CN202472013U - 菲涅尔式聚光反射器及菲涅尔式太阳能热水系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种菲涅尔式聚光反射器，包括菲涅尔式反射镜装置，菲涅尔式反射镜装置包括一系列不连续的具有不同倾角的条形反射镜，条形反射镜并排排列形成锯齿状且共焦点。较佳地，条形反射镜是平面反射镜，还包括固定座，条形反射镜固定在固定座上，固定座包括锯齿形条状物，锯齿形条状物设置有若干锯齿面，条形反射镜分别固定在锯齿面上。还提供了相关的菲涅尔式太阳能热水系统。本实用新型的菲涅尔式聚光反射器设计独特，结构简单，制造成本低，提高了聚光比，减少了吸热器的面积，提高了吸热器上的吸热效率，菲涅尔式太阳能热水系统还具有追日功能，提高了能量的利用效率，适于大规模推广应用。

Description

菲涅尔式聚光反射器及菲涅尔式太阳能热水系统

技术领域

本实用新型涉及太阳能利用设备技术领域，特别涉及聚光反射器技术领域，具体是指一种菲涅尔式聚光反射器及菲涅尔式太阳能热水系统。

背景技术

能源问题是目前全世界范围面临的最为突出的问题之一，而太阳能是人类取之不尽、用之不竭的清洁能源。太阳能热水器是一种利用太阳能作为能量，将光能转为热能，对水进行加热的一种系统。菲涅尔式太阳能热水系统是在传统的太阳能热水器基础上改进的，由一系列共焦点但面型参数不同的不连续槽式抛物面组成，各不连续槽式抛物面由离散的条形平面镜拟合而成，由于目前的太阳能热水器能量利用率低、温度低以及无追日功能等，菲涅尔太阳能热水系统具有一维追日功能，提高了能量利用效率。其中菲涅尔式反射镜的设计是整个菲涅尔式太阳能热水系统的关键。

现有的太阳能热水系统有闷晒式、平板式、聚光式、真空管式等，其主要固定在屋顶上或者一些建筑物上使用，无追日功能，能量损失较大，并且本身聚光比较小，吸热效率低，温度低于某一个温度，无能量吸收，全年大部分时间都不能使用。

例如，中国实用新型专利申请CN200710093980.4中，采用一个条形菲涅尔聚焦透镜，来提高太阳能热水器的聚光比，将太阳光聚焦在吸热板上，不具有追日功能，一天下来，能量损失较大。

因此，需要提供一种菲涅尔式聚光反射器及菲涅尔式太阳能热水系统，该菲涅尔式聚光反射器制造成本降低，具有聚光功能，能使大面积的光斑反射到小面积的吸热板上，提高了聚光比，减少了吸热板的面积，提高了吸热板上的吸热效率，具有该菲涅尔式聚光反射器的菲涅尔式太阳能热水系统还具有追日功能，整个系统一直朝着太阳运动，一天之内使反射镜上的光最大效率地照射到吸热板上，提高了能量的利用效率。

实用新型内容

本实用新型的目的是克服了上述现有技术中的缺点，提供一种菲涅尔式聚光反射器及菲涅尔式太阳能热水系统，该菲涅尔式聚光反射器设计独特，结构简单，制造成本低，具有聚光功能，能使大面积的光斑反射到小面积的吸热板上，提高了聚光比，减少了吸热器的面积，提高了吸热器上的吸热效率，具有该菲涅尔式聚光反射器的菲涅尔式太阳能热水系统还具有追日功能，整个系统一直朝着太阳运动，一天之内使菲涅尔式聚光反射器上的光最大效率地照射到吸热器上，提高了能量的利用效率，适于大规模推广应用。

为了实现上述的目的，在本实用新型的第一方面，提供了一种菲涅尔式聚光反射器，其特点是，包括菲涅尔式反射镜装置，所述菲涅尔式反射镜装置包括一系列不连续的具有不同倾角的条形反射镜，所述条形反射镜并排排列形成锯齿状且共焦点。从而所述条形反射镜形成一系列共焦点但面型参数不同的不连续抛物面，各不连续抛物面由离散的条形反射镜拟合而成。

较佳地，所述条形反射镜是平面反射镜。

较佳地，所述菲涅尔式反射镜装置还包括固定座，所述条形反射镜固定在所述固定座上。

更佳地，所述固定座包括锯齿形条状物，所述锯齿形条状物设置有若干锯齿面，所述条形反射镜分别固定在所述锯齿面上。

更进一步地，所述锯齿形条状物包括对称设置的两个锯齿形部分，两个所述锯齿形部分之间形成的角度小于15°，所述锯齿形部分上的所述锯齿面的上端点位于同一直线上，或者所述锯齿形部分上的所述锯齿面的下端点位于同一直线上，或者所述条形反射镜内平行于条形反射镜的棱线的线段位于同一平面内。

在本实用新型的第二方面，提供了一种菲涅尔式太阳能热水系统，其特点是，包括上述的菲涅尔式聚光反射器。

较佳地，所述菲涅尔式太阳能热水系统还包括吸热器，所述吸热器安装在所述菲涅尔式聚光反射器的焦点上。

更佳地，所述菲涅尔式太阳能热水系统还包括追日装置，所述吸热器和所述菲涅尔式聚光反射器均安装在所述追日装置上。

更进一步地，所述追日装置包括齿轮、弧形导轨和驱动部件，所述吸热器和所述菲涅尔式聚光反射器均安装在所述弧形导轨上，所述驱动部件通过所述齿轮连接所述弧形导轨从而驱动所述弧形导轨转动。

更佳地，所述菲涅尔式太阳能热水系统还包括储水器，所述储水器分别通过冷水管和热水管管路连通所述吸热器。

与现有技术相比，本实用新型的技术效果在于：

1、本实用新型提供的菲涅尔式聚光反射器包括菲涅尔式反射镜装置，所述菲涅尔式反射镜装置包括一系列不连续的具有不同倾角的条形反射镜，所述条形反射镜并排排列形成锯齿状且共焦点，设计独特，结构简单，制造成本低，具有聚光功能，能使大面积的光斑反射到小面积的吸热器上，提高了聚光比，减少了吸热器的面积，提高了吸热器上的吸热效率，适于大规模推广应用。

2、本实用新型的菲涅尔式太阳能热水系统包括上述的菲涅尔式聚光反射器，还包括追日装置，所述吸热器和所述菲涅尔式聚光反射器均安装在所述追日装置上，从而具有追日功能，整个系统一直朝着太阳运动，一天之内使菲涅尔式聚光反射器上的光最大效率地照射到吸热器上，提高了能量的利用效率，适于大规模推广应用。

附图说明

图1为本实用新型的菲涅尔式聚光反射器的一具体实施例的立体示意图。

图2为图1所示的具体实施例的主视示意图。

图3是图1所示的具体实施例的演化说明图。

图4是本实用新型的菲涅尔式聚光反射器的另一具体实施例的主视示意图。

图5是本实用新型的菲涅尔式聚光反射器的又一具体实施例的主视示意图。

图6是图5所示的具体实施例的演化说明图。

图7是本实用新型的菲涅尔式太阳能热水系统的一具体实施例的结构及原理示意图。

图8为图7所示的具体实施例采用的追日装置的立体透视示意图。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本实用新型的技术内容，特举以下实施例详细说明，其中相同的部件采用相同的附图标记。在详述本实用新型实施例时，为便于说明，表示装置结构示意图会不依一般比例进行放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本实用新型保护的范围。

请参阅图1～6所示，本实用新型的菲涅尔式聚光反射器包括菲涅尔式反射镜装置1，所述菲涅尔式反射镜装置1包括一系列不连续的具有不同倾角的条形反射镜14，所述条形反射镜14并排排列形成锯齿状且共焦点3。

所述菲涅尔式聚光反射器是一种聚焦反射镜，其将太阳光聚焦在吸热器4(请参见图7和8所示)上，用来提高太阳能热水器的光功率密度，即提高其聚光比。条形反射镜14的各棱线13基本相互平行，其成像特性类似于抛物面。

所述条形反射镜14可以是任何合适的反射镜，请参见图1～6所示，在本实用新型的几个具体实施例中，所述条形反射镜14是平面反射镜。

为了将条形反射镜14很好地进行固定，较佳地，所述菲涅尔式反射镜装置1还包括固定座，所述条形反射镜14固定在所述固定座上。更佳地，所述固定座包括锯齿形条状物12，所述锯齿形条状物12设置有若干锯齿面17，所述条形反射镜14分别固定在所述锯齿面17上。请参见图1～2和4所示，在本实用新型的两个具体实施例中，所述锯齿形条状物12包括对称设置的两个锯齿形部分，两个所述锯齿形部分之间形成的角度小于15°，所述锯齿形部分上的所述锯齿面17的上端点15位于同一直线上(如图2所示)，或者所述锯齿形部分上的所述锯齿面17的下端点16位于同一直线上(如图4所示)，或者所述条形反射镜14内平行于条形反射镜14的棱线13的线段位于同一平面内。

锯齿形条状物12可以采用合适的材料制成，比较坚固即可，例如锯齿形钢条，锯齿面17即为锯齿形条状物12上的锯齿的表面。

本实用新型的条形反射镜14形成一系列共焦点但面型参数不同的不连续抛物面2，各不连续抛物面2由离散的条形反射镜14拟合而成。如图1和2所示，每个直条带(即锯齿面17，或者说是图1和2中所示的锯齿形条状物12内每相邻两根棱线13分隔形成的条形区域)内采用不同的抛物面2的面型参数，要求每个条带内的抛物面2具有相同的焦点3，如图3所示。通过改变各个条形反射镜14的倾角大小来实现菲涅尔式反射镜装置1的焦点3的变化。已知抛物面2是以抛物线为母线，沿一个方向扫描形成的，如图3所示，过原点的抛物线方程如下：

y²＝2p₀z    (1)

其中p₀为抛物线的面型参数，其焦点坐标为F

所有与上述初始抛物线方程(1)共焦点的抛物线方程为：

$y^2=4(\frac{p_0}{2}-d)(z-d)---\left(2\right)$

其中，d为抛物线在z轴上的截距。

如图3所示，每个直条带内的抛物面2的面型参数公式如下：

$d_i=\frac{(p_0+{2z}_i)-\sqrt{p_0^2+{4y}_i^2+{4z}_i^2-{4p}_0{z}_i}}{4}$ (d_i＜0)    (3)

其中，(y_i，z_i)为沿锯齿形条状物12长度方向离散化点的坐标，d_i为第i条抛物线在z轴上的截距。

下面再举一个特例，请参见图5所示，其中锯齿形条状物12为单一部件，或者可以说两个所述锯齿形部分之间形成的角度为0°。在该具体实施例中，所述锯齿形条状物12是由一块直钢条激光切割形成的，所述锯齿形条状物12的锯齿面17的上端点15均位于同一直线上，或者使所述锯齿形条状物12的锯齿面17的下端点16均位于同一直线上，也可以使所述条形反射镜14内平行于条形反射镜14的棱线13的线段位于同一平面内。所述锯齿形条状物12长度方向的离散化为均匀离散化。每个直条带内采用不同的抛物面2的面型参数，要求每个直条带内的抛物面2具有相同的焦点3，如图6所示。通过改变各个条形反射镜14的倾角大小来实现菲涅尔式反射镜装置1的焦点3的变化。每个直条带内抛物2的面面型参数公式如下：

$d_i=\frac{p_0-\sqrt{p_0^2+{4y}_i^2}}{4}$ (d_i＜0)    (4)

其中，y_i为沿锯齿形条状物12长度方向离散化点的坐标，d_i为第i条抛物线在z轴上的截距。

请参见图7～8所示，本实用新型的菲涅尔式太阳能热水系统100包括上述的菲涅尔式聚光反射器。请参见图7所示，在本实用新型的具体实施例中，本实用新型的菲涅尔式太阳能热水系统100包括图5～6所示的菲涅尔式反射镜装置1。

为了将菲涅尔式聚光反射器反射的能量吸收，请参见图7和图8所示，在本实用新型的具体实施例中，所述菲涅尔式太阳能热水系统还包括吸热器4，所述吸热器4安装在所述菲涅尔式聚光反射器具体是菲涅尔式反射镜装置1的焦点上。

为了充分利用太阳能，请参见图8所示，在本实用新型的具体实施例中，所述菲涅尔式太阳能热水系统还包括追日装置11，所述吸热器4和所述菲涅尔式聚光反射器具体是菲涅尔式反射镜装置1均安装在所述追日装置11上。

所述追日装置11可以具有任何合适的结构，请参见图8所示，在本实用新型的具体实施例中，所述追日装置11包括齿轮7、弧形导轨8和驱动部件9，所述吸热器4和所述菲涅尔式聚光反射器具体是菲涅尔式反射镜装置1均安装在所述弧形导轨8上，所述驱动部件9通过所述齿轮7连接所述弧形导轨8从而驱动所述弧形导轨8转动。驱动部件9可以任意，例如步进电机。

为了利用吸热器4中的热量，请参见图7所示，在本实用新型的具体实施例中，所述菲涅尔式太阳能热水系统还包括储水器6，所述储水器6分别通过冷水管5和热水管(未示出)管路连通所述吸热器4。热水管是将吸热器4中的热水流向储水器6中，冷水管5是将储水器6中的冷水流向吸热器4中。储水器6具有保温与储水功能。

所述吸热器4可以采用任何合适的吸热器，请参见图7和8所示，在本实用新型的具体实施例中，所述吸热器4是平板式吸热器，吸收菲涅尔式聚光反射器具体是菲涅尔式反射镜装置1反射的太阳光，将流经吸热器4上的水进行加热。

本实用新型的菲涅尔式太阳能热水系统100具有追日功能，整个系统一直朝着太阳运动，一天之内使条形反射镜14上的光最大效率地照射到吸热器4上，提高了能量的利用效率；同时在工程中制作一个理想的抛物面是有些难度，并且全球能做这样的槽式抛物面的厂家较少，其成本较高，这里采用多块离散的条形平面镜拟合而成菲涅尔式反射镜，来代替一些曲面反射镜(如抛物反射镜)，降低了成本，易安装；采用锯齿形条状物12可方便地实现对不同倾角的条形反射镜14的固定；此系统具有聚光功能，能使大面积的光斑反射到小面积的吸热板上，提高了聚光比，减少了吸热板的面积，提高了吸热板上的吸热效率。

综上，本实用新型的菲涅尔式聚光反射器设计独特，结构简单，制造成本低，具有聚光功能，能使大面积的光斑反射到小面积的吸热器上，提高了聚光比，减少了吸热器的面积，提高了吸热器上的吸热效率，具有该菲涅尔式聚光反射器的菲涅尔式太阳能热水系统还具有追日功能，整个系统一直朝着太阳运动，一天之内使菲涅尔式聚光反射器上的光最大效率地照射到吸热器上，提高了能量的利用效率，适于大规模推广应用。

在此说明书中，本实用新型已参照其特定的实施例作了描述。但是，很显然仍可以作出各种修改和变换而不背离本实用新型的精神和范围。因此，说明书和附图应被认为是说明性的而非限制性的。

Claims (10)

1.一种菲涅尔式聚光反射器，其特征在于，包括菲涅尔式反射镜装置，所述菲涅尔式反射镜装置包括一系列不连续的具有不同倾角的条形反射镜，所述条形反射镜并排排列形成锯齿状且共焦点。

2.根据权利要求1所述的菲涅尔式聚光反射器，其特征在于，所述条形反射镜是平面反射镜。

3.根据权利要求1所述的菲涅尔式聚光反射器，其特征在于，所述菲涅尔式反射镜装置还包括固定座，所述条形反射镜固定在所述固定座上。

4.根据权利要求3所述的菲涅尔式聚光反射器，其特征在于，所述固定座包括锯齿形条状物，所述锯齿形条状物设置有若干锯齿面，所述条形反射镜分别固定在所述锯齿面上。

5.根据权利要求4所述的菲涅尔式聚光反射器，其特征在于，所述锯齿形条状物包括对称设置的两个锯齿形部分，两个所述锯齿形部分之间形成的角度小于15°，所述锯齿形部分上的所述锯齿面的上端点位于同一直线上，或者所述锯齿形部分上的所述锯齿面的下端点位于同一直线上，或者所述条形反射镜内平行于条形反射镜的棱线的线段位于同一平面内。

6.一种菲涅尔式太阳能热水系统，其特征在于，包括根据权利要求1至5中任一项所述的菲涅尔式聚光反射器。

7.根据权利要求6所述的菲涅尔式太阳能热水系统，其特征在于，所述菲涅尔式太阳能热水系统还包括吸热器，所述吸热器安装在所述菲涅尔式聚光反射器的焦点上。

8.根据权利要求7所述的菲涅尔式太阳能热水系统，其特征在于，所述菲涅尔式太阳能热水系统还包括追日装置，所述吸热器和所述菲涅尔式聚光反射器均安装在所述追日装置上。

9.根据权利要求8所述的菲涅尔式太阳能热水系统，其特征在于，所述追日装置包括齿轮、弧形导轨和驱动部件，所述吸热器和所述菲涅尔式聚光反射器均安装在所述弧形导轨上，所述驱动部件通过所述齿轮连接所述弧形导轨从而驱动所述弧形导轨转动。

10.根据权利要求7所述的菲涅尔式太阳能热水系统，其特征在于，所述菲涅尔式太阳能热水系统还包括储水器，所述储水器分别通过冷水管和热水管管路连通所述吸热器。

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