CN113225013A - 一种利用圆的渐开线进行聚光的太阳能发电装置 - Google Patents

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方卓雅
刘泳志
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Abstract

本发明涉及太阳能发电装置技术领域，且公开了一种利用圆的渐开线进行聚光的太阳能发电装置，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，所述聚光组件的底部形成有反射部，所述聚光组件的内部设置有集光球，所述集光球的外壁布设有光伏板。线在聚光组件的内部发生若干次全反射并逐级向下传递，大部分照射到集光球的光伏板上，其余的光线照射到聚光反射面的反光层上，光线被反光层反射，同样反射到集光球的光伏板上，高效率的对光线进行利用，光线损失较少。本发明设计新颖，具有结构简单、成本低、占地面积小、发电效果优良的优点。

Description

一种利用圆的渐开线进行聚光的太阳能发电装置
技术领域
本发明涉及太阳能发电装置技术领域，具体为一种利用圆的渐开线进行聚光的太阳能发电装置。
背景技术
太阳能是地球上丰富的可再生清洁能源，高效地利用太阳能对国家“碳中和”的实现有重要作用。但是传统分布式光伏发电装置存在占用面积大、采光时间短、依赖太阳方位等弊端，严重限制了太阳能的全面推广与进一步应用。因此，改善太阳能发电装置具有重要的实际意义。
如中国专利公告号为：CN107317546B的发明专利，其就公开了一种太阳能发电装置，包括底座及设于底座的立柱，底座中设有用于储存电能的储能器和连接立柱于并用于驱动立柱自轴旋转的第一驱动器；立柱中设有第二驱动器，立柱远离第一驱动器的一端通过转轴较接有一框架，第二驱动器的驱动端连接于框架并可驱动框架沿转轴旋转，框架上安装有太阳能电池板及太阳定位跟踪器；底座中还设有控制器，控制器分别与储能器、第一驱动器和第二驱动器电连接；太阳定位跟踪器包括基板和设于基板上表面的检测组件，基板与太阳能电池板以共面的方式设于框架；本发明具有较高的定位跟踪精度且能不受环境因素影响而时刻跟踪太阳位置，削弱环境因素对信号的干扰，降低感应信号误差。
上述专利中，虽然通过机械结构的设计能够使太阳能电池板跟随太阳移动，但是在实际应用中我们发现，其仍然存在有一定的不足之处，比如：
1、上述机械结构的设置使得发电装置的成本很高，不利于大规模应用；
2、上述发电装置的体积及占地面积仍然太大，浪费了很多空间；
3、上述发电装置的发电效果较差，对光能的转化率较低；
基于此，我们提出了一种利用圆的渐开线进行聚光的太阳能发电装置，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，本发明提供了一种利用圆的渐开线进行聚光的太阳能发电装置，具备结构简单、成本低、占地面积小、发电效果优良的优点。
(二)技术方案
为实现上述结构简单、成本低、占地面积小、发电效果优良的目的，本发明提供如下技术方案：一种利用圆的渐开线进行聚光的太阳能发电装置，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；
所述聚光组件的底部形成有反射部，所述聚光组件的内部设置有集光球，所述集光球的外壁布设有光伏板。
作为本发明的一种优选技术方案，还包括底座，所述聚光组件的反射部固定安装在底座的顶部，所述底座的内部设置有发电装置。
作为本发明的一种优选技术方案，所述光伏板的输出端与发电装置的输入端电性连接。
作为本发明的一种优选技术方案，所述反射部的底部形成有聚光反射面，以集光球为基圆，所述聚光反射面是集光球若干条渐开线的集合。
作为本发明的一种优选技术方案，所述聚光反射面的外壁设置有反光层。
作为本发明的一种优选技术方案，所述聚光组件是高透光材质的圆台体，且圆台体母线倾角θ的取值范围是：
Figure BDA0003077295910000031
式中：n表示高透光材料的折射率。
作为本发明的一种优选技术方案，所述高透光材质是高透光玻璃。
(三)有益效果
与现有技术相比，本发明提供了一种利用圆的渐开线进行聚光的太阳能发电装置，具备以下有益效果：
1、该利用圆的渐开线进行聚光的太阳能发电装置，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，减少了太阳能发电装置的占地面积，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。
2、该利用圆的渐开线进行聚光的太阳能发电装置，光线在聚光组件的内部发生若干次全反射并逐级向下传递，大部分照射到集光球的光伏板上，其余的光线照射到聚光反射面的反光层上，光线被反光层反射，同样反射到集光球的光伏板上，高效率的对光线进行利用，光线损失较少。
3、该利用圆的渐开线进行聚光的太阳能发电装置，整体由聚光组件、集光球、光伏板、底座、反光层和发电装置组成，结构简单，成本低廉，而且在运输、组装、安装的过程中均不会消耗大量的人力。
4、该利用圆的渐开线进行聚光的太阳能发电装置，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，能够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，延长了光伏板的使用寿命，光伏板的生命周期长，同时，聚光组件还对光伏板起到了一定的保护作用，能够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。
附图说明
图1为本发明整体结构的立体示意图；
图2为本发明聚光组件部分的立体示意图；
图3为本发明整体结构的正视剖面图；
图4本发明实施例中聚光组件部分的俯视图。
图中：1、聚光组件；2、反射部；3、集光球；4、底座；5、发电装置。
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：
请参阅图1-4，一种利用圆的渐开线进行聚光的太阳能发电装置，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1，聚光组件1的底部形成有反射部2，聚光组件1的内部设置有集光球3，集光球3的外壁布设有光伏板，光线在聚光组件1的内部发生若干次全反射并逐级向下传递，大部分会照射到集光球3的光伏板上；
还包括底座4，聚光组件1的反射部2固定安装在底座4的顶部，底座4的内部设置有发电装置5，光伏板的输出端与发电装置5的输入端电性连接，光伏板吸收太阳能，通过发电装置5能够利用太阳能进行发电；
反射部2的底部形成有聚光反射面，以集光球3为基圆，聚光反射面是集光球3若干条渐开线的集合，聚光反射面的外壁设置有反光层，光线在聚光组件1的内部发生若干次全反射并逐级向下传递，大部分照射到集光球3的光伏板上，其余的光线照射到聚光反射面的反光层上，光线被反光层反射，同样反射到集光球3的光伏板上，高效率的对光线进行利用，光线损失较少。
聚光组件1是高透光材质的圆台体；
如图4所示，用三维直角坐标表示法线、光线向量
法线：
Figure BDA0003077295910000051
光线：
Figure BDA0003077295910000052
入射光线与法线方向夹角余弦cosβ可以表示为：
cosβ＝cos2θsinφsinα+cos2θcosφcosα-sin2θ＝cos2θcos(φ-α)-sin2θ
因为cos(φ-α)≥0
所以cosβ≤cos2θ-sin2θ＝cos2θ
若cosβ＝cos 2θ发生全反射，其他情况下均可发生全反射，即：
Figure BDA0003077295910000053
化简得
Figure BDA0003077295910000054
即圆台体母线倾角θ的取值范围是：
Figure BDA0003077295910000061
Figure BDA0003077295910000062
式中：n表示高透光材料的折射率，θ表示圆台体母线倾角；
若高透光材质是高透光玻璃，那么最优情况下θ＝21°。
光在圆的渐开线中多次反射的证明：
圆的渐开线参数方程为：
Figure BDA0003077295910000063
若光线在竖直面入射，根据渐开线性质知：光线经过多次反射后将汇聚到集光球3上，若光线不沿着竖直面入射：令a为渐开线到圆心距离
Figure BDA0003077295910000064
Figure BDA0003077295910000065
Figure BDA0003077295910000066
小于该角度的光线均能进入集光球3，因此光线能汇聚在集光球3上。
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 (7)

1.一种利用圆的渐开线进行聚光的太阳能发电装置，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(1)；
所述聚光组件(1)的底部形成有反射部(2)，所述聚光组件(1)的内部设置有集光球(3)，所述集光球(3)的外壁布设有光伏板。
2.根据权利要求1所述的一种利用圆的渐开线进行聚光的太阳能发电装置，其特征在于：还包括底座(4)，所述聚光组件(1)的反射部(2)固定安装在底座(4)的顶部，所述底座(4)的内部设置有发电装置(5)。
3.根据权利要求2所述的一种利用圆的渐开线进行聚光的太阳能发电装置，其特征在于：所述光伏板的输出端与发电装置(5)的输入端电性连接。
4.根据权利要求1所述的一种利用圆的渐开线进行聚光的太阳能发电装置，其特征在于：所述反射部(2)的底部形成有聚光反射面，以集光球(3)为基圆，所述聚光反射面是集光球(3)若干条渐开线的集合。
5.根据权利要求4所述的一种利用圆的渐开线进行聚光的太阳能发电装置，其特征在于：所述聚光反射面的外壁设置有反光层。
6.根据权利要求1所述的一种利用圆的渐开线进行聚光的太阳能发电装置，其特征在于：所述聚光组件(1)是高透光材质的圆台体，且圆台体母线倾角θ的取值范围是：
Figure FDA0003077295900000011
式中：n表示高透光材料的折射率。
7.根据权利要求6所述的一种利用圆的渐开线进行聚光的太阳能发电装置，其特征在于：所述高透光材质是高透光玻璃。
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