[发明专利]一种拉伸变焦式柔性菲涅耳透镜太阳能聚光器

说明书

本发明为一种拉伸变焦式菲涅耳透镜太阳能聚光器，属于太阳能聚光技术领域。当光线倾斜射入菲涅耳透镜时，光线在菲涅耳透镜内部的光路会变长，从而引起焦距改变。本发明提出一种可拉伸变焦的菲涅耳透镜的设计思想，即将菲涅耳透镜采用弹性透明材料制作，使之在外力作用下能够产生弹性形变。具体是，当在菲涅耳透镜两侧施加拉力时，菲涅耳透镜宽度变宽，相应材料产生收缩，厚度变薄，此时倾斜入射的光线在变形后的菲涅耳透镜中的光路重新变短，光线穿过菲涅耳透镜后能够重新汇聚到原焦点处。这种拉伸变焦式菲涅耳透镜不仅能够有效实现焦距的调节，在拉伸过程中菲涅耳透镜的宽度有效增加，从而使其能够更多地接收到太阳光线。

所属技术领域

本发明为一种拉伸变焦式菲涅耳透镜太阳能聚光器，属于太阳能聚光技术领域。具体地说，是一种利用弹性材料的在拉伸条件下的弹性变形，实现对菲涅耳透镜的焦距调节，以适应太阳能位置变化的太阳能收集装置。

背景技术

太阳能作为一种清洁、可再生的能源，已经广泛被开发利用。由于太阳辐射能分布广，能流密度低，要利用太阳能产生较高温度的热能，必须使用到太阳能聚光器。菲涅耳透镜自被发明已有近200年，被应用与太阳能聚光领域也有近50年时间，然而并没有被广泛地推广使用，其主要原因之一就是菲涅耳透镜的焦距会随着太阳光线倾斜入射角的增大而出现缩短的现象。菲涅耳透镜可视为由一系列三棱镜按照特定序列排列而成的结构，对太阳光的汇聚作用主要基于棱镜的折射作用。当光线倾斜入射菲涅耳透镜时，在菲涅耳透镜中走过的光路变长，光路截面会发生变化，主要特征时光路截面的上边线和下边线之间的夹角变大，会导致光线在棱镜表面上的入射角和折射角增大，进而引起焦距缩短，而焦距缩短所带来的严重问题是固定安装的接收器无法完全接收到菲涅耳透镜汇聚的光线。现有的研究和发明针对这一问题，主要采取的是适应焦距伸缩变化的解决办法，一种方式是添加大尺寸的二次聚光器，优化接收器的安装位置，使较大倾斜入射角范围内的入射光线都能够被接收，这种办法只能在小角度范围内适用，无法彻底解决问题，另一种方式是采用二维跟踪，这种方式不仅大大的增加聚光器结构的复杂性，而且使聚光器成本更高，不利于大面积建设菲涅耳透镜式太阳能聚光器。鉴于此，本发明提出了一种拉伸变焦式菲涅耳透镜太阳能聚光器，采用弹性透明材料如有机硅聚合物等，制作成弹性的菲涅耳透镜，菲涅耳透镜在自然状态下保持原有设计形状，满足正入射时的聚光；当光线倾斜入射时，光线在菲涅耳透镜中的光路截面增大，此时在菲涅耳透镜两侧施加拉力，使其宽度加宽的同时，厚度变薄，光线倾斜穿过厚度变薄的菲涅耳透镜时，其光路截面会接近正入射时的光路截面，从而使倾斜入射时的焦距与正入射焦距相等，此时固定安装的接收器便可以完全接收到倾斜入射时菲涅耳透镜汇聚的所有光线。

这种拉伸变焦式菲涅耳透镜太阳能聚光器不仅可以满足变焦，提高光线倾斜入射时的光线接收能力，而且菲涅耳透镜在被拉宽时，其增加的宽度能也够接收更多的太阳光，从而有效补偿了光线倾斜入射时产生的余弦损失，提高聚光器的聚光性能。

发明内容

菲涅耳透镜在光线倾斜入射时会出现焦距缩短现象，而焦距缩短所带来的严重问题是固定安装的接收器无法完全接收到菲涅耳透镜汇聚的光线。现有的研究和发明针对这一问题，主要采取的是适应焦距变化的解决办法，这种办法会使聚光器的结构变得复杂，提高成本，且不能从根本上解决问题。不同于适应焦距变化的办法，本发明提出一种变焦的办法，即提出一种拉伸变焦式菲涅耳透镜太阳能聚光器。带有弹性的菲涅耳透镜在拉力作用下会发生弹性变形，在宽度变宽的同时厚度变小，从而减小对光线的折射角度，达到调节菲涅耳透镜焦距的目的。