CN101622503B - 太阳能聚光器 - Google Patents

Abstract

本发明的聚光器包括会聚透镜(2)，该会聚透镜具有焦距f和像焦平面(PFI)。会聚透镜(2)限定了壳体(1)的其中一个壁，该壳体通过两对侧壁(4a、4c)、底壁(3)和透镜(2)限定的前壁所限定，壳体内部上的侧壁和底壁可反光，且壳体的深度p低于透镜的焦距f，以使得在多次反射后，由此反射的光束(R1、R2)会聚在位于所述壳体内的最终像焦点(I’)上，所述聚光器包括可动接收器(6a)，通过控制所述接收器(6a)跟随所述光束运动的运动，该接收器被保持在会聚光束内或处于至少与所述光束相割的位置处。

Description

太阳能聚光器

技术领域

本发明涉及一种太阳能聚光器，这种类型的太阳能聚光器包括作为采集器的会聚透镜，该会聚透镜本质上以公知的方式具有焦距和像焦平面(imagefocal plane)，所述透镜接收的太阳光束沿称为“最初像焦点(primary imagefocus)”的线在像焦平面上会聚，所述会聚光束随太阳的轨迹而移动。这样的透镜因为其焦点是直线而被认为是“线性的”。

背景技术

为了考虑太阳光线在一天的过程中和在各季节的过程中方向的变化，公知的太阳能聚光器不是使用昂贵的抛物面镜就是包括在枢转且电动的设备中，这些设备复杂且不稳固。

发明内容

本发明的目的是提供一种简单并有效的解决方案以克服这些缺陷。

因此，本发明添加了上述类型的太阳能聚光器，其中，所述会聚透镜形成腔室的其中一个壁，该腔室由以下特征限定：

两对侧壁、底壁和由所述透镜形成的前壁，每对侧壁彼此平行，并且每对侧壁垂直于另一对侧壁，

侧壁和底壁在该腔室内是反射的，

前壁和底壁之间的深度p比透镜的焦距f小，

这使得在多次反射之后，适当地反射的光束会聚在被称为“最终像焦点(final image focus)”的直线上，所述最终像焦点相对于所述底壁与所述最初像焦点对称，并且属于“近像焦平面(near image focal plane)”，该近像焦平面自身相对于所述底壁与所述像焦平面对称，但位于所述腔室内部。

所述聚光器封有可移动的接收器，通过伺服控制所述接收器跟随所述光束运动而运动，该接收器保持在所述会聚光束内，或者处于至少与所述光束相割的位置处。

在优选实施例中，腔室的前壁和底壁垂直于侧壁；换句话说，腔室采取直角平行六面体的形式。

在特定的情况下，腔室的深度p满足关系：

p＝0.5*(f+e+b)，

其中：

-e是透镜在腔室中的穿透厚度，以及

-b是透镜和近像焦平面之间的距离或有用的操作距离，

所述聚光器封有可移动的接收器，通过伺服控制所述接收器跟随所述光束运动而运动，该接收器保持在所述会聚光束内，或者处于至少与所述光束相割的位置处。

因此，根据本发明的聚光器的结构使得通过在太阳轨迹上的伺服控制腔室中的接收器的位置而不是腔室的定向能够跟随太阳的轨迹。由此，一方面，如果与整个腔室必须被移动相比，伺服控制装置可以相当轻；另一方面，可移动元件(接收器)通过腔室被保护远离外部介质。

实际中，接收器安装成在所述透镜的近像焦平面中或在平行于所述近像焦平面的平面中移动。

能使用的伺服控制装置在本领域技术人员的能力范围之内。特别地，他们能够使用与那些公知聚光器中实施的相似的原理。应该理解的是，在没有太阳光线或当没有充足的辐射时，接收器能够在腔室中临时地保持静止，并且能够在辐射回到充足水平时相对于会聚光束重新定位。

在一个可行的实施例中，为了控制所述接收器运动的速度和方向，所述接收器设置了光子通量测量计，其适于向支配该接收器的驱动装置发送信号。

为了优化接收器的位置，也就是为了能使接收器接受所有会聚光束，接收器的中心必须被定位在影响所述近像焦平面的任一侧+k至-k的范围的区域内，在所述区域中，k满足关系式：

$k=\frac{r}{\sin \left[A\tan \left(\frac{d}{f}\right)\right]}$

其中，

-如果接收器的横截面是圆形的，则r是该截面的半径，或如果接收器的横截面不是圆形的，则r是该截面的内接圆的半径，假定“接收器的中心”的表达被理解为表示平行于最终像焦点并且穿过所述圆的中心的直线；

-sin[Atan]代表反正切值的正弦值；

-d是透镜的光轴和透镜的边缘之间的距离，取自于包含所述光轴并且垂直于腔室的底部且正交于最终像焦点的平面。

然而，可以将接收器的中心放置在该优选区域外，而仍然得到可以接受的结果，例如经济上可接受的结果，如果性能的损失通过聚光器成本的显著减小来抵消的话。

会聚透镜能采取各种形式，只要它使太阳光线沿直线会聚。因此，会聚透镜可以是平-凸透镜、双凸透镜或会聚的凹凸透镜。

优选而不是排它地，为了减小透镜的覆盖区和重量，会聚透镜可以是菲涅尔透镜。菲涅尔透镜与其它透镜相比还具有对穿过其的光线吸收较小的优势。

在平-凸菲涅尔透镜的情况下，也就是透镜具有平面和锯齿形面，所述透镜优选地将安装成使得其平面面对着所述腔室的外侧。

这种定向的优点在于，将透镜最容易截留污垢的面放置在腔室内侧，平的外表面显然更容易清洁。出于同样的原因，如果菲涅尔透镜是双凸的，也就是，透镜具有平滑凸面和锯齿形面，那么透镜将优选地安装成使得其凸面面对着所述腔室的外侧。

在另一实施例中，透镜可以是会聚的凹凸透镜，也就是，透镜具有凸面和凹面；这样的透镜必需安装为使得其凸面面对着所述腔室的外侧。

有利地，接收器是以材料包覆的热管，该材料的热吸收系数高于热耗散系数。

在本发明的特定实施例中，更具体地为太阳能发电厂设计，热管采用管的形式，可能是柔性的，被包含在真空管中，以限制热损失。

有利地，热管连接到供应有载热流体的提取热交换器(extractionexchanger)，以利用获得的热量，例如，加热水或其它流体，加热装置或产生太阳能制冷。

在再一实施例中，接收器是供应有载热流体的提取热交换器。

在再一实施例中，接收器可以是光电池接收器。

在优选的实施例中，接收器可以占有两个位置，称为工作位置和缩回位置，在工作位置处它接收一定的热能，在缩回位置处它接收比在工作位置处更少的热能，缩回装置可以使得接收器从工作位置移动至缩回位置，在工作位置处有过热的危险，例如，在载热流体不再在提取热交换器中循环的情况下。

接收器能连接到斯特林发动机(Stirling engine)，即使用热源和冷源之间的温度差的发动机，特别是用于发电的目的。

优选地，透镜表面被处理以减少它们随时间的潜在的退化，该退化主要在于具有污垢的外侧，以及从反射表面发射的金属颗粒的沉积的内侧。这样的处理可包括增加润湿性的非粘结表面处理，并且通过使用薄层而获得，该薄层包括基于SiOx(SiO₂等)的化合物和/或可以减少不同污染物附着的涂层，例如TiO₂型光催化的(photocatalytic)化合物。

还可以有防止透镜老化的保护，该保护通过在透镜的外表面上沉积传统的防炫光(anti-glare)处理光学涂层而实现。这种防炫光处理还具有减少由透镜接收的以一定入射角入射的光束的反射的优势。

有利地，同样可以作用于腔室的反射壁，该反射壁被处理以减少它们随时间的潜在退化。

关于反射壁，作为变体它们可由反射面板制成，该反射面板可以出于清洁和更换的目的而移除，或出于运输或移动的目的完成腔室的平面封装(flat-packing)。

附图说明

本发明将通过阅读参考附图而给出的以下说明更好地理解，其中：

图1是根据本发明的腔室的实施例的剖面透视示意图；

图2a，2b和2c示出了根据本发明的能够被使用的不同类型的具有同一厚度e的透镜；

图3a和3b是根据本发明的腔室的一个实施例的示意图，示出了有用距离b对腔室的深度的影响；

图4a和4b是根据本发明的腔室的实施例沿垂直于透镜的广义方向的横截面所示的示意图，并且示出了太阳光线沿两个不同入射角的路径；

图5a和5b是示出参数k和接收器的优选定位区域的示意图，图5b是图5a的最终像焦点区域的放大视图，以及

图6是示出用于热管的驱动机构的一个实施例的示意图。

具体实施方式

如图1所示，在本发明的该实施例中，腔室1是直角平行六面体形式，包括具有线性会聚透镜2的前壁、后壁或底壁3和侧壁4a-d。腔室1的侧壁4a-d和底壁3的内表面是反射的，这些内表面覆盖有反射膜或者衬有可移除的反射壁。

侧壁4b包括诸如5的槽，在该槽中热管6可以沿平行于透镜2的广义平面的平面滑动，热管通过适当的装置(未示出)被支撑，与槽相对并允许这种滑动运动。

热管6用热耗散系数比其热吸收系数小的材料包覆，以尽可能地限制损耗。提取热交换器7中供应有在7a端冷而在7b端离开时热的流体，以排空来自热管的热量用于适当的使用。

腔室1通过壳体8(在图1中其起始端用虚线示出)而延长，该壳体8用于提取热交换器7和在图1中未示出的驱动机构(参见图6)。壳体8可具有与腔室1一样的矩形截面并且紧密地连接到腔室1，以避免任何雨水或尘土的进入。有利地，它可以是不透明的以减缓柔性管9a和9b(图6)的老化。

腔室1的透镜2沿随每天的时间和季节而变化的入射角被太阳光线照射到，并且两个这样的不同的入射角用光线R和R’示出。

回到光学平面，图4a为了表示清楚而示出了没有热管6或提取热交换器7的腔室1，可以看到，透镜2包括平-凸菲涅尔透镜2，该透镜的平面面对腔室的外侧。为了清楚起见透镜的厚度在图中被夸大。透镜2具有光轴AA、大于腔室1的深度p的焦距f以及超出所述腔室1的底部3的像焦平面PFI。

如以上所指出的，腔室的深度p必须满足关系：

p＝0.5*(f+e+b)。

这个关系通过参考图2a-2c和3a-3b进行解释。

图2a、2b和2c分别示出了：

-平-凸透镜2a，在此情况下是菲涅尔透镜，

-双凸透镜2b，以及

-凹凸透镜2c，

透镜2形成腔室的其中一个壁，其中可以看见侧壁4a和4c的起始端。

在为菲涅尔透镜2a的情况下，透镜的平面与穿过侧壁4a-4d的相邻边缘的平面FF重合，并且穿透厚度e是该平面FF与平面TT之间的距离，该平面TT与腔室内的透镜的最突出部分相切。

在为双凸透镜2b的情况下，透镜的其中一个凸面凸出到腔室1的外部，并且另一个凸面朝向腔室的内部凸出。穿透厚度e是透镜的中央面与平面TT之间的距离，该中央面与穿过侧壁4a-4d的邻近边缘的平面FF相重合，并且该平面TT与腔室内的透镜的最突出部分相切。

在为凹凸透镜2c的情况下，透镜没有深入到腔室中的部分(远离透镜固定件)，因此该厚度e几乎为零。

如从图3a和3b中可以看到，示出了需要用来确定腔室深度的参数，其中透镜用2a-c指代以简单的矩形形式被示意性地示出，以显示透镜可以是图2a-2c中示出的透镜类型2a、2b或2c中的任意一个。

在图3a和3b中，可以看出透镜2a-c具有厚度e和焦距f，焦距f确定像焦平面PFI。

在图3a的情况下，设置了有用的距离b1，考虑到透镜的热敏性以及由此透镜材料的热敏性，该距离需要允许容纳接收器及其与槽5相对的支撑部，该接收器即是图1的实施例中的热管6。

首先，为了简便，将假定接收器6在位于与平面FF相距e+b1的PFIR平面内，这是特定的情况并将根据图5a和5b示出。腔室的底部3还必须与PFIR平面和PFI平面等距。

在b＝b₁的情况(图3a)下，PFIR平面和PFI平面之间的距离为2*x₁。

在b＝b₂且b₂＞b₁的情况(图3b)下，PFIR平面和PFI平面之间的距离为2*x₂。

b的选择在本领域技术人员的理解之内。它依赖于接收器6和与其相关的装置的覆盖区并与透镜材料相关。

作为实例，对于50cm×100cm的由折射率n＝1.5的玻璃制成的平-凸菲涅尔透镜，该透镜焦距f为80cm并且厚度e＝1.5cm，观察有用距离b＝15cm，那么腔室1的深度p将等于乘积，即0.5*(f+e+b)＝0.5*(80+1.5+15)＝48.25cm。显然，给出的这些值只是为了使读者清楚地理解本发明的原理。实际上，这些值可以是其它值，并且腔室的深度相对于焦距甚至可以更小。

回到图4a，当没有腔室底部时，照射到透镜2上的平行于光线R的太阳光线将会聚到像焦平面PFI中的最初像焦点上。然而，诸如4a的反射侧壁和腔室的反射底部3阻挡光线R并将它们反射，直到它们会聚在平行于像焦平面PFI但在腔室1中的近像焦平面PFIR中的最终像焦点上。该最终像焦点在图4a中的横截面中可见，因此以点I的形式示出。

图4b类似于图4a，但是它示出了另一方向的照射在透镜2上的诸如R’的光线。如图所示，在多次反射之后，这些光线R’会聚到也位于PFIR平面内的最终像焦点上，并且该最终像焦点在图4b的横截面中可见，因此以点I’的形式示出。

因此，光线R的最终像焦点和光线R’的最终像焦点位于同一平面PFIR中，但是在两条不同的直线上，或者为了表达不同，线性最终像焦点在平面PFIR中跟随太阳的轨迹作平移式运动。

在该被考虑的特别情况下，定位在平面PFIR中的热管6跟随线性最终像焦点的这种平移运动而运动。因此，马达装置被设置用于伺服控制热管沿太阳轨迹运动，或更精确地，沿朝向最终像焦点会聚的光束的轨迹移动。该伺服控制考虑了腔室安装的位置、季节、每天的时间等。

如上所述，热管此外还受缩回装置的影响，如果必要，缩回装置适于移动热管使其离开工作位置以避免过热。因此，缩回装置使热管从其工作位置移动到缩回位置，在工作位置处热管接收一定的热能，在缩回位置处热管接收比在工作位置处更少的热能。

可以从具有上述附图的实例中看出，本发明相当大地减少了透镜和热管之间所需的距离。在不是本发明情况所给出的实例中，该距离将是f-e＝80-1.5＝78.5cm，而根据本发明，仍然是在该实例中，该距离仅为48.25cm。

参考图5a，示出了腔室1及其透镜2和底部3。在该图中还可以看见接收器6a，其能以半径为r的圆形截面的器具的形式(参见图5b)示出，但并不必须是圆形的。如果接收器不是圆形截面，那么考虑内接于非圆形截面的圆。该图中还示出了用于计算值k的距离d。

R₁和R₂表示了形成以零入射角照射到透镜2的光束的外缘的太阳光线。由R1和R2限制的光束朝向平面PFI会聚，但被底部3阻挡且反射以会聚成朝向平面PFIR的会聚光束，该光束沿横截面中示出的在相应于最终像焦点的I”处的直线相交，超过平面PFIR而发散。应该理解的是，会聚光束因而限定最终像焦点I”的任一侧，在两个交叉平面之间具有夹角α。

只要这些平面与接收器相切(图5a和5b中的位置6a)或相割(图5b中的位置6b)，接收器就接受所有的会聚光束。然而，如果接收器确实位于这些平面之间，这些平面与接收器不相切或不相割(图5b中的位置6c)时，会聚光束的一部分，即在光线R₁和R₂的平面分别与接收器6c的切线T₁和T₂之间的部分不会照射到接收器。

因此，如在图5b中可以看出，为了让接收器占有最适宜的位置，穿过接收器中心并且平行于最终像焦点I”的直线(用于在6a位置的接收器的直线C_a，用于在6b位置的接收器的直线C_b)必须位于从平面PFIR的任一侧+k至-k的范围E的区域中，k必须满足关系：

$k=\frac{r}{\sin \left[A\tan \left(\frac{d}{f}\right)\right]}$

其中，r、d和f如以上那样定义，接收器的中心可以与所述最终像焦点I”重合(上述特定情况)。

尽管在接收器的诸如6c的位置处，直线C_c在范围E的区域之外，但是该位置并不是超出本发明范围的情况；即使接收器不接收所有的会聚光束，但该位置是可接受的，例如，如果在6c处定位接收器与在6a或6b处定位相比不那么贵。

实际上，位置6a、6b和6c同样可以在平面PFIR的另一侧上。

此外，图5b示出了用于接收器6a的工作位置(在这种情况下，在会聚光束之内并且与限定该光束的平面相切)以及在6a’处示出的缩回位置，在缩回位置接收器完全在会聚光束之外。位置6c还可以被考虑以形成接收器6a的缩回位置。

参考图6，标记E1和E8分别表示腔室1的内部空间和壳体8的内部空间，它们被在5处开槽的分隔物4b分开。热管6和热交换器7位于槽中，如图1所示，该热交换器7在7a处被供应冷流体，在7b处排出热流体。更具体地，这种供应和排出分别地经由柔性管9a和9b而产生，柔性管9a和9b分别连接到本身与热交换器7的内部流体连通的喷嘴10a和10b。显然可使用柔性管9a和9b以使得热管6能够移动。

为了实现这种运动，热管6经由设置有叉部12a、12b的轴环11连接到齿轮13的旋转轴线，齿轮13与齿条14啮合，该齿轮13自身由马达15旋转式地驱动。

光子通量测量计示意性地用16示出，使得其可以向所述马达装置发送信号，以控制齿轮13的旋转方向和速度，并因此控制热管6的速度和方向。

显然，本发明并不限于描述和示出的实施例。因此，腔室的透镜和底部并不是必须地垂直于所述腔室的侧壁，并且不是必须地彼此平行。代替包含热管，腔室能够包括供应有载热流体的提取热交换器，或包覆光电池的线性体积(linear volume)，两种情况下均如描述所述热管那样能够移动。此外，可以并置多个透镜，每一个透镜形成“子腔室”的一面，适当地并置的子腔室具有共用部件，特别是共用驱动机构，以限制使用的组成材料的量并且减少用于移动接收器的伺服控制的数量。

Claims (18)

1.一种太阳能聚光器，包括作为采集器的会聚透镜(2；2a；2b；2c)，该会聚透镜具有焦距f和像焦平面(PFI)，所述会聚透镜接收的太阳光线(R；R’；R₁，R₂)沿称为“最初像焦点”的线在所述像焦平面上会聚，得到会聚光束，所述会聚光束随太阳轨迹而运动，其特征在于，所述会聚透镜(2；2a；2b；2c)形成腔室(1)的其中一个壁，所述腔室(1)由以下特征限定：

两对侧壁(4a、4c和4b、4d)、底壁(3)和由所述会聚透镜形成的前壁(2；2a；2b；2c)，每一对所述侧壁(4a、4c和4b、4d)彼此平行，并且所述侧壁中的每一对(4a、4c)与另一对(4b、4d)垂直，

所述侧壁和底壁(4a-d，3)在所述腔室内部是反射壁，

所述前壁(2；2a；2b；2c)和底壁(3)之间的深度p小于所述会聚透镜的焦距f，

这使得在多次反射之后，适当地反射的光束会聚在称为“最终像焦点”的线(I；I’；I”)上，所述最终像焦点相对于所述底壁(3)与所述最初像焦点对称，并且属于“近像焦平面”(PFIR)，所述近像焦平面自身相对于所述底壁(3)与所述像焦平面(PFI)对称，但位于所述腔室内部，

所述太阳能聚光器封有可移动的接收器(6；6a；6b；6c)，通过伺服控制所述接收器(6；6a；6b；6c)跟随所述会聚光束的运动而运动，所述接收器(6；6a；6b；6c)保持在所述会聚光束内，或处于至少与所述会聚光束相割的位置处。

2.如权利要求1所述的太阳能聚光器，其特征在于，所述腔室(1)是直角平行六面体，并且其中所述腔室的深度p出于此目的需满足关系式：

p＝0.5*(f+e+b)，

其中：

-e是所述会聚透镜(2；2a；2b；2c)在所述腔室(1)中的穿透厚度，以及

-b是所述会聚透镜(2；2a；2b；2c)和所述近像焦平面(PFIR)之间的距离或有用的操作距离。

3.如权利要求1或2所述的太阳能聚光器，其特征在于，所述接收器(6；6a；6b；6c)的中心定位在所述近像焦平面(PFIR)的任一侧+k至-k的范围(E)的区域内，在所述区域中，k满足关系式：

$k=\frac{r}{\sin \left[A\tan \left(\frac{d}{f}\right)\right]}$

其中，

-如果所述接收器的横截面是圆形的，则r是该横截面的半径，或如果所述接收器的横截面不是圆形的，则r是该横截面的内接圆的半径，假定“所述接收器的中心”的表达被理解为表示平行于所述最终像焦点(I；I’；I”)并且穿过所述圆的中心的直线(C_a；C_b；C_c)；

-sin[Atan]代表反正切值的正弦值；

-d是所述会聚透镜的光轴(A-A’)和所述会聚透镜的边缘之间的距离，取自包括所述光轴(A-A’)并且垂直于所述腔室的底部(3)且正交于所述最终像焦点(I；I’；I”)的平面。

4.如权利要求1或2所述的太阳能聚光器，其特征在于，所述会聚透镜是平-凸透镜(2；2a)、双凸透镜(2b)或会聚的凹凸透镜(2c)。

5.如权利要求1或2所述的太阳能聚光器，其特征在于，所述会聚透镜是菲涅尔透镜(2；2a)。

6.如权利要求4所述的太阳能聚光器，其特征在于，所述会聚透镜是平-凸菲涅尔透镜(2；2a)，所述会聚透镜安装成使得其平面面对着所述腔室(1)的外侧。

7.如权利要求4所述的太阳能聚光器，其特征在于，所述会聚透镜是双凸菲涅尔透镜，所述会聚透镜安装成使得其平滑凸面面对着所述腔室(1)的外侧。

8.如权利要求1或2所述的太阳能聚光器，其特征在于，所述接收器(6；6a；6b；6c)是用材料覆盖的热管，该材料的热吸收系数高于热耗散系数。

9.如权利要求8所述的太阳能聚光器，其特征在于，所述热管采取管的形式，被包含在真空管中。

10.如权利要求8所述的太阳能聚光器，其特征在于，所述接收器(6；6a；6b；6c)连接到供应有载热流体的提取热交换器(7)。

11.如权利要求1或2所述的太阳能聚光器，其特征在于，所述接收器是光电池接收器。

12.如权利要求1或2所述的太阳能聚光器，其特征在于，所述接收器(6；6a；6b；6c)是供应有载热流体的提取热交换器。

13.如权利要求1或2所述的太阳能聚光器，其特征在于，所述接收器占有两个位置，称为工作位置(6a)和缩回位置(6a’)，在所述工作位置中所述接收器接收一定的热能，在所述缩回位置中，所述接收器比在所述工作位置中接收更少的热能。

14.如权利要求1或2所述的太阳能聚光器，其特征在于，所述接收器(6；6a；6b；6c)连接到斯特林发动机。

15.如权利要求1或2所述的太阳能聚光器，其特征在于，所述会聚透镜(2；2a；2b；2c)的表面和/或所述腔室的反射壁(3，4a-4d)被处理，以减少它们的材料随时间的潜在退化。

16.如权利要求1或2所述的太阳能聚光器，其特征在于，所述会聚透镜(2；2a；2b；2c)的外表面包括防炫光处理部分。

17.如权利要求1或2所述的太阳能聚光器，其特征在于，所述反射壁(3，4a-4d)由可移除的反射面板制成。

18.如权利要求1或2所述的太阳能聚光器，其特征在于，为了控制所述接收器(6)的运动速度和方向，所述接收器设置了光子通量测量计(16)，其适于向支配所述接收器的驱动装置发送信号。

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