CN101355327A - 全方向太阳光球形聚光器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种全方向太阳光球形聚光器，由球形空腔透镜和聚光漏斗上下连接而成，球形空腔透镜包括具有任意方向光线入射在同一球面的入光面，和由若干只同一中心光线轴不同直径依次联接的环形棱角镜组成的若干出光面，环形棱角镜的一棱角边垂直于入光面，另一棱角边与入光面呈小于45°的夹角，且该棱角边的延长线与球形空腔透镜内腔底边相交，使任意方向入射的光线经球形空腔透镜入光面折射后，通过若干出光面将折射光线向球形空腔透镜内腔下方扩散，扩散光线经聚光漏斗的反光内壁反射至聚光漏斗下口位置固定的平面上，无需使用太阳光跟踪器，结构简单，光电转化效率高，大幅度降低发电成本，在太阳能发电领域应用前景广阔。

Description

全方向太阳光球形聚光器
所属技术领域
本发明涉及太阳能发电领域，具体是一种全方向太阳光球形聚光器。
背景技术
在太阳能发电系统的应用中，为了提高在单位面积内太阳光照射的光强，达到较高的光电转换效率，一般采用菲涅耳透镜、槽形、抛物反射等聚焦方式，以及球聚焦方式。
采用菲涅耳透镜、槽型、抛物面聚焦方式，只能在太阳光直射情况下达到较好的聚焦效果，随着太阳光的斜射光线逐步不聚焦，直至太阳光完全照射不到光电转换设备上。为了使太阳光始终聚焦于一点上，上述聚焦方式均将光电转换设备安装于太阳光跟踪器上全天跟踪太阳光，达到较好的聚光效果。但采用太阳光跟踪器，成本高，可靠性差，不便于安装，由于机械设备长期露天使用易出故障，一旦太阳光跟踪器失灵，整个太阳能发电系统基本处于瘫痪状态。取消太阳光跟踪器是目前太阳能发电领域迫切解决的技术问题。
为了取消太阳光跟踪器，目前有采用球聚焦的方式，如专利申请号为200610076928.3公开的一种“太阳光集聚器”，是采用球体透镜万向聚光，球体透镜为实心球，或如专利号ZL200620005067.5公开的一种“万向聚光镜”，球形聚光镜内腔充满液体。这些球聚焦方式能在早中晚全方向上聚焦阳光，聚焦比高，但由于采用实心球或充满液体的球，其重量较大，不方便安装，如与太阳能电池组件配套使用，就必须加大球体，在太阳能发电领域中无法使用。
为了克服球体体积、重量较大以及安装困难的问题，如专利申请号200610027561.6公开的“一种太阳能聚光发电装置”，采用的球透镜将球体减小，为弧形球，球透镜内仍装有透明液体；或如专利号ZL200410020974.2公开的一种“塑料透射式太阳能聚光器”，采用球面或柱面菲涅耳透镜聚光。这两种公开技术减小了实心球的体积和重量，但又存在只有太阳光直射时光线聚焦一点的缺陷，不能将早中晚全方向上的光线充分聚焦，失去了球全方向聚光的优势，所以在这两件专利公开文件中还是加了太阳光跟踪器，才能达到较好的聚光效果，而且结构更为复杂，增加了成本，又回到了上述需要取消太阳光跟踪器的技术问题上。
又如专利号ZL200510069045.5公开的一种“薄型化球面透镜”，采用带菲涅尔透镜沟槽的球面透镜，有效解决球面透镜为了增加透镜的孔径必须增加透镜的厚度，而导致的球面透镜无法达到薄型化的缺陷，该薄型化球面透镜适用于高聚光的焦电型红外线感应报警器、红外线探头等技术中。如该技术应用于太阳能发电领域，由于菲涅尔透镜沟槽曲率半径不同，通过出光面出射的光线均聚焦于同一点上，聚焦点随太阳光的移动而移动，只有垂直于太阳光直射方向的聚焦效果好，该技术也必须安装太阳光跟踪器，才能保证聚光点始终处于固定位置。
综上所述，现有聚光方式一般采用一级聚光或聚光再聚光的二级聚光原理，所有光线都聚焦于一点，而且聚焦点是随着太阳光的移动而移动，普遍采用成本较高、性能不稳定、安装维护不便的太阳光跟踪器。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术中光线聚焦于一点，且聚光点随光线的转动而位移，需加太阳光跟踪器使结构复杂、成本高的缺点，提供了一种全方向太阳光球形聚光器，采用全方向球形集光、环形棱角镜折射散光、聚光漏斗反射聚光的聚光方式，使全方向太阳光始终聚集于一固定面上，省去太阳光跟踪器。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：全方向太阳光球形聚光器包括球形空腔透镜和聚光漏斗，技术特点在于所述球形空腔透镜具有任意方向光线入射在同一球面的入光面，即一级球形集光，和由若干只同一中心光线轴不同直径依次联接的环形棱角镜组成的若干出光面，若干只环形棱角镜布满球形空腔透镜球内面，任意环形棱角镜的一棱角边垂直于入光面，另一棱角边与入光面呈小于45°的夹角，且该棱角边的延长线与球形空腔透镜内腔底边相交，使任意方向入射的光线经球形空腔透镜入光面折射聚集后，通过若干出光面将折射后的聚集光线有规律地向球形空腔透镜内腔下方扩散，即二级折射散光，球形空腔透镜底面联接聚光漏斗，扩散到球形空腔透镜内腔下方的光线少部分穿过聚光漏斗直射到聚光漏斗下口平面上，大部分扩散光经聚光漏斗的反光内壁反射至聚光漏斗下口平面上，即三级反射聚光。
进一步地，所述球形空腔透镜为等于或小于半球形的空腔透镜；球形空腔透镜由折射率在1-5范围内的高透光材料制成，或由两层折射率不等的高透光材料制成，外层入光面的高透光材料折射率1-1.5，内层若干只环形棱角镜的高透光材料折射率大于4，内层环形棱角镜的厚度是外层入光面厚度的至少1.5倍以上；
再进一步地，聚光漏斗上口为圆形或多边形，下口为圆形或椭圆形或多边形，聚光漏斗两侧面形成的夹角为30°-55°，聚光漏斗下口联接太阳能电池片或太阳能电池组件。
本发明通过一级球形集光、二级折射散光、三级反射聚光的三级光折射原理，即不同方向入射的太阳光经球形空腔透镜的入光面以聚集方式折射进入空腔透镜内，通过若干只环形棱角镜组成的若干出光面将聚集光线向球形空腔透镜内腔下方环周有规律扩散，扩散光线通过聚光漏斗聚光完成光线的集光、散光、聚光的多级折射过程，使全方向入射的太阳光经多级折射后始终聚集在同一固定面上，聚光面位置固定，不随太阳光的移动而移动，无需使用太阳光跟踪器，使得聚光器结构简单，加工方便，应用于太阳能发电领域，光电转化效率大幅度提高，可以使发电成本大幅度降低，便于大批量生产，具有广泛的应用价值。
附图说明
图1为本发明结构示意图；
图2为本发明结构剖视图；
图3为中午太阳光入射球形空腔透镜后的光折射反射效果图；
图4为上午或下午太阳光入射球形空腔透镜后的光折射反射效果图。
附图中，球形空腔透镜1，聚光漏斗2，环形棱角镜3，球形空腔透镜内腔底边4，聚光漏斗下口平面5，环形棱角镜的一棱角边6，环形棱角镜的另一棱角边7，入光面8，若干出光面9。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细说明。
图1、2中，一种全方向太阳光球形聚光器，主要由球形空心透镜1和聚光漏斗2组成，球形空心透镜1为半球形或小于半球形，球形空心透镜1包括具有任意方向光线入射在同一球面的入光面8，和由若干只同一中心光线轴不同直径依次联接的环形棱角镜3组成的若干出光面9，若干只环形棱角镜3布满球形空腔透镜球内面，任意环形棱角镜的一棱角边6垂直于入光面8，另一棱角边7的一边延长后与入光面8的夹角α≤45°，另一边延长后与球形空腔透镜内腔底边4相交，该棱角边7宽于垂直入光面的棱角边6，光线基本是通过该宽棱角边7折射散光。球形空腔透镜底面联接聚光漏斗，聚光漏斗采用镜面铝等金属材料拉伸一次成型，聚光漏斗上口为圆形或多边形，下口为圆形或椭圆形或多边形，一般采用上口为圆形、下口为方形的结构，聚光漏斗两侧面形成的夹角为30°-55°，聚光漏斗下口联接太阳能电池片或太阳能电池组件。半球形或小于半球形的入光面以及入光面内面的若干只环形棱角镜采用折射率在1-5范围内的高透光材料浇铸、挤压一次成型，或者采用两种折射率不同的高透光材料分别成型后再加压粘合，外层入光面的高透光材料的折射率1-1.5，内层若干只环形棱角镜的高透光材料的折射率大于4，环形棱角镜厚度是入光面厚度的至少1.5倍以上。高透光材料选用有机硅橡胶、聚碳酸脂、聚甲基丙烯酸甲脂等。
图3、4所示中，本发明采用了三级光折射原理，将早中晚全方向的入射太阳光经集光、散光、聚光多级折射于聚光漏斗下口的固定平面上。即任意方向入射的光线经球形空腔透镜入光面折射聚集后，通过由若干只环形棱角镜组成的若干出光面将光线有规律扩散到球形空腔透镜内腔下方，最后经聚光漏斗的反光内壁反射至聚光漏斗下口平面5上。
一级球形集光是根据球聚焦原理，球能多方向聚焦，当光线在上半球面任意角度入射时，焦点都落在下半球的下方，且焦点随着光线的移动而移动。根据以上原理，本发明将实心球改为半球形空心透镜，将半球形空心透镜水平放置，当太阳光围绕半球面作二维运动时，太阳光由平行光线经半球入光面折射后沿垂直于球面的入射光轴为中心轴聚集于球下方，由于是半空心球，聚集光线最终形成的焦点焦距远远大于球的直径，焦点会随着光线的移动而移动，还未达到将光线固定落在一个平面上、不随太阳光移动而位移的目的。
在此基础上，本发明的主要特点是二级折射散光，采用在半球形空心透镜的内壁一次成型若干只依次联接的环形棱角镜，使入射半球入光面后的焦距很长的聚集光线，经若干只环形棱角镜折射后向半球形空心透镜内腔下方有规律地扩散。具体说，由于环形棱角镜的一棱角边垂直于入光面，另一棱角边与入光面的夹角α≤45°，且该棱角边的延长线与球形空腔透镜内腔底边相交，将入射半球入光面后的聚集光线经若干只环形棱角镜的宽棱角边折射扩散于球形空腔透镜内腔下方靠近内壁的环周面上，且经若干只宽棱角边折射扩散的光线不会射到球形空腔透镜内腔以外。另一短棱角边由于垂直于入光面，只有很少的光线通过短棱角边折射，折射光线的方向也在球形空腔透镜内腔下方。
球形空腔透镜底面联接的聚光漏斗，最后通过三级反射聚光，扩散到球形空腔透镜内腔下方接近内壁环周面的光线少部分穿过聚光漏斗直射到聚光漏斗下口平面上，大部分扩散光经聚光漏斗的反光内壁一次或多次反射至聚光漏斗下口平面上。聚光漏斗两侧面形成30°-55°的夹角，保证了多级折射光线聚光到漏斗下口的平面上。下口平面设置太阳能电池片或太阳能电池组件，实现高效聚光太阳能发电。

Claims (6)

1、一种金方向太阳光球形聚光器，包括球形空腔透镜和聚光漏斗，所述球形空腔透镜包括具有任意方向光线入射在同一球面的入光面，和由若干只同一中心光线轴不同直径依次联接的环形棱角镜组成的若干出光面，其特征是：所述环形棱角镜的一棱角边垂直于入光面，另一棱角边与入光面呈小于45°的夹角，且该棱角边的延长线与球形空腔透镜内腔底边相交。
2、根据权利要求1所述的全方向太阳光球形聚光器，其特征是：所述球形空腔透镜底面联接聚光漏斗。
3、根据权利要求1所述的全方向太阳光球形聚光器，其特征是：所述球形空腔透镜为等于或小于半球形的空腔透镜。
4、根据权利要求2所述的全方向太阳光球形聚光器，其特征是：聚光漏斗上口为圆形或多边形，下口为圆形或椭圆形或多边形，聚光漏斗两侧面形成的夹角为30°-55°。
5、根据权利要求2所述的全方向太阳光球形聚光器，其特征是：聚光漏斗下口联接太阳能电池片或太阳能电池组件。
6、根据权利要求1所述的全方向太阳光球形聚光器，其特征是：球形空腔透镜由折射率在1-5范围内的高透光材料制成，或由两层折射率不等的高透光材料制成，外层入光面的高透光材料折射率1-1.5，内层若干只环形棱角镜的高透光材料折射率大于4，内层环形棱角镜的厚度是外层入光面厚度的至少1.5倍以上。
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