǎo)熱油傳熱工質(zhì)的運行溫度只能達到400 ° C左右，只能停留在中溫階段，從而限制了太陽能槽式熱發(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和不足，本實用新型提供一種太陽能軸對稱平行光超薄聚光器，能夠?qū)⒈砻嫒肷涮柟馊哭D(zhuǎn)化為聚光光線而不存在遮擋和陰影，沒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。本實用新型解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是本實用新型提供一種太陽能軸對稱平行光超薄聚光器，由環(huán)形會聚透鏡板、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，并通過框架固定安裝為一體，有共同的對稱軸；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)散透鏡板出射光線的一側(cè)，其中，l〈i〈p，i、P均為正整數(shù)；環(huán)形會聚透鏡板和環(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)形會聚透鏡板朝向太陽入射光線的一側(cè)為平面，以方便清潔，防止積存灰塵；出射一側(cè)設(shè)置n個環(huán)形會聚透鏡，其中n為正整數(shù)；環(huán)形發(fā)散透鏡板上設(shè)置n個與環(huán)形會聚透鏡相對應(yīng)的環(huán)形發(fā)散透鏡；對稱軸與環(huán)形會聚透鏡板上表面垂直，與環(huán)形會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對稱軸的剖面的交線與對稱軸間的夾角均為Z 45°，并通過對稱軸共軸對稱。每個環(huán)形會聚透鏡和對應(yīng)的環(huán)形發(fā)散透鏡通過透鏡光路中心線形成一組聚焦關(guān)系；寬度為d的環(huán)形會聚透鏡的實焦，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)形會聚透鏡板的上表面平面的太陽入射光線經(jīng)過環(huán)形會聚透鏡的聚焦，再經(jīng)過環(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，其中，d>w>0 ;透鏡聚光平行光線通過法向反射錐面形成反射光線，再通過輸出反射錐面形成聚光輸出光線，由第P反射體上的聚光輸出口輸出；聚光輸出光線與太陽入射光線平行且同方向傳播；第p反射體上的法向反射錐面將部分透鏡聚光平行光線反射至第i個反射體的輸出反射錐面上，其中i=P_l，形成聚光輸出光線；被第i反射體遮擋的部分透鏡聚光平行光線，通過第i反射體上的法向反射錐面和第i_l反射體上的輸出反射錐面的反射，形成聚光輸出光線；第一反射體位于環(huán)形發(fā)散透鏡板出射光線的一側(cè)和最小直徑透鏡聚光平行光線的空間內(nèi)，不遮擋透鏡聚光平行光線的傳播。因此，這種結(jié)構(gòu)的聚光器可以將垂直于環(huán)形會聚透鏡板的上表面平面的太陽入射光線，全部形成聚光輸出光線，而沒有光線被遮擋。環(huán)形會聚透鏡和環(huán)形發(fā)散透鏡采用平滑弧面制作，不會產(chǎn)生制造菲涅爾透鏡時的工藝性損失，降低了制造的難度，提高了太陽光的透過率；環(huán)形會聚透鏡和環(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的空間尺寸。每個寬度為d的環(huán)形會聚透鏡與對應(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，都通過透鏡光路中心線分別對應(yīng)一個法向反射錐面；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;同一個反射體上的法向反射面在對稱軸上的投影寬度均為W，相鄰距離為O。相鄰的第i個輸出反射錐面在環(huán)形發(fā)散透鏡板上的投影相鄰且不重疊，對應(yīng)的長度\為X = m . (d - If) I — ，其中，i、m 均為正整數(shù)，
' . Wv
I < m K int --15 當 i=1 時 I X, 二 m ■ ir
_ ir J‘最大環(huán)形會聚透鏡12的外側(cè)半徑為
-,
L1 = Xi ■ — 4- Xy. I 當 f = I 時，X“_r. = 0
' 'xWJ "、‘"環(huán)形會聚透鏡12的數(shù)量為H = —1
V d J從環(huán)形會聚透鏡板表面至聚光輸出口的最小聚光距離h為Ji = /十《 - ir其中，f為環(huán)形會聚透鏡板和環(huán)形發(fā)散透鏡板之間的外尺寸。h遠小于n個環(huán)形會聚透鏡的總寬度L。當n個環(huán)形會聚透鏡12的寬度相同時，形成的相應(yīng)聚光輸出光線9具有相同的、均勻的聚光輻射強度。本實用新型的有益效果是能將表面入射太陽光全部轉(zhuǎn)化為聚光光線，聚光區(qū)域在聚光器的后方，聚光輸出光線與太陽入射光線平行且同方向傳播，聚光輸出與太陽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，聚光輻射分布均勻。

圖I是本實用新型的立體剖面結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本實用新型的通過對稱軸的剖面結(jié)構(gòu)及部分光路示意圖；圖3是本實用新型的通過對稱軸的部分剖面結(jié)構(gòu)及光路示意圖；圖4是本實用新型的通過對稱軸的剖面結(jié)構(gòu)尺寸關(guān)系示意圖；圖5是本實用新型的通過對稱軸的結(jié)構(gòu)尺寸和聚光原理示意圖。圖中標號說明如下3-太陽入射光線、7-透鏡聚光平行光線、8-反射光線、9-聚光輸出光線、10-聚光輸出口、11-環(huán)形會聚透鏡板、12-環(huán)形會聚透鏡、13-環(huán)形發(fā)散透鏡板、14-環(huán)形發(fā)散透鏡、18-框架、19-對稱軸、20-透鏡光路中心線、21-第一反射體、22-第i反射體、24-第p反射體、31-輸出反射錐面、42-法向反射錐面。
具體實施方式
如圖I、圖2所示，本實用新型提供一種太陽能軸對稱平行光超薄聚光器，由環(huán)形會聚透鏡板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，并通過框架18固定安裝為一體，有共同的對稱軸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出射光線的一側(cè)，其中，l〈i〈p，i、p均為正整數(shù)；環(huán)形會聚透鏡板11和環(huán)形發(fā)散透鏡板13為透光材料，如透光玻璃、透光塑料等；環(huán)形會聚透鏡板11朝向太陽入射光線3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n個環(huán)形會聚透鏡12，其中n為正整數(shù)；環(huán)形發(fā)散透鏡板13上設(shè)置n個與環(huán)形會聚透鏡12相對應(yīng)的環(huán)形發(fā)散透鏡14 ;對稱軸19與環(huán)形會聚透鏡板11上表面垂直，所有環(huán)形會聚透鏡12和環(huán)形發(fā)散透鏡14通過對稱軸19共軸對稱。如圖3所示，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與通過對稱軸19的剖面的交線與對稱軸19間的夾角均為 Z 45°，并通過對稱軸19共軸對稱。每個環(huán)形會聚透鏡12和對應(yīng)的環(huán)形發(fā)散透鏡14通過透鏡光路中心線20形成一組聚焦關(guān)系；寬度為d的環(huán)形會聚透鏡12的實焦，與環(huán)形發(fā)散透鏡板13上的環(huán)形發(fā)散透鏡14的虛焦重合；垂直于環(huán)形會聚透鏡板11的上表面平面的太陽入射光線3經(jīng)過環(huán)形會聚透鏡12的聚焦，再經(jīng)過環(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7，其中，d>w>0 ;透鏡聚光平行光線7通過法向反射錐面42形成反射光線8，再通過輸出反射錐面31形成聚光輸出光線9,由第p反射體24上的聚光輸出口 10輸出；聚光輸出光線9與太陽入射光線3平行且同方向傳播；第p反射體24上的法向反射錐面42將部分透鏡聚光平行光線7反射至第i個反射體22的輸出反射錐面31上，其中i=p_l，形成聚光輸出光線9 ;被第i反射體22遮擋的部分透鏡聚光平行光線7，通過第i反射體22上的法向反射錐面42和第i-1反射體22上的輸出反射錐面31的反射，形成聚光輸出光線9 ;第一反射體21位于環(huán)形發(fā)散透鏡板13出射光線的一側(cè)和最小直徑透鏡聚光平行光線7的空間內(nèi)，不遮擋透鏡聚光平行光線7的傳播。因此，這種結(jié)構(gòu)的聚光器可以將垂直于環(huán)形會聚透鏡板11的上表面平面的太陽入射光線3,全部形成聚光輸出光線9,而沒有光線被遮擋。如圖3所示，環(huán)形會聚透鏡12和環(huán)形發(fā)散透鏡14采用平滑弧面制作，不會產(chǎn)生制造菲涅爾透鏡時的工藝性損失，降低了制造的難度，提高了太陽光的透過率；環(huán)形會聚透鏡12和環(huán)形發(fā)散透鏡14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7的空間尺寸。如圖3、圖4所示，每個寬度為d的環(huán)形會聚透鏡12與對應(yīng)的環(huán)形發(fā)散透鏡14，形成的寬度為w的透鏡聚光平行光線7，都通過透鏡光路中心線20分別對應(yīng)一個法向反射錐面42 ;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;同一個反射體上的法向反射面42在對稱軸19上的投影寬度均為W，相鄰距離為O。如圖4所示，相鄰的第i個輸出反射錐面31在環(huán)形發(fā)散透鏡板13上的投影相鄰且不重疊，對應(yīng)的長度Xi為[0041]
權(quán)利要求1.一種太陽能軸對稱平行光超薄聚光器，該聚光器由環(huán)形會聚透鏡板(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，并通過框架(18)固定安裝為一體，其特征在于 環(huán)形會聚透鏡板(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)有共同的對稱軸(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)出射光線的一側(cè)，其中，l〈i〈p，i、p均為正整數(shù)；環(huán)形會聚透鏡板(11)和環(huán)形發(fā)散透鏡板(13)為透光材料； 環(huán)形會聚透鏡板(11)上設(shè)置n個環(huán)形會聚透鏡(12)，其中n為正整數(shù)；環(huán)形發(fā)散透鏡板(13)上設(shè)置n個與環(huán)形會聚透鏡(12)相對應(yīng)的環(huán)形發(fā)散透鏡(14);對稱軸(19)與環(huán)形會聚透鏡板(11)上表面垂直，所有環(huán)形會聚透鏡(12)和環(huán)形發(fā)散透鏡(14)通過對稱軸(19)共軸對稱；環(huán)形會聚透鏡(12)和環(huán)形發(fā)散透鏡(14)表面為平滑弧面； 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)與通過對稱軸(19)的剖面的交線與對稱軸(19)間的夾角均為Z 45°，并通過對稱軸(19)共軸對稱； 寬度為d的環(huán)形會聚透鏡(12)的實焦，與對應(yīng)的環(huán)形發(fā)散透鏡(14)的虛焦重合；太陽入射光線(3)經(jīng)過環(huán)形會聚透鏡(12)和環(huán)形發(fā)散透鏡(14)，形成寬度為w的透鏡聚光平行光線(7)，其中，d>w>0 ;透鏡聚光平行光線(7)通過法向反射錐面(42)形成反射光線(8)，再通過輸出反射錐面(31)形成聚光輸出光線(9)，由第p反射體(24)上的聚光輸出口(10)輸出；聚光輸出光線(9)與太陽入射光線(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)出射光線的一側(cè)和最小直徑透鏡聚光平行光線(7)的空間內(nèi)，不遮擋透鏡聚光平行光線(7)的傳播。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的太陽能軸對稱平行光超薄聚光器，其特征在于每個法向反射錐面(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;同一個反射體上的法向反射面(42)在對稱軸(19)上的投影寬度均為W，相鄰距離為O。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的太陽能軸對稱平行光超薄聚光器，其特征在于相鄰的第i個輸出反射錐面(31)在環(huán)形發(fā)散透鏡板(13)上的投影相鄰且不重疊；第i個輸出反射錐面(31)對應(yīng)的投影長度Xi為
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的太陽能軸對稱平行光超薄聚光器，其特征在于聚光輸出光線(9)具有相同和均勻的聚光輻射強度。
專利摘要本實用新型公開了一種太陽能軸對稱平行光超薄聚光器，由環(huán)形會聚透鏡板、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)形會聚透鏡板與環(huán)形發(fā)散透鏡板上有對應(yīng)的n個環(huán)形會聚透鏡和環(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；太陽入射光線經(jīng)過環(huán)形會聚透鏡和環(huán)形發(fā)散透鏡，形成透鏡聚光平行光線，通過法向反射錐面形成反射光線，再通過輸出反射錐面形成聚光輸出光線。該裝置能將表面入射太陽光全部轉(zhuǎn)化為聚光光線，聚光輸出光線與太陽入射光線平行且同方向傳播，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G02B19/00GK202502291SQ201220167849
公開日2012年10月24日 申請日期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 申請人:張德勝