CN102162619A - 一种综合利用光能的方法和系统 - Google Patents

Abstract

一种综合利用光能的方法，包括以下步骤：a.通过光能汇聚装置对自然光进行汇聚；b.将汇聚到的自然光传输至一光能综合腔；c.通过一传感器检测所述综合腔内的光强，当光强不足时通过设于所述综合腔内的电力照明装置进行补偿；d.所述光能综合腔内的自然光与电力照明耦合入一光导输出单元的输入口，并通过所述光导输出单元传输至应用区。本发明汇聚的自然光与电力照明在光能综合腔内综合，当自然光不足时，通过电力照明补偿，最后的输出是自然光与电力照明的光能叠加；采用了集中型光能供给，在应用区不再需要光导、电力两套系统，降低了成本；且输出到应用区的是相对纯粹的光能，比传统的电力照明系统更为安全。

Description

一种综合利用光能的方法和系统

技术领域

本发明涉及一种将太阳能与其它能源相结合的光能利用方法与系统。

背景技术

现代社会中，照明，加热和制冷占据商业总体用电的约50％，其中照明约为25％，取暖约为14％，制冷约为11％。为降低能量消耗，减少温室气体排放，世界很多国家都在积极研究如何利用绿色能源技术解决上述能源问题。太阳能是重点方向之一。

太阳光可以同时提供照明与加热。适当强度的自然光线是对人类最健康的照明方式。在晴朗的日子，白天太阳光光线充足，是无偿的洁净光源。但是，现代建筑物往往只通过有限的玻璃窗户等采集自然光，因为需要平衡采光与取暖或降温之间的能量需求。随着人类进入电能主动照明时代，以电能驱动的发光系统因为电力的稳定性及安装使用的灵活性，使得人类对自然光的依赖大大降低。

1970年以来，随着照明能耗量的日益增加以及对环境保护的日趋重视，一系列直接利用太阳能的照明技术得到了发展。这些技术可以分为三大类。

第一类将太阳能转化为电能，与传统电网相连，使电能驱动的发光系统溶入再生能源成分。这种方法的太阳能利用效率很低，因为太阳能发电本身的效率目前为10-20％，电能转化为光能的效率又很低，最终只有约2％的太阳能转化为了光能。这种方案不太可能成为未来的主流太阳能照明技术。

第二类采用光管或透明介质(如天窗，透明屋顶等)，直接将太阳光引入建筑物内。比如，美国SOLATUBE公司采用一个穹顶大角度采集太阳光，然后将光能由反射管引入室内。该方法的优点为以较低成本引自然光入室内照明。缺点为照明强度不稳定，需要两套照明系统以保证全天侯照明。另外，其有效距离有限，难以解决大型建筑物的总体照明问题。因此，此类方案只能非常有限地降低人类的照明能耗。

第三类为混合型主动照明系统。在这类系统中，太阳光能被直接聚进光导结构中，由传感器测量应用区光能的变化，当应用区的亮度不够时，由电力系统补偿不足的光能部分，从而保证全天侯稳定照明。这种方式是最先进的，长远来看，可能成为人类的主流照明模式。目前美国，德国等国家都有政府扶持的相关研究项目。其优点很突出，包括：(A)通过更大程度上利用自然光，提高了照明质量与健康度；(B)降低了人工能源消耗，同时降低了建筑物的制冷能耗；(C)有利于大规模降低CO2排放；(D)可以达到传统照明技术的可靠性与高质量。

但是，现有的混合型照明系统还是存在以下问题：

1.对于每个照明单元都需要自然光采集和电力照明两套系统，这导致最终的照明成本很难降低。

2.在应用区混合使用电力与光能可能引起安全上的隐患，如易燃易爆区，可能产生电弧而发生爆炸。

本发明为第三类技术，着眼于更系统化地解决此类方案的核心环节，提高照明容量与质量，同时降低成本，使其迅速成为人类的主流照明技术。该系统还可以用于加热，进一步减少人类的能量负担。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种新型的混合型照明方法与系统，节约成本，降低火灾与触电风险，使其迅速成为人类的主流照明技术。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种综合利用光能的方法，包括以下步骤：a.通过光能汇聚装置对自然光进行汇聚；b.将汇聚到的自然光传输至一光能综合腔；c.通过一传感器检测所述综合腔内的光强，当光强不足时通过设于所述综合腔内的电力照明装置进行补偿；d.所述光能综合腔内的自然光与电力照明耦合入一光导输出单元的输入口，并通过所述光导输出单元传输至应用区。

本发明汇聚的自然光与电力照明在光能综合腔内综合，当自然光不足时，通过电力照明补偿，最后的输出是自然光与电力照明的光能叠加；采用了集中型光能供给，在应用区不再需要光导、电力两套系统，降低了成本；且输出到应用区的是相对纯粹的光能，比传统的电力照明系统更为安全。

本发明的进一步改进在于，可通过镜面反射，透射或平面散射三种方式来实现自然光的汇聚。

本发明的进一步改进在于，输出的光能可通过散射介质的漫反射后用于照明，也可以通过光热转化介质作用后产生热能。

本发明还提供了一种综合利用光能的系统，包括：一光能汇聚装置，用于汇聚自然光；一光能综合腔，用于接收所述光能汇聚装置汇聚的光能；所述光能综合腔内设有传感器，电力照明装置以及光导输出单元，且所述光能综合腔内表面为高反射面。

附图说明

图1为本发明的总体原理示意图；

图2为本发明的反射式太阳能收集系统示意图；

图3为反射式太阳能收集系统中用到的光能综合腔示意图；

图4为本发明的透射式太阳能收集系统示意图；

图5为本发明的散射式太阳能收集系统示意图；

图6为透射式、散射式太阳能收集系统中用到的光能综合腔示意图；

图7为光能应用单元示意图；

图8为热能应用单元示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步详细说明。

参阅图1所示，显示了本发明方法的总体原理示意图，首先通过光能汇聚装置对自然光进行汇聚；再将汇聚到的自然光传输至一光能综合腔；在光能综合腔内，通过一传感器检测光强，当光强不能满足应用需求时，中心调控系统根据应用需求量控制由电网供电的电力照明装置进行补偿，最后在综合腔内电力照明与自然光相加，耦合入一光导输出单元的输入口，并通过所述光导输出单元传输至应用区。

参阅图2～6所示，本发明的光能汇聚装置包括反射型，透射型，和散射型三种：

首先参阅2所示，反射型光能汇聚装置通过复数块反射镜组成的反射阵列10将太阳光20汇聚性地反射到光能综合腔30内，反射阵列10可以根据太阳的轨迹，通过计算机或人工控制反射角度以获得最大光能汇集，反射阵列10的反射镜可以是平面镜，也可以是长焦距的曲面镜；光能综合腔30由支撑结构31架到适当高度，配合图3所示，光能综合腔30外部材料主要是起内部结构保护作用，故可以用多种材料制备，如金属，玻璃等，在腔体上设置有一透射带32供反射光线射入，腔体内部除所述透射带32区域外均为高反射结构(包括玻璃，金属等的镀膜等)，该光能综合腔30中还包括有一传感器33，一电力照明装置34以及一光导输出单元35，在光导输出单元35可以是任何的耦合光导结构，包括光纤，反射类光导结构(光管)等，在光导输出单元35的端部形成有一输入口351，其结构为光导结构，如集束状的光导纤维或由高反射镜面组成的光导通道；

太阳光20经过反射阵列10反射后经由透射带32进入光能综合腔30内部，经过腔体内表面反射后自输入口351耦合入光导输出单元35传向应用区，在该过程中传感器33用于检测光能综合腔30的光能的强度并反馈给中心调控系统，当强度不能满足应用需求时，中心调控系统控制电力照明装置34用于补偿腔体内的光场，以便保证指定的光能输出，这里的电力照明装置34包括任何适合的电力驱动的照明，如发光二极管，二极管激光器，光纤激光器，传统灯具及高能灯等等，通常，高强度光能不一定适用于直接照明，但这里通过输出前及应用时的混合及散射等手段将其均匀化，变得适于照明。

另外，除了上述封闭式的光导输出外，还可以在光能综合腔30外表面设置高反射区，将汇聚来的太阳光直接定点反射往应用区。

再请参阅图4所示，透射型光能汇聚装置中通过透射聚集装置40将自然光汇聚入光导输入单元41(光纤、光管)，再经众多的光导输入单元41传输至光能综合腔30；其中，透射聚集装置40可以通过Fresnal透镜等光学系统来实现，Fresnal透镜具有大面积聚集能力，由于可以用聚碳酸酯等塑料类材料压制生产，其制造成本相对低廉，适于大规模太阳能应用；

配合图6所示，此处用到的光能综合腔30与反射型实施例中的区别在于光能综合腔30表面不再设置透射带，而是通过光导输入单元41的直接耦合入光导输出单元35的输入口351，并且在光导输入单元41的输出口与光导输出单元35的输入口351之间设置一分光镜36，光导输入单元41传输来的自然光经分光镜36以一定比例的部分(如＜1％)反射入传感器33，大部分光纤光能则直接耦合入输入口351，由此传感器33对自然光的强度进行检测并反馈给中心调控系统。

再配合图5所示，散射型光能汇聚装置通过一散射光导体50将自然光汇聚入光导输入单元51，再经众多的光导输入单元51传输至光能综合腔30；其中，散射光导体50的上表面为透射层允许光能透过，下表面和周边均为高反射结构，而在散射光导体50内部则由透明的玻璃或塑料材料中混入散射介质(如微小晶体)来制成；这样一来，入照太阳光不会象普通玻璃一样透射出去，而是会经过晶体的漫反射和界面的镜面反射后汇聚在散射光导体50中，直到到达边沿的光导输入单元51中；该散射型方案结构紧凑，可以扩展到较大面积(＞1平方米)，又可以达到10倍以上的汇聚度(汇聚面的光强与太阳光的光强之比)，由于方便安装，该方案适合于中小型采光等需求；

在该散射型的实施例中，光能综合腔30的结构与应用同样如图6所示，与前述透射型相同，故不再重复描述。

上述的光能综合腔30可以采取旋转对称的椭圆球形结构，这种结构可以将光导输出单元35的输入口351设置在椭圆形反射面的焦点处实现，也可以是其它形状，其目的是实现电力发光和自然光的综合。

图7为光能应用单元的一种实施例，光导输出单元35将光能输入到各个应用单元，如办公室，车库等，光能通过光能调节单元60控制其通断，光能调节单元60可以由一个开关控制一个反射镜片61的位置来实现：反射片61抬起，光线耦合到终端光导62；反射片61落下，光线反射回去。另外地，可以引入光阀结构，用于连续调节应用单元的光场强度。终端光导62将光能引入高反射腔63，高反射腔63内为散光介质64(如SiO2晶体等)，光能经过散射介质64的漫反射后，自输出端65输出；输出端65可以进一步安装色彩调制层，以便产生多种所需的照明色调。

图8为热能应用单元的一种实施例，光导输出单元35可以将能量光能传到远处，再将光能转化为热能，光能通过光能调节单元60控制其通断，光能调节单元60可以由一个开关控制一个反射镜片61的位置来实现：反射片61抬起，光线耦合到终端光导62；反射片61落下，光线反射回去。另外地，可以引入光阀结构，用于连续调节应用单元的光场强度。终端光导62将光能引入高反射高绝热腔体70，高反射高绝热腔体70内为散光及光热转化介质71(如多种盐类溶液等)，光能经过散光及光热转化介质71作用后产生热能，自输出端72输出，所输出的热能可以用于各种用途，包括热水，烘干等。

Claims (13)

1.一种综合利用光能的方法，其特征在于包括以下步骤：

a.通过光能汇聚装置对自然光进行汇聚；

b.将汇聚到的自然光传输至一光能综合腔；

c.通过一传感器检测所述综合腔内的光强，当光强不足时通过设于所述综合腔内的电力照明装置进行补偿；

d.所述光能综合腔内的自然光与电力照明耦合入一光导输出单元的输入口，并通过所述光导输出单元传输至应用区。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：自然光被反射至所述光能综合腔，并通过所述光能综合腔表面的透射带透射入所述光能综合腔；

所述自然光与电力照明经所述综合腔内表面反射后汇聚至所述光导输出单元的输入口，并耦合入所述光导输出单元。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于：根据太阳的轨迹，控制所述反射角度以获得最大光能汇集。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于：自然光通过透射汇聚，再经过一光导输入单元传输至所述光能综合腔；

所述光导输入单元输出的自然光直接耦合入所述光导输出单元的输入口，所述电力照明经过所述综合腔内表面反射后汇聚至所述光导输出单元的输入口。

5.如如权利要求4所述的方法，其特征在于：自然光通过Fresnal透镜汇聚。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于：自然光通过散射汇聚，再通过一光导输入单元传输至所述光能综合腔；

所述光导输入单元输出的自然光直接耦合入所述光导输出单元的输入口，所述电力照明经过所述综合腔内表面反射后汇聚至所述光导输出单元的输入口。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于：自然光自一散射光导体的上表面进入，经过所述散射光导体内散射介质的漫反射，以及散射光导体下表面与周边的反射，在所述散射光导体内实现汇聚。

8.如权利要求1至7中任一项所述的方法，其特征在于：所述光导输出单元将综合后的光能传输至一高反射腔体，所述光能经过所述高反射腔体内散射介质的漫反射后，自所述高反射腔体的光输出端输出。

9.如权利要求1至7中任一项所述的方法，其特征在于：所述光导输出单元将综合后的光能传输至一高反射高绝热腔体，所述光能经过所述高反射高绝热腔体内的散射及光热转化介质作用后产生热能，并从所述高反射高绝热腔体的热能输出端输出。

10.一种综合利用光能的系统，其特征在于包括：

一光能汇聚装置，用于汇聚自然光；

一光能综合腔，用于接收所述光能汇聚装置汇聚的光能；

所述光能综合腔内设有传感器，电力照明装置以及光导输出单元，且所述光能综合腔内表面为高反射面。

11.如权利要求10所述的系统，其特征在于所述光能汇聚装置为一由复数块反射镜组成的反射阵列，所述光能综合腔上设有透射带。

12.如权利要求10所述的系统，其特征在于所述光能汇聚装置为Fresnal透镜，所述Fresnal透镜与所述光能综合腔之间通过一光导输入单元连接。

13.如权利要求10所述的系统，其特征在于所述光能汇聚装置为散射光导体，所述散射光导体上表面为透射层，下表面与周边的反射层，在散射光导体内部设有散射介质。

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