CN116961565B - 调控太阳光利用率的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种调控太阳光利用率的装置及方法，包括：光汇聚器件，用于汇聚太阳光；功能材料，所述功能材料的图案对应不同入射角的太阳光经光汇聚器件后的聚焦点或聚焦光斑形成的图案；光接收面，所述功能材料铺设于所述光接收面上，太阳光经光汇聚器件后的聚焦点或聚焦光斑落在所述光接收面上。本发明通过根据不同时间对应的功能需求选择功能材料，从而实现了对不同角度太阳光的透射、反射和吸收。

Description

调控太阳光利用率的装置及方法

技术领域

本发明涉及太阳能调控技术领域，具体地，涉及一种调控太阳光利用率的装置及方法。

背景技术

国际社会越来越重视环境保护，双碳计划被提上日程，因此清洁能源和节能材料得到越来越高的重视。

地球上的四季温差和早晚温差导致人们需要花费大量能源用于制热和制冷，而产生温差的原因就是太阳光在四季和早晚照射地球的入射角度发生变化，而不同角度入射实际上就是不同强度入射。如果能够控制地面物体对于太阳光的吸收，比如冬天多吸收而夏天少吸收，或者早晚多吸收而中午少吸收，将是十分有意义的。

但是动态调控物体的吸收谱是十分困难的，尤其是高效率调控，现在还没有很好的办法做到不耗费能量的情况下，高效率自动调控太阳能吸收率。

专利文献CN110131906A(申请号：CN201910387939.0)公开了一种提高太阳能利用率的太阳能热水器，包括相互连接的水箱和太阳能集热装置，还包括可旋转的太阳光反射板；所述太阳光反射板的旋转轴位于所述太阳能集热装置的底部，所述水箱表面附着柔性光伏板，所述柔性光伏板连接有蓄电池；所述太阳光反射板反射太阳光至所述太阳能集热装置或所述柔性光伏板。

因此，有必要提供一种调控太阳光利用率的方法及装置，以根据需求调控光的利用率，并控制温差。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种调控太阳光利用率的装置及方法。

根据本发明提供的调控太阳光利用率的装置，包括：

光汇聚器件，用于汇聚太阳光；

功能材料，所述功能材料的图案对应不同入射角的太阳光经光汇聚器件后的聚焦点或聚焦光斑形成的图案；

光接收面，所述功能材料铺设于所述光接收面上，太阳光经光汇聚器件后的聚焦点或聚焦光斑落在所述光接收面上。

优选的，所述光汇聚器件包括凸透镜、菲涅尔透镜或装液体的透明容器。

优选的，所述光接收面为弧形凹面或平面。

优选的，所述功能材料由不同比例的吸收材料、反射材料和透射材料中一种或者多种组成。

优选的，根据需求不同，所述功能材料在图案不同位置上的光吸收率不同。

优选的，所述光汇聚器件与所述光接收面为一体结构，或者分别为独立器件。

优选的，所述光汇聚器件与所述光接收面为一体结构，整体形状为类球体。

优选的，调节所述光汇聚器件和所述光接收面，使两者的横向截面相互平行；

调节所述光汇聚器件和所述光接收面，使在春分和秋分中午12点时，太阳光汇聚到所述光接收面的中心点；

调节所述光汇聚器件和所述光接收面，使其中午在中心，早晚在两边。

根据本发明提供的调控太阳光利用率的方法，包括以下步骤：

设置太阳光接收面；

采用光汇聚器件汇聚太阳光并在所述接收面形成汇聚光斑，太阳光入射光汇聚器件的角度改变时，汇聚光斑沿有规律的光斑轨迹移动；

根据每年所有日期不同时刻的功能需求选择功能材料，将选择的功能材料铺设于对应时刻形成的汇聚光斑处，所述功能需求的类型包括吸收光、反射光和透射光；

将多个调控太阳光利用率的装置按照预设规则排列，从而实现对大面积太阳光照射功率的调控。

优选的，铺设功能材料方式包括：

确定所述接收面的地理位置，根据日期和时刻计算太阳光入射角，根据太阳光入射角计算对应的汇聚光斑的位置；

根据每年所有日期不同时刻的功能需求，在对应汇聚光斑处铺设对应功能材料；

功能材料依据功能需求随着光斑轨迹渐变铺设；或，

功能材料依据功能需求随着光斑轨迹按阵列方式铺设；

若功能需求为吸收光，则在对应汇聚光斑处铺设吸收材料；

若功能需求为反射光，则在对应汇聚光斑处铺设反射材料；

若功能需求为透射光，则在对应汇聚光斑处铺设透明材料。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

(1)本发明为被动式调控太阳光利用率，无需外界供能，节能；

(2)本发明可以实现调控整年的太阳光利用率，且可以精确到每小时，可见调控范围广，调控效率高；

(3)本发明可以实现自适应的冬暖夏凉。

(4)本发明加工和安装简单、便捷，可用于批量化生产，且成本低。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1a为本发明实施例提供的调控太阳光利用率的装置示意图；图1b为冬至日14点透镜聚焦示意图；图1c为接受面聚焦俯视图；

图2为本发明实施例提供的分体式结构中不同角度入射汇聚光斑位置的变化图；

图3为本发明实施例提供的装置优选角度示意图；

图4为本发明实施例提供的装置优选方向示意图；

图5为本发明实施例提供的汇聚光斑大小的调控示意图；

图6中的(a)～(e)为本发明实施例提供的太阳能不同时刻恒定吸收功率设置示意图；

图7为本发明实施例提供的室内恒温调控示意图；

图8为本发明实施例提供的不同功能材料的铺设示意图

图9为本发明实施例提供的一体式结构中不同角度入射汇聚光斑位置的变化图；

图10为本发明实施例提供的弧形接收面的一体式结构的结构示意图；

图11为本发明实施例提供的方形接收面的一体式结构的结构示意图；

图12为本发明实施例提供的装置在房顶时调控太阳光利用率的示意图；

图13为本发明实施例提供的装置在窗户时调控太阳光利用率的示意图；

图14为本发明实施例提供的太阳光利用率装置阵列的顶视图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

实施例1

本实施例提供了一种调控太阳光利用率的装置，如图1a～图1c和2所示，包含光汇聚器件，用于汇聚太阳光；图案化功能材料，所述功能材料的图案对应不同入射角的太阳光经光汇聚器件后的聚焦点或聚焦光斑形成的图案。

其中，光汇聚器件可以是任何具有光汇聚效果的器件，如凸透镜或菲涅尔透镜。光汇聚器件焦距大小会影响汇聚光斑的分布，进而影响太阳能调控的范围和精度。如图5所示，在小焦距的透镜下，光的汇聚焦点距离透镜近，而大京剧的透镜，光的汇聚焦点距离透镜远。而且，在偏离汇聚焦点相同距离时，小焦距的透镜的光斑比大焦距的光斑要大。根据这些原理，可以合理选择光汇聚器件来满足实施要求和性能要求。

所述图案化功能材料的图案可以根据具体的功能要求进行确定。我们知道，太阳光在同一天的不同时刻，经过光汇聚器件后会聚焦成一点或者一个光斑，不同时刻的太阳光由于相对光汇聚器件的入射角度不同而导致汇聚点或汇聚光斑所处的位置也不同，但一整天不同时刻的这些汇聚点或汇聚光斑会形成连续的图案。同样的，在一整年中，每一季节中每一天的汇聚点或汇聚光斑会形成多条连续的图案。

我们根据上面的特点来设计功能材料的图案以达到对光的调控，例如，如果我们只关注某一特殊时刻的光调控，那么我们可以在该时刻光的汇聚点或汇聚光斑位置处设置该功能材料；如果我们关注某一段连续时刻的光调控，么我们可以在该段连续时刻所对应的连续光汇聚点或汇聚光斑区域设置该功能材料；如果我们关注多个零散时刻点，或者若干零散时刻点与若干连续时刻的光调控，那么我们可以在这些零散时刻点，或者若干零散时刻点与若干连续时刻所对应的位置设置功能材料；当然，我们也可以在一整天，或者一整年时间所对应的位置上设置功能材料。

这些根据具体需求而铺设的功能材料我们称之为图案化。

所述功能材料包含吸收材料、反射材料和透射材料中一种或者多种；不同材料的比例按照需求设定，如果需要提高装置整体的光吸收率，那么可以提高吸收材料的占比，而降低反射材料的占比；反之，如果需要降低装置整体的吸收率，那么可以降低吸收材料的占比，而提高反射材料的占比。

更优的，上述装置还包括光接收面，所述功能材料铺设于所述光接收面上。所述光接收面为弧形凹面或平面，太阳光经光汇聚器件后的聚焦点或聚焦光斑落在所述光接收面上。

所述光接收面方便功能材料的铺设，为了达到不同的功能，在同一天不同时刻，不同季节的不同时刻所对应的光聚焦点或聚焦光斑处设置不同吸收率的功能材料来达到调控光利用率的目的。例如，每天中午12点的阳光照射最强，为了减少光照射所产生的热量，可以在中午12点所对应的光聚焦点或聚焦光斑处设置高反射率低吸收率的功能材料；如果要尽量增加该时刻光照射所产生的热量，可以在对应位置上设置低反射率高吸收率的功能材料。

从而根据太阳光的光学规律，选择不同的材料，可以达到温度调节功能，降低能耗，绿色环保。

实施例2

本实施例提供了实施例1的最优安装方法。

参考图3和图4，接收面应该处于光汇聚器件下方，接收面所在平面平行于光汇聚器件所在平面，安装时候，两者与水平面保持一定夹角，这个角度取决于所在地区的纬度值，比如以上海地区为例，将春分秋分的12点调节成阳光正入射，即计算出两者与水平面的夹角等于31°，以使得春分秋分聚焦在接收面中间，而冬天和夏天聚焦在接收面两边(如图1所述)。另一方面，所述调控太阳光利用率的装置保持朝向正南，以保证中午时刻聚焦在接收面中间，早晚落在两边。其他地区可以根据纬度信息和具体需求调节方位和角度。

实施例3

实施例3为实施例1中各结构的设计方法。

如图5所示，光汇聚器件焦距大小会影响汇聚光斑的分布，进而影响太阳能调控的范围和精度。

通过设计接收面的位置和光汇聚器件的参数来实现对太阳能的合理的控制：例如可以设计复杂的接收面(如复杂曲面)和最优的光汇聚器件尺寸以实现最优化汇聚光斑的大小和分布，进而实现高效(如高效控制到每个时刻)的和大范围(如一年365天)的太阳能分辨。也可以设计简单易制备的球面甚至平面作为接收面，来实现更低效率和更小范围的太阳能调控。

实施例4

本实施例提供了实施例1中功能材料的选择方法。所述功能材料的类型根据每年所有日期不同时刻的功能需求选择，所述功能需求的类型包括吸收光、反射光和透射光。若功能需求为吸收光，则在对应汇聚光斑处选择吸收材料；若功能需求为反射光，则在对应汇聚光斑处选择反射材料；若功能需求为透射光，则在对应汇聚光斑处选择透明材料。

进一步的，吸收材料包括具备吸收光的功能的材料，例如黑色油漆涂敷以及黑色布料平铺等；反射材料包括具备反射光的功能的材料，例如反光金属片(铝片、铜片、铝片、银片、钴片、钯片、铁片、镉片以及镍片等)、反光布料平铺以及反光复合材料涂敷等；透射材料包括具备透光功能的材料，例如塑料膜和玻璃等，当然也可以是无材料(即不添加材料)。

举例一：根据太阳光在不同节气的特征选择不同的功能材料。

举例二：按时间段选择。例如早晚太阳倾斜照射导致温度较低，照射功率低，太阳光比较温和，则在对应汇聚光斑处铺设吸收材料和/或透明材料：若同时需要日照和温度，则根据功能需求按比例铺设吸收材料和透明材料；若仅需要日照(例如阳光房)，则在对应的汇聚光斑处全铺设透明材料；若仅需要温度调控，则在对应汇聚光斑处全铺设吸收材料。例如中午日照强，倾斜角度小，照射功率强，温度高，需要降温和遮阳，则在对应汇聚光斑处全铺设反射材料。如图6中的(a)～(e)和图7所示，以冬至时太阳光入射为例进行说明：实际吸收功率＝吸收率*太阳能功率(此处的吸收率为吸收材料占比)，在本实施例中，根据实际需求调整其从10点到14点各整点的实际吸收功率分别为0.95、0.84、0.81、0.84和0.95，使室内温度相对均衡，太阳能照射功率保持均衡。

同理，如果需要室内温差跨度尽可能大，那么可以相反设计功能材料，例如在早晚对应汇聚光斑处铺设反射材料，中午对应汇聚光斑处铺设吸收材料和/或透明材料。

举例三：按季节选择。例如冬天温度整体都比较低，可以不分早晚，在1月整个31天所有汇聚光斑处均铺设吸收材料以提升温度。

实施例5

实施例5为实施例4的铺设方法。

所述功能材料的位置根据对应时刻形成的汇聚光斑的位置选择。本发明中，功能材料依据功能需求随着光斑轨迹渐变铺设；或，功能材料依据功能需求随着光斑轨迹按模块方式铺设。当功能材料依据功能需求随着光斑轨迹按模块方式铺设时，接收面内包含有根据每年所有日期划分的多个模块，即365个模块和每天的光斑位置一一对应；每个模块内铺设有功能材料，所述功能材料的类型根据不同时间对应的功能需求选择。

铺设方法一：如图8所示，可以在反射材料上贴上一定面积的吸收材料，来达到调节光的吸收率的功能。吸收材料密度越大，太阳光的吸收率越大，反射率越小；吸收材料密度越小，太阳光的吸收率越小，反射率越大。

铺设方法二：如图8所示，可以在反射材料上设置一定比例的开孔，在开孔处设置透射材料或不设置材料来控制光的透射率；在开孔处设置吸收材料来控制光的吸收率。

进一步的，同时采用透射材料和反射材料，且所述反射材料铺设于所述透射材料上，在反射材料上开孔，开孔暴露区属于透射光区域，通过控制反射材料的开孔密度以控制太阳光的透射率，开孔密度越大，太阳光的透射率越大，反射率越小；开孔密度越小，太阳光的透射率越小，反射率越大。同时采用吸收材料和反射材料时同理。

铺设方法三：混合一定数量的不同吸光性能的颗粒来控制光的吸收率，成型方式如下：

(1)按一定比例加入不同吸光性能的颗粒；

(2)加入一定量的粘合剂将颗粒均匀混合；

(3)加入一定量的干燥剂进行干燥；

(4)对干燥后的颗粒进行成型。

实施例6

本实施例提供实施例1为分体式的情况及其制备方法，如图1和2，光汇聚器件和接收面为分体式结构，根据安装需要分别安装。

分体式结构情况下的制备方法包括以下步骤：

(1)用吹制、浇铸、压制、压延、喷吹、浮法、焊接等方法制备玻璃或者塑料的光汇聚器件；

(2)根据设计制备接收面，设计方式参考实施例3；

(3)在接收面上铺设功能材料，功能材料的选择方式参见实施例4，铺设方式参见实施例5；当然可以根据设计将某一功能材料制备成接收面，然后在接收面上按需添加其他功能材料；

(4)将光汇聚器件和接收面按照计算的角度、方向和距离安装，角度和方向的计算参见实施例2，距离设计参见实施例3。

实施例7

本实施例提供实施例1为一体式的情况及其制备方法，如图9，光汇聚器件和接收面为一体式结构，即所述光汇聚器件和所述接收面制作为一个整体结构。

一体式结构情况下的制备方法包括以下步骤：

(1)按照需求设计好所需要的聚焦面大小和焦斑长度，根据需求设计接收面，用吹制、浇铸、压制、压延、喷吹、浮法、焊接等方法制备一体式的调控太阳光利用率的装置；设计方式参考实施例3。

(2)计算出太阳光不同时刻在接收面上的位置，根据需求用打印、喷墨、喷涂等方法在需要的位置设置相应的功能材料；功能材料的选择方式参见实施例4，铺设方式参见实施例5。

(3)调控太阳光利用率的装置需要按照一定方向和角度安装，方向和角度的计算参见实施例2。

实施例8

本实施例提供了实施例7中装置的不同形状。

举例一，如图10所示，所述调控太阳光利用率的装置为非球型(类似于鸡蛋形状)，光汇聚器件为球体的部分表面，接收面为椭球形端部的表面，光汇聚器件和接收面为一体式结构，太阳光从光汇聚器件(球体外表面)入射，在接收面(椭球内表面，即凹面)上透射、反射和/或吸收。

举例二，如图11所示，所述调控太阳光利用率的装置中，光汇聚器件为球体的部分表面，接收面为立方体的部分表面，即立方体具有一开口，所述球体部分表面的切口和立方体的开口对接。光汇聚器件和接收面为一体式结构，太阳光从光汇聚器件(球体外表面)入射，在接收面(立方体内表面，即凹面)上透射、反射和/或吸收。

实施例9

参考图14，本实施例提供实施例6实施例7中调控太阳光利用率装置形成的阵列，以达到对大面积太阳光照射功率的调控，多个所述调控太阳光利用率的装置可以按照设计好的阵列组合生产，也可以单个所述调控太阳光利用率的装置生产后，按照设计好的阵列拼接。阵列形状根据需求设置，例如需要在窗户上设置，则阵列形状根据窗户形状设置。

实施例10

本实施例提供实施例9中阵列的制造方法。

举例一：

若为分体式结构的调控太阳光利用率的装置，制造方法包括以下步骤：

根据需求设计阵列的模板；

按照设计好的模板、角度和方向依次铺设所述光汇聚器件，采用粘合剂固定并烘干；

根据铺设好的光汇聚器件的位置，依据计算好的距离和角度铺设接收面，采用粘合剂固定并烘干；

分体的光汇聚器件和接收面一一对应。

当然，所有的光汇聚器件可以一体成型，所有的接收面也可以一体成型。

举例二：

若为一体式结构的调控太阳光利用率的装置，制造方法包括以下步骤：

根据需求设计阵列的模板；

按照设计好的模板、角度和方向依次铺设所述装置，采用粘合剂固定并烘干；或，根据设计好的模板一体成型，按照角度和方向铺设所述装置。

实施例11

本实施例提供一种利用实施例1来达到室内温度均衡的产品，参考图12和图13，所述调控太阳光利用率的装置可以根据实际需求设置在房顶上、侧壁上或者其他区域，图12为设置在房顶上(例如玻璃顶)时的日照吸收/透射、反射的示意图；图13为设置在侧壁上(例如玻璃墙，窗户)时的日照吸收/透射、反射的示意图。图12和图13左边一幅图中，太阳光斜入射(与水平面夹角较小)，此时的太阳光照射功率低，温度低，则吸收太阳光；图12和图13中右边一幅图中，太阳光正入射(近乎垂直于水平面)，此时的太阳光照射功率高，温度高，则反射太阳光。

实施例12

本实施例提供一种调控太阳光利用率的方法，根据实施例1实现调控太阳光利用率，包括以下步骤：

计算设置调控太阳光利用率的装置的角度和方向；

按照计算的角度和方向设置调控太阳光利用率的装置；所述装置的接收面上根据每年所有日期不同时刻的功能需求，在对应汇聚光斑处铺设对应功能材料；

当太阳光入射后，实现调控太阳光利用率。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”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申请和简化描述，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申请的限制。

本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统、装置及其各个模块以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统、装置及其各个模块以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同程序。所以，本发明提供的系统、装置及其各个模块可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种程序的模块也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的模块视为既可以是实现方法的软件程序又可以是硬件部件内的结构。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (9)

1.一种调控太阳光利用率的装置，其特征在于，包括：

光汇聚器件，用于汇聚太阳光；

功能材料，所述功能材料的图案对应不同入射角的太阳光经光汇聚器件后的聚焦点或聚焦光斑形成的图案；

光接收面，所述功能材料铺设于所述光接收面上，太阳光经光汇聚器件后的聚焦点或聚焦光斑落在所述光接收面上；

调节所述光汇聚器件和所述光接收面，使两者的横向截面相互平行；

调节所述光汇聚器件和所述光接收面，使在春分和秋分中午12点时，太阳光汇聚到所述光接收面的中心点；

调节所述光汇聚器件和所述光接收面，使其中午在中心，早晚在两边。

2.根据权利要求1所述的调控太阳光利用率的装置，其特征在于，所述光汇聚器件包括凸透镜、菲涅尔透镜或装液体的透明容器。

3.根据权利要求1所述的调控太阳光利用率的装置，其特征在于，所述光接收面为弧形凹面或平面。

4.根据权利要求1所述的调控太阳光利用率的装置，其特征在于，所述功能材料由不同比例的吸收材料、反射材料和透射材料中一种或者多种组成。

5.根据权利要求1所述的调控太阳光利用率的装置，其特征在于，根据需求不同，所述功能材料在图案不同位置上的光吸收率不同。

6.根据权利要求1所述的调控太阳光利用率的装置，其特征在于，所述光汇聚器件与所述光接收面为一体结构，或者分别为独立器件。

7.根据权利要求1所述的调控太阳光利用率的装置，其特征在于，所述光汇聚器件与所述光接收面为一体结构，整体形状为类球体。

8.一种调控太阳光利用率的方法，其特征在于，采用权利要求1-7中任一项所述的调控太阳光利用率的装置，包括以下步骤：

设置太阳光接收面；

采用光汇聚器件汇聚太阳光并在所述接收面形成汇聚光斑，太阳光入射光汇聚器件的角度改变时，汇聚光斑沿有规律的光斑轨迹移动；

根据每年所有日期不同时刻的功能需求选择功能材料，将选择的功能材料铺设于对应时刻形成的汇聚光斑处，所述功能需求的类型包括吸收光、反射光和透射光；

将多个调控太阳光利用率的装置按照预设规则排列，从而实现对大面积太阳光照射功率的调控。

9.根据权利要求8所述的调控太阳光利用率的方法，其特征在于，铺设功能材料方式包括：

确定所述接收面的地理位置，根据日期和时刻计算太阳光入射角，根据太阳光入射角计算对应的汇聚光斑的位置；

根据每年所有日期不同时刻的功能需求，在对应汇聚光斑处铺设对应功能材料；

功能材料依据功能需求随着光斑轨迹渐变铺设；或，

功能材料依据功能需求随着光斑轨迹按阵列方式铺设；

若功能需求为吸收光，则在对应汇聚光斑处铺设吸收材料；

若功能需求为反射光，则在对应汇聚光斑处铺设反射材料；

若功能需求为透射光，则在对应汇聚光斑处铺设透明材料。