本项创新技术介绍了一种新型复合式菲涅尔聚光系统,该系统由菲涅尔透镜组件、菲涅尔反射镜组件、一体式支撑结构、太阳传感器组件以及俯仰角跟踪控制系统组成,旨在提高光学聚焦效率和稳定性。
背景技术
太阳能作为一种清洁的可再生能源,其高效利用一直是研究的热点。光热发电技术利用太阳能加热工质达到较高的温度从而实现高效热工转换核和发电。太阳能热化学利用技术通过高温热化学反应可以实现惰性分子(如二氧化碳和水)的还原转化,合成具有高附加值的化学品或碳氢燃料。因此太阳能光热利用具有巨大的发展潜力和良好的应用前景。然而未经汇聚的太阳光能量密度较低,难以将太阳能集热器或反应器达到热利用所需的高温。实现高能量密度、高温光热化学转化往往需要借助塔式、蝶式、菲涅尔透镜和菲涅尔环形反射等点聚光的方式。然而,塔式聚光和蝶式聚光系统的焦点光斑通常处于高处,需要建设高塔架安置太阳能集热器或反应器,这不仅大幅增加了建设成本和物料输送成本,还导致严重的热损失。相比之下,菲涅尔透射和菲涅尔反射聚光方式保持汇聚的太阳光依然从上向下传输,集热器或反应器位于系统底部,从而可将集热器或反应器置于系统底部,避免了高塔的建设需求及高差物料垂直输送系统的高维护成本。
现有菲涅尔透射聚光的局限性:菲涅尔透镜的制造依赖于高精度光学结构,而这受到机床尺寸、加工精度及模具成本等因素的限制,尤其是在大口径菲涅尔透镜的生产加工中,成本显著增加。此外,受到菲涅尔透镜光学传输原理以及实际加工精度的限制,其光线偏转角和聚光范围存在限制。根据斯涅尔定律,如图2所示,异质界面处光线传输入射角α1
和出射角α2
与介质折射率n1
和n2
满足关系式:n1
sinα1
=n2
sinα2
。目前菲涅尔透镜采用得的材质包括但不限于石英玻璃、透明硅胶、亚克力玻璃等,折射率n2
通常在1.4~1.55之间,此处设n2
为1.5,空气折射率n1
为1,以出射角α2
=90°为临界出射角,计算得到临界入射角α1,max
为41.8°,理论光线极限偏转角度βmax
为48.2°。考虑实际应用过程中加工的菲涅尔透镜加工精度与误差,对于焦距为1m的菲涅尔透镜,超出透镜圆心~1m半径范围的太阳光将无法被有效汇聚和利用,如图3所示。
现有菲涅尔反射聚光的局限性:菲涅尔反射聚光是通过光线环形反射镜表面的镜面反射实现光线的偏转与聚焦,入射角α1
等于出射角α2
,反射镜宽度w=r0
/sin(β/2),如图4所示,式中r0
为环形反射镜竖直投影宽度,β为出射光线相对于入射光线偏转的角度,通过反射镜宽度w与其竖直投影宽度r0
的比值可以得到反射镜面积与实际阳光接收面积的比值随光线偏转角度β变化的曲线如图4所示。从图中可以看到当光线偏转角度不断下降时,反射镜面积利用率(采光投影面积与反射镜实际面积之比)下降(如图7所示)且镜片高度大幅增大(如图5所示),导致加工、安装和调试变得极为困难。因此,在实际应用中,内圈区域通常会被留空,导致该部分区域的太阳光无法得到有效的汇聚利用。这种设计造成菲涅尔反射聚光系统辐射能流利用率、聚光效率和辐射通量大幅下降,形成了技术瓶颈。这些挑战制约了菲涅尔反射聚光器在高温光热化学转化领域的广泛应用。
综上所述,大口径菲涅尔透镜加工制造成本越高,并且同时边缘区域齿尖光学损失大甚至出现透镜内全反射现象,限制了大面积菲涅尔透镜的规模化应用。菲涅尔反射聚光系统具有相对低的单位镜面成本,但由于中心区域往往由于镜面利用率过低而留空,导致该部分太阳光无法被有效汇聚利用,限制了聚光镜占地空间和辐射通量的利用率。两种聚光方式在规模化利用中存在各自的固有不足,亟需针对两种技术面临的关键瓶颈问题发明创新性解决思路。
实现思路