【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及光学，具体涉及一种光线定向偏折棱镜组合的免追踪聚光器。
技术介绍
1、人们为了提高太阳能利用效率，研究开发了多种类型的阳光聚光器投放市场，从小型的光导照明、cpc聚光器到大型的塔式、槽式、线性菲涅尔式等光热发电聚光场，聚光技术发挥着越来越重要的作用，推动着人类利用太阳能技术的发展与进步。
2、但现有技术还存在以下问题：1）由于太阳对地运行轨迹时刻在变化，现有的阳光聚光器需要高精度的对日追踪系统才能高效聚光，导致聚光系统的结构相对笨重复杂，安装条件较为苛刻，使用场景严重受限，安装与运行的便捷性和经济性不佳；2）现有聚光技术所推广的塔式、槽式、线性菲涅尔式、碟式等聚光器其光线均是通过镜面反射方式向聚光接收器汇聚光线，由于聚光接受器位于反射镜上方（朝向天空），不仅存在对系统的安装精度要求高、建站成本高、运行中维护不方便等问题，而且其聚光光路中的光线容易受空气中的水汽、粉尘等微粒子产生的光散射影响使系统效能下降，特别是聚光反射镜表面与聚光接收器表面能同时被水汽、风沙、粉尘等污染物附着覆盖导致系统聚光效率急剧下降的问题还难以克服；3）虽然人们利用光的折射、反射及折反射相结合的方法所开发的免追踪聚光器公开的技术和文献比较多，但受光学扩展量为恒量的定律约束，现已公开的免追踪聚光技术及其构成的聚光器还普遍存在聚光效率不高，实际运行中难以达到太阳的高度角与方位角时刻变化在入射光线大角度变动条件下稳定聚光的目的，能接受的光线入射角度范围有限，免追踪效果差，导致运行效率低，难以得到规模化推广与应用。同时，太阳能应用市场对聚光
技术实现思路
1、为解决现有技术中存在的上述问题，本专利技术的目的是提供一种光线定向偏折棱镜组合的免追踪聚光器，其聚光系统结构简单、高效，无对日追踪系统，安装方式不受使用场景限制，满足综合高效、安全可靠、经久耐用的使用要求。
2、为了达到上述目的，本专利技术采用的技术方案是：
3、一种光线定向偏折棱镜组合的免追踪聚光器，包括：大角度光线定向偏折棱镜阵列、下反射板和定向偏折聚光棱镜；所述大角度光线定向偏折棱镜阵列由多个折射率为n、两个锐角分别为α与β的全反射光导棱镜依次排列组合而成；所述定向偏折聚光棱镜与所述下反射板构成聚光腔，所述大角度光线定向偏折棱镜阵列与聚光腔组合为一体，构成光线向下定向偏折聚光的免追踪聚光器；所述全反射光导棱镜的α角开口方向为光线定向偏折方向，设定光线定向偏折方向向东、记为e向，在该方向的光线接受角为αe，每个全反射光导棱镜的α角满足：α≥1/2(arcsin（1/n） + arcsin（sinαe/n）)。
4、优选的，所述全反射光导棱镜包含三个面：上表面既为入射光线接受面，又为棱镜内部折反光线的全内反射面，表面镀制有高增透光学薄膜；底面为光线反射面，表面镀制有高反射光学薄膜使内外表面同时具备高反射特性；出射面为光线出射面，其表面形状为平面、弧面或曲折面。
5、多个所述全反射光导棱镜的上表面水平面依次排列构成所述大角度光线定向偏折棱镜阵列，其中每一个α、β角满足：α≥1/2(arcsin（1/n） + arcsin（sinαe/n）)，β≤90°-α。
6、所述下反射板的一端与所述大角度光线定向偏折棱镜阵列的第一个全反射光导棱镜的β角处相连，下反射板倾斜布置与每个全反射光导棱镜的底面平行或其倾角β1≥α；所述下反射板的另一端与所述定向偏折聚光棱镜相配合。
7、所述定向偏折聚光棱镜具有光线接受面、聚光出射面和光线反射面；所述光线接受面能够接受光线反射面的折反光线全内反射，所述聚光出射面为弧面，光线反射面的表面镀制有高反射光学薄膜，光线接受面能够光线全内反射；所述定向偏折聚光棱镜的顶角开口向下，引导所述聚光腔入射的光线向下定向偏折汇聚至聚光接收器。
8、所述大角度光线定向偏折棱镜阵列与所述定向偏折聚光棱镜的顶角之间设有上反射板，所述下反射板与定向偏折聚光棱镜相邻部分与上反射板平行。
9、采用两个所述的大角度光线定向偏折棱镜阵列左右对称、水平排列，配合两块下反射板，构成光线接受与定向偏折组件，与位于中央的定向偏折聚光棱镜一体组合，构成光线向下定向偏折聚光的免追踪聚光器。
10、一种光线定向偏折棱镜组合的免追踪聚光器，采用上述的大角度光线定向偏折棱镜阵列，与位于下方、横向排列、顶角开口方向与全反射光导棱镜的α角开口方向相同、光线出射面为弧面的光导聚光棱镜一体组合，构成光线横向水平聚光的免追踪聚光器。
11、所述光导聚光棱镜为楔形。
12、所述大角度光线定向偏折棱镜阵列中，每个全反射光导棱镜的底面及相对的两个侧面镀制有高反射光学薄膜。
13、与现有技术相比较，本专利技术的有益效果是：
14、1）利用光学全反射原理与折反射光路相结合设计的光线定向偏折棱镜，在每个小棱镜有限的内部空间逆转了反向入射光线的传播路径和传播方向，使阳光在不同入射角和大角度变动范围的光线通过光线定向偏折棱镜阵列后向特定方向传播，最终进入具有定向偏折效果的聚光棱镜汇聚，通过本专利技术的独特组合结构后其入射光线的立体角范围得到有效抑制和缩小，为突破阳光聚光器的设计受光学扩展量为恒量定律的约束难以实现免追踪高效聚光提供了一种全新的技术路径和解决方案。
15、2）本专利技术可依据使用环境和使用场景的不同选择聚光接受器在下部或在侧面水平方向安装，有效解决了现有技术的塔式、槽式、线性菲涅尔式、碟式等聚光系统其聚光接受器位于光路上方（朝向天空）所带来的各种问题，同时本专利技术可方便进行聚光光伏、光热、光导照明等一体化的多种组合形式，既可作为小型独立单元使用，也可以组合成阵列在大型光场使用，对安装环境、安装方式的局限性小，运行与维护经济简便。
16、3）本专利技术所采用的材料容易获得，其制造的工业化技术成熟，经济性较好，易于得到推广应用。
17、利用本专利技术所构成的光导照明系统、聚光发电系统、聚光光热系统等可应用在太阳能综合高效利用领域，具有较为广泛的应用场景与良好的市场推广前景。
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1.一种光线定向偏折棱镜组合的免追踪聚光器，其特征在于，包括：大角度光线定向偏折棱镜阵列（100）、下反射板（202）和定向偏折聚光棱镜（201）；所述大角度光线定向偏折棱镜阵列（100）由多个折射率为n、两个锐角分别为α与β的全反射光导棱镜依次排列组合而成；所述定向偏折聚光棱镜（201）与所述下反射板（202）构成聚光腔（200），所述大角度光线定向偏折棱镜阵列（100）与聚光腔（200）组合为一体，构成光线向下定向偏折聚光的免追踪聚光器；所述全反射光导棱镜的α角开口方向为光线定向偏折方向，设定光线定向偏折方向向东、记为E向，在该方向的光线接受角为αE，每个全反射光导棱镜的α角满足：α≥1/2(arcSin（1/n） + arcSin（SinαE/n）)。
2.根据权利要求1所述的一种光线定向偏折棱镜组合的免追踪聚光器，其特征在于，所述全反射光导棱镜包含三个面：上表面（101）既为入射光线接受面，又为棱镜内部折反光线的全内反射面，表面镀制有高增透光学薄膜；底面（102 ）为光线反射面，表面镀制有高反射光学薄膜使底面（102）内外表面同时具备高反射特性；出射面（103
3.根据权利要求2所述的一种光线定向偏折棱镜组合的免追踪聚光器，其特征在于，多个所述全反射光导棱镜的上表面（101）水平面依次排列构成所述大角度光线定向偏折棱镜阵列（100），其中每一个α、β角满足：α≥1/2(arcSin（1/n） + arcSin（SinαE/n）)，β≤90°-α。
4.根据权利要求3所述的一种光线定向偏折棱镜组合的免追踪聚光器，其特征在于，所述下反射板（202）的一端与所述大角度光线定向偏折棱镜阵列（100）的第一个全反射光导棱镜的β角处相连，下反射板（202）倾斜布置与每个全反射光导棱镜的底面（102）平行或其倾角β1≥α；所述下反射板（202）的另一端与所述定向偏折聚光棱镜（201）相配合。
5.根据权利要求4所述的一种光线定向偏折棱镜组合的免追踪聚光器，其特征在于，所述定向偏折聚光棱镜（201）具有光线接受面、聚光出射面和光线反射面；所述光线接受面能够接受光线反射面的折反光线全内反射，所述聚光出射面为弧面，光线反射面的表面镀制有高反射光学薄膜；所述定向偏折聚光棱镜的顶角开口向下，引导所述聚光腔（200）入射的光线向下定向偏折汇聚至聚光接收器。
6.根据权利要求5所述的一种光线定向偏折棱镜组合的免追踪聚光器，其特征在于，所述大角度光线定向偏折棱镜阵列（100）与所述定向偏折聚光棱镜（201）的顶角之间设有上反射板（203），所述下反射板（202）与定向偏折聚光棱镜（201）相邻部分与上反射板平行。
7.根据权利要求5所述的一种光线定向偏折棱镜组合的免追踪聚光器，其特征在于，采用两个所述的大角度光线定向偏折棱镜阵列（100）左右对称、水平排列，配合两块下反射板（202），构成光线接受与定向偏折组件，与位于中央的定向偏折聚光棱镜（201）一体组合，构成光线向下定向偏折聚光的免追踪聚光器。
8.一种光线定向偏折棱镜组合的免追踪聚光器，其特征在于，采用如权利要求1所述的大角度光线定向偏折棱镜阵列（100），与位于下方、横向排列、顶角开口方向与全反射光导棱镜的α角开口方向相同、光线出射面（303）为弧面的光导聚光棱镜（300）一体组合，构成光线横向水平聚光的免追踪聚光器。
9.据权利要求8所述的一种光线定向偏折棱镜组合的免追踪聚光器，其特征在于，所述光导聚光棱镜（300）为楔形。
10.据权利要求1所述的一种光线定向偏折棱镜组合的免追踪聚光器，其特征在于，所述大角度光线定向偏折棱镜阵列（100）中，每个全反射光导棱镜的底面（102）及相对的两个侧面镀制有高反射光学薄膜。
...【技术特征摘要】
1.一种光线定向偏折棱镜组合的免追踪聚光器，其特征在于，包括：大角度光线定向偏折棱镜阵列（100）、下反射板（202）和定向偏折聚光棱镜（201）；所述大角度光线定向偏折棱镜阵列（100）由多个折射率为n、两个锐角分别为α与β的全反射光导棱镜依次排列组合而成；所述定向偏折聚光棱镜（201）与所述下反射板（202）构成聚光腔（200），所述大角度光线定向偏折棱镜阵列（100）与聚光腔（200）组合为一体，构成光线向下定向偏折聚光的免追踪聚光器；所述全反射光导棱镜的α角开口方向为光线定向偏折方向，设定光线定向偏折方向向东、记为e向，在该方向的光线接受角为αe，每个全反射光导棱镜的α角满足：α≥1/2(arcsin（1/n） + arcsin（sinαe/n）)。
2.根据权利要求1所述的一种光线定向偏折棱镜组合的免追踪聚光器，其特征在于，所述全反射光导棱镜包含三个面：上表面（101）既为入射光线接受面，又为棱镜内部折反光线的全内反射面，表面镀制有高增透光学薄膜；底面（102 ）为光线反射面，表面镀制有高反射光学薄膜使底面（102）内外表面同时具备高反射特性；出射面（103）为光线出射面，其表面形状为平面、弧面或曲折面。
3.根据权利要求2所述的一种光线定向偏折棱镜组合的免追踪聚光器，其特征在于，多个所述全反射光导棱镜的上表面（101）水平面依次排列构成所述大角度光线定向偏折棱镜阵列（100），其中每一个α、β角满足：α≥1/2(arcsin（1/n） + arcsin（sinαe/n）)，β≤90°-α。
4.根据权利要求3所述的一种光线定向偏折棱镜组合的免追踪聚光器，其特征在于，所述下反射板（202）的一端与所述大角度光线定向偏折棱镜阵列（100）的第一个全反射光导棱镜的β角处相连，下反射板（202）倾斜布置与每个全反射光导棱镜的底面（102）平行或其倾角β1≥α；所述下反...
【专利技术属性】
技术研发人员：李智超，李湘裔，张许娜，
申请(专利权)人：南阳东方光微研究院，
类型：发明
国别省市：
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