CN108954865B - 一种定向传光太阳能聚光装置 - Google Patents

Abstract

本申请实施例公开了一种定向传光太阳能聚光装置，本申请的菲涅尔透镜在水平旋转台的作用下，能够实现对太阳光线方位角的调整，在旋转固定件的作用下，能够实现对太阳光线高度角的调整，将菲涅尔透镜的聚光焦点与定向调节器的焦点重合，通过定向调节器和导光管对太阳光线进行聚光和传输，实现了太阳能的聚光集热，不需要使用输油管道进行热传输，也不需要大功率油泵等动力装置，解决了现有的聚光装置需要用到数量多、管程长的输油管道，容易增加整个集热***的热损失，和使用大功率油泵动力装置造成***的损耗增加的技术问题。

Description

一种定向传光太阳能聚光装置

技术领域

本申请涉及太阳能技术领域，尤其涉及一种定向传光太阳能聚光装置。

背景技术

太阳能聚光技术是一种通过聚光的方式把一定面积上的太阳光通过聚光***汇聚在一个狭小的区域，用电池板或集热部件接收能量并加以利用的技术。

在太阳能聚光领域最常用的聚光装置是反射式聚光器，其优点在于简单高效，但是传统的反射式聚光装置在应用在太阳能热利用***中时，需要将吸热装置布置在其上方，容易导致吸热装置对反射式聚光器产生遮挡，影响整个热利用***的聚光效果和吸收效率。利用菲涅尔透射聚光装置可以解决反射式聚光装置存在的以上缺陷，能够将太阳光线汇聚于菲涅尔透镜的下方，从而实现将吸热装置布置在聚光装置下方的效果。

传统的菲涅尔透射装置为实现吸热装置的大型化和多功能化，通常在聚光焦点处加载导热油等导热介质以吸收热量，再通过输油管道和油泵等装置将热量传递给吸热装置，从而实现聚光装置和吸热装置的分离，进而实现吸热装置的大型化和多功能化。但是，这种方式需要用到数量多、管程长的输油管道，容易增加整个集热***的热损失，大功率油泵等动力装置的投入使用，也将明显增加***的额外损耗。

发明内容

本申请实施例提供了一种定向传光太阳能聚光装置，解决了现有的聚光装置需要用到数量多、管程长的输油管道，容易增加整个集热***的热损失，和使用大功率油泵动力装置造成***的损耗增加的技术问题。

有鉴于此，本申请提供了一种定向传光太阳能聚光装置，所述装置包括：

底座、菲涅尔透镜、透镜支架、水平旋转台和定向准直器；

所述水平旋转台为环状结构，且安装在所述底座上；

所述菲涅尔透镜安装在所述透镜支架上；

所述透镜支架通过旋转固定件固定在所述水平旋转台的支柱上；

所述定向准直器包括：导光管和定向调节器；

所述导光管和所述定向调节器一体化连接；

所述定向调节器为旋转抛物面结构；

所述菲涅尔透镜的聚光焦点与所述定向调节器的焦点重合。

优选地，所述装置还包括：步进电机；

所述步进电机与所述水平旋转台电连接，用于控制所述水平旋转台水平转动和控制所述透镜支架绕所述旋转固定件转动。

优选地，所述定向调节器和/或所述导光管内表面涂覆高反射铝膜。

优选地，所述装置还包括：固定台；

所述固定台设置在所述水平旋转台的中空位置；

所述固定台上设置有竖轴，所述竖轴上设置有安装孔，所述安装孔用于与所述定向调节器的固定支座连接。

优选地，所述装置还包括：配重负载；所述配重负载安装于所述透镜支架上，用于平衡所述透镜支架。

优选地，所述装置还包括：转轴；

所述转轴安装在所述支柱上，用于调节所述旋转固定件的扭矩，辅助所述步进电机驱动所述旋转固定件。

优选地，所述定向准直器还包括：导光管支架；

所述导光管支架与所述导光管可拆卸连接，用于支撑所述导光管。

优选地，所述菲涅尔透镜的法线与所述定向调节器的横截面所成的夹角，等于太阳高度角。

优选地，所述导光管的最小半径为所述定向调节器的焦准距为/>其中，Δ_s为太阳光发散角，f₁为菲涅尔透镜焦距，h_min为最小太阳高度角，R为菲涅尔透镜半径。

优选地，所述导光管的最小半径大于等于所述定向调节器的出光口的最大半径。

从以上技术方案可以看出，本申请实施例具有以下优点：

本申请实施例中，提供了一种定向传光太阳能聚光装置，包括：底座、菲涅尔透镜、透镜支架、水平旋转台和定向准直器；水平旋转台为环状结构，且安装在底座上；菲涅尔透镜安装在透镜支架上；透镜支架通过旋转固定件固定在水平旋转台的支柱上；定向准直器包括：导光管和定向调节器；导光管和定向调节器一体化连接；定向调节器为旋转抛物面结构；菲涅尔透镜的聚光焦点与定向调节器的焦点重合。本申请提供的装置，菲涅尔透镜在水平旋转台的作用下，能够实现对太阳光线方位角的调整，在旋转固定件的作用下，能够实现对太阳光线高度角的调整，将菲涅尔透镜的聚光焦点与定向调节器的焦点重合，通过定向调节器和导光管对太阳光线进行聚光和传输，实现了太阳能的聚光集热，不需要使用输油管道进行热传输，也不需要大功率油泵的动力装置，解决了现有的聚光装置需要用到数量多、管程长的输油管道，容易增加整个集热***的热损失，和使用大功率油泵动力装置造成***的损耗增加的技术问题。

附图说明

图1为本申请实施例中一种定向传光太阳能聚光装置的结构示意图；

图2为本申请实施例中太阳光线经过菲涅尔透镜和定向调节器时的几何关系示意图；

图3为本申请实施例中菲涅尔透镜的第一种光斑投影示意图；

图4为本申请实施例中菲涅尔透镜的第二种光斑投影示意图；

其中，附图标记为：

1、底座；2、菲涅尔透镜；3、透镜支架；4、水平旋转台；5、定向调节器；6、旋转固定件；7、转轴；8、导光管；9、导光管支架；10、竖轴；11、配重负载。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

应理解，本申请应用于太阳能聚光***，请参阅图1，图1为本申请实施例中一种定向传光太阳能聚光装置的结构示意图，如图1所示，图1中包括底座1、菲涅尔透镜2、透镜支架3、水平旋转台4和定向准直器；

水平旋转台4为环状结构，且安装在底座1上；

菲涅尔透镜2安装在透镜支架3上；

透镜支架3通过旋转固定件6固定在水平旋转台4的支柱上；

定向准直器包括：导光管8和定向调节器5；

导光管8和定向调节器5一体化连接；

定向调节器5为旋转抛物面结构；

菲涅尔透镜2的聚光焦点与定向调节器5的焦点重合。

需要说明的是，本申请实施例中，定向传光太阳能聚光装置所采用的太阳光线跟踪方式为高度角-方位角式跟踪方式，应当理解的是，本领域技术人员在本申请实施例的基础上，还可以使用极轴式跟踪方式。本申请实施例中的聚光装置，通过水平旋转台4和旋转固定件6对菲涅尔透镜2的调整结果为太阳光线始终与菲涅尔透镜2垂直，本申请实施例的装置的聚光焦点与定向调节器5的焦点重合，焦点在菲涅尔透镜2跟踪太阳光线的过程中相对地面静止，旋转固定件6可以是转轴。

在本申请实施例中，理想情况下，由于菲涅尔透镜2的聚光焦点与定向调节器5的焦点重合，因此，菲涅尔透镜2所汇聚的光线在经过定向调节器5反射后会从定向调节器5的开口处平行射出。在非理想情况下，太阳光不是绝对的平行光，具有一定地太阳光发散角，因此，太阳光线经过菲涅尔透镜2后会在定向调节器5上形成有一定大小的弥散斑，另外，由于菲涅尔透镜的跟踪误差、加工误差以及在安装、运输或使用过程中所造成的损坏或变形等，也会导致太阳光在经过菲涅尔透镜2折射后，得不到一个理想的汇聚点，而是具有一定区域面积的光斑，因此，实际聚光过程中，定向调节器5开口处射出的太阳光线具有一定的发散角度。为了约束经定向调节器5反射后的太阳光线，设置有与定向调节器5一体化连接的导光管8，通过导光管8将从定向调节器5开口处射出的具有一定发散角度的太阳光线约束在特定通光面积的管道内，实现对太阳光线的定向聚光。

本申请实施例中的定向传光太阳能聚光装置上，可以设置有用于自动跟踪太阳光线的自动***，自动***的控制端控制器可以设置在底座1上，自动***的检测头设置在菲涅尔透镜2上方。自动***跟踪太阳光线的高度角和方位角，定向传光太阳能聚光装置根据高度角调节透镜支架3，根据方位角调节水平旋转台4，使得太阳光线始终与菲涅尔透镜2垂直，菲涅尔透镜2的聚光焦点与定向调节器5的焦点始终保持重合。

本申请实施例中提供了一种定向传光太阳能聚光装置，包括：底座1、菲涅尔透镜2、透镜支架3、水平旋转台4和定向准直器；水平旋转台4为环状结构，且安装在底座1上；菲涅尔透镜2安装在透镜支架3上；透镜支架3通过旋转固定件6固定在水平旋转台4的支柱上；定向准直器包括：导光管8和定向调节器5；导光管8和定向调节器5一体化连接；定向调节器5为旋转抛物面结构；菲涅尔透镜2的聚光焦点与定向调节器5的焦点重合。本申请提供的装置，菲涅尔透镜2在水平旋转台4的作用下，能够实现对太阳光线方位角的调整，在旋转固定件6的作用下，能够实现对太阳光线高度角的调整，将菲涅尔透镜2的聚光焦点与定向调节器5的焦点重合，通过定向调节器5和导光管8对太阳光线进行聚光和传输，实现了太阳能的聚光集热，不需要使用输油管道进行热传输，也不需要大功率油泵的动力装置，解决了现有的聚光装置需要用到数量多、管程长的输油管道，容易增加整个集热***的热损失，和使用大功率油泵动力装置造成***的损耗增加的技术问题。

为了便于理解，请参阅图1，本申请提供的一种定向传光太阳能聚光装置的另一实施例，具体包括：底座1、菲涅尔透镜2、透镜支架3、水平旋转台4和定向准直器；

水平旋转台4为环状结构，且安装在底座1上；

菲涅尔透镜2安装在透镜支架3上；

透镜支架3通过旋转固定件6固定在水平旋转台4的支柱上；

定向准直器包括：导光管8和定向调节器5；

导光管8和定向调节器5一体化连接；

定向调节器5为旋转抛物面结构；

菲涅尔透镜2的聚光焦点与定向调节器5的焦点重合。

进一步地，装置还包括：步进电机；

步进电机与水平旋转台4电连接，用于控制水平旋转台4水平转动和控制透镜支架3绕旋转固定件6转动。

需要说明的是，本申请实施例中，可以设置有步进电机对水平旋转台4和透镜支架3的转动，步进电机与水平旋转台4和旋转固定件6连接，步进电机可以是内置的，步进电机的数量可以是两个，分别独立地对水平旋转台4进行水平方向上的转动和通过调整旋转固定件6对透镜支架3进行竖直方向上的转动，实现对太阳光的方位角和高度角的跟踪，使得对本申请实施例中的聚光装置中的菲涅尔透镜2与太阳光线始终保持垂直。

进一步地，定向调节器5和/或导光管8内表面涂覆高反射铝膜。

需要说明的是，高反射铝膜是一种在透明的聚酯膜上溅镀一层铝金属材料来反射光线达到隔热的目的的反射膜，本申请实施例中，在定向调节器5和/或导光管8内表面涂覆高反射铝膜，可以减少太阳光线的反射损耗，减少能量损失。

进一步地，装置还包括：固定台；

固定台设置在水平旋转台4的中空位置；

固定台上设置有竖轴10，竖轴10上设置有安装孔，安装孔用于与定向调节器5的固定支座连接。

需要说明的是，本申请实施例中，在固定台上设置有竖轴10，在竖轴10上设置有安装孔，用于与定向调节器5的固定支座连接。可以理解的是，为了使得本申请的聚光装置在安装时实现准确的定向聚光，固定定向调节器5之前，需要对定向调节器5的抛物面开口方向进行调整，固定支座可以是一端与定向调节器5本体固定连接，另一端嵌入安装孔，嵌入安装孔的固定支座端可以是球面结构，并且可以在安装孔内自由转动，在确认好定向调节器5的抛物面开口方向之后，往安装孔内浇注粘结剂将固定支座固定于竖轴上。本申请实施例的装置的聚光焦点与定向调节器5的焦点重合，即在竖轴10轴线和旋转固定件6轴线的交点处，焦点在菲涅尔透镜2跟踪太阳光线的过程中相对地面静止。

进一步地，装置还包括：配重负载11；配重负载11安装于透镜支架3上，用于平衡透镜支架2。

需要说明的是，为平衡透镜支架3的自身重力，本申请实施例中，设置有配重负载11，配重负载11安装在透镜支架3上，可以理解的是，配重负载11的在透镜支架3上的安装位置可以根据实际使用情况进行设定，本申请实施例中，将配重负载11设置在透镜支架3的底部。

进一步地，装置还包括：转轴7；

转轴7安装在支柱上，用于调节旋转固定件6的扭矩，辅助步进电机驱动旋转固定件6。

需要说明的是，本申请实施例中，为使得步进电机能够更好的驱动透镜支架3，在水平旋转台4的支柱上还安装有转轴7，通过转轴7调节旋转固定件6的扭矩，避免了步进电机驱动旋转固定件6因存在扭矩不足而导致难以驱动，从而导致聚光效果受到影响的风险。

进一步地，定向准直器还包括：导光管支架9；

导光管支架9与导光管8可拆卸连接，用于支撑导光管8。

需要说明的是，本申请实施例中，为了实现聚光装置的长距离定向聚光，本申请实施例设置有导光管支架9用以平衡导光管8自身的重力，可以理解的是，导光管支架9的设置位置可以根据实际使用情况进行设置，本申请实施例中不做具体限制。

进一步地，菲涅尔透镜2的法线与定向调节器5的横截面所成的夹角，等于太阳高度角。

进一步地，导光管8的最小半径为定向调节器5的焦准距为/>其中，Δ_s为太阳光发散角，f₁为菲涅尔透镜焦距，h_min为最小太阳高度角，R为菲涅尔透镜半径。

进一步地，导光管8的最小半径大于等于定向调节器5的出光口的最大半径。

需要说明的是，请参阅图1至图4，太阳光经过菲涅尔透镜2后会在焦平面上得到一个半径为r的弥散斑，弥散斑的半径r和菲涅尔透镜2的焦距f₁的关系为r＝f₁·Δ_s，其中，Δ_s为太阳光发散角。由于本申请实施例中的定向调节器5在安装完成后是固定不动的，因此，菲涅尔透镜2在跟踪太阳光的过程中，其在定向调节器的内表面上的弥散斑投影面积大小和形状也会发生相应的改变。如图2所示，线段DC(D＇C＇)为菲涅尔透镜2，线段NO(N＇O＇)为菲涅尔透镜2的焦距，线段AB所在的直线为定向调节器5的横截平面(与水平面平行)，点O为定向调节器5的焦点(也是菲涅尔透镜的聚光焦点)，图2中的实线部分为菲涅尔透镜2法线与定向调节器5的横截平面垂直的情形，此时，线段AB既表示弥散斑，又表示弥散斑在定向调节器5横截平面上的投影；虚线部分为菲涅尔透镜2法线与定向调节器5的横截平面具有最小夹角α_min的情形，此时，弥散斑变成A＇B＇，且其在定向调节器5的横截平面上的投影为A″B″。

由图2所示的几何关系示意图可知，当菲涅尔透镜2法线与定向调节器5横截平面的夹角增大时，B点在定向调节器5横截平面上的投影向靠近点O的一侧移动，即对于弥散斑在定向调节器5横截平面上的投影，B′＇为最远的点。因此，为保证聚光装置在全年跟踪过程中，经由菲涅尔透镜2所汇聚的光线在经定向调节器5反射后都能最大限度地平行射出，在定向调节器5的设计过程中，光斑半径r应满足：

r≥l_B”O；

设菲涅尔透镜2的半径为R，过点B作垂线BM交DC于点M，同理，作辅助线B＇M＇，则线段B″O长度的计算为：

对于▲B″OB'，由正弦定理可知：

则有：

其中：

l_B'O＝l_BO＝r＝f₁·Δs；

因此，

本申请实施例中，菲涅尔透镜2法线与定向调节器5横截平面的夹角α与聚光装置所在位置的太阳高度角h相等，因此，菲涅尔透镜2法线与定向调节器5横截平面的最小夹角α_min满足：

α_min＝h_min

即在不考虑聚光装置跟踪误差、加工误差和安装误差的前提下，在定向调节器5的实际设计中，光斑半径r₁满足：

为使聚光装置的光学效率达到最大，光斑要尽可能多的落在以定向调节器的焦点为中心的横截平面区域内，则菲涅尔透镜2光斑的中心点必须与定向调节器的焦点重合，同时，当光斑与定向调节器5的横截平面与顶点(即O点)相切时，对于相同的光斑半径r₁，定向调节器5的焦准距P可获得最小值。相应地，在定向调节器5的轴向长度相等的前提下，其出光口尺寸也最小，即聚光装置可获得最大几何聚光比。因此，光斑半径r₁与定向调节器5的焦准距P满足：

因此，有

当给定几何聚光比c时，光斑与定向调节器5和导光管8的平面几何关系如图3所示，图3中，已知A点坐标为菲涅尔透镜2有效聚光几何面积为πR²，设B点的坐标为(x₂，y₂)、导光管最小半径为r₂，结合抛物线方程/>可知：

x₂＝r₂；

因此，有

因此，在给定聚光比c，且菲涅尔透镜半径R和焦距f₁已知的前提下，A点的坐标为B点的坐标为/> 即定向调节器5的沿轴长度为/>出光口的最大半径为/>导光管的最小半径为/>

当定向调节器5的出光面不断向顶点O侧移动，直至与光斑相切时，可获得聚光装置的最大几何聚光比。此时，光斑与定向调节器5和导光管8的几何关系如图4所示，设B点坐标为(x₂，y₂)，A点坐标为 导光管8的最小半径为r₂，结合抛物线方程/>可知：

x₂＝r₂；

y₂＝2r₁；

因此，有

设菲涅尔透镜2的有效聚光几何面积为πR²，则最大几何聚光比为：

此时，定向调节器5的沿轴长度为出光口的最大半径为导光管8的最小半径为/>

以上所述，以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种定向传光太阳能聚光装置，其特征在于，包括：底座、菲涅尔透镜、透镜支架、水平旋转台和定向准直器；

所述水平旋转台为环状结构，且安装在所述底座上；

所述菲涅尔透镜安装在所述透镜支架上；

所述透镜支架通过旋转固定件固定在所述水平旋转台的支柱上；

所述定向准直器包括：导光管和定向调节器；

所述导光管和所述定向调节器一体化连接；

所述定向调节器为旋转抛物面结构；

所述菲涅尔透镜的聚光焦点与所述定向调节器的焦点重合；

所述导光管的最小半径为所述定向调节器的焦准距为其中，Δ_s为太阳光发散角，f₁为菲涅尔透镜焦距，h_min为最小太阳高度角，R为菲涅尔透镜半径；

所述装置还包括：配重负载；所述配重负载安装于所述透镜支架上，用于平衡所述透镜支架，所述配重负载设置在所述透镜支架的底部。

2.根据权利要求1所述的定向传光太阳能聚光装置，其特征在于，所述装置还包括：步进电机；

所述步进电机与所述水平旋转台电连接，用于控制所述水平旋转台水平转动和控制所述透镜支架绕所述旋转固定件转动。

3.根据权利要求1所述的定向传光太阳能聚光装置，其特征在于，所述定向调节器和/或所述导光管内表面涂覆高反射铝膜。

4.根据权利要求1所述的定向传光太阳能聚光装置，其特征在于，所述装置还包括：固定台；

所述固定台设置在所述水平旋转台的中空位置；

所述固定台上设置有竖轴，所述竖轴上设置有安装孔，所述安装孔用于与所述定向调节器的固定支座连接。

5.根据权利要求2所述的定向传光太阳能聚光装置，其特征在于，所述装置还包括：转轴；

所述转轴安装在所述支柱上，用于调节所述旋转固定件的扭矩，辅助所述步进电机驱动所述旋转固定件。

6.根据权利要求1所述的定向传光太阳能聚光装置，其特征在于，所述定向准直器还包括：导光管支架；

所述导光管支架与所述导光管可拆卸连接，用于支撑所述导光管。

7.根据权利要求1所述的定向传光太阳能聚光装置，其特征在于，所述菲涅尔透镜的法线与所述定向调节器的横截面所成的夹角，等于太阳高度角。

8.根据权利要求1所述的定向传光太阳能聚光装置，其特征在于，所述导光管的最小半径大于等于所述定向调节器的出光口的最大半径。