CN112769393A - 一种立式全反射聚光太阳能发电装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及太阳能发电装置技术领域，且公开了一种立式全反射聚光太阳能发电装置，包括用于使光线在体壁发生若干次全反射并逐级向下传递的聚光组件；内部设有用于吸收和转换太阳能的光伏板并同时承载聚光组件的金属底座。该立式全反射聚光太阳能发电装置，将传统的以大面积平面式聚光转换为三维空间式聚光，通过空间对称的玻璃圆台体，无需过度依赖于太阳光线的具体方位，也无需考虑安装辅助光线追踪设施，对客观环境的依赖性低，减少了太阳能装置的占地面积，将采光的增加与三维空间中的“高度”因素紧密联系起来，提高了单位面积的采光率。本发明设计新颖，具有成本低、寿命长、结构简单、效率高、占地面积小的优点。

Description

一种立式全反射聚光太阳能发电装置

技术领域

本发明涉及太阳能发电装置技术领域，具体为一种立式全反射聚光太阳 能发电装置。

背景技术

太阳能发电装置一般分为民用聚光太阳能发电装置和商用聚光太阳能发 电装置。但是，在实际应用中我们发现，无论是民用聚光太阳能发电装置还 是商用聚光太阳能发电装置，都存在有一定的不足之处，比如：

民用聚光太阳能发电装置：1、通常置于居民房屋楼顶，占用楼顶大片 面积，空间选择性小，并且装置固定无法移动，安装局限性较大；2、采用 大面积光伏板，不仅造价高昂，且由于常年暴露在外，受风吹、雨淋、电磁 等各种影响易腐蚀，寿命短，再考虑到安置于房屋楼顶的特性，太阳光线直 射引起光伏板局部发热，使其寿命进一步缩短，因此，无论是维护费用或是 更换费用都非常高昂；3、大面积光伏板的单位面积集光率不高，无法确保其能达到饱和状态，这将导致采光效果有限，无法满足居民的用电需求； 4、缺少对光线的追踪技术，光伏板接收太阳光线的时段受到天气、太阳所 在方位的影响大，光伏板单位面积的利用率不高，可能会出现某部分光伏板 已完全饱和甚至局部过分受热，而同时某些光伏板完全没有发挥作用的失衡 局面，整体发电装置不稳定性大，无法确保稳定供电，无法满足居民的用电 需求。

商用聚光太阳能发电装置：1、商用聚光太阳能发电装置占用楼顶或者 占用大片土地面积，不利于中小型普通商业店面的运营，且可能造成地皮浪 费，与民用聚光太阳能装置相似，大面积光伏板造价和维修费用偏高，寿命 较短，为商户带来了更高昂的店面成本费用，不利于商家的店面或企业经 营；2、稍大型企业为满足商用需求，常采购具有辅助追踪光能效果的太阳 能发电装置或需计算机技术控制的太阳能发电装置，前期建设成本高、前期 建设周期长，难以评判购入该类智能化太阳能聚光装置经济效益的高低，且 对于中小型企业，该花费完全超过了其经济承受能力，商用聚光太阳能装置 受众门槛较高，受众范围较小。

基于此，我们提出了一种立式全反射聚光太阳能发电装置，希冀解决现 有技术中的不足之处。

发明内容

(一)解决的技术问题

针对现有技术的不足，本发明提供了一种立式全反射聚光太阳能发电装 置，具备成本低、寿命长、结构简单、效率高、占地面积小的优点。

(二)技术方案

为实现上述成本低、寿命长、结构简单、效率高、占地面积小的目的， 本发明提供如下技术方案：一种立式全反射聚光太阳能发电装置，包括：

用于使光线在体壁发生若干次全反射并逐级向下传递的聚光组件；

内部设有用于吸收和转换太阳能的光伏板并同时承载聚光组件的金属底 座。

作为本发明的一种优选技术方案，所述聚光组件是玻璃材质的实心台 体，其中，台体侧边与竖直方向的夹角θ的取值范围为：

式中，n表示玻璃材质相对于空气的折射率；

台体高度的取值范围为：

0＜h≤R cotθ，其中，当h＝Rcotθ时，聚光组件为圆锥体，当h＜R cotθ 时，聚光组件为圆台体。

作为本发明的一种优选技术方案，玻璃材质可替换为折射率n不同的透 光材料。

(三)有益效果

与现有技术相比，本发明提供了一种立式全反射聚光太阳能发电装置， 具备以下有益效果：

1、该立式全反射聚光太阳能发电装置，采用成本低廉的玻璃材料实现 聚光，玻璃耐腐蚀、防水性能好，对光伏板起到了一定的保护作用，将有效 减少光伏板的修理、更换频率，通过玻璃和光伏板的搭配大幅降低了装置的 维修护理成本。

2、该立式全反射聚光太阳能发电装置，太阳光线未直射光伏板而是经 过了玻璃材料的阻隔与减缓，将有效减缓单位时间内光伏板温度的升高，避 免了太阳光线直射时其热辐射对光伏板的损伤，延长了装置的使用寿命，产 品的生命周期长。

3、该立式全反射聚光太阳能发电装置，整体由金属底座、光伏板和聚 光组件组成，结构简单，在运输、组装、安装过程中均不会消耗大量的人 力。

4、该立式全反射聚光太阳能发电装置，将传统的以大面积平面式聚光 转换为三维空间式聚光，通过空间对称的玻璃圆台体，无需过度依赖于太阳 光线的具体方位，也无需考虑安装辅助光线追踪设施，对客观环境的依赖性 低，减少了太阳能装置的占地面积，将采光的增加与三维空间中的“高度” 因素紧密联系起来，提高了单位面积的采光率。

5、该立式全反射聚光太阳能发电装置，安装位置不再局限于屋顶，不 再依赖于大片土地面积，既适用于民用，又适合商用，受众范围更广，起购 门槛低。

附图说明

图1为本发明光线从侧面射入的示意图；

图2为本发明的俯视图；

图3为本发明光线从顶面射入的示意图；

图4为本发明光线从顶面射入夹角的示意图。

图中：1、金属底座；2、光伏板；3、聚光组件。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行 清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“竖直”、“上”、“下”、“水 平”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了 便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有 特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术 语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连 接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连 接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部 的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语 在本发明中的具体含义。

实施例：

一种立式全反射聚光太阳能发电装置，包括：

用于使光线在体壁发生若干次全反射并逐级向下传递的聚光组件3；

内部设有用于吸收和转换太阳能的光伏板2并同时承载聚光组件3的金 属底座1。

请参阅图1和图2，本实施例采用立式玻璃圆台体的结构外观，假定太 阳光线为地平线及以上方向射入玻璃圆台体，由于平行于地平线到垂直于玻 璃圆台体母线范围内的光线利用率低，故将垂直于玻璃圆台体母线及以上范 围的光线为研究对象。

根据折射定律公式，当太阳光线第一次由空气入射进入玻璃圆台体时， 折射的光线满足

式中i₁为入射角，i₂为折射角。

全反射是一种光学现象，当光线从较高折射率的介质进入到较低折射率 的介质时，如果入射角大于某一临界角，折射光线将会消失，所有的入射光 线将被反射而不进入低折射率的介质。由于空气折射率n＝1，玻璃折射率n ＞1，光线进入到玻璃圆台体后，根据严密的数学推导和分析，确定设置的 圆台倾角和合适的台体高度，可以使光线在玻璃圆台体内部借助玻璃圆台体 壁逐级发生多次全反射，光线将逐级往下传递。该过程符合以下公式：

yOz面上法线方向与光线方向可以表示为：

三维空间上法线方向与光线方向可以表示为：

入射光线与法线方向夹角余弦可以表示为：

cosβ＝cos2θ为临界条件，当这种情况下可以发生全反射时，其他情况下均可发生全反射。

所以本装置的一个特点是倾角θ的取值范围为：

本装置的另一特点是高度h范围：

0＜h≤R cotθ

其中当h＝Rcotθ时，装置为圆锥体，当h＜R cotθ时，装置为圆台体。

上述式中：

表示在yOz平面上的法线方向；

表示在yOz平面上的光 线方向；θ表示圆台体倾角。n表示透光材料相对空气的折射率，R表示透 光材料底面半径。

表示三维空间的法线方向；

表示三维空间的光线方向。

表示入射 点与圆心连接所在竖直面与yOz面的二面角；α表示光线所在竖直面与yOz 面的二面角；β表示入射光线与法线的夹角。

请参阅图3和图4，装置为圆台体时，对于顶部入射的光线：

如图可以论证在入射光线与法线夹角最大的情况下：

发生全反射时临界角：

则满足全反射条件的入射角i值范围为

所以上表面能收集到的光线角度范围比侧面的大，因而在侧面光线满足 全反射条件时，顶面相应光线必然能发生全反射。

当然，也可以根据需要调整高度h的取值0＜h≤R cotθ，并且可以明显看 出，随着高度的增高，聚光组件3的受光率明显增强。

本实施例采用玻璃作为圆台体的组成材料，也可使用折射率n不同的透 光材料(如纯石英和PC塑料)对玻璃进行替换。替代理由以公式可表示 为：

由于

所以n取值可由1取至+∞，可以根据需要选择折射率n 不同的透光材料，代入公式选择合适的θ角。

下列是本实施例就不同材料、倾角和高度的聚光组件3所进行的试验数 据：

一：聚光组件3由纯石英(n＝1.55)构成，表面为光滑表面，底面半径 R＝1m,倾角θ＝20.25°，高度1m，上表面半径为0.631m，装置光采集面积较 原采集面积增加213％；

二：聚光组件3由纯石英(n＝1.55)构成，表面为光滑表面，底面半径 R＝1m,倾角θ＝20.25°，高度2.71m，装置光采集面积较原采集面积增加289％；

三：聚光组件3由火石玻璃(n＝1.65)构成，表面为光滑表面，底面半 径R＝1m，倾角θ＝18.66°，高度1m，上表面半径为0.662m，装置光采集面积 较原采集面积增加219％；

四：聚光组件3由火石玻璃(n＝1.65)构成，表面为光滑表面，底面半 径R＝1m,倾角θ＝18.66°，高度2.96m，装置光采集面积较原采集面积增加 312％；

五：聚光组件3由PC塑料(n＝1.53)构成，表面为光滑表面，底面半 径R＝1m,倾角θ＝20.41°，高度1m，上表面半径为0.628m，装置光采集面积 较原采集面积增加213％；

六：聚光组件3由PC塑料(n＝1.53)构成，表面为光滑表面，底面半 径R＝1m,倾角θ＝20.41°，高度2.69m，装置光采集面积较原采集面积增加 287％。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而 言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行 多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限 定。

Claims (3)

1.一种立式全反射聚光太阳能发电装置，其特征在于：包括：

用于使光线在体壁发生若干次全反射并逐级向下传递的聚光组件(3)；

内部设有用于吸收和转换太阳能的光伏板(2)并同时承载聚光组件(3)的金属底座(1)。

2.根据权利要求1所述的一种立式全反射聚光太阳能发电装置，其特征在于：所述聚光组件(3)是玻璃材质的实心台体，其中，台体侧边与竖直方向的夹角θ的取值范围为：

式中，n表示玻璃材质相对于空气的折射率；

台体高度的取值范围为：

0＜h≤Rcotθ，其中，当h＝Rcotθ时，聚光组件(3)为圆锥体，当h＜Rcotθ时，聚光组件(3)为圆台体。

3.根据权利要求2所述的一种立式全反射聚光太阳能发电装置，其特征在于：玻璃材质可替换为折射率n不同的透光材料。

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