CN105698405A - 一种复眼透镜光能收集系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种复眼透镜光能收集系统，包括集光器、感光元件、控制单元、驱动组件和太阳能收集装置，集光器、感光元件、控制单元、驱动组件和太阳能收集装置依次连接；驱动组件进一步包括第一驱动件和第二驱动件，第一驱动件和第二驱动件通过齿轮啮合。与现有技术相比，本发明提供的复眼透镜光能收集系统，将复眼透镜与半球形的透光材料结合对光能进行汇聚，同时自动跟踪太阳光束，精确度高，可大面积吸收光能，提高光能吸收效率，降低成本，利于太阳能利用的大力推广，达到能量的低损耗传输，因此，应用前景十分广阔。

Description

一种复眼透镜光能收集系统

技术领域

本发明涉及一种光能收集系统，具体说，是一种复眼透镜光能收集系统。

背景技术

一、太阳能概况

太阳能(SolarEnergy)，一般是指太阳光的辐射能量，在现代一般用作发电。据记载，人类利用太阳能已有3000多年的历史。将太阳能作为一种能源和动力加以利用，只有300多年的历史。真正将太阳能作为“近期急需的补充能源”，“未来能源结构的基础”，则是近年的事。20世纪70年代以来，太阳能科技突飞猛进，太阳能利用日新月异。近代太阳能利用历史可以从1615年法国工程师所罗门·德·考克斯在世界上发明第一台太阳能驱动的发动机算起。该发明是一台利用太阳能加热空气使其膨胀做功而抽水的机器。在1615年～1900年之间，世界上又研制成多台太阳能动力装置和一些其它太阳能装置。这些动力装置几乎全部采用聚光方式采集阳光，发动机功率不大，工质主要是水蒸汽，价格昂贵，实用价值不大，大部分为太阳能爱好者个人研究制造。

中国蕴藏着丰富的太阳能资源，太阳能利用前景广阔。目前，中国太阳能产业规模已位居世界第一，是全球太阳能热水器生产量和使用量最大的国家和重要的太阳能光伏电池生产国。中国比较成熟太阳能产品有两项：太阳能光伏发电系统和太阳能热水系统。2007年8月，国家发改委发布了《可再生资源中长期发展规划》，规划提出，到2010年中国可再生能源年利用量将达到2.7亿吨标准煤。其中，水电达到1.8亿千瓦，风电超过500万千瓦，生物质发电达到550万千瓦，太阳能发电达到30万千瓦；燃料乙醇和生物柴油年利用量分别达到200万吨和20万吨；沼气年利用量达到190亿立方米，太阳能热水器总集热面积达到1.5亿平方米。从2010年～2020年，中国可再生能源将有更大地发展。其中，水电将达到3亿千瓦，风电装机和生物质发电目标都是3000万千瓦，太阳能发电达到180万千瓦；燃料乙醇和生物柴油年生产能力分别达到1000万吨和200万吨；沼气年利用量达到443亿立方米，太阳能发电达到180万千瓦；太阳能热水器总集热面积达到3亿平方米。根据规划提出的目标，到2020年，中国一次能源消费结构可再生能源比例将由目前的7％提升到16％。中国《可再生能源法》的颁布和实施，为太阳能利用产业的发展提供了政策保障；京都议定书的签定，环保政策的出台和对国际的承诺，给太阳能利用产业带来机遇；西部大开发，为太阳能利用产业提供巨大的国内市场；原油价格的上涨，中国能源战略的调整，使得政府加大对可再生能源发展的支持力度，所有这些都为中国太阳能利用产业的发展带来极大的机会。

二、太阳能的应用

1974年至1997年，美日等发达国家硅半导体光电池发电成本降低了一个数量级：从每瓦50美元降到了5美元。此后世界各国专家大都认为，要使太阳能电站与传统电站(主要是火电站)相比具有经济竞争力，还有一段同样长的路要走——其成本再降低一个数量级才行。目前美国等国家建的利用太阳池发电的项目很多。在死海之畔有一个1979年建的7000平方米的实验太阳池，为一台150千瓦发电机供热。美国计划将其盐湖的8.3％面积(约8000平方千米)建成太阳池，为600兆瓦的发电机组供热。今年6月，亚美尼亚无线电物理所的专家宣布，已在该国山地开始建造其“第一个小型实验样板”型工业太阳能电站。该电站使用的涡轮机是使用寿命已届满而从直升机上拆下来的涡轮机，装机容量仅100千瓦，但发电成本仅0.5美分/千瓦小时，效率高达40％—50％。

俄罗斯学者在太阳池研究方面也取得了令人瞩目的进展。一家公司将其研制的太阳能喷水式推进器和喷冷式太阳能灯推进器与太阳池工程相结合，给太阳池附设冰槽等设施，设计出了适用于农家的新式太阳池。按这种设计，一个6到8口人的农户建一个70平方米的太阳池，便可满足其100平方米住房全年的用电需要。另一家研究机构提出了组合式太阳池电站的设计思想，即利用热泵、热管等技术将太阳能和地热、居室废热等综合利用起来，使太阳池发电的成本大大下降，在北高加索地区能与火电站竞争，并且一年四季都可用，夏天可用于空调，冬天可用于采暖。

以色列2012年可再生能源装机容量为：风能6.2兆瓦、水电8兆瓦、生物燃料12兆瓦、大型太阳能光热电站0兆瓦、中型太阳能光热电站7兆瓦、小型光伏板发电站218兆瓦。预计至2015年，以大型太阳能光热电站将增至740兆瓦，中型太阳能电站增至330兆瓦，小型光伏板发电站增至330兆瓦。

由此看来，全人类梦寐以求的太阳能时代实际上已近在眼前，包括到太空去收集太阳能，把它传输到地球，使之变为电力，以解决人类面临的能源危机。由美国国家航空和航天局与国家能源部建造的世界上第一座太阳能发电站，最近将在太空组装，不久将开始向地面供电。

三、太阳能使用中出现的问题

虽然太阳能资源总量相当于人类所利用的能源的一万多倍，但太阳能的能量密度低，而且它因地而异，因时而变，这是开发利用太阳能面临的主要问题。太阳能的这些特点会使它在整个综合能源体系中的作用受到一定的限制。(1)分散性：到达地球表面的太阳辐射的总量尽管很大，但是能流密度很低。平均说来，北回归线附近，夏季在天气较为晴朗的情况下，正午时太阳辐射的辐照度最大，在垂直于太阳光方向1平方米面积上接收到的太阳能平均有1,000W左右；若按全年日夜平均，则只有200W左右。而在冬季大致只有一半，阴天一般只有1/5左右，这样的能流密度是很低的。因此，在利用太阳能时，想要得到一定的转换功率，往往需要面积相当大的一套收集和转换设备，造价较高。(2)不稳定性：由于受到昼夜、季节、地理纬度和海拔高度等自然条件的限制以及晴、阴、云、雨等随机因素的影响，所以，到达某一地面的太阳辐照度既是间断的，又是极不稳定的，这给太阳能的大规模应用增加了难度。为了使太阳能成为连续、稳定的能源，从而最终成为能够与常规能源相竞争的替代能源，就必须很好地解决蓄能问题，即把晴朗白天的太阳辐射能尽量贮存起来，以供夜间或阴雨天使用，但蓄能也是太阳能利用中较为薄弱的环节之一。(3)效率低和成本高：太阳能利用的发展水平，有些方面在理论上是可行的，技术上也是成熟的。但有的太阳能利用装置，因为效率偏低，成本较高，总的来说，经济性还不能与常规能源相竞争。在今后相当一段时期内，太阳能利用的进一步发展，主要受到经济性的制约。国内一些企业和个人虽然对上述问题做出了许多改进，但在高效收集太阳能和简约成本上总是不尽如人意。

发明内容

针对上述现有技术存在的上述问题，本发明的目的是设计一种复眼透镜光能收集系统，自动跟踪太阳光束，大面积吸收光能，提高光能吸收效率，降低成本，节约资源。

为实现上述发明的目的，本发明采用的技术方案如下：

一种复眼透镜光能收集系统，包括一集光器、多个感光元件、一控制单元、一驱动组件和一太阳能收集装置；集光器、感光元件、控制单元、驱动组件和太阳能收集装置依次连接；驱动组件进一步包括第一驱动件和第二驱动件，第一驱动件和第二驱动件通过齿轮啮合；所述集光器设置于多个感光元件上，所述控制单元与感光元件及驱动组件电连接。

优选地，所述的驱动组件进一步包括一支架，支架位于太阳能收集装置底部，支架上设一轴孔，轴孔与第一驱动件配合。

更优选地，所述驱动组件的支架上的轴孔为圆形孔。

更优选地，第一驱动件进一步包括第一驱动轴和第一驱动锥齿轮，第一驱动锥齿轮设置在第一驱动轴端部，第一驱动轴与支架上的轴孔配合。

优选地，所述的第二驱动件进一步包括第二驱动轴和第二驱动锥齿轮，第二驱动锥齿轮设置在第二驱动轴的端部，第二驱动件和第一驱动件通过第一锥齿轮和第二锥齿轮啮合连接。

更优选地，所述的第一驱动轴与第二驱动轴都为粗细均匀的圆柱体长轴。

优选地，所述控制单元与第二驱动件连接，通过控制单元控制第二驱动件运动，从而第二驱动件带动第一驱动件控制支架的偏转角度，这样集光器准确地捕捉太阳光线，驱动组件采用齿轮啮合相比于杆组组合调节的精度更高，准确性更好。

优选地，所述的集光器为一复眼透镜。

更优选地，所述的复眼透镜是由多块单透镜紧凑排列在玻璃板或其他透光材料上组成，通过复眼透镜对光能进行收集，并将收集到的光能汇聚至太阳能收集装置。

更优选地，所述的玻璃板或其他透光材料形状是半球形的，单个透镜的焦点和球形透光材料的焦点重合。

更优选地，所述的复眼透镜中的部分或全部单透镜的形状包括多边形和圆形。

更优选地，所述的复眼透镜中的部分或全部单透镜的大小一致。

更优选地，所述复眼透镜上的单透镜包括球面和非球面，且各单透镜均是用冕玻璃材料中的K系或BaK系或ZK系及火石玻璃中的F系或ZF系制成。

优选的，所述太阳能收集装置为一平板型太阳能集热器。

更优选地，所述太阳能收集装置的形状为长方体薄板。

更优选地，所述的太阳能收集装置的材料采用酚醛泡沫。

优选地，所述太阳能收集装置进一步包括太阳光束采集盒，所述太阳光束采集盒设置于太阳能收集装置上，所述太阳光束采集盒上开设通孔，以容许太阳光束通过该通孔进入太阳光束采集盒。

优选地，所述太阳光束采集盒为圆形，通孔开设于太阳光束采集盒顶部的圆心方向。

优选地，所述多个感光元件均设置于太阳光束采集盒内，并呈同心圆的形式排布。

更优选地，所述多个感光元件分别用于代表太阳光束与太阳能收集装置之间的不同夹角，当其中一个感光元件感测到太阳光束时，控制单元依据该感光元件的特性变化判断太阳光束与太阳能收集装置之间的夹角。

更优选地，所述感光元件为光敏电阻或电荷耦合元件。

与现有技术相比，本发明提供的复眼透镜光能收集系统，将复眼透镜与半球形的透光材料结合对光能进行汇聚，同时自动跟踪太阳光束，精确度高，可大面积吸收光能，提高光能吸收效率，降低成本，利于太阳能利用的大力推广，达到能量的低损耗传输,因此，应用前景十分广阔。

附图说明

图1为本发明提供的复眼透镜光能收集系统的结构示意图；

图2为本发明提供的复眼透镜光能收集系统实施例部分结构示意图；

图3为本发明提供的复眼透镜光能收集系统实施例的光能收集装置的示意图；

图4为本发明提供的复眼透镜光能收集系统实施例的感光元件的示意图；

图5为本发明提供的复眼透镜光能收集系统实施例的驱动组件的示意图；

10、太阳能收集装置；20、太阳能光束采集盒；22、通孔；30、感光元件；40、控制单元；50、驱动组件；51、第一驱动件；52、第二驱动件；60、集光器；61、小透镜；62、玻璃板；63、太阳光线；70、支架；511、第一驱动轴；512、第一驱动锥齿轮；521、第二驱动轴；522、第二驱动锥齿轮。

具体实施方式

图1至图5为本发明提供的复眼透镜光能收集系统的一种优选实施方式。图1为本发明提供的一种复眼透镜光能收集系统实施例的结构示意图，如图1所示：该系统包括一集光器60、多个感光元件30、一控制单元40、一驱动组件50和一太阳能收集装置10；集光器60、感光元件30、控制单元40、驱动组件50和太阳能收集装置10依次连接；驱动组件50进一步包括第一驱动件51和第二驱动件52，第一驱动件51和第二驱动件52通过齿轮啮合。集光器60设置于多个感光元件30上，用于聚集太阳光线63，多个感光元件30设置于太阳能收集装置10上，用于感测太阳光束，控制单元40与感光元件30及驱动组件50电性连接，控制单元40用于依据感光元件30的感测结果及设置于太阳能收集装置10上的位置判断太阳光束与太阳能收集装置10的夹角，并依据判断出的结果控制驱动组件50，驱动组件50用于驱动太阳能收集装置移动，以使得太阳能收集装置与太阳光束保持垂直。

如图2所示：集光器60为一复眼透镜。复眼透镜是由多块单个小透镜61紧凑排列组成，整体制作在一块玻璃板62上，复眼透镜对光能进行收集，并将收集到的光能汇聚至太阳能收集装置10。玻璃板62是半球形的，单个小透镜61的焦点和球形材料的焦点重合。复眼透镜上全部小透镜61的形状为长方形且大小相等。复眼透镜上的单个小透镜61是球面且各单个小透61镜均是用冕玻璃材料中的K系制成。

如图3和图4所示：太阳能收集装置10为一平板型太阳能集热器。太阳能收集装置10的形状为为长方形薄板。太阳能收集装置10的材料采用酚醛泡沫。太阳能收集装置10进一步包括太阳光束采集盒20，太阳光束采集盒20设置于太阳能收集装置10上，太阳光束采集盒20上开设通孔22，以容许太阳光束通过该通孔22进入太阳光束采集盒20。太阳光束采集盒20为圆形，通孔22开设于太阳光束采集盒20顶部的圆心方向。多个感光元件30均设置于太阳光束采集盒20内，并呈同心圆的形式排布。多个感光元件30分别用于代表太阳光束与太阳能收集装置10之间的不同夹角，当其中一个感光元件30感测到太阳光束时，控制单元40依据该感光元件30的特性变化判断太阳光束与太阳能收集装置10之间的夹角。感光元件30为光敏电阻。

如图5所示：驱动组件50进一步包括一支架70，支架70位于太阳能收集装置10底部，支架70上设一轴孔71，轴孔71与第一驱动件51配合。驱动组件50的支架70上的轴孔71为圆形孔。第一驱动件51进一步包括第一驱动轴511和第一驱动锥齿轮512，第一驱动锥齿轮512设置在第一驱动轴511端部，第一驱动轴511与支架70上的轴孔71配合。第二驱动件52进一步包括第二驱动轴521和第二驱动锥齿轮522，第二驱动锥齿轮522设置在第二驱动轴521的端部，第二驱动件52和第一驱动件51通过第一锥齿轮512和第二锥齿轮522啮合连接。第一驱动轴511与第二驱动轴521都为粗细均匀的圆柱体长轴。控制单元40控制第二驱动件52，第二驱动件52带动第一驱动件51控制支架70的偏转角度，用于准确地捕捉太阳光线63，驱动组件50采用齿轮啮合相比于杆组组合调节的精度更高，准确性更好。

上述只是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用于限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围的情况下，都可以利用上述解释的技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。

Claims (10)

1.一种复眼透镜光能收集系统，其特征在于：包括一集光器、多个感光元件、一控制单元、一驱动组件和一太阳能收集装置；集光器、感光元件、控制单元、驱动组件和太阳能收集装置依次连接；驱动组件进一步包括第一驱动件和第二驱动件，第一驱动件和第二驱动件通过齿轮啮合；集光器设置于多个感光元件上，多个感光元件设置于太阳能收集装置上，所述控制单元与感光元件及驱动组件电性连接。

2.根据权利要求1所述的一种复眼透镜光能收集系统，其特征在于：所述的驱动组件进一步包括一支架，支架位于太阳能收集装置底部，支架上设一轴孔，轴孔与第一驱动件配合。

3.根据权利要求2所述的一种复眼透镜光能收集系统，其特征在于：所述第一驱动件进一步包括第一驱动轴和第一驱动锥齿轮，第一驱动锥齿轮设置在第一驱动轴端部，第一驱动轴与支架上的轴孔配合。

4.根据权利要求3所述的一种复眼透镜光能收集系统，其特征在于：所述的第二驱动件进一步包括第二驱动轴和第二驱动锥齿轮，第二驱动锥齿轮设置在第二驱动轴的端部，第二驱动件和第一驱动件通过第一锥齿轮和第二锥齿轮啮合连接。

5.根据权利要求4所述的一种复眼透镜光能收集系统，其特征在于：所述的第一驱动轴与第二驱动轴都为圆柱体长轴。

6.根据权利要求5所述的一种复眼透镜光能收集系统，其特征在于：所述控制单元控制第二驱动件，第二驱动件带动第一驱动件控制支架的偏转角度。

7.根据权利要求1所述的一种复眼透镜光能收集系统，其特征在于：所述的集光器由复眼透镜构成，所述的复眼透镜是由多块单个小透镜紧凑排列组成，整体制作在一块玻璃板或其他透光材料上。

8.根据权利要求1所述的一种复眼透镜光能收集系统，其特征在于：所述太阳能收集装置进一步包括太阳光束采集盒，所述太阳光束采集盒设置于太阳能收集装置上，所述太阳光束采集盒上开设通孔。

9.根据权利要求8所述的一种复眼透镜光能收集系统，其特征在于：所述太阳光束采集盒为圆形，通孔开设于太阳光束采集盒顶部的圆心方向。

10.根据权利要求9所述的一种复眼透镜光能收集系统，其特征在于：所述多个感光元件均设置于太阳光束采集盒内，并呈同心圆的形式排布。