CN104331092A - 一种基于电润湿效应的液体太阳能追踪聚光器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种在太阳能聚集应用领域中，能够进行实时跟踪的太阳能聚光器。该器件结构基于电润湿液滴操控原理，通过外加调制电压的方式实现液滴透镜的二维移动和变焦，实现对太阳光的实时双轴跟踪和聚焦。相比传统的电机驱动的追踪聚光装置，本发明不仅结构简单，且具有重量轻、无磨损、无噪音、无机械振动、控制精度高等特点。此外，本发明制造和维护成本低，有利于系统的实际应用和大规模集成。同时，轻量化的设计使本发明适合应用于屋顶等对负重有严格限制的场所。

Description

一种基于电润湿效应的液体太阳能追踪聚光器

技术领域

本发明涉及太阳辐射聚集的应用领域，具体涉及一种基于电润湿效应的能够跟踪太阳光的液体聚光器和聚光器阵列。 

背景技术

太阳能是地球上主要的可再生能源。虽然太阳辐射功率较高，但是其能流密度较低。为了提高太阳能的接收效率以及降低太阳能使用成本，高效率的太阳能聚光系统是不可或缺的环节。以太阳能电池板为例，当太阳垂直照射太阳能电池板的时候，光伏电池转换率最高，而当太阳斜入射的时候，转换效率开始降低。于是越来越多的人开始研究太阳能跟踪装置，根据太阳在空中运动的轨迹来调整太阳能电池板的位置，提高太阳能的收集效率。 

目前常见的跟踪方式可以分为单轴跟踪和双轴跟踪两种，由于单轴跟踪无法同时兼顾太阳方位角和高度角的变化，因此入射光线始终不能保持与主光轴平行。而双轴跟踪方式较之单轴系统，机械复杂程度和投资成本都有不少的提升。现在市面上绝大多数的追踪装置都采用电机驱动方式。电机不仅要驱动太阳能聚集器、电池板、还要驱动沉重的散热装置。由于负载重量大，整套装置在追踪过程中需要消耗大量的能量，而且由于机械结构复杂，制造和维护成本都较高。此外，在一些负重受限的场所，例如屋顶，笨重的机械追踪装置使得太阳能设备的安装和应用受到了极大的约束。 

近年来，一些非机械式的太阳能聚集追踪装置得到了很多学者的关注。2005年，Pender(US patent No:6958868)提出了一种液晶棱镜阵列结构的无电机太阳能聚集器。通过外加电场可以调节其反射率和控制反射光线的出射角度。2008年，Currie等人提出了一种在基底上覆盖有机薄膜的平面波导结构的太阳能聚集器，可以提高输出功率近十倍。然而有机涂层要求与基底之间有着较强的粘附力，这就给薄膜长期的使用和维护带来困难。2012年，Baker等人提出一种平面微结构的太阳能聚光器。此系统通过电压引起纳米扩散及对折射率进行调制，从而实现无机械装置的自动追踪。初步实验结果显 示，在60Hz电压调制下，折射率改变仅为0.033。因此实现这种方法的难点在于需要通过优化材料来增强折射率调制的效果。 

发明内容

本发明提出一种基于介电润湿效应的液体透镜太阳能追踪聚光系统，所述系统通过外加电压驱动装置，不仅可以实现对太阳光的会聚，并且可以根据太阳入射角的变化，进行实时追踪和优化聚焦效果。 

上述系统中，液体透镜模块采用封闭式结构，包括相互平行的高透过率的上密封板和下密封板，也称为基板。其中下基板的上分别覆盖有疏水层、高介电常数的绝缘层和电极层，如图3所示。 

上述系统中，液体透镜模块中，两基板之间填充两种互不相融的液体，分别为导电液体和绝缘非极性液体。其中导电液体在疏水层表面形成液滴透镜，剩余空间被绝缘非极性液体填充满。 

上述系统中，两种液体密度相同，但折射率不同，光线在两种液体的交界曲面发生折射。 

上述系统中，没有机械移动部件，聚光器和对应的太阳能接收装置都固定安装。 

上述系统中，通过施加电压产生电润湿效应，驱动液滴移动和变焦来实现对太阳能的追踪和聚焦。 

上述系统中，通过在两个电极层上施加不同电压，可以实现液滴在两个维度上的移动和变焦，从而实现对太阳能的双轴跟踪。 

上述系统中，与聚光器匹配的太阳能接收装置可以是光伏电池、热伏电池或其他太阳能接收转换装置。 

本发明的有益效果和创新之处在于： 

1.本发明所述的跟踪装置无需任何机械转动装置就能实现双轴追踪和 

聚焦，且具有系统结构简单、重量轻、无磨损、无噪音、无机械振动、 

控制精度高等特点。此外，轻量化设计使本发明适合应用于屋顶等对负 

重有限制的场所。 

2.本发明所述器件的设计简单、生产制备易实现、运行能耗低、维护成 

本小，有利于系统的实际应用和大规模集成。 

附图说明

以下，结合附图来详细说明本发明的实施例，其中： 

图1正入射时本发明液滴聚光器的截面图 

图2斜入射时本发明液滴聚光器的截面图 

图3本发明液滴聚光器疏水层、介质层、电极层示意图 

图4固定焦距液滴透镜的焦平面散点图 

图5改变焦距后斜入射聚焦光斑散点图 

具体实施方式

图1给出了一个根据本发明内容所述的自动跟踪太阳光聚焦系统的实例示意图。上下基板和侧面基板材料均为高透过率玻璃。根据图3所示，电极1和电极2选用ITO电极，介质层1和介质层2的相对介电常数为2.8，厚度约为1μm；最后再表面覆盖一层极薄的氟聚合物疏水层。液滴材料为去离子水(折射率1.33，密度0.998g/m³)，填充液为硅油(折射率1.54，密度0.96g/m³)。去离子水液滴在疏水层表面的初始接触角可达到约120°。平板光伏电池作为接受装置，固定安装于聚光器正下方，与液滴透镜距离约为H。 

根据电润湿效应可知，施加电压V后，液滴透镜的固液表面张力将发生变化，其接触角接触角θ与电压V满足Lippmann-Young方程： 

$\cos \mathrm{\θ}=\cos {\mathrm{\θ}}_0+\frac{{\mathrm{\ϵ}}_0{\mathrm{\ϵ}}_r}{2\mathrm{d\γ}}{V}^2---\left(1\right)$

其中，θ₀是电压为零时的初始接触角，γ为液体交界面的表面张力，ε₀为真空介电常数，ε_r为介质层相对介电系数，d为液滴底部界面到电极的距离。式(1)中无量纲式称为电润湿数。 

改变液滴接触角的同时，由于液滴体积恒定不变，液滴的曲率半径也将同时发生变化。此时，液滴透镜的焦距和接触角的关系可以表示为： 

$f^3=\frac{3\mathrm{\Ω}}{\mathrm{\π}(1-\cos \mathrm{\θ})(2-{\cos }^2\mathrm{\θ}-\cos \mathrm{\θ}){(n_1-n_2)}^3}---\left(2\right)$

其中，Ω为液滴体积，θ为液滴接触角，n₁为液滴折射率，n₂为填充液折射率。 

首先考虑在一个维度上驱动液滴。太阳光的追踪和聚焦过程可分为正入射和斜入射两种情况，如图1和图2所示。当太阳光正入射时，在电极1上施加合适大小的对称分布的电压V，使液滴位置不发生变化，只有形状发生变化，并且使液滴透镜的焦距F等于光伏电池与聚光器的距离H。此时，通过液滴透镜的太阳光就能聚焦在光伏电池上。 

当太阳光为斜入射时，如图2所示，α为垂直方向的夹角。首先在液滴两侧的电极1上施加非对称电压，驱动液滴水平移动(移动距离Δx＝H·tanα)，使液滴透镜与光伏电池中心点的连线与入射光方向一致。如果此时液滴透镜焦距依然为F的话，虽然此时光伏电池依然位于焦平面上，但聚焦光斑发散严重，如图4所示。考虑到斜入射光线的像差影响及光伏电池接收面积有限，在液滴两侧施加对称电压V'，将液滴焦距变为F'(F'>F)，以压缩聚焦光斑的尺寸，如图5所示。这样在跟踪太阳角度变化的同时，能提高光伏电池的接收效率。 

由于太阳在空中移动时不仅方位角发生变化，高度角也会发生变化。只同时使用电极1和电极2，就可实现在两个维度上驱动液滴透镜。 

Claims (10)

1.一种基于电润湿效应的能够实时追踪太阳光的液体聚光系统，通过施加调制电压的方式控制液滴透镜的移动和形变，实现多角度太阳光的跟踪和聚焦。

2.根据权利要求1所述的自动追踪太阳光的液体聚光系统，其特征在于，所述液滴透镜可以通过外加电压改变电润湿特性的方式使液滴位置在两个维度上移动，实现聚光系统能够对太阳光进行双轴式追踪。同时，外加电压还能改变液滴形状，达到改变液滴透镜焦距和充分聚焦光线的目的。

3.根据权利要求1所述的自动追踪太阳光的液体聚光系统，其特征在于，所述液滴透镜模块在追踪过程中，液滴透镜与太阳能接收装置的中心点连线始终与入射光方向平行。

4.根据权利要求1所述的自动追踪太阳光的液体聚光系统，其特征在于，所述聚光系统可以由任意数量的液滴透镜单元平铺组成阵列，且每个单元都可以独立控制。

5.根据权利要求1所述的自动追踪太阳光的液体聚光系统，其特征在于，所述聚光系统可以使用的太阳能接收装置包括光伏电池、热伏电池或其他太阳能转换装置。

6.根据权利要求1所述的自动追踪太阳光的液体聚光系统，其特征在于，所述聚光系统可以使用的太阳能接收装置采用固定安装形式，在运行过程中无需移动或转动。

7.根据权利要求1所述的自动追踪太阳光的液体聚光系统，其特征在于，所述液滴透镜模块为密封结构，上下及侧面基板均由高透材料制成。

8.根据权利要求1所述的自动追踪太阳光的液体聚光系统，其特征在于，所述下基板的表面涂覆疏水层、介电层、电极层。

9.根据权利要求1所述的自动追踪太阳光的液体聚光系统，其特征在于，所述液滴透镜模块为柱状结构，其底面形状可以为圆形、三角形、四边形、六边形等常见几何形状。

10.根据权利要求1所述的自动追踪太阳光的液体聚光系统，其特征在于，所述液滴透镜模块包含两种密度相同、折射率不同的不相融液体，其中液滴为导电液体，填充液为绝缘非极性液体。