【技術實現步驟摘要】
本專利技術涉及太陽能光熱利用，尤其涉及一種復合式菲涅爾聚光系統(tǒng)。
技術介紹
1、太陽能作為一種清潔的可再生能源，其高效利用一直是研究的熱點。光熱發(fā)電技術利用太陽能加熱工質達到較高的溫度從而實現高效熱工轉換核和發(fā)電。太陽能熱化學利用技術通過高溫熱化學反應可以實現惰性分子(如二氧化碳和水)的還原轉化，合成具有高附加值的化學品或碳氫燃料。因此太陽能光熱利用具有巨大的發(fā)展?jié)摿土己玫膽们熬?。然而未經匯聚的太陽光能量密度較低，難以將太陽能集熱器或反應器達到熱利用所需的高溫。實現高能量密度、高溫光熱化學轉化往往需要借助塔式、蝶式、菲涅爾透鏡和菲涅爾環(huán)形反射等點聚光的方式。然而，塔式聚光和蝶式聚光系統(tǒng)的焦點光斑通常處于高處，需要建設高塔架安置太陽能集熱器或反應器，這不僅大幅增加了建設成本和物料輸送成本，還導致嚴重的熱損失。相比之下，菲涅爾透射和菲涅爾反射聚光方式保持匯聚的太陽光依然從上向下傳輸，集熱器或反應器位于系統(tǒng)底部，從而可將集熱器或反應器置于系統(tǒng)底部，避免了高塔的建設需求及高差物料垂直輸送系統(tǒng)的高維護成本。
2、現有菲涅爾透射聚光的局限性：菲涅爾透鏡的制造依賴于高精度光學結構，而這受到機床尺寸、加工精度及模具成本等因素的限制，尤其是在大口徑菲涅爾透鏡的生產加工中，成本顯著增加。此外，受到菲涅爾透鏡光學傳輸原理以及實際加工精度的限制，其光線偏轉角和聚光范圍存在限制。根據斯涅爾定律，如圖2所示，異質界面處光線傳輸入射角α1和出射角α2與介質折射率n1和n2滿足關系式：n1?sinα1＝n2?sinα2。目前菲涅爾透鏡采用得的材
3、現有菲涅爾反射聚光的局限性：菲涅爾反射聚光是通過光線環(huán)形反射鏡表面的鏡面反射實現光線的偏轉與聚焦，入射角α1等于出射角α2，反射鏡寬度w＝r0/sin(β/2)，如圖4所示，式中r0為環(huán)形反射鏡豎直投影寬度，β為出射光線相對于入射光線偏轉的角度，通過反射鏡寬度w與其豎直投影寬度r0的比值可以得到反射鏡面積與實際陽光接收面積的比值隨光線偏轉角度β變化的曲線如圖4所示。從圖中可以看到當光線偏轉角度不斷下降時，反射鏡面積利用率(采光投影面積與反射鏡實際面積之比)下降(如圖7所示)且鏡片高度大幅增大(如圖5所示)，導致加工、安裝和調試變得極為困難。因此，在實際應用中，內圈區(qū)域通常會被留空，導致該部分區(qū)域的太陽光無法得到有效的匯聚利用。這種設計造成菲涅爾反射聚光系統(tǒng)輻射能流利用率、聚光效率和輻射通量大幅下降，形成了技術瓶頸。這些挑戰(zhàn)制約了菲涅爾反射聚光器在高溫光熱化學轉化領域的廣泛應用。
4、綜上所述，大口徑菲涅爾透鏡加工制造成本越高，并且同時邊緣區(qū)域齒尖光學損失大甚至出現透鏡內全反射現象，限制了大面積菲涅爾透鏡的規(guī)模化應用。菲涅爾反射聚光系統(tǒng)具有相對低的單位鏡面成本，但由于中心區(qū)域往往由于鏡面利用率過低而留空，導致該部分太陽光無法被有效匯聚利用，限制了聚光鏡占地空間和輻射通量的利用率。兩種聚光方式在規(guī)?；弥写嬖诟髯缘墓逃胁蛔?，亟需針對兩種技術面臨的關鍵瓶頸問題專利技術創(chuàng)新性解決思路。
技術實現思路
1、專利技術目的：本專利技術提供一種復合式菲涅爾聚光系統(tǒng)，有機結合了透射與反射兩種聚光方式的優(yōu)勢，有效克服了各自獨立運行時所面臨的挑戰(zhàn)，通過相互補充和增效，實現了緊湊、高通量、高光學效率和高輻射資源利用率的太陽能高效聚光與應用。
2、技術方案：本專利技術所述的一種復合式菲涅爾聚光系統(tǒng)，包括：位于光學聚焦單元內圈的菲涅爾透鏡組件、位于外圈的菲涅爾反射鏡組件、一體式支撐結構、太陽傳感器組件、俯仰角跟蹤控制執(zhí)行機構組件、方位角跟蹤控制執(zhí)行機構組件以及支座組件；菲涅爾透鏡組件由多塊扇形透鏡組成，這些透鏡具有同一圓心、同一焦點并位于同一平面，拼合后構成整塊菲涅爾透鏡模塊；菲涅爾反射鏡組件由多圈反射鏡組成，每圈反射鏡由弧形反射鏡按圓周陣列布置構成，并根據各自的半徑、相對位置和光線遮擋關系進行微調以確定其傾角和安裝位置；菲涅爾透鏡組件和菲涅爾反射鏡組件均固定在一體式支撐結構內，以確保所有光學組件能夠將入射光線匯聚至同一焦點；一體式支撐結構通過俯仰角跟蹤控制執(zhí)行機構組件和方位角跟蹤控制執(zhí)行機構組件控制其俯仰角和方位角的運動，并通過轉軸固定于支座組件上。
3、進一步的，菲涅爾透鏡組件由多塊透鏡組合成為整塊圓形透鏡，位于內圈，光線偏轉角度范圍0～β0。
4、進一步的，菲涅爾透鏡組件材料選用抗紫外老化亞克力材質或石英玻璃材質，平均太陽輻射透射率在88～94％之間。
5、進一步的，菲涅爾反射鏡組件由多塊反射鏡組合形成多圈環(huán)形反射鏡，位于透鏡組件外圈，光線偏轉角度范圍為β0～90°。
6、進一步的，光線偏轉角度是指入射太陽光經過光學器件偏轉后，出射光線相對于入射光線的偏轉角度，臨界光線偏轉角β0通常在20～45°范圍內。
7、進一步的，菲涅爾反射鏡組件材料選用鏡面鋁材料，平均太陽輻射反射率在90～96％之間。
8、進一步的，采用太陽傳感器組件監(jiān)測太陽運動軌跡，集成俯仰角跟蹤控制執(zhí)行機構組件和方位角跟蹤控制執(zhí)行機構組件，確保能夠精準跟蹤太陽軌跡，根據預設程序自動進行聚光的姿態(tài)控制，確保聚光時刻正對天空太陽方位。
9、有益效果：與現有技術相比，本專利技術具有如下顯著優(yōu)點：有機結合了菲涅爾透鏡聚光和菲涅爾反射聚光的優(yōu)勢，彌補了二者在不同光線偏轉角度范圍內的劣勢，有效提升了菲涅爾聚光系統(tǒng)的有效聚光面積和聚光效率，同時也最大化匯聚和利用了鏡場所占地范圍內的太陽能。
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1.一種復合式菲涅爾聚光系統(tǒng)，其特征在于，包括：位于光學聚焦單元內圈的菲涅爾透鏡組件(1)、位于外圈的菲涅爾反射鏡組件(2)、一體式支撐結構(3)、太陽傳感器組件(4)、俯仰角跟蹤控制執(zhí)行機構組件(5)、方位角跟蹤控制執(zhí)行機構組件(6)以及支座組件(7)；菲涅爾透鏡組件(1)由多塊扇形透鏡組成，這些透鏡具有同一圓心、同一焦點并位于同一平面，拼合后構成整塊菲涅爾透鏡模塊；菲涅爾反射鏡組件(2)由多圈反射鏡組成，每圈反射鏡由弧形反射鏡按圓周陣列布置構成，并根據各自的半徑、相對位置和光線遮擋關系進行微調以確定其傾角和安裝位置；菲涅爾透鏡組件(1)和菲涅爾反射鏡組件(2)均固定在一體式支撐結構(3)內，以確保所有光學組件能夠將入射光線匯聚至同一焦點；一體式支撐結構(3)通過俯仰角跟蹤控制執(zhí)行機構組件(5)和方位角跟蹤控制執(zhí)行機構組件(6)控制其俯仰角和方位角的運動，并通過轉軸固定于支座組件(7)上。
2.如權利要求1所述的復合式菲涅爾聚光系統(tǒng)，其特征在于，菲涅爾透鏡組件(1)由多塊透鏡組合成為整塊圓形透鏡，位于內圈，光線偏轉角度范圍0～β0。
3.如權利要求1所述
4.如權利要求1所述的復合式菲涅爾聚光系統(tǒng)，其特征在于，菲涅爾透鏡組件(1)平均太陽輻射透射率在88～94％之間。
5.如權利要求1所述的復合式菲涅爾聚光系統(tǒng)，其特征在于，菲涅爾反射鏡組件(2)由多塊反射鏡組合形成多圈環(huán)形反射鏡，位于透鏡組件外圈，光線偏轉角度范圍為β0～90°。
6.如權利要求2或5所述的復合式菲涅爾聚光系統(tǒng)，其特征在于，光線偏轉角度是指入射太陽光經過光學器件偏轉后，出射光線相對于入射光線的偏轉角度，臨界光線偏轉角β0在20～45°范圍內。
7.如權利要求1所述的復合式菲涅爾聚光系統(tǒng)，其特征在于，菲涅爾反射鏡組件(2)材料選用鏡面鋁材料。
8.如權利要求1所述的復合式菲涅爾聚光系統(tǒng)，其特征在于，菲涅爾反射鏡組件(2)平均太陽輻射反射率在90～96％之間。
9.如權利要求1所述的復合式菲涅爾聚光系統(tǒng)，其特征在于，采用太陽傳感器組件(4)監(jiān)測太陽運動軌跡，集成俯仰角跟蹤控制執(zhí)行機構組件(5)和方位角跟蹤控制執(zhí)行機構組件(6)，確保能夠精準跟蹤太陽軌跡，根據預設程序自動進行聚光的姿態(tài)控制，確保聚光時刻正對天空太陽方位。
...【技術特征摘要】
1.一種復合式菲涅爾聚光系統(tǒng)，其特征在于，包括：位于光學聚焦單元內圈的菲涅爾透鏡組件(1)、位于外圈的菲涅爾反射鏡組件(2)、一體式支撐結構(3)、太陽傳感器組件(4)、俯仰角跟蹤控制執(zhí)行機構組件(5)、方位角跟蹤控制執(zhí)行機構組件(6)以及支座組件(7)；菲涅爾透鏡組件(1)由多塊扇形透鏡組成，這些透鏡具有同一圓心、同一焦點并位于同一平面，拼合后構成整塊菲涅爾透鏡模塊；菲涅爾反射鏡組件(2)由多圈反射鏡組成，每圈反射鏡由弧形反射鏡按圓周陣列布置構成，并根據各自的半徑、相對位置和光線遮擋關系進行微調以確定其傾角和安裝位置；菲涅爾透鏡組件(1)和菲涅爾反射鏡組件(2)均固定在一體式支撐結構(3)內，以確保所有光學組件能夠將入射光線匯聚至同一焦點；一體式支撐結構(3)通過俯仰角跟蹤控制執(zhí)行機構組件(5)和方位角跟蹤控制執(zhí)行機構組件(6)控制其俯仰角和方位角的運動，并通過轉軸固定于支座組件(7)上。
2.如權利要求1所述的復合式菲涅爾聚光系統(tǒng)，其特征在于，菲涅爾透鏡組件(1)由多塊透鏡組合成為整塊圓形透鏡，位于內圈，光線偏轉角度范圍0～β0。
3.如權利要求1所述的復合式菲涅爾聚光系統(tǒng)，其特征在于，菲涅爾透鏡組件(1)材料選...
【專利技術屬性】
技術研發(fā)人員：宣益民，滕亮，劉向雷，
申請(專利權)人：南京航空航天大學，
類型：發(fā)明
國別省市：
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