CN106288437B - 多功能太阳能系统 - Google Patents

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Abstract

一种多功能太阳能系统，包括会聚系统和两个太阳能利用装置(P1,P2)；其中，会聚系统包括至少一个聚光折射面(s1)和一个反射面(s2)；反射面和两个太阳能利用装置中的至少一者为移动式的，若反射面为移动式的，则两个太阳能利用装置分别布置在反射面移动前及移动后的光路上，若反射面为固定式的，则两个太阳能利用装置依次布置在反射面之后的光路上。由于具有至少一个移动式部件，能够通过移动该移动式部件将两个太阳能利用装置之一置于光路中，从而在不同时刻分别使用两个太阳能利用装置，大大扩展了太阳能系统的功用，提高了系统的综合利用率。

Description

多功能太阳能系统
技术领域
本发明涉及清洁能源技术领域，具体涉及一种对太阳能进行利用的多功能太阳能系统。
背景技术
随着对环境保护的日益重视，太阳能系统得到了越来越广泛的应用。目前常见的太阳能系统大多具有单一的功能，例如进行光热转换的太阳能热水系统以及进行光电转换的太阳能发电系统等。
然而在人类的活动中，往往在不同的时间有不同的需要，例如在餐时需要对食物进行加热或烹饪，而在其他时间又需要用电。因此，单一功能的太阳能系统难以满足多方面的需要。
发明内容
依据本发明提供一种多功能太阳能系统，包括会聚系统和两个太阳能利用装置；其中，会聚系统包括至少一个聚光折射面和一个反射面，该反射面沿太阳光入射的方向设置于聚光折射面的下方；两个太阳能利用装置用于吸收和利用太阳光；反射面和两个太阳能利用装置中的至少一者为移动式的，若反射面为移动式的，则两个太阳能利用装置分别布置在反射面移动前及移动后的光路上，若反射面为固定式的，则两个太阳能利用装置依次布置在反射面之后的光路上。
依据本发明的多功能太阳能系统具有至少一个移动式部件，即反射面或两个太阳能利用装置之一，通过移动该移动式部件将两个太阳能利用装置之一置于光路中，能够在不同时刻分别使用两个太阳能利用装置。这使得在仅增加少量成本的情况下，成倍扩展太阳能系统的功用，提高了系统的综合利用率，有利于更加充分地利用自然清洁能源。
以下结合附图，对依据本发明的具体示例进行详细说明。
附图说明
图1是依据本发明的多功能太阳能系统的基本结构示意图；
图2是本发明中用于生成菲涅尔折射面的两种共轴面的示意图；
图3是本发明中具有两个齿面的会聚系统的示意图；
图4是本发明中的一种菲涅尔式反射透镜的示意图；
图5是实施例1的多功能太阳能系统的示意图；
图6是实施例2的多功能太阳能系统的示意图；
图7是实施例3的多功能太阳能系统的示意图；
图8是实施例4的多功能太阳能系统的示意图。
具体实施方式
依据本发明的多功能太阳能系统的基本结构可参考图1，包括会聚系统和两个太阳能利用装置P1和P2。会聚系统包括至少一个聚光折射面s1和一个反射面s2，反射面沿太阳光入射的方向设置于聚光折射面的下方。s2、P1、P2中的至少一者为移动式的。
在极简单的情况下，s1和s2可以由同一物理元件来提供，例如一面镀有反射膜的会聚透镜，其镀膜面即为反射面，而另一面则为聚光折射面，这种情况下，移动式部件为两个太阳能利用装置之一，且均需布置在聚光折射面之上。
一般而言，s1和s2可以由分离的物理元件来提供，且提供反射面的元件同样可具有会聚能力，以进一步提高系统的聚光能力。换言之，会聚系统中可具有两个以上的聚光折射面，它们可以彼此结合或与反射面结合从而构成不同的物理元件组合。
若反射面为固定式的，则两个太阳能利用装置依次布置在反射面之后的光路上，如图1(a)所示。这种情况下P1是移动式的，当需要使用P2时，将P1从光路上移开即可，图中虚线即表示P1移开后的光路。P1和P2既可以布置在s1和s2之间，也可以布置在s2之上。本文中，所称光路是指太阳光经会聚系统会聚后的光路，所称“移动式”是指部件可以从所布置的位置上移动至光路外或直接被移除。
若反射面为移动式的，则两个太阳能利用装置分别布置在反射面移动前及移动后的光路上，如图1(b)所示，当需要使用P2时，将s2从光路上移开即可，图中虚线即表示反射面移开后的光路。P1既可以布置在s1和s2之间，也可以布置在s2之上。
可采用适当的支撑部件（未图示）来支撑会聚系统和两个太阳能利用装置，以保持它们之间的相对位置关系以及满足移动式的要求。根据具体应用场景的不同，支撑部件可以有各种适合的形态，可根据需要进行设计。在某些实施例中，还可进一步包括移动控制装置，其用于按照预置的程序控制系统中为移动式的部件进行移动，以便于实现某种自动化的处理过程，例如定时烹饪、自动烧水等。
作为一种优选的实施方式，聚光折射面可采用由菲涅尔透镜提供的齿面，为便于理解，以下先对相关概念进行介绍。
菲涅尔（Fresnel）透镜是一种薄型透镜。通过将普通透镜连续的原始曲面分割成若干段，在减少每段的厚度后将各段曲面置于同一平面或同一基本光滑的曲面上即形成为菲涅尔透镜。这种由原始曲面演变而来的不连续的折射面可称为菲涅尔折射面，一般呈阶梯状或齿状。理论上菲涅尔折射面与相应的原始曲面相比具有近似的光学性能，但厚度却大为减少。可以将由一个原始曲面（或原始曲面的一部分）生成的菲涅尔折射面称为一个菲涅尔单元。
传统的用于生成菲涅尔折射面的原始曲面一般为绕光轴对称的曲面，例如球面、旋转抛物面等旋转曲面。传统的原始曲面的焦点在一个点上，因此，可称为“共点面”。在本发明中，原始曲面可以是任何形式的共轴面，可根据应用的需要具体设置。所称共轴面是指焦点在同一直线上（而不一定是在同一个点上）的曲面，该直线可称为“共轴线”。传统的共点面可视为共轴面的共轴线退化为一个点时的特例。采用共轴但不共点的原始曲面，可以将用于设置在聚焦位置的感应元件从较小的面积（对应于焦点）扩展为长条形（对应于由焦点组成的共轴线），从而在不显著增加成本的情况下，提升信号收集的能力并有助于解决局部过热问题。典型的共轴面包括旋转曲面（含二次或高阶旋转曲面）、柱面、锥面等。其中柱面又可称为等截面共轴面，这种曲面沿着共轴线的垂直方向在任何一点切开，所得到的横截面的形状和大小都是一致的，圆柱面是柱面的一种特例。锥面沿着共轴线的横截面则具有相似的形状但大小不同，圆锥面是锥面的一种特例。图2示出了以上两种共轴面，其中图2(a)为等截面共轴面，图2(b)为锥形共轴面，其焦点F均位于各自的共轴线L上。
由一个或多个菲涅尔单元组成的宏观折射面可称为齿面，与之相对的基本光滑或平坦的面则可称为背面。可将只含有一个菲涅尔单元的齿面称为“简单菲涅尔折射面”，而将含有两个以上菲涅尔单元的齿面称为“复合菲涅尔折射面”。一般而言，复合菲涅尔折射面上各个菲涅尔单元的基本参数（例如，面积、焦距、所对应的原始曲面的形状、分割原始曲面所使用的同心环的数量等）均可以灵活布置，可以完全相同、部分相同或完全不同。在一种实施方式中，复合菲涅尔折射面上的每个菲涅尔单元各自有自己的光学中心，但焦点落在同一个点，或者一条直线，或者一个有限的区域内。这可以通过对构成该复合菲涅尔折射面的每个菲涅尔单元进行空间布置来实现。可以认为这些菲涅尔单元被布置在一个宏观曲面上，例如平面、二次曲面（包括球面、椭球面、圆柱面、抛物柱面、双曲柱面）、高阶多项式曲面（非球面的通常实现方式）、以及由多个平面拼接成的折面以及梯台面等。
齿面和背面可以灵活地组合以形成不同类型的元件。例如具有一个齿面和一个背面的菲涅尔透镜可称为“单面菲涅尔透镜”，进一步的，若齿面为“简单菲涅尔折射面”，则透镜为“单面简单菲涅尔透镜”，若齿面为“复合菲涅尔折射面”，则透镜为“单面复合菲涅尔透镜”。两面都是齿面的菲涅尔透镜可称为“双面菲涅尔透镜”，并同样可根据齿面的类型进一步分为“双面简单菲涅尔透镜”和“双面复合菲涅尔透镜”。若双面菲涅尔透镜的一个齿面为简单菲涅尔折射面，而另一个齿面为复合菲涅尔折射面，则可称为“双面混合菲涅尔透镜”。此外，作为一种变形，在双面菲涅尔透镜中，若齿面之一为“简单菲涅尔折射面”，则该齿面可以由一个传统的凸透镜面或凹透镜面来取代。
在同一光路上设置两个或更多的齿面可以使会聚系统具有更好的会聚能力。图3示出了一种具有两个齿面的会聚系统，其中，复合菲涅尔折射面s3和简单菲涅尔折射面s4既可以由一个双面菲涅尔透镜同时提供，也可以由两个单面菲涅尔透镜分别提供。
用于本发明的会聚系统的反射面可以是平面反射面或曲面反射面，例如凹面或凸面反射面，还可以是齿面形状的反射面。反射面的宏观形状可以与系统中其他聚光折射面的形状相似，例如为旋转曲面或共轴面。反射面可以由仅具有单一反射功能的元件来提供，例如具有反射镀膜的平板，光线直接在元件表面进行反射。反射面也可以由反射透镜来提供。所称反射透镜指一面具有反射镀膜的透镜，光线从透射面折射进入透镜后再由反射面反射，并再次经过透射面折射出元件。
将不同类型的反射面与不同类型的透射面灵活组合可以形成不同类型的反射透镜。特别地，将反射透镜中的一个或两个曲面替换为相应的齿面，即可得到菲涅尔式反射透镜。一种菲涅尔式反射透镜可参考图4，其中，元件L1具有平面反射面s5和简单菲涅尔折射面s6。由于反射，入射光路两次经过物理折射界面s6，该物理界面实际上等效于两个齿面，因此元件L1也可被称为反射式双面菲涅尔透镜。元件L1可以通过在单面菲涅尔透镜的背面镀反射膜或者粘贴具有反射能力的贴片来形成，其他类型的反射透镜也可以通过将原始透镜的任意一面变为反射面来形成。使用反射透镜能够简便地增加光路中聚光折射面的数量，降低制作和安装的成本。
以下结合具体的应用场景对依据本发明的多功能太阳能系统的几种使用形态进行举例说明。
实施例1
依据本发明的多功能太阳能系统的一种实施方式可参考图5，包括用作会聚系统的菲涅尔式反射透镜110，第一太阳能利用装置121和第二太阳能利用装置122。第一太阳能利用装置支撑于桌台131，第二太阳能利用装置支撑于立柱132。
菲涅尔式反射透镜110具有一个光滑而圆周对称的凸面111和一个齿面112，其中，凸面111作为聚光折射面，齿面112镀有反射膜作为反射面。虽然物理上只有一个聚光折射面，但实际上太阳光在“经111入射->经112反射->经111出射”的过程中进行了3次会聚。
本实施例中，由于反射面和聚光折射面由同一个物理元件提供，是不能移动的，因此移动部件为第一太阳能利用装置，其可以固定或放置在桌台131上。当桌台放置在会聚系统上方时，第一太阳能利用装置121处于光路中以供使用，当桌台从会聚系统上移开后，第二太阳能利用装置122即处于光路中以提供其他功能。
两个太阳能利用装置可以是不同的类型，例如，分别为太阳能加热装置和光伏板，由于太阳能加热装置的能量利用效率通常远高于光伏板，因此在有加热需求时，直接使用太阳能加热装置比将太阳能转化为电能后再用电加热能更好地利用光能。本实施例中，第一太阳能利用装置为太阳能加热装置，具体可以是太阳能灶、热水器、烤架、烤箱等。第二太阳能利用装置为光伏板，产生的电能通过隐藏于立柱132中的导线133引出。需要说明的是，第一太阳能装置是可移动的，因此也是可更换的，例如，可以先用太阳能灶炒菜后，再换成热水器来烧水。本发明多功能太阳能系统中包括两个太阳能利用装置，但并不局限于两个，而是可以有多个。
作为一种优选的实施方式，第二太阳能利用装置，即两个太阳能利用装置中沿太阳光入射的方向布置在上方的一者，为双面光伏板。布置在上方的双面光伏板能够从正面和反面两个方向吸收入射的太阳光，能够更充分地利用太阳能。
本实施例中的会聚系统可以敷设在地面上成为聚光地板或地砖，适用于例如住宅的院子或公园的公共区域等，基于本实施例的太阳能系统不仅能够提供户外供电，也提供了野炊的工具。
实施例2
依据本发明的多功能太阳能系统的另一种实施方式可参考图6，与实施例1相比，主要是将应用场景移动到了室内，包括会聚系统，太阳能加热装置221和光伏板222。其中，会聚系统包括聚光墙211和反射元件212，太阳能加热装置支撑于桌台231，光伏板支撑于天花板232。
聚光墙211可采用具有会聚能力的透镜模块砌成，例如菲涅尔透镜制成的聚光砖，其提供至少一个聚光折射面。反射元件212敷设在地面上，可以是平面反光地板，也可以是类似于实施例1中的菲涅尔式反射透镜，以提供进一步的会聚能力。
本实施例中，由于反射元件设置于地面，是不能移动的，因此太阳能加热装置221固定或放置在可移动的桌台231上，光伏板222固定在天花板232上，替换使用过程与实施例1类似，不再赘述，不过光伏板的输电线需要沿着天花板从墙体中引出。
本实施例的多功能太阳能系统适合在室内使用，例如楼房或厂房，能够最大化地利用照射到室内的太阳能，不仅适合用于住宅，也适合用于具有加热需要的工厂，例如食品加工厂等。
实施例3
依据本发明的多功能太阳能系统的另一种实施方式可参考图7，包括会聚系统，太阳能加热装置321和光伏板322。其中，会聚系统包括第一菲涅尔透镜311、第二聚光透镜313和反射元件312，太阳能加热装置支撑于桌台331，光伏板支撑于立柱332。
本实施例的会聚系统采用双重会聚结构，其中，第一菲涅尔透镜311为单面或双面复合菲涅尔透镜，第二聚光透镜313为凸透镜或菲涅尔透镜。
反射元件312为移动式的，当反射元件位于光路上时，光伏板322处于光路中，当反射元件移出光路后，太阳能加热装置321即处于光路中以提供直接加热的功能。
为更充分地利用太阳能，本实施例中还包括以透明材料制作的水箱341。光伏板322，即两个太阳能利用装置中沿太阳光入射的方向布置在上方的一者，作为热源以热传导的方式被水箱包裹，例如通过导热材质与热水器紧密接触以进行热交换。冷水从进水口342进入热水器，与光伏板进行热交换后从出水口343流出。
第一菲涅尔透镜可采用柔性透明材料压制而成，例如软质塑胶、柔性水晶板等，可用于作为帐篷的顶面或伞的顶面，则本实施例可以视为将太阳能系统用作户外遮阳伞的应用场景。还可进一步在第一菲涅尔透镜的周围设置挂钩或挂孔（未图示），以用于安装围帐334，从而将本实施例的太阳能系统变成一个可供居住的太阳能帐篷。若第一菲涅尔透镜采用硬质材料制成，并将围帐334替换成围墙，则本实施例可视为安装在厨房里的屋顶太阳能系统。在其他实施方式中，为确保在阴雨天时也能进行烹饪，太阳能加热装置321还可进一步连接辅助热源。
为更好地存储和利用由太阳能转换得到的电能，本实施例中还包含以下列出的附加元件，在其他实施方式中，可以根据应用的需要选择性地只包含其中的一种或几种。
能量存储器351，与光伏板322通过导线333电连接，用于储存电能。能量存储器可选自超级电容、可充电电池和空气压缩机。
交流逆变器352，与能量存储器电连接（在其他实施方式中，也可以直接与光伏板电连接），用于将光伏板输出的直流电转换为交流电，例如60赫兹的120V或50赫兹的220V，其连接的交流接线板353可以直接向用户提供交流输出。
直流电压输出装置354，与能量存储器电连接（在其他实施方式中，也可以直接与光伏板电连接），用于输出直流电压，以便于用户使用，输出装置输出的直流电压例如可包括12V、9V、5V、3V、1.5V等。
实施例4
依据本发明的多功能太阳能系统的另一种实施方式可参考图8，包括会聚系统，太阳能加热装置421和光伏板422。其中，会聚系统包括第一菲涅尔透镜411、反射元件412和第二菲涅尔透镜413，太阳能加热装置支撑于桌台431，光伏板支撑于立柱432。
本实施例的会聚系统采用双重会聚结构，且反射元件布置在第二菲涅尔透镜之前。其中，第一菲涅尔透镜411为单面或双面复合菲涅尔透镜，与实施例3中类似，可用作遮阳伞面；第二菲涅尔透镜413为复合或简单菲涅尔透镜。本实施例的会聚系统不仅能够获得良好的遮阳效果，也使得光伏板422能够以较小的面积获得大部分照射到伞面上的光能。
反射元件412为移动式的，太阳能加热装置421和光伏板422的交替使用方式与实施例3类似。
为实现自动化的交替控制，还可进一步包括移动控制装置（未图示），其用于按照预置的程序控制系统中为移动式的部件进行移动。对于本实施例而言，可以将反射元件安装在一个驱动电机上，按照预置的程序将反射元件移入或移出光路。所称预置的程序可以根据场景的需要进行配置。例如，对于自动烹饪类应用，驱动电机的控制程序可以与自动烹饪程序协同，在被加热材料投放到太阳能加热装置后控制将反射元件移开以进行加热，在完成出料后控制反射元件复位以继续发电。所称预置的程序还可以根据实时采集的环境及系统参数来进行控制，例如光强或温度等。例如，可以配置为在光照强烈的时候，如盛夏的正午，控制将反射元件移开，此时加热装置可以进行海水淡化等需要大功率的加热工作，在光照减弱后，控制将反射元件复位以继续发电，这样有利于降低光伏板的温度，延长其使用寿命。本实施例中，在第二菲涅尔透镜边缘安装有温度和光强探测器件455，以为智能控制提供参数。
在附加元件方面，除了与实施例3类似的能量存储器451、交流逆变器452、交流接线板453、直流电压输出装置454以外，本实施例还包括：
状态指示器456，用于检测并显示系统的运行参数，这些运行参数可以是电压、电流、功率、温度等，以便于用户掌握太阳能系统的运行状况；可通过设置与所需要的参数类型对应的检测器件来获得这些参数，例如温度探头等；移动部件的智能控制程序可以与状态指示器集成在一起。
此外，本实施例的交流逆变器452还将电力输出连接至连网开关柜457（因此交流接线板453自连网开关柜引出），连网开关柜与外部交流电网458相连，使得太阳能系统产生的电能可以并入到外部电网中，因此本实施例系统还可用于充当太阳能电站。
以上应用具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，应该理解，以上实施方式只是用于帮助理解本发明，而不应理解为对本发明的限制。对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，可以对上述具体实施方式进行变化。

Claims (10)

1.一种多功能太阳能系统，其特征在于，包括，
会聚系统，其包括至少一个聚光折射面(s1)和一个反射面(s2)，所述反射面沿太阳光入射的方向设置于所述聚光折射面的下方；
两个太阳能利用装置(P1, P2)，用于吸收和利用太阳光；
所述反射面为移动式的，所述两个太阳能利用装置分别布置在反射面移动前及移动后的光路上。
2.如权利要求1所述的太阳能系统，其特征在于，所述至少一个聚光折射面为齿面，含有至少一个菲涅尔单元。
3.如权利要求2所述的太阳能系统，其特征在于，所述齿面和/或所述反射面的宏观曲面的形状为旋转曲面或共轴面。
4.如权利要求2所述的太阳能系统，其特征在于，所述会聚系统包括第一菲涅尔透镜和反射元件，其中，
第一菲涅尔透镜的类型选自：单面简单菲涅尔透镜、单面复合菲涅尔透镜、双面简单菲涅尔透镜、双面复合菲涅尔透镜、双面混合菲涅尔透镜；
所述反射元件的类型选自：仅具有单一反射平面或反射曲面的反射元件、平面反射镜、由平面反射面与凹面或凸面透射面组合成的反射透镜、菲涅尔式反射透镜。
5.如权利要求1所述的太阳能系统，其特征在于，还包括移动控制装置，所述移动控制装置用于按照预置的程序控制所述系统中为移动式的部件进行移动。
6.如权利要求1至5任意一项所述的太阳能系统，其特征在于，所述两个太阳能利用装置的类型分别选自如下类型之一：太阳能加热装置，光伏板。
7.如权利要求1至5任意一项所述的太阳能系统，其特征在于，所述两个太阳能利用装置中，沿太阳光入射的方向布置在上方的一者为双面光伏板。
8.如权利要求1至5任意一项所述的太阳能系统，其特征在于，还包括以透明材料制作的水箱，所述两个太阳能利用装置中，沿太阳光入射的方向布置在上方的一者作为热源以热传导的方式被所述水箱包裹。
9.如权利要求1至5任意一项所述的太阳能系统，其特征在于，所述聚光折射面或反射面的周围设置有挂钩或挂孔，所述挂钩或挂孔用于安装围帐。
10.如权利要求6所述的太阳能系统，其特征在于，所述两个太阳能利用装置中至少一者的类型为光伏板，所述系统还包括以下元件中的一种或多种：
能量存储器，与所述光伏板电连接，用于储存电能，所述能量存储器选自超级电容、可充电电池和空气压缩机；
交流逆变器，与所述光伏板电连接，用于将光伏板输出的直流电转换为交流电；
直流电压输出装置，与双面光伏板电连接，用于输出直流电压；
状态指示器，用于检测并显示系统的运行参数，所述运行参数选自电压、电流、功率、温度。
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