CN1315005A - 辐射能聚集器 - Google Patents

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Abstract

技术效果是提高聚能量,减小质量和整体尺寸,并最大限度保护太阳能电池不受宇宙辐射损坏。本质是聚集器的接收层由一系列排列在同一水平上的会聚元件构成。在一个实施例中这些元件的上边在一个平面上形成六角蜂窝结构,在另一个实施例中它们形成由正方形元件构成的正交矩阵。在六角蜂窝结构的情况下,会聚元件制成具有反射内表面的漏斗形式,而在正交矩阵情况下会聚元件包括光学透镜或者它们被制成抛物面－双曲面聚集器形式。具有反射镜的层设置在接收层的下面。通过设置在接收层下面的反射镜,来自边缘会聚元件的光束被传输到中心元件的中心。类似过程在每一层上发生。应用领域有:太阳能技术,可被用作把辐射能转换为热或电能的转换装置;天文学,可被用于设计高倍望远镜,以便采集来自遥远星系的微弱光束;以及高能物理,可被用于获得强激光束。

Description

辐射能聚集器
本发明涉及如下领域：太阳能技术更具体地是光辐射能聚集器领域，而且能够用作把辐射能变换为热或电能的装置；天文学，可以用于设计高倍率望远镜，以便收集来自遥远星系的微弱光束；和高能物理领域，可以用于获得强激光束。
与本发明相关的是各种漏斗形聚集器，具体地是截头金字塔形聚集器[列宁格勒(Leningrad)的“NAUKA”1989 pp.206-213(Rus)，作者：AndreevV.M.,Grilikhes V.A.rumiancev V.D.，文章名称：Photo-electricheskoepreobrazovanie koncentrirovannogo solnechnogo izluchenia]和所谓抛物面聚集器[列宁格勒(Leningrad)的“NAUKA”1989 pp.220-222(Rus)，作者：Andreev V.M.,Grilikhes V.A.rumiancev V.D.，文章名称：Photo-electricheskoe preobrazovanie koncentrirovannogo solnechnogo izluchenia.]的变形。截头金字塔形聚集器是具有截头部分、薄壁和内反射面的金字塔，它的宽大部分对着光源。截头金字塔形聚集器的缺点是聚能能力低、尺寸大和包括没有防止宇宙辐射的太阳能电池。抛物面聚集器的壁是抛物面，它的缺点与截头金字塔形聚集器的缺点类似。
与本发明最相关的主题是抛物面-双曲面聚集器[列宁格勒(Leningrad)的“NAUKA”1989 pp.278-300(Rus)，作者：Andreev V.M.,Grilikhes V.A.rumiancev V.D.，文章名称：Photo-electricheskoe preobrazovaniekoncentrirovannogo solnechnogo izluchenia.]。抛物面-双曲面聚集器包括一个主抛物面镜和一个次双曲面镜的组合。抛物面-双曲面聚集器的缺点是除非精确对准光束源否则它不能工作。所述次镜的半径决定保护太阳能电池防止受宇宙辐射的能力，另一方面次镜半径导致主镜工作区减小。聚集器的高度依赖于抛物面镜所占的面积。
本发明的技术效果是聚集器的质量和整体尺寸减小；不必精确对准光束源；以及最大限度保护太阳能电池不受宇宙辐射损坏。
本发明的装置包括：漏斗形聚集器；会聚透镜，而且所述聚集器包括抛物面-双曲面反射镜。
本发明能够克服上述后一聚集器的缺点并能够实现技术效果的实质在于设置在能量束接收层下部的数层反射镜把来自前一层上的边缘出口的能量束会聚在中心，从而能够实现高水平聚能并大大减小整个结构的整体尺寸。在抛物面和双曲面聚集器和接收层组合结构的情况下，能够减小次镜的半径，从而辐射能利用率最大。在把所建议的聚集器用于光电传输目的时，由于太阳能电池设置在所述层的下面，因此获得最大程度保护，防止宇宙辐射损坏。
可以参考下面附图描述本发明：
图1是具有以六角蜂窝方式设置的漏斗形元件的聚集器的顶视图；
图2是具有以六角蜂窝方式设置的漏斗形元件的聚集器的截面图；
图3示出具有漏斗形元件的层和反射镜的组合以及它们之间的功能联系；
图4是包括正交设置的透镜和漏斗形元件的聚集器的顶视图；
图5是包括正交设置的透镜和漏斗形元件的聚集器的截面图；
图6示出包括漏斗形会聚元件和不需要对准束源的菲涅耳透镜的聚集器的一个实施例；
图7示出具有传统光学透镜的同一聚集器；
图8示出具有需要精确对准束源的传统光学透镜的聚集器的实施例；
图9是包括抛物面-双曲面反射镜的聚集器的截面图；
图10示出基于平行光传输原理的包括抛物面-双曲面反射镜的聚集器截面图。
由图1-3可以看出聚集器具有以六角蜂窝方式设置的漏斗形元件，该聚集器包括：由一系列漏斗形元件构成的接收层1；设置在接收层下面的第一和第二层，每一层具有一个上平板和一个下平板；第一层的上平板2，其具有反射后表面和孔7及中间反射镜6；第一层的下平板3，其具有边缘反射镜8、带有反射面的槽14以及位于所述槽的连接点处的具有内反射面的漏斗9；第二层的上平板4，其具有反射后表面，具有孔10和中间反射镜12；以及第二层的下平板5，其具有边缘反射镜11、带有反射面的槽15以及位于所述槽的连接点处的具有内反射面的漏斗13。聚集器的形状由层数确定，而且每个具体的形状适合于该形状。
由图4-7可以看出聚集器具有正交设置的漏斗形元件，该聚集器包括：一系列正方形会聚透镜16，正交排列的漏斗形元件17；设置在接收层下面的第一、第二和第三层，每一层具有一个上平板和一个下平板；第一层的上平板18，其具有中间反射镜27及孔26，并具有反射后表面；第一层的下平板19，其具有边缘反射镜25和带有反射面的槽35；第二层的上平板20，其具有反射后表面，并具有中间反射镜29和孔；第二层的下平板21，其具有边缘反射镜28和带有反射面36的槽36；第三层的上平板22，其具有反射后表面，并带有中间反射镜和孔，第三层的下平板23，其具有边缘反射镜30和带有反射面的槽；以及会聚元件出口透镜24；其中平板18上的孔26与边缘漏斗的出口重合，中间反射镜27围绕接收层的中心会聚元件出口排列，平板19上的边缘反射镜25与平板18上的孔26重合，平板19上的边缘反射镜25通过含有槽35的反射面与平板18上的中间反射镜27相连。平板21上的反射镜28通过含有槽36的反射面与平板20上的中间反射镜29相连，平板23上的边缘反射镜30与平板22上的孔重合。
在图5和6所示的聚集器实施例中使用了菲涅耳透镜。在该实施例中，不需要精确对准光源。设置在会聚元件17的出口处的菲涅耳透镜允许选择来自焦点的光束的发散度。会聚元件17的上边是正方形，而且它们在朝向出口方向上变为圆形。在非精确对准情况下，含有槽35的反射面起辅助作用，同时使焦点偏离出口的几何中心。
在图7中可以看到本发明的实施例，其中使用传统透镜作为入射透镜31和出射透镜32。在边缘透镜的出口没有透镜。
在图8所示的实施例中没有漏斗形元件，而且精确对准光束源以便焦点位于所述对着透镜的层的所述孔区域内。多个透镜支撑在支架33上。
在图9中可以看到包括抛物面和双曲面反射镜的光束聚集器的另一个实施例。在该实施例中，抛物面和双曲面反射镜的工作面彼此相对，双曲面反射镜通过支座34接合。
含有位于接收层下面的层的反射镜包括双抛物面反射镜25和27。
在图10中可以看到具有接收层和由一系列抛物面-双曲面聚集器构成的聚集器。该聚集器能够传播平行光束。含有位于接收层下面的层的反射镜包括平面反射镜37和38。
在接收层呈六角蜂窝结构的情况下，漏斗形元件的上边是六角形，在出口端变窄并逐渐变成圆形。把漏斗形元件分组以便六个边缘元件围绕每七个元件的中心元件排列。数层设置在接收层下面，这些层具有反射镜和上面有反射表面的槽。每层包括一个上平板和一个下平板。上平板在下面具有反射面并具有孔和中间反射镜。下平板包括边缘反射镜和上面具有反射面的槽。上平板的孔与接收层的边缘漏斗形元件的出口对准，而上平板的中间反射镜围绕接收层的每个中心元件的出口排列。下平板的边缘反射镜与上平板的孔对准，而含有槽的反射面把下平板的反射镜连接到上平板的中间反射镜。槽与上下平板共同起漏斗形会聚元件的作用。每六个相邻槽的轴彼此成60°角并形成一个六角星。具有反射内表面的出口漏斗设置在槽连接点上，即在六角星的中心。通过边缘反射镜从接收层的边缘元件出射的光束通过含有槽的反射面传输到中间反射镜。中间反射镜把接收到的光束传播向具有内反射面的漏斗，该漏斗位于六角星的中心。每层包括类似的平板，并位于每个下一层上，六角星的中心到与六角星的边缘反射镜对准的孔的几何中心的距离超过上一层上相应量的
Figure A9980898500081
倍。设置在每个上层上的星组的中心六角星的出口漏斗与每个下层上的六角星中心对准，而设置在每个上层上的星组的六个边缘六角星的出口漏斗与边缘反射镜对准。
在聚集器的接收层呈正交结构的情况下，透镜和包括聚集器的抛物面-双曲面反射镜的会聚元件的上部构成正交矩阵。
接收层元件以如下方式设置，即相邻八个正方形围绕中心元件排列，含有层的反射镜设置在光束接收层的下面，每层包括两个平板。所述层的下平板包括沿着正方形的对称轴排列的边缘反射镜，而上平板包括孔和排列在围绕组中心的圆上的中间反射镜。每个下层的组中心到与边缘反射镜对准的出口的几何中心的距离比上一层的大三倍。
辐射能聚集器以如下方式工作：入射到光束接收层上的光束被从会聚元件出口传输到下层反射镜。从接收层边缘元件入射到边缘反射镜的光束被反射向中间反射镜。被中间反射镜传播到中心的光束与被接收层的中心元件会聚的光束重合。从每层出射的光束也以类似方式会聚。
不考虑损失，具有六角蜂窝结构的每一层可以实现七次往返会聚，而在正交结构情况下可以实现九次往返会聚。
在六角蜂窝结构情况下，每增加一层，高度能够减小
Figure A9980898500082
倍并保持原始结构面积，在正交结构情况下能够实现高度减小3倍。
聚集的太阳光束通过内反射表面容管可被传输到太阳不发光的地方，并通过相反的过程可以把光束扩展以便减少这些地方白天的电能消耗并改善这些地方的环境卫生状况。

Claims (7)

1、一种辐射能聚集器，包括制成一系列排列在同一水平上的光束会聚元件形式的光束接收层，其特征在于：一些层设置在所述接收层的下面并平行于所述接收层，所述层具有反射镜，把所述接收层的所述会聚元件分组以便每一组具有中心元件而且彼此位置相邻的边缘元件围绕所述中心元件排列，设置在所述接收层下的层内的所述反射镜排列成来自所述层上部的所述边缘会聚元件的出口的光束被传播到围绕组中心圆周排列的中间反射镜，所述中间反射镜把接收到的光束传播到与所述组中心轴对准的出口，每一层上的出口被以与所述接收层上的出口类似的方式分组，而且每个下层的边缘反射镜把从上层边缘出口出射的光束传播到相应的中间反射镜，该相应的中间反射镜把接收到的光束传播到与组中心轴相对准的出口，而且每个下层中组中心与组边缘之间的距离大于每个上层上的组中心与组边缘之间的距离。
2、根据权利要求1所述的聚集器，其特征在于：所述接收层制成一系列以六角蜂窝方式排列并具有光束反射工作面的漏斗形元件形式，而且设置在所述接收层下面的反射镜组的六个边缘反射镜通过具有反射面的槽与围绕组中心排列的中间反射镜相连并形成六角星。
3、根据权利要求1所述的聚集器，其特征在于：所述光束接收层制成正交排列的抛物面-双曲面聚集器的组合。
4、根据权利要求1所述的聚集器，其特征在于：所述光束接收层制成一系列正交排列的会聚透镜的形式。
5、根据权利要求1所述的聚集器，其特征在于：所述光束接收层制成正交排列光会聚漏斗形元件的形式，在上述漏斗形元件的上方设置有正方形会聚透镜，所述透镜中的每一个的光轴与所述漏斗形元件的光轴匹配，设置在所述光接收层下面的层上的边缘反射镜通过具有反射面的槽与相应中间反射镜相连，槽共同形成八角星，而且透镜与每个中心元件出口和每层中心出口对准。
6、根据权利要求5所述的聚集器，其特征在于：透镜与光束接收层边缘元件的出口和每层的边缘出口相对准。
7、根据权利要求4至6所述的聚集器，其特征在于：所述透镜是菲涅耳透镜。
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