本发明涉及太阳能利用技术领域，特别是涉及一种菲涅耳碟式聚光镜及其姿态设置方法。
背景技术：
太阳能利用技术正处于快速发展期。在太阳能聚光系统中，根据聚光方式的不同，主要分为槽式、塔式和碟式,相对于其它两种方式碟式系统具有规模较小，聚光比大，发电效率高，系统构造简单，分布灵活，场地适应性好，可以模块化组成混合发电系统，无需水源，发展潜力大等优点，是一种有前途的太阳能热利用装置。
传统的碟式聚光系统采用旋转抛物面聚光器把聚焦的太阳光反射到位于抛物面焦点处的斯特林发动机上，在接收器加热介质，驱动斯特林发电机发电。旋转抛物面聚光器其镜面一般有两种生产工艺：采用整体法制作大曲率反射镜，普遍采用热弯法，先将平板玻璃在高温下使之软化，然后放到加工好的模具上成型，再做退火处理制成所需弧度的抛物面玻璃，最后对玻璃进行键银形成抛物反射面。但是目前这种方法存在一些问题，由于玻璃是非晶体材料，加热时很难控制它的成型精度，即使一开始加热就放到模具上成型，在退火阶段也会发生回弹变形。这不但需要有较高的模具精度，还要求有专业的热弯技能。另一种方法是在制作抛物反射面时釆用树脂作出高精度基底模具，再在模具表面贴高反射膜制成抛物反射面，这种方法制作成本高，且反射膜耐候性能较差，在雨水浸泡、腐烛后容易老化。以上两种生产工艺均需要特殊的制造设备，加工难度大且成本投入高，并且给工业化的生产、运输和安装带来很大困难。此外，传统碟式聚光器采用的旋转抛物面聚光镜，是一种典型的点聚焦系统，这就使得焦平面上的能量分布过于集中，导致太阳能吸热器长期承受高温的热冲击，吸热器容易受到高的热应力并引发吸热器变形、失效。
技术实现要素：
发明目的：本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种菲涅耳碟式聚光镜。
本发明还提供上述聚光镜的姿态设置方法。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：
本发明公开了一种菲涅耳碟式聚光镜，包括位于中心的主调焦轴和一圈以上的环绕主调焦轴的子镜；主调焦轴外设有一个以上的调焦环；每一圈子镜连接一个调焦环；在初始状态时，子镜的反光面均在同一个平面内，子镜围成两个以上的同心圈，呈中心对称的环形阵列布置；子镜为平面镜。
本发明中，子镜活动的连接到子镜支架上。每个子镜支架可以连接为一个整体，也可以各自独立设置。
本发明中，子镜规格统一，形状和尺寸任意，可以为矩形、正六边形、梯形或者扇形中的任意一种，通过子镜数量和尺寸的改变实现对聚光比和聚光面积的调节。
本发明中，在同一圈内的子镜的背面分别设置有共同连接到同一个调焦环的可拆卸的调焦杆。
本发明中，调焦杆和子镜之间相对位置固定且不发生相对平动和转动位移，所有同一圈内的子镜的调焦杆的一头连接到子镜的背面，另一头连接到主调焦轴的调焦环。
本发明中，调焦杆和调焦环之间活动连接，调焦杆能够沿调焦环径向发生相对转动，调焦环和主调焦轴之间活动连接，调焦环能够沿主调焦轴上下移动；调焦环沿主调焦轴上下移动时，调焦杆能够随之改变与主调焦轴的夹角，带动该圈子镜沿径向的倾角发生改变，实现对同圈子镜的批量姿态设置。
本发明中，调焦杆与子镜之间设有连接关节。
本发明中，姿态设置过程结束后，只需锁死调焦环与主调焦轴、子镜与子镜支架的连接关节，调焦杆即可取下，以减少机构的复杂度。
本发明还公开了一种菲涅耳碟式聚光镜的姿态设置方法，包括如下步骤：
步骤(a)，将聚光镜的所有子镜调平至初始状态，即全部子镜均处于同一个平面内；
步骤(b)，由外圈至内圈逐步对子镜进行姿态设置，对最外圈子镜进行姿态设置，将最外圈子镜对应的调焦环沿主调焦轴向下移动，带动最外圈镜面沿径向向内倾斜，此时该圈子镜在吸热面上是一个圆形或空心环状光斑，不断向下移动调焦环，该圈子镜的反射光斑逐步缩小，继续向下移动调焦环，直至该圈子镜的反射光斑半径达到最小；由外至内调节每一圈子镜对应的调焦环，使得该圈子镜反射光斑与最外圈子镜的光斑大小和位置相同；
步骤(c)，确定各圈子镜调焦环的位置，通过光学器件校核无误后，逐圈锁死调焦环与主调焦轴、子镜与子镜支架的连接关节，使各圈子镜向内的倾斜角度固定，姿态设置动作结束，卸下各圈子镜的调焦杆。
本发明还公开了一种菲涅耳碟式聚光镜，包括一组子镜，该组子镜为两圈以上中心对称的环状分布，且每圈子镜为三个以上，子镜为平面镜，且所有子镜对焦到一个位置。
有益效果：
1、采用低成本的商用小平面镜组合而成，解决了传统抛物型碟式聚光镜需要制造高精度抛物面镜的问题，极大降低了聚光镜的制造成本。
2、通过子镜数量和尺寸的改变较容易地实现对聚光比和聚光面积的调节。
3、聚光镜安装过程中只需在一开始将所有子镜精确调整在同一个平面，对同一圈子镜可以批量地姿态设置，降低了安装调试难度、节约了安装调试工时，显著降低了聚光镜的安装调试成本。
4、通过本发明结构设计，聚光镜焦平面上的能量分布更加均匀，容易实现均匀聚光，延长了接收器的寿命。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明做更进一步的具体说明，本发明的上述和/或其他方面的优点将会变得更加清楚。
图1为实施例1聚光镜子镜排列方案图；
图2为实施例1聚光镜一圈子镜的构造图；
图3为实施例1聚光镜姿态设置完成后吸热面上的焦斑示意图；
图4为实施例1聚光镜焦平面上能流密度沿径向分布图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明作详细说明。
实施例1：
如图1，本实施例公开了一种菲涅耳碟式聚光镜，包括一组子镜1，该组子镜1为七个中心对称的环状分布圈，且每圈子镜为三个以上，子镜为平面镜，且所有子镜对焦到一个位置。子镜规格统一，采用204面正方形子镜，子镜边长150mm，其中，第一圈共有10面子镜，半径为320mm，第二圈共有16面子镜，半径为490mm，第三圈共有23面子镜，半径为660mm，第四圈共有29面子镜，半径为830mm，第五圈共有36面子镜，半径为1000mm，第六圈共有42面子镜，半径为1170mm，第七圈共有48面子镜，半径为1340mm。
实施例2
本实施例由多个平面子镜1组成，所有子镜的反光面在初始状态均在同一个平面内，子镜围成多个同心圈，呈中心对称的环形阵列布置，聚光镜由7圈子镜组成，子镜规格统一，采用204面正方形子镜，子镜边长150mm，其中，第一圈共有10面子镜，半径为320mm，第二圈共有16面子镜，半径为490mm，第三圈共有23面子镜，半径为660mm，第四圈共有29面子镜，半径为830mm，第五圈共有36面子镜，半径为1000mm，第六圈共有42面子镜，半径为1170mm，第七圈共有48面子镜，半径为1340mm。
如图2，本实施例聚光镜一圈子镜的构造图，同一圈子镜内，每一面子镜1均在背面固定连接一个调焦杆2，子镜活动的连接到子镜支架5上。聚光镜处于正常的追日状态时，聚光镜能够把太阳直射辐射反射到吸热面上，并且光斑的中心和吸热面中心的重合程度符合精度要求。聚光镜处于初始状态时，全部子镜均足够精确地处于同一个平面内，进行姿态设置时使一圈调焦环4沿主调焦轴3向下移动，从而带动该圈镜面沿径向向内倾斜，此时聚光镜在吸热面上是一个较大的圆形或空心环状光斑，不断向下移动该圈调焦环4，该圈子镜的反射光斑逐步缩小，继续向下移动该圈调焦环4，直至该圈子镜的反射光斑半径达到要求，此时该圈镜面的光斑变成一个小了很多的圆斑，此圈子镜的姿态设置过程结束。姿态设置时首先对最外圈子镜进行调节，使得最外圈子镜的反射光斑半径达到最小，再由外向内依次对其余圈子镜分别进行姿态设置，内圈子镜在姿态设置时，调焦环移动至使得该圈子镜反射光斑与最外圈子镜的光斑大小相同的位置即可。
如图3，本实施例聚光镜姿态设置完成后吸热面上的焦斑示意图。可以看到，姿态设置完成后吸热面上的焦斑近似为半径122mm的圆形光斑。
如图4，本实施例聚光镜焦平面上能流密度沿径向分布图，横轴为径向长度，纵轴为能流密度值。可以看出焦平面上能流密度分布相对均匀且分布面积大，大部分的能量分布在半径为112mm的范围内，相较于传统点聚焦型抛物碟式聚光镜，延长了吸热器的寿命。
在聚光镜实际运行过程中，多个小平面镜的反射光斑均重叠在一起，因此很难通过光斑的形状判断某圈子镜是否完成了调焦，为此可事先通过相关软件模拟确定各圈子镜沿调焦环径向转动的角度，根据该角度以及调焦杆的长度，就可以计算出该圈子镜对应的调焦环在主调焦轴上下移动的距离，从而使得聚光镜的调焦过程更精确。
实施例3
本实施例中，子镜1的形状为扇形，每圈子镜同样以中心对称环形阵列布置，子镜围成两圈以上同心圆，除子镜形状改变外其余机构均可同采用正方形子镜时一致。
本发明提供了一种菲涅耳碟式聚光镜及其姿态设置的思路及方法，具体实现该技术方案的方法和途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。