CN105974569A - 无跟踪高倍静止聚光器 - Google Patents

Abstract

无跟踪高倍聚光聚光器。一种高倍聚光的静止聚光器可同时聚焦直射阳光和散射阳光。此种聚光器由一个底部复合抛物面聚光器和一个棱镜阵列构成的顶部透明盖组成。顶部透明盖和底部复合抛物面聚光器构成一个封闭结构。此封闭结构的底部被成型为一个具有较小半接收角的复合抛物面聚光器，因而具有较大的聚光比。此封闭结构的顶部被成型为一个棱镜阵列，阳光在入射复合抛物面聚光器之前首先被折射改变方向，使得任意方向入射的阳光均可落入复合抛物面聚光器的半接收角内从而被聚焦。棱镜阵列的引入大幅放大了复合抛物面聚光器的开口角，从而实现了无跟踪的高倍聚焦。通过多级叠加此型聚光器的方法可实现任意高倍数的聚光比。

Description

无跟踪高倍静止聚光器

技术领域

本发明涉及一种太阳光聚光装置，属于太阳能的收集转化领域。

背景技术

太阳能技术的高成本和低效率是阻碍太阳能获得广泛利用的根本因素。造成太阳能技术高成本低效率的最根本原因包含两个方面：(1)太阳辐射资源的稀薄特性，到达地球表面的太阳辐射强度在标准状态下只有1000w/m²，这就意味着我们必须采用大面积的太阳能收集和转化装置去收集和转化太阳能；目前最主要的平板太阳能光伏系统采用昂贵的半导体材料直接接收和转化太阳能，面积巨大的半导体材料造成太阳能平板光伏系统的成本高居不下；(2)太阳辐射资源的宽频谱特性，太阳能光谱分布在从紫外到远红外的广阔范围内，相应的光子能量分布在0.25-4电子伏特的宽阔范围内，当采用固定禁带宽度的半导体材料转化宽频谱的太阳辐射时，其转化效率很难提高。因而对稀薄的太阳辐射进行浓缩汇聚然后采用小面积的半导体材料进行转化是降低成本最有效的出路，在小面积上精耕细作并采用各种高端技术也很容易实现很高的转化效率。然而，由于太阳东升西落，以及随着季节变迁，太阳辐射的入射角随时都在发生变化。要实现有效聚光，常规太阳光聚光器必须跟踪太阳。跟踪系统的引入不仅大大降低了太阳能系统的可靠性，而且基本上抵消了聚光太阳能系统降低成本的优势。因而，高效汇聚太阳光而又无需跟踪太阳的太阳光聚光器是实现太阳能技术高效低成本最核心最关键的产品和技术。由于非跟踪高倍聚光器对于太阳能产业的重要意义，在太阳能研究和应用领域，有无数专家学者以及研究和工程人员对非跟踪高倍聚光器进行了不懈地探索。

授予Szulmayer的美国专利(专利号US4,230,094)公开了一种成像型聚光系统，该系统由菲涅尔透镜，抛物面聚光器，和圆柱状接收器构成。Szulmayer的发明在历史上第一次实现了高倍静止聚光。然而Szulmayer的系统只能工作在正负30度有限入射角的范围内，而且在他的系统中菲涅耳透镜，抛物面聚光器，以及接收器必须特殊配置，并且接收器必须有特殊的形状。另外，他的系统只能对直射光发挥作用，不能对散射光发挥作用。

授予Winston的美国专利(专利号US3,923,381)公开了一种非成像型聚光系统和装置。Winston的系统可以汇聚太阳光而无需高标准的跟踪系统。此项系统通过将两个抛物面复合构成一个结构使得结构内部不同区域在不同时段汇聚阳光。此型聚光器称之为复合抛物面聚光器。两个抛物面在构成复合抛物面聚光器时其两个抛物面的轴线形成一个接收角其半角称之为接收半角θ_C。无论是直射阳光还是散射阳光只要其入射角落入接收半角的范围内即可被汇聚。这就意味着在太阳东升西落一天的运行过程中太阳直射阳光角度发生变化，在一个特定的时间段内复合抛物面聚光器无需跟踪太阳也可汇聚阳光。这个特定的时间段是由θ_C决定的，理论上来讲只要θ_C足够大，复合抛物面聚光器在一天中都无需跟踪太阳。然而，θ_C是与复合抛物面聚光器的聚光比相关联的，θ_C越大聚光比就越小，聚光比越大需要的θC就越小。例如，θC＝30°对应的聚光比只有2，要达到10倍的聚光比，θ_C就必须小于6°(参阅John Duffie&William Beckman，Solar Engineering of Thermal Processes，3rd Edition，2006，pp 340-347)。要实现比较理想的静止聚光，复合抛物面聚光器的θ_C必须在75°以上，聚光比要达到几百倍。

发明内容

本发明的目的在于创造一种聚光比可达几百倍的静止聚光器用于汇聚太阳光或者电磁波，并且此型聚光器可同时汇聚直射阳光和散射阳光。

本发明的目的是通过如下的方法实现的。本发明通过把小接收半角的非成像复合抛物面聚光器与单个棱镜或者棱镜组结合起来来构造一种封闭结构的聚光器。其中小接收半角的非成像复合抛物面聚光器用于实现高聚光比，而单个棱镜或者棱镜组用于扩大接收半角实现静止聚光。以大入射角入射的直射阳光或者 散射阳光首先经过棱镜或者棱镜组改变方向然后以小的入射角入射到复合抛物面聚光器内部。这样一级静止聚光的聚光器可达到100倍左右的聚光比。要实现更高的聚光比，多级此类型的聚光器可以叠加起来实现多级聚光，从而达到几百倍的聚光比。

本聚光器的特征在于通过一个极其简单的光学系统实现了高倍静止聚光；光学系统可以由分离的部件构成也可以将自身融合在聚光器体系之中形成一个封闭的腔体；封闭的腔体本身可用于封装其他转化部件构造系统组件。本系统特征还在于单个棱镜或者棱镜组配置在复合抛物面聚光器的上部，入射光首先经过棱镜折射再被复合抛物面聚光器汇聚。

附图说明

图 1是在先发明非成像复合抛物面聚光器构造示图

图 2是在先发明非成像复合抛物面聚光器截断型的构造示图

图 3是非跟踪聚光器非跟踪聚光原理示图

图 4是棱镜折射改变光线方向原理示图

图 5是两级叠加高倍聚光非跟踪聚光器示图

图 6是一个整体封闭式的高倍静止聚光器示图

图 7是一个整体封闭式的高倍静止聚光器结构的刨面图

图 1所示为在先发明非成像复合抛物面聚光器构造的示图。图中示出了此型聚光器的一些基本概念，例如抛物面的焦点，抛物面的轴线，以及抛物面轴线相交所形成的接收角，半接收角θ_C，复合抛物面聚光器的高度h，复合抛物面聚光器开口尺寸2a，复合抛物面聚光器轴线等。(参阅Fig.7.6.1of John Duffie &William Beckman，Solar Engineering of Thermal Processes，4th Edition，2013，pp 337-344)复合抛物面聚光器由两个抛物面以其轴线相交成一定角度并各自贡献一个臂复合而成，两轴线形成的角度称之为接收角，其半角既是半接收角θ_c。复合抛物面聚光器在运行时，当光线从左边入射时，复合抛物面聚光器的右臂反射并汇聚光线，当光线从右边入射时，复合抛物面聚光器的左臂反射和汇聚光线，当光线从正面入射时，复合抛物面聚光器的两臂同时发挥作用。只要入射光与复合抛物面聚光器轴线间形成的角落入±θ_c的范围内入射光就能被汇聚。这就意味着太阳在±θ_c的开口角范围内移动时，阳光就能被静止聚光器汇聚。很明显，接收半角越大静止聚光的范围就越大，因而我们希望复合抛物面聚光器的接收角越大越好。然而，接收角越大复合抛物面聚光器的聚光比就越小。例如，对应于半接收角30度，聚光比只有2。在保证大聚光比的情况下，大幅度扩大静止聚光的范围是复合抛物面聚光器所面临的挑战。

图 2所示为在先发明非成像复合抛物面聚光器截断型的构造示图。为节省反光面积，完全复合抛物面聚光器在其上部某处被截断，其高度从h被截断为h’。由于完全复合抛物面聚光器的上部基本上与其轴线平行，如果h’选择合适，截断型复合抛物面聚光器可节省大量的反光面积，但聚光效率损失不大。截断型复合抛物面聚光器的结构参数在图 2中示出。

f＝a′(1+sinθ_c)

$a=\frac{a\′}{{\sin \mathrm{\θ}}_c}$

$h=\frac{{f\cos \mathrm{\θ}}_c}{{\sin }^2{\mathrm{\θ}}_c}$

$a_T=\frac{f\sin ({\mathrm{\φ}}_T-{\mathrm{\θ}}_c)}{{\sin }^2({\mathrm{\φ}}_T/2)}-a^{\′}$

$h_T=\frac{f\cos ({\mathrm{\φ}}_T-{\mathrm{\θ}}_c)}{{\sin }^2({\mathrm{\φ}}_T/2)}$

$C=\frac{a_T}{a\′}$

如上述公式所示(Fig.7.6.3of John Duffie & William Beckman，Solar Engineering of Thermal Processes，4th Edition，2013，pp 337-344)，这里a’是半接收器尺寸，f是单元抛物面的焦距，θ_c是半接收角，a是完全复合抛物面聚光器的半开口尺寸，h是完全复合抛物面聚光器的高度，a_T是截断型复合抛物面聚光器的半开口角尺寸，h_T是截断型复合抛物面聚光器的高度，Φ_T是截断角，C是聚光比，聚光比是半接收角和截断参数的函数。如曲线Fig.7.6.4(Fig.7.6.4of John Duffie & William Beckman，Solar Engineering of Thermal Processes，4th Edition，2013，pp 337-344)所示，半接收角越小，聚光比越大。半接收角从36°变化到5°，聚光 比从1变化到11。对应于半接收角6°，当高宽比从1上升到3，聚光比从大约4.4变化到8.7。小半接收角意味着小聚光器开口以及小静止聚焦时间段。

如图 3所示，在本发明的聚光器中，一个棱镜阵列被附加在小半接收角复合抛物面聚光器的开口上方形成一个透明上盖。斜射的光线100或者300经过棱镜折射后落入复合抛物面聚光器的半接收角内被汇聚。尽管复合抛物面聚光器的半接收角很小，通过棱镜阵列的辅助，静止聚光的范围被大幅放大。所以，早晨的入射阳光和下午的入射阳光经过棱镜阵列折射以后都被静止聚光器聚焦，但是中午的阳光却受影响很小。

如图 4所示为棱镜折射的光学过程，这里i₁是入射角，i₂是第一界面的折射角，i₃和i₄分别是第二界面的入射角和折射角，N是界面的垂线，θ是棱镜的顶角，δ是折射角.如果一个以折射率n＝1.5的玻璃制备的棱镜，其具有顶角θ＝60°，折射入射角i₁＝30°的入射光，棱镜折射角δ＝５２.４６°。

如图 5所示为两级叠加的静止高倍聚光器。经第一级汇聚的光线已基本上成为散射光线，若无第二级棱镜的辅助，第二级复合抛物面聚光器基本无法汇聚光线。但是由于有第二级棱镜的辅助，第二级复合抛物面聚光器又可继续汇聚阳光。

具体实施方式

本发明的目的是通过如下的技术方案实现的：本发明的聚光器由两部分构成，一个小半接收角的复合抛物面聚光器和一个棱镜阵列，小半接收角的复合抛物面聚光器在有限的入射角范围内以最大聚光比大约100倍在静止状态下汇聚直射阳光和散射阳光，棱镜阵列形成一个透明罩盖置于复合抛物面聚光器的上部，大入射角的光线首先经过棱镜折射减小入射角，然后进入静止聚光器进行汇聚。小半接收角的复合抛物面聚光器实现高聚光比并同时汇聚直射光和散射光，棱镜阵列扩大入射角范围实现大范围的静止聚光。如果把此型聚光器叠加起来实现多级聚光，即可实现几百倍的聚光比。

下面举出几个具体实施例，以进一步理解本发明：

实施例1：

图 6所示为一个整体封闭式的高倍静止聚光器。其复合抛物面聚光器和棱镜阵列透明顶盖通过玻璃工艺一次成型形成一个三维的玻璃腔体，在玻璃腔体的下部复合抛物面聚光器的内表面镀制高反光率的反光薄膜。图 7所示为此型聚光器的剖面结构，其中棱镜阵列一次成型在聚光器的透明罩盖中。

实施例2：

本聚光器的两个组成部分，复合抛物面聚光器和棱镜阵列可分别采用不同的材料铸造完成，然后组装在一起构成整体聚光器。复合抛物面聚光器可用轻质材料例如碳纤维材料成型而成，然后内表面镀制反光膜。棱镜阵列采用透明材料成型成透明顶盖。透明顶盖和复合抛物面聚光器组装合成而成高倍静止聚光器。

实施例3：

通过玻璃管道拉制工艺，本聚光器可以被成型成为二维真空管型高倍静止聚光器。其中真空管下部的二维复合抛物面聚光器内表面镀制高反光率薄膜，真空管上部直接成型成相互平行的棱镜阵列。

实施例4：

二维高倍静止聚光器的两个组成部分，二维复合抛物面聚光器和二维棱镜阵列，可以分别制造成型后组装成为一个整体。因而，两个部分可以用不同的材料制造，然后组装成聚光器。

实施例5：

本发明可用于制造大型的独个高倍静止聚光系统。其中下部的复合抛物面聚光器可以由弯曲的平面镜组块拼接而成，上部棱镜阵列可由棱镜组块拼接而成。

Claims (8)

1.一种高倍聚光静止聚光器包含一个复合抛物面聚光器和一个棱镜组阵列，复合抛物面聚光器和棱镜组阵列构成一个封闭的结构，封闭结构的底部被成型为一个小半接收角的复合抛物面聚光器，而其顶部被成型为一个由棱镜阵列构成的透明罩盖，入射的太阳光在到达复合抛物面聚光器之前首先被棱镜折射使得其入射角都落入复合抛物面聚光器的半接收角内从而被汇聚，小半接收角复合抛物面聚光器具有比较大的聚光比，棱镜阵列大幅扩大了复合抛物面聚光器的半接收角，从而使得整个光学系统在静止状态下实现高倍聚光。

2.一种高倍聚光静止聚光器其中的棱镜组阵列中的棱镜，其特征在于棱镜的顶角朝上指向复合抛物面聚光器的轴线方向，因而可以减小入射光线相对于复合抛物面聚光器轴线的入射角。

3.一种高倍聚光静止聚光器其中的复合抛物面聚光器，其特征是其可以为三维的。

4.一种高倍聚光静止聚光器包含三维复合抛物面聚光器其中的棱镜阵列组，其特征是从复合抛物面聚光器边沿起始的一组环形棱镜组。

5.一种高倍聚光静止聚光器其中的复合抛物面聚光器，其特征是其可以为二维的。

6.一种高倍聚光静止聚光器包含二维复合抛物面聚光器其中的棱镜阵列组，其特征是从复合抛物面聚光器边沿起始的一组平行棱镜组。

7.一种高倍聚光静止聚光器包含一个复合抛物面聚光器和一个棱镜组阵列，其特征是其可以一次成型为一个封闭的透明腔体，腔体底部成型为一个复合抛物面聚光器，腔体顶部成型为一个棱镜阵列。

8.一种高倍聚光静止聚光器包含一个复合抛物面聚光器和一个棱镜组阵列，其特征是其可以作为单元组件叠加起来构造多级聚光器，从而实现任意高的聚光比。