CN105116923A - 一种基于双稳态电润湿技术的自追踪太阳光反射聚光装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种在太阳能聚集应用领域中的微流控光学太阳能反射装置。此技术的核心是双稳态介电电润湿(EWOD)技术。在透明容积里的两种互不相溶的液体，沿着单元侧壁形成的液-液-固三结线，其接触角可以通过改变单元侧壁的电压而进行单轴或双轴控制。高反射率薄膜设置在界面之间，借助EWOD技术形成动态日光反射装置被用于太阳能的实时跟踪和日光的转向。入射的太阳光将先射到反射薄膜上，之后将反射至抛物面反射镜上，通过再次反射至坐落在基底上的聚光型光伏电池(CPV)上从而用于能量转换。无需任何机械移动部件，这种综合设计将大面积的太阳能集中到一个较小的CPV电池上，因此具有一个较大的面积缩小比(>1000)。

Description

一种基于双稳态电润湿技术的自追踪太阳光反射聚光装置

技术领域

本发明涉及太阳能系统的应用领域，具体涉及一种基于双稳态电润湿效应的能够自动跟踪太阳光的反射聚光装置。

背景技术

随着全球经济的迅速发展和人口的不断增加，以石油、天然气和煤炭等为主的化石能源正被逐步消耗，能源危机成为世界各国共同而临的课题。而太阳能资源是最丰富的可再生能源之一，它分布广泛，可再生，不污染环境，是国际上公认的理想替代能源。但是太阳能的利用还远远不够，究其原因，主要是太阳能利用率不高。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显得尤为重要。

影响太阳能系统效率的因素很多。其中，太阳能电池板与入射光的角度是关键因素之一，由于太阳光斜入射太阳能电池板时的转换效率低于太阳光垂直照射太阳能电池板的转换效率，且随着太阳光倾斜角度增大，转换效率降低。因此，太阳能的跟踪与非跟踪，使得能量的接收率相差很大，精确的跟踪装置可提高太阳能利用率，拓宽其利用领域。

现阶段国内外使用的跟踪方式可分为单轴跟踪和双轴跟踪两种。单轴系统由于自身结构的限制，纬度低于30°的地区才适合使用单轴跟踪系统；而双轴跟踪系统具有两个独立的动力执行体，相比较单轴复杂的控制系统，机械复杂程度和投资成本都高出不少。目前的跟踪方式主要采用的方式有以下几种：程序控制式跟踪；时钟式跟踪；视日轨迹跟踪；光电式跟踪。程序控制式跟踪存在累计误差，并且自身不能消除。时钟式跟踪属于被动式跟踪，需要定期校正。视日轨迹跟踪存在许多局限性，主要是在开始运行前需要精确定位，出现误差后不能自动调整等。光电式跟踪则不同，其使用光敏感初始定位，在运行当中，以程序控制为主，角度传感器瞬时测量作为反馈，对程序进行误差修正，比较可靠且可以最大限度利用太阳能。

太阳能跟踪技术也可分为主动跟踪系统和被动跟踪系统两种。目前世界上通用的太阳能主动跟踪控制系统都需要根据安放点的经纬度等信息计算一年中的每一天的不同的时刻太阳所在的角度，并将其存储到PLC、单片机或电脑软件中，也就是靠计算太阳位置以实现跟踪。主动跟踪采用的控制方法也称为时空控制法。基于PC机的太阳位置式跟踪方法，其成本也相对比较昂贵，但由于PC机具有强大的数据存储及计算能力，可用来完成精确的太阳光追踪。太阳能被动跟踪系统主要采用光强控制法，利用光敏元件和传感器进行信号跟踪调节，被动地跟随太阳转动。Lynch等设计了一种被动式双轴跟踪器，该跟踪器应用了2个光电传感器。一个传感器安装在跟踪面上；另一个传感器固定在朝南的方向。跟踪控制的精度为0.1°。

发明内容

本发明提供了一种微流控光学技术，使得太阳能光伏发电系统更具经济竞争力和环境可持续发展力。基于一种创新的微流控光学设计方式的太阳能聚光器是由双稳态介质电润湿(EWOD)控制，并且无需机械运动部件。这种高性能的自适应微流控光学太阳能跟踪系统集成了具有高效率的CPV光伏电池和新型液体棱镜跟踪系统，可以得到较宽的跟踪范围进而产生最大的能量。

本发明提供了具有由电介质材料制成的基板的液体棱镜单元，由透明导电材料制成的电极将会被附着到或涂覆在四个基板的内部，基板之间含有两种不相溶的介质，其中一种在另外一种介质之上，反射薄膜将介于两种介质之间。

本发明提供了一种太阳能反射装置，其包括液体棱镜单元的阵列，一个目标物体(抛物面反射镜)，一个电源和一个控制器。每一个反射装置包含液体棱镜阵列，每个液体棱镜单元具有至少四个由电介质材料制成的基板，基板内部将由透明导电材料制成的电极覆盖，其中有两种不可溶的介质分为上下两层，反射薄膜将介于两种介质之间。太阳能接收装置对准以接收来自反射镜阵列反射的太阳光。控制器与电源以及反射装置上各电极相连接。控制器通过控制应用在反射装置电极上的电压来单轴或双轴地改变液体棱镜上反射薄膜的倾斜角度。

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对太阳光的单轴或双轴追踪和聚焦，系统消除了笨重的跟踪硬件和无需机械的操作将使其可广泛应用到住宅区以用来太阳能发电。

2.与传统的基于硅结构的太阳能光伏电池相比，实现自追踪的电润湿技术将多产生70％的绿色能源且降低50％的成本(～$1/瓦)，该计划的成功具有巨大的市场冲击力，将使得聚光光伏电池完成在全球能源市场的角色转变。

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反射镜单元的横截面图

图2反射镜单元侧壁电极的示意图

图3组装液体棱镜单元(模块)的示意图

图4太阳能反射镜系统的示意图

具体实施方式

以下将对本发明的制造和使用进行详细介绍。本发明提供了一种可以在很多特定背景下借鉴的发明思路。本文仅仅对本发明的具体制作以及特定使用加以说明，但并不限定本发明的使用范围。

本发明提供了一种微流控光学技术，使得太阳能光伏发电系统更具经济竞争力和环境可持续发展力。基于一种创新的微流控光学方法的太阳能聚光器是由双稳态介质电润湿(EWOD)控制，并且无需机械运动部件。这种高性能的自适应微流控光学太阳能跟踪系统集成了具有高效率的CPV光伏电池和新型液体棱镜跟踪系统，可以得到较宽的跟踪范围进而产生最大的能量。电润湿反射装置也可以用于太阳能集热系统，而且其可以被耦合到光纤中用于建筑内部的自然采光或促进生物燃料的光合作用。

液体棱镜是将两种互不相溶的液体介质置于透明容器中形成，沿着液-液-固体三结线形成的接触角可以通过在容器侧壁施加合适的电压进行控制。高反射率薄膜将置于两种液体介质之间。此种动态反射装置可以应用于太阳能跟踪以及太阳光转向中。当太阳光入射到液体棱镜的反射膜上时，将会被反射至抛物面反射镜上，随后再次反射至置于基底的聚光型光伏电池(CPV)上。基于其独特的设计，电润湿反射装置使得设备能够自适应地同时追踪太阳光的日常以及季节性轨道变化(双轴跟踪)，而不再使用笨重、昂贵且低效率的机械运动部件。与传统的基于硅结构的太阳能光伏电池相比，实现自追踪的电润湿技术将多产生70％的绿色能源且降低50％的成本(～$1/瓦)。

图1给出了一个根据本发明内容所述的日光反射装置100的横截面实例示意图。一个反射装置单元100包括至少四个由介电材料(例如，玻璃，塑料，石英等)制成的基壁104的容积结构102(例如，皿池等)。容积结构102的横截面可以是方形(如图3)或多边形。容积结构102的四个基壁104上将涂覆着由透明导电材料(例如，铟锡氧化物(ITO)等)制成的电极106。容积结构102中有两种互不相溶的介质(108及110)，其中介质110将置于介质108的上方。如图所示，第一种介质108可以是水或其它极性介质，第二种介质110可以是油或其它非极性介质。反射体112，例如一个高反射率薄膜，安置于容积102之内，并介于第一种介质108和第二种介质110(即液-液弯曲面)之间。透明侧壁114由透明导电材料106制成。不同的电压(例如，V_L和V_R)施加到电极106上，容积102的基底的电极连接到公共接地端116上。

图2给出了一个根据本发明内容所述的日光反射装置100的四个电极106a,106b,106c以及106d的实例示意图。每个电极106a,106b,106c以及106d均由具有ITO涂层202的玻璃基板200制成，第一种导电板204连接到每个电极106a,106b,106c以及106d的顶部，第二种导电板206连接到每个电极106a,106b,106c以及106d的底部。需要注意的是，玻璃基板200也可以使用图1所示的透明侧壁116。此外，侧壁104的介电材料可以是疏水性涂层。因此，玻璃基板200上的ITO覆盖层202上的电介质涂层可以与电介质容积侧壁104上的结构相对应一致，电极106和透明的侧壁106即如图1所示。导线208将第一种导电板204通过一个控制器(未显示)与电源(未显示)相连接。第一种和第二种导电板204和206的材料可以是金，银，铜，铝或非金属导体。在所示实例中，电极106的高度为18mm,宽度为10mm。其他尺寸也适用。在图1-2中，导电板204a-d即侧壁上的电极106a-d。

图3给出了一个根据本发明内容所述的组装的液体棱镜模块100的实例示意图。四个侧壁104a,104b,104c,以及104d和相应的电极106a,106b,106c,以及106d可以通过控制两对相反的电极106a与106b和106c与106d之间的电压差来使得反射体112与其保持同轴。

图4给出了一个根据本发明内容所述的太阳能反射系统400的实例示意图。该系统400包括液体棱镜单元100的阵列402，目标物体(抛物面反射镜)404，电源(未显示)和控制器(未显示)。每个液体棱镜模块100的内部结构即为图1-3所示。目标物体用来接收来自反射装置100的阵列反射得到的太阳光。如图所示，目标物体404是抛物面反射镜，它将得到的太阳光再次反射到太阳能电池406上(例如PV或CPV)。目标物体404或光伏电池406可以是一个透镜，一个加热装置，一个或多个光纤等。控制器与电源以及反射装置单元100的电极相连接。

所述的控制器系统可以计算出相对反射装置上的反射体400的太阳光的轴承和入射角度，计算基于反射装置在地球上的经度和纬度位置以及当下的时间和日期。利用太阳光的轴承和入射角度，控制器可以找到太阳光与目标物体404之间的角平分线，然后发送控制信号(例如，电压等)到每个反射装置单元100的电极上，控制反射膜对准以使得太阳光能反射至目标物体404上。需要注意的是，控制器可以是多通道的，其中每一个通道都至少连接控制反射装置单元100上的一个电极。在此种情况下，系统控制器可通过通信耦合至日光反射装置的每个电极上，以监测和对反射装置进行集中控制，同时，将会产生对应于每个反射装置100的电压值。

该微流控光学系统可以通过简单地经由EWOD技术改变每个液体棱镜的取向以实时跟踪太阳光。其结果是，太阳光将被自适应地跟踪和反射至抛物面反射镜并随后转向一个聚光型光伏电池(CPV)上用于能量转换。无需任何机械移动部件，这种综合设计结合自适应太阳能跟踪和集中功能，将大面积的太阳能集中到一个较小的CPV电池上，因此具有一个较大的面积缩小比>1000。消除笨重的跟踪硬件和无需机械的操作将允许广泛的住宅区部署太阳能CPV发电设备。

如实例所述，单一的电润湿控制的液体棱镜的大小是1cm×1cm～4cm×4cm，反射装置的大小是可调的。与传统的基于硅结构的太阳能光伏电池相比，实现自追踪的电润湿技术将多产生70％的绿色能源且降低50％的成本(～$1/瓦)。该计划的成功具有巨大的市场冲击力，将使得聚光型光伏电完成在全球能源市场的角色转变。

Claims (10)

1.一个液体棱镜反射装置单元包括：由介电材料制成的至少有四个侧壁的单元结构，由透明导电材料制成的附着或涂覆在四个侧壁上的电极，容积内的第一种介质，在第一种介质之上的第二种介质，且两者互不相溶，以及在两种介质之间的反射薄膜。

2.根据权利要求1所述的日光反射装置单元，其特征在于，透明导电材料包括氧化铟锡。该结构具有方形或多边形形状的横截面，该介质材料包括玻璃、塑料或石英，所述的反射器包括反射薄膜。

3.根据权利要求1所述的日光反射装置单元，其特征在于，包括连接到或与透明导电材料相邻的透明侧壁。其中所述的第一种液体介质包含极性介质（水）以及第二种液体介质包含非极性介质（油）。

4.根据权利要求1所述的日光反射装置单元，其特征在于，包括第一种导电板，连接到每个电极的顶部部分和第二种导电板，连接到每个电极的底部部分，且第一种导电板与控制器相连接。

5.根据权利要求6所述的日光反射装置单元，其特征在于，第一种和第二种导电板的材料可以是金，银，铜，铝或非金属导体。

6.根据权利要求1所述的日光反射装置单元，其特征在于，包括电源和连接到电源和每个电极上的控制器，控制器通过提供给每个电极的电压可以单轴或双轴控制反射薄膜的倾向角度。

7.根据权利要求9所述的日光反射装置单元，其特征在于，控制器执行以下步骤：计算轴承和太阳仰角，使用轴承和太阳仰角计算太阳光到目标物体的角平分线和发送一个或多个控制信号到每个日光反射装置单元的电极以使得太阳光通过反射薄膜被准确反射到目标物体上。

8.根据权利要求10所述的日光反射装置单元，其特征在于，目标物体包括一个反射镜，透镜，一个加热装置或光伏电池。

9.根据权利要求10所述的日光反射装置单元，其特征在于，包括一个可通信耦合到日光反射装置系统的控制器。

10.日光反射装置的太阳能聚集系统包括液体棱镜模块阵列或日光反射装置的单元，每个日光反射装置的单元包括有由介电材料制成的至少有四个侧壁的单元结构，由透明导电材料制成的附着或涂覆在四个侧壁上的电极，容积内的第一种介质，在第一种介质之上的第二种介质，且两者互不相溶，在两种介质之间有反射薄膜，对准以接收来自日光反射装置阵列反射的太阳光，电源和连接到电源和每个电极上的控制器，控制器通过提供给每个电极的电压以实施单轴或双轴控制的反射薄膜的取向。