CN102356345A - 太阳能聚光装置 - Google Patents

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Abstract

一种太阳能聚光装置包括支架，透光窗口(6)，接收光面(5)和至少两块聚光镜(1)。聚光镜(1)置于支架上且围绕透光窗口(6)设置。聚光镜(1)的一面为透光平面，另一面包含均匀分布的折射面(12)相互平行的折射棱镜。每个折射棱镜所折射的光束均匀射在接收光面(5)上。接收光面(5)与透光窗口(6)平行放置。这种聚光装置的应用能够至少增加两倍的会聚光强。

Description

太阳能聚光装置 技术领域
本发明涉及一种聚光装置， 尤其涉及一种高倍 （至少三倍） 太阳能聚 光装置。 背景技术
目前， 在太阳能利用领域， 收集太阳能有两种方式， 一种方式是通过 平面反射镜的反射聚光， 另外一种方式是通过聚光透镜的聚光。
平面镜反射聚光是通过平面镜将光电转换模块周围的太阳光反射到 光电转换模块上， 从而， 提高太阳能的利用率。 如专利号为 " ZL 200820057277.8 " 公开的一种 "三倍聚光光伏发电模块" ， 该三倍聚光光 伏发电模块包括一个正方形硅光电池组件、 四面正方形平面反射镜、 一个 保持架。 四面正方形平面反射镜的边长和正方形硅光电池组件的边长相 等。 每一面正方形平面反射镜的一条边都分别与正方形硅光电池组件的一 条边相连， 并且每一面正方形平面反射镜都与正方形硅光电池组件成 120 度角置放。 四面正方形平面反射镜和正方形硅光电池组件的这种几何关系 通过保持架固定。
由于每一面正方形平面反射镜都与正方形硅光电池组件成 120度角置 放， 且正方形平面反射镜的边长和正方形硅光电池组件的一条边相等， 因 此， 当太阳光垂直照射正方形硅光电池组件时候， 正方形平面反射镜投影 至正方形硅光电池组件所在平面上的面积正好是硅光电池组件面积的二 分之一， 所以， 硅光电池组件的光强为没有设置平面反射镜的三倍。
聚光透镜聚光是通过凸透镜或者菲涅尔透镜将光电池组件周围的太 阳光聚集至光电池组件上， 这种技术方案公告在名称为 "大面积透射聚焦 型太阳能收集器"、 申请号为 " 941 12957.8 "和名称为 "一种带平行折光 透镜的太阳能装置" 、 申请号为 " 2006101 17470.1 " 的专利申请文件中。
大面积透射聚焦型太阳能收集器为由太阳能由扇形太阳能收集器片 并接而成扇形或者圆形结构， 所述扇形太阳能收集器片由透明的、 对太阳 光折射率大于 1的具有上下平面平行的材料构成， 其中在下平面上刻有同 心圆弧条纹， 该收集器片的纵截面呈锯齿形结构。
由于该收集器片的纵截面呈锯齿形结构， 因此， 太阳光垂直照射该收 集器时， 太阳光线被聚集至一点或者一条线， 这对于具有管状或者球状受 光表面的太阳能利用器件来说是合适的， 但是， 对于目前大规模生产的平 面单晶硅光电池来说， 则由于电池表面的光强不均匀而使得工况大为劣 化。
为了解决这个问题， 申请号为 " 2006101 17470.1 " 提供 "一种带平行 折光透镜的太阳能装置" ， 它为一种改进方案， 该带平行折光透镜的太阳 能装置由平行折光透镜、 太阳光跟踪装置、 聚光式太阳能利用器件和壳体 组成。 折光透镜由设置在玻璃板上的多个锯齿状布置的带平折射面的折光 透镜镜片构成， 每个折光透镜镜片具有两个不平行平面 （斜折射面和平折 射面） ， 相邻折光透镜镜片的两个折射面之间的夹角都不相同。
上述方案中， 太阳光经过折光透镜折射到光电池上， 当太阳的入射角 发生变化时， 光电池也在汇集平面上跟踪做上下移动， 从而保证太阳光始 终射在光电池上， 从而， 将太阳能转化为电能。
但是， 上述方案中， 为了保证折光透镜的折射光在汇集平面上的投影 区域精确地重迭在一起并与玻璃板中间没有镜片处射出的光的投影重合， 每个折射镜片的两个折射面之间的夹角都不相同， 这在工业制造上， 有很 大的困难。 发明内容 本发明的目的是提供一种太阳能聚集装置， 该装置至少三倍聚光， 聚 光效率高， 而且， 结构简单， 制造方便。
本发明为了达到上述的目的， 所采取的技术方案是：
提供一种高倍太阳能聚光装置包括支架、 透光窗口、 接收光面和至少 二块聚光镜。 聚光镜置于支架上且分布在透光窗口的四周， 所述聚光镜一 面为透光平面， 另一面为均匀分布的折射面相互平行的折射棱镜， 每一个 折射棱镜所折射的光束均射在接收光面上。 接收光面与透光窗口平行置 放。
所述折射棱镜的折射面与透光平面的夹角 β、 折射棱镜的折射角 α和 折射棱镜的折射率 η满足 nS ^ = sirm。
所述聚光镜至接收光面的距离 H与接收光面的边长 L满足如下关系：
H = /L tg{a - ) ^ 式中， "为折射棱镜的折射角， 为所述折射棱镜的折射面 与所述透光平面之间的夹角。
所述聚光镜与接收光面的距离 H与接收光面的边长 L满足如下关系：
H L {a'—P'V «'为折射棱镜的折射角， 为所述折射棱镜的折射面与所 述透光平面之间的夹角。
本发明的有益效果是：
1、 由于本发明包括至少二块聚光镜， 照射在每块聚光镜上的光通过 均匀分布的折射棱镜将光折射在接收光面上， 当接收光面的面积与透光窗 口的面积， 聚光镜的面积与透光窗口的面积相等时， 在接收光面上获得的 光强相当于没有使用本发明聚光装置接收光面上的光强至少三倍。 也就是 说， 在接收光面上获得的光强相当于没有使用本发明聚光装置接收光面光 强的 "聚光镜的块数 +1 "倍。 如果聚光镜是四块， 则接收光面上就可获得 五倍的光强， 如聚光镜是八块， 则接收光面上就可获得九倍的光强。 因此， 本发明聚光装置聚光效率高， 是一种理想的高倍的太阳能聚光装置。 2、 由于本发明聚光镜至接收光面的距离与接收光面的边长具有上述 的关系， 因此， 不仅能保证太阳光全部折射至接收光面上， 而且， 还可方 便地调节其高度。
3、 如上述本发明聚光装置的结构简单， 制作方便， 制造成本较低， 非常适用于大量生产， 用于太阳能电池或太阳能热水器或太阳能的其它使 用上。 附图说明
图 1是本发明聚光装置一实施例的结构示意图；
图 2是图 1 的聚光镜与透光窗口的仰视图；
图 3是图 1中聚光镜一实施例的结构示意图；
图 4是图 1中聚光镜与接收光面的距离示意图；
图 5是本发明高倍太阳能聚光装置另一实施例的结构顶视图； 图 6是图 5的仰视图；
图 7是图 5中聚光镜与接收光面的距离示意图。 具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明的结构特征。
图 1是本发明高倍太阳能聚光装置的一实施例的结构示意图， 如图 1所 示， 在该实施例中， 高倍太阳能聚光装置包括四块结构相同的聚光镜 1、 2、 3、 4， 支撑四块聚光镜 1、 2、 3、 4的支架 （图 1上没显示） ， 接收光面 5和 透光窗口 6。 接收光面 5平行置放在透光窗口 6的正下方 （光束透光窗口 6照 射的方向上） 。 图 1中， 1 1为聚光镜的接收光面， 12为聚光镜另一面上均 匀分布的折射棱镜的相互平行的折射面。 另外， 聚光镜也可以为两块， 相 对于透光窗口 6对称分布， 如聚光镜 1、 3或者聚光镜 2、 4； 或者非对称分 布， 如聚光镜 1、 2或者聚光镜 3、 4； 聚光镜也可以为三块， 相对于透光窗 口 6分布， 如聚光镜 1、 2、 3或者聚光镜 2、 3、 4或者聚光镜 1、 2、 4。
图 2是图 1的聚光镜与透光窗口的仰视图。 如图 2所示， 聚光镜 1、 2、 3、 4的边长与透光窗口 6的边长相等。 四块聚光镜 1、 2、 3、 4均匀分布在透光 窗口 6的四周， 位于同一平面上， 形成一聚光阵列。 聚光镜 2的棱镜相对于 聚光镜 1的棱镜呈 90度设置， 聚光镜 3的棱镜相对于聚光镜 2的棱镜呈 90度 设置， 聚光镜 4的棱镜相对于聚光镜 3的棱镜呈 90度设置使得聚光镜 1和聚 光镜 3相对于透光窗口 6呈对称设置， 聚光镜 2和聚光镜 4相对于透光窗口 6 呈对称设置。
应用本发明聚光装置时， 例如用于太阳能电池或太阳能热水器或其它 使用太阳能的装置时， 所述接收光面 5就是它们的吸收光面。
透光窗口 6的作用是让太阳光能够直接照射到接收光面 5上， 透光窗口 6可以为敞开的窗口 （空的） ， 也可以安装透光板。
图 3是图 1中聚光镜一实施例的结构示意图。 如图 2所示， 在本实施例 中的聚光镜 1、 2、 3、 4的材料为玻璃或有机玻璃等， 聚光镜 1、 2、 3、 4均 为正方形， 聚光镜 1、 2、 3、 4的一面为透光平面 1 1， 另一面为均匀分布的 折射面 12相互平行的折射棱镜， 折射面 12与透光平面 1 1的夹角为 β角。
如图 1、 2、 3所示的结构， 由于透光窗口 6与聚光镜 1、 2、 3、 4位于同 一平面上， 因此， 当太阳光从透光窗口 6垂直照射至接收光面 5上时， 太阳 光也同时垂直照射至聚光镜 1、 2、 3、 4的透光平面 1 1上并以入射角 i射至折 射面 1 2上， 而此时， 入射角 i等于折射面 12与透光平面 1 1的夹角 β， 由于聚 光镜 1、 2、 3、 4各自棱镜的折射面 12相互平行， 聚光镜 2的棱镜相对于聚 光镜 1的棱镜呈 90度设置， 聚光镜 3的棱镜相对于聚光镜 2的棱镜呈 90度设 置， 聚光镜 4的棱镜相对于聚光镜 3的棱镜呈 90度设置， 因此， 光束从聚光 镜 1、 2、 3、 4的折射棱镜的折射面 12穿出时， 会全部被折射至接收光面 5 上。 由于聚光镜 1、 2、 3、 4的边长与接收光面 5的边长、 透光窗口 6的边长 相等， 因此， 聚光镜 1、 2、 3、 4能够将四倍于接收光面 5的面积上的太阳 光折射至接收光面 5上， 从而， 在本实施例中， 本发明聚光装置的聚光强 度是没有聚光装置的五倍。 而且， 由于折射面 12相互平行， 经过折射面 12 折射后的太阳光能够平行的照射至接收光面 5， 使得接收光面 5上的光照能 够达到均匀。
当然， 也可以将本发明的高倍太阳能聚光装置安装至跟踪器上， 使得 太阳光始终能垂直照射聚光镜 1、 2、 3、 4。
图 4是图 1中聚光镜与接收光面的距离示意图。 如图 4所示， 为了使 得透过折射面 12的光线全部均勾照射至接收光面 5上， 聚光镜 1、 2、 3、 4至接收光面 5的距离 H = ^{g(a_^， 式中， β为折射面 12与透光平面 11 的夹角， β角与入射角相等， "为折射角， 折射角 "和折射面 12与透光平 面 11的夹角 β得关系是 n^? = sina。 下面， 以聚光镜 1为例详细说明上述 公式， 如图 4所示， A为入射光线、 B为法线、 C为折射光线。 由于入射 光线 A是垂直照射在透光平面 11的， 因此， 入射光线 A的入射角等于折 射面 12与透光平面 11的夹角 β， 从而， 折射光线 6与入射光线 Α的延长 线之间的夹角 φ等于 α-β。因为入射光线 A是垂直照射至透光平面 11且折 射光线 C是相互平行的， 因此， tg («- ?) = %， 由于聚光镜 1 的边与透 光窗口 6的边接触， 而接收光面 5平行放置于透光窗口 6的正下方， 当聚 光镜为正方形时， 聚光镜的边长 D等于接收光面的边长 51， 如边长 51 以 L代替时 D=L， 所以， ^μ-β、 /Η, 从而， = ¾(^ ， 通过该公式调 整聚光镜 1至接收光面 5之间的距离能保证照射至聚光镜 1的光线全部被 折射至接收光面 5。
图 5、 图 6和图 7为本发明的另一实施例， 如图 5、 图 6和图 7所示， 该实 施例中聚光镜为 8块， 包括聚光镜 1、 Γ 、 2、 2' 、 3、 3' 、 4、 4' ， 相 邻两聚光镜的棱镜呈 135度设置。 该实施例中， 聚光镜 1、 2、 3、 4的边与 透光窗口 6的边相连并相等， 聚光镜 1 ' ， 2 ' 、 3 ' 、 4 ' 的顶点与透光窗 口 6的顶点相连， 该实施例能实现 9倍聚光， 聚光原理与第一实施例中聚光 原理一样， 在此不再赘述。 在此实施例中， 以与透光窗口 6的顶点相连的 聚光镜 Γ 为参照物 （图 7所示） ， 聚光镜 Γ 至接收光面 5的距离 H满足如 下关系： H 式中， α' 为折射角， β ' 为聚光镜 4 ' 的透光平
面 1 1， 与折射面 12， 的夹角， β， 和 α， 满足; 7 Sin = siim'， 因为， 图 7中， 聚光镜 Γ 和接收光面 5均为正方形时， 聚光镜 Γ 的对角线的长度等于接 收光面 5的对角线的长度 D' ， 所以， D， , 由 tg = ， 所以，
另外， 聚光镜也可以为三块， 相对于透光窗口 6有不同的任意组合分 布， 如图 6、 图 7中的聚光镜 1、 Γ 、 2或者聚光镜 1、 Γ 、 V 或者聚光镜 1、 Γ 3、 或者 1、 Γ V 等。 聚光镜也可以五块， 相对于透光窗口 6有不 同的任意组合分布， 如图 6、 图 7中的聚光镜 1、 2、 3、 4、 4 ' 或者 1、 、 V 3、 3 ' 等。 聚光镜也可以为六块， 相对于透光窗口 6有不同的任意组合 分布， 如图 6、 图 7中的聚光镜 1、 Γ 、 2、 3、 V 、 4或者 2、 2， 3、 1、 4 ' 、 4等。 聚光镜也可以为七块， 相对于透光窗口 6有不同的任意组合分布， 如 图 6、 图 7中可以任意去掉一块聚光镜。
以上所述为本发明的两个具体实施方式， 并非对本发明作任何形式上 的限制， 本领域的技术人员根据本发明的思想， 利用本发明揭示的内容作 出局部改动的等效实施例， 例如： 将聚光镜的数量任意增加或者减少， 仍 然属于本发明的保护范围。

Claims (1)

  1. 权 利 要 求
    1. 一种高倍太阳能聚光装置，包括支架，其特征是：还包括透光窗口， 置于支架上的分布在透光窗口四周的至少二块聚光镜， 与透光窗口平行置 放的接收光面；
    所述聚光镜一面为透光平面， 另外一面为均匀分布的折射面相互平行 的折射棱镜， 每一个折射棱镜所折射的光束均射在接收光面上。
    2. 如权利要求 1所述的高倍太阳能聚光装置， 其特征是： 所述折射棱 镜的折射面与透光平面的夹角 β、 折射棱镜的折射角 α和折射棱镜的折射 率 η之间的关系是： ns^ = sin a。
    3. 如权利要求 1所述的高倍太阳能聚光装置， 其特征是： 所述聚光镜 至接收光面的距离 H与接收光面的边长 L满足： Η = ^α— β 式中， "为 折射棱镜的折射角， 为所述折射面与所述透光平面之间的夹角。
    4. 如权利要求 1所述的高倍太阳能聚光装置， 其特征是： 所述聚光镜 至接收光面的距离 H与接收光面的边长 L满足： /tg(" )， 《'为折射 棱镜的折射角， 为所述折射棱镜的折射面与所述透光平面之间的夹角。
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