CN101466984A - 太阳能转换装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种太阳能转换装置(10)，它包括太阳射线捕捉单元(11)，该太阳射线捕捉单元(10)具有至少一个透镜，透镜包括用于接收太阳射线的入射面(11a)和用于射出折射后的太阳射线的出射面(11b)；聚能单元(12)，该聚能单元(12)包括一个反射面(12a)，反射面(12a)用于将由透镜的出射面(11b)射出的太阳射线反射到聚能单元(12)的至少一个目标区域(13)上；它还包括定位装置(14)，该定位装置(14)通过控制太阳射线捕捉单元(11)和聚能单元(12)绕与透镜所在的平面相垂直的至少一个轴线旋转来调整太阳射线捕捉单元(11)和聚能单元(12)的相对位置。

Description

太阳能转换装置

技术领域

本发明涉及一种太阳能转换装置，包括太阳射线捕捉单元、聚能单元，太阳射线捕捉单元具有至少一个透镜，透镜具有用于接收太阳射线的入射面和用于射出折射后的太阳射线的出射面；聚能单元包括一个反射面，用于将由透镜的出射面射到反射面上的太阳射线反射到聚能单元的至少一个目标区域上。

背景技术

在美国专利4,230,094中公布了一种太阳能转换装置，它包括太阳射线捕捉单元和带有反射面的聚能单元。入射到太阳射线捕捉单元的透镜上的太阳射线以可变的角度折射并且通过聚能单元的反射面向目标区域反射，太阳射线在目标区域被聚集，并转换成其他形式的能量。

在美国专利4,230,094的的具体实施方式叙述中，目标区域被设置成其内部有水流流动的细长空心管道，经过反射面聚光的太阳射线入射到目标区域并对水流加热，以这种方式将太阳能转换成热能，具体指加热使流过管道的水流温度升高。

美国专利4,230,094公开的结构其在构造上尺寸相当大，这使得其制造成本高而不实用，且其在使用中的功能性较弱。另外，由于太阳能转换成其他形式能量的效率在很大程度上随太阳位置的变化而改变，这使得现有技术中的太阳能转换设备具有非恒定的转换效率。

发明内容

本发明的目的在于提供一种下面介绍的太阳能转换设备，当太阳处在不同位置时，该设备均能够实现高效率的能量转换，并且，该太阳能转换设备的结构紧凑而小巧。

根据本发明思想，该太阳能转换装置包含定位装置，定位装置通过控制太阳射线捕捉单元单元和聚能单元装置绕与透镜所在的平面相垂直的至少一个轴线旋转来调整将太阳射线捕捉单元单元和聚能单元装置的相对定位位置。太阳射线捕捉单元单元和聚能单元单元二者可相对定位，且随太阳位置的改变而改变，经过反射面反射的太阳射线得以不断地聚集在目标区域的一点上。

与固定式太阳能转换装置，如美国专利US-A-4,230,094所公布开的装置相比，本发明提供的太阳能转换装置具有更高的将太阳射线聚集聚焦和并转化为其它能量的转换效率。对比如欧洲专利EP-A-1174658所公开的移动式太阳能转换设备，本发明具有固定不变的外形和更简单的结构，这意味着制造成本和安装费用的降低，因而本发明还具有应用环境广泛的特点，如可在建筑物中使用。

在第一种实施例中，太阳射线捕捉单元与聚能单元的旋转轴线不同，同时，为了使装置更易控制、结构更加紧凑，也可以设置太阳射线捕捉单元与聚能单元具有重合的旋转轴线。

在一个特定的实施例中，利用定位装置将太阳射线捕捉单元和聚能单元分别定位在相互分离的平面上。

由于太阳射线捕捉单元和聚能单元相互独立地设置在分离的平面上，或者，尤其特别的，太阳射线捕捉单元和聚能单元分别设置在相平行的、空间上相分离的平面上，这就将依次经过透镜折射和反射面反射后的太阳射线的最佳聚集位置限定在一个特定的目标区域内，这样，在使用本装置时就与一天中太阳在天空中所处的位置无关。

上述技术方案使得太阳能转换装置的效率得到很大的提高，在不考虑设备中各种部件带来的常见的效率损失的情况下，设置在两个相平行平面上的透镜和反射面使得太阳射线持续地聚集在同一点上，因此，在该聚集点上设置一个太阳能转换器件就足以满足需求，这不仅使得太阳能转换装置的结构更加简单，也使得其制造成本大大降低。

根据本发明实施的一个功能优化的太阳能转换装置中，定位装置用于根据天空中太阳的实时位置、太阳能转换装置的光学特性及其所处的地理位置来确定太阳射线捕捉单元和聚能单元的相对方向，通过这种方式实现本装置的完全自主，还可精确地控制着太阳射线捕捉装单元和聚能单元的定位或旋转。

更具体的说，定位装置包括运算单元，运算单元根据太阳能转换装置在地球上的地理坐标位置、方向、以及当前日期、时刻计算出天空中太阳的位置，通过这种方法，可以持续以一种准确且自动的方式确定天空中太阳的位置，以此来获取最佳的太阳射线捕捉以及反射光线聚集至目标区域的效果。

在本发明的一个实用性实施例中，它包括框架，太阳射线捕捉单元和聚能单元可旋转地设置在框架中。

框架内设置有起引导作用的斜槽，该斜槽用来保证太阳射线捕捉单元和聚能单元的可靠性和稳定性，定位装置控制太阳射线捕捉单元和聚能单元沿所述的斜槽运动。在另一个实施例中，框架内设置有多个用于支撑太阳射线捕捉单元和聚能单元的滚筒。

定位装置至少驱动多个滚筒中的一个，如，滚筒由被定位装置所控制的电动机驱动。在另一实施例中，通过由定位装置控制的皮带传动装置，太阳射线捕捉单元和聚能单元可在框架中的斜槽或滚筒上移动。

在多个具体实施例中，透镜的入射面为平面。

为了使照射到透镜上的太阳射线中的大部分都发生折射，并朝向聚能单元的反射面而射出透镜，将透镜的背离入射的太阳射线的表面设置为阶梯状，具体的说，是将透镜的出射表面设置成呈阶梯状的棱镜结构。由于透镜绕一轴线旋转，由带有阶梯状出射面的透镜，具体的说，是指由呈阶梯状的棱镜结构的出射面射出的太阳射线具有固定不变的出射角，这样，就可以将天空中太阳的位置这一因素，即入射太阳射线与入射面的角度忽略，不予考虑。

棱镜的角度范围在15度至50度之间，特定的为36度。

进一步的，太阳射线捕捉单元以介于15度至55度之间的一个固定出射角向聚能单元发射出太阳射线，特别的，该出射角为36度。

在气候较温和的地区，为了实现对太阳射线的最佳捕捉效果，该太阳能转换装置设置为与地平面之间形成一定的角度，特别是对荷兰地区，该角度为45度。

虽然，保持太阳能转换装置与地平面之间的固定角度是较可取的实施方式，但是，在一种更通用的装置中，上述固定角度可根据装置所处地理位置的纬度作调整，如，在荷兰采用45度角，但是在赤道地区，该角度为0。

在一个功能性实施例中，反射面上具有至少一个凹的曲面，由此使得由透镜的出射面射向聚集点的太阳射线在聚能单元的反射面上实现最佳的反射效果，这使得设备的效率也得到了显著的提高，因为，它使得大量的入射太阳射线高效地聚集于设置在目标区域中的太阳能转换器件上。

然而，曲面的设置导致了由透镜出射的太阳射线在透镜和位于目标区域的由曲面定义的镜子之间部分损失。为了使这部分被透镜折射后的太阳射线同样具有较高的反射和聚集效率，在另一功能性实施例中，反射面上的上述第一个曲面在靠近其相关的目标区域的一个位置上和曲率不同于第一个曲面的第二个曲面接合，第二个曲面也相应的形成了一块对应的目标区域，这样，透镜的出射光经过聚能单元的整个反射面后被高效地反射并聚集在两个目标区域中。

由本发明的功能带来的一个效果是，实现了太阳射线最大量地在通过透镜折射后经由聚能单元的反射面反射并高效地聚集到目标区域，这使得仅仅需要在目标区域设置两块聚光电池即足够满足能量转换的要求，甚至，一块聚光电池也是可以，在这种情况下，入射到第二个目标区域的太阳射线与入射到第一个目标区域的太阳射线一起被反射到这块聚光电池上。

更进一步地，聚光电池设置在反射装置的边沿处，并且在定位装置的导向下沿反射装置移动。

附图说明

图1a和1b显示了根据本发明实施的两种装置；

图2显示了根据本发明实施的装置的另一视图；

图3显示了根据本发明实施的装置的旋转角度对应表；

图4显示了根据本发明实施的装置的局部视图；

图5a和图5b显示了根据本发明实施的装置的两种工作状态；

图6显示了根据本发明实施的装置的局部视图；

为更好地理解本发明，以下针对附图的具体描述中，相似部件将会采用相同编号来表示。

图1a和图1b为根据本发明实施的太阳能转换装置的两种实施例。太阳能转换装置10具有太阳射线捕捉单元11，图中表示为一个带有入射面11a和出射面11b的透镜。该透镜的功能之一是用来捕捉太阳Z发出的太阳能射线1。依据斯内拉斯(Snellius)折射定律，太阳射线1经过透镜发生折射，这在下文中将得到进一步讨论，并且以不同于太阳射线1在入射面11a上的入射角的出射角度向聚能单元12发射出太阳射线。

聚能单元12包括一个反射装置12，带有如由铝或铬包覆而构成的反射面12a。

透镜11具有透镜表面，同时，反射装置12的圆周边沿也形成具有一定面积的表面，透镜11和反射装置12的上述两个平面形成平行但在空间上相互分离的方式。透镜11的轴线11′垂直地与上述两个假定的表面相交。图1a和图1b所示的设置，是理解根据本发明实施的太阳能转换装置的基础，且首先是实现根据本发明实施的太阳能转换装置的功能的基础。

如以下要介绍的，入射面11a上入射的太阳射线1的入射角取决于天空中太阳Z的位置。见图1a和1b所示，太阳(用字母Z表示)在天空中处在对应于上午9:00这一时刻的位置上，而以字母Z′表示的太阳处在对应于下午13:00的位置上，由于太阳射线1和1′入射到入射面11a上的入射角相应地(取决于天空中太阳的位置)不同，经过透镜11折射从出射面11b向反射装置12的反射面12a射出的光线与出射面11b也将具有不同的出射角。

为了在目标区域13将上述经过折射的太阳射线1a和1a′以有效的方式聚集、接收，反射装置12的反射面12a呈现一个具有抛物线形的曲面。此外，透镜11和反射装置12相对定位是由定位装置(图中未示出)通过控制二者绕轴线11′旋转完成的，经过透镜11折射的太阳射线1a和1a′又被反射面12a反射到位于反射装置12圆周边沿12′的目标区域13上(见图1b所示)。

尽管目标区域13为图1a和1b所示的，但目标区域13上还必须设置有聚光电池，如光电池。通过这种方法，入射到聚光电池上的太阳射线以一种有效方式被转换成另一种形式的能量，如，电能，不考虑能量损失。目标区域13将转换后的能量输出，以作进一步利用，而能量的输送和进一步利用与本发明所涉及的内容无关。

如图1a所示，透镜和反射装置12均被驱动绕透镜11的轴线11′转动，在这种方式下，透镜11可作不依赖于反射装置12的旋转运动。

图1b给出了该装置的另一种实施例，其中，透镜11和反射装置12的位置均沿轴线11′的向相同的方向下降，为此，透镜11和反射装置12始终设置在框架10′(如图2所示)里，且由多个滚筒或滚轮或轴承15a和15b支承，图1b中只有一个滚筒用标号15a和15b示出。选取适当电动机以驱动滚筒15a-15b转动，如由定位装置14合理控制的步进电机16a-16b。

另一方面，透镜11和反射装置12通过皮带传送或者通过放置在滑槽上的方式进行旋转运动。

定位装置14用来控制电动机16a和16b分别单独工作，因此，透镜和反射装置12能够以不同的旋转速度绕轴线11′相对于彼此转动。

透镜11和反射装置12的旋转由天空中太阳Z(或对应地为Z′)的位置、透镜11的光学特性、以及装置10相对于水平线的定位这三个元素决定。为了实时地确定天空中太阳Z(Z′)的位置，定位装置14具有一个运算单元14a，运算单元14a根据装置10在地球上所处的地理坐标位置、方向、以及当前日期、时刻计算出天空中太阳Z的位置。

为了实现上述功能，运算单元14a包括适当的存储器和数据处理器，他们的作用与数学处理器或是计算机程序类似，即基于上述依据计算太阳的当前位置。基于此，步进电机16a-16b通过定位装置得到控制，以使透镜11和反射装置12相互定位，并相对太阳Z(Z′)定位。

虽然，图1a和图1b中所述的透镜11和反射装置12的两个假定的表面以与水平面相平行的方式延伸，但是，为了获得显著的效率提高，装置10与水平面100之间也可能形成一定的角度α，这个角度α可以通过适当的方式变化调整。因此，装置10可被设置在光照充足的地区，也可以应用在气候温和的地区，特别是，将其应用在光照强度很弱的冬天时，通过适当的角度定位调整(如图2所示)，也可以达到很好的效果。

在一年中光照强度较低的时期里，太阳射线仍能被该设备高效地接收，并经过透镜11的折射和反射装置12的反射后聚集到目标区域13，相应的，聚集后的太阳能通过一个合适的太阳能电池转化为其他形式的能量。透镜11和反射装置12围绕轴线11′旋转的角度在很大程度上取决于装置在地球上所处的地理位置、相对于水平面的倾角或定位，但最重要的决定因素却是太阳的位置和透镜的物理特性。

根据本发明实施的装置能够实现效率的极大提高，取决于透镜11具有平坦的入射面11a，以及，透镜11的出射面11b设置为呈阶梯状的棱镜。如图4所示，出射面11b具有多个延伸方向相互平行的直槽110′，通过这种设置，使出射面11b呈锯齿状。具体的说，出射面11b是由多个直棱柱透镜排列形成的阶梯状结构，如图4、5a、和5b所示的那样。

本发明所涉及的装置能够实现效率的极大提高，尤其是因为透镜11可以在定位装置14的控制下绕轴线11′转动，因此，在任何时刻，出射面11b都能够以相同的角度射出光线，而不必考虑天空中太阳Z(Z’)的位置。

图4所示为处于静止状态下的透镜11，标号Z所示为天空中太阳在上午9点时的位置。在经过入射面11a的第一次折射和出射面11b的第二次折射后，入射的太阳射线1以折射光的形式射出透镜11。当天空中的太阳(以Z′表示)在上午12点(正午)处于最高点时，以90度的入射角进入入射面11a的太阳射线1′由出射面11b射出(以1a′表示此时出射的太阳射线)时的出射角与上午9点时太阳射线1a的出射角不同。

当透镜11处于静止状态时，入射的太阳射线以不同的角度发生折射，因此，根据天空中太阳位置的不同，他们也将以不同的角度于设置在透镜11下方的反射面12b上发生反射。要想在同一目标区域13上充分或高效地聚集太阳射线1a-1a′，仅通过一个处于静止状态的透镜11是不能够实现的，这就需要透镜绕轴线11′旋转，通过不断的改变出射面11b上呈阶梯状的棱镜的方向，使得出射的太阳射线1a-1a′的出射角恒定不变，如图5b所示。

实验结果表明，当入射到透镜11的平面形的入射面11a上的太阳射线的入射角在20～90度范围内时，就可以实现出射的太阳射线1a、1a′的出射角恒定。如果整套太阳能转换装置10以45度的α角安装在地理位置偏南的地区，如荷兰，从上午7:30-8:00到下午16:00-16:30这两个时间段，太阳射线的接收效率较高，并且在折射和反射后聚集在目标区域13上。

为了实现出射的太阳射线1a-1a′的出射角恒定，透镜11的旋转角度必须事先经过运算单元14a计算，由之前的描述可知，除了要根据天空中太阳Z(Z′)的位置的这一因素外，透镜11的光学特性、以及装置10的地理坐标位置也对旋转角度的确定有所影响。

透镜11的材质可以选用玻璃、透明塑胶(PMMA)、聚碳酸酯、或其他合适的透明耐用的材料。塑胶和聚碳酸酯属于塑料，具有铸模容易的特点。较佳的，透镜11的入射面11a为平面，透镜11上还设置有锯齿，最好为平直锯齿(细齿)，由此使得出射面11b形成阶梯状的棱镜结构。

平面状的入射面11a的反射作用、穿过透镜11内部到达出射面11b过程中的传输损失、出射面11b可能产生的反射作用，以及由阶梯状棱镜结构形成的锯齿状轮廓所引起的太阳射线损失，对透镜11的效能会产生不利的影响。

实验证明，对于气候温和的地区，如荷兰，通过将透镜11出射面11b的棱镜角设置为36°，向透镜表面12b方向的出射角固定为36°，并且设置整套设备以45度角偏向南，太阳射线1将以最高的效率(最少的损失)直射到反射装置12上。

图3的图表为采用上述构造的透镜，在6月21日一天中(荷兰地区)，对应于天空中太阳的不同位置透镜11(以及反射装置12)的旋转角度，在该图表中，横坐标表示一天中(特指6月21日)的各个小时，纵坐标表示透镜11和反射装置12对应于每个时间点的特定旋转角度。上述旋转角度由运算单元14a中加载的运算模块(或计算程序)根据6月21日这一天中太阳Z在天空中的不同位置计算得出。

实践证明，当将设备以45°角朝南设置(特指荷兰地区)，并且将太阳射线的入射角度限定在20°～90°范围内时，如果将透镜的出射面11b设置成阶梯状的棱镜结构，并且设定棱镜的透镜角为36度，出射角设定为15°～55°范围内的固定值，最佳的，选择这个固定的角度为36°，则透镜(在一整天中)的平均效能最大。当天空中太阳处在不同位置时，也一样可以实现最大的平均效能。这里所指的最大的平均效能为77％。

为了保证太阳射线1a-1a′在反射面12b上聚集和聚集后反射到目标区域13的高效，反射装置12的反射面12b具有至少一个凹的曲面(concavecurvature)，如抛物曲面(parabolic curvature)或双曲面(hyperboliccurvature)，于是，产生了朝向这些凹曲面的焦点处的反射。在这种情况下，反射装置12可以选用与透镜11相类似的塑料材质，再在反射装置12的表面涂覆一层具有反射特性的材料，如铝或铬的包覆层。

反射装置12也可以采用金属材料，但是，在这种情况下，反射面12a需要进行磨光，并且，必须将出射的太阳射线1a-1a′由于在反射面12a反射而造成的损失计入。当然，还存在其他一些涂覆层或合适的反射材料，能够保证将入射太阳射线的95％反射。

如果反射装置12的反射面12a具有单一的凹面曲率，来自透镜11的光线入射到反射面12a上后，部分会在经过反射后损失，特别是对应于目标区域13(太阳能电池13)所处位置的区域，无法向目标区域方向反射出足够的太阳射线，为了使入射到反射面12a上靠近目标区域13的部分也能达到较高的反射效率，第一凹曲面(在图6中以字母A表示)并入第二凹曲面(以字母B表示)，显然，第一凹曲面和第二凹曲面的形状不同。

将反射面12a设置成由两个凹曲面相接合的形式是对本装置效能的进一步提高，因为，这使得设置在相应的目标区域13或其他目标区域中的太阳能电池(光电电池)能够接收经过折射、反射(太阳射线1a″)的，即便是靠近目标区域13的入射太阳射线1″。

依照上述描述实现的用于转换太阳能的设备具有很高的实用性，其中，太阳射线在反射面12a上的最佳投射是由于将透镜11和具有独特构型的反射装置12相对围绕透镜11的轴线11′旋转而完成的，进而，由反射装置将太阳射线进行聚集并导向目标区域。

Claims (23)

1、一种太阳能转换装置，包括

太阳射线捕捉单元，所述的太阳射线捕捉单元包括至少一个透镜，所述透镜包括用于接收太阳射线的入射面和用于射出折射后的太阳射线的出射面；

聚能单元，所述聚能单元包括一个反射面，用于将由透镜的出射面射出的太阳射线反射到所述聚能单元的至少一个目标区域上；

其特征在于：

它还包括定位装置，所述的定位装置通过控制所述的太阳射线捕捉单元和聚能单元绕与所述透镜所在平面相垂直的至少一个轴线旋转来将太阳射线捕捉单元和聚能单元相对定位。

2、根据权利要求1所述的太阳能转换装置，其特征在于：所述太阳射线捕捉单元和聚能单元的旋转轴线为两个不同的轴线。

3、根据权利要求1所述的太阳能转换装置，其特征在于：所述的太阳射线捕捉单元和聚能单元的旋转轴线相重合。

4、根据以上任一权利要求所述的太阳能转换装置，其特征在于：所述定位装置将所述的太阳射线捕捉单元和聚能单元定位在相互分离的平面上。

5、根据以上任一权利要求所述的太阳能转换装置，其特征在于：所述的定位装置根据天空中太阳的实时位置、太阳能转换装置的光学特性及其定位来确定所述太阳射线捕捉单元和聚能单元的相对位置。

6、根据权利要求5所述的太阳能转换装置，其特征在于：所述的定位装置包括运算单元，所述的运算单元根据太阳能转换装置在地球上的地理坐标位置、方向以及当前日期、时刻计算出天空中太阳的位置。

7、根据权利要求1所述的太阳能转换装置，其特征在于：它包括框架，所述的太阳射线捕捉单元和聚能单元可相对旋转地设置在所述的框架中。

8、根据权利要求7所述的太阳能转换装置，其特征在于：所述的框架内设置有起引导作用的斜槽，所述的定位装置控制所述的太阳射线捕捉单元和聚能单元沿所述的斜槽运动。

9、根据权利要求7或8所述的太阳能转换装置，其特征在于：所述的框架中设置有多个用于支撑所述的太阳射线捕捉单元和聚能单元的滚筒。

10、根据权利要求9所述的太阳能转换装置，其特征在于：多个所述滚筒中的至少一个由所述的定位装置驱动。

11、根据权利要求10所述的太阳能转换装置，其特征在于：所述的滚筒由定位装置所控制的电动机驱动。

12、根据权利要求7-11之一所述的太阳能转换装置，其特征在于：所述的太阳射线捕捉单元和聚能单元通过皮带传动装置可移动地设置在所述的框架中，所述的定位装置控制所述的皮带传动装置。

13、根据以上任一权利要求所述的太阳能转换装置，其特征在于：所述的透镜的入射面为平面。

14、根据以上任一权利要求所述的太阳能转换装置，其特征在于：所述的透镜的出射面呈阶梯状。

15、根据权利要求14所述的太阳能转换装置，其特征在于：所述的透镜的出射面形成呈阶梯状的直棱镜结构。

16、根据权利要求14或15所述的太阳能转换装置，其特征在于：所述的棱镜角度范围在15°至50°之间，特别是36°。

17、根据权利要求14，15，16中之一所述的太阳能转换装置，其特征在于：所述的太阳射线捕捉单元以介于15°至55°之间的一个固定的出射角向所述的聚能单元发射出太阳射线，特别的，所述的出射角为36°。

18、根据以上任一权利要求所述的太阳能转换装置，其特征在于：所述的太阳能转换装置与水平面之间形成一个角度。

19、根据权利要求18所述的太阳能转换装置，其特征在于：所述的太阳能转换装置与水平面之间的角度依据太阳能转换装置所处的纬度而调节。

20、根据以上任一权利要求所述的太阳能转换装置，其特征在于：所述的反射面上具有至少一个凹的曲面。

21、根据以上任一权利要求20所述的太阳能转换装置，其特征在于：所述第一个空心曲面(hollow curvature)在靠近其相关的目标区域的一个点上与第二个空心曲面(hollow curvature)相接合，所述第二个曲面与第一个曲面的反射面上设置有第一凹面和第二凹面，所述的第一凹面的切面曲线曲率与所述的第二个凹面的切面曲线曲率不同，第二个曲面也有一个相关的目标区域。

22、根据以上任一权利要求所述的太阳能转换装置，其特征在于：每个所述的目标区域中设置有聚光电池。

23、根据权利要求22所述的太阳能转换装置，其特征在于：所述的聚光电池设置在所述的反射装置的边沿处。

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