用于建筑南墙的太阳能内壁透镜式复合抛物面聚光器的制作方法

本发明涉及太阳能利用领域，具体涉及非对称曲面镜面和透镜复合聚光下的复合抛物面型聚光器。

背景技术：

复合抛物面聚光器CPC（Welford and Winston, 1978）是一种依据边缘光线原理设计而成的低倍聚光比非成像聚光器，可将接收角范围内的入射光线按理想聚光比收集到吸收体上，而接收角范围以外的入射光线会从聚光器槽口反射出聚光器。对称复合抛物面聚光器的几何聚光比等于其最大接收半角正弦的倒数。所以，几何聚光比越大其相应的最大接收半角越小。在低倍聚光比条件下与建筑相结合时不需跟踪装置，可以实现固定安装，而在高倍聚光比条件下则需要相应的跟踪装置才能满足需求。实体复合抛物面聚光器是复合抛物面聚光器中的一种，与镜面复合抛物面聚光器不同的是，它采用折射率大于1 的透明材料制作而成。入射光线进入实体材料中发生的折射现象等效于增大了聚光器的光线接收角。并且，由于光线在实体复合抛物面聚光器与空气的交界处可发生全反射，从而减小了光线传播过程中的能量损失，进一步提高了聚光器的光学性能。但是，对于复合抛物面聚光器而言，聚光产生的光强分布往往不均匀。有研究人员提出了对称型太阳能内壁透镜式复合抛物面聚光器的结构。其结构特征在于，将外侧的抛物线轮廓向内部旋转3-5度角得到内侧曲线，组合成新的实体结构。相关研究表明，对称型太阳能内壁透镜式复合抛物面聚光器相比于普通CPC有更大的光线接收半角和更均匀的光强分布。此外，太阳能内壁透镜式复合抛物面聚光器材料实用量仅为实体复合抛物面聚光器的1/3-1/4，因而可以大大降低成本和质量。但是将对称CPC或者对称式透镜式复合抛物面聚光器与建筑南墙集成安装时，一方面由于接收角的限制关系无法实现底面与南墙结合，即需要与墙面成一定的夹角才可实现太阳光的接收；另一方面由于建筑南墙的光线入射角随着季节和纬度的变化很大，这给对称型聚光器的使用性能带来很大的限制。

技术实现要素：

为了解决传统对称聚光器与建筑南墙安装时光线接收角度的限制性问题，在一定聚光比的条件下，将聚光器固定安装在建筑南墙上，实现在全年保证每天8小时的太阳光接收时间的用于建筑南墙的太阳能内壁透镜式复合抛物面聚光器。

用于建筑南墙的太阳能内壁透镜式复合抛物面聚光器包括U形的透镜5、上复合抛物面反射镜6、下复合抛物面反射镜7和框架的太阳能内壁透镜式复合抛物面聚光器；

所述聚光器的整体呈非对称的U形结构，所述上复合抛物面反射镜6的光线接收角大于下复合抛物面反射镜7的光线接收角；聚光器的光线接收角为20～80°

所述透镜5为横截面呈非对称的U形，两侧侧壁的内侧曲面和外侧曲面之间的厚度由外至内逐渐增厚；

所述透镜5两侧侧壁的外侧曲面分别和对应的上复合抛物面反射镜6、下复合抛物面反射镜7之间设有间隙，形成空气夹层；

所述透镜5的底面为平面，与所述框架的底面对应配合；

使用时，所述聚光器通过框架的底面固定安装在建筑南墙上。

进一步限定技术方案如下：

所述上复合抛物面反射镜6按光线最大接收半角为42°设计得到 ，下抛物面反射镜7按光线最大接收半角0°设计得到。

所述透镜5的一侧侧壁的外侧曲面和内侧曲面分别为上外复合抛物曲面1的上内侧曲面2，另一侧侧壁的外侧曲面和内侧曲面分别为下外复合抛物曲面3和下内侧曲面4；以上外复合抛物曲面1的顶边为定边中心轴向内侧旋转3度角即得上内侧曲面2；以下外复合抛物曲面3的顶边为定边中心轴向内侧旋转3度角即得下内侧曲面4。

以所述聚光器的底面的上顶边为定边逆时针旋转5-20度的角度，与安装墙面形成5-20度的夹角；所述夹角处设有依次连接的直立镜面8和连接镜面9，所述直立镜面8连接着上复合抛物面反射镜6，所述连接镜面9连接着下复合抛物面反射镜7。

所述空气夹层的厚度小于1mm。

本发明的有益技术效果体现在以下方面：

1.本发明采用不同接收角的复合抛物面构成内壁透镜式非对称复合抛物面聚光器，其光线接收范围较大，光学效率较高，可实现在高纬度地区与建筑集成安装。

2.对于与建筑南墙固定安装而言，太阳光与南墙墙面之间所成的夹角一年中变化很大，在部分中低纬度地区，冬季的夹角可能为15°左右，而在夏季的某些时刻可以达到近90°，因而对称复合抛物面聚光器有很大的限制。本发明的非对称结构其原始结构的光线接收角在0-60°，研究表明该接收角范围可以适用于高纬度地区。而在中低纬度地区，可以采用旋转底面的方式得到优化结构，增大接收范围，例如可采取旋转15°的方式将接收角范围增大为15-75°，既能保证聚光器对太阳光的接收时间又不会影响光学效率；

3.采用一种复合抛物面反射镜与透镜相结合的方式，通过透镜的折射和全反射作用，既增大了光线接收角又提高了光学效率；

4.采用复合聚光的方式，大大的改进了聚光器的光照强度分布，从而进一步提高了聚光光强的均匀性；

5.通过旋转原始结构，改变光线接收角范围，拓宽了本发明的应用区域，可根据不同纬度地区的不同要求，选择合适的非对称太阳能内壁透镜式复合抛物面聚光器。

附图说明

图1 为本发明结构示意图；

图2 为本发明结构改进图；

图3为本发明透镜结构示意图；

图4 为图1A部分局部放大图；

图5 为本发明的工作原理图。

上图中序号：上外复合抛物曲面1、上内侧曲面2、下外复合抛物曲面3、下内侧曲面4、透镜5、上复合抛物面反射镜6、下复合抛物面反射镜7、直立镜面8、连接镜面9、空气夹层10。

具体实施方式

下面结合附图，通过实施例对本实用型发明作进一步说明。

实施例1

参见图1，用于建筑南墙的太阳能内壁透镜式复合抛物面的聚光器为整体呈非对称U型的复合抛物面聚光器。包括横截面呈非对称U形的透镜5、上复合抛物面反射镜6、下复合抛物面反射镜7和框架，透镜5对应安装在上复合抛物面反射镜6、下复合抛物面反射镜7之间。聚光器的光线接收角为20～80°。

上复合抛物面反射镜6以光线最大接收半角为42°设计得到 ，下抛物面反射镜7以光线最大接收半角为0°设计得到。

参见图3，透镜5的一侧侧壁的外侧曲面和内侧曲面分别为上外复合抛物曲面1和上内侧曲面2，另一侧侧壁的外侧曲面和内侧曲面分别为下外复合抛物曲面3和下内侧曲面4；以上外复合抛物曲面1的顶边为定边中心轴向内侧旋转3度角即得上内侧曲面2；以下外复合抛物曲面3的顶边为定边中心轴向内侧旋转3度角即得下内侧曲面4。透镜5上部侧壁的上外复合抛物曲面1和上内侧曲面2之间的厚度、下部侧壁的下外复合抛物曲面3和下内侧曲面4之间的厚度均由外至内逐渐增厚。透镜5一侧侧壁的上外复合抛物曲面1和上复合抛物面反射镜6相吻合，且二者之间留有间隙，另一侧侧壁的下外复合抛物曲面3和下复合抛物面反射镜7相吻合，且二者之间同样留有间隙，间隙形成空气夹层10，空气夹层10的厚度为0.8mm，见图4。透镜5的底面为平面，其长度为6mm。

如图5所示，接收角范围内的太阳光经过透镜5的下内侧曲面4发生折射，经过透镜5的下外复合抛物曲面3，一部分发生全反射，返回透镜5；一部分穿过下外复合抛物曲面3，通过空气夹层10到达下复合抛物面反射镜7发生镜面反射，再一次回到透镜5中，如此反复，最终到达聚光器的底面8。

本发明所采用的非对称结构，能有效利用建筑南墙的外部面积实现太阳能的接收。模拟研究表明，本发明的太阳光接收角范围为0-60°，聚光比为2.57，平均光学效率88%左右。在高纬度地区使用时，可以保证全年每天8小时的太阳辐照接收时间。并且透镜5和上复合抛物面反射镜6、下复合抛物面反射镜7的共同作用，明显改善了聚光器的聚光光强分布。

实施例2

参见图2，为了将本发明的聚光器推广应用到中低纬度地区，将聚光器的底面绕其上顶边逆时针旋转6°的角度，与安装墙面形成夹角；在夹角处安装依次连接的直立镜面8和连接镜面9，直立镜面8同时连接着上复合抛物面反射镜6的内端边，连接镜面9同时连接着下复合抛物面反射镜7的内端边。连接镜面9的作用为将光线反射到直立镜面8上。

研究表明，通过这种方式，可有效改变聚光器的接收角范围，使其在低纬度地区也能保证每天8小时的年接收辐照时间。如在北京39°54’N116°23’E年光线入射角大约为15°冬季到80°夏季之间，原始结构接收角范围为0°到60°则无法实现夏季太阳光辐照的接收。因而采用旋转20度角优化结构，聚光器的光线接收角范围可扩大为20°到80°，即可实现全年辐照的接收。

其它结构同实施例1。

实施例3

参见图2，直立镜面8与聚光器主体脱离了联系，可采用减小直立镜面8的长度的方式增大聚光器的几何聚光器。将直立镜面8的长度减小为5.6mm，几何聚光比增大为2.75而不会影响聚光器的光学性能和接收角。

其他结构同实施例1。