CN103901595B - 一种光线汇聚装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光线汇聚装置，属于光能应用领域。所述光线汇聚装置包括至少一个聚光单元，聚光单元包括透镜和内部带有腔体的反射结构，反射结构上设置有光线入口和光线出口。光线入口、腔体与光线出口顺次连通，且光线入口的面积大于光线出口的面积，透镜覆盖在光线入口处。本发明通过设置至少一个包括透镜和反射结构的聚光单元，使得各种角度的光线经透镜折射后，均能够以合适的角度进入各个聚光单元的反射结构的腔体内部，并在腔体内部进行反射，最终从各个聚光单元的光线出口射出，汇聚至一处。本发明不仅可以汇聚方向一定的平行光线，还对传统光线汇聚装置无法汇聚的具有多种方向的不规则光线具有较好的汇聚效果，对光线的利用率非常高。

Description

一种光线汇聚装置

技术领域

本发明涉及光能应用领域，特别涉及一种光线汇聚装置。

背景技术

光线汇聚装置通常是用来将单位面积光照强度较弱的光线汇聚起来，以得到强度较高的光照，从而达到提高光能转化效率，减少光能转化成本，以及便于对光照作出分析和研究等效果。

现有的光线汇聚装置大多采用聚光透镜以折射方式或采用曲面反射镜以反射的方式来对光线进行汇聚。聚光透镜一般包括入射面和出射面，一束方向一定的平行光线从入射面进入聚光透镜内部，并在聚光透镜内部发生折射，然后从出射面射出并汇聚到聚光透镜的焦点；曲面反射镜一般包括一个可以反射光线的曲面，一束方向一定的平行光线照射到曲面上，然后进行反射并汇聚到曲面反射镜的焦点。

在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术至少存在以下问题：

现有技术中聚光透镜或曲面反射镜均只对入射方向与聚光透镜或曲面反射镜呈特定角度的光线具有较好的汇聚效果，却无法将漫反射光线、散射光线等方向不规则光线或不平行光线汇聚到一起，使得聚光透镜或曲面反射镜对这些不规则光线或不平行光线的汇聚效果较差、利用率较低。

发明内容

为了解决现有技术无法将不规则光线或不平行光线汇聚到一起的问题，本发明实施例提供了一种光线汇聚装置。所述技术方案如下：

一种光线汇聚装置，所述光线汇聚装置包括至少一个聚光单元，所述聚光单元包括透镜和内部带有腔体的反射结构，所述反射结构上设置有光线入口和光线出口，所述光线入口、所述腔体与所述光线出口顺次连通，且所述光线入口的面积大于所述光线出口的面积，所述透镜覆盖在所述光线入口处。

进一步地，所述透镜的表面包括外端面、内端面和侧面，所述侧面设置在所述外端面与所述内端面之间，所述外端面覆盖在所述光线入口处，所述内端面与所述侧面均伸入所述腔体内部，所述内端面的面积小于所述外端面的面积。

更进一步地，所述外端面的四周与所述光线入口紧密贴合。

进一步地，所述腔体的内壁由至少一个曲面或平面组成。

更进一步地，沿所述光线入口到所述光线出口的方向，所述腔体的横截面面积减小。

进一步地，所述光线汇聚装置还包括反射层，所述反射层紧密贴合在所述腔体的内壁上。

进一步地，所述光线汇聚装置包括有多个聚光单元和连接结构，多个所述聚光单元的光线入口均朝向不同方向，且多个所述聚光单元的光线出口均朝向同一方向，多个所述聚光单元通过所述连接结构连接。

作为优选，所述光线汇聚装置还包括支撑架，所述支撑架设置在所述聚光单元下方。

作为优选，所述支撑架包括放置板、至少两个定位块、可伸缩支撑组件和紧固组件，至少两个所述定位块均设置在所述放置板上，且至少两个所述定位块分别位于所述放置板的两侧，所述可伸缩支撑组件设置在所述放置板下方，且所述可伸缩支撑组件位于所述放置板的一端，所述可伸缩支撑组件用于将所述放置板的一端撑起，所述紧固组件设置在所述可伸缩支撑组件上，所述紧固组件用于固定所述可伸缩支撑组件的长度。

本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：

本发明可以设置一个或多个聚光单元组合成一个光线汇聚装置，可将各个聚光单元的光线入口朝向不同的方向，且各个聚光单元的光线出口朝向同一方向，可以使光线从不同方向射入各个聚光单元的光线入口，并从各个聚光单元的光线出口射出汇聚至一处，从而可以使本发明对从各个角度照射来的光线均有汇聚效果，且通过在组成光线汇聚装置的各个聚光单元的反射结构的光线入口处设置形状合适的透镜，使得射入聚光单元光线入口的光线经透镜折射后，能够以合适的角度进入反射结构的腔体内部，从而增大了光线从聚光单元光线出口射出的几率，进一步提高了本发明对各个方向光线的汇聚效果。使得本发明不仅可以汇聚方向一定的平行光线，还可以将具有多种方向的不规则光线或不平行光线均汇聚起来，与传统光线汇聚装置相比具有更好的光线汇聚效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的聚光单元的结构示意图；

图2是本发明又一实施例提供的透镜的结构示意图；

图3是本发明又一实施例提供的透镜的结构示意图；

图4是本发明又一实施例提供的透镜的结构示意图；

图5是本发明又一实施例提供的反射结构的结构示意图；

图6是本发明又一实施例提供的反射结构的结构示意图；

图7是本发明又一实施例提供的反射结构的结构示意图；

图8是本发明又一实施例提供的反射结构的结构示意图；

图9是本发明又一实施例提供的当腔体的内壁是由平面组成时，从光线入口射入的光线在腔体内部进行反射的光路示意图；

图10是本发明又一实施例提供的当腔体的内壁是由曲面组成时，从光线入口射入的光线在腔体内部进行反射的光路示意图；

图11是本发明又一实施例提供的在光线入口处设置透镜后，光线从光线入口射入腔体内部的时的角度变化示意图；

图12是本发明又一实施例提供的光线汇聚装置的结构示意图；

图13是本发明又一实施例提供的光线汇聚装置的结构示意图；

图14是本发明又一实施例提供的组成光线汇聚装置的多个聚光单元的结构示意图；

其中：

1 聚光单元，

2 透镜，

21 外端面，

22 内端面，

23 侧面，

3 反射结构，

31 光线入口，

32 光线出口，

4 反射层，

5 支撑架，

51 放置板，

52 定位块，

53 可伸缩支撑组件，

54 紧固组件，

6 连接结构。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

实施例一

如图1所示，本发明实施例提供了一种光线汇聚装置，包括至少一个聚光单元1，聚光单元1包括透镜2和内部带有腔体的反射结构3，反射结构3设置有光线入口31和光线出口32，光线入口31、腔体与光线出口32顺次连通，在进行光线汇聚时，平行光线或不平行光线照射到透镜2上，通过透镜2的折射作用，使得光线能够以合适的角度从光线入口31进入反射结构3的腔体内部，并在腔体内部通过腔体的内壁的反射作用，使得光线经多次反射后从光线出口32射出。光线入口31的面积大于光线出口32的面积，可以将大部分射入光线入口31处的光线汇聚到光线出口32处，且由于光线汇聚装置可以设置有一个或多个聚光单元1，并且可以使各个聚光单元1的光线入口31的朝向不同或相同的方向，从而使光线汇聚装置能够对从各个方向入射的光线均有汇聚效果。

且本发明通过设置透镜2与反射结构3的光线入口31连接，使得照射到透镜2的具有各种角度的光线经透镜2折射后，均能够以更加合适的角度进入反射结构3内部，并且光线在腔体内部进行反射的过程中，被逐渐引导至光线出口32处，大大提高了光线从光线出口32射出的几率。从而提高了光线汇聚装置对从各个方向入射的光线的汇聚效果。所以由至少一个聚光单元1组合而成的光线汇聚装置能够对各种环境下的平行光线或不平行光线都产生显著的汇聚效果，对传统的光线汇聚装置无法汇聚的光线也具有非常好的汇聚效果，提高了对各种光线的汇聚效果。

进一步地，如图2所示，本发明实施例提供的光线汇聚装置还包括透镜2，透镜2的表面包括外端面21、内端面22和侧面23，外端面21与内端面22分别为透镜2的两个端面，且外端面21与内端面22之间通过侧面23连接，外端面21覆盖在光线入口31上，内端面22与侧面23伸入腔体内部，内端面22的面积小于外端面21的面积。使用时，光线通过从外端面21进入透镜2内部，在透镜2内经过折射后从内端面22或侧面23射出，使得光线能够以合适的角度进入腔体内部。

其中，光线入口31和光线出口32根据要求可以为圆形、三角形、矩形、多边形、不规则图形等多种形状。

其中：

如图2所示，当透镜2为如图所示的形状时，面积较大的下表面就是外端面21，而面积较小的上表面为内端面22，此时外端面21与内端面22均为圆形，而外端面21内端面22之间围成的锥面为侧面23，光线从外端面21进入透镜2后从内端面22或侧面23射出；

如图3所示，当透镜2为圆锥体时，圆锥体的底面就是外端面21，圆锥体的顶部为内端面22，而圆锥体的锥面则为的侧面23，由于透镜2的外端面21与内端面22的面积相差较大，所以内端面22相对于外端面21可以近似的看作一个点，光线从外端面21进入透镜2后几乎全部从侧面23射出；

如图4所示，当透镜2为楔形时，外端面21为矩形，侧面23由两个三角形和两个矩形共同组成，此时由于透镜2的外端面21与内端面22的面积相差较大，所以内端面22相对于外端面21来说，可以近似的看作一条线，光线从外端面21进入透镜2后几乎全部从侧面23射出。

进一步地，如图1所示，外端面21的形状、面积均与光线入口31的形状、面积相同，外端面21的四周与光线入口31紧密贴合接触，当外端面21的形状、面积与光线入口31的形状、面积均相同时，不仅可以使得经透镜2折射过的光线能够以合适的角度进入反射结构3，同时还可以对反射结构3的腔体内部构成密封和保护的作用，以防止反射结构3的腔体的内壁受到灰尘等的污染从而影响其反光效果。

进一步地，如图1所示，侧面23由一个或多个曲面或平面组成。

更进一步地，透镜2由光线可以由水晶、树脂、玻璃等对光线具有较强透射作用的材料制成。

进一步地，如图1所示，腔体的内壁可以为平面也可以为曲面。

光线入口31和光线出口32均可以为圆形、三角形、矩形、多边形、不规则图形等多种形状，光线入口31与光线出口32的形状可以相同或不同。

其中：

如图1所示，反射结构3为一个不规则的空心体，腔体的内壁为曲面，光线入口31与光线出口32的形状相同，均为圆角矩形；

如图5所示，反射结构3为一个圆锥筒，腔体的内壁为曲面，光线入口31与光线出口32的形状相同，均为圆形；

如图6所示，反射结构3为一个六棱锥筒，腔体的内壁为平面，光线入口31与光线出口32的形状相同，均为六边形。

如图7所示，腔体的内壁为平面和曲面的组合，光线入口31与光线出口32形状不同，光线入口31为圆形，而光线出口32为三角形。

更进一步地，如图1，5，6，7，8，9，10所示，反射结构3的形状为沿从光线入口31到光线出口32的方向，反射结构3的腔体的横截面面积逐渐减小。

进一步地，如图8所示，光线汇聚装置还包括反射层4，反射层4设置在腔体的内壁上，反射层4与腔体的内壁紧密贴合，通过设置反射层4，可以有效地使光线在腔体内部进行反射。

更进一步地，反射层4由金属片、反光膜、反光涂层等对光线具有较强反射作用的反光材料制成。

进一步地，光线汇聚装置包括有多个聚光单元1和连接结构6，多个聚光单元1的光线入口31均朝向不同方向，且多个聚光单元1的光线出口32均朝向同一方向，多个聚光单元1通过连接结构6连接。连接结构6用于将多个聚光单元1连接成为一个整体，并且连接结构6对聚光单元1不仅可以起到连接作用，同时连接结构6还可以对聚光单元1起到支撑作用。

作为优选，光线汇聚装置还包括支撑架5，支撑架5设置在聚光单元1下方。

作为优选，支撑架5包括放置板51、至少两个定位块52、可伸缩支撑组件和53紧固组件54，至少两个定位52块均设置在放置板51上，且至少两个定位块52分别位于放置板51的两侧，可伸缩支撑组件53设置在放置板51下方，且可伸缩支撑组件53位于放置板51的一端，可伸缩支撑组件53用于将放置板的一端撑起，紧固组件54设置在可伸缩支撑组件53上，紧固组件54用于固定可伸缩支撑组件53的长度。通过设置支撑架5可以任意调节光线汇聚装置与地面之间的角度，以保证光线汇聚装置可以接收到最多的光线。

其中需要注意的是：

光线在腔体内部进行反射时，在腔体的内壁形状固定，且不考虑光线入口31处透镜2的情况下，光线从光线入口31进入腔体内部，并与腔体的内壁发生若干次反射，然后从光线出口32射出，其中，将光线与腔体的内壁发生第n次反射时，光线相对于反射面的入射角记为α_n。

如图9所示，腔体的内壁为平面，光线进入腔体内部进行了5次反射后从光线出口32射出，其中，在第1次、第2次、第3次、第4次、第5次进行反射过程中，光线入射时与腔体的内壁之间形成的入射角分别记为α₁、α₂、α₃、α₄、α₅。

通过数学几何证明，

可以得知

α₂=α₁+θ，

α₃=α₂+θ=α₁+2θ，

α₄=α₃+θ=α₁+3θ，

…

α_n=α_n-1+θ=α₁+（n-1）θ（n≥1）。 （公式一）

其中θ为光线在腔体内部进行反射时，发生反射的相对的两个反射面的夹角。由于腔体的内壁为平面，所以光线在腔体内部进行反射的过程中，入射角α_n的大小依次均匀递增，且每次递增大小均为θ。

同时，如图10所示的光线在腔体内部进行反射的光路示意图，由于腔体的内壁为曲面，所以在不考虑透镜2的情况下，从光线入口31射入腔体内部的光线在进行反射过程中，入射角α_n每次的增幅并不均匀。所以不再适用于上述公式，而是满足新的公式：

α_n=α₁+θ₂+θ₃+…+θ_n，

即， （公式二）

其证明过程与公式一α_n=α₁+（n-1）θ（n≥1）的证明过程类似。

其中，上述公式二中的θ_n为光线在腔体内部发生第n（n≥2）次反射时，以光线与腔体的内壁的交点为切点所作的腔体的内壁的切面，与光线在腔体内部发生第n-1（n≥2）次反射时，以光线与腔体的内壁的交点为切点所作的腔体的内壁的切面所形成的夹角。

由上述两个公式可知，随着光线在腔体内部反射次数的增多，α_n会越来越大，然而当α_n≥90°时，光线将无法继续朝着光线出口32的方向进行反射，而是向着光线入口31的方向反射，无法到达光线出口32，即无法被聚光单元1汇聚。所以为了保证光线向着光线出口32的方向反射，应尽量减小光线在腔体内部进行反射过程中入射角α_n的角度，并且尽量减小夹角θ或θ_n的大小。

其中，设置适合形状的透镜2可以有效的减小入射角α_n的大小。

如图11所示，通过设置适当形状的透镜2可以有效的对进入腔体内部的光线进行偏折，使得光线在进行第一次反射时，入射角α₁较小，从而使得光线从光线出口32射出的几率增大，在腔体内部的形状固定，即θ或θ_n固定的情况下，增加了以不同角度射入腔体内部的光线最终从光线出口32射出的几率。

实施例二

如图12所示，本发明实施例提供了又一种光线汇聚装置，光线汇聚装置包括多个聚光单元1和连接结构6，每个聚光单元1均包括透镜2和反射结构3，其中反射结构3为圆锥状，组成光线汇聚装置的各个聚光单元1均通过连接结构6所连接，使得多个聚光单元1共同组成了一个半球体，且每个聚光单元1的光线出口32均对准半球体的球心处，多个聚光单元1上的多个透镜2分别朝向各个不同的方向。本发明实施例可以用于将从各个方向发出的、以任意角度照射在每个聚光单元1上的光线汇聚至半球体的球心处，不使用光照追踪系统就可以实现光线汇聚的作用。

实施例三

如图13所示，本发明实施例提供了又一种光线汇聚装置，尤其用来对太阳光线进行汇聚，光线汇聚装置包括多个楔形的聚光单元1，共同组成了一个半圆柱，以及一个支撑架5，支撑架5包括放置板51、定位块52、可伸缩支撑组件53和紧固组件54，放置板51为一块矩形平板，聚光单元1组成的半圆柱放置在放置板51上，定位块52设置有至少两个，且定位块52均设置在放置板51上，位于半圆柱的两侧，定位块52用于将半圆柱固定在放置板51上，可伸缩支撑组件53设置在放置板51下方，位于半圆柱一端的下方，将半圆柱一端下方的放置板51的一边被支撑起来，放置板51的另一边则放置在地面上，使得放置板51与地面之间形成一定角度，通过调节可伸缩支撑组件53的长度可改变放置板51与地面之间形成的角度的大小；通过拧紧紧固组件54可以将可伸缩支撑组件53的长度固定，从而使放置板51与地面之间形成的角度大小固定。

本发明实施例提供的光线汇聚装置的摆放方向为：由多个聚光单元1所组成的半圆柱的两个端面分别朝向南北方向，或尽量接近南北方向。由于太阳是东升西落，这样摆放可以保证组成光线聚集装置的各个聚光单元1能够对不同时刻的太阳光线产生有效汇聚，同时由于各个地区的纬度不同，所以在各个不同的地区太阳高度角不同，使得本发明在使用时，应根据所在地区的实际情况，通过调节可伸缩支撑组件53的长度来调整放置板51与地面之间的角度，从而保证本实施例提供的光线汇聚装置可以在一天之内接收到最多的太阳光线。

由于一天之中的太阳光照射在光线汇聚装置上的角度是随着时间变化而由西向东逐渐变化着的，所以当位于其中任意时刻，在不考虑透镜2的情况下，太阳光线只能被部分朝向合适的聚光单元1有效汇聚，而对于其他朝向的聚光单元1，太阳光线在进入其他朝向的聚光单元1内部后，发生第一次反射时与腔体的内壁形成的入射角α₁较大，根据公式α_n=α_n-1+θ=α₁+（n-1）θ（n≥1），可知其他朝向的聚光单元1无法对此刻的太阳光产生有效汇聚。所以，根据一天中阳光的变化规律和光线汇聚装置中聚光单元1位置的不同，每个聚光单元1所对应的透镜2均具有不同的形状。

如图14所示，本发明实施例中每个聚光单元1中的透镜2的形状不尽相同，其中每个透镜2的形状均为一个楔形，外端面21为一个矩形，内端面22可看作一条线，而侧面23有两个三角形和两个四边形共同组成，然而不同的是，每个透镜2的侧面23中的两个四边形的面积均不相同，其中靠近放置板51一侧的四边形要大于远离放置板一侧的四边形，并且，越靠近放置板51的聚光单元1中的透镜2，其侧面23中的两个四边形面积相差越大，通过将本发明实施例中各个聚光单元1的透镜2如此设置，可以使一天之中的太阳光线能以最合适的方向射入腔体内部，以保证在太阳位于各个方向时，每个聚光单元1都能够尽可能多地对太阳光线进行汇聚。

需要强调的是，对于本发明所提到的具有多个聚光单元1的光线汇聚装置，多个聚光单元1的光线出口32应朝向同聚光区，而组成光线汇聚装置的各个聚光单元1的光线入口31的朝向，应根据光线汇聚装置整体的形状而确定，并且对于组成同一个光线汇聚装置中的每个聚光单元1的形状，也需要根据光线汇聚装置整体的形状，以及每个聚光单元1在整个光线汇聚装置中的位置进行最优化的确定。其中，在同一个光线汇聚装置中，每个聚光单元1的形状可以相同也可以不同，并且在同一个光线汇聚装置中，每个透镜2的形状可以相同也可以不同。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种光线汇聚装置，其特征在于，所述光线汇聚装置包括多个聚光单元，所述聚光单元包括透镜和内部带有腔体的反射结构，所述反射结构上设置有光线入口和光线出口，所述光线入口、所述腔体与所述光线出口顺次连通，且所述光线入口的面积大于所述光线出口的面积，所述透镜覆盖在所述光线入口处；

所述光线汇聚装置还包括支撑架，所述支撑架设置在所述聚光单元下方；

所述支撑架包括放置板、至少两个定位块、可伸缩支撑组件和紧固组件，至少两个所述定位块均设置在所述放置板上，且至少两个所述定位块分别位于所述放置板的两侧，所述可伸缩支撑组件设置在所述放置板下方，且所述可伸缩支撑组件位于所述放置板的一端，所述可伸缩支撑组件用于将所述放置板的一端撑起，所述紧固组件设置在所述可伸缩支撑组件上，所述紧固组件用于固定所述可伸缩支撑组件的长度。

2.根据权利要求1所述的光线汇聚装置，其特征在于，所述透镜的表面包括外端面、内端面和侧面，所述侧面设置在所述外端面与所述内端面之间，所述外端面覆盖在所述光线入口处，所述内端面与所述侧面均伸入所述腔体内部，所述内端面的面积小于所述外端面的面积。

3.根据权利要求2所述的光线汇聚装置，其特征在于，所述外端面的四周与所述光线入口紧密贴合。

4.根据权利要求1所述的光线汇聚装置，其特征在于，所述腔体的内壁由至少一个曲面或平面组成。

5.根据权利要求4所述的光线汇聚装置，其特征在于，沿所述光线入口到所述光线出口的方向，所述腔体的横截面面积减小。

6.根据权利要求1所述的光线汇聚装置，其特征在于，所述光线汇聚装置还包括反射层，所述反射层紧密贴合在所述腔体的内壁上。

7.根据权利要求1所述的光线汇聚装置，其特征在于，所述光线汇聚装置包括有连接结构，多个所述聚光单元的光线入口均朝向不同方向，且多个所述聚光单元的光线出口均朝向同一方向，多个所述聚光单元通过所述连接结构连接。