專利名稱：太陽能直線型超薄光熱利用聚光器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明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(jìn)行聚光熱利用的光
學(xué)裝置。
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(yán)峻的資源短缺問題，而且還可以減少污染，保護(hù)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(dá)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(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(yuǎn)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(jìn)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(dāng)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(dá)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常控制在0.8 — 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(jī)內(nèi)進(jìn)行發(fā)電。但是采用槽式發(fā)電對太陽能進(jìn)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(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)明提供一種太陽能直線型超薄光熱利用聚光器，能夠?qū)⒌竭_(dá)聚光器表面的全部太陽光線轉(zhuǎn)化為聚光光線，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面之間的距離小，加工難度低，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)問題所采用的技術(shù)方案是該聚光器由條形會聚透鏡板、條形發(fā)散透鏡板、反射板、集熱管、框架組成。條形會聚透鏡板、條形發(fā)散透鏡板和反射板通過框架固定安裝。條形發(fā)散透鏡板位于條形會聚透鏡板和反射板之間；集熱管的截面為矩形， 安裝在反射板和條形發(fā)散透鏡板之間，平行并穿過對稱面；條形會聚透鏡板和條形發(fā)散透鏡板采用透光材料制作，如透光玻璃、透光塑料等；條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2n個條形會聚透鏡，其中n為整數(shù)， n ^ I ;條形發(fā)散透鏡板上設(shè)置2n個與條形會聚透鏡相對應(yīng)的條形發(fā)散透鏡；反射板嵌套設(shè)置2n個條形反射面，并與條形會聚透鏡和條形發(fā)散透鏡相對應(yīng)；所有條形反射面和對稱面間的夾角為Z 45° ;條形會聚透鏡、條形發(fā)散透鏡、條形反射面和集熱管通過對稱面共面對稱；對稱面垂直于條形會聚透鏡板的上表面平面，并平行于條形會聚透鏡的延伸方向。每個條形會聚透鏡和對應(yīng)的條形發(fā)散透鏡、條形反射面通過光路中心線形成一組聚焦和反射關(guān)系；太陽入射光線平行于對稱面并且垂直于條形會聚透鏡板的上表面平面； 太陽入射光線通過條形會聚透鏡和對應(yīng)的條形發(fā)散透鏡的聚光，形成聚光平行光線，再經(jīng)過條形反射面的反射，形成與對稱面垂直的反射光線，并全部射向?qū)ΨQ面處集熱管的兩側(cè)表面，從而實現(xiàn)將到達(dá)條形會聚透鏡板表面的全部太陽入射光線通過聚焦和反射匯聚至集熱管的兩側(cè)表面。寬度為d的條形會聚透鏡的實焦線，與條形發(fā)散透鏡板上的條形發(fā)散透鏡的虛焦線重合；根據(jù)光學(xué)常識可知，太陽入射光線經(jīng)過條形會聚透鏡的聚焦，再經(jīng)過條形發(fā)散透鏡的發(fā)散，形成平行于對稱面的寬度為W的聚光平行光線，其中，d>w>0 ;條形會聚透鏡和條形發(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和結(jié)構(gòu)損失，降低了制造的難度，提高了太陽光的透過率；條形會聚透鏡和條形發(fā)散透鏡組合的平行光聚光結(jié)構(gòu)尺寸更小。 2n個條形會聚透鏡的上表面在同一平面內(nèi)，與對稱面平行且互不重疊并具有相同的焦距，對稱面兩側(cè)分別有n個條形會聚透鏡。太陽入射光線經(jīng)過一組對應(yīng)的條形會聚透鏡和條形發(fā)散透鏡，形成聚光平行光線，再經(jīng)過對應(yīng)的條形反射面的反射，形成反射光線，匯聚至集熱管兩側(cè)表面，使集熱管的兩側(cè)都可以接受到聚光輻射，集熱管的表面積越小，則聚光輻射功率越高，越有利于形成更高的聚光溫度。由幾何和光學(xué)知識可知，當(dāng)2n個條形會聚透鏡的寬度相同時，每個條形會聚透鏡的面積相同，則每個條形會聚透鏡形成的相應(yīng)聚光輻射對應(yīng)在集熱管側(cè)面w的長度范圍內(nèi)，并且具有相同的聚光輻射強(qiáng)度，也就是在集熱管側(cè)面所接受的聚光輻射強(qiáng)度是均勻的。本發(fā)明的有益效果是將到達(dá)聚光器表面的全部太陽光線轉(zhuǎn)化為聚光光線，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面之間的距離小，加工難度低，聚光輻射功率高，有利于形成更高的聚光溫度，聚光輻射強(qiáng)度均勻。


圖I是現(xiàn)有技術(shù)的槽式熱發(fā)電的原理示意圖2是現(xiàn)有技術(shù)的槽式熱發(fā)電的聚光剖面示意圖3是本發(fā)明的立體剖面結(jié)構(gòu)示意圖4是本發(fā)明的垂直于集熱管的剖面結(jié)構(gòu)及部分光路示意圖5是本發(fā)明的聚光原理與結(jié)構(gòu)示意圖6是本發(fā)明的垂直于集熱管的剖面光路及結(jié)構(gòu)尺寸示意圖。圖中標(biāo)號說明如下
I-槽式拋物反射面、2-集熱真空管、3-太陽入射光線、4-反射面遮擋區(qū)、5-集熱管遮擋區(qū)、6-集熱管熱輻射線、7-聚光平行光線、8-反射光線、11-條形會聚透鏡板、12-條形會聚透鏡、13-條形發(fā)散透鏡板、14-條形發(fā)散透鏡、15-反射板、16-條形反射面、17-集熱管、 18-框架、19-對稱面、20-光路中心線。
具體實施例方式如圖I、圖2所示，在現(xiàn)有技術(shù)中，槽式熱發(fā)電的槽式拋物反射面I將太陽入射光線3聚焦反射到集熱真空管2上。集熱真空管2會在槽式拋物反射面I上形成反射面遮擋區(qū)4，使集熱真空管2上形成集熱管遮擋區(qū)5，從而使集熱真空管2的一部分不能接受到聚光輻射。集熱真空管2背朝拋物聚光器的一面，通過集熱管熱輻射線6，將一部分能量輻射出去。如圖3、圖4所示，本發(fā)明提供一種太陽能直線型超薄光熱利用聚光器，由條形會聚透鏡板11、條形發(fā)散透鏡板13、反射板15、集熱管17、框架18組成。條形會聚透鏡板11、 條形發(fā)散透鏡板13和反射板15通過框架18固定安裝。條形發(fā)散透鏡板13位于條形會聚透鏡板11和反射板15之間；集熱管17的截面為矩形，安裝在反射板15和條形發(fā)散透鏡板 13之間，平行并穿過對稱面19 ；
條形會聚透鏡板11和條形發(fā)散透鏡板13采用透光材料制作，如透光玻璃、透光塑料等；條形會聚透鏡板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2n個條形會聚透鏡12，其中n為整數(shù)，n ^ I ;條形發(fā)散透鏡板13上設(shè)置2n個與條形會聚透鏡12相對應(yīng)的條形發(fā)散透鏡14 ；
反射板15嵌套設(shè)置2n個條形反射面16，并與條形會聚透鏡12和條形發(fā)散透鏡14相對應(yīng)；所有條形反射面16和對稱面19間的夾角為Z 45° ;條形會聚透鏡12、條形發(fā)散透鏡 14、條形反射面16和集熱管17通過對稱面19共面對稱；對稱面19垂直于條形會聚透鏡板 11的上表面平面，并平行于條形會聚透鏡12的延伸方向。如圖4所示，每個條形會聚透鏡12和對應(yīng)的條形發(fā)散透鏡14、條形反射面16通過光路中心線20形成一組聚焦和反射關(guān)系；太陽入射光線3平行于對稱面19并且垂直于條形會聚透鏡板11的上表面平面；太陽入射光線3通過條形會聚透鏡12和對應(yīng)的條形發(fā)散透鏡14的聚光，形成聚光平行光線7，再經(jīng)過條形反射面16的反射，形成與對稱面19垂直的反射光線8，并全部射向?qū)ΨQ面19處集熱管17的兩側(cè)表面，從而實現(xiàn)將到達(dá)條形會聚透鏡板11表面的全部太陽入射光線3通過聚焦和反射匯聚至集熱管17的兩側(cè)表面。 如圖5所示，寬度為d的條形會聚透鏡12的實焦線，與條形發(fā)散透鏡板13上的條形發(fā)散透鏡14的虛焦線重合；根據(jù)光學(xué)常識可知，太陽入射光線3經(jīng)過條形會聚透鏡12的聚焦，再經(jīng)過條形發(fā)散透鏡14的發(fā)散，形成平行于對稱面19的寬度為w的聚光平行光線7， 其中，d>w>0 ;條形會聚透鏡12和條形發(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和結(jié)構(gòu)損失，降低了制造的難度，提高了太陽光的透過率；條形會聚透鏡12和條形發(fā)散透鏡14組合的平行光聚光結(jié)構(gòu)尺寸更小，即條形會聚透鏡板11和條形發(fā)散透鏡板13之間的外尺寸f，小于條形會聚透鏡12的焦距，因此這種結(jié)構(gòu)可以減小形成聚光平行光線7的空間尺寸。 如圖6所示，2n個條形會聚透鏡12的上表面在同一平面內(nèi)，與對稱面19平行且互不重疊并具有相同的焦距，對稱面19兩側(cè)分別有n個條形會聚透鏡12。如圖6所示，太陽入射光線3經(jīng)過一組對應(yīng)的條形會聚透鏡12和條形發(fā)散透鏡 14，形成聚光平行光線7，再經(jīng)過對應(yīng)的條形反射面16的反射，形成反射光線8，匯聚至集熱管17表面，使集熱管17的兩側(cè)都可以接受到聚光輻射，集熱管17的表面積越小，則聚光輻射功率越高，越有利于形成更高的聚光溫度。
如圖6所示，集熱管17的其中一側(cè)接受聚光輻射的高度L為
L= nXw,其中，n彡1，w是聚光平行光線7和反射光線8的寬度；
在垂直于對稱面19方向上的條形會聚透鏡板11表面的寬度D為
D=2nXd，其中d>0，表示任一個條形會聚透鏡12的寬度；
根據(jù)幾何與光學(xué)常識可知，本發(fā)明提供一種太陽能直線型超薄光熱利用聚光器的最小厚度h為h=f+ nXw，其中，f為條形會聚透鏡板11和條形發(fā)散透鏡板13之間的外尺寸； 當(dāng)d=50mm, f=50mm, w=5mm, n=10時,條形會聚透鏡12的焦徑比為I. 1，條形會聚透鏡板 11 的寬度 D 為D= 2nXd =2X 10X50=1000mm ;
厚度h為h=f+ nXw=50+10X5=100mm,聚焦接受處與太陽光入射接受面之間的距離非常小；
厚度h與寬度D的比R為R=h/D=100/1000=0. I ;遠(yuǎn)小于普通菲涅爾透鏡通常的焦徑比
0.8—1. 4。如圖12所示，由幾何和光學(xué)知識可知，當(dāng)2n個條形會聚透鏡12的寬度相同時，每個條形會聚透鏡12的面積相同，則每個條形會聚透鏡12形成的相應(yīng)聚光輻射對應(yīng)在集熱管17側(cè)面w的長度范圍內(nèi)，并且具有相同的聚光輻射強(qiáng)度，也就是在集熱管17側(cè)面所接受的聚光輻射強(qiáng)度是均勻的。
權(quán)利要求
1.一種太陽能直線型超薄光熱利用聚光器，該聚光器由條形會聚透鏡板(11)、條形發(fā)散透鏡板(13)、反射板(15)、集熱管(17)和框架(18)組成；條形會聚透鏡板(11)、條形發(fā)散透鏡板(13)和反射板(15)通過框架(18)固定安裝；其特征在于條形發(fā)散透鏡板(13) 位于條形會聚透鏡板(11)和反射板(15)之間；集熱管(17)的截面為矩形，安裝在反射板 (15)和條形發(fā)散透鏡板(13)之間，平行并穿過對稱面(19)；條形會聚透鏡板(11)和條形發(fā)散透鏡板(13)為透光材料；條形會聚透鏡板(11)朝向太陽入射光線(3)的一側(cè)為平面；出射一側(cè)設(shè)置2n個條形會聚透鏡(12)，其中n為整數(shù)， n ^ I ;條形發(fā)散透鏡板(13)上設(shè)置2n個條形發(fā)散透鏡(14)，并與條形會聚透鏡(12)相對應(yīng)；對稱面(19)垂直于條形會聚透鏡板(11)的上表面平面，與條形會聚透鏡(12)的延伸方向平行；反射板(15)嵌套設(shè)置2n個條形反射面(16)，并與條形會聚透鏡(12)和條形發(fā)散透鏡 (14)相對應(yīng)；所有條形反射面(16)和對稱面(19)間的夾角為Z 45° ;條形會聚透鏡(12)、 條形發(fā)散透鏡(14)、條形反射面(16)和集熱管(17)通過對稱面(19)共面對稱。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的太陽能直線型超薄光熱利用聚光器，其特征在于每個條形會聚透鏡(12)和對應(yīng)的條形發(fā)散透鏡(14)、條形反射面(16)通過光路中心線(20)形成一組聚焦和反射關(guān)系；太陽入射光線(3)平行于對稱面(19)并且垂直于條形會聚透鏡板(11)的上表面平面；太陽入射光線(3)通過條形會聚透鏡(12)和對應(yīng)的條形發(fā)散透鏡 (14)的聚光，形成聚光平行光線(7)，再經(jīng)過條形反射面(16)的反射，形成與對稱面(19) 垂直的反射光線(8)，并全部射向?qū)ΨQ面(19)處集熱管(17)的兩側(cè)表面。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的太陽能直線型超薄光熱利用聚光器，其特征在于寬度為d 的條形會聚透鏡(12)的實焦線與條形發(fā)散透鏡板(13)上的條形發(fā)散透鏡(14)的虛焦線重合；太陽入射光線(3)經(jīng)過條形會聚透鏡(12)的聚焦，再經(jīng)過條形發(fā)散透鏡(14)的發(fā)散，形成平行于對稱面(19)的寬度為w的聚光平行光線(7)，其中，d>w>0;條形會聚透鏡(12)和條形發(fā)散透鏡(14)采用平滑弧面制作。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的太陽能直線型超薄光熱利用聚光器，其特征在于2n個條形會聚透鏡(12)的上表面在同一平面內(nèi)，與對稱面(19)平行且互不重疊并具有相同的焦距， 對稱面(19)兩側(cè)分別有n個條形會聚透鏡(12)。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的太陽能直線型超薄光熱利用聚光器，其特征在于集熱管 (17)的其中一側(cè)接受聚光輻射的高度L為L= nXw，其中n為整數(shù)，n彡l，w是聚光平行光線(7)和反射光線⑶的寬度。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的太陽能直線型超薄光熱利用聚光器，其特征在于該聚光器的最小厚度h為h=f+ nXw ,其中，f為條形會聚透鏡板(11)和條形發(fā)散透鏡板(13)之間的外尺寸。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的太陽能直線型超薄光熱利用聚光器，其特征在于集熱管(17)側(cè)面所接受的聚光輻射強(qiáng)度是均勻的。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種太陽能直線型超薄光熱利用聚光器，由條形會聚透鏡板、條形發(fā)散透鏡板、反射板、集熱管、框架組成。條形會聚透鏡板一側(cè)設(shè)置2n個條形會聚透鏡；條形發(fā)散透鏡板上設(shè)置2n個條形發(fā)散透鏡；反射板設(shè)置2n個條形反射面，每個條形會聚透鏡和對應(yīng)的條形發(fā)散透鏡、條形反射面形成聚焦和反射關(guān)系；光線通過條形會聚透鏡和條形發(fā)散透鏡，形成聚光平行光線，經(jīng)條形反射面反射，形成反射光線，并全部射向集熱管的兩側(cè)表面。該裝置能全面接受聚光輻射，集熱管設(shè)置在聚光器后方，不會產(chǎn)生遮擋陰影，聚光輻射接受處與太陽光入射接受面之間的距離小，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，集熱管側(cè)面接受的聚光輻射強(qiáng)度是均勻的。
文檔編號F24J2/16GK102607193SQ20121011441
公開日2012年7月25日 申請日期2012年4月18日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月18日
發(fā)明者劉紅強(qiáng), 張德勝 申請人:張德勝