專利名稱：利用嵌套圓錐環(huán)面的全周向輻射接受聚光器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及太陽能利用技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及ー種對太陽光進(jìn)行聚光利用的
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)電技木，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。而太陽能是ー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，其エ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，也存在加工エ藝難、成本過高的問題。菲涅爾透鏡還具有較大的光學(xué)損失，大致可以分為反射損失、吸收損失、エ藝性損失以及結(jié)構(gòu)損失，其中エ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?？刂圃?br> 0.8 — 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，從而使成本升聞。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，還會將一部分能源輻射出去。由于集熱真空管管路很長，使能量損失較大，使內(nèi)部導(dǎo)熱油傳熱エ質(zhì)的運行溫度只能達(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和不足，本實用新型提供ー種利用嵌套圓錐環(huán)面的全周向輻射接受聚光器，能夠全面接受聚光輻射而不存在遮擋和陰影，沒有像菲涅爾透鏡折射楞圓角產(chǎn)生的エ藝性損失和結(jié)構(gòu)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)方案是本實用新型是ー種利用嵌套圓錐環(huán)面的全周向輻射接受聚光器，由環(huán)形會聚透鏡板、環(huán)形發(fā)散透鏡板、反射板、集熱管、框架組成。環(huán)形會聚透鏡板、環(huán)形發(fā)散透鏡板和反射板通過框架固定安裝。環(huán)形發(fā)散透鏡板位于環(huán)形會聚透鏡板和反射板中間，環(huán)形會聚透鏡板朝向太陽入射光線；集熱管為圓柱形，安裝在反射板中心，緊臨環(huán)形發(fā)散透鏡板出射光偵れ環(huán)形會聚透鏡板朝向太陽入射光線的ー側(cè)為平面；出射一側(cè)設(shè)置I個中心會聚透鏡和n個環(huán)形會聚透鏡，其中n ^ 2 ;環(huán)形發(fā)散透鏡板上設(shè)置I個中心發(fā)散透鏡和n個與環(huán)形會聚透鏡相對應(yīng)的環(huán)形發(fā)散透鏡；反射板嵌套設(shè)置n個與環(huán)形會聚透鏡和環(huán)形發(fā)散透鏡相對應(yīng)的圓錐環(huán)反射面；經(jīng)過中心軸的剖面與任一圓錐環(huán)反射面的交線和中心軸間的夾角為45° ;環(huán)形會聚透鏡、環(huán)形發(fā)散透鏡、圓錐環(huán)反射面和集熱管通過中心軸共軸對稱，中心軸垂直于環(huán)形會聚透鏡板的上表面平面。每個環(huán)形會聚透鏡和對應(yīng)的環(huán)形發(fā)散透鏡、圓錐環(huán)反射面形成一組聚焦和反射關(guān)系；平行于中心軸的太陽入射光線通過環(huán)形會聚透鏡和對應(yīng)的環(huán)形發(fā)散透鏡的聚光，形成聚光平行光線，再經(jīng)過圓錐環(huán)反射面的反射，形成與中心軸垂直的聚光徑向光線，并全部射向集熱管的表面；中心會聚透鏡和中心發(fā)散透鏡通過中心軸形成一組聚焦關(guān)系，將太陽入射光線形成聚光平行光線后，射向集熱管的端部，從而使到達(dá)環(huán)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表面。環(huán)形會聚透鏡的上表面在同一平面，與中心軸之間的半徑不同但具有相同的焦距，每個環(huán)形會聚透鏡形成的聚焦環(huán)的直徑不同，但位于同一平面；每個環(huán)形會聚透鏡的寬度相同，并等于中心會聚透鏡的直徑。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エ藝性損失和結(jié)構(gòu)損失，降低了制造的難度，提高了太陽能利用率；環(huán)形會聚透鏡和環(huán)形發(fā)散透鏡組合形成聚光平行光線的空間尺寸更小。由環(huán)形會聚透鏡、環(huán)形發(fā)散透鏡和圓錐環(huán)反射面形成的聚光徑向光線，使集熱管的周向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。集熱管接受聚光輻射的軸向長度L為L= nXw,其中，n彡2，表示環(huán)形會聚透鏡的數(shù)量，w是聚光平行光線和聚光徑向光線的寬度；環(huán)形會聚透鏡板總直徑D為D=dX (2n+l)，其中d>0，是環(huán)形會聚透鏡的寬度，也是中心會聚透鏡的直徑；[0019]根據(jù)幾何與光學(xué)常識可知，本實用新型提供ー種利用嵌套圓錐環(huán)面的全周向輻射接受聚光器的最小厚度h為h=f+ nXw，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。聚焦接受處與太陽光入射接受面之間的距離很小，遠(yuǎn)小于普通菲涅爾透鏡的焦徑比0. 8一 I. 4。由幾何和光學(xué)知識可知，當(dāng)n個環(huán)形會聚透鏡的寬度相同，并等于中心會聚透鏡的直徑吋，第i+1個與第i個環(huán)形會聚透鏡的面積比為(i+1) /i，其中i、n為整數(shù)，且I i (n-1), n ^ 2;姆個環(huán)形會聚透鏡形成的相應(yīng)聚光福射對應(yīng)在集熱管周向表面w的長度范圍內(nèi)；因此，第i+1個與第i個環(huán)形會聚透鏡在集熱管周向表面形成的聚光輻射強(qiáng)度之比也為(i+l)/io本實用新型的有益效果是能全面接受聚光輻射，集熱管設(shè)置在聚光器的后方，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。

圖I是現(xiàn)有技術(shù)的槽式熱發(fā)電的原理示意圖。圖2是現(xiàn)有技術(shù)的槽式熱發(fā)電的聚光剖面示意圖。圖3是本實用新型的立體剖面結(jié)構(gòu)示意圖。圖4是本實用新型的中心軸剖面結(jié)構(gòu)及部分光路示意圖。圖5是本實用新型中單個環(huán)形會聚透鏡的立體結(jié)構(gòu)示意圖。圖6是本實用新型中單個環(huán)形會聚透鏡的軸向剖面結(jié)構(gòu)示意圖。圖7是本實用新型中多個環(huán)形會聚透鏡的立體結(jié)構(gòu)示意圖。圖8是本實用新型中多個環(huán)形會聚透鏡的軸向剖面結(jié)構(gòu)示意圖。圖9是本實用新型的聚光原理與結(jié)構(gòu)示意圖。圖10是本實用新型的部分光路示意圖。圖11是本實用新型的軸向剖面光路結(jié)構(gòu)示意圖。圖12是本實用新型的環(huán)形會聚透鏡與集熱管接受聚光輻射對應(yīng)關(guān)系示意圖。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-聚光徑向光線、9-中心會聚透鏡、10-中心發(fā)散透鏡、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、15-反射板、16-圓錐環(huán)反射面、17-集熱管、18-框架、19-中心軸、20-光路中心線、21-聚焦環(huán)。
具體實施方式
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，將一部分能源輻射出去。[0037]如圖3、圖4所示，本實用新型提供ー種利用嵌套圓錐環(huán)面的全周向輻射接受聚光器，由環(huán)形會聚透鏡板11、環(huán)形發(fā)散透鏡板13、反射板15、集熱管17、框架18組成。環(huán)形會聚透鏡板11、環(huán)形發(fā)散透鏡板13和反射板15通過框架18固定安裝。環(huán)形發(fā)散透鏡板13位于環(huán)形會聚透鏡板11和反射板15中間，環(huán)形會聚透鏡板11朝向太陽入射光線3 ;集熱管17為圓柱形，安裝在反射板15中心，緊臨環(huán)形發(fā)散透鏡板13出射光側(cè)；環(huán)形會聚透鏡板11朝向太陽入射光線3的ー側(cè)為平面，以方便清潔，防止積存灰塵；出射一側(cè)設(shè)置I個中心會聚透鏡9和n個環(huán)形會聚透鏡12，其中n ^ 2 ;環(huán)形發(fā)散透鏡板13上設(shè)置I個中心發(fā)散透鏡10和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 ；反射板15嵌套設(shè)置n個與環(huán)形會聚透鏡12和環(huán)形發(fā)散透鏡14相對應(yīng)的圓錐環(huán)反射面16 ;經(jīng)過中心軸19的剖面與任一圓錐環(huán)反射面16的交線和中心軸19間的夾角為45° ;環(huán)形會聚透鏡12、環(huán)形發(fā)散透鏡14、圓錐環(huán)反射面16和集熱管17通過中心軸19共軸對稱，中心軸19垂直于環(huán)形會聚透鏡板11的上表面平面。如圖4所示，每個環(huán)形會聚透鏡12和對應(yīng)的環(huán)形發(fā)散透鏡14、圓錐環(huán)反射面16通 過光路中心線20形成一組聚焦和反射關(guān)系；平行于中心軸19的太陽入射光線3通過環(huán)形會聚透鏡12和對應(yīng)的環(huán)形發(fā)散透鏡14的聚光，形成聚光平行光線7，再經(jīng)過圓錐環(huán)反射面16的反射，形成與中心軸19垂直的聚光徑向光線8，并全部射向集熱管17的表面；中心會聚透鏡9和中心發(fā)散透鏡10通過中心軸19形成ー組聚焦關(guān)系，將太陽入射光線3形成聚光平行光線7后，射向集熱管17的端部，從而實現(xiàn)將到達(dá)環(huán)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的表面。如圖5、圖6所示，環(huán)形會聚透鏡12以中心軸19為旋轉(zhuǎn)對稱軸，太陽入射光線3與中心軸19平行入射時，經(jīng)環(huán)形會聚透鏡12聚焦后，會形成聚焦環(huán)21。如圖7、圖8所示，每個環(huán)形會聚透鏡12位于同一平面，與中心軸19之間的半徑不同但具有相同的焦距，每個環(huán)形會聚透鏡12形成的聚焦環(huán)21的直徑不同，但位于同一平面。如圖9所示，寬度為d的環(huán)形會聚透鏡12形成聚焦環(huán)21，與環(huán)形發(fā)散透鏡板13上的環(huán)形發(fā)散透鏡14的虛聚焦環(huán)完全重合；根據(jù)光學(xué)常識可知，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，形成平行于中心軸19的寬度為w的聚光平行光線7，其中，d>w>0 ;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エ藝性損失和結(jié)構(gòu)損失，降低了制造的難度，提高了太陽能利用率；環(huán)形會聚透鏡12和環(huán)形發(fā)散透鏡14組合，在環(huán)形會聚透鏡12和聚焦環(huán)21之間的位置上形成聚光平行光線7，環(huán)形會聚透鏡板11和環(huán)形發(fā)散透鏡板13之間的外尺寸f，小于環(huán)形會聚透鏡12的焦距F，即f〈F，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10所示，太陽入射光線3經(jīng)過ー組對應(yīng)的環(huán)形會聚透鏡12和環(huán)形發(fā)散透鏡14，形成聚光平行光線7，再經(jīng)過對應(yīng)的圓錐環(huán)反射面16的反射，形成聚光徑向光線8，匯聚至集熱管17表面，使集熱管17的周向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11所示，集熱管17接受聚光輻射的軸向長度L為L= nXw,其中,n彡2,表示環(huán)形會聚透鏡12的數(shù)量,w是聚光平行光線7和聚光徑向光線8的寬度；[0047]環(huán)形會聚透鏡板11表面的直徑D為D=2X (nXd+(d/2) ) =dX (2n+l)，其中d>0;根據(jù)幾何與光學(xué)常識可知，本實用新型提供ー種利用嵌套圓錐環(huán)面的全周向輻射接受聚光器的最小厚度h為h=f+ nXw，其中，f為環(huán)形會聚透鏡板11和環(huán)形發(fā)散透鏡板13之間的外尺寸；當(dāng)d=50mm, F=50, f=40mm, w=5mm, n=10, a=50mm 時，焦徑比 F/d=l,環(huán)形會聚透鏡板11 的直徑 D 為D= dX (2n+l) =50X (2X 10+1) =1050mm ;厚度h為h=f+ nXw=40+10X5=90mm,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與直徑D的比R為R=h/D=90/1050 ^ 0. 086 ;遠(yuǎn)小于普通菲涅爾透鏡的焦徑比 0. 8—1.4。如圖12所示，由幾何和光學(xué)知識可知，當(dāng)n個環(huán)形會聚透鏡12的寬度相同，并等于中心會聚透鏡9的直徑時，第i+1個與第i個環(huán)形會聚透鏡12的面積比為(i+l)/i，其中i、n為整數(shù)，且I < i < (n-1)，n彡2;每個環(huán)形會聚透鏡12形成的相應(yīng)聚光輻射對應(yīng)在集熱管17周向表面w的長度范圍內(nèi)；因此，第i+1個與第i個環(huán)形會聚透鏡12在集熱管17周向表面形成的聚光輻射強(qiáng)度之比也為(i+1) /i。
權(quán)利要求1.ー種利用嵌套圓錐環(huán)面的全周向輻射接受聚光器，由環(huán)形會聚透鏡板(11)、環(huán)形發(fā)散透鏡板(13)、反射板(15)、集熱管(17)、框架(18)組成，環(huán)形會聚透鏡板(11)、環(huán)形發(fā)散透鏡板(13)和反射板(15)通過框架(18)固定安裝，其特征在于環(huán)形發(fā)散透鏡板(13)位于環(huán)形會聚透鏡板(11)和反射板(15)中間，環(huán)形會聚透鏡板(11)朝向太陽入射光線(3)；集熱管(17)為圓柱形，安裝在反射板(15)中心，緊臨環(huán)形發(fā)散透鏡板(13)出射光側(cè)；環(huán)形會聚透鏡板(11)朝向太陽入射光線(3)的ー側(cè)為平面；出射一側(cè)設(shè)置I個中心會聚透鏡(9)和n個環(huán)形會聚透鏡(12)，其中2;環(huán)形發(fā)散透鏡板(13)上設(shè)置I個中心發(fā)散透鏡(10)和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);反射板(15)嵌套設(shè)置n個與環(huán)形會聚透鏡(12)和環(huán)形發(fā)散透鏡(14)相對應(yīng)的圓錐環(huán)反射面(16);經(jīng)過中心軸(19)的剖面與任一圓錐環(huán)反射面(16)的交線和中心軸(19)間的夾角為45° ;環(huán)形會聚透鏡(12)、環(huán)形發(fā)散透鏡(14)、圓錐環(huán)反射面(16)和集熱管(17)通過中心軸(19)共軸對稱，中心軸(19)垂直于環(huán)形會聚透鏡板(11)的上表面平面；每個環(huán)形會聚透鏡(12)位于同一平面，與中心軸(19)之間的半徑不同但具有相同的焦距，每個環(huán)形會聚透鏡(12)形成的聚焦環(huán)(21)的直徑不同，但位于同一平面；每個環(huán)形會聚透鏡(12)的寬度相同，并等于中心會聚透鏡(9)的直徑。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的利用嵌套圓錐環(huán)面的全周向輻射接受聚光器，其特征在于每個環(huán)形會聚透鏡(12)和對應(yīng)的環(huán)形發(fā)散透鏡(14)、圓錐環(huán)反射面(16)形成一組聚焦和反射關(guān)系；平行于中心軸(19)的太陽入射光線(3)通過環(huán)形會聚透鏡(12)和對應(yīng)的環(huán)形發(fā)散透鏡(14)的聚光，形成聚光平行光線(7)，再經(jīng)過圓錐環(huán)反射面(16)的反射，形成與中心軸(19)垂直的聚光徑向光線(8)，并全部射向集熱管(17)的表面；中心會聚透鏡(9)和中心發(fā)散透鏡(10)通過中心軸(19)形成ー組聚焦關(guān)系，將太陽入射光線(3)形成聚光平行光線(7)后，射向集熱管(17)的端部。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的利用嵌套圓錐環(huán)面的全周向輻射接受聚光器，其特征在于集熱管(17)接受聚光輻射的軸向長度L為L = nXw，其中，n彡2，表示環(huán)形會聚透鏡(12)的數(shù)量，w是聚光平行光線(7)和聚光徑向光線⑶的寬度。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的利用嵌套圓錐環(huán)面的全周向輻射接受聚光器，其特征在于n個環(huán)形會聚透鏡(12)的寬度相同，且等于中心會聚透鏡(9)的直徑，第i+1個與第i個環(huán)形會聚透鏡(12)在集熱管(17)周向表面形成的聚光輻射強(qiáng)度之比為(i+l)/i，其中i、n為整數(shù)，且I彡i彡(n-l)，n彡2。
專利摘要本實用新型公開了一種利用嵌套圓錐環(huán)面的全周向輻射接受聚光器，由環(huán)形會聚透鏡板、環(huán)形發(fā)散透鏡板、反射板、集熱管、框架組成。環(huán)形會聚透鏡板設(shè)置1個中心會聚透鏡和多個環(huán)形會聚透鏡，環(huán)形發(fā)散透鏡板上設(shè)置1個中心發(fā)散透鏡和多個環(huán)形發(fā)散透鏡，反射板嵌套設(shè)置多個圓錐環(huán)反射面；太陽入射光線通過環(huán)形會聚透鏡和對應(yīng)的環(huán)形發(fā)散透鏡的聚光，形成聚光平行光線，再經(jīng)過圓錐環(huán)反射面的反射，形成與中心軸垂直的聚光徑向光線，并全部射向中心軸處集熱管的表面。該裝置能全面接受聚光輻射，集熱管設(shè)置在聚光器的后方，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，加工難度低，聚光輻射功率高，有利于形成更高的聚光溫度。
文檔編號G02B7/02GK202581855SQ201220141518
公開日2012年12月5日 申請日期2012年4月6日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月6日
發(fā)明者屈瑞 申請人:屈瑞