CN117148559A - 太阳能定焦聚光镜及其光伏发电与集热装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种太阳能定焦（高倍）聚光镜及其光伏发电与集热装置，它将n支分光管排列组合成一个模块作为分光镜，用于将大面积的入射阳光分束成n条细支光束；所述分光管各有一段导向管，用于将细支光束射向变平镜，经变平镜转变成准平行光束后，射向同一个固定位置的目标受光区，从而形成定焦聚光。本发明无需高精度的、昂贵的、支撑和复杂的跟踪太阳系统，结构简洁、部件少、易制造、易安装、轻薄、耐用，相比于成本最低的现行跟踪太阳系统中的槽式聚光装置，本发明设备购置成本降低25%以上，有益的是阴天也能收集利用太阳能，更有益的是本发明太阳能定焦聚光镜，可广泛应用于聚光光伏和光热发电技术领域，以提高光电转换效率，促进太阳能的开发利用。

Description

太阳能定焦聚光镜及其光伏发电与集热装置

技术领域

本发明属于光学元件/系统，具体属于非成像光学中的静态聚光器技术领域，特别涉及一种太阳能定焦聚光镜及其光伏发电装置与集热装置。

背景技术

太阳能作为一种取之不尽、用之不竭的可再生能源，其充分利用可有效缓解全球变暖，并有助于实现可持续发展。采用太阳能集热器进行太阳能利用，即阳光集中在点状或线状太阳能集热器上，以产生高温热能，用于加热、热能储存和发电等，有利于实现低成本储热，并可提高基于可再生能源电网的稳定性。在太阳能集热器中，通常采用传统聚光器，如抛物线槽和碟形聚光器，这些透镜和反射器根据其折射率和空间位置连续地调制阳光的传播相位，不可避免地需要高精度的支撑和复杂的跟踪太阳系统，这无疑增加了太阳能热发电站的成本和复杂性。

现行平板式硅片光伏电池发电装置，无需跟踪太阳系统，技术成熟度高，可靠性高。但光伏电池片的面积与阳光照射面积相同，电池片用量大，光伏电池利用率低，发电成本高。为了充分利用光伏发电，可将更大范围的太阳光集中在更小的区域，更多地收集日照比较弱时的阳光，采用聚光光伏（CPV）技术是太阳能发电未来的发展趋势。

聚光光伏（CPV）技术，是指将汇聚后的太阳光、通过高转化效率的光伏电池直接转换为电能的技术，CPV是聚光太阳能发电技术中最典型的代表。使用晶体硅电池和薄膜电池进行光电转换，分别是第一、第二代太阳能利用技术，均已得到了广泛应用。利用光学元件将太阳光汇聚后再进行利用发电的聚光太阳能技术，是太阳能发电未来发展趋势的第三代技术。与太阳能发电的传统方式相比，通过聚光技术提升太阳能电池的效率最高可达到60%，而传统光伏的效率国际最高水平的最新报道才26.81%。虽然太阳能聚光技术有很多优点，但它也面临许多挑战和限制。其中一个问题就是镜头和透镜及其太阳跟踪系统的成本高昂。透镜需要非常高的制造精度和优质的材料，从而使得聚光太阳能发电系统的成本相对较高。

中国发明专利（CN101969078B）授权了“一种选择性汇聚的光学器件”，它很薄、很轻、无需太阳跟踪系统，但其捕光效率仅为20-40%，聚光倍率仅为5倍以下，属于低倍聚光，60-80%的光能未被有效收集利用，且其“光频转换膜层”易老化，使用寿命短。为了充分利用太阳能发电，中国发明专利（CN101359697B）设计了一种“太阳能低倍聚光器”，通过光锥聚光的方式减少了太阳能电池的使用量，使单位面积的太阳能电池发电量大大增加，但它是一个很厚、很大、很笨重的梯形体，不宜用来制作屋面光伏薄板，且因其光斑不匀，所以，易降低输出功率，易于产生热斑效应，会损坏电池组件。

光学超表面是由亚波长尺度的人工原子组成的平面结构，超表面聚光器是前沿聚光技术，有望取代传统的透镜和镜子，进行有效地捕获宽带、广角的太阳光，而无需复杂的太阳光跟踪系统，以产生成本效益高的电力。它比太阳能集热系统中使用的曲面透镜或反射镜更适合开发紧凑型平台。但是，采用传统电子束曝光技术(EBL)进行大面积、高精度纳米压印模板制备的工艺，加工效率低、耗时长、加工成本高。若要实现规模应用，甚至应用演示都还有相当长的研发路要走。

综上所述，如何免跟踪、低成本、高倍率地聚光，一直是太阳能行业各国科研工作者的科研攻关的世界难题。

发明内容

本发明的目的之一：提供一种高倍聚光镜——太阳能定焦聚光镜，以期免跟踪、低成本、高倍率地聚集太阳能。

本发明的目的之二：提供一种太阳能定焦聚光光伏发电装置，以期免跟踪、低成本、高倍率地聚集太阳能进行光伏发电。

本发明的目的之三：提供一种太阳能定焦聚光集热装置，以期免跟踪、低成本、高倍率地聚集太阳能进行热量收集。

为实现上述目的之一，本发明采取的技术方案如下。

本发明提供一种太阳能定焦聚光镜，其特征在于：

①n支分光管排列组合成一个分光管阵列模块——本发明称之为分光镜，（该分光镜）用于将其上端（即输入端）所接收到的较大范围的（面积为nS₁的）入射阳光分束成众多（发散角很小的）细支光束，其中n≥5或25或50或100或500或1000或5000；工艺测试显示，组成一个分光镜的分光管数量n越大，生产制造效率越高，但是超过1000废品率就会上升；

②所述分光镜设有（例如n只）导向管，导向管的入口端（例如分别）连通所述分光管，导向管的出口端（例如分别）延伸至（例如位置不同的n个）预定投射点（例如延伸至变平镜的焦点上）并朝向特定方向（例如各个导向口中心点至变平镜中心点的连线方向）；导向管的出（光）口——本发明简称为导向口，用于调整（即改变）所述细支光束的出射方向；

③所述细支光束从所述分光管下端射入所述导向管，继而从所述导向管内传播至所述预定投射点（也即所述细支光束的射出点）并从所述导向口射出；

④从众多（例如n个）所述预定投射点及其所述导向口射出的（例如n条）所述细支光束，各自隔空射向同一个固定位置的、较小范围（面积为S₂的）的目标受光区（包括直接或经过导向镜间接射向目标受光区，该受光区可以是点或线），从而形成定焦聚光；因其焦点位置固定不动，所以本发明称之为定焦聚光；

⑤所述分光管的高度为L、入光口的口径为D；所述导向管的长度为C、所述导向管的出光口（即导向口）口径为d；单支所述分光管入光口的面积为S₁，所述受光区的面积为S₂；（最好）其中的L≤1mm或2mm或4mm或8mm或16mm或32mm或64mm或128mm或256mm或512mm、D≤1mm或2mm或4mm或8mm或16mm或32mm或64mm或128mm或480mm、C≤0.1mm或1mm或2mm或4mm或8mm或16mm或32mm或480mm、d≤0.25mm或0.5mm或1mm或2mm或4mm或8mm或16mm或32mm或64mm、D/d≥25或10或5或3.7或1.7或1、nS₁/S₂≥500或100或50或25或10或3；

这里需要特别强调的是，为了避免因D/d数值太大而产生高温，继而导致烧坏耐中低温（80-200℃）材质的所述导向管和尖嘴，应将D²/d²（的数值）设为3-22，最好设为3-9，此时，从所述导向管和尖嘴射出的所述细支光束，其聚光倍数不足10倍，能流密度不高，所以可使用镀膜铝管等廉价普通材质；研究显示，D²/d²为3-22时，不会致烧坏耐中低温材质的所述导向管，所制成的太阳能定焦聚光镜耐老化、使用寿命长、具有较高的性价比；换言之，4.69≥D/d≥1.73，不会致烧坏耐中低温材质的所述导向管，所制成的太阳能定焦聚光镜具有较高的性价比；反之，若D²/d²≥25，则须采用耐高温（200-1000℃）材质的所述导向管和尖嘴；

⑥所述分光管与所述导向管均为具有高反射率或/和全反射特性（即反射率为100%）的光通道，其中，反射率≥90%或95%或97%或99%或99.9%或99.99%。研究显示，反射率低于95%时聚光效率就很低，高于99%时制造成本就很高，最适宜的反射率为95%-99%。

所述分光管或所述导向管，可以是空心管，也可以是透明实心管等光通道。

可取的是，所述的太阳能定焦聚光镜，其特征在于：n个位置不同的所述导向口全部对准同一个所述受光区，包括直接对准或经过导向镜（反射/折射后）间接对准所述受光区。这样一来，就可使（从所述导向管及其导向口射出的）所述细支光束成为定向光束、全部（间接或直接）射向所述受光区，从而形成定焦聚光。

可取的是，所述的太阳能定焦聚光镜，其特征在于：所述导向口前方设有导向镜，从所述导向口射出的所述细支光束射向所述导向镜，并经由所述导向镜调整方向后全部汇聚于所述受光区。

可取的是，所述的太阳能定焦聚光镜，其特征在于：所述导向管为一些相互平行的直管，其导向口统一朝向表面布满微型透镜（层）的菲涅尔透镜式导向镜，以将所述细支光束进一步收敛整形、并摆布成（一组）大致平行的所述细支光束（可简称为摆平光束）而射入（最好垂直射入）所述导向镜；所述导向镜将所述摆平光束折射转向后，全部聚焦于所述受光区；其中，所述微型透镜（层）的作用是：进一步聚束矫正所述细支光束，使之更趋近于平行光。

可取的是，所述的太阳能定焦聚光镜，其特征在于：所述分光管为锥形分光管（即光锥或光漏斗），其锥度D/L≤0.75或0.35，用于将其上端所接收到的入射阳光进行分束、折叠收缩成高能流密度的所述细支光束——高能光束，并从所述锥形分光管的尖嘴射入所述导向管，再由所述导向管形成（发散角很小的）所述细支光束。光锥是一种非成像元件，光线进入光锥的大口（即大端）后，经过若干次反射就能从光锥的小口（即小端）射出而不产生回射；为了减少光损，光锥的高度L应尽可能缩短，以使光线在光锥内部反射次数要尽可能减少，光锥大口与小口的面积比值，要尽可能的大。研究显示，锥度D/L越小，光线在分光管内的反射次数就会越少，光线的传播路径将更为直接，光损就会越少，最好其锥度D/L≤0.25或0.10。

上述太阳能定焦聚光镜的结构简单、易于注塑成（板式造）型、易于模压成（板式造）型、易于3D打印成（板式造）型、易于抛光加工、易于镀膜制作高反光率的反射层。

研究发现，从所述导向管及其出光口射出的所述细支光束，会出现散射现象，若不经过变平处理，则汇聚到较远所述受光区的光能就不足五成，光损率较高。

可取的是，所述的太阳能定焦聚光镜，其特征在于：每个所述导向口前方（包括侧前方）或每个所述锥形分光管的尖嘴前方（包括侧前方），各自设有（至少）一个（可将散射光转变成准平行光束的）凹面镜或透镜——按其用途命名二者可统称为变平镜；所述导向口或尖嘴口设置于所述变平镜的焦平面上，以使从所述导向口或尖嘴口射出的所述细支光束及其散射光、构成位于所述变平镜焦平面上的点光源；所述变平镜用于把（所述点光源）射入其上的所述细支光束及其散射光进一步收敛整形成（发散角极小的）准平行光束，以所述准平行光束的方式（直接或间接）射向所述受光区，从而实现精准聚焦、减少散射光损。可取的是，所述准平行光束经过（所设置的）导向镜（例如菲涅尔透镜）调整方向后，间接地射向所述受光区。

这里需要强调的是，将所述导向口或尖嘴（口）设置于所述变平镜焦平面区域的上述创新技术方案中，从所述导向口或尖嘴（口）射向所述变平镜的光线、构成了其焦平面上的点光源；该点光源是向前投射的散射光，不管太阳如何移动，它始终都是从一个点射向前方的散射光，其投射光斑的直径不会超出所述变平镜的直径，换言之，其所投射的光斑大小不会超出所述变平镜的范围，其投射方向基本没有变化。总而言之，这一技术方案的定焦聚光原理是：先将阳光分束、压缩、变成一个个固定不动的向前投射的点光源，再用一个个凹面镜或透镜将位于焦平面上（最好是焦点上）的点光源所发出的、始终向前的散射光转变（折射或反射）成一束束准平行光束，并射向同一个固定位置的目标受光区，从而形成定焦聚光。研究显示现，所述导向口的口径越小越好（口径d≤1.5mm最好），其所射出的光就越接近于点光源，从所述变平镜射出的准平行光束就越平行。

研究还显示现，为了尽量提高准平行光束的平行度，也为了降低制造难度，还为了降低制造成本，所述变平镜的尺寸应适当扩大，数量应适当减少，最好单个所述变平镜的直径≤单支所述锥形分光管入光口的直径；最好所述变平镜到所述导向口或尖嘴（口）的距离≤32.2mm；最好（用并束器将）多条所述细支光束并束成一条，从同一个所述导向口（以同一个点光源的方式）射向同一个所述变平镜。

为了改进和完善所述的太阳能定焦聚光镜，可从如下①～⑩个方面进行技术改进和完善。

可取的是，C/d≥3.22；最好，靠近所述导向口的一段导向管是长度为C₁的（最好为0.10-32mm的细）直管（不弯曲、不太长，0.10-5mm长较好，太长了光损就会很大、成本就会极高）——该段（细）直管可称为导向直管；所述导向直管的长度C₁与其（细）导向口的口径d之比C₁/d≥3.22。研究显示，若管径太粗/厚、管不直、管太短，管长与管径之比C₁/d太小，所述细支光束就会跟随太阳的移动而改变出射方向，就容易散射开，发散角就会很大，就难以精准聚光。反之，所述导向管越细，所述细支光束在其内就越容易发生全反射，传播光损就越少，研究显示，所述导向管的口径d≤1.5mm光损极最小。

可取的是，所述的太阳能定焦聚光镜，其特征在于：所述分光管与所述导向管合二为一，例如制成一只导光直管，所述导光直管为芯径≤1.5mm（最好小于0.5mm）、包层较薄、高度（L）≤16mm（最好小于8mm）的光导纤维，众多所述光导纤维被平行排列组合成一个分光管阵列模块——分光镜，其上下两端最好被磨平或被抛光。研究显示，所述导光直管越细就可做得越短，分光镜就可以做得越薄。现行市场上能够传输强光高能的光纤，采用纯度高达99.999%的高纯石英制成，其价格十分昂贵，1mm芯径的光纤，每米售价就高达100元人民币；采用细而短的所述光纤作为导光直管，可极大限度地提高太阳能定焦聚光镜的性价比。

可取之①是，所述的太阳能定焦聚光镜，其特征在于：所述导向管是口径d为0.1-5mm的空心管、实心管等光通道，最好其导向口端面光滑平整。研究显示，当所述导向管的口径d小于0.1mm时，所射出的细支光束就会发生衍射、出现大量散射光，不利于聚光；与之相反，当所述导向管的出光口的口径d大于5mm时，所射出的细支光束也出现大量散射光，不利于聚光；因此，所述导向管的出光口的口径d最佳数值范围为0.1-5mm。研究还显示，当所述导向管为实心管时，其导向口端面必须抛光平整，否则就会出现严重的散射现象；研究发现，当所述导向管为空心管时，其导向口没有实心端面，不会出现严重的散射现象；因此，为了简化生产工艺，避免抛光加工，所述导向管最好采用空心管。

可取之①还是，所述的太阳能定焦聚光镜，其特征在于：所述分光管的入光口端为蜂窝式多边体，例如六边体、四边体、三边体等相邻之间的间隙很小的几何体。圆形体也可，但其间隙过大，有效接收阳光的面积略小。所述分光管可以是棱缘具有R角的六棱体、四棱体、三棱体、楔子等。

可取之②是，所述的太阳能定焦聚光镜，其特征在于：所述分光管的入光口为（边缘高中间低的锅底型）浅坑入光口或为凸起入光口（最好为凸透镜入光口）；所述浅坑入光口不能太深，太深不好清刷灰尘，口深与口厚之比取值0.15-0.65为宜；所述凸起入光口不能太凸，太凸不好清刷其间隙里的灰尘。理论上，所述分光管的入光口为敞口最好，但是敞口容易落入灰尘，灰尘易于堵塞尖嘴，难于清洗；正因如此，这里采取了浅坑入光口或凸起入光口的技术措施。这样一来，相比平面而言，就可避免入射角较大的阳光被全反射走而损失，从而可提高阳光的最大接收角，就可增大入射角使入射阳光在锥形分光管内尽量全反射传播；测试显示，将本发明所述的太阳能定焦聚光镜用于光伏电池板发电，所述分光管的入光口端若为平面，当阳光入射角大于45度时，发电量急剧下降；反之，所述分光管的入光口若为浅坑入光口，当阳光入射角大于65度时，发电量才会明显开始下降。由此可见，所述分光镜表面的浅坑和凸起结构，既便于清洗，又便于接收更多阳光。

可取之②还可以是，所述的太阳能定焦聚光镜，其特征在于：所述分光镜上端表面设置有许多（最好与分光管入光口对应的）浅坑或凸起（最好为微型凸起采光罩），用以减少全反射。

可取的是，所述分光管与所述导向管合二为一成同一只（很细的）导光直管。这样一来，每一条所述细支光束（就会）被所述导光直管顺直成出射方向精准的所述细支光束，不会随着太阳的移动而移动。

可取之②更可以是，所述的太阳能定焦聚光镜，其特征在于：所述分光镜上端设有防反射透明保护层，用于防止灰尘堵住所述分光管和所述导向管，以便清除其上的灰尘、鸟屎等污垢；或者，所述分光镜上面设有透明亚光层，用于阴天吸收漫光来汇聚弱光能量。

可取之③是，所述的太阳能定焦聚光镜，其特征在于：所述预定投射点是所述变平镜之焦平面上的一个点（例如焦点），或/和所述特定方向是所述导向口中心点至所述变平镜中心点的连线方向。

可取的是，所述的太阳能定焦聚光镜，其特征在于：多块所述分光镜拼成一组，平铺在（同一个）所述导向镜上。所述分光镜是由众多一支支分光管排列组成的，难以制成一块块面积超过100mm×100mm薄而大的模块，为了便于生产，这里采取了多块所述分光镜拼成一组，安装在同一个所述导向镜上的小块拼大块的技术措施。

可取之④是，所述的太阳能定焦聚光镜，其特征在于：所述分光镜附近设有漫（反）射物（例如漫反射板、白墙等漫反光物体），以增加（所述分光镜）所在区域的亮度，使阴天也能（在所述受光区）形成聚光。还有可取的是，所述分光镜附近设有反光镜，以将附近的直射阳光反射到所述分光镜上，以增加捕光率。

可取的是，所述的太阳能定焦聚光镜，其特征在于：所述分光管的高度与所述导向管的长度之和L+C≤128mm；这样一来，就可减少光损并制出适合屋顶光伏电池板使用的所述的太阳能定焦聚光镜。

可取的是，所述的太阳能定焦聚光镜，其特征在于：所述导向口是端面平整的出光口，用以使其所射出的细支光束具有很小的发散角。反之，若所述导向口端面不平整，则其所射出的细支光束就会有很大的发散角，不利于所述变平镜将其转成准平行光束。

可取之⑤是，所述的太阳能定焦聚光镜，其特征在于：单个所述变平镜的直径≤单支所述锥形分光管入光口的直径。

可取之⑥是，所述的太阳能定焦聚光镜，其特征在于：所述变平镜轴线与水平线之间的夹角（例如从左至右或从边缘至中心）依次递减；或者，所述导向口的朝向与水平线之间的夹角α（例如从左至右或从边缘至中心）依次递增；或者，所述变平镜以及所述导向口到所述分光镜的距离，（例如从左至右或从边缘至中心）依次缩短。

可取之⑦是，所述的太阳能定焦聚光镜，其特征在于：所述导向口前方设置有微型反射镜，用于使所述细支光束拐向凹面镜的凹面，由其凹面反射成准平行光束后射向所述受光区，以免中心区域的部分光线未经凹面转变成准平行光束而直接散射出去。换言之，在所述导向口前方设置反射镜，以阻止焦点处的点光源向前直接射出的光线，并将其反射引导到凹面镜上，以使所产生的平行光束更加集中。

可取之⑧是，所述的太阳能定焦聚光镜，其特征在于：所述分光管、所述导向管或尖嘴、所述变平镜、处于焦平面上的所述导向口或尖嘴口、反射镜等多个部件（组合在一起），共同构成一个可输出准平行光束的分光变平模块整体，以便于一次（注塑或冲压）成型加工。所述反射镜最好用透明螺母等透明紧固件固定在所述导向管上。

可取之⑨是，所述的太阳能定焦聚光镜，其特征在于：所述分光管是楔锥型分光管。这样一来，就有利于加工制造，有利于组合使用。

可取之⑩是，所述导向管的出光口以及所述变平镜，远离所述受光区0.3√nD（即零点三倍根号nD）以上。这样一来，就可避免所述受光区的高温烤坏所述导向管的出光口以及所述变平镜，就有利于加工制造，就有利于使所述变平镜产生全反射，从而减少光损。

为了进一步改进和完善所述的太阳能定焦聚光镜，可从如下多方面进行技术改进和完善。

可取之①是，所述的太阳能定焦聚光镜，其特征在于：众多所述变平镜的轴线各自穿过同一个所述受光区。

可取之②是，所述的太阳能定焦聚光镜，其特征在于：所述导向口中心点至所述变平镜中心点的连线，与所述变平镜轴线之间的夹角为锐角，以使从所述变平镜反射出来的所述准平行光束避开所述导向管而射向所述受光区。

可取之③是，所述的太阳能定焦聚光镜，其特征在于：所述变平镜到所述导向口或尖嘴口的距离≤32.2mm。

可取之④是，所述的太阳能定焦聚光镜，其特征在于：多条所述细支光束并束成一条，从同一个所述导向口以同一个点光源的方式射向同一个所述变平镜。

可取之⑤是，所述的太阳能定焦聚光镜，其特征在于：从众多所述导向口射出的所述细支光束及其散射光，途径所述变平镜被调整（即折射或反射）成准平行光束后，各自隔空射向所述受光区。

可取之⑥是，所述的太阳能定焦聚光镜，其特征在于：所述导向口或尖嘴口设置于所述变平镜的焦平面上，以使从所述导向口或尖嘴口射出的所述细支光束及其散射光、构成位于所述变平镜焦平面上的点光源。

可取之⑦是，所述的太阳能定焦聚光镜，其特征在于：所述导向口或尖嘴口设置于所述变平镜的焦点上，以使从所述导向口或尖嘴口射出的所述细支光束及其散射光、构成位于所述变平镜焦点上的点光源。

为实现上述目的之二，本发明采取的技术方案如下。

本发明提供一种太阳能定焦聚光光伏发电装置，其特征在于：使用（或曰它包括）上述任何一种太阳能定焦聚光镜，光伏电池板安装在所述受光区并且接收所述太阳能定焦聚光镜汇聚的阳光发电。

研究发现，所述导向口和变平镜因为长期放置在户外使用，所以容易落上灰尘，易于导致反射率降低，光损加大。可取的是，所述导向口和变平镜以及光伏电池板，被封闭在防尘外壳里；所述光伏电池板上安装有可向防尘外壳外面散热的散热片。

为实现上述目的之三，本发明采取的技术方案如下。

本发明提供一种太阳能定焦聚光集热装置，其特征在于：使用上述任何一种太阳能定焦聚光镜，太阳能集热装置安装在所述受光区并且接收所述太阳能定焦聚光镜汇聚的阳光发热。所述集热装置可以是太阳能集热管、太阳能灶、太阳能热水器等现行太阳能集热装置。

为了防止所述导向口和所述变平镜落上灰尘，导致反射率降低，光损加大，可取的是，所述导向口和变平镜以及太阳能集热装置的局部区域，被封闭在防尘外壳里。

本发明所述的分光管可以是圆管或方管或多棱管或扁管或矩形管或其它异形管。本发明所述的锥形分光管是指一种光锥或光漏斗，它既可以是透明实心锥体、也可以是空心锥体。本发明所述的口径D和d是表示入光口和出光口尺寸大小的参数，如果是圆形口，口径D和d则是指直径尺寸，如果是椭圆形口，口径D和d则是指长轴尺寸，如果是矩形口，口径D和d则是指长边或对角线尺寸。

与现有技术相比，本发明具有如下有益技术效果。

其一、免跟踪、高倍率：本发明所创新的太阳能定焦聚光镜，利用所述导向管及其导向口和变平镜与导向镜调整光线方向，将阳光射向同一固定位置，从而形成定焦聚光，聚光焦点不会随着太阳的移动而移动，无需高精度的支撑和复杂的跟踪太阳系统，聚光成本低、可高倍率地聚集太阳能。

其二、简单可靠：本发明所述的太阳能定焦聚光镜，质量轻、厚度薄、用料少、部件少、易制造、易安装、经久耐用，稳定可靠。

其三、成本低：采用本发明的太阳能定焦聚光集热（发电）装置，由于免去了跟踪太阳系统，因此设备购置成本降低25%以上，所产生的有益技术与经济效果十分显著。总而言之，本发明所述的太阳能定焦聚光镜及其集热装置的大规模应用，必然引发新的能源革命。光伏产业过去十年，主要靠三个方面来降低度电成本、减少设备投资：一是经验曲线，学习先进技术；二是规模效应，成本迅速下降；三是技术创新。经验曲线的效用已很低，规模效应降本也已接近“地板”，持续的技术创新，则成为当下推动光伏产业升级发展、最终实现平价上网的最有效的手段。要知道现阶段，技术创新若能够降低1%的度电成本、减少1%的设备投资，都是非常困难的。

其四、阴天也可聚集太阳能：晴天时阳光直射的光照强度约为10000勒克斯，阴天的光照强度比晴天要弱得多，平均为1000-2000勒克斯。测试显示，当分光管喇叭口的口径D≤8mm时（尤其是D≤6mm时），本发明所述的太阳能定焦聚光镜可聚集漫射光，尤其是在太阳能定焦聚光镜表面及其附近设有漫射板时，阴天也可聚集利用太阳能。这样一来，阴天和晴天的一早一晚等无直射阳光（即仅有漫光）时，也可使用本发明进行光伏发电，也可使用太阳能热水器。尤其可将本发明所述的太阳能定焦聚光镜做成墙面砖那样的薄块，加贴于楼房外墙。这样一来，既可用于阴天光伏发电，又可使太阳能热水器在阴天产生热水，还可给建筑进行保温隔热。

其五、捕光率高：相比于中国发明专利（CN101969078B）“一种选择性汇聚的光学器件”，本发明的捕光率由其20-40%提高到了80-90%。从而可低成本地利用聚光技术来提升太阳能电池效率，可使之由传统光伏的26.81%提升至聚光光伏（CPV）的60%，所产生的有益技术与经济效果十分显著。

其六、特别适合作为现行导光照明系统的采光罩来使用：本发明所述的太阳能定焦聚光镜尤其适合作为导光照明系统的采光罩来使用，例如应用于中国实用新型专利“一种具有节能效果的导光管采光照明系统（CN212510948U）”中，使阴天等弱光漫光时段，也可采集到自然光来用于照明。

其七、可轻可薄：相比于背景技术中很厚很大的“太阳能低倍聚光器”，本发明所述的太阳能定焦聚光镜，可做的很轻薄，根据客户需要可做成几毫米至几厘米的薄板/薄片，因而特别适合用来制作屋面光伏瓦片、路面光伏砖、墙面光伏贴。

其八、受光区光照均匀、不会产生热斑效应，不会损坏电池组件，光损低。

附图说明

图1为本发明（实施例一）中用到的（122个）锥形分光管排列组合而成的一个太阳能定焦聚光镜的俯视效果示意图。

图2为图1中A-B位置的纵截面结构示意图。

图3为本发明（实施例四）中使用了微型凸透镜（即变平镜）的一种太阳能定焦聚光镜的纵截面结构示意图。

图4为本发明（实施例四）中使用了微型凸透镜（即变平镜）的另一种太阳能定焦聚光镜的纵截面结构示意图。

图5为图3和图4中用到的一种微型凸透镜（即变平镜）与导向管及反射镜与光路示意图。

图6为本发明（实施例四）中的一个凹面镜（即变平镜）的纵截面结构示意图。

图7为使用了图6中凹面镜（即变平镜）的一种太阳能定焦聚光镜的纵截面结构示意图。

图8为本发明（实施例四）中一块微型反光杯（即变平镜）与其对应的一段导向管的位置关系及光路示意图。

图9为图8中的纵截面结构示意图。

图10为图8中的一些微型凹面（反射）镜（即变平镜）应用于本发明所述的一种太阳能定焦聚光镜中的纵截面结构示意图。

图11为本发明（实施例三）中的一种太阳能定焦聚光镜的纵截面结构示意图。

图12为本发明（实施例二）中的一种太阳能定焦聚光镜的俯视效果示意图。

图13为图12中Y-Z位置的纵截面结构示意图。

图14为本发明（实施例五）中的一种太阳能定焦聚光镜纵截面结构示意图。

图15为图14中用到的一块分光镜的纵截面结构示意图。

图16为本发明（实施例六）中的一种太阳能定焦聚光光伏发电装置的纵截面结构示意图。

图17为本发明（实施例七）中的一种太阳能定焦聚光集热装置的纵截面结构示意图。

图18为本发明（实施例）中用到的一个锥形分光管的外形结构示意图。

图19为图18中锥形分光管的纵截面结构示意图。

图20为图10中左半边的7只导向管与水平线之间的夹角α从左至右依次递增的纵截面结构示意图。

图21为图10中左半边的7只导向管与水平线之间的夹角α从左至右依次递增、以及凹面镜轴线与水平线之间的夹角从左至右依次递减的纵截面结构示意图。

图22为图21中的凹面镜从左至右高度依次递减的纵截面结构示意图。

图23为本发明中可用到的一个带弯管的锥形分光管的结构示意图。

图24为本发明中用到的一种楔锥型分光管的结构示意图。

图25为图6中凹面镜内所述导向口前方设有反射镜的截面结构示意图。

图26为本发明（实施例八）中用到的一个分光变平模块整体的纵截面结构示意图。

图27为图26中用到的一个反光镜紧固在导向管上的纵截面结构示意图。

附图标号说明： 1-分光管、101-尖嘴、102-（分光管）入光口、103-透镜、2-分光镜、301-导向管、302-反射层、303-受光区、304-轴线、305-水平线、306-点光源、307-导向口、308-焦平面、4-阳光、401-散射光、402-细支光束、403-准平行光束、5-弯管、6-光伏电池板、601-散热片、7-反射镜、701-紧固件、8-散光腔壁、9-太阳能定焦聚光镜、10-变平镜、11-导光直管、12-菲涅尔透镜、13-浅坑、14-集热管、15-分光变平模块整体、16-防尘外壳、17-连线方向。

具体实施方式

为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“里”、“前”、“后”、“左”、“右”、“水平线”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。

需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“连接”、“连通”等，应做广义理解，例如“连通”，可以是光连通，还可以是直接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可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。

生产制造一种矩形太阳能定焦聚光镜9。

采用光学级PC材质（聚碳酸酯）或金属铝，加工制造一块如图1、图2所示的、128mm×83mm×16mm的蜂窝（状光锥阵列）分光镜2。例如用如图23中的n支锥形分光管1排列组合成一个蜂窝型分光镜2，其中n等于122。再例如用图24所示的n支楔锥型分光管1排列组合成一个分光镜2。所述锥形分光管1的喇叭型（即大端）入光口102全部朝向所述分光镜2的上端，用于收集接收角很大范围的阳光4，并用于将所接收到的（大面积的）入射阳光4分束、折叠收缩成众多细支光束（最好分束为n条细支光束）；所述锥形分光管1的尖嘴101（即输出端）朝向所述蜂窝型分光镜2的下端。单个所述喇叭型入光口102（最好为浅坑入光口）的口径D设为小于8mm，单个所述尖嘴101的口径设为小于1mm，单个所述锥形分光管1的高度L设为小于15mm。

在所述蜂窝型分光镜2的下端，给每个所述尖嘴101分别连接上（出光口口径与所述尖嘴口径相等的）导向管301，所述导向管301的导向口307设置在不同位置的预定投射点、且分别全部朝向（包括通过反射镜间接朝向）同一个固定位置（即所述特定方向）的目标受光区303；所述受光区303设置于所述蜂窝型分光镜2的正中心下方约150mm的地方；大面积的阳光4从所述喇叭型入光口102射入，经所述锥形分光管1多次反射汇聚至所述尖嘴101，并从与之连通的所述导向管301的出光口射出；从所述导向管301出光口所射出的发散角很小（也即直线度较高）的n条所述细支光束402（就像n个微型射灯光束那样）全部（最好从空气、真空等无介质空间隔空）射向同一个所述受光区303，从而形成定焦聚光。这里之所以建议要将所述细支光束402隔空射向所述受光区303，一是为节省所述导向管301所需的材料，二是为了减少反射光损，三是为了避免所述导向管301的出光口（即所述导向口301）太靠近所述受光区303而被烤坏，四是为了进一步提高聚光度。换言之，具体实施时，应遵从所述导向口301隔空远离所述受光区303的技术要求。

这里着重强调的是，所述导向管301最好采用石英材质的光导纤维束，因为石英光导纤维价格昂贵，所以导向管301的管长C应尽量短小，以减少传输光损，以便降低成本，最好其管长C≤9mm。同理，所述锥形分光管1的高度L也应尽量短小。

本实施例的优点是：易于制造、成本很低；缺点是：从所述导向管301的出光口射出的细支光束402，其发散角较大，投射不远就会散开，1mm口径的出光口102，投射到35mm处的光斑，其直径就会大于20mm，换言之，这种聚光镜9的焦距很小，会导致所述受光区303面积很大。

实施例二。

生产制造一种较薄的矩形太阳能定焦聚光镜9。

如图12、图13所示，将所述分光管1与所述导向管301合二为一成导光直管11，所述导光直管11选用芯径（即入光口口径D）≤1.5mm、高度（L）≤5mm的光导纤维（管）。例如用10624支芯径d为1mm（最好为0.25-1.5mm）、长度L为3mm的石英光纤作为分光管1和导向管301，排列组合（粘结）成一块128mm×83mm×3mm的、上下两端磨平或抛光的、蜂窝型（的光纤阵列）分光镜2。

在所述蜂窝型分光镜2下端，设置有其上布满微型透镜103的菲涅尔透镜12。所述菲涅尔透镜12是用光学级PC材质制成的128mm×83mm×2mm的聚光透镜；所述微型透镜103的直径约为5mm。这样一来，所述分光管1与所述导向管301就合二为一成相互平行的（毫米级的垂直于导向镜的）导光直管11了。来自各个方向的阳光4从表面具有许多浅坑13的、所述蜂窝型分光镜2中的、众多光纤（即导光直管11）上端射入时，就像被梳理（即摆布或模拟）成大致平行了的光束、垂直射入表面布满微型透镜103的菲涅尔透镜12，从而有利于菲涅尔透镜12聚焦。换言之，所述n只导向管301全部垂直于菲涅尔透镜12，以使n条所述细支光束402统一模拟成准平行光束403、垂直射入微型透镜103层进行收敛整形（即折射转变），然后再由菲涅尔透镜12聚焦于所述受光区303。

巧妙的创新设计是，从各个方向射来的阳光4从表面具有许多浅坑13的、蜂窝型分光镜2中的、众多光纤上端射入后，就被光纤摆布成大致平行的细支光束402并被射入表面布满微型透镜103的菲涅尔透镜12，像平行光一样可被菲涅尔透镜12聚焦于受光区303，从而形成固定不动的焦点。由于该焦点不会随着太阳的移动而移动，因而本实施例无需高精度的支撑和复杂的跟踪太阳系统，聚光成本低、稳定可靠、可高倍率地聚集太阳能。

这样一来，就可极大限度地提高太阳能定焦聚光镜9的性价比。

本实施例的优点是：所述太阳能定焦聚光镜9轻而薄；本例中，一个所述微型透镜103的直径远远大于一根所述导光直管11的直径，只能多根所述导光直管11共用一个所述微型透镜103，因此，其缺点是：从所述导向管301射入菲涅尔透镜12的细支光束402，其发散角较大，会导致所述受光区303面积也较大，捕光率较低。

实施例三。

参照上述实施例一、二和图11来制造一种折弯直管式太阳能定焦聚光镜9。

采用光学级PC材质（聚碳酸酯）或者金属铝，加工制造一块如图11所示的128mm×83mm×16mm的折弯直管阵列分光镜2，用于将所接收到的（大面积的）入射阳光4分束成n条细支光束。例如：用入光口102的口径D为0.8mm、高度L为15mm的n支折弯直管（式分光管1）排列组合成一个分光镜2，其中n等于1220。所述折弯直管的入光口102全部朝向所述分光镜2的上端，用于接收阳光4；所述1220只折弯直管的下段为倾斜的导向管301，所述导向管301的导向口307全部斜向下对准受光区303。换言之，所述分光管1是一种上段竖直、下段倾斜的细管；所述受光区303设置于所述分光镜2的正中心下方约150mm的地方；阳光4从所述入光口102射入，几经拐弯后从所述导向口307射出；从所述导向口307所射出的n束细支光束402（就像n个微型射灯光束那样）全部射向同一固定位置的所述受光区303，从而形成定焦聚光。

本实施例的优点是：易于制造、成本很低；缺点是：从所述导向管301射出的细支光束402，其发散角较大，投射不远就会散开（换言之聚光镜9的焦距很小），会导致所述受光区303面积也较大，聚光度不高。

实施例四。

生产制造另一种太阳能定焦聚光镜9。

上述实施例一中，所述细支光束402是从导向管301的出光口直接射出的，发散角较大，散射现象较为严重，难以精准聚焦，捕光率相对较低，为此，本实施例中采取了如下改进技术措施。

如图3、图4所示，每一个所述导向管301的出光口（即导向口307）前方，或者每一支分光管1的尖嘴101前方，都设置一组如图5所示的微型凸透镜作为变平镜10。换言之，使所述导向管301的出光口（即导向口307）朝向所述特定方向（即导向口307中心点至变平镜10中心点的连线方向17）。保证各个所述导向口307各自处于所述微型凸透镜的焦平面308上的焦点位置（即预定投射点）；用以把所述细支光束402及其散射光401进一步折射转变成（发散角极小的）准平行光束403，以所述准平行光束403的方式各自射向所述受光区303，从而形成定焦聚光。换言之，从众多所述导向口307射出的所述细支光束402及其散射光401，途径所述变平镜10被收敛整形（即折射转变）成准平行光束403后，各自隔空射向所述受光区303。可取的是，保证众多所述变平镜10的轴线304各自穿过同一个所述受光区303的中心点或线。

也可如图7所示，每一个所述导向管301的出光口（即导向口307）前方，都设置一组如图6所示的凹面镜作为变平镜10，保证各个所述导向口307各自处于所述凹面镜的焦平面308上焦点的位置（即预定投射点）；用以把所述细支光束402及其散射光401进一步反射收敛整形成（发散角极小的）准平行光束403，以所述准平行光束403的方式各自射向所述受光区303，从而形成定焦聚光。

如图25所示，所述导向口307前方紧靠所述导向口307的位置，最好设置有（如锥面、球面等）微型反射镜7，用于使所述细支光束402拐向凹面镜的凹面（即抛物面内壁），由凹面将其收敛整形（即反射转变）成准平行光束403后射向所述受光区303，以免所述导向口307正前方的部分光线未经凹面收敛整形而直接射出和散开。换言之，在所述导向口307前方设置（如锥面、球面等）微型反射镜7，以阻止焦点处的点光源306向前直接射出的光线，并将其反射引导到凹面镜上，以使所产生的准平行光束403更加集中。研究显示，最好微型反射镜7到所述导向口307之间的距离≤所述导向口307直径d的五倍 。

更可如图8、图9、图10所示，每一个所述导向管301的出光口（即导向口307）前方，都设置一个如图8所示的反光杯作为变平镜10，保证各个所述导向口307各自处于所述变平镜10的焦平面308上（非焦点的）位置（预定投射点）；在导向口307方向不变的情况下，保证图10所示的太阳能定焦聚光镜9左半部分的变平镜10轴线304与水平线305之间的夹角，从左至右（即由边缘至中心）依次逐个递减，并保证图10所示的太阳能定焦聚光镜9右半部分的变平镜10轴线304与水平线305之间的夹角，从左至右（即由中心至边缘）依次逐个递增。

或者，在变平镜10轴线304与水平线305之间的夹角不变的情况下，保证图10所示的太阳能定焦聚光镜9左半部分的导向管301及其导向口307的轴线304与水平线305之间的夹角α，从左至右（即由边缘至中心）依次逐个递增（如图20所示），并保证图10所示的太阳能定焦聚光镜9右半部分的导向管301及其导向口307的轴线304与水平线305之间的夹角α，从左至右（即由中心至边缘）依次逐个递减。

当然，也可使导向口307方向与变平镜10轴线304与水平线305之间的夹角一起变动（如图21所示）、共同作用，以使从导向口307所射出的发散角很小（也即直线度较高）的细支光束402斜向射到变平镜10时，变平镜10能够将其反射收敛整形成（发散角极小的）准平行光束403，继而以所述准平行光束403的方式斜向射入所述受光区303。测算比较显示，图10所示的太阳能定焦聚光镜9，是本发明众多实施例中成本最低、光损率最低、捕光率最高的技术方案，也即是性价比最高的技术方案。

可取的是，所述导向口307至所述变平镜10中心的连线，与所述变平镜10的轴线304间的夹角为锐角，以使从所述变平镜10反射出来的所述准平行光束403避开所述导向管301而射向所述受光区303，防止所述导向管301遮挡所述准平行光束403而产生光损。

可取的是，将所述导向口307或尖嘴101设置于所述变平镜10的焦点位置，将所述导向口307或尖嘴101所射出的光，当作焦平面308或焦点位置的点光源306所发出的散射光401，经过所述变平镜10转变成（发散角极小的）准平行光束403。

为了简化工艺、方便生产制造，如图3所示，必要时可将所述导向管301的长度C缩短、甚至缩短为趋近于零，以使所述尖嘴101口与所述导向口307合二为一。这样一来，就可不完全依靠导向管301去调整光线方向，而依靠所述导向镜（例如菲涅尔透镜12）来进一步调整方向，使（例如从所述尖嘴101射出的）所述细支光束402、经过所述导向镜折射转变方向后（间接）射向所述受光区303，从而实现聚光。

可取的是，如图4所示，也可不依靠所述导向镜（例如菲涅尔透镜12）来调整方向，而采用所述导向管301连通散光腔，并使所述变平镜10的轴线304对准所述受光区303的方法，以使所述准平行光束403直射所述受光区303。换言之，所述变平镜10的轴线304穿过（或曰指向）所述受光区303的中心点或线。

为了尽量提高准平行光束403的平行度，也为了降低制造难度，所述变平镜10的尺寸应适当扩大，但也不宜太大，最好单个所述变平镜10的直径≤单支所述锥形分光管1入光口102的直径。

为简化工艺、方便制造，也可不完全依靠导向管301去调整光线方向，还依靠导向反光镜7等导向镜来调整所述准平行光束403的方向；换言之，所述准平行光束403也可经过（如图5所示的）反射镜7或导向镜（例如图3所示的菲涅尔透镜12）调整方向而间接射向所述受光区303。

为免相邻两个所述变平镜10间相互干扰，如图22所示，使导向口307方向与变平镜10轴线304与水平线305间的夹角以及变平镜10的高度一起变动，以使从导向口307所射出的发散角很小的细支光束402斜向射到变平镜10时，变平镜10能够将其反射收敛整形成（发散角极小的）准平行光束403，继而斜向射入所述受光区303。换言之，使所述变平镜10以及所述导向口307到所述分光镜2的距离，由外至内依次逐个缩短。

这样一来，所述准平行光束403始终都会保持平行、其方向始终都不会改变，不会随着太阳的移动而改变，从而无需高精度的支撑和复杂的跟踪太阳系统。

因为本实施例中的n个所述导向口307距离所述受光区303很远，所以所述受光区303的高温不会烤坏所述导向管301及其导向口307。还由于本实施例中的n条所述准平行光束403是隔空射向所述受光区303的，全部精准汇聚在同一位置（点或线上），因此聚光度可非常高，可达到nD²/d²（可达到1000）倍以上。正因有如此高达上千倍的聚光度，所以本发明所述定焦聚光镜可应用于聚光光伏（CPV）和光热发电领域。太阳能光热发电是新能源利用的一个重要方向，主要形式有槽式、塔式，碟式（盘式）三种系统。光热发电最大的优势在于电力输出平稳，可做基础电力、可做调峰；另外其成熟可靠的储能（储热）配置可以在夜间持续发电。本发明所述定焦聚光镜技术，有望开启继现行槽式、塔式，碟式（盘式）之后的第四种太阳能光热发电系统——定焦聚光发电系统。

本实施例的优点是：经过变平处理（即收敛整形）所形成的准平行光束403，其发散角极小，投射很远也不会散开，换言之，聚光镜9的焦距可以很长（例如可以长至几十厘米甚至几百厘米），聚光度可以很高，捕光率较高；缺点是：制造工艺较为复杂，加工精度要求较高。

实施例五。

参照上述实施例一和四，生产制造一种锥形分光管式太阳能定焦聚光镜9。

如图14所示，采用光学级PC材质（聚碳酸酯），加工制造一块如图15所示的、128mm×83mm×16mm的蜂窝型（光锥阵列）分光镜2。例如用122支锥形分光管1排列组合成一个蜂窝型分光镜2。所述锥形分光管1的喇叭型入光口102全部朝向所述蜂窝型分光镜2的上端，用于接收阳光4，并用于将所接收到的（大面积的）入射阳光4分（拆）压缩变细成122条光束；所述锥形分光管1的尖嘴101朝向所述蜂窝型分光镜2的下端。单个所述喇叭型入光口102的口径D设为小于8mm，单个所述尖嘴101的口径设为1mm，单个所述锥形分光管1的高度L设为小于16mm。延长所述尖嘴101，使之构成一根根垂直向下的导向管301，用于射出细支光束402。

在所述蜂窝型分光镜2的下端，省去图13中的微型透镜103层，直接粘结一个光学级PC材质制成的128mm×83mm×1.5mm的菲涅尔透镜12。这样一来，各个方向的阳光4从所述蜂窝型分光镜2的喇叭型入光口102射入后，就可被导向管301摆布成大致平行的、并且垂直于菲涅尔透镜12的、发散角很小（也即直线度较高）的细支光束402，从而有利于菲涅尔透镜12聚焦。

巧妙的创新设计是，从各个方向射入蜂窝型分光镜2的阳光4，被导向管301摆布成大致平行的发散角很小（也即直线度较高）的细支光束402并被射入菲涅尔透镜12，像平行光一样可被菲涅尔透镜12聚焦于受光区303，从而形成固定不动的焦点。由于该焦点不会随着太阳的移动而移动，因而本实施例无需高精度的支撑和复杂的跟踪太阳系统，聚光成本低、稳定可靠、可高倍率地聚集太阳能。

与实施二相比，本实施例中没有设置微型透镜103层，其缺点是：从所述导向管301射入菲涅尔透镜12的细支光束402，其发散角较大，投射不远，会导致所述受光区303面积也较大，捕光率更低、聚光度更低。

实施例六。

制造一种太阳能定焦聚光光伏发电装置。

如图16所示，采用实施例一所制成的矩形太阳能定焦聚光镜9，将聚光光伏电池板6安装在所述受光区303，以接收所述太阳能定焦聚光镜9汇聚的阳光4发电。为增加阳光接收角，最好在所述入光口101上，各加一个微型透明采光罩或微型（凸）透镜103。

研究发现，所述导向口307和变平镜10因为长期放置在户外使用，所以容易落上灰尘，易于导致严重反射光损。可取的是，用防尘外壳16将所述导向口307和变平镜10以及光伏电池板6封闭起来，并给光伏电池板6安装上向防尘外壳16外面散热的散热片601。

实施例七。

制造一种太阳能定焦聚光集热装置。

如图17所示，采用实施例一所制成的矩形太阳能定焦聚光镜9，将太阳能集热管14等集热装置安装在所述受光区303的位置，以接收所述太阳能定焦聚光镜9汇聚而来的阳光4发热。所述集热装置可以是太阳能集热管、太阳能灶、太阳能热水器等太阳能集热装置。

实施例八。

可取的是，参考上述多个实施例，如图26所示，所述分光管1、所述导向管301或尖嘴101、所述（凹面镜式）变平镜10、处于焦点上的所述导向口307或尖嘴101口、所述反射镜7等多个部件，设计成一个组合在一起的、可输出准平行光束403的分光变平模块整体15，以便于注塑、热压等成型工艺一次加工成型。

最好如图27所示，所述微型反射镜7用透明螺母等紧固件701固定在所述导向管301上。当然，也可用插接、卡扣、粘接等固定方式，将所述微型反射镜7固定在所述导向管301上。这样一来，就可通过旋转透明螺母来微调所述微型反射镜7的高度，使之精准位于所述（凹面镜式）变平镜10的焦点上。

这样一来，将所述分光变平模块整体15与菲涅尔透镜12等导向镜配合使用（参见图3和图5），就可形成本发明所述的太阳能定焦聚光镜9。由于所述导向口307或尖嘴101口处于焦点上（即预定投射点），无论阳光4的入射角度怎么变化，所述分光变平模块整体15都会将其变成出射方向始终不变的所述准平行光束403，因而本实施例无需高精度的支撑和复杂的跟踪太阳系统，聚光成本低、稳定可靠、可高倍率地聚集太阳能。

研究显示：所述导向管301的出光口以及所述变平镜10，须远离所述受光区303位置0.3√nD（即零点三倍根号nD）以上（最好41.5mm以上）。这样一来，就可避免所述受光区303的高温烤坏所述导向管301的出光口以及所述变平镜10，就有利于加工制造，就有利于使所述变平镜10产生全反射，从而减少光损、提高聚光度、实现高倍聚光。换言之，若简单地将所述导向管301的出光口直接延伸至所述受光区303，则只能低倍聚光，难以提高光电转换率，且所述导向管301的出光口以及所述变平镜10极易老化损坏。

本发明所述的导向镜包括透镜、凹面镜、反射镜等可用于改变细支光束出射方向的镜体；本发明所述的变平镜包括凹面镜、透镜等可将来自焦点位置点光源的散射光线变成平行光的镜体；本发明所述的凹面镜俗称反光杯、反光碗、反光罩、聚光杯、聚光碗等镜体。

以上所揭露的仅为本发明的较佳实施例，所述附图仅仅是原理示意图，不是施工图，其各部件之间的尺寸比例未必协调合理，因此，不能以此来限定本发明之权利范围，依本发明权利要求所作的等同变化，仍属于本发明所涵盖的范围。

Claims (10)

1.一种太阳能定焦聚光镜，其特征在于：

①n支分光管排列组合成一个分光管阵列模块——分光镜，用于将其上端所接收到的较大范围的入射阳光分束成众多细支光束，其中n≥5或25或50或100或500或1000或5000；

②所述分光镜设有导向管，导向管的入口端连通所述分光管，导向管的出口端延伸至预定投射点并朝向特定方向；导向管的出光口——导向口，用于调整所述细支光束的出射方向；

③所述细支光束从所述分光管下端射入所述导向管，继而从所述导向管内传播至所述预定投射点并从所述导向口射出；

④从众多所述预定投射点及其所述导向口射出的所述细支光束，各自隔空射向同一个固定位置的、较小范围的目标受光区，从而形成定焦聚光；

⑤所述分光管的入光口口径为D，所述导向管的出光口口径为d，其中，D/d≥25或10或5或3.7或1.7或1；

⑥所述分光管与所述导向管均为具有高反射率或/和全反射特性的光通道。

2.根据权利要求1所述的太阳能定焦聚光镜，其特征在于：所述导向管为一些相互平行的直管，其导向口统一朝向表面布满微型透镜的菲涅尔透镜式导向镜，以将所述细支光束进一步收敛整形、并摆布成大致平行的摆平光束而射入所述导向镜；所述导向镜将所述摆平光束折射转向后，全部聚焦于所述受光区。

3.根据权利要求1所述的太阳能定焦聚光镜，其特征在于：所述分光管为锥形分光管，其锥度D/L≤0.75或0.35或0.25或0.10，用于将其上端所接收到的入射阳光进行分束、折叠收缩成高能流密度的所述细支光束。

4.根据权利要求3所述的太阳能定焦聚光镜，其特征在于：每个所述导向口前方或每个所述锥形分光管的尖嘴前方，各自设有一个变平镜；所述变平镜用于把射入其上的所述细支光束及其散射光进一步收敛整形成准平行光束，以所述准平行光束的方式射向所述受光区。

5.根据权利要求1或2或3或4所述的太阳能定焦聚光镜，其特征在于，它包括如下①～⑩中任意一个或多个组合技术措施：

①所述导向管是口径d为0.1-5mm的光通道或/和所述分光管的入光口端为蜂窝式多边体；

②所述分光管的入光口为浅坑入光口或为凸透镜入光口；或者，所述分光镜上端表面设置有许多浅坑或凸起采光罩；或者，所述分光镜上端设有防反射透明保护层；

③所述预定投射点是所述变平镜之焦平面上的一个点，或/和所述特定方向是所述导向口中心点至所述变平镜中心点的连线方向；

④所述分光镜附近设有漫射物；或者，所述分光镜附近设有反光镜；

⑤单个所述变平镜的直径≤单支所述锥形分光管入光口的直径；

⑥所述变平镜轴线与水平线之间的夹角依次递减；或者，所述导向口的朝向与水平线之间的夹角α依次递增；或者，所述变平镜以及所述导向口到所述分光镜的距离依次缩短；

⑦所述导向口前方设置有微型反射镜，用于使所述细支光束拐向凹面镜的凹面，由其凹面反射成准平行光束后射向所述受光区；

⑧所述分光管、所述导向管或尖嘴、所述变平镜、处于焦平面上的所述导向口或尖嘴口，共同构成一个可输出准平行光束的分光变平模块整体；

⑨所述分光管是楔锥型分光管；

⑩所述导向管的出光口以及所述变平镜，远离所述受光区0.3√nD以上。

6.根据权利要求5所述的太阳能定焦聚光镜，其特征在于，它包括如下任意一个或多个组合技术措施：

①众多所述变平镜的轴线各自穿过同一个所述受光区；

②所述导向口中心点至所述变平镜中心点的连线，与所述变平镜轴线之间的夹角为锐角，以使从所述变平镜反射出来的所述准平行光束避开所述导向管而射向所述受光区；

③所述变平镜到所述导向口或尖嘴口的距离≤32.2mm；

④多条所述细支光束并束成一条，从同一个所述导向口以同一个点光源的方式射向同一个所述变平镜；

⑤从众多所述导向口射出的所述细支光束及其散射光，途径所述变平镜被调整成准平行光束后，各自隔空射向所述受光区。

7.一种太阳能定焦聚光光伏发电装置，其特征在于：使用所述权利要1-6中任何一种太阳能定焦聚光镜；光伏电池板安装在所述受光区并且接收所述太阳能定焦聚光镜汇聚的阳光发电。

8.根据权利要求7所述的太阳能定焦聚光光伏发电装置，其特征在于：所述导向口和变平镜以及光伏电池板，被封闭在防尘外壳里；所述光伏电池板上安装有可向防尘外壳外面散热的散热片。

9.一种太阳能定焦聚光集热装置，其特征在于：使用所述权利要1-6中任何一种太阳能定焦聚光镜；太阳能集热装置安装在所述受光区并且接收所述太阳能定焦聚光镜汇聚的阳光发热。

10.根据权利要求9所述的太阳能定焦聚光集热装置，其特征在于：所述导向口和变平镜以及太阳能集热装置的局部区域，被封闭在防尘外壳里。