CN102401990A - 多级太阳聚光器及其聚光方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多级太阳聚光器及其聚光方法，所述聚光器由若干个聚光装置固定组成，所述聚光装置包括槽型的聚光支架及若干个固定于聚光支架上方开口处的聚光镜，所述聚光支架底部对应每个聚光镜设有一聚光反射器，聚光支架的中间上、下面还设有光线接收器，利用凸透镜、凹面反射镜等聚光镜形成首次聚光，然后将若干首次聚光通过聚光反射器再反射至同一位置形成二次聚光，且制作简单、方便、易组装、易运输、成本低、太阳跟踪系统要求相对较低、可制作相对较薄的高倍聚光镜。

Description

多级太阳聚光器及其聚光方法

技术领域

本发明涉及太阳聚光领域，特别涉及一种将太阳光聚光后再聚光的两级或多级聚光器及其聚光方法。

背景技术

伴随着化石能源日渐枯竭，及由此所产生的生态破坏和温室效应日益严重，太阳能作为无污染、可再生的新能源已成为世界各国可持续发展的主要战略决策之一。

但是，太阳能能流密度低（约1kw/㎡）的缺点成为利用太阳能的主要障碍之一。为了提高太阳能的能流密度低，可采用聚光的方式将太阳光聚集到太阳能电池上发电。以提高光电转换效率和降低太阳能发电成本。因此，太阳能聚光光伏发电正获得快速发展。

太阳能聚光光伏发电主要由聚光器、吸收器、散热系统、跟踪系统四大部分组成。其中，聚光器按照聚光原理区分，可分为反射聚光和折射聚光两大类，它们主要包括抛物面聚光镜、槽形抛物面聚光器、圆锥反射聚光镜、球面反射聚光镜，菲涅尔透光镜等。但这些聚光镜基本为一次聚光（或称一级聚光），即聚光汇聚点只存在一个。普遍存在问题：1.聚光倍数越高导致焦距越大，焦距越大导致聚光光线路径越长，从而对太阳能跟踪系统精度要求越高；2.聚光倍数越高，要求聚光镜半径和焦距越大，导致聚光器体积越庞大，不便于运输和安装，同时，大体积也要求更大更牢固的支架体系；3. 聚光倍数越高，聚光镜半径越大，导致聚光器的加工精度大大增加，进而增加了成本。

发明内容

为了克服上述缺陷，本发明提供了一种对太阳跟踪系统要求相对较低、体积小、易制作、低成本的多级太阳聚光器。

本发明为了解决其技术问题所采用的技术方案是：一种多级太阳聚光器，所述聚光器由若干个聚光装置固定组成，所述聚光装置包括槽型的聚光支架及若干个固定于聚光支架上方开口处的聚光镜，所述聚光支架底部对应每个聚光镜设有一聚光反射器，聚光支架的中间上、下面还设有光线接收器，利用凸透镜、凹面反射镜等聚光镜形成首次聚光，然后将若干首次聚光通过聚光反射器再反射至同一位置形成二次聚光。

作为本发明的进一步改进，所述聚光反射器包括反射支架及能够轴向旋转定位于反射支架上的平行光转换器和平面反射镜，所述平行光转换器设于聚光镜和平面反射镜之间。

作为本发明的进一步改进，所述平行光转换器为凸透镜或凹透镜。

作为本发明的进一步改进，所述聚光反射器包括反射支架及能够轴向旋转定位于反射支架上的曲面反射镜。

作为本发明的进一步改进，所述曲面反射镜为凹面镜或凸面镜。

作为本发明的进一步改进，所述聚光镜为聚光镜，所述聚光镜的中间下端面设置一第一平面反射镜，所述第一平面反射镜的宽度为聚光镜宽度的1/3；所述聚光支架底部对应聚光镜中心位置设置一第二平面反射镜，所述第二平面反射镜的宽度为聚光镜的2/3。

作为本发明的进一步改进，所述聚光镜为聚光镜，所述聚光镜与聚光反射器之间还设置一聚光镜。

作为本发明的进一步改进，所述聚光镜为凸透镜、菲涅尔透镜或凹透镜。

一种多级太阳聚光器聚光方法，其步骤如下：

A、首先通过聚光装置上的若干聚光镜将太阳光汇聚；

B、汇聚后的太阳光经过聚光反射器中的平行光转换器转换为平行光再经过平面反射镜反射或是经过聚光反射器中的反射镜(44)直接反射至光线接收器中；

C、多级聚光时，将光线接收器中汇聚的光线再经过一平面反射镜反射至另一聚光装置中的聚光镜进行下一级聚光。

本发明的有益效果是：本发明的的关键在于多级聚光方式，即将一束平行光通过聚光镜形成一次聚光后，再通过聚光反射器反射至同一位置，形成再次聚光。而聚光反射器的两种设计形式，使得一束聚焦光线轻易实现反射到指定位置。另外，为减少聚光装置的厚度，这里增加凸透镜或增加平面反光镜的方法，使得体积再度缩小。从而，无需一次制造大体积、高精度、高追踪要求的单聚焦聚光镜。而这种聚光器的重复运用，又形成了多级聚光方式。且制作简单、方便、易组装、易运输、成本低、太阳跟踪系统要求相对较低、可制作相对较薄的高倍聚光镜。

附图说明

图1为本发明中聚光装置结构示意图；

图2为本发明聚光反射器的结构图之一； 

图3为本发明聚光反射器的结构图之二；

图4为图2中聚光反射器的光学原理示意图；

图5为图3中聚光反射器的光学原理示意图；

图6为本发明中聚光装置的改进结构示意图；

图7为图6的光学原理示意图；

图8为本发明结构的俯视图；

图9为本发明多级聚光的光学原理示意图。

具体实施方式

为了加深对本发明的理解，下面将结合实施例和附图对本发明作进一步详述，该实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明保护范围的限定。

图1-9出示了本发明一种多级太阳聚光器的实施方式：将同一规格的各聚光镜3，如凸透镜，菲涅尔透镜，等按照图8主结构仰视图安装在图8各方格中，图8以9块聚光装置为例，可根据实际情况增加或减少方格数量，以调整聚光镜数量，获得需要的聚光倍数，图 1与图6中虚线代表若干聚光镜3，按照图1通过聚光支架2连接聚光反射器4、光线接收器5。这里若聚光镜3为聚光透镜，则图1上方正对太阳光，若聚光镜3为凹面聚光镜，则图1下方正对太阳光。其中聚光反射器4作用为将聚光镜3汇聚的光斑反射至光线接收器5的位置，以完成多股聚光的再聚光。

当聚光反射器4将光线反射至光线接收器5时，为避免聚光反射器4相互遮挡光线，可调整聚光支架2上下距离；或调整聚光反射器4相对于光线接收器5的平面角度或垂直角度的分布，例如调整平面反射镜43的高度，聚光镜3焦点（图8中各方块中心点）的相对位置；或直接将光线接收器5位置往下移固定于聚光支架2。

这里聚光反射器4有两种结构。

图2为聚光反射器结构一，反射支架41固定平面反射镜43，反射支架41同时固定平行光转换器42，并一起固定于聚光支架2上。平行光转换器42作用为将聚光镜3汇聚的光线转换成平行光，这里平行光转换器42有两种实现方式。方式一：平行光转换器为凹透镜，如图4，将凹透镜与聚光镜3平行且同中心轴、焦点重合，则平行光经聚光镜3汇聚，再经凹透镜将转化为平行光，最后经平面反射镜43可反射至光线接收器5；方式二，平行光转换器为凸透镜，将凹透镜换成凸透镜，但聚光镜3与凸透镜的距离调整为两者焦距之和即可。这里透镜与聚光镜3的大小关系为：f₁/f₂=r₁/r₂ ,其中f₁、f₂分别为聚光镜3与透镜的焦距，r₁、r₂分别为聚光镜3与透镜的半径，因此，通过调整这四个参数，可控制输出平行光光斑大小。 

图3为聚光反射器结构二。反射支架41固定曲面反射镜44后一起固定于聚光支架2上。曲面反射镜44的作用为将聚光镜3汇聚的光线反射至光线接收器5的位置。这里曲面反射镜也有两种实现方式。方式一：用凸面镜将聚光镜3的汇聚光线反射至光线接收器5；方式二，将凸面镜换成凹面镜，并将其置于聚光镜3焦点下方，也可将聚光镜3的汇聚光线反射至光线接收器5。

为了便于以上反射镜反射方向的调整，可设置反射支架41可旋转调整，以确保多束聚光光斑再次汇聚在光线接收器5的位置。

为减少聚光器的整体厚度，这里有两种措施。其一：设计整体结构设计为图6，但此实施方式仅限于聚光镜3为聚光透镜，相对图1而言，这里有增加两块平面反射镜，第一平面反射镜6固定于聚光透镜中央位置，第二平面反射镜7固定于聚光支架2（第二平面反射镜7需中央带孔）。详细位置关系参看图7中第一平面反射镜6与第二平面反射镜7，其中第一平面反射镜6为CD段，尺寸为聚光透镜之AB尺寸的1/3，且位于AB段中央。第二平面反射镜7，尺寸为聚光透镜AB尺寸的2/3。第一平面反射镜和第二平面反射镜的平行距离为1/3（或1/5，1/7）聚光透镜的焦距，聚光反射器4其结构同上。其二：在聚光镜3与聚光反射器4之间再放置一块聚光镜3，以缩短光线汇聚焦点，此方法也仅限于聚光镜3为聚光透镜。

以上二级聚光的方法也可以重复得到多级聚光的方法，如图9，多个聚光反射装置（此处以两个示意）将汇聚的平行光经多个平面反射镜再反射成一股平行光，然后再用聚光反射装置完成聚光和反射平行光，如此反复可形成多级聚光。但随着聚光强度的增加，聚光反射装置需要有很好的抗高温性能和加工精度。

从以上聚光路线看，其聚光光线路径远低于同等聚光倍数的单体聚光镜，因而对太阳追踪的精度也相对降低。

Claims (9)

1.一种多级太阳聚光器，所述聚光器由若干个聚光装置(1)固定组成，其特征在于：所述聚光装置(1)包括槽型的聚光支架(2)及若干个固定于聚光支架(2)上方开口处的聚光镜(3)，所述聚光支架(2)底部对应每个聚光镜(3)设有一聚光反射器(4)，所述聚光支架(2)的中间上、下面还设有光线接收器(5)。

2.根据权利要求1所述的多级太阳聚光器，其特征在于：所述聚光反射器(4)包括反射支架(41)及能够轴向旋转定位于反射支架上的平行光转换器(42)和平面反射镜(43)，所述平行光转换器(42)设于聚光镜(3)和平面反射镜(43)之间。

3.根据权利要求2所述的多级太阳聚光器，其特征在于：所述平行光转换器(42)为凸透镜或凹透镜。

4.根据权利要求1所述的多级太阳聚光器，其特征在于：所述聚光反射器(4)包括反射支架(41)及能够轴向旋转定位于反射支架上的曲面反射镜(44)。

5.根据权利要求4所述的多级太阳聚光器，其特征在于：所述曲面反射镜(44)为凹面镜或凸面镜。

6.根据权利要求1所述的多级太阳聚光器，其特征在于：所述聚光镜(3)为聚光透镜，所述聚光镜(3)的中间下端面设置一第一平面反射镜(6)，所述第一平面反射镜(6)的宽度为聚光镜(3)宽度的1/3；所述聚光支架(2)底部对应聚光镜(3)中心位置设置一第二平面反射镜(7)，所述第二平面反射镜(7)的宽度为聚光镜(3)的2/3。

7.根据权利要求1所述的多级太阳聚光器，其特征在于：所述聚光镜(3)为聚光透镜，所述聚光镜(3)与聚光反射器(4)之间还设置一聚光镜(3)。

8.根据权利要求1所述的多级太阳聚光器，其特征在于：所述聚光镜(3)为凸透镜、菲涅尔透镜、凹透镜或凹面聚光镜。

9.一种根据权利要求1-8所述的多级太阳聚光器聚光方法，其步骤如下：

A、首先通过聚光装置(1)上的若干聚光镜(3)将太阳光汇聚；

B、汇聚后的太阳光经过聚光反射器(4)中的平行光转换器(42)转换为平行光再经过平面反射镜(43)反射或是经过聚光反射器中的反射镜(44)直接反射至光线接收器(5)中；

C、多级聚光时，将光线接收器(5)中汇聚的光线再经过一平面反射镜反射至另一聚光装置(1)中的聚光镜(3)进行下一级聚光。

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