CN101546032A - 被动式多功能球面(或柱面)聚光器 - Google Patents

Abstract

被动式多功能球面(或柱面)聚光器：属于太阳能，光学，热学，太阳能，能源，材料学。不需要跟踪，又可以根据需要设定直射阳光聚光比，利用光的透射、折射、反射原理，制成一种从宏观看为球面(或柱面)，近看表面有许多正六变形组成的蜂窝状“采光窗”，每一个正六边形的采光“窗口”可以将进入“窗口”的光线经折射和反射后在“球心”聚焦。特点是无论太阳光线怎样变化，焦点始终在球心部位。因为不需要跟踪，聚光比又可以任意设置，所以可以作为聚光器广泛用在光伏聚光电池、热发电、海水淡化、及生活用热水领域。在轮船、汽车、飞机等所有“颠簸”运动的物体上作为聚光器优点显著。还可以聚集“散射光”，也可以聚集“红外线”，此类聚光器可以聚集“热”和回收“热”。

Description

被动式多功能球面(或柱面)聚光器

技术领域：

能源，太阳能，光学，热学，材料学

背景技术：

太阳能的利用需要解决的根本问题之一是“聚光”。聚光技术中运用最多的是太阳的跟踪装置。所以目前各种跟踪器应运而生。跟踪器不仅结构复杂，成本高价，更重要的是其稳定性受外部环境条件的限制。比如太阳光每时每刻在空间内进行三维变化，而跟踪器必须实时探测，及时跟踪。如果在行驶的船上和汽车上使用跟踪器时，其跟踪速度和跟踪精度的要求会更高，相应产生的可能性误差也会更大。但对于一般固定曲面的聚光(比如抛物面或凸透镜)其焦点位置会随着太阳直射光线方向的变化而变化。但是，有没有一种固定的曲面不需要跟踪太阳却能得到稳定的聚光焦点，以“不变应万变”的姿态应对太阳的直射光呢？答案是肯定的。理论是可行的，实践也是可用的。它与“你变我也随你变”的跟踪思想有本质区别。其中与菲涅尔透镜的红外线聚光原理有类似之处。这类聚光器可以统称为被动式感光(聚光)器

发明内容：

利用物体的折射和反射原理，采用高透光率的有机玻璃、聚乙烯塑料等制成切面为“扇形”的“采光单元”，每一个采光单元将进入感光窗口的散射光或者太阳的直射光进行折射或反射，将没有被吸收掉的光线折射或反射至切面为“扇形”的圆心处(实则为“球心”处)。N个采光单元组合成球体、半球体或柱体，无论太阳光如何变化，无论散射光的方向如何，在n个采光单元的“球心”处或者柱体的中心线上都能得到较好的聚光。此种聚光器称为被动式多功能球形或柱形聚光器。白天可以聚集太阳直射光、散射光。晚上可以聚集红外线。特别设置的聚集功率达到一定数值的此类聚光器，可以用于热回收及夜晚的不间断热发电。

附图说明：

共有8张附图，

图1，凸面透镜切面(本图为菱形)假想的两根光轴(本图为菱形对角线)示意图。

图2，光线偏向示意图。法线一侧靠近一条光轴的入射光线折射后偏向它的光轴。

图3，边缘聚光型采光单元结构切面示意图。

图4，中心聚光型采光单元结构切面示意图。

图5，边缘聚光型聚光器结构切面示意图。

图6，中心聚光型聚光器结构切面示意图。

图7，聚“热”型聚光器结构切面示意图。中央区增加反射面和聚氨酯隔热层。

图8，中心聚光型聚光器结构切面示意图。

图9，散“热”型冷藏器(冷藏室)结构切面示意图。

具体实施模式：

简单说就是制造“采光单元”。再将采光单元进行组装。将采光单元组装成球体、半球体、柱体或其他形状。球表面采用正六边形蜂窝状无缝覆盖。采光单元外形是圆锥形，可以外切形成六边形椎体，便于无缝组装。

“采光单元”有多种结构模式，多种尺寸，可以组成大小不同的球体。具有不同的采光面。

聚光器对于散射光的采光面积等于聚光器球面或柱面表面积。而太阳的直射光采光面积的等于球面或柱面表面积的一半。半球面的太阳直射光采光面积要根据面对太阳的一面的表面积具体计算。

下面详细说明采光单元的采光原理和结构。

凸面透镜、凹面透镜与折射原理：

凸透镜与凸面透镜：传统上的凸透镜与空气的接触面都是“球面”。且中间部分较厚。因为球面的每一点的曲率变化是相同的，所以凸透镜可以聚焦一点。但如果把球面换成其他形状，比如圆锥面，焦点就变成了焦线。这个圆锥面的凸透镜就称为凸面透镜。凸面透镜在聚光单元中可以更好理解和应用。凡是中间厚凸、边缘逐渐变薄的透光体统称为凸面透镜。

凸面透镜的入射光线经折射后方向变化特点：

假想的两个光轴。将凸面透镜过中心点的切面(如图1).最厚的对角点进行连线(即图1平面图形为菱形的对角线)，这两条对角线称为假想的光轴。

这样，在这个菱形平面内(图1)光线无论从那个方向射入，经折射后都分别偏向两个“光轴”。

法线两侧的光偏向的光轴分别不同。如图2.对于凸面透镜上的某一点，法线一侧的入射光总是偏向同一光轴。法线另一侧的入射光总是偏向另一条光轴。我们选择的图1和图2示意图恰好为直线(非曲线)组成的“菱形”。这样“菱形”一边任意点上的法线始终是平行。所以入射光在这个“菱形”切面内，无论光线角度怎样变化，都可以将入射光分为法线两侧的两种类型的光，每一种类型的光经折射后分别偏向入射光一侧的光轴。如果凸面透镜变成传统上的凸透镜，则切面变成两个园弧形组成的平面图，其道理也是一样，只是圆弧形的法线不断变化，但法线两侧的入射光都分别偏向入射光一侧的光轴。这种有规律的“偏向”是我们设计“采光单元”的基本依据。

凹透镜与凸透镜的成像特点虽然不同。但任一种凹面透镜与凸面透镜对入射光的折射有其共同特点：就是入射光(由光疏进入光密媒质)经折射后总是偏向入射光一侧较厚部分那条假想的“光轴”。

散射光方向不定。但是散射射光照到采光窗口时，就会分别偏向较厚的“光轴”方向。对于凸面透镜来说，这些光轴方向不定，但总是在圆内(或圆柱内)有规律的变化。对于某“一条”光线，其与凸面透镜的入射点组成的平面即使不通过凸面透镜的“中心”，也会偏向它自己的“光轴”。即偏向入射光一侧较厚的部分。散射光纷繁无法精确计算所有光线的具体折射路径，但可以确定某方向上(如法线一侧)一类入射光的集合。

图3、图4分别是两类采光单元竖切面示意图。其中图3所示类型为边缘聚光型。图4所示为中心聚光型。边缘聚光型指光线经折射和反射后主要沿圆锥体边缘向“球心”聚光。中心聚光型则有选择的吸收光线，然后将光线多次折射后沿着圆锥体的中心对称线向“球心”聚集。下面对两类分别介绍。

边缘聚光型采光单元：

结构：圆锥体内的边缘镀有反光金属材料(银或铝)，将凸面透镜较厚一面贴向圆锥体内部边缘。这种结构的光线入射特点是：光线从窗口部分入射进入圆锥体内部后，经折射照到圆锥体边缘上的反射面上，反射后的光线偏向圆锥体顶点(即球体的球心部位)。图3所示的齿状的折射透镜围绕圆锥体内表面旋转一周，将入射光线反复折射和反射后聚焦于“球心”部位。如图5所示。但这种结构的聚光方式有很多缺点。聚光的效率也不高。图3及图5所示仅仅是示意图。实际采用时可增加折射透镜的密度，或者选择使用图4及图6所示的“中心聚光型”。

中心聚光型采光单元：

结构：由图4所示平面图形沿中心对称线旋转180度。得到的实体即为“中心型聚光单元”。上边为选择性折射透镜。圆锥体内则有许多凸透镜沿中心对称线依次排列。凸透镜的多少和焦距要根据聚光器的大小和折射精度的要求而设。图4及图6所示仅为结构原理图。上边的选择性折射透镜之所以有“选择”性折射功能是因为这种结构组成的球体和圆柱体的聚光器中，一部分光线(法线一侧的光)被透镜的另一面“阻挡”，就是说一部分散射光因为方向的缘故只能进入选择性透镜的一面。而法线另一侧方向的光则进入“另一面”。顶部有少部分“出格”的光线经折射后也能将光线偏向中心对称线。几乎所有进入“采光单元”的光线经选择透镜的折射都偏向采光单元的中心对称线，然后在一层层凸透镜的折射下逐渐在中心对称线上聚集。最后光线聚集于聚光器的中心处。

对于功能不同的球面、半球面、圆柱面聚光器，结构和设计会有不同。因为光线经多次折射(或反射)，每一次折射和反射都会损失光能。所以对折射材料和反射材料的要求会很高。如果透光率和反射率低时光线易被折射透镜和反射镜吸收。这样聚光效率不仅会大幅降低，还会导致折射透镜和反射透镜发热。所以聚光器的效率取决于折射材料的透光率和反射材料的反射率。

聚光器的效率对透光率异常敏感。如果折射透镜的透光率为x％，则经n次折射后，聚光器的效率等于x％的n次方。如果再加上反射率，效率会进一步降低。好处是中心聚光型采光单元可以不经过反射面的反射。所以中心聚光型采光单元要比边缘聚光型效率高出很多。同时，由于材料透光率的限制(比如90％的透光率，经6次折射后，透光率变成47.83％。而99％的透光率经6次折射后，透光率依然能达到94.15％)。如果只能选择低透光率折射材料，则根据需要增大采光面积。好处是采光面积可以人为设定，但同时也会增加成本。在光伏电池应用上可以根据某种半导体电池对某种频率的光的敏感性增加其透光性。可以通过增加增透膜来实现。如果用来聚集“热”和回收“热”，还要有结构上增设保温装置。如图7。增加了中部集光(或集热)区域的反射面，这样可以将热辐射“挡”会去。还可以在其空隙加聚氨酯隔热膜，阻止热传导。此种集热器可以用在热发电、海水淡化、及民用生活用开水和热水领域。也可以用于聚集红外线。在夜晚虽然没有“太阳光”。但物体在白天吸收的“太阳光”在夜晚以“红外线”的方式释放出来。吸收红外线的物体温度会越来越高而释放红外线的物体温度会逐渐降低。在自然界物体相互释放和吸收红外线时趋于动态平衡，所以物体温度会逐渐趋于一致。但图7所示由于中央集热区反射面的运用使内外物体热量传递的平衡被打破，所以有“集热”的功能。高功率的红外线集热器可以用于热回收和夜晚不间断热发电和光伏发电。使夜晚同样使用大自然的物体内储存的能量(实际上也是太阳能)来实现不间断发电。

事物总会有它的反面。聚光和散光是相对的。聚热和制冷也是事物的两个方面。“采光”单元能实现对红外线的“聚光”，实现“聚热”，那么，“采光单元”能不能实现“制冷”呢？道理很简单，只要将“采光单元”反过来运用(如图9)就可以实现“制冷”。冷和热是相对的。热的传递方式有对流、传导、和辐射。制冷器首先要克服冷藏室内与外界的物质传导途径，可以用聚氨酯等隔热材料实现。内外隔绝阻止空气对流。同时更重要的是增加冷藏器(冷藏室)外部的反射面，将红外线等所有光线反射到冷藏室的外边。同时用采光单元将冷藏室内的“红外线”聚集后发散到冷藏室的外边。由于冷藏室与外部的光线通口只有“采光单元”一侧很小的“点”，外部的红外线虽然也能通过这些“点”(可以称做光线窗口)到达冷藏室内部，但内外红外线传递是不平衡的，所以可以实现“制冷”。这样形成的球面、柱面、或者长方体及各种形状的“冷藏室”可以用作食品冷藏、空调房，实现不用“电”而实现自动制冷和制热的红外线(也包括可见光)温度调节房。。总之，所有功能和不同结构的应用都起源于“采光单元”对散射光的折射聚焦作用。所以采光单元的效率和设计方法成为这类聚光器的关键。在功能上要充分实现散射光的“聚焦”，就必须增大圆锥体内系列凸透镜的排列密度(如图8)和增加其折射率。要保证倾斜的散射光也能在中心部聚焦，也必须如图8那样增加选择透镜的排列密度和增加其折射率。但是对于采光单元的聚光效率，要取决于采光单元的结构和材料的透光率。图8所示的结构显示了采光单元的制作方向。只做定性不能作为定量。如果折射透镜的透光率达到99.99％以上时，这类采光单元的制作便可以得心应手。所以采光单元的精细设计和制作依赖于透光材料的进一步发展。

Claims (1)

1. 被动式多功能球面(或柱面)聚光器

   聚光器的特点：无论太阳光线(或散射光)怎样变化，聚光器不需要跟踪但总能在所需要的区域得到较好的聚光且焦点位置不变。外部形状为球面、柱面和其它任何外部形状。内部有许多聚光单元(也叫采光单元)构成。聚光单元固定时其焦点部位便可以固定。

Images