免跟踪复合阵列式聚光器设计

由于能源危机, 迫使人们开发清洁的新能源, 自然光照明技术成为了一个热门课题。创造了一种新型的“阳光输送机”[1]。由于聚光器的采光效率是“阳光输送机”应用与产业化的关键。随着材料科学和自动化技术的不断发展, 使得聚光器在采光、光解方面大量应用, 人们研制出了各种形式的反射式和透射式太阳能聚光器, 因阳光的角度随时间的不断变化, 使得聚光器一般需配置太阳光自动跟踪系统。尽管通过成熟的自动控制技术实现自动跟踪并不困难, 但造成太阳光照明系统不稳定、多故障、难维护、机械运动的噪音及自身的能耗等缺点, 特别是恶劣的环境中, 造成整个系统实用价值不大。

因此设计一种免跟踪、采光效率高、可靠性强、成本低的聚光器具有重大的现实意义, 避免因配套的自动跟踪系统所带来的高故障率以及成本增加使其推广起来困难重重。在目前条件下, 根据已有的技术条件, 本文设计一个复合阵列式免跟踪的太阳能聚光器, 实现低成本、高可靠性的有效的提高太阳能密度。

1 设计依据

设计太阳光照明系统的聚光器主要从聚光性能和制造成本两方面来选择, 不同类型的聚光器具有不同的性能, 常用聚光器的性能参数如表1所示[2]。

复合抛物面聚光器、抛物面反射镜聚光器, 必须附加高精度的跟踪装置, 提高成本, 降低可靠性。在使用过程中还存在着反射层易脱落、随时间推移性能明显下降的问题。目前的菲涅尔聚光器, 基本上都采用透明塑料挤压成型的加工方法制成, 制造方法简单, 成本非常低廉。菲涅尔聚光器的适合大规模开发应用。如果能够低成本解决跟踪太阳的问题, 其发展前景非常广阔。

1.1 菲涅尔透镜阵列罩[3]

1.1.1 菲涅尔透镜

菲涅尔透镜作为一种入射光折射聚焦的聚光器, 聚光器的一面为平面, 另一面为按照一定宽度和角度设计的锯齿棱角, 如图1所示, 它可以设计成点聚焦式 (圆盘镜) , 也可以设计成线聚焦式 (长条镜) , 本设计将采用点聚焦式的正六边形菲涅尔透镜。

菲涅尔聚光器的工作原理是:菲涅尔透镜具有高透光率优点, 光线从菲涅尔透镜平面一侧透射到另一侧锯齿面, 锯齿的棱角φ按照一定规律制作, 经过锯齿棱角折射, 使光线会聚到一个小的区域范围内。设菲涅尔透镜某一锯齿的棱角为φ, 当阳光垂直于透镜平面入射时, 根据光的折射几何关系有:

式中:n为材料的折射率;x为某一锯齿棱的中心到主光轴的距离;f为焦距。

当材料和焦距确定之后, 就可以根据 (1) 式计算离开主光轴不同距离处每一个锯齿棱的棱角。由φ (1) 式可知, 齿棱离中心距离越远, 棱角φ的数值就越大。因为实际的锯齿是有宽度的, 所以阳光透过锯齿折射之后并不是会聚在一点, 而是一个焦斑区域。齿棱越窄, 焦斑区域的面积就越小, 菲涅尔聚光器的精度就越高。

1.1.2 聚光器阵列罩

利用菲涅尔透镜制作出穹形的阵列罩, 即起到了很好的聚光效果, 又担负的器罩的保护作用。本设计根据C 6 0的空间成键规律及足球利用若干正六边形构造球体的原则。采用点聚光式正六边形的菲涅尔透镜组合成穹形的阵列罩, 可采集来自不同方位的太阳光, 很好的避免了太阳跟踪器。但采集的光密度较小、范围较大, 为了克服这一缺点, 本设计通过一圆形光线整理透镜使采集的光线进入组合曲面聚光器。

1.1.3 组合曲面聚光器[4]

组合曲面聚光器的设计原理如图2所示。图2中有2条开口向上的抛物线, F1和F2分别是它们的焦点, 其方程式分别为

式中:p为焦参数;L为焦点与y轴的水平距离。用平行于x轴的直线AB去截两条抛物线, 线段AB必须同时满足如下2个条件。

(1) 它与x轴的距离必须大于p/2, 即在图3中要求它的位置必须在焦点F1和F2的上方;

(2) 它的长度正好为2个抛物线焦点距离的一半, 即直线AE和BG分别与x轴垂直。

取抛物线段AD和BC, 以及直线段AE和BG, 绕对称轴y旋转可得三维变化的旋转组合抛物面聚光器。

2 工作原理

太阳光从菲涅尔透镜阵列上表面入射至聚光器中, 菲涅尔聚光透镜按照当地的视日运动轨迹和几何角度在空间进行排列[5], 得到如图3所示的菲涅尔聚光透镜阵列局部示意图, 其中菲涅尔聚光透镜将光线聚集于聚光器的中央区域, 而光线整理透镜置于菲涅尔聚光透镜阵列的焦点之前, 从而使阳光以较小的入射角进入下一级聚光器。经光线整理透镜折射成近似平行的太阳光束进入组合曲面聚光器中;光线经一级组合曲面聚光器一次反射后, 射入到其下端的偏光器反射面的内壁上, 再经偏光器反射面内壁反射, 入射到二级组合曲面聚光器上;再经二级组合曲面聚光器的汇聚进入光线接受光窗。其工作原理如图4。

3 结语

本文为了讨论方便采用了由平面点聚光菲涅耳透镜组合成折面型光学模型进行了理论分析, 如加工工艺、技术及材料允许, 直接加工为穹形的菲涅尔透镜罩, 将提高其可靠性、美观性、降低加工成本。在实际工程中菲涅耳透镜是采用耐老化的有机材料加工, 先利用激光加工成高精度模具然后挤塑成型。具有一定的形变的特性使得直接根据需要弯曲成所要求的几乎理想的弧度为150°的圆弧形状, 而不用像玻璃作为基材的钢性聚光体不得不采用由多平面组成的折面形状;从而在有效接收太阳光的任意时刻都保证存在0°入射角的太阳光线, 所以实际上在任意太阳光照射时间里都存在一定宽度范围接近0°入射角的太阳光被有效接收, 所以这种结构设计完全能够满足整机对于聚光器的要求[6]。本设计避免了太阳随着季节其方位角、高度角的变化而定期手动调整聚光器高度角;设计的免跟踪菲涅耳透镜阵列太阳能聚光器达到配置二维自动跟踪系统的太阳能聚光器的同样效果。由于客观原因使得根据所设计模型做出聚光器样机并测量出有关数据等工作有待下一步实现, 但是本设计及分析讨论对于开展利用太阳能推广应用具有积极意义的。

摘要：介绍一种具有菲涅尔透镜阵列罩的聚光器, 避免聚光器因自动跟踪系统导致使用成本大幅度增加, 有效提高太阳能密度。阐述了菲涅尔透镜阵列、组合曲面、偏光器的结构形式和工作原理, 形成了免跟踪复合阵列式聚光器设计的新模型。

关键词：免跟踪,菲涅耳透镜阵列,组合曲面聚光器,偏光器

参考文献

[1] 宁铎, 张东煜.阳光输送机的研究[J].陕西科技大学学报, 2005, 23 (1) :45～47.

[2] 张纯良, 张振鹏, 魏志明.太阳能火箭发动机聚光器设计方法[J].航空动力学报, 2004, 19 (4) :557～561.

[3] 张明, 黄良甫, 罗崇泰, 等.空间用平板形菲涅耳透镜的设计和光学效率研究[J].光电工程, 2001, 28 (5) :18～21.

[4] HE KAIYAN, ZHENG HONGFEI, LIU YIXIN, et al.An imaging compound-ing parabolic concentrator[A].Proceeding of ISES Solar World Congress[C].Beijing, China, 2007:589～592.

[5] 韩讲周.太阳光室内照明系统的研制[D].西安:陕西科技大学, 2007.

[6] 宁铎, 刘飞航, 吴彦锐, 等.免跟踪透射式太阳聚光器的设计[J].光子学报, 2008, 37 (11) :2286～2287.