[0001] 本发明涉及光学元件技术领域和清洁能源技术 领域， 具体涉及含有菲涅尔透镜 的菲涅尔聚光装置及其在聚光式太阳能系统中 的应用。

背景技术

[0002] 随着对环境保护的日益重视， 太阳能系统得到了越来越广泛的应用。 其中聚光 式太阳能系统由于能提高太阳能的利用效率， 因而受到越来越多的重视。

[0003] 现有的聚光式太阳能系统中常采用菲涅尔透镜 作为聚光光学元件， 然而使用菲 涅尔透镜直接聚焦到光能利用装置上的光学设 计， 使得聚光装置对于太阳光的 入射角的适应范围较小。 这使得现有太阳能系统的聚光装置受到两方面 的限制 ： 一方面， 其需要与跟日系统联合使用才能达到应有的效 果， 另一方面， 其聚 光比受到限制。

[0004] 此外现有太阳能系统的聚光装置还会产生高度 方面的问题， 因为聚光装置的高 度通常随着其聚光比的增加而增加。

[0005] 因此， 有必要研究具有更好的入射角适应能力， 以及能增加聚光比或降低系统 高度的菲涅尔聚光装置。

技术问题

问题的解决方案

技术解决方案

[0006] 依据本发明的一方面提供一种菲涅尔聚光装置 ， 包括第一和第二菲涅尔透镜层 ， 每个透镜层包括至少一个聚光型菲涅尔透镜； 以及一直筒形导光层， 其外形 为直筒形， 第一和第二菲涅尔透镜层分别设置于直筒形的 两端， 直筒形导光层 用于将来自第一菲涅尔透镜层的光线向下引导 至第二菲涅尔透镜层。

[0007] 依据本发明的另一方面提供一种聚光式太阳能 系统， 包括依据本发明的菲涅尔 聚光装置和至少一个光能利用装置， 其受光面设置在菲涅尔聚光装置之后的光 路上。 发明的有益效果

有益效果

[0008] 依据本发明的菲涅尔聚光装置， 采用两个菲涅尔透镜层分别进行光线的汇聚， 中间使用直筒形导光层协助将光线从上层向下 层引导， 使得聚光装置不仅能够 具有宽广的入射角度适应范围， 还能够在较低的高度下获得较大的聚光比， 避 免了对跟日系统的依赖。

[0009] 以下结合附图， 对依据本发明的具体示例进行详细说明。 本文中所使用的表示 位置的词语， 例如"上"、 "下"、 "顶部"、 "底部 "等， 仅表示相对的位置关系， 不 具有绝对性的含义。 本文中所使用的编号或序号， 例如"第一"、 "第二 "等， 仅起 到标识性作用， 不具有任何限制性含义。

对附图的简要说明

附图说明

[0010] 图 1是实施例 1的菲涅尔聚光装置的示意图；

[0011] 图 2是实施例 2的菲涅尔聚光装置的示意图；

[0012] 图 3是实施例 3的聚光式太阳能系统的示意图；

[0013] 图 4是实施例 4的聚光式太阳能系统的示意图。

本发明的实施方式

[0014] 具体实施方式

[0015] 实施例 1

[0016] 依据本发明的菲涅尔聚光装置的一种实施方式 可参考图 1。 图 1示出了该装置沿 纵向分解后的结构示意图， 包括第一菲涅尔透镜层 110， 直筒形导光层 120和第 二菲涅尔透镜层 130。

[0017] 本发明中的菲涅尔透镜层使用菲涅尔 （Fresnel) 透镜作为光学元件， 每个透镜 层包括至少一个聚光型菲涅尔透镜。 菲涅尔透镜是一种薄型透镜， 这种类型的 透镜具有轻薄且便于批量制作的优点。 本文中所称"聚光型" （或"散光型"） 菲涅 尔透镜是指在功能上将光线向透镜的光学中心 汇聚 （或从光学中心扩散出去） 的菲涅尔透镜， 其齿面通常源自凸透镜面 （或凹透镜面） 。 所称"线型"菲涅尔透 镜， 包括线型散光型菲涅尔透镜和线型聚光型菲涅 尔透镜， 是指透镜的聚焦中 心为一条线， 而不是集中在一个点上。 举例而言， 线型菲涅尔透镜的齿面可源 自凹形 （或凸形） 圆柱面、 或凹形 （或凸形） 多项式柱面。 菲涅尔透镜可以是 一面为齿面一面为平面的单面菲涅尔透镜， 也可以是两面均为齿面的双面菲涅 尔透镜。 每个菲涅尔透镜的每个齿面既可以是仅包含一 个菲涅尔单元的简单透 镜面， 也可以是由多个菲涅尔单元组成的复合透镜面 ， 从而形成为复合菲涅尔 透镜。

[0018] 作为一种简单的情形， 本实施例中的第一和第二菲涅尔透镜层分别由 单个聚光 型简单菲涅尔透镜 111， 131形成。 在其他实施方式中， 第一和第二菲涅尔透镜 层也可以采用更为复杂的结构， 例如可包括多个菲涅尔透镜， 或采用双面菲涅 尔透镜， 或采用复合菲涅尔透镜。 优选地， 可在至少一个透镜层中采用多焦距 菲涅尔透镜。 所称多焦距菲涅尔透镜按照与其中心光轴的距 离被分为不同的区 域， 其中与中心光轴距离更远的区域， 具有更短的焦距， 与中心光轴距离更近 的区域， 具有更长的焦距。 所称更长的焦距包括焦距为无穷大的情形， 在这种 情况下， 相应的区域例如为镂空区域， 或者由平面透明材料形成。

[0019] 作为一种可选的实施方式， 第一或第二菲涅尔透镜层的至少一个聚光型菲 涅尔 透镜可采用线型聚光型菲涅尔透镜， 其中各个线型透镜的聚焦中心线基本垂直 于整个聚光装置的光轴 （或中心轴， 即太阳光竖直入射的方向） 。 优选地， 不 同层的线型聚光型菲涅尔透镜的聚焦中心线相 互垂直， 从而用两个线型的菲涅 尔透镜层实现一个二维的 （即具有单一中心光轴和焦点的） 菲涅尔透镜。 这种 结构将有助于在焦平面上获得均匀的光强分布 ， 或通过易于加工的透镜组合来 实现复杂的光学设计。

[0020] 直筒形导光层 120的外形为直筒形， 第一和第二菲涅尔透镜层分别设置于该直 筒形的两端， 该直筒形导光层用于将来自第一菲涅尔透镜层 的光线向下引导至 第二菲涅尔透镜层。 直筒形导光层的筒壁垂直于两个透镜层 （即与整个聚光装 置的光轴方向基本一致） ， 其可以是透明的， 也可以在至少部分内壁设置反射 镜面。 [0021] 可采用各种光学设计来实现直筒形导光层的导 光功能， 例如： 可利用内壁的反 射镜面来导光； 或者， 直筒形导光层的筒壁与第一和第二菲涅尔透镜 层一起围 成封闭的第一空间， 第一空间中填充有高压气体或光学气体， 从而协助将入射 光线向下偏转， 所称光学气体是指在一个标准大气压下， 折射率大于 1的气体； 或者， 在直筒形导光层的内部空间中设置其他协助光 线偏转的光学元件。

[0022] 本实施例中， 采用筒体内壁为反射镜面的结构， 并在封闭的第一空间中填充有 光学气体 ₁₂₁ ， 入射光线 LL通过顶部透镜层的汇聚以及直筒形导光层的� ��转被引 导到底部的透镜层。

[0023] 本实施例中， 直筒形导光层的横截面为方形， 在其他实施方式中， 也可以采用 不同的横截面形状。 为了便于多个聚光装置的紧密排列或集成， 直筒形的横截 面形状可优选各种规则且便于制作的形状， 例如可选自如下集合： 四边形、 六 边形、 圆形等。

[0024] 本实施例菲涅尔聚光装置能够实现较高的聚光 比而高度相对较低， 其可与任意 光能或电磁能接收器件结合， 形成为聚光式光能或电磁能量接收系统， 例如， 应用于聚光式太阳能系统中。

[0025] 实施例 2

[0026] 依据本发明的菲涅尔聚光装置的另一种实施方 式可参考图 2。 图 2示出了该装置 沿纵向分解后的结构示意图， 包括第一菲涅尔透镜层 210， 直筒形导光层 220， 第二菲涅尔透镜层 230和锥形导光层 240。

[0027] 本实施例中的两个透镜层与直筒形导光层的基 本结构关系与实施例 1类似， 主 要区别在于：

[0028] 1.第一菲涅尔透镜层 210优选地采用一多焦距菲涅尔透镜 211， 其表面被分为两 个形状相似的同心的区域， 其中， 与中心光轴距离更远的区域 （周边区域 A01) ， 具有更短的焦距， 与中心光轴距离更近的区域 （中心区域 A02) ， 具有更长的 焦距；

[0029] 2.

第二菲涅尔透镜层 230优选地采用一多焦距菲涅尔透镜 231， 其仅在周边区域 B01 具有菲涅尔透镜面， 而中心区域 B02被镂空； [0030] 3.直筒形导光层 220中还包括有散光筒 222， 其筒壁由线型散光型菲涅尔透镜形 成， 该散光筒的长度延伸方向与直筒形导光层一致 ， 并设置于直筒形导光层的 内部空间中， 每个线型散光型菲涅尔透镜的聚焦中心线垂直 于散光筒的长度延 伸方向。

[0031] 散光筒 222能够将入射光向直筒的下端散射， 以增强直筒形导光层对偏离光轴 的入射光线的偏移能力， 有利于随后的光学元件将光线 LL最终引导到光能利用 装置。 散光筒的横截面形状可以与包围在其外部的直 筒形导光层的筒壁的横截 面形状相同或不同， 本实施例中均采用方形。

[0032] 锥形导光层 240设置于第二菲涅尔透镜层 230下方， 其包括至少一个反射式的锥 形导光筒 241， 其内壁全部或至少部分为反射镜面， 且顶部幵口较大而底部幵口 较小， 经由第二菲涅尔透镜层汇聚的光线从锥形导光 筒的顶部射入， 并被引导 至底部。 锥形导光筒的横截面形状可以是四边形、 六边形、 圆形等。

[0033] 锥形导光筒 241的底部可以被封闭以便于在其上设置光能利 用装置， 从而形成 为聚光式太阳能系统， 或者也可以用光能利用装置来封闭锥形导光筒 的底部。 锥形导光筒的底部被封闭后， 其筒壁与第二菲涅尔透镜层一起围成封闭的第 二 空间， 其中可进一步填充高压气体或光学气体， 以增大聚光比。

[0034] 作为实现聚光式太阳能系统的一种简单的情形 ， 可以将单面受光的光能利用装 置， 例如单面受光的光伏板 250设置在锥形导光筒的底部， 其受光面朝向锥形导 光筒的顶部。 本发明中所称 "光伏板"泛指各种类型的光电转换器件， 例如各种材 料制成的光伏板、 光伏薄膜、 量子点光伏材料等。

[0035] 实施例 3

[0036] 依据本发明的聚光式太阳能系统的一种实施方 式可参考图 3。 图 3示出了该系统 组装后的结构示意图， 包括第一菲涅尔透镜层 310， 直筒形导光层 320， 第二菲 涅尔透镜层 330， 锥形导光层 340和光能利用装置 350。

[0037] 本实施例中的两个透镜层与两个导光层的基本 结构关系与实施例 2类似， 主要 区别在于：

[0038] 第一菲涅尔透镜层 310所采用的多焦距菲涅尔透镜 311， 其表面所划分的两个区 域的形状是不同的， 中心区域 C02为圆形， 而周边区域 C01为方形。 这体现了依 据本发明的结构在光路设计和外形设计上的灵 活性。

[0039] 此外， 本实施例中的光能利用装置 350是复合型的， 即， 除了光伏板 351以外还 包括热电转换器件 352。 热电转换器件可设置在光伏板向外散热的热传 导路径上 ， 以在光伏板散热的过程中， 进一步将热能转换为电能。 热电转换器件例如可 采用具有热电效应的半导体器件。

[0040] 本实施例中， 光伏板 351和热电转换器件 352被分离地设置， 其中， 光伏板 351 设置于锥形导光筒中， 通过导热的支撑件 342固定在锥形导光筒上， 这种情况下 ， 锥形导光筒的底部可由反射镜面 343封闭。 热电转换器件 352则导热地贴合在 锥形导光筒的底部的背侧。 在这种情况下， 光伏板 351可优选地采用双面受光的 光伏板， 以提高光能利用率。

[0041] 在其他实施方式中， 例如， 当如图 2所示将单面受光的光伏板 250设置在锥形导 光筒的底部吋， 热电转换器件也可以导热地贴合在单面受光的 光伏板的背侧， 使得复合型的光能利用装置形成为一个整体。

[0042] 实施例 4

[0043] 依据本发明的聚光式太阳能系统的另一种实施 方式可参考图 4。 图 4示出了该系 统沿纵向分解后的结构示意图， 包括第一菲涅尔透镜层 410， 直筒形导光层 420 ， 第二菲涅尔透镜层 430， 锥形导光层 440， 光能利用装置 450和底盆 460。

[0044] 本实施例示出了依据本发明的系统的一种集成 化的实现方式， 以便于制作和降 低成本。 依据本发明的菲涅尔聚光装置可以每个单独制 作后再多个集成在一起 ； 也可以每一层均由多个单元组成， 每一层分别集成后再整体组合在一起； 或 者部分层采用集成化的多单元结构， 而部分层采用整体形成为单个元件的结构

[0045] 作为示例， 本实施例显示了一种混合的情形， 其中：

[0046] 第一菲涅尔透镜层 410包括多个排列成阵列的聚光型菲涅尔透镜 411， 每个透镜 411可以是简单菲涅尔透镜， 也可以是复合菲涅尔透镜， 整个透镜层 410可以由 多个单元组合形成， 也可以是一个整体， 各个透镜 411通过其齿面的图案进行划 分；

[0047] 第二菲涅尔透镜层 430包括多个排列成阵列的聚光型菲涅尔透镜 431， 每个均为 中心区域镂空的多焦距菲涅尔透镜；

[0048] 直筒形导光层 420可以由多个排列成阵列的直筒形导光筒 （未图示） 形成， 每 个直筒形导光筒对应于一对透镜 411和 431， 也可以整体是一个大的导光直筒；

[0049] 锥形导光层 440包括多个排列成阵列的锥形导光筒 441， 因此相应地， 光能利用 装置 450包括多个光伏板 451， 分别设置在锥形导光筒 441的底部。

[0050] 为提高光能利用装置的散热速度， 同吋对发散的热量进行利用， 本实施例中还 优选地包括一底盆 460， 设置于锥形导光层 440下方， 与锥形导光层一起围成封 闭的第三空间， 第三空间中可容纳有工质， 这些工质与光伏板 451导热连接。 工 质可优选为具有较大热容量的物质， 可以是固体或流体， 工质所吸收的热量可 通过进一步的热传导或者通过工质的循环提供 给外部使用。 所使用的流体工质 可选自： 水、 油、 制冷剂、 压缩气体等。 在这种情况下， 底盆上可进一步设置 供工质流入和流出的入口和出口。 液体工质的循环系统既可以是幵放式的也可 以是封闭式的， 可根据工质的类型和所希望的热能利用形式来 确定。 优选地， 在光电转换器件与工质之间的热传导路径上还 可进一步设置热电转换器件 （未 图示） ， 例如， 可将热电转换器件设置在锥形导光筒 441底部的背面并浸泡在工 质中。

[0051] 作为一种优选的实施方式， 本实施例中还包括一压电振动器 470， 其包括一压 电振动片 471及其驱动电路 （未在图中示出） 。 压电振动片 471与第一菲涅尔透 镜层 410机械连接 （例如固定在直筒形导光层 420的外侧） 以带动其进行振动。 振动器例如可用于聚光装置的受光面的自动清 洗， 或者除雪、 除冰等。 在其他 实施方式中， 压电振动片也可以固定在其他位置， 本发明对此并不限制。

[0052]

[0053] 以上应用具体个例对本发明的原理及实施方式 进行了阐述， 应该理解， 以上实 施方式只是用于帮助理解本发明， 而不应理解为对本发明的限制。 对于本领域 的一般技术人员， 依据本发明的思想， 可以对上述具体实施方式进行变化。