CN116232213A - 用于建筑窗体兼顾室内照明与光伏发电的透光聚光部件 - Google Patents

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吴佳瑜
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    • F21—LIGHTING
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Abstract

用于建筑窗体兼顾室内照明与光伏发电的透光聚光部件属于光伏建筑一体化技术领域。在本发明中，透光聚光单元阵列由m×n个透光聚光镜组成，所述透光聚光镜由光学塑料注塑而成，耦合单元阵列由m×n个耦合镜组成，耦合单元阵列位于导光板上表面，耦合单元阵列和导光板采用光学塑料同步注塑而成，透光聚光单元阵列位于耦合单元阵列上方，每个透光聚光镜对应一个耦合镜。入射日光一部分自导光板一端出射，用于光伏发电，另一部分自导光板下表面出射，用于室内照明，做到二者兼顾；采用本发明取代原安装在建筑窗体上具有相同面积的光伏电池板，能够采集同样数量的日光，而且，不仅减少了光伏电池板的使用，还能够提高光伏电池板的光照强度。

Description

用于建筑窗体兼顾室内照明与光伏发电的透光聚光部件
技术领域
本发明涉及一种用于建筑窗体兼顾室内照明与光伏发电的透光聚光部件，属于光伏建筑一体化技术领域。
背景技术
光伏系统和建筑的结合被称为光伏建筑一体化或者建筑集成光伏(BIPV)系统，用于提供建筑用能源。其工作原理与普通光伏系统相同，不同的是，光伏系统中的太阳能组件同时作为建筑外墙挂件，与建筑物呈集成关系，相比于结合关系，各方面的成本均得到降低。为了实现能源供给的可持续性，应对能源成本的不断上升，近年来BIPV系统得到了快速发展。BIPV系统的具体应用方案是将光伏电池板作为建筑玻璃幕墙的一部分，或者用光伏电池板部分取代玻璃窗。不过，所述现有技术有其技术问题，例如，减弱了室内照明；实际上光伏电池板的面积与光伏系统的采光面积相同，所以，光伏电池板的光照强度低，进而，不仅利用程度低，而且发电效率低；由于光伏电池板固定安装，采光角度不变，同样降低了采光效率。
发明内容
为了使建筑集成光伏系统同时能够满足室内照明的需求，并且，在光伏系统的采光面积不变的前提下，通过减小光伏电池板的面积来提高光伏电池板的光照强度，以及最大程度地减小因光照角度的改变对建筑集成光伏系统采光效率的影响，我们发明了一种用于建筑窗体兼顾室内照明与光伏发电的透光聚光部件。
本发明之用于建筑窗体兼顾室内照明与光伏发电的透光聚光部件其特征在于，如图1所示，由透光聚光单元阵列1、耦合单元阵列、导光板2组成，所述透光聚光单元阵列1由m×n个透光聚光镜组成，所述透光聚光镜由光学塑料注塑而成，所述耦合单元阵列由m×n个耦合镜3组成，耦合单元阵列位于导光板2上表面，耦合单元阵列和导光板2采用光学塑料同步注塑而成，透光聚光单元阵列1位于耦合单元阵列上方，每个透光聚光镜对应一个耦合镜3；如图2所示，透光聚光镜的工作镜面包括平面入射面a、抛物面反射面b、球面出射面c、平面出射面d；抛物面反射面b为母线方程为y＝az2的旋转抛物面的一部分，a为抛物线系数；平面入射面a、平面出射面d彼此平行且与所述旋转抛物面的对称轴Y轴垂直，平面出射面d与所述旋转抛物面的焦点F的Y轴坐标值相同，平面入射面a与平面出射面d的间距为透光聚光镜高度h；球面出射面c是一个具有半径r的半球面，所述半球面的球心位于所述旋转抛物面的焦点F处，球面出射面c的开口朝下且位于平面出射面d上；如图3所示，耦合镜3是一个具有半径R的半球面，所述半球面的球心位于所述旋转抛物面的焦点F处，耦合镜3的开口朝上且位于导光板2上表面；如图1、图3所示，入射平面入射面a的日光一部分由抛物面反射面b反射向所述焦点F，其间由球面出射面c折射偏向下方，自耦合镜3入射导光板2后折射到导光板2的下表面，由所述下表面小角度反射，再在导光板2上表面、下表面之间发生若干次全反射后，自导光板2一端出射；入射平面入射面a的日光的另一部分穿过透光聚光镜、导光板2，自导光板2下表面出射。
本发明其技术效果在于，用于建筑窗体时，日光入射透光聚光部件后，自导光板2一端出射的日光用于光伏发电，自导光板2下表面出射则用于室内照明，做到二者兼顾；采用本发明之具有某一采光面积的透光聚光部件取代原安装在建筑窗体上具有相同面积的光伏电池板，能够采集同样数量的日光，此时用于光伏发电的光伏电池板其面积与导光板2光输出端面面积相等即可，不仅减少了光伏电池板的使用，还能够提高光伏电池板的光照强度，因而，不仅利用程度高，而且发电效率也高；实际上，本发明的理想工作状态是平行日光垂直入射透光聚光部件，不过，在非理想工作状态中，尽管固定安装本发明之透光聚光部件，也能将大部分入射日光按比例分配到室内照明和光伏发电，而不必考虑日光的追踪。
附图说明
图1是本发明之用于建筑窗体兼顾室内照明与光伏发电的透光聚光部件整体结构及工作状态立体示意图。图2是本发明之用于建筑窗体兼顾室内照明与光伏发电的透光聚光部件中的透光聚光镜结构主视示意图。图3是本发明之用于建筑窗体兼顾室内照明与光伏发电的透光聚光部件局部结构及工作状态主视示意图，该图同时作为摘要附图。
具体实施方式
需要对本发明做进一步限定的内容包括：
如图1、图2所示，所述透光聚光镜的非工作镜面包括抛物面配合面e、抛物面让位面f，以及两个侧面；抛物面配合面e系抛物面反射面b沿Z轴负向平移透光聚光镜的厚度s且过焦点F而形成，由所述厚度s决定由透光聚光镜得到的室内照明光量，加大或者减小所述厚度s，能够加大或者减小室内照明光量；抛物面让位面f系抛物面反射面b的对称面的局部；两个侧面系以O-ZY坐标面为对称面的两个平面，两个侧面的间距为透光聚光镜的宽度D；所述抛物面配合面e、抛物面让位面f、两个侧面的作用是使构成透光聚光单元阵列1的m×n个透光聚光镜紧密排列。
所述平面入射面a镀工作波段增透膜，所述抛物面反射面b镀工作波段反射膜。
如图2所示，透光聚光镜高度h的取值范围为：
Figure BDA0004010882710000021
式中θ为旋转抛物面母线与平面出射面d交点A处的切线与平面出射面d之间的夹角；由所述高度h决定由透光聚光镜得到的光伏发电光量，加大或者减小所述高度h，能够加大或者减小光伏发电光量。
如图2、图3所示，球面出射面c的半径r由下式确定：
Figure BDA0004010882710000031
耦合镜3的半径R的取值范围为：
Figure BDA0004010882710000032
t为导光板2的厚度。
如图2所示，透光聚光镜的厚度s的最大值为：
Figure BDA0004010882710000033
以兼顾室内照明光量和光伏发电光量，如二者所占比例分别为60％、40％。

Claims (6)

1.用于建筑窗体兼顾室内照明与光伏发电的透光聚光部件，其特征在于，由透光聚光单元阵列(1)、耦合单元阵列、导光板(2)组成，所述透光聚光单元阵列(1)由m×n个透光聚光镜组成，所述透光聚光镜由光学塑料注塑而成，所述耦合单元阵列由m×n个耦合镜(3)组成，耦合单元阵列位于导光板(2)上表面，耦合单元阵列和导光板(2)采用光学塑料同步注塑而成，透光聚光单元阵列(1)位于耦合单元阵列上方，每个透光聚光镜对应一个耦合镜(3)；透光聚光镜的工作镜面包括平面入射面a、抛物面反射面b、球面出射面c、平面出射面d；抛物面反射面b为母线方程为y＝az2的旋转抛物面的一部分，a为抛物线系数；平面入射面a、平面出射面d彼此平行且与所述旋转抛物面的对称轴Y轴垂直，平面出射面d与所述旋转抛物面的焦点F的Y轴坐标值相同，平面入射面a与平面出射面d的间距为透光聚光镜高度h；球面出射面c是一个具有半径r的半球面，所述半球面的球心位于所述旋转抛物面的焦点F处，球面出射面c的开口朝下且位于平面出射面d上；耦合镜(3)是一个具有半径R的半球面，所述半球面的球心位于所述旋转抛物面的焦点F处，耦合镜(3)的开口朝上且位于导光板(2)上表面；入射平面入射面a的日光一部分由抛物面反射面b反射向所述焦点F，其间由球面出射面c折射偏向下方，自耦合镜(3)入射导光板(2)后折射到导光板(2)的下表面，由所述下表面小角度反射，再在导光板(2)上表面、下表面之间发生若干次全反射后，自导光板(2)一端出射；入射平面入射面a的日光的另一部分穿过透光聚光镜、导光板(2)，自导光板(2)下表面出射。
2.根据权利要求1所述的用于建筑窗体兼顾室内照明与光伏发电的透光聚光部件，其特征在于，所述透光聚光镜的非工作镜面包括抛物面配合面e、抛物面让位面f，以及两个侧面；抛物面配合面e系抛物面反射面b沿Z轴负向平移透光聚光镜的厚度s且过焦点F而形成，由所述厚度s决定由透光聚光镜得到的室内照明光量，加大或者减小所述厚度s，能够加大或者减小室内照明光量；抛物面让位面f系抛物面反射面b的对称面的局部；两个侧面系以O-ZY坐标面为对称面的两个平面，两个侧面的间距为透光聚光镜的宽度D；所述抛物面配合面e、抛物面让位面f、两个侧面的作用是使构成透光聚光单元阵列(1)的m×n个透光聚光镜紧密排列。
3.根据权利要求1所述的用于建筑窗体兼顾室内照明与光伏发电的透光聚光部件，所述平面入射面a镀工作波段增透膜，所述抛物面反射面b镀工作波段反射膜。
4.根据权利要求1所述的用于建筑窗体兼顾室内照明与光伏发电的透光聚光部件，透光聚光镜高度h的取值范围为：
Figure FDA0004010882700000011
式中θ为旋转抛物面母线与平面出射面d交点A处的切线与平面出射面d之间的夹角；由所述高度h决定由透光聚光镜得到的光伏发电光量，加大或者减小所述高度h，能够加大或者减小光伏发电光量。
5.根据权利要求1所述的用于建筑窗体兼顾室内照明与光伏发电的透光聚光部件，球面出射面c的半径r由下式确定：
Figure FDA0004010882700000021
耦合镜(3)的半径R的取值范围为：
Figure FDA0004010882700000022
t为导光板(2)的厚度。
6.根据权利要求2所述的用于建筑窗体兼顾室内照明与光伏发电的透光聚光部件，透光聚光镜的厚度s的最大值为：
Figure FDA0004010882700000023
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