CN103836811B - 双面反射集光装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双面反射集光装置，包括：折射聚光件、第一反射件和第二反射件。具体而言，所述折射聚光件适于聚集太阳光；所述第一反射件设在所述折射聚光件的下方，所述折射聚光件聚集光线的至少一部分射向所述第一反射件，所述第一反射件具有通孔；所述第二反射件设在所述折射聚光件和所述第一反射件之间，所述第一反射件适于将所述折射聚光件射向所述第一反射件的光线的至少一部分反射至所述第二反射件，所述第二反射件适于将所述第一反射件反射至所述第二反射件的光线的至少一部分反射至所述通孔。根据本发明实施例的双面反射集光装置，不受使用地点经纬度限制，满足在各种时间段内人们采光的需要。

Description

双面反射集光装置

技术领域

本发明涉及新能源技术领域，特别涉及一种双面反射集光装置。

背景技术

太阳光是最典型、能量最强的自然光源。但到目前为止，人们对阳光的利用绝大多数都停留在使用很少一部分，阳光通过玻璃窗、天窗射人室内，达到照明和景观的作用。这种方式由于受限于建筑的设计与结构，对日光的利用率并不高，并伴随建筑安全问题。开发利用太阳光照明，特别是那种不受建筑物空间限制的日光照明系统技术意义重大。因此，太阳光采集装置可以为人们提供清洁、健康的照明太阳光，它可以利用光纤的传导原理可以把太阳光引入到任何需要的地方，这一装置极大的拓展了人类的生产、生活空间，可以广泛的应用于工业生产、建筑施工、农作物培育养殖业、仓库存储业等行业。

但是现有的太阳光采集装置采光效率低且需要跟踪系统，不利于太阳能的使用。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决上述技术问题之一或至少提供一种有用的商业选择。为此，本发明的一个目的在于提出一种结构简单且无需采用跟踪系统的双面反射集光装置。

根据本发明实施例的双面反射集光装置，包括：折射聚光件、第一反射件和第二反射件。具体而言，所述折射聚光件适于聚集太阳光；所述第一反射件设在所述折射聚光件的下方，所述折射聚光件聚集光线的至少一部分射向所述第一反射件，所述第一反射件具有通孔；所述第二反射件设在所述折射聚光件和所述第一反射件之间，所述第一反射件适于将所述折射聚光件射向所述第一反射件的光线的至少一部分反射至所述第二反射件，所述第二反射件适于将所述第一反射件反射至所述第二反射件的光线的至少一部分反射至所述通孔。

根据本发明实施例的双面反射集光装置，通过设置折射聚光件收集各角度入射的太阳光，并通过第一反射件和第二反射件将收集到的太阳光折射到一个较小空间内，便于收集太阳光。折射聚光件可以聚集任意角度的太阳光，因此，双面反射集光装置无需采用跟踪系统即可收集不同角度的太阳光，使双面反射集光装置结构简单，便于生产，且降低了双面反射集光装置的故障率。该装置不受使用地点经纬度限制，可以安装在任意高度和不同角度的建筑物或地表上，可以满足在各种时间段内人们采光的需要。

另外，根据本发明上述实施例的双面反射集光装置，还可以具有如下附加的技术特征：

所述折射聚光件具有第一光学焦面，所述第一反射件具有与所述第一光学焦面的一部分重合的第二光学焦面。由此，进入通孔的主要光线为平行光束，降低了光线在传输过程中的反射次数，降低反射损耗。

所述第一反射件上具有与所述折射聚光件相对的凹槽，所述凹槽的壁上设有多个第一反射面，且每个所述第一反射面均具有所述第二光学焦面。由此，可以进一步地便于第一反射件将折射聚光件聚集的光线转化为平行光束，且可以降低平行光束的面积，便于光线的传输和使用，提高了双面反射集光装置的性能。

所述通孔设在所述凹槽的底部，多个所述第一反射面在靠近或远离所述通孔的方向上间隔布置在所述凹槽的壁上，且每个所述第一反射面均环绕所述通孔。由此，便于该双面反射集光装置将太阳光导入通孔，便于太阳光的收集，提高了太阳光收集的效率。

所述第二反射件具有与所述第二光学焦面重合的第三光学焦面。由此，进一步地使进入通孔的主要光线为平行光束，降低能耗，提高太阳光的收集效率。

所述第二反射件上具有多个第二反射面，每个第二反射面均适于将第一反射件反射至该第二反射面的光线的至少一部分反射至所述通孔，且每个第二反射面均具有所述第三光学焦面。由此，使第二反射件可以对不同角度的反射光线进行反射，并使经过第二反射件反射的光束大体为平行光束，且进一步地缩小了光束的面积，提高了双面反射集光装置的性能。

根据本发明的一个实施例，所述第二反射面为母线为直线或曲线且旋转轴与所述折射聚光件的中心轴重合的旋转曲面。由此，使第二反射件的结构简单，便于成型。

所述第二反射件大体为倒置的锥形，且所述第二反射件设在所述通孔的上方。

所述第一反射件一体形成或由多个第一镜体组合而成，所述第二反射件一体形成或由多个第二镜体组成而成。

根据本发明的一个实施例，所述通孔和所述第二反射件位于所述折射聚光件的中心轴上。由此，便于收集不同角度入射的太阳光，提高了双面反射集光装置的性能。

根据本发明的一个实施例，所述折射聚光件为中心轴旋转对称形状、中心平面镜像对称形状或多面镜像形状。由此，使折射聚光件的形状多样。

根据本发明的一个实施例，所述第一反射件和所述第二反射件上分别设有反光膜。由此，提高了第一反射件和第二反射件的折射效果。

根据本发明的一个实施例，所述折射聚光件与所述第一反射件之间设有滤光件。由此，在不同的应用环境下，可以抑制不同波长的光能，提高了双面反射集光装置的使用范围。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是本发明的一个实施例的双面反射集光装置的示意图；

图2是本发明的一个实施例的双面反射集光装置的折射聚光件的示意图；

图3是本发明的一个实施例的双面反射集光装置的第一反射件的示意图；

图4是图3中圈示A的局部放大示意图；

图5是本发明的一个实施例的双面反射集光装置的第二反射件的示意图；

图6是本发明的一个实施例的双面反射集光装置中光线经过折射聚光件和第一反射件的示意图；

图7是本发明的一个实施例的双面反射集光装置中光线经过第二反射件的示意图；

图8是本发明的一个实施例的双面反射集光装置及光路示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

本发明针对现有太阳光采集及传输装置中存在的采光效率不高、需要定向跟踪及太阳光小角度入射时采光效率极低等问题，提出一种实现方案。该方案的目的在于提供一种双面反射集光装置，其利用光的折射和反射原理，通过灵活设计器件的结构来提高系统的采光效率、并避免使用跟踪系统。

下面参照附图详细描述本发明实施例的双面反射集光装置。

如图1至图8所示，根据本发明实施例的双面反射集光装置，包括：折射聚光件1、第一反射件2和第二反射件3。

具体而言，折射聚光件1适于聚集太阳光，换言之，折射聚光件1用于汇聚平行光线，并使光线具有一定的张角，该折射聚光件1可以聚集不不同位置或不同时刻的太阳光。第一反射件2设在折射聚光件1的下方，折射聚光件1聚集光线的至少一部分射向第一反射件2，第一反射件2具有通孔21。第二反射件3设在折射聚光件1和第一反射件2之间，第一反射件2适于将折射聚光件1射向第一反射件2的光线的至少一部分反射至第二反射件3，第二反射件3适于将第一反射件2反射至第二反射件3的光线的至少一部分反射至通孔21。

根据本发明实施例的双面反射集光装置，通过设置折射聚光件1收集各角度入射的太阳光，并通过第一反射件2和第二反射件3将收集到的太阳光折射到一个较小空间内，便于收集太阳光。折射聚光件1可以聚集任意角度的太阳光，因此，双面反射集光装置无需采用跟踪系统即可收集不同角度的太阳光，使双面反射集光装置结构简单，便于生产，且降低了双面反射集光装置的故障率。该装置不受使用地点经纬度限制，可以安装在任意高度和不同角度的建筑物或地表上，可以满足在各种时间段内人们采光的需要。

根据本发明的一个实施例，折射聚光件1具有第一光学焦面，第一反射件2具有与所述第一光学焦面的一部分重合的第二光学焦面。换言之，第一反射件2具有第二光学焦面(未示出)，且所述第二光学焦面与所述第一光学焦面的一部分重合。或者说，第二光学焦面位于第一光学焦面上，又或说第二光学焦面与第一光学焦面重合。折射聚光件1聚集的光束进入第一反射件2，由于第二光学焦面与第一光学焦面的一部分重合，因此，经过折射聚光件1汇聚的光线将被第一反射件2反射成面积较小且大体平行的光束，以便于第二反射件3的接收和反射。由此，进入通孔21的主要光线为平行光束，降低了光线在传输过程中的反射次数，降低反射损耗。

进一步地，如图3和图4所示，第一反射件2上具有与折射聚光件1相对的凹槽22，凹槽22的壁上具有多个第一反射面201，每个第一反射面201均具有与所述第一光学焦面的一部分重合的第二光学焦面。由此，可以进一步地便于第一反射件2将折射聚光件1聚集的光线转化为平行光束，且可以降低平行光束的面积，便于光线的传输和使用，提高了双面反射集光装置的性能。

有利地，第一反射件2还包括连接多个第一反射面201的第一连接面202。

进一步地，通孔21设在凹槽22的底部，多个第一反射面201在靠近或远离通孔21的方向(即如图3或图4所示的方向B)上间隔布置在凹槽22的壁上，且每个第一反射面201均环绕通孔21。由此，便于该双面反射集光装置将太阳光导入通孔21，便于太阳光的收集，提高了太阳光收集的效率。

进一步地，第一反射面201为非平面形状，且该非平面形状第一反射面201的旋转中心轴与折射聚光件1的中心轴重合，所述非平面形状可以为类抛物面、类椭球面等形状以及它们的组合。由此，使第一反射面201的结构简单，便于双面反射集光装置的成型和生产，提高了双面反射集光装置的生产效率且降低成本。此外，更进一步地减小了平行光束的面积。

有利地，在本发明的一些示例中，第一反射件2一体形成。由此，使第一反射件2的结构简单，便于生产，提高了生产效率。

此外，在本发明的另一些示例中，第一反射件2由多个第一镜体组合而成。由此，对每个第一镜体的反射面单独成型，提高了第一反射件2的反射效果。

在本发明的一个实施例中，第二反射件3具有与所述第二光学焦面重合的第三光学焦面。第二反射件3可以对不同角度的反射光线进行反射，并使经过第二反射件3反射的光束大体为平行光束。由此，进一步地使进入通孔21的主要光线为平行光束，降低能耗，提高太阳光的收集效率。

进一步地，如图5所示，第二反射件3上具有多个第二反射面301，每个第二反射面301均适于将第一反射件2反射至该第二反射面301的光线的至少一部分反射至通孔21，且每个第二反射面301均具有所述第三光学焦面。换言之，第二反射件3的表面上具有多个第二反射面301，第二反射面301适于将第一反射面201反射至第二反射面301的光线反射至通孔21。由此，使第二反射件3可以对不同角度的反射光线进行反射，并使经过第二反射件3反射的光束大体为平行光束，且进一步地缩小了光束的面积，提高了双面反射集光装置的性能。

有利地，第二反射件3还包括连接多个第二反射面301的第二连接面302。

有利地，第二反射面301为非平面形状，且该非平面的旋转中心轴与折射聚光件1的中心轴重合，所述非平面形状为类抛物面形状、类椭球面形状等及其组合。由此，使第二反射面301的结构简单，便于双面反射集光装置的成型和生产，提高了双面反射集光装置的生产效率且降低成本。此外，更进一步地减小了平行光束的面积。

在本发明的一个实施例中，第二反射件3为母线为直线或曲线且旋转轴与折射聚光件1的中心轴重合的旋转曲面。由此，使第二反射件3的结构简单，便于成型。

具体而言，第二反射件3包括多个第二反射面301和连接多个第二反射面301的第二连接面302，每个第二反射面301均具有第三光学焦面，且每个第二反射面301均为母线为直线或曲线且旋转轴与通孔21的中心轴重合的旋转曲面。

有利地，第二反射件3大体为倒置的锥形，且第二反射件3设在通孔21的上方。由此，使第二反射件3结构简单，便于将太阳光导入至通孔21内，提高了该双面反射集光装置的采光效率。

此外，在本发明的一些实施例中，第二反射件3一体形成，可以降低第二反射件3的生产成本。且第二反射件3还可以由多个第二镜体组成而成，用于提高第二反射件3的精度和折射效果。由此，使第二反射件3结构简单，且具有多种成型方式，对于不同的精度或成本要求，可以采用不同的成型方式，提高了双面反射集光装置的多样性。

如图1所示，在本发明的一些实施例中，通孔21和第二反射件3位于折射聚光件1的中心轴上。由此，便于收集不同角度入射的太阳光，提高了双面反射集光装置的性能。

进一步地，如图2所示，在本发明的一些实施例中，折射聚光件1为中心轴旋转对称形状、中心平面镜像对称形状或多面镜像形状。由此，使折射聚光件1的形状多样。

此外，第一反射件2和第二反射件3上分别设有反光膜，换言之，第一反射件2和第二反射件3上分别设有由反光材料制成的薄膜。由此，提高了第一反射件2和第二反射件3的折射效果。

有利地，在本发明的一些实施例中，折射聚光件1与第一反射件2之间设有滤光件(未示出)，用于调整光路和抑制特定波长光能。由此，在不同的应用环境下，可以抑制不同波长的光能，提高了双面反射集光装置的使用范围。

本发明与现有技术相比，不需要任何跟踪系统，避免了采用移动的机械部件，极大的提高了系统的可靠性和使用寿命，有利于减小双面反射集光装置的设计复杂度、体积和重量，节约加工材料和建设成本。

此外，本发明去除了用于跟踪的监测和控制电路系统，减少了双面反射集光装置的附加能量消耗，提升了双面反射集光装置应用于具体系统时的能量效率，极大节约了使用和维护成本。

本发明的技术内容具有广角接收太阳光的特性，与现有的装置只能接收小角度光束相比，提高了光束入射双面反射集光装置的系统效率；并且克服了与太阳高度和角度对准的技术难题，实现了广角光束的高效率会聚。

此外，广角接收能力使得双面反射集光装置的工作时间和适用日期得以大大增加，可以满足早晚时间段太阳光沿地平面入射的接收和会聚要求，拓展了双面反射集光装置的工作时间，并且适用于一年四季不同太阳高度的使用环境，无需进行人为校准。可以不受使用地点经纬度限制，可以安装在任意高度和不同角度的建筑物或地表上，可以满足在各种地域环境内人们采光的需要，并且不需要根据地域进行特殊设计、加工和安装。

下面参照附图简略描述本发明的一个具体实施例的结构及原理。

参看图1至图8，根据本发明实施例的用于太阳光收集的装置至少包括：折射聚光件1、第一反射件2和第二反射件3。

其中折射聚光件1采用各向对称的球体结构，其光学焦面为靠近球面且与球面距离固定的二次曲面。

其中第一反射件2采用多个旋转类抛物面反射镜组成，其旋转中心轴与折射会聚结构的中心轴重合，每个类抛物面反射镜也可以由多个更小的类抛物面连接而成，每个类抛物面具有变化的曲率但组合成连续的焦面，与折射会聚结构的固定焦面完全重合，也可以只是部分重合。

其中第二反射件3也采用多个旋转类抛物面反射镜组成，每个类抛物面反射镜也可由多个更小的类抛物面组成，每个类抛物面具有变化曲率但组合成连续的焦面，与第一反射件2的可变焦面部分重合。

上述双面反射集光装置和组成结构都采用无色透光材料加工而成，根据折射率选择使用常用可见光波段的玻璃或透明介质，可以使用注入成型方式加工，各个结构的表面光滑符合全反射要求，第一反射件2和第二反射件3的反射面均蒸镀高反射率材料如金属反光材料薄膜，构成反射镜面。

双面反射集光装置内的主要结构按照焦面重合要求确定相对位置，并利用非通光面进行支撑和固定。其中折射会聚结构悬挂在双面反射集光装置内的顶部区域，并固定在第二反射件3上，第一反射件2按照位置要求固定在折射会聚结构的下方接收其出射的光束。

当某一高度和角度的太阳光入射至折射会聚结构时，光束将通过折射会聚结构在其焦面上发生会聚，并入射到第一反射件2的类抛物面反射镜上。由于上述结构的焦面重合，因此反射光将会沿特定方向传播，并且按照本发明的设计光路达到第二反射件3的类抛物面反射镜上。同样由于第二反射件3与第一反射件2的焦面重合特性，入射到第二反射件3的光束将沿特定方向传播，实现光束的收集。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (13)

1.一种双面反射集光装置，其特征在于，包括：

折射聚光件，所述折射聚光件适于聚集太阳光；

第一反射件，所述第一反射件设在所述折射聚光件的下方，所述折射聚光件聚集光线的至少一部分射向所述第一反射件，所述第一反射件具有通孔；

第二反射件，所述第二反射件设在所述折射聚光件和所述第一反射件之间，所述第一反射件适于将所述折射聚光件射向所述第一反射件的光线的至少一部分反射至所述第二反射件，所述第二反射件适于将所述第一反射件反射至所述第二反射件的光线的至少一部分反射至所述通孔。

2.根据权利要求1所述的双面反射集光装置，其特征在于，所述折射聚光件具有第一光学焦面，所述第一反射件具有与所述第一光学焦面的一部分重合的第二光学焦面。

3.根据权利要求2所述的双面反射集光装置，其特征在于，所述第一反射件上具有与所述折射聚光件相对的凹槽，所述凹槽的壁上设有多个第一反射面，且每个所述第一反射面均具有所述第二光学焦面。

4.根据权利要求3所述的双面反射集光装置，其特征在于，所述通孔设在所述凹槽的底部，多个所述第一反射面在靠近或远离所述通孔的方向上间隔布置在所述凹槽的壁上，且每个所述第一反射面均环绕所述通孔。

5.根据权利要求2所述的双面反射集光装置，其特征在于，所述第二反射件具有与所述第二光学焦面的至少一部分重合的第三光学焦面。

6.根据权利要求5所述的双面反射集光装置，其特征在于，所述第二反射件上具有多个第二反射面，每个第二反射面均适于将第一反射件反射至该第二反射面的光线的至少一部分反射至所述通孔，且每个第二反射面均具有所述第三光学焦面。

7.根据权利要求1所述的双面反射集光装置，其特征在于，所述第二反射件为母线为直线或曲线且旋转轴与所述通孔的中心轴重合的旋转曲面。

8.根据权利要求1所述的双面反射集光装置，其特征在于，所述第二反射件大体为倒置的锥形，且所述第二反射件设在所述通孔的上方。

9.根据权利要求1-8中任一项所述的双面反射集光装置，其特征在于，所述第一反射件一体形成或由多个第一镜体组合而成，所述第二反射件一体形成或由多个第二镜体组成而成。

10.根据权利要求1-8中任一项所述的双面反射集光装置，其特征在于，所述通孔和所述第二反射件位于所述折射聚光件的中心轴上。

11.根据权利要求1-8中任一项所述的双面反射集光装置，其特征在于，所述折射聚光件为中心轴旋转对称形状、中心平面镜像对称形状或多面镜像形状。

12.根据权利要求1-8中任一项所述的双面反射集光装置，其特征在于，所述第一反射件和所述第二反射件上分别设有反光膜。

13.根据权利要求1-8中任一项所述的双面反射集光装置，其特征在于，所述折射聚光件与所述第一反射件之间设有滤光件。