本發(fā)明屬于聚光技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種菲涅爾光熱聚光結(jié)構(gòu)。

背景技術(shù)：

太陽(yáng)能熱發(fā)電是通過(guò)聚光裝置將太陽(yáng)能光線聚集起來(lái)獲得高溫?zé)嵩?，加熱工質(zhì)，獲得高溫高壓的蒸汽驅(qū)動(dòng)汽輪發(fā)電機(jī)進(jìn)行發(fā)電。

菲涅爾聚光裝置包括菲涅爾透鏡和線性線性菲涅爾反射鏡，具有易于制造、價(jià)格低廉、聚光比可調(diào)、對(duì)安裝固定要求低維護(hù)簡(jiǎn)便等突出優(yōu)點(diǎn)。因此菲涅爾式太陽(yáng)能聚光裝置的使用在空間應(yīng)用和照明方面非常受歡迎，經(jīng)過(guò)技術(shù)進(jìn)步和可行性部署在太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)中，正在進(jìn)行廣泛的研究工作。但傳統(tǒng)的菲涅爾透鏡的設(shè)計(jì)都是將光線經(jīng)過(guò)光學(xué)系統(tǒng)聚焦到一個(gè)確定的焦點(diǎn)，這樣的設(shè)計(jì)會(huì)導(dǎo)致該焦點(diǎn)中心出現(xiàn)峰值，造成非常大的不均勻性。

太陽(yáng)輻射隨著時(shí)間變化和空間變化，具有很強(qiáng)的不均勻性，而且在聚光裝置的作用下能量密度分布不均的情況會(huì)進(jìn)一步加強(qiáng)。傳統(tǒng)的集熱器集熱管工作時(shí)，僅有接受反射鏡聚光的一側(cè)受熱，熱流密度非常大，而另一側(cè)能量密度幾乎為零，而且聚光加熱一側(cè)的太陽(yáng)能熱流分布也非常不均勻。因此太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)集熱裝置表面的熱流密度隨著時(shí)間和空間不斷變化，集熱器吸收裝置在集熱過(guò)程中，有著較高的溫差，形成較大溫度梯度，導(dǎo)致集熱器吸收裝置管壁的熱應(yīng)力和變形。因此從安全性的角度，金屬管發(fā)生變形彎曲會(huì)導(dǎo)致真空玻璃管破裂，引發(fā)安全問(wèn)題，所以不能忽略溫度梯度引起的熱應(yīng)力和變形。從經(jīng)濟(jì)性的角度來(lái)說(shuō)，在非均勻熱流密度的工作狀況下，熱應(yīng)力會(huì)使集熱器吸收金屬管產(chǎn)生變形，發(fā)生彎曲，偏離設(shè)計(jì)位置，導(dǎo)致聚光效率大幅度下降。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進(jìn)需求，本發(fā)明提供了一種基于非成像光學(xué)分區(qū)多焦點(diǎn)的菲涅爾光熱聚光結(jié)構(gòu)和方法，對(duì)光學(xué)系統(tǒng)及集熱目標(biāo)進(jìn)行區(qū)域劃分和焦點(diǎn)對(duì)應(yīng)，利用邊緣光線原理，使光線經(jīng)過(guò)光學(xué)系統(tǒng)能夠均勻的到達(dá)集熱目標(biāo)的對(duì)應(yīng)區(qū)域上，使集熱目標(biāo)表面熱流密度均勻。譬如，本發(fā)明中對(duì)光學(xué)系統(tǒng)菲涅爾透鏡和線性菲涅爾反射鏡、集熱目標(biāo)真空吸熱管進(jìn)行區(qū)域劃分和焦點(diǎn)對(duì)應(yīng)，使光學(xué)經(jīng)過(guò)折射能夠均勻的到達(dá)真空吸熱管表面的對(duì)應(yīng)區(qū)域，使真空吸熱管表面熱流密度均勻；基于非成像本發(fā)明使每個(gè)區(qū)域的熱流密度相等，當(dāng)區(qū)域數(shù)量達(dá)到要求時(shí)，即可以保證在整個(gè)真空集熱管表面的熱流密度均勻，減小集熱管的熱應(yīng)力和變形，從而提高聚熱效率和加熱的安全性。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，按照本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了基于非成像光學(xué)分區(qū)多焦點(diǎn)的菲涅爾光熱聚光結(jié)構(gòu)，其特征在于，包括菲涅爾透鏡和兩塊線性菲涅爾反射鏡，其中，

菲涅爾透鏡和兩塊線性菲涅爾反射鏡用于共同配合對(duì)集熱管的設(shè)定區(qū)域段的外表面進(jìn)行加熱，并且該區(qū)域段的外表面由弧度為π的上半弧面、弧度為π/2的下左弧面和弧度為π/2的下右弧面組成；

所述菲涅爾透鏡水平設(shè)置并且其左半部分和右半部分左右對(duì)稱(chēng)，該菲涅爾透鏡用于將豎直入射的光線透射到其下方的所述上半弧面上進(jìn)行加熱；

兩塊所述線性菲涅爾反射鏡左右對(duì)稱(chēng)設(shè)置并且結(jié)構(gòu)相同，兩者均位于所述菲涅爾透鏡的下方，左方的線性菲涅爾反射鏡用于將豎直入射的光線反射到其右方的所述下左弧面上進(jìn)行加熱；右方的線性菲涅爾反射鏡用于將豎直入射的光線反射到其左方的下右弧面上進(jìn)行加熱；

此外，所述上半弧面、下左弧面和下右弧面上的熱流分別均勻分布且上述三個(gè)弧面上的熱流密度相等。

優(yōu)選地，所述菲涅爾透鏡右半部分的每個(gè)區(qū)域具有一個(gè)齒，則右半部分具有n個(gè)齒，并且每個(gè)齒的齒寬均為d，將右半部分的n個(gè)齒按從左至右的順序編號(hào)，令第i個(gè)齒的頂角為αi，齒高為hi，折射率為n，光線透過(guò)第i個(gè)齒的偏轉(zhuǎn)角度為ui，其中i＝1,2,3…n，則相應(yīng)地，每個(gè)齒的邊緣點(diǎn)按從左至右的順序依次記為a1、a2..ai…an+1,記ai點(diǎn)的位置坐標(biāo)為相應(yīng)地，真空集熱管上的點(diǎn)分別編號(hào)b1、b2…bi…bn+1，記bi點(diǎn)的位置坐標(biāo)為則所述線性菲涅爾反射鏡的第i個(gè)齒的頂角αi的和齒高h(yuǎn)i如下：

hi＝d·tanαi。

優(yōu)選地，右方的線性菲涅爾反射鏡相對(duì)于水平面的傾角為γ，該線性菲涅爾反射鏡每個(gè)區(qū)域具有一個(gè)齒，則其共具有n個(gè)齒，其每個(gè)齒的齒寬均為b，并且其中d為菲涅爾透鏡上每個(gè)齒的齒寬；將該線性菲涅爾反射鏡的n個(gè)齒按從左至右的順序編號(hào)，令第j個(gè)齒的頂角為βj，齒高為hj，每個(gè)齒的邊緣點(diǎn)按從左至右的順序依次記為p1,p2…pj…pn+1,并且pj點(diǎn)的位置坐標(biāo)為相應(yīng)地，真空集熱管上的點(diǎn)分別為q1,q2…qj…qn+1，并且qj點(diǎn)的位置坐標(biāo)為其中j＝1,2,3…n，則線性菲涅爾反射鏡第j個(gè)齒的頂角βj和齒高h(yuǎn)j為：

hj＝b·tanβj。

按照本發(fā)明的另一個(gè)方面，還提供了基于非成像光學(xué)分區(qū)多焦點(diǎn)的菲涅爾光熱聚光方法，其特征在于，包括以下步驟：

1)布置菲涅爾透鏡、集熱管和兩塊線性菲涅爾反射鏡：將菲涅爾透鏡水平設(shè)置于集熱管的上方，兩塊線性菲涅爾反射鏡分別置于集熱管的左方和右方并且兩者左右對(duì)稱(chēng)設(shè)置，以使菲涅爾透鏡透射的光線和兩塊線性菲涅爾反射鏡反射的光線共同配合照射到集熱管的設(shè)定區(qū)域段的外表面進(jìn)行加熱，并且該區(qū)域段的外表面由弧度為π的上半弧面、弧度為π/2的下左弧面和弧度為π/2的下右弧面組成；其中，所述菲涅爾透鏡的左半部分和右半部分左右對(duì)稱(chēng)；

2)將菲涅爾透鏡沿鏡寬方向均分為2n個(gè)區(qū)域，將所述上半弧面也對(duì)應(yīng)均分為2n個(gè)區(qū)域，按從左至右的順序?qū)⒎颇鶢柾哥R上的2n+1個(gè)點(diǎn)與上半弧面的2n+1個(gè)點(diǎn)一一對(duì)應(yīng)；

將右方的線性菲涅爾反射鏡沿鏡寬方向均分為n個(gè)區(qū)域，將集熱管左半弧面也對(duì)應(yīng)均分為n個(gè)區(qū)域，按從左至右的順序?qū)⒂曳降木€性菲涅爾反射鏡的n+1個(gè)點(diǎn)與下左弧面的n+1個(gè)點(diǎn)一一對(duì)應(yīng)；

其中，菲涅爾透鏡的鏡寬為b1,每塊線性菲涅爾反射鏡的鏡寬均為b2，b1/n>1mm，b2/n>1mm，并且n≥3，將以保證所述上半弧面、下左弧面和下右弧面上的熱流分別均勻分布且上述三個(gè)弧面上的熱流密度相等。

優(yōu)選地，所述菲涅爾透鏡右半部分的每個(gè)區(qū)域具有一個(gè)齒，則右半部分具有n個(gè)齒，并且每個(gè)齒的齒寬均為d，將右半部分的n個(gè)齒按從左至右的順序編號(hào)，令第i個(gè)齒的頂角為αi，齒高為hi，折射率為n，光線透過(guò)第i個(gè)齒的偏轉(zhuǎn)角度為ui，其中i＝1,2,3…n，則相應(yīng)地，每個(gè)齒的邊緣點(diǎn)按從左至右的順序依次記為a1、a2…ai…an+1,記ai點(diǎn)的位置坐標(biāo)為相應(yīng)地，真空集熱管上的點(diǎn)分別編號(hào)b1、b2…bi…bn+1，記bi點(diǎn)的位置坐標(biāo)為則所述線性菲涅爾反射鏡的第i個(gè)齒的頂角αi的和齒高h(yuǎn)i如下：

hi＝d·tanαi。

優(yōu)選地，右方的線性菲涅爾反射鏡相對(duì)于水平面的傾角為γ，該線性菲涅爾反射鏡每個(gè)區(qū)域具有一個(gè)齒，則其共具有n個(gè)齒，其每個(gè)齒的齒寬均為b，并且其中d為菲涅爾透鏡上每個(gè)齒的齒寬；將該線性菲涅爾反射鏡的n個(gè)齒按從左至右的順序編號(hào)，令第j個(gè)齒的頂角為βj，齒高為hj，每個(gè)齒的邊緣點(diǎn)按從左至右的順序依次記為p1,p2…pj…pn+1,并且pj點(diǎn)的位置坐標(biāo)為相應(yīng)地，真空集熱管上的點(diǎn)分別為q1,q2…qj…qn+1，并且qj點(diǎn)的位置坐標(biāo)為(xqj，yqj)，其中j＝1,2,3…n，則線性菲涅爾反射鏡第j個(gè)齒的頂角βj和齒高h(yuǎn)j為：

hj＝b·tanβj。

總體而言，通過(guò)本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，能夠取得下列有益效果：

本發(fā)明基于非成像光學(xué)和多焦點(diǎn)設(shè)計(jì)方法，將聚光裝置的鏡面和真空集熱管都分成若干個(gè)區(qū)域，使每個(gè)區(qū)域的熱流密度相等，當(dāng)區(qū)域數(shù)量達(dá)到要求時(shí)，即可以保證在整個(gè)真空集熱管表面的熱流密度均勻，減小集熱管的熱應(yīng)力和變形，從而提高聚熱效率和加熱的安全性。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理圖；

圖2是本發(fā)明中菲涅爾透鏡的透射原理圖；

圖3是本發(fā)明中光線豎直照射在菲涅爾透鏡的第i個(gè)齒和第i+1個(gè)齒上的示意圖；

圖4是本發(fā)明中線性菲涅爾反射鏡的反射原理圖；

圖5是本發(fā)明中光線豎直照射在線性菲涅爾反射鏡的第j個(gè)齒和第j+1個(gè)齒上的示意圖。

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。此外，下面所描述的本發(fā)明各個(gè)實(shí)施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。

參照?qǐng)D1～圖5，基于非成像光學(xué)分區(qū)多焦點(diǎn)的菲涅爾光熱聚光結(jié)構(gòu)，其特征在于，包括菲涅爾透鏡1和兩塊線性菲涅爾反射鏡2，其中，

菲涅爾透鏡1和兩塊線性菲涅爾反射鏡2用于共同配合對(duì)集熱管3的設(shè)定區(qū)域段的外表面進(jìn)行加熱，并且該區(qū)域段的外表面由弧度為π的上半弧面、弧度為π/2的下左弧面和弧度為π/2的下右弧面組成；

所述菲涅爾透鏡1水平設(shè)置并且其左半部分和右半部分左右對(duì)稱(chēng)，該菲涅爾透鏡1用于將豎直入射的光線透射到其下方的所述上半弧面上進(jìn)行加熱；

兩塊所述線性菲涅爾反射鏡2左右對(duì)稱(chēng)設(shè)置并且結(jié)構(gòu)相同，兩者均位于所述菲涅爾透鏡1的下方，左方的線性菲涅爾反射鏡2用于將豎直入射的光線反射到其右方的所述下左弧面上進(jìn)行加熱；右方的線性菲涅爾反射鏡2用于將豎直入射的光線反射到其左方的下右弧面上進(jìn)行加熱；

此外，所述上半弧面、下左弧面和下右弧面上的熱流分別均勻分布且上述三個(gè)弧面上的熱流密度相等。

本結(jié)構(gòu)在優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，采用了包括劃分，焦點(diǎn)劃分，邊緣光線對(duì)應(yīng)，菲涅爾式太陽(yáng)能聚光裝置的幾何參數(shù)的設(shè)計(jì)。

本發(fā)明設(shè)計(jì)光路圖如圖1所示，真空集熱器集熱管3的圓心在菲涅爾透鏡1的軸線上。光源為太陽(yáng)光，假設(shè)太陽(yáng)光近似為豎直入射到菲涅爾透鏡1平面，經(jīng)過(guò)菲涅爾透鏡1的折射作用和線性菲涅爾反射鏡2的反射作用，每一塊區(qū)域的光線都透射到相應(yīng)的設(shè)計(jì)點(diǎn)。

首先進(jìn)行區(qū)域劃分。如圖1所示，將聚光裝置真空集熱管3某一區(qū)域段的外表面分為弧度為π的上半弧面和弧度為π的下半弧面，上半弧面對(duì)應(yīng)的是菲涅爾透鏡1，下半弧面對(duì)應(yīng)的是左右兩塊線性菲涅爾反射鏡2，并且下半弧面分為弧度為π/2的下左弧面和弧度為π/2的下右弧面。

第二，為了保證集熱管3半表面均勻，將集熱管3某一區(qū)域段的上半弧面平均分成2n個(gè)區(qū)域，對(duì)應(yīng)菲涅爾透鏡1上均分的2n個(gè)區(qū)域。將集熱管3下半弧面平均分成2n個(gè)區(qū)域，左下弧面和右下弧面分別對(duì)應(yīng)線性菲涅爾反射鏡2上均分的的n個(gè)區(qū)域。由邊緣光線原理可知，將菲涅爾透鏡1上的點(diǎn)、線性菲涅爾反射鏡2上的點(diǎn)與集熱管3上的點(diǎn)對(duì)應(yīng)，將n+1個(gè)點(diǎn)都一一對(duì)應(yīng)起來(lái)，就可以保證線性菲涅爾透鏡1上的2n個(gè)區(qū)域和兩塊線性菲涅爾反射鏡2上的的共2n個(gè)區(qū)域，與集熱管3上的共計(jì)4n個(gè)區(qū)域都對(duì)應(yīng)起來(lái)。因?yàn)橛苫炯僭O(shè)太陽(yáng)光豎直入射到聚光裝置上的，經(jīng)過(guò)投影到平面的表面光線數(shù)量均勻，每個(gè)區(qū)域面積相同即每個(gè)區(qū)域光線總強(qiáng)度相同，經(jīng)過(guò)菲涅爾透鏡1系統(tǒng)折射到集熱管3上半弧面2n個(gè)小區(qū)域和經(jīng)過(guò)兩塊線性菲涅爾反射鏡2反射到集熱管3下半弧面上的2n個(gè)小區(qū)域光線總強(qiáng)度相同。當(dāng)n足夠大的時(shí)候，每個(gè)區(qū)域(即菲涅爾聚光裝置的每個(gè)齒寬度)都很小，每個(gè)區(qū)域的光線總強(qiáng)度都相同，即可以認(rèn)為光線強(qiáng)度和能量密度是均勻的。菲涅爾透鏡1的鏡寬為b1,每塊線性菲涅爾反射鏡2的鏡寬均為b2，b1/n>1mm，b2/n>1mm，并且n≥3，譬如，當(dāng)n＝3時(shí)，將弧度為π的上半弧面劃分為6等分，左下弧面和右下弧面分別分為3等分，圓周分別對(duì)應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)鏡面的不同部分，提升聚光均勻性，保證聚光均勻。以保證所述上半弧面、下左弧面和下右弧面上的熱流分別均勻分布且上述三個(gè)弧面上的熱流密度相等。

第三，菲涅爾式太陽(yáng)能聚光裝置，菲涅爾透鏡1的設(shè)計(jì)過(guò)程：

菲涅爾透鏡1是太陽(yáng)光線透射過(guò)透鏡聚集到真空集熱管3表面的物理過(guò)程。菲涅爾透鏡1的左半部分和右半部分左右對(duì)稱(chēng)，右半部分統(tǒng)一設(shè)計(jì)計(jì)算公式如公式(1)所示，其中，菲涅爾透鏡1的第i個(gè)齒(i＝1,2,3,…,n)的頂角是αi，ui是第i個(gè)齒對(duì)應(yīng)的光線經(jīng)過(guò)透鏡偏轉(zhuǎn)的角度，n為透鏡的折射率。

結(jié)合分區(qū)多焦點(diǎn)設(shè)計(jì)方法的設(shè)計(jì)思想，將真空集熱管3上表面分成2n個(gè)區(qū)域，菲涅爾透鏡1的2n個(gè)齒分別對(duì)應(yīng)真空集熱管3上的對(duì)應(yīng)區(qū)域。右半部分按從左至右的順序依次編號(hào)為1,2,3…n齒，相應(yīng)地，邊緣點(diǎn)依次為a1,a2…ai…an+1,ai點(diǎn)的位置坐標(biāo)為真空集熱管3上的點(diǎn)分別編號(hào)b1,b2…bi…bn+1，bi點(diǎn)的位置坐標(biāo)為

豎直入射的光線經(jīng)過(guò)菲涅爾透鏡1發(fā)生偏轉(zhuǎn)，由菲涅爾透鏡1位置和集熱管3位置，可以計(jì)算出區(qū)域邊緣每一個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)ai點(diǎn)的位置坐標(biāo)為和bi點(diǎn)的位置坐標(biāo)為和每一個(gè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)光線偏轉(zhuǎn)角ui。而因?yàn)榉颇鶢柾哥R1齒寬d，遠(yuǎn)小于透鏡的焦距f(透鏡中心距真空集熱管3的距離)，在計(jì)算頂角αi時(shí)忽略菲涅爾透鏡1齒的齒高h(yuǎn)i，菲涅爾透鏡1每個(gè)齒的齒寬d相等。

hi＝d·tanαi(3)

由公式(1)、(2)和(3)可得出菲涅爾透鏡1第i個(gè)齒的參數(shù)，αi和hi。

第四，菲涅爾式太陽(yáng)能聚光裝置，線性菲涅爾反射鏡2的設(shè)計(jì)過(guò)程如下：

線性菲涅爾反射鏡2是太陽(yáng)光線經(jīng)過(guò)線性菲涅爾反射鏡2表面發(fā)生反射聚集到真空集熱管3表面的物理過(guò)程。光的反射作用，入射角θ1j等于出射角θ2j。

θ1j＝θ2j＝θj(4)

首先根據(jù)裝置安裝要求確認(rèn)線性菲涅爾反射鏡2裝置的安裝角γ，再結(jié)合分區(qū)多焦點(diǎn)設(shè)計(jì)方法的設(shè)計(jì)思想，將真空集熱管3下表面分成2n個(gè)區(qū)域，分別對(duì)應(yīng)兩塊線性菲涅爾反射鏡2的2n個(gè)齒。豎直入射的光線經(jīng)過(guò)線性菲涅爾反射鏡2發(fā)生反射。

線性菲涅爾反射鏡2的每個(gè)齒的齒寬為b。將右方的線性菲涅爾反射鏡2的齒按從左至右的順序依次編號(hào)，相應(yīng)地，邊緣點(diǎn)依次為p1,p2…pj…pn+1,pj點(diǎn)的位置坐標(biāo)為真空集熱管3上的點(diǎn)分別編號(hào)q1,q2…qj…qn+1，qj點(diǎn)的位置坐標(biāo)為由線性菲涅爾反射鏡2的位置和集熱管3位置，可以計(jì)算出區(qū)域邊緣每一個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)，和每一個(gè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)光線的偏轉(zhuǎn)，從而計(jì)算出線性菲涅爾反射鏡2第j個(gè)齒的頂角βj和齒高h(yuǎn)j。

由位置關(guān)系

由幾何關(guān)系

hj＝b·tanβj(9)

本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。