[发明专利]太阳能轴对称平行光超薄聚光器

说明书

 

技术领域

本发明涉及太阳能利用技术领域，特别是涉及一种对太阳光进行聚光的光学装置。

背景技术

太阳能是一种清洁无污染的可再生能源，取之不尽，用之不竭，充分开发利用太阳能不仅可以节约日益枯竭的常规能源，缓解严峻的资源短缺问题，而且还可以减少污染，保护人类赖以生存的生态环境。

在众多的太阳能利用技术中，最为常见的有太阳能光伏发电、太阳能热发电、太阳能热水器等。目前，在太阳能光伏发电中，绝大多数采用的是硅电池片的光伏发电技术，而硅电池片只将到达地面的太阳能的15%左右的能量转换为电能，太阳能的利用效率总体还是比较低的。

太阳能光热发电技术中，主要是先对太阳光进行聚光，达到中高温后，再利用其热量进行发电。包括太阳能光伏发电技术在内，目前的聚光技术主要有反射式聚光和透射式聚光两类。反射式聚光主要有塔式、碟式、槽式、和线性菲涅尔四种形式。透射式聚光主要采用普通的圆弧面透镜和菲涅尔透镜两种形式。而太阳能是一种能量密度比较低的资源，因此要求无论是反射式聚光还是透射式聚光，都要求将采光面积设置的比较大。而普通的圆弧面透镜要做得比较大时，其工艺成本就会直线上升，尤其是重量太大，一般只在天文望远镜等特殊场合使用。

菲涅尔透镜的面积做得比较大时，也存在加工工艺难、成本过高的问题。菲涅尔透镜还具有较大的光学损失，包括反射损失、吸收损失、工艺性损失以及结构损失，其中工艺性损失是由于透镜成型对理想透镜轮廓进行修改而导致部分光线发散引起的光学损失,比如脱模锥度、圆角等。结构损失是由于菲涅尔透镜采用棱镜元组成的不连续曲面取代一般透镜的连续球面而导致部分光线发散引起的光学损失。例如，对于平面朝外的菲涅尔透镜，由于楞高会遮挡部分折射光线，使得从第二楞开始就出现部分透射光发散。对于平面朝内的菲涅尔透镜，当透镜焦距小于某临界值时，出射界面上入射角大于其全反射角，使透射光不能到达设定的焦斑范围内而损失。同时，菲涅尔透镜的焦径比通常控制在0.8—1.4之间，在透镜与聚光点之间有较大空间，从而加大了支架或框架的尺寸，从而使成本升高。

槽式热发电是最早实现商业化的太阳能热发电系统。它采用大面积的槽式抛物面反射镜将太阳光聚焦反射到集热真空管上。通过管内热载体将水加热成蒸汽，同时在热转换设备中产生高压、过热蒸汽，然后送入常规的蒸气涡轮发电机内进行发电。但是采用槽式发电对太阳能进行聚光时，集热真空管会在抛物反射面上形成遮挡阴影，使集热真空管上有一部分不能接受到聚光辐射。集热真空管背朝抛物聚光器的一面，还会将一部分能量辐射出去。由于集热真空管管路很长，使能量损失较大，使内部导热油传热工质的运行温度只能达到400 °C左右，只能停留在中温阶段，从而限制了太阳能槽式热发电的效率。

发明内容

为了克服上述圆弧面透镜、菲涅尔透镜以及槽式抛物面反射镜等聚光器存在的缺点和不足，本发明提供一种太阳能轴对称平行光超薄聚光器，能够将表面入射太阳光全部转化为聚光光线而不存在遮挡和阴影，没有像菲涅尔透镜折射楞圆角产生的工艺性损失，聚光辐射接受处与太阳光入射接受面之间的距离更小，加工难度降低，聚光辐射功率高，有利于形成更高的聚光温度。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

本发明提供一种太阳能轴对称平行光超薄聚光器，由环形会聚透镜板、环形发散透镜板、第一反射体、第i反射体、第p反射体、框架组成，并通过框架固定安装为一体，有共同的对称轴；第一反射体、第i反射体、第p反射体嵌套安装在环形发散透镜板出射光线的一侧,其中，1<i<p ,i、p均为正整数；

环形会聚透镜板和环形发散透镜板为透光材料，如透光玻璃、透光塑料等；环形会聚透镜板朝向太阳入射光线的一侧为平面，以方便清洁，防止积存灰尘；出射一侧设置n个环形会聚透镜，其中n为正整数；环形发散透镜板上设置n个与环形会聚透镜相对应的环形发散透镜；对称轴与环形会聚透镜板上表面垂直，与环形会聚透镜的延伸方向平行。

第一反射体上有输出反射锥面，第i反射体上有输出反射锥面和法向反射锥面，第p反射体上有法向反射锥面和聚光输出口；所有输出反射锥面、法向反射锥面与通过对称轴的剖面的交线与对称轴间的夹角均为∠45°，并通过对称轴共轴对称。