基于非成像光学分区多焦点的菲涅尔光热聚光结构和方法技术

本发明专利技术属于聚光技术领域，并公开了基于非成像光学分区多焦点的菲涅尔光热聚光结构和方法，其聚光结构包括共同配合对集热管的设定区域段外表面进行加热的菲涅尔透镜和两块线性菲涅尔反射镜；其方法包括菲涅尔透镜和两块线性菲涅尔反射镜布置、区域划分，焦点划分，边缘光线对应，菲涅尔式太阳能聚光装置的几何参数的设计。本发明专利技术对光学系统及集热目标进行区域划分和焦点对应，使光线经过透镜、反射镜能够均匀的到达集热目标上，使集热目标表面热流密度均匀。本发明专利技术使每个划分区域的热流密度相等，当区域数量达到要求时，即可以保证在整个真空集热管表面的热流密度均匀，减小集热管的热应力和变形，从而提高聚热效率和加热的安全性。

【技术实现步骤摘要】
基于非成像光学分区多焦点的菲涅尔光热聚光结构和方法
本专利技术属于聚光
，更具体地，涉及一种菲涅尔光热聚光结构。
技术介绍
太阳能热发电是通过聚光装置将太阳能光线聚集起来获得高温热源，加热工质，获得高温高压的蒸汽驱动汽轮发电机进行发电。菲涅尔聚光装置包括菲涅尔透镜和线性线性菲涅尔反射镜，具有易于制造、价格低廉、聚光比可调、对安装固定要求低维护简便等突出优点。因此菲涅尔式太阳能聚光装置的使用在空间应用和照明方面非常受欢迎，经过技术进步和可行性部署在太阳能热发电系统中，正在进行广泛的研究工作。但传统的菲涅尔透镜的设计都是将光线经过光学系统聚焦到一个确定的焦点，这样的设计会导致该焦点中心出现峰值，造成非常大的不均匀性。太阳辐射随着时间变化和空间变化，具有很强的不均匀性，而且在聚光装置的作用下能量密度分布不均的情况会进一步加强。传统的集热器集热管工作时，仅有接受反射镜聚光的一侧受热，热流密度非常大，而另一侧能量密度几乎为零，而且聚光加热一侧的太阳能热流分布也非常不均匀。因此太阳能热发电系统集热装置表面的热流密度随着时间和空间不断变化，集热器吸收装置在集热过程中，有着较高的温差，形成较大温度梯度，导致集热器吸收装置管壁的热应力和变形。因此从安全性的角度，金属管发生变形弯曲会导致真空玻璃管破裂，引发安全问题，所以不能忽略温度梯度引起的热应力和变形。从经济性的角度来说，在非均匀热流密度的工作状况下，热应力会使集热器吸收金属管产生变形，发生弯曲，偏离设计位置，导致聚光效率大幅度下降。
技术实现思路
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种基于非成像光学分区多焦点的菲涅尔光热聚光结构和方法，对光学系统及集热目标进行区域划分和焦点对应，利用边缘光线原理，使光线经过光学系统能够均匀的到达集热目标的对应区域上，使集热目标表面热流密度均匀。譬如，本专利技术中对光学系统菲涅尔透镜和线性菲涅尔反射镜、集热目标真空吸热管进行区域划分和焦点对应，使光学经过折射能够均匀的到达真空吸热管表面的对应区域，使真空吸热管表面热流密度均匀；基于非成像本专利技术使每个区域的热流密度相等，当区域数量达到要求时，即可以保证在整个真空集热管表面的热流密度均匀，减小集热管的热应力和变形，从而提高聚热效率和加热的安全性。为实现上述目的，按照本专利技术的一个方面，提供了基于非成像光学分区多焦点的菲涅尔光热聚光结构，其特征在于，包括菲涅尔透镜和两块线性菲涅尔反射镜，其中，菲涅尔透镜和两块线性菲涅尔反射镜用于共同配合对集热管的设定区域段的外表面进行加热，并且该区域段的外表面由弧度为π的上半弧面、弧度为π/2的下左弧面和弧度为π/2的下右弧面组成；所述菲涅尔透镜水平设置并且其左半部分和右半部分左右对称，该菲涅尔透镜用于将竖直入射的光线透射到其下方的所述上半弧面上进行加热；两块所述线性菲涅尔反射镜左右对称设置并且结构相同，两者均位于所述菲涅尔透镜的下方，左方的线性菲涅尔反射镜用于将竖直入射的光线反射到其右方的所述下左弧面上进行加热；右方的线性菲涅尔反射镜用于将竖直入射的光线反射到其左方的下右弧面上进行加热；此外，所述上半弧面、下左弧面和下右弧面上的热流分别均匀分布且上述三个弧面上的热流密度相等。优选地，所述菲涅尔透镜右半部分的每个区域具有一个齿，则右半部分具有N个齿，并且每个齿的齿宽均为d，将右半部分的N个齿按从左至右的顺序编号，令第i个齿的顶角为αi，齿高为hi，折射率为n，光线透过第i个齿的偏转角度为ui，其中i＝1,2,3…N，则相应地，每个齿的边缘点按从左至右的顺序依次记为A1、A2..Ai…AN+1,记Ai点的位置坐标为相应地，真空集热管上的点分别编号B1、B2…Bi…BN+1，记Bi点的位置坐标为则所述线性菲涅尔反射镜的第i个齿的顶角αi的和齿高hi如下：hi＝d·tanαi。优选地，右方的线性菲涅尔反射镜相对于水平面的倾角为γ，该线性菲涅尔反射镜每个区域具有一个齿，则其共具有N个齿，其每个齿的齿宽均为b，并且其中d为菲涅尔透镜上每个齿的齿宽；将该线性菲涅尔反射镜的N个齿按从左至右的顺序编号，令第j个齿的顶角为βj，齿高为Hj，每个齿的边缘点按从左至右的顺序依次记为P1,P2…Pj…PN+1,并且Pj点的位置坐标为相应地，真空集热管上的点分别为Q1,Q2…Qj…QN+1，并且Qj点的位置坐标为其中j＝1,2,3…N，则线性菲涅尔反射镜第j个齿的顶角βj和齿高Hj为：Hj＝b·tanβj。按照本专利技术的另一个方面，还提供了基于非成像光学分区多焦点的菲涅尔光热聚光方法，其特征在于，包括以下步骤：1)布置菲涅尔透镜、集热管和两块线性菲涅尔反射镜：将菲涅尔透镜水平设置于集热管的上方，两块线性菲涅尔反射镜分别置于集热管的左方和右方并且两者左右对称设置，以使菲涅尔透镜透射的光线和两块线性菲涅尔反射镜反射的光线共同配合照射到集热管的设定区域段的外表面进行加热，并且该区域段的外表面由弧度为π的上半弧面、弧度为π/2的下左弧面和弧度为π/2的下右弧面组成；其中，所述菲涅尔透镜的左半部分和右半部分左右对称；2)将菲涅尔透镜沿镜宽方向均分为2N个区域，将所述上半弧面也对应均分为2N个区域，按从左至右的顺序将菲涅尔透镜上的2N+1个点与上半弧面的2N+1个点一一对应；将右方的线性菲涅尔反射镜沿镜宽方向均分为N个区域，将集热管左半弧面也对应均分为N个区域，按从左至右的顺序将右方的线性菲涅尔反射镜的N+1个点与下左弧面的N+1个点一一对应；其中，菲涅尔透镜的镜宽为B1,每块线性菲涅尔反射镜的镜宽均为B2，B1/N>1mm，B2/N>1mm，并且N≥3，将以保证所述上半弧面、下左弧面和下右弧面上的热流分别均匀分布且上述三个弧面上的热流密度相等。优选地，所述菲涅尔透镜右半部分的每个区域具有一个齿，则右半部分具有N个齿，并且每个齿的齿宽均为d，将右半部分的N个齿按从左至右的顺序编号，令第i个齿的顶角为αi，齿高为hi，折射率为n，光线透过第i个齿的偏转角度为ui，其中i＝1,2,3…N，则相应地，每个齿的边缘点按从左至右的顺序依次记为A1、A2…Ai…AN+1,记Ai点的位置坐标为相应地，真空集热管上的点分别编号B1、B2…Bi…BN+1，记Bi点的位置坐标为则所述线性菲涅尔反射镜的第i个齿的顶角αi的和齿高hi如下：hi＝d·tanαi。优选地，右方的线性菲涅尔反射镜相对于水平面的倾角为γ，该线性菲涅尔反射镜每个区域具有一个齿，则其共具有N个齿，其每个齿的齿宽均为b，并且其中d为菲涅尔透镜上每个齿的齿宽；将该线性菲涅尔反射镜的N个齿按从左至右的顺序编号，令第j个齿的顶角为βj，齿高为Hj，每个齿的边缘点按从左至右的顺序依次记为P1,P2…Pj…PN+1,并且Pj点的位置坐标为相应地，真空集热管上的点分别为Q1,Q2…Qj…QN+1，并且Qj点的位置坐标为(XQj，YQj)，其中j＝1,2,3…N，则线性菲涅尔反射镜第j个齿的顶角βj和齿高Hj为：Hj＝b·tanβj。总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：本专利技术基于非成像光学和多焦点设计方法，将聚光装置的镜面和真空集热管都分成若干个区域，使每个区域的热流密度相等，当区域数量达到要本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于非成像光学分区多焦点的菲涅尔光热聚光结构，其特征在于，包括菲涅尔透镜和两块线性菲涅尔反射镜，其中，菲涅尔透镜和两块线性菲涅尔反射镜用于共同配合对集热管的设定区域段的外表面进行加热，并且该区域段的外表面由弧度为π的上半弧面、弧度为π/2的下左弧面和弧度为π/2的下右弧面组成；所述菲涅尔透镜水平设置并且其左半部分和右半部分左右对称，该菲涅尔透镜用于将竖直入射的光线透射到其下方的所述上半弧面上进行加热；两块所述线性菲涅尔反射镜左右对称设置并且结构相同，两者均位于所述菲涅尔透镜的下方，左方的线性菲涅尔反射镜用于将竖直入射的光线反射到其右方的所述下左弧面上进行加热；右方的线性菲涅尔反射镜用于将竖直入射的光线反射到其左方的下右弧面上进行加热；此外，所述上半弧面、下左弧面和下右弧面上的热流分别均匀分布且上述三个弧面上的热流密度相等。

【技术特征摘要】
1.基于非成像光学分区多焦点的菲涅尔光热聚光结构，其特征在于，包括菲涅尔透镜和两块线性菲涅尔反射镜，其中，菲涅尔透镜和两块线性菲涅尔反射镜用于共同配合对集热管的设定区域段的外表面进行加热，并且该区域段的外表面由弧度为π的上半弧面、弧度为π/2的下左弧面和弧度为π/2的下右弧面组成；所述菲涅尔透镜水平设置并且其左半部分和右半部分左右对称，该菲涅尔透镜用于将竖直入射的光线透射到其下方的所述上半弧面上进行加热；两块所述线性菲涅尔反射镜左右对称设置并且结构相同，两者均位于所述菲涅尔透镜的下方，左方的线性菲涅尔反射镜用于将竖直入射的光线反射到其右方的所述下左弧面上进行加热；右方的线性菲涅尔反射镜用于将竖直入射的光线反射到其左方的下右弧面上进行加热；此外，所述上半弧面、下左弧面和下右弧面上的热流分别均匀分布且上述三个弧面上的热流密度相等。2.根据权利要求1所述的基于非成像光学分区多焦点的菲涅尔光热聚光结构，其特征在于，所述菲涅尔透镜右半部分的每个区域具有一个齿，则右半部分具有N个齿，并且每个齿的齿宽均为d，将右半部分的N个齿按从左至右的顺序编号，令第i个齿的顶角为αi，齿高为hi，折射率为n，光线透过第i个齿的偏转角度为ui，其中i＝1,2,3,…,N，则相应地，每个齿的边缘点按从左至右的顺序依次记为A1、A2..Ai…AN+1,记Ai点的位置坐标为相应地，真空集热管上的点分别编号B1、B2…Bi…BN+1，记Bi点的位置坐标为则所述线性菲涅尔反射镜的第i个齿的顶角αi的和齿高hi如下：hi＝d·tanαi。3.根据权利要求1所述的基于非成像光学分区多焦点的菲涅尔光热聚光结构，其特征在于，右方的线性菲涅尔反射镜相对于水平面的倾角为γ，该线性菲涅尔反射镜每个区域具有一个齿，则其共具有N个齿，其每个齿的齿宽均为b，并且其中d为菲涅尔透镜上每个齿的齿宽；将该线性菲涅尔反射镜的N个齿按从左至右的顺序编号，令第j个齿的顶角为βj，齿高为Hj，每个齿的边缘点按从左至右的顺序依次记为P1,P2…Pj…PN+1,并且Pj点的位置坐标为相应地，真空集热管上的点分别为Q1,Q2…Qj…QN+1，并且Qj点的位置坐标为其中j＝1,2,3…N，则线性菲涅尔反射镜第j个齿的顶角βj和齿高Hj为：Hj＝b·tanβj。4.基于非成像光学分区多焦点的菲涅尔光热聚光方法，其特征在于，包括以下步骤：1)布置菲涅尔透镜、集热管和两块线性菲涅尔反射镜：将菲涅尔透镜水平设置于...

【专利技术属性】
技术研发人员：李建兰，林鹏翥，吴至易，陈博，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42