CN101135500A

CN101135500A - 基于仿生学原理的多曲面复合太阳能聚光器

Info

Publication number: CN101135500A
Application number: CNA2007100626960A
Authority: CN
Inventors: 郑宏飞; 何开岩; 陶涛
Original assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Current assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Priority date: 2007-01-15
Filing date: 2007-01-15
Publication date: 2008-03-05

Abstract

本发明为基于仿生学原理的多曲面复合太阳能聚光器，属太阳能聚光与太阳能热利用技术领域。该装置包括一级复合抛物面聚光器(Compound Parabolic Concentrator-CPC)、偏光器或改型菲涅耳透镜、二级复合抛物面聚光器(CPC)、三级复合抛物面聚光器(CPC)等部件。各级聚光器沿对称轴依次相联，偏光器或改型菲涅耳透镜被用于减小传递光线的入射角，以提高聚光器的整体性能，从而实现太阳光的高度聚集；太阳光进入第一级CPC后，经其表面反射从第一级CPC的出光口输出，由于此出射光的部分光线，相对装置的对称轴有较大夹角，因此利用偏光器或改型菲涅耳透镜改变光的方向，以利第二级CPC对太阳光进一步聚集；从第二级CPC的出光口输出的太阳光线如果还达不到用户要求，可增加第三级CPC，再次对光线进行浓缩，也可利用第三级CPC使太阳光发生偏转，从而实现太阳光在不同方向出射。它是一种能够利用多种反射或透射曲面组合实现太阳光高密度聚集和传导的太阳能利用装置。

Description

基于仿生学原理的多曲面复合太阳能聚光器

所属技术领域

本发明涉及一种能够利用多种反射或透射曲面组合实现太阳光高密度聚集和传导的太阳能利用装置，属太阳能聚光与太阳能热利用技术领域。

背景技术

在目前推广使用的太阳能聚光器中，以单级CPC(复合抛物面聚光器，Compound ParabolicConcentrator)为主，尤其以二维对称的槽型CPC为最多。这类装置最大的优点是无需准确地跟踪太阳就能达到较好的聚光效果。然而，这类太阳能聚光器只能为用户提供初步浓缩的太阳光，一般聚光比在10以下。当用户需要更高能流密度的太阳光时，如用于太阳能绿色照明、聚光储能等时，这类聚光器一般不能满足要求，从而限制了此类装置的推广应用。因此，为了克服上述缺陷，进一步提高太阳聚光器的聚光比，利用多个CPC叠置组成多级CPC聚光器是很有意义的。但是，简单叠置CPC组成的多级CPC聚光器极大地减小了装置的最大聚光角，破坏了单级CPC无需准确跟踪的优越性。本发明基于仿生学原理，特别是基于喇叭花等特殊花卉的聚光原理，利用多曲面复合的方法，既获得了多级CPC聚光器的高聚光比，又增加了装置的最大聚光角，改善了装置无需准确跟踪的特性。

发明内容

为克服现有太阳能聚光器聚光比低和聚光能流密度小的缺点，本发明提供了一种新的太阳能聚光装置。该装置能将低密度的太阳光经过多级浓缩，从而将低密度的普通太阳光聚集成高密的太阳光，供用户需要时使用。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：仿效特种植物花卉生长时为获得更多太阳光而逐渐形成的特殊聚光结构，如喇叭花、南瓜花等的结构，利用多曲面组合反射太阳光，实现太阳光的多级浓缩，最终设计出具有高聚光比的太阳能聚光装置。该装置可以是三维漏斗状的(称为光漏斗)，也可以是二维槽形状的。本发明有2个或多个复合抛物面聚光器(1)和(3)经偏光器(2)或改型菲涅耳导光透镜(7)过渡连接组成，各CPC及偏光器(2)的对称轴可以在同一条直线上，也可以不在同一条直线上；各级CPC的反射面均是由抛物线经过不同的旋转、平移或截断而来，因而它们都具有二次曲面的特征；偏光器(2)是一个由小至大逐渐扩大的光通道，它可以由局部抛物线旋转而成，也可由其它曲线或倾斜直线旋转而成；第一级CPC与第二级CPC之间，或第二级CPC与第三级CPC之间，可以通过偏光器(2)过渡连接，也可以通过改型菲涅耳导光透镜(7)过渡连接；各级CPC和偏光器(2)可以是二维对称的也可以是旋转对称的。

各曲面其实是一个复合抛物面，亦称为CPC，是将普通的抛物线经过特定的旋转或截断而得到的。偏光器可以是一段抛物线绕装置对称轴旋转一周得到，也可以由一段其它曲线或直线绕装置对称轴旋转一周得到，进光口小，出光口大，主要用于把与对称轴成较大夹角的光线反射成与对称轴成较小夹角的光线。偏光器的功能也可用改型的菲涅耳透镜代替。连接方式是，第一级CPC的出光口与偏光器的进光口相联，偏光器的出光口与第二级CPC的进光口相联，依次类推。

其工作原理是：太阳光进入第一级CPC后，经其表面反射从第一级CPC的出光口输出，由于此出射光的一部分光线，相对装置的对称轴而言已有较大的夹角，不利于第二级CPC的再聚集，有的甚至会通不过第二级CPC，因此利用偏光器或改型菲涅耳透镜改变光的方向，使之向光轴方向偏转，以利第二级CPC对太阳光进一步聚集；从第二级CPC的出光口输出的太阳光线如果还达不到用户要求，可按上述方法增加第三级CPC，再次对光线进行浓缩，也可利用第三级CPC使太阳光发生偏转，从而实现太阳光在不同方向出射。

本发明的有益效果是，可以将低能流密度的太阳光能，经过多曲面组合反射，获得高密度的太阳光，为用户提供大功率高强度的太阳能量。本发明既实现了多级CPC聚光器的高聚光比，又没有使CPC的最大聚光角减少太多，只要装置大致对着太阳的方向就能取得较好的聚光效果，因此不需要特别准确的阳光跟踪，降低了装置造价，有利于推广使用。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1一本发明的连接光路和运行原理图，其中：

1—第二级CPC(复合抛物面集光器)；2—偏光器；3—第一级CPC；4—入射光线；5—对称轴。

图2—用直边偏光器过渡连接第一级CPC和第二级CPC的实施例图，其中：6—直边偏光器。

图3—用改型菲涅耳透镜过渡连接第一级CPC和第二级CPC的实施例图，其中：7—改型的菲涅耳透镜。

图4—用一个偏光器和多个CPC组成弯道式聚光器的实施例图，其中：8—第三级CPC；9—第四级CPC。

图5—CPC反射面生成方式的实施例图，其中：

10—抛物线(18)被截去的部分；11—抛物线(18)的焦点；12—抛物反射面的剖面线；13—抛物线(18)的对称轴；14—进光口；15—CPC的对称轴；16—CPC的最大聚光角；17—抛物线(12)的对称轴；18—抛物反射面的剖面线；19—CPC的出光口；20—抛物线(12)的焦点；21—抛物线(12)被截去的部分。

图6—光线经反射通过CPC的实施例图。

图7—光线经反射不能通过CPC的实施例图。

图8—由抛物线生成偏光器的实施例图，其中：22—抛物线被截去的部分；23—抛物线被截去的部分；24—偏光器反射面。

图9—由倾斜直线生成偏光器的实施例图，其中：25—倾斜直线被截去的部分；26—倾斜直线被截去的部分；27—直边偏光器反射面。

图10—在第一级CPC和第二级CPC之间加装偏光器和光导管的实施例图，其中：28—光导管。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明：

图1是本发明的连接光路和运行原理图。在图1中，装置的运行原理可分步解释如下：

本发明是一种能够将低密度的太阳光经过多级浓缩，从而将普通太阳光聚集成高密度太阳光的装置。装置在运行过程中，太阳光(4)入射到第一级CPC(3)的内表面上，如果太阳光(4)与对称轴(5)的夹角小于第一级CPC(3)的最大聚光角(每一个CPC都有一个最大聚光角，大于最大聚光角的光线不能通过CPC)，则太阳光被反射到CPC(3)的出光口处，从而可进入偏光器等下一级的传递，如图6所示。如果太阳光(4)与对称轴(5)的夹角大于第一级CPC(3)的最大聚光角，则太阳光将被CPC(3)的反射面反射回太空，不能达到出光口，不能实现下一级的传递，如图7所示。从CPC(3)出光口进入偏光器(2)的光线，包括了各种入射方向的光线，有些光线与对称轴(5)的夹角可能较大，大于了第二级CPC(1)的最大聚光角。因此这部分光线如果直接进入第二级CPC(1)，则不能达到第二级CPC(1)的出光口。为了使这部分光线也能达到第二级CPC(1)的出光口，必须减小它们与对称轴(5)的夹角，为此设立了偏光器(2)。偏光器(2)的反射面的斜率是负的，经它反射后的光线将极大地减少与对称轴(5)的夹角，从而有利于第二级CPC(1)对光线的进一步浓缩，并从第二级CPC(1)的出光***出。至于进入偏光器(2)时夹角本来就较小的光线，不能达到偏光器(2)的反射面，直接进入第二级CPC(1)，经反射后从出光口出射，实现对太阳光的浓缩。偏光器(2)的高度需经计算优化确定。

图2是用直边偏光器过渡连接第一级CPC和第二级CPC的实施例图。此时，偏光器(6)的反射面的斜率也是负的，能起到偏光器(2)的相同作用。偏光器(6)的制作更加简单，但对靠近第一级CPC(3)的出光口处的大角度光线，可能偏转角度不足，仍然使其不能通过第二级CPC(1)，会造成部分损失。两者在实际中选择使用。

图3是用改型菲涅耳透镜过渡连接第一级CPC和第二级CPC的实施例图。普通菲涅耳透镜可以使平行入射的光线汇聚在焦点上。如果是圆形的普通菲涅耳透镜，显然有使平行光向对称轴偏转的特性。本发明正是利用了菲涅耳透镜的这一特点。但从第一级CPC(3)出光口出射的光线，不是平行光，而是非常杂乱的光。因此采用普通菲涅耳透镜不能得到最佳的效果。对此，必须对普通菲涅耳透镜进行改造，使之在菲涅耳透镜的中间区域(具体大小需具体计算确定)为普通菲涅耳透镜，而在菲涅耳透镜的边沿区域则采用与普通菲涅耳透镜相反的结构，使之对光线有发散的功能。因为在菲涅耳透镜边沿区域入射的太阳光与装置对称轴(5)的夹角很大，经改型菲涅耳透镜偏转角度后，会使之与对称轴(5)的夹角减少，有利于第二级CPC(1)对光的进一步汇聚。具体运行方式是，太阳光(4)入射到第一级CPC(3)的内表面上，被反射到改型菲涅尔透镜(7)上，经(7)透射后，大部分太阳光的光线又转变为***行光(与对称轴(5)的夹角减小)，并投射到第二级CPC(1)内表面上，经第二级CPC(1)汇聚最后从第二级CPC(1)的出光口输出，实现太阳光的浓缩。

图4是用一个偏光器和多个CPC组成弯道式聚光器的实施例图。在收集太阳光的装置中，有些装置需要从不同方向的出口将太阳光输出。图4正是一个进光口与出光口不在同一方向的太阳能聚光器。图4中前面两级的结构与图1结构相同，但在第二级CPC(1)的后端增加了第三级CPC(8)和第四级CPC(9)。第二级CPC(1)汇聚的太阳光进入第三级CPC(8)，在那里被再汇聚并实现转弯，之后又进入第四级CPC(9)再汇聚，最后从第四级CPC(9)的出光口输出，从而实现太阳光的高度浓缩并转弯。

图5是CPC反射面生成方式的实施例图。图5中，抛物线被截去的部分(10)与抛物反射面的剖面线(18)组成完整的抛物线，其对称轴是(13)，但此抛物线被整体逆时针旋转一定角度，使其焦点(11)正好落在抛物面的剖面线(12)上；同样，抛物线被截去的部分(21)与抛物反射面的剖面线(12)组成完整的抛物线，其对称轴是(17)，但此抛物线被整体顺时针旋转一定角度，使其焦点(20)正好落在抛物面的剖面线(18)上。这样，从进光口(14)进入的光线，凡是与CPC的对称轴(15)之间夹角小于最大聚光角(16)的，都能经抛物反射面(18)或抛物反射面(12)反射到达CPC的出光口(19)，如图6所示。反之，凡是与CPC的对称轴(15)之间夹角大于最大聚光角(16)的光线，都不能到达CPC的出光口(19)，而被抛物反射面(18)或抛物反射面(12)反射回进光口(14)，如图7所示。

图6是光线经反射通过CPC的实施例图。图6中，入射光线(4)与CPC对称轴线(5)的夹角小于最大聚光角(16)，光线(4)被反射到出光口。

图7是光线经反射不能通过CPC的实施例图。图7中，入射光线(4)与CPC对称轴线(5)的夹角大于最大聚光角(16)，光线(4)被反射面(12)和(18)反射回太空。

图8是由抛物线生成偏光器的实施例图。图8中，抛物线被截去两个部分(22)和(23)，保留下一段，将这一段剩余的抛物线绕对称轴旋转一周即得偏光器(2)，其内表面即是偏光器的反射面(24)。

图9是由倾斜直线生成偏光器的实施例图。图9中，倾斜直线被截去两个部分(25)和(26)，保留下一段，将这一段剩余的倾斜直线绕对称轴旋转一周即得直边偏光器(6)，其内表面即是直边偏光器的反射面(27)。

图10是在第一级CPC和第二级CPC之间加装偏光器和光导管的实施例图。从偏光器(6)的出口出射的太阳光，先进入到光导管(28)中，经光导管(28)内壁的反射，再进入第二级CPC(1)中，最后经第二级CPC(1)的反射聚集，从第二级CPC(1)的出口导出，获得高能流密度的太阳光。

本发明所述的范围为该发明较佳的实施例，凡在本发明的精神和原则下，对本发明进行的局部改进或修改均应在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种基于仿生学原理的多曲面复合太阳能聚光器，由2个或多个复合抛物面聚光器(1)和(3)经偏光器(2)或改型菲涅耳导光透镜(7)过渡连接组成，其特征是：各复合抛物面聚光器及偏光器(2)的对称轴可以在同一条直线上，也可以不在同一条直线上；各级复合抛物面聚光器的反射面均是由抛物线经过不同的旋转、平移或截断而来，因而它们都具有二次曲面的特征。

2.根据权利要求1所述的基于仿生学原理的多曲面复合太阳能聚光器，其特征是：偏光器(2)是一个由小至大逐渐扩大的光通道，它可以由局部抛物线旋转而成，也可由其它曲线或倾斜直线旋转而成。

3.根据权利要求1所述的基于仿生学原理的多曲面复合太阳能聚光器，其特征是：第一级复合抛物面聚光器与第二级复合抛物面聚光器之间，或第二级复合抛物面聚光器与第三级复合抛物面聚光器之间，可以通过偏光器(2)过渡连接，也可以通过改型菲涅耳导光透镜(7)过渡连接。

4.根据权利要求1所述的基于仿生学原理的多曲面复合太阳能聚光器，其特征是：各级复合抛物面聚光器和偏光器(2)可以是二维对称的也可以是旋转对称的。