CN103630951B - 聚光集热菲涅尔线焦透镜 - Google Patents

Abstract

一种聚光集热菲涅尔线焦透镜，透镜的每组微棱镜簇中微透镜的微棱镜元之宽度是按照中部等宽、外部等高的原则分布，并且中部较宽(可在3～5mm间选取)、外部较窄(1～3mm)，使基板厚度更为均匀、结构稳定性大为提高，并使得微棱镜元总数量和垂直切变点的总数量大为减少，降低加工难度、提高了汇聚效率。通过本透镜能更高效地将太阳光汇聚成焦线，作为太阳能高温集热器之聚光器，以便为采暖、空调、纺织、印染、造纸、橡胶、海水淡化、污水净化等生活和工业领域提供绿色环保的高温热源。

Description

聚光集热菲涅尔线焦透镜

技术领域

本发明为一种聚光集热菲涅尔线焦透镜，属于太阳能中、高温应用领域，通过本透镜能更高效地将太阳光汇聚成线焦，作为太阳能高温集热器之聚光器，在焦线上产生高温，并可通过现有的太阳能真空集热管进行高效收集、交换并导出，以便为采暖、空调、纺织、印染、造纸、橡胶、海水淡化、污水净化等生活和工业领域提供绿色环保的高温热源

背景技术

实光学聚光可分为反射聚光和折射聚光两大类，前者属前焦型(焦点在光源与反射镜之间)聚光，后者是后焦型(焦点在透镜的后侧)聚光。折射聚光技术的研究方向，主要集中在菲涅尔透镜(Fresnellens)上。这是法国科学家奥古斯汀·菲涅尔(Augustin.Fresnel)最早发明应用的，他在1822年最初使用这种透镜，并应用在灯塔航标灯的聚光透镜之上，开创了平板聚光器之先河。我国从70年代初直至90年代末，太阳能业界以及许多高校、光研所，对用于太阳能装置的菲涅尔透镜开展了深入持久的研究和实践，比如，华中理工大学与邵阳玻璃厂，曾共同研制过宽幅的玻璃基菲涅耳线焦透镜；国家太阳能研究所与陕西师范大学也曾对此作过深入的理论和工艺研究；清华大学也曾对其生产设备进行过许多尝试，并做过多种样机；这期间的太阳能刊物和光学刊物登载过许多研究论文；有人采用模压方法加工较大面积的柔性透明塑料菲涅耳透镜，也有人采用组合成型刀具加工直径1.5m的点聚焦菲涅耳透镜，由于种种原因，上述的研究都只停留在实验水平，从未进入实际工程中进行应用。

菲涅尔透镜是一种轻而薄的平板式透镜，属微结构光学薄膜技术领域。按焦斑的类型可分为点焦与线焦两大类，但它们都属于“后焦”型聚光器，其优点是焦点或焦线在光源与透镜之后方，这给集热器的设置和保温措施的实施带来很大方便。

由于轻、薄的优势，其支撑结构和跟踪系统就能做得简单、轻巧、易于实现，并能做到物美价廉。同时，也便于设备的小型化、轻型化，即能组合成大规模的阵列，用于大型工业用途或集中供热、供电，又能做成较小系统，便于家庭或分散的用户就近供热、供电，有望作为一种理想的太阳能聚光采集器。

但是，长期以来，也是由于轻、薄的原因，较难以定形和安装使用，使之得不到广泛应用。并且，在光路设计中，由于人们过于注重其整体的“光学解像”力的因素，将光路设计的重点立足于降低影像的畸变度，而不是重视其汇聚效率，菲涅尔线焦透镜的各微棱镜元被设计成完全等宽的微结构，宽度≤1mm，微棱镜元的数量太多，其垂直切变点过多，使之对太阳光的汇聚效率下降(下降幅度＞30％)，自身损耗大，在应用中自身温升高，导致宏观尺寸变化大(热胀冷缩之故)、汇聚性能不稳定，在太阳能应用上未发挥到其应有的作用。

发明内容

本发明目的：1、立足于提高菲涅尔聚光透镜的汇聚效率，合理调整各微棱镜元的宽度，以尽量减少微棱镜元总数量为目的，将低于一定高度的相邻的微棱镜元进行合并，增加其宽度、减少其数量，最大限度地减少垂直切变点的总数量，使之自身损耗降到最低、自身温升最少、汇聚效率最高。2、将轻而薄的巨幅聚光集热菲涅尔线焦透镜片通过其四周的凸边与铝合金凹槽的嵌入配合，并张紧在刚性支架上，使之几何形状得到良好固定，光学性能得到保障。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

聚光集热菲涅尔线焦透镜是一矩形透明薄片，薄片上制有一至多条焦线，其中包含一至多组菲涅尔线焦聚光透镜元、四周直接制作或粘合成形的两对凸边；每组菲涅尔线焦聚光透镜微透镜的微棱镜元之宽度是按照中部等宽外部等高的原则分布。

聚光集热菲涅尔线焦透镜四周的两对凸边可与带沟槽的铝合金型材互套，并通过张紧装置向四个方向均匀侧拉而绷紧。

本发明的优点：

本发明的聚光集热菲涅尔线焦透镜具有以下优异的特点：

1、对太阳光的会聚效率高：由于每组菲涅尔线焦聚光透镜微透镜的微棱镜元之宽度是按照中部等宽、外部等高的原则分布，并且中部较宽(可在3～5mm间选取)、外部较窄(1～3mm)，使得微棱镜元总数量大为减少，结构更趋合理，提高了汇聚效率。

2、板基厚度更均匀：在菲涅尔线焦聚光透镜中，若微棱镜元均按等宽原则分布时，中部微棱镜元的高度势必很小、外侧微棱镜元的高度较大(有十数倍之差)，在宏观上将使得板基的厚度形成“中间厚、两边薄”的现象，这在生产过程中将造成板材挤出机“模头”流量不匀、压延时融熔状态的材料产生横流、产品易产生皱纹、废品率高等问题，成形后也会造成横断面上各处的收缩率不一致，使之光学性能不稳定、透光度下降，直接导致会聚效率下降；而采用本发明的“中部等宽、外部等高”的方法设计时，由于中部微棱镜元的宽度被加大，使得其高度也相应增大，并逐渐与外部高度接近，在横剖面上，得到了中部与外部厚度基本一致的板基。

3、易于安装定形：通过菲涅尔线焦透镜凸边与铝合金凹槽的有机配合，使得轻而薄的巨幅聚光集热菲涅尔线焦透镜易于定形、固定安装。

4、能作适量的热胀冷缩补偿：通过铝合金凹槽下部腹板的弹性预张紧作用，在户外环境下，能对轻而薄的巨幅聚光集热菲涅尔线焦透镜的热胀冷缩进行适量补偿，以保证其平直度不受影响。

附图说明

图1是单焦线聚光集热菲涅尔线焦透镜主视图；

图2是图1的俯视图；

图3是双焦线聚光集热菲涅尔线焦透镜示意图；

图4是聚光集热菲涅尔线焦透镜微棱镜元的理论曲线局部放大图；

图5是聚光集热菲涅尔线焦透镜微棱镜元的实际加工效果放大图；

图6是单焦线聚光集热菲涅尔线焦透镜微棱镜元分区图；

图7是单焦线聚光集热菲涅尔线焦透镜聚光原理图；

图8是双焦线聚光集热菲涅尔线焦透镜聚光原理图；

图9是菲涅尔线焦透镜与张紧装置装配图的局部视图。

图中标号：1凸边、2微棱镜元、3板基、4微棱镜元的垂直切变点、5微棱镜元的理论顶角、6微棱镜元的理论底角、7微棱镜元的实际顶角、8微棱镜元的实际底角、9太阳入射光、10单焦线聚光集热菲涅尔线焦透镜、11折射后的太阳光(会聚光)、12焦线、13双焦线聚光集热菲涅尔线焦透镜、14张紧铝合金型材、15张紧螺钉、16刚性框架。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式做进一步的说明。

本发明的结构原理如图1所示。本发明的聚光集热菲涅尔线焦透镜由凸边1、微棱镜元2、板基3三个部份构成，其中，微棱镜元2按中部等宽外部等高的原则分布在板基3之上；在本实施例中，微棱镜元是按照中部c＝3mm宽(图4)、外部h＝1mm高的原则设计；如图6所示，中部的a区部份原来是属于微棱镜元的高度较小部份，今将其数个微棱镜元合并为一个较宽而具备合适高度的棱镜元，使得a区部份微棱镜元的数量大为减少，每个微棱镜元的高度又增加至较合适尺寸(≤h)，易于加工成形又提高其折射效率。

图4、图5是本发明的局部放大图，其中，图4是微棱镜元的理论曲线、图5是微棱镜元的实际曲线；在菲涅尔透镜中，微棱镜元的垂直切变点4越少、顶角5与底角6越“锐”，其总体光损失就越少，折射效率越高；但在实际加工成形的工艺中，其顶角5与底角6总是不可避免地带有一定的“R”度，如图5中的7与8所示，这样，在两个“R”度所幅盖的范围“δ”内，光线就不能被有效地折射向焦线12，而仅有“p”段的光线才能有效地被折射向焦线12，因此，为提高聚光集热菲涅尔线焦透镜的折射效率，除了在加工工艺中采取有效措施让“R”角尽量小之外，还要在设计中让微模镜元的数量尽量地少，也即，让每个微模镜元的宽度尽量地大，但以对应的垂直边高度h(图4)不高于微棱镜元的设定高度为准。在菲涅尔透镜的微棱镜元簇中，每条微棱镜元的倾角λ(图4)由中部向两边总是呈逐渐增大的趋势，中部较小，朝两边逐渐增大，因此，中部a区(图6)部份的微棱镜元的垂直边高度h也是沿中部向外呈逐渐增大的趋势，但总是≤设定高度(本实施例为1mm)；当某条定宽的微棱镜元2的垂直边高度h突破图6中b区部分的设定高度(本实施例为1mm)时，则本条微棱镜元的宽度就要进行适量缩减，以满足其垂直边高度不大于b区部分(图6)的设定高度的条件，而从这条微棱镜元开始，向两边展开分布的微棱镜元就要采用逐条缩减宽度的方法，以满足其高度h等于设定高度(本实施例为1mm)的条件，也即，在本微棱镜元簇中，等宽部份a区结束、等高部份b区开始。

在图6中，a区里每条微棱镜元的宽度c均相等(本实施例为3mm)，但其高度h则各不相同，高度h沿中部向两侧呈逐渐增大的趋势，但h最大不超出设定高度(本实施例为1mm)；倾角λ呈逐渐增大的趋势。

在图6中，b区里每条微棱镜元的高度h均相等，但其宽度c则各不相同，宽度c沿中部向两侧呈逐渐减小的趋势，倾角λ呈逐渐增大的趋势，但最大不大于材料的全反射角。

采用这种设计方法制造出来的聚光集热菲涅尔线焦透镜，当焦距f(见图7、图8)与单元宽度n一定时，其微棱镜元的总数将是最少的，因此，影响折射效率的垂直切变点4(见图4)和工艺R角占用的受光面积δ(见图5)的数量都将是最少的，所以，折射效率是最高的。

图7是采用这种方法设计的单焦线聚光集热菲涅尔线焦透镜的断面图，沿断面向前后延伸，就形成了一定宽度、任意长度的单焦线的聚光集热菲涅尔线焦透镜片。

图8是采用这种方法设计的双焦线聚光集热菲涅尔线焦透镜的断面图，沿断面向前后延伸，就形成了一定宽度、任意长度的双焦线的聚光集热菲涅尔线焦透镜片；同理，用这种方法还能设计出多焦线的聚光集热菲涅尔线焦透镜片。

图9是这种菲涅尔线焦透镜片的凸边与铝合金凹槽装配应用的局部剖视图，这将使得轻而薄的巨幅聚光集热菲涅尔线焦透镜片易于定形、固定安装。由于张紧铝合金型材14通过张紧螺钉15被固定在刚性框架16上，张紧铝合金凹槽下部腹板具备一定的弹性预张紧作用，在户外环境下，能对轻而薄的巨幅聚光集热菲涅尔线焦透镜的热胀冷缩进行适量补偿，以保证其平直度不受影响。

将这种经过“绷紧”、“张直”的聚光集热菲涅尔线焦透镜的各条会聚焦线平行投射在太阳能真空管或金属集热管上，就能将大于集热管本体面积的太阳光“浓缩”后投射在面积相对较小的太阳能真空管或金属集热管上，构成太阳能中、高温集热器。用多个这样的太阳能高温集热器构成阵列，可组成太阳能锅炉或海水淡化器或污水净化器或作为城市供暖设备或作为其它工业设备的供热器。

本发明的聚光集热菲涅尔线焦透镜的会聚效率较常规型的提高30％以上，高效、经济适用，使用领域广泛，用这样的聚光集热菲涅尔线焦透镜可集合出多种用途的太阳能中、高温集热器，因此，不局限于实施例所描述的内容。

Claims (6)

1.一种聚光集热菲涅尔线焦透镜，作为太阳能高温集热器之聚光器，由高分子透明光学材料制成，由基板、微棱镜元构成，其特征在于：聚光集热菲涅尔线焦透镜是一矩形透明薄片，其中包含一至多组菲涅尔线焦聚光透镜微棱镜簇，每簇菲涅尔线焦聚光透镜微透镜的微棱镜元之宽度是按照中部等宽、外部等高的原则分布，中部高度沿中心向两侧逐渐增大，最大不超出设定高度，中部倾角逐渐增大，外部宽度从外部起始位置向两侧逐渐减小，外部倾角逐渐增大，但最大不大于材料的全反射角。

2.根据权利要求1所述的聚光集热菲涅尔线焦透镜，其特征在于：聚光集热菲涅尔线焦透镜的四周具有直接制作或粘合成形的两对凸边。

3.根据权利要求2所述的聚光集热菲涅尔线焦透镜，其特征在于：聚光集热菲涅尔线焦透镜四周的两对凸边可与带沟槽的铝合金型材互套，并通过张紧装置向四个方向均匀侧拉而绷紧。

4.根据权利要求1或2所述的聚光集热菲涅尔线焦透镜，其特征在于：聚光集热菲涅尔线焦透镜四周的两对凸边为中部连续、四个角处断开并相隔一段让带沟槽的铝合金型材可从四边穿入而不产生几何干涉的缺口。

5.根据权利要求1或2所述的聚光集热菲涅尔线焦透镜，其特征在于：聚光集热菲涅尔线焦透镜中的各条会聚焦线平行投射在太阳能真空管或金属集热管上，构成太阳能中、高温集热器。

6.根据权利要求5所述的聚光集热菲涅尔线焦透镜，其特征在于：用多个这样的太阳能中、高温集热器构成阵列，组成太阳能蒸汽锅炉或海水淡化器或污水净化器或作为城市供暖设备或作为其它工业设备的供热器。