离散拼接式菲涅尔聚光器的制作方法

1.本发明涉及一种离散拼接式菲涅尔聚光器。


背景技术：

2.太阳能聚光器是收集太阳能资源的关键设备，一般分为反射型聚光器和透射型聚光器。反射型聚光器比较常见，如球面镜、定日镜、槽式抛物柱面镜、碟式旋转抛物面镜等，而透射型聚光器主要是指菲涅尔(fresnel)透镜。菲涅尔透镜采用多个同轴排列或平行排列的锯齿棱镜组成的不连续曲面，取代了一般透镜的连续球面。锯齿棱镜，通常采用钢化玻璃或者聚甲基丙烯酸甲脂(pmma)等透明有机材料制成，具有透光率高、质量轻、易于量产、成本低、结构简单等独特优势。
3.传统的平板型菲涅尔透镜，一般是基于成像光学原理设计，近似平行的太阳光经菲涅尔透镜折射后，会聚于焦点处。在实际应用过程中，为了改善菲涅尔透镜的聚光性能，又发展出特殊面形的菲涅尔透镜。如中国专利cn201610439275.4所述，介绍了一种曲面菲涅尔透镜聚光器；又如文献“郑宏飞，马兴龙，陈嘉祥.圆柱面菲涅耳镜太阳能集热系统研究.工程热物理学报，2016，37(11)：2277-2281”中提出了圆柱面菲涅耳聚光集热器的概念，并用于实际的太阳能中温集热系统中。特殊面形的菲涅尔透镜，虽然提高了透镜的聚光性能，但复杂的结构却给加工制造带来了难题。如中国专利cn200810051305.x所述，菲涅尔聚光器的加工制造一般由玻璃或有机玻璃注塑而成。而由于菲涅尔透镜是一种光学器件，对面形精度要求很高，太复杂的结构不仅增加了加工制造的难度，而且增加了模具的成本，进而阻碍了菲涅尔聚光器的大规模推广应用。因此，降低特殊面形的菲涅尔聚光器的加工制造的难度成为一种迫切而现实的需求。


技术实现要素：

4.本发明要解决的技术问题是为了克服现有技术中特殊面形的菲涅尔聚光器的加工制造的难度高的缺陷，提供一种离散拼接式菲涅尔聚光器。
5.本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题：
6.本发明提供一种离散拼接式菲涅尔聚光器，包括：
7.支撑架，所述支撑架具有向内凹陷的安装面，所述支撑架的安装面的横截面为弧线，所述弧线垂直于所述聚光器的焦线；
8.若干三角棱柱，所述三角棱柱由透明材料制成，所述三角棱柱具有三条棱，三条棱分别为第一棱、第二棱和第三棱，所述第一棱、第二棱安装在所述支撑架的安装面上，所述三角棱柱的棱平行于所述聚光器的焦线，若干所述三角棱柱等间隔排列成一排；
9.以所述弧线的圆心作为坐标原点建立坐标系，y轴方向为聚光器光轴方向，x轴方向垂直于y轴方向，xy平面垂直于所述聚光器的焦线；所述三角棱柱的第一棱在xy平面形成第一坐标点d，所述三角棱柱的第二棱在xy平面形成第二坐标点e，所述三角棱柱的第三棱在xy平面形成第三坐标点b；所述第二坐标点e较所述第一坐标点d更靠近y轴；
10.第i个三角棱柱的第一坐标点d的坐标为第i个三角棱柱的第二坐标点e的坐标为第i个三角棱柱的第三坐标点b的坐标为
[0011][0012][0013][0014]
其中，r为弧线的半径，μ为预设的三角棱柱的第一坐标点d、第二坐标点e所对应的弧线段的角度，γ为预设的相邻两个三角棱柱之间的间隔所对应的弧线段的角度，θ为计算得到的三角棱柱的第三坐标点b、第一坐标点d的连线与x轴的相对角度
[0015][0016]
其中，α
′
为第一次折射光线与竖直方向的夹角，β
′
为第二次折射光线与竖直方向的夹角，n为三角棱柱材料的折射率。
[0017]
较佳地，所述弧线的半径r的范围为0.5～4m，预设的三角棱柱的第一坐标点d、第二坐标点e所对应的弧线段的角度μ的范围为0.5～5度，预设的相邻两个三角棱柱之间的间隔所对应的弧线段的角度γ的范围为0.1～1度。
[0018]
较佳地，所述弧线的半径r为1.5m，预设的三角棱柱的第一坐标点d、第二坐标点e所对应的弧线段的角度μ为2
°
，预设的相邻两个三角棱柱之间的间隔所对应的弧线段的角度γ为0.2
°
。
[0019]
较佳地，所述三角棱柱的数量为40个，所述支撑架沿x轴方向的宽度为2m，所述支撑架沿垂直于xy平面的方向的长度为1m，所述三角棱柱的材料为折射率1.49的聚甲基丙烯酸甲脂；
[0020]
所述聚光器还包括接受靶，所述聚光器的焦线位于所述接受靶上；所述接受靶沿x轴方向的宽度为100mm，所述接受靶沿垂直于xy平面的方向的长度为1m。
[0021]
较佳地，所述三角棱柱的数量为10～200个。
[0022]
较佳地，所述支撑架沿x轴方向的宽度为1～6m，所述支撑架沿垂直于xy平面的方向的长度为0.5～6m。
[0023]
较佳地，所述支撑架包括若干弧形肋条，所述弧形肋条设置于垂直于所述聚光器的焦线的平面内。
[0024]
较佳地，所述三角棱柱的材料为钢化玻璃或聚甲基丙烯酸甲脂。
[0025]
较佳地，所述聚光器还包括接受靶，所述聚光器的焦线位于所述接受靶上；所述接受靶沿x轴方向的宽度为50～200mm，所述接受靶沿垂直于xy平面的方向的长度为0.5～6m。
[0026]
较佳地，若干所述三角棱柱以y轴为对称线对称分布。
[0027]
在符合本领域常识的基础上，上述各优选条件，可任意组合，即得本发明各较佳实
例。
[0028]
本发明的积极进步效果在于：
[0029]
上述离散拼接式菲涅尔聚光器，使用多个离散的三角棱柱按照设计的规则排列，达到了较佳的聚光效果；独立分散的三角棱柱，制作简单，成本低，从而降低了整个菲涅尔聚光器的制作难度和制造成本。
附图说明
[0030]
图1为本发明离散拼接式菲涅尔聚光器的结构原理示意图。
[0031]
图2为图1所示的离散拼接式菲涅尔聚光器的结构示意图。
[0032]
图3为图1所示的离散拼接式菲涅尔聚光器的三角棱柱的计算原理示意图。
[0033]
图4为图3所示的离散拼接式菲涅尔聚光器的a区域的局部放大图。
[0034]
图5为本发明离散拼接式菲涅尔聚光器的实施例1的光线追迹的光学模型图。
[0035]
图6为本发明离散拼接式菲涅尔聚光器的实施例1的模拟的接受靶上的光斑能流分布图。
[0036]
附图标记说明
[0037]
支撑架1
[0038]
安装面11
[0039]
弧形肋条12
[0040]
三角棱柱2
[0041]
第一棱21
[0042]
第二棱22
[0043]
第三棱23
[0044]
入射太阳光3
[0045]
聚光器光轴4
[0046]
折射太阳光5
[0047]
接受靶6
具体实施方式
[0048]
下面通过实施例的方式进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。
[0049]
如图1至图2所示，本发明提供一种离散拼接式菲涅尔聚光器，包括支撑架1和若干三角棱柱2，支撑架1具有向内凹陷的安装面11，支撑架1的安装面11的横截面为弧线，弧线所在平面垂直于聚光器的焦线；三角棱柱2由透明材料制成，三角棱柱2具有三条棱，三条棱分别为第一棱21、第二棱22和第三棱23，第一棱21、第二棱22安装在支撑架1的安装面11上，三角棱柱2的棱平行于聚光器的焦线，若干三角棱柱2等间隔排列成一排。
[0050]
如图3至图4所示，当使用若干离散的三角棱柱2拼接成菲涅尔聚光器时，三角棱柱2的相对位置需满足以下条件：
[0051]
以弧线的圆心作为坐标原点建立坐标系，y轴方向为聚光器光轴4的方向，x轴方向垂直于y轴方向，xy平面垂直于聚光器的焦线；三角棱柱2的第一棱21在xy平面形成第一坐
标点d，三角棱柱2的第二棱22在xy平面形成第二坐标点e，三角棱柱2的第三棱23在xy平面形成第三坐标点b，第二坐标点e较第一坐标点d更靠近y轴；
[0052]
图3所示为y轴右边的三角棱柱2，y轴左边的三角棱柱2与右边的三角棱柱2相对称。对于y轴右边的三角棱柱2，从y轴算起，沿顺时针方向的第i个三角棱柱2的第一坐标点d的坐标为第i个三角棱柱2的第二坐标点e的坐标为第i个三角棱柱2的第三坐标点b的坐标为
[0053][0054][0055][0056]
其中，r为弧线的半径，μ为预设的三角棱柱2的第一坐标点d、第二坐标点e所对应的弧线段的角度，γ为预设的相邻两个三角棱柱2之间的间隔所对应的弧线段的角度，θ为计算的三角棱柱2的第三坐标点b、第一坐标点d的连线与x轴的相对角度
[0057][0058]
其中，α
′
为第一次折射光线与竖直方向的夹角，β
′
为第二次折射光线与竖直方向的夹角，n为三角棱柱材料的折射率。具体而言，如图3和图4所示，入射太阳光3沿着聚光器光轴4的方向入射，经三角棱柱2两次折射后形成折射太阳光5，折射太阳光5汇聚于焦点处。
[0059]
不失一般性，记r为弧线的半径，μ为预设的三角棱柱2的第一坐标点d、第二坐标点e所对应的弧线段的角度，γ为预设的相邻两个三角棱柱2之间的间隔所对应的弧线段的角度，θ为计算的三角棱柱2的第三坐标点b、第一坐标点d的连线与x轴的相对角度。设聚光器的焦距为f，三角棱柱2的材料折射率为n，空气折射率为1。
[0060]
如图3和图4所示，当入射太阳光3沿着聚光器光轴4入射时，经过两次折射入射到焦点a。c点是入射点，c点为三角棱柱2的斜边ed的中心，ω和分别为入射太阳光3的第一次折射时的入射角和出射角，α和β分别是第二次折射时的入射角和出射角，α
′
和β
′
分别是第一次折射光线和第二次折射光线与竖直方向的夹角。根据折射定律有：
[0061][0062]
由图4中的简单的几何关系有：
[0063]
[0064]
坐标系原点为o，对于第i个三角棱柱2，第一坐标点d、第二坐标点e的坐标表达式变为：
[0065][0066][0067]
入射点c的坐标变为：
[0068][0069]
第一次折射时的入射角ω和第二次折射光线与竖直方向的夹角β
′
满足关系式：
[0070][0071][0072]
由式(1)、式(2)、式(6)和式(7)可以得到：
[0073][0074]
则第i个三角棱柱2上的第三坐标点b的坐标为：
[0075][0076]
至此，可以得到每个三角棱柱2上的三个坐标点(b点、d点和e点)的坐标，即可以对离散拼接式菲涅尔聚光器进行设计和建模。
[0077]
其中，如图2所示，支撑架1包括两根弧形肋条12，弧形肋条12设置于垂直于聚光器的焦线的平面内。将支撑架1设置为相互平行的两根弧形肋条12，弧形肋条12的宽度较窄，使弧形肋条12在固定三角棱柱2的同时，能最大限度地减少对太阳光的遮挡。弧形肋条12的数量，不限定于图2所示的两根，也可以根据实际尺寸需求设置为多根。
[0078]
其中，三角棱柱2的材料为钢化玻璃、聚甲基丙烯酸甲脂(pmma)或其它透明有机材料。上述材料制成的三角棱柱2，透光率较好，制作成本低。
[0079]
其中，若干三角棱柱2以y轴为对称线对称分布。对称分布的三角棱柱2，方便了三角棱柱2的结构设计。
[0080]
其中，上述离散拼接式菲涅尔聚光器，各参数较佳的范围如下：
[0081]
弧线的半径r的范围为0.5～4m，预设的三角棱柱2的第一坐标点d、第二坐标点e所对应的弧线段的角度μ的范围为0.5～5度，预设的相邻两个三角棱柱2之间的间隔所对应的
弧线段的角度γ的范围为0.1～1度。
[0082]
三角棱柱2的数量为10～200个。
[0083]
当参数在上述范围内时，该离散拼接式菲涅尔聚光器可达到较佳的良好的聚光效果。
[0084]
而，支撑架1沿x轴方向的宽度为1～6m，支撑架1沿垂直于xy平面的方向的长度为0.5～6m。支撑架1的尺寸在上述范围内时，该离散拼接式菲涅尔聚光器的聚光效果较好。
[0085]
如图1所示，聚光器还包括接受靶6，聚光器的焦线位于接受靶6上；接受靶6沿x轴方向的宽度为50～200mm，接受靶6沿垂直于xy平面的方向的长度为0.5～6m。接受靶6的尺寸在上述范围内时，接受靶6接受光线的效果较好。
[0086]
实施例1
[0087]
基于上述的设计理论方法，设计了焦距为2m的离散拼接式菲涅尔聚光器。通过光学仿真软件tracepro对该离散拼接式菲涅尔聚光器进行了光学建模，并利用蒙特-卡罗光线追迹法对其在焦平面上的光斑情况进行了模拟。
[0088]
其中，弧线的半径r为1.5m，预设的三角棱柱的第一坐标点d、第二坐标点e所对应的弧线段的角度μ为2
°
，预设的相邻两个三角棱柱之间的间隔所对应的弧线段的角度γ为0.2
°
。
[0089]
三角棱柱的数量为40个，支撑架沿x轴方向的宽度为2m，支撑架沿垂直于xy平面的方向的长度为1m，三角棱柱的材料为折射率1.49的聚甲基丙烯酸甲脂；接受靶沿x轴方向的宽度为100mm，接受靶沿垂直于xy平面的方向的长度为1m。
[0090]
具体设计结构参数和光学模拟参数如表1所示。
[0091]
表1离散拼接式菲涅尔聚光器的结构参数和模拟参数
[0092][0093]
如图4所示为上述离散拼接式菲涅尔聚光器的光线追迹的光学模型图。如图5所示，为上述离散拼接式菲涅尔聚光器模拟的接受靶6上的光斑能流分布图。由图5可以看出，当太阳光沿聚光器光轴4的方向入射时，对于表1所示的结构参数，模拟得到在焦平面上的接受靶的光斑总功率为1438.4w，能流峰值为31307w/m2，聚光效率为71.9％，局部聚光比达到31.3(如图6所示)。通过模拟结果可以看出，上述离散拼接式菲涅尔聚光器拥有良好的聚光效果，具有工程应用的可行性。
[0094]
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。