CN105242389A - 光能输出装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种光能输出装置。所述光能输出装置包括具入光面的承载体、光源及导光模组。所述光源产生光束，部分光束直接被传输至所述承载体的入光面。所述导光模组接收来自光源的部分光束，并导引光束至所述承载体的入光面。所述光源配合所述导光模组传输光束至所述承载体，在所述入光面形成沿设定方向光强分布均匀的光照。本发明提供的光能输出装置输出局部均匀，整体不均匀的光照，制造成本低，结构简单且可靠性高。

Description

光能输出装置

技术领域

本发明涉及光能利用领域，特别的，涉及一种光伏领域的光能输出装置。

背景技术

在光能利用领域，采用聚光装置在设定平面内聚集光能是降低光能利用成本的有效途径。以光伏发电为例，采用聚光方式的光伏电池可以减少给定功率所需的电池面积，用比较便宜的聚光装置来部分代替昂贵的光伏电池。因此，高效、低成本的聚光装置越来越受到人们的重视。

为了降低光能利用成本，聚光装置可以是具有追踪光源位置(如太阳位置)功能的高倍聚光装置。其中，高倍聚光装置的追踪功能可以使聚光装置始终以设定的方向和角度接收传输方向变化的光束，高倍聚光可以使聚光装置输出更高光强的光照。

例如，公开号为CN102789046A的发明专利《一种多平面反射镜太阳能聚光装置》中，在聚光装置中设置转动部件，通过电动推杆的伸缩推动“H”型主框架的俯仰角度，从而使多平面反射镜阵列跟踪太阳高度角，并通过电动转盘转动使多平面反射镜阵列跟踪太阳方位角。其中，采用转动部件跟踪太阳的高度角和方位角的方式追踪控制方法复杂，而且转动部件在长期自然环境条件下难以具有较高的可靠性。因此，具有追踪功能的高倍聚光装置还存在如下缺点：

结构复杂，会导致聚光装置的成本高昂，进而使光能利用在成本上丧失优势；及

可靠性不足，难以满足光能利用系统长时间稳定工作的要求。

此外，为了避免在聚光装置中引入复杂的转动部件，公开号为CN103155172A的发明专利《高效太阳能电池阵列》中，利用支架组件将多个光伏模块和多个反射器分别对应地机械互连形成互联系统，并通过支架组件调节光伏模块和反射器之前的夹角。但是，该支架组件结构复杂导致其制造成本会比较高，进而使得整个电池阵列的成本增加。

而且，聚光装置在实际应用过程中，都可能会发生输出光照不均匀的现象。为了消除上述光照不均匀现象，人们进行了更深入的研究以尽量减少聚光装置输出光照的不均匀性。但是，设计能够输出均匀光照的聚光装置又会增加成本。

发明内容

针对现有技术中聚光装置成本较高、结构复杂且可靠性不足的技术问题，本发明提供一种成本低，结构简单且可靠性高的光能输出装置。

一种光能输出装置包括光源、具入光面的承载体及导光模组，所述光源产生光束，部分光束直接被传输至所述承载体的入光面，部分光束经所述导光模组导引至所述承载体的入光面，所述光源配合所述导光模组传输来自所述光源的光束至所述承载体，在所述入光面形成沿设定方向光强分布均匀的光照。

在本发明提供的光能输出装置一较佳实施例中，所述光源是太阳或者人工光源。

在本发明提供的光能输出装置一较佳实施例中，按照不同季节太阳入射光束角度的改变来调节所述导光模组面向太阳的角度。

在本发明提供的光能输出装置一较佳实施例中，所述反射板呈弧面设置，所述弧面反射来自所述光源的光束至所述承载体的入光面侧。

在本发明提供的光能输出装置一较佳实施例中，所述导光模组包括第一反射板和第二反射板，所述第一反射板和所述第二反射板分别设于所述承载体的入光面相对两侧，并反射光束至所述入光面。

在本发明提供的光能输出装置一较佳实施例中，所述导光模组包括多个平行且相邻设置的子反射板，所述多个子反射板矩阵形成导光模组。

在本发明提供的光能输出装置一较佳实施例中，所述导光模组是透光板，所述透光板接收来自光源的光束，并折射光束改变方向朝所述承载体的入光面传输。

在本发明提供的光能输出装置一较佳实施例中，所述导光模组是聚光透镜，所述聚光透镜接收来自所述光源的光束，并汇聚光束传输至所述承载体的入光面。

在本发明提供的光能输出装置一较佳实施例中，其特征在于，所述导光模组包括多个子聚光透镜，所述多个子聚光透镜配合矩阵形成所述导光模组。

在本发明提供的光能输出装置一较佳实施例中，所述导光模组是遮光元件，所述遮光元件遮挡部分光源光束传输至所述承载体的入光面。

本发明提供的光能输出装置中，所述光源配合所述导光模组传输光束至所述承载体的入光面，在所述入光面形成沿第一维方向光强分布均匀，沿垂直于所述第一维方向的第二维方向呈非均匀分布的光照。与致力于输出均匀光照的聚光装置相比，所述光能输出装置输出局部均匀，整体不均匀的光照，而且不需要追踪所述光源的位置，成本低，结构简单，可靠性高。

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它的附图，其中：

图1是本发明实施例提供的光能输出装置的结构框图；

图2是图1所示光能输出装置的结构示意图；

图3是图1所示光能输出装置的承载体沿第一维方向均匀分布光强的示意图；

图4是图1所示光能输出装置的承载体沿第二维方向非均匀分布光强的示意图；

图5是图1所示光能输出装置的承载体形成的光照带沿第二维方向的光强分布示意图；

图6是图1所示光能输出装置的实施例一的侧面示意图；

图7a-7d是图6所示光能输出装置在不同光照条件下的示意图；

图8是图1所示光能输出装置的实施例二的立体示意图；

图9是图1所示光能输出装置的实施例三的侧面示意图；

图10是图9所示光能输出装置的立体示意图；

图11是图1所示光能输出装置的实施例四的立体示意图；

图12是图1所示光能输出装置的实施例五的侧面示意图；

图13是图12所示光能输出装置的立体示意图。

具体实施方式

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1，是本发明实施例提供的光能输出装置的结构框图。所述光能输出装置100包括光源110、承载体130及导光模组150。所述光源110产生光束传输至所述承载体130及所述导光模组150。所述导光模组150配合所述承载体130传输来自所述光源110的光束至所述承载体110的工作表面，并形成沿设定方向光强分布均匀的光照结构。

请参阅图2，是图1所示光能输出装置100的结构示意图。所述光源110是太阳光或者人工光源。在本发明中，所述光源110是广义的光源，凡是旨在为光伏发电提供光能的任何光辐射源均在本发明的创作宗旨内，主要是指太阳以及以太阳为源头的二次辐射源。在本实施例中，所述光源110可以为固定光源，也可以为移动光源。

所述承载体130包括入光面131。所述承载体130是接收来自光源110辐射出的光能。所述入光面131是形成在所述承载体130的工作表面，其直接接收来自所述光源110辐射出的光束。具体而言，所述承载体130是光伏发电器件，例如太阳能电池板，则所述入光面131是接收光束并将光能转换为电能的工作面，所述入光面131的数量不局限于一个，其根据所述承载体130接收光束的可能，其数量还可以是多个，所述多个入光面131的设置可以是相邻设置，也可是相对设置，其可以是平面，亦可是曲面等，具体根据实际设计需要，在此不再一一赘述。

当然，所述太阳能电池板可以为多晶硅太阳能电池板、单晶硅太阳能电池板、非晶硅太阳能电池板和薄膜太阳能电池板中的任一种，本发明对此不作限定。其中，所述承载体130可以由一个所述承载体130构成，也可以包括多个子承载体，所述多个子承载体矩阵配合设置形成所述承载体130。

所述导光模组150引导所述光源110发出的部分光束至所述承载体130的入光面131。对应于所述光源110，当所述光源110为固定光源时，所述导光模组150与所述光源110之间的相对位置固定，其直接导引部分光束至所述承载体130的入光面131。当所述光源110为移动光源时，所述导光模组150与所述光源110之间的相对位置是动态调整的，即所述导光模组150为可调节的导光模组150，其与所述光源110之间的相对位置随着所述光源110的移动而变化，同时保证所述光源110与所述导光模组150之间的相对位置在设定位置，使得更多的光束经由所述导光模组150导引至所述承载体130的入光面131。在本实施例中，随着所述光源110的移动，所述导光模组150与所述光源110之间的相对位置可以对应调节，也可以不对应调节。

具体而言，以所述光源110为太阳为例，太阳在一天不同时刻的相对于所述导光模组150的位置是不断变化的，而且太阳在地球上某点的入射光束的角度在不同季节也不相同。如此，所述导光模组150可以追踪一天中不同时刻太阳的位置变化以保证所述导光模组150始终以合适的方向和角度最大限度接收太阳光。另一方面，太阳在不同季节，其与地球的夹角有所不同，如此还可以根据不同季节太阳入射光束的角度的改变而调节所述导光模组150面向太阳的角度。

在本实施例中，所述导光模组150不需要追踪一天中不同时刻太阳的位置变化，而仅仅按照不同季节太阳入射光束的角度的改变来调节所述导光模组150。也就是说，所述导光模组150不会根据太阳在一天中不同时刻位置的变化而调节其面向太阳的角度，而是在每一个季节内按照该季节的太阳入射光束的角度调节一次所述导光模组150面向太阳的角度。优选地，所述导光模组150可以按照不同季节太阳入射光束的角度的改变手动调节所述导光模组150面向太阳的角度。

更进一步地，所述导光模组150还可以不追踪太阳在一年中位置的变化。也就是说，尽管太阳的位置发生变化，所述导光模组150始终以固定的位置接收太阳光，不需要根据太阳位置的变化而调节所述导光模组150面向太阳的角度。

其中，所述导光模组150可以由一个所述导光模组150构成，也可以包括多个子导光模组，所述多个子导光模组配合组成所述导光模组150。

再请参阅图2，取所述承载体130的入光面131所在平面为参考平面，于该平面内，界定相互垂直设置的第一维方向和第二维方向。设定沿X轴平行方向为所述第一维方向，沿垂直于X轴的Y轴平行方向为所述第二维方向。在本发明提供的光能输出装置100中，所述光源110配合所述导光模组150传输光束至所述承载体130的入光面131，在所述入光面131形成沿所述第一维方向光强分布均匀，沿垂直于所述第一维方向的第二维方向光强呈非均匀分布的光照。

其中，本发明实施例中，所述光强分布均匀的光照是指在指定区域内，光照的最大光强和最小光强的差值小于10W/m²。所述差值的来源是不均匀的灰尘分布，器件制造的缺陷等等。例如，请参阅图3，在沿平行于所述第一维方向上，所述光照的光强在小范围内波动，且光照的最大光强与最小光强之间的差值小于等于10W/m²。所述光强分布非均匀的光照是指在指定区域内，光照的最大光强和最小光强的差值一般大于10W/m²。所述差值的来源主要是由于光学设计而产生光强差异。例如，请参阅图4，在沿平行于所述第二维方向上，所述光照的光强在较大范围内波动，且光照的最大光强值与最小光强值之间的差值大于10W/m²。

其中，沿所述第一维方向光强分布均匀，沿垂直于所述第一维方向的第二维方向呈非均匀分布的光照可以在所述入光面131形成n个平行所述第一维方向的光照带，分别记为：第一光照带、第二光照带、……、第n光照带，其中n为大于等于1的自然数。例如，如图5所示，在所述n个光照带之间，所述光照的光强非均匀分布，且呈阶梯分布；每个所述光照带内的光强均匀分布。

与现有技术相比，所述光能输出装置100输出局部均匀，整体不均匀的光照，而且不需要追踪所述光源110的位置，成本低，结构简单，可靠性高。

以下结合具体实施例对本发明提供的光能输出装置100中的导光模组作进一步描述，在本发明中，所述导光模组150用以实现光束传输，其可以是反射板实现光束反射传输，也可以是折射板，通过折射改变光束传输方向以实现聚光，当然，其还可以是遮光元件，具体变型如下描述。

实施例一

请参阅图6，所述承载体130和所述导光模组250分别整体大致呈板状结构，且二者之间呈一角度设置。在本实施例中，所述导光模组250为反射板，所述反射板接收来自所述光源的光束，并反射所述光束朝所述承载体130的入光面131侧传输。

其中，所述承载体130的入光面131可以接收直接来自所述光源提供的光束，也可以接收经过所述导光模组250反射的光束。因此，根据所述承载体130的入光面131的光束分布，可以分为如下几种情况。

请参阅图7a，所述承载体130的入光面131整体仅接收直接来自所述光源提供的光束。由于所述光源提供的光束全面覆盖所述入光面131，因此，所述入光面131形成各个方向光强分布均匀的光照。

请参阅图7b，所述承载体130的入光面131不仅接收直接来自所述光源提供的光束，还接收经过所述导光模组250反射的光束，并且上述两种光束在所述入光面131部分重叠。根据所述入光面131接收光束的重叠情况，可以将所述入光面231形成两个沿所述第一维方向平行的区域：

区域一，仅接收直接来自所述光源提供的光束，因此所述区域一内的入光面131的光照光强分布均匀；

区域二，同时接收直接来自所述光源提供的光束和经过所述导光模组250反射的光束，因此所述区域二是上述两种光束的重叠区域，在所述区域二内的入光面131的光照光强分布均匀。

其中，由于所述区域一是所述入光面131仅接收直接来自所述光源提供的光束的区域，所述区域二是所述入光面131同时接收上述两种光束的区域，因此，所述区域二的光照光强必然大于所述区域一的光照光强。也就是说，沿平行于所述第一维方向，所述区域一的光照光强和所述区域二的光照光强分别均匀分布；沿平行于所述第二维方向，所述区域二的光照光强大于述区域一的光照光强。即在所述承载体130的入光面131形成沿所述第一维方向光强均匀分布，而垂直于所述第一维方向的第二维方向呈非均匀分布的光照。

请参阅图7c，所述承载体130的入光面131不仅接收直接来自所述光源提供的光束，还接收经过所述导光模组250反射的光束，而且上述两种光束全面重叠并覆盖所述入光面131。如此，在所述入光面131各个方向形成光强分布均匀的光照。

请参阅图7d，所述导光模组250还有可能没有将任何光束反射至所述承载体130的入光面131，反而所述导光模组250遮挡了部分所述光源发出的光束。由于所述光源发出的光束与所述导光模组250之间角度使得所述导光模组250没有接收到来自所述光源的光束，反而遮挡了部分所述光束导致所述承载体130的入光面131只有部分区域接收到所述光束，而所述入光面131的其余区域则没有被所述光束覆盖，由此在所述入光面131形成遮光区和覆光区。所述遮光区和所述覆光区相邻且沿所述第一维方向相互平行。在所述遮光区内，所述光照的直射光强基本为零；在所述覆光区内，所述光照的光强均匀分布。如此，则沿所述第一维方向，所述入光面131的覆光区形成光强均匀的光照；而在垂直于所述第一维方向的第二维方向，所述入光面131的遮光区和覆光区配合形成光强不均匀的光照。

实施例二

请参阅图8，与实施例一提供的光能输出装置100基本相同，唯不同在于：所述承载体130和所述导光模组250可以不是一整块板体，而是由多个平行于所述第一维方向的条状的板体矩阵组合而成。其中，所述承载体130包括多个平行且相邻设置的子承载体133，所述多个子承载体133配合矩阵形成整体所述承载体130。相对应地，所述导光模组250也可以包括多个平行于第一维方向且相邻设置的子反射板251，所述多个子反射板251配合矩阵形成所述导光模组250。其中，所述承载体130内部的子承载体133的排列方向与所述导光模组250内部的子反射板251的排列方向相同，即沿平行于所述第一维方向阵列排列。

当所述光源发出的光束照射过来后，所述子反射板251引导所述光束至所述子承载体133的入光面131形成平行于所述第一维方向的条状光照。所述承载体130的入光面131整体上可以形成沿所述子承载体133方向的第一维方向光强均匀，垂直于第一维方向的第二维方向的光强不均匀的光照。

实施例三

请同时参阅图9和图10，本发明实施例提供的导光模组350包括第一反射板351和第二反射板353，所述第一反射板351和所述第二反射板353分别设置于所述承载体130入光面的相对两侧。所述第一反射板351和所述第二反射板353均可以接收来自所述光源的光束，并反射光束朝所述承载体130的入光面侧传输。

所述光能输出装置100的承载体130的入光面131可以接收直接来自所述光源提供的光束，也可以接收经过所述第一反射板351和所述第二反射板353反射的光束。上述光束在所述入光面131的分布情况与所述实施例一类似，在此不做赘述。需要说明的是，在本实施例中，所述光能输出装置100的承载体130的入光面131也可以形成沿所述第一维方向光强分布均匀，同时，沿垂直于所述第一维方向的第二维方向呈非均匀分布的光照。

实施例四

请参阅图11，与实施例三提供的光能输出装置100基本相同，唯不同在于：所述第一反射板351和所述第二反射板353可以分别包括多个平行且相邻设置的第一子反射板3511和第二子反射板3531。相对应地，所述承载体130可以包括多个平行且相邻设置的子承载体133，所述多个子承载体133配合矩阵形成所述承载体130。而且，于所述承载体130的入光面整体上也可以形成沿所述子承载体133方向的第一维方向光强均匀，垂直于第一维方向的第二维方向的光强不均匀的光照。

实施例五

请参阅图12，所述导光模组450为透光板，所述透光板接收来自所述光源的光束，并折射所述光束朝所述承载体130的入光面侧传输。所述透光板可以为包括菲涅尔透镜或普通透光镜的透光板，主要是特定设计的非成像折射板。

优选地，所述导光模组450可以为聚光透镜，即为具有聚光功能的透光板。所述聚光透镜接收来自所述光源的光束，并汇聚所述光束传输至所述承载体130的入光面131。而且，根据所述导光模组450所汇聚光线在所述入光面131表面的重叠程度，在所述入光面131表面可以形成沿所述第一维方向光能强度分布均匀，同时，沿垂直于所述第一维方向的第二维方向呈非均匀分布的光照。

进一步地，请参阅图13，所述导光模组450可以包括多个子聚光透镜451，所述多个子聚光透镜451配合阵列组成所述导光模组450，所述承载体130可以包括多个子承载体133，所述多个子承载体133配合阵列组成所述承载体130。其中，所述多个子聚光透镜451与所述多个子承载体133相对平行设置，且二者之间的排列方向相同。在平行于所述第一维方向的排列方向上，所述子聚光透镜451将所述光束以线聚焦的方式引导至所述子承载体133的入光面形成条状光照，因此在所述承载体130的入光面131形成沿所述第一维方向光强均匀分布的光照。由于在不同时刻内，所述多个子聚光透镜451所折射的光束光强和/或光束覆盖的面积可能不同，因此在所述承载体130的入光面131可以进一步形成沿所述第一维方向光强均匀分布，垂直于所述第一维方向的第二维方向光强非均匀分布的光照。

为了保证更多的光束汇聚至所述承载体130的入光面131，所述导光模组450面积大于所述承载体130的面积，如此便可通过所述导光模组450汇聚所述光束以提高所述承载体130入光面的光强。

可替代地，所述导光模组150还可以是具有抛物线弧面的反射镜，所述弧面反射来自所述光源的光束至所述承载体的入光面侧。其反射原理与实施例二相似，在此不作赘述。

不限于上述实施例，所述导光模组150还可以是遮光元件，即所述遮光元件遮挡部分所述光源产生的光束传输至所述承载体130的入光面131，并在所述入光面131形成光照区域和非光照区域。所述光照区域为接收所述光束的区域，所述非光照区域为没有光束覆盖的区域。如果所述导光模组遮挡部分光束在所述入光面131形成连续且相互平行的所述光照区域和所述非光照区域，则在沿所述光照区域和所述非光照区域相互平行方向的第一维方向上，所述入光面131会形成光强均匀的光照，而在垂直所述第一维方向的第二维方向上，所述入光面131会形成光强非均匀的光照。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种光能输出装置，其特征在于，包括：

光源，产生光束；

具入光面的承载体，部分光束传输至所述承载体的入光面；及

导光模组，部分光束经所述导光模组导引至所述承载体的入光面，所述光源配合所述导光模组传输来自所述光源的光束至所述承载体，在所述入光面形成沿设定方向光强分布均匀的光照。

2.根据权利要求1所述的光能输出装置，其特征在于，所述光源是太阳或者人工光源。

3.根据权利要求2所述的光能输出装置，其特征在于，按照不同季节太阳入射光束角度的改变来调节所述导光模组面向太阳的角度。

4.根据权利要求1所述的光能输出装置，其特征在于，所述导光模组是反射板，所述反射板接收来自所述光源的光束，并反射光束朝所述承载体的入光面侧传输。

5.根据权利要求4所述的光能输出装置，其特征在于，所述导光模组包括第一反射板和第二反射板，所述第一反射板和所述第二反射板分别设于所述承载体的入光面相对两侧，并反射所述光束至所述入光面。

6.根据权利要求4或5所述的光能输出装置，其特征在于，所述导光模组包括多个平行且相邻设置的子反射板，所述多个子反射板矩阵形成导光模组。

7.根据权利要求1所述的光能输出装置，其特征在于，所述导光模组是透光板，所述透光板接收来自光源的光束，并折射光束改变方向朝所述承载体的入光面传输。

8.根据权利要求7所述的光能输出装置，其特征在于，所述导光模组是聚光透镜，所述聚光透镜接收来自所述光源的光束，并汇聚光束传输至所述承载体的入光面。

9.根据权利要求7或8所述的光能输出装置，其特征在于，所述导光模组包括多个子聚光透镜，所述多个子聚光透镜配合矩阵形成所述导光模组。

10.根据权利要求1所述的光能输出装置，其特征在于，所述导光模组是遮光元件，所述遮光元件遮挡部分光源光束传输至所述承载体的入光面。