CN1818719A - 一种采聚太阳能的掩模片及采用掩模片的太阳能装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种采聚太阳光部件—掩模片和采用该掩模片的太阳能装置。掩模片为一矩形片状体，由其四个边向上间隔排列的条状遮光带成井字形构成，两相邻条状遮光带之间形成方孔透光带。太阳能装置采用掩模片作为采聚太阳光的部件，将一个以上的掩模片组成平面阵列聚光板固定在一框架上，在掩模片阵列聚光板下方可以设置发电装置、采热装置和采光装置，对太阳能进行综合利用。本发明所提供的掩模片具有较好的采聚太阳光性能，能将阳光浓缩许多倍和聚光，采用该掩模片的太阳能装置具有较高的效率和综合利用太阳能的效果。

Description

一种采聚太阳能的掩模片及采用掩模片的太阳能装置

技术领域

本发明属于太阳能装置，具体涉及一种采聚太阳能的掩模片及采用掩模片的太阳能装置。

背景技术

掩模片又称波带片，当初用来作为惠更斯——菲涅耳原理的一个实验证明而已。当高单色性高亮度的激光出现后在激光准直仪中将波带片当长焦距(几十米于数千米)透镜使用，其焦斑处形成亮“十”线窄到0.2mm左右，使得几十米内测量精度大大提高，误差降到10^-5以下。用作短焦距(小于1米)透镜使用和用来采聚太阳能未见报道。

现有的太阳能聚光发电系统，属平面化的全息片聚光发电和菲涅耳聚光片发电有明显优势，但此二者均有介质材料的吸光损耗、表面反射光损耗以及采光面堆积灰尘导致效率低，易失效的弊端。

现有的采聚太阳光照明装置都用镀金属膜的镜面反射阳光，经两次以上反射后才可进入导光管中(其管径100-300mm)，在其底部装有平凹镜或下表面磨砂过的反光板，使阳光均匀散射开来用来照明。此种有如下弊端：1、多块反光板需固定在地面上，室外工作的采光面因积尘效率低，更容易失效；2、粗笨的总体耗费资源，而且不能长距离、低损耗地将阳光传输到矿井或隧道中等照明场所。

现有的太阳能热水器均用黑色吸光层将阳光转换成热水中的热能，其效率不高，仅供热水，用途有限，经济指标也不高。

高效综合利用太阳能是地球人的宿愿。目前用阳光电池的太阳能发电装置其综合利用率不高，光电转换效率低，并且价格昂贵。

发明内容

本发明的目的是提供一种采聚太阳光部件—掩模片，并提供采用该掩模片的太阳能装置。所提供的掩模片具有较好的采聚太阳光性能，能将阳光浓缩许多倍和聚光，采用该掩模片的太阳能装置具有较高的效率和综合利用太阳能的效果。

本发明的掩模片为一矩形片状体，由其四个边向上间隔排列的条状遮光带成井字形构成，两相邻条状遮光带之间形成方孔透光带；掩模片也可为一圆形片状体，由同心圆环遮光带相间排列构成，各同心圆环遮光带之间至少有一个以上的连接部位，两相邻同心圆环遮光带之间形成圆孔透光带；矩形片状体和圆形片状体上的遮光带与透光带的排列规律：以遮光带与透光的分界线至原点的距离X_N.Y_N来确定，并遵循 $X_N=\±\sqrt{\mathrm{N\λFn}},Y_N=\±\sqrt{\mathrm{N\λFn},}$ 其中圆形掩模片的各带边分界线(位置)称为以圆心为中心的半径值。式中Fn是掩模片的焦距，λ为入射光波长值，N是自然数1，2，3……。掩模片呈中心对称关系，即在X轴上的光透过率分布函数图，将其旋转90°后能与Y轴的光透过率分布函数图完全重合。

依据物理光学中的光衍射原理和光振幅叠加原理，通过计算掩模片的聚光斑位置到本片上各带边的光程差得知，孔边缘的透射光发生衍射后汇聚在焦斑处的都是同相位的光；若不遮挡的边框位置的光发生衍射后当其汇聚在焦斑处时，这些光都是反相位的光。由叠加原理可知，同相位的光其光振幅会发生同相位叠加增大的现象；反相位的光叠加时，其光振幅会减小。如果光振幅增大a倍，那么此光的光能会增大到a²倍，如a＝8，a²＝64。

本掩模片的创新之处不仅能使入射光汇聚在其焦斑处，而且以半个光波长的精确度计算光程差，找出各带边的分界线(位置)来实施透过孔边缘的光发生衍射后能汇聚在焦斑处的光是相同相位的光，反相位的光被边框遮挡住，这样便实现了此焦斑处的汇聚光，其光能就增大许多倍的目的。因阳光是多波段的光源，而本掩模片对多波段的光都有聚焦作用。用此掩模片拼凑成的阵列聚光板，有高效采聚太阳能的功能。

本发明的太阳能装置采用掩模片作为采聚太阳光的部件，将一个以上的掩模片组成平面阵列聚光板固定在一框架上，在掩模片阵列聚光板下方设置发电装置，该装置由阳光电池和蓄电池组成，在每一块掩模片的下方对应设有阳光电池，阳光电池固定在框架上，通过金属导线与蓄电池相连。

进一步的技术方案，在所述技术方案中也可以将阳光电池紧固在散热器上，散热器固定在框架上，水泵、散热器和热水箱之间有水管相连，阳光电池通过金属导线与蓄电池相连，该装置既可以采热也可以发电。

太阳能装置采用掩模片作为采聚太阳光的部件，将一个以上的掩模片组成平面阵列聚光板固定在一框架上，在掩模片阵列聚光板下方设置采热装置，该装置由镀膜真空吸热管、水泵和热水箱组成，本掩模片将阳光浓缩许多倍后能使吸热管中流过的水升温至沸点，产生水蒸汽，可用来制取蒸馏水、开水和煮沸消毒等。

太阳能装置的另一种方案是：采用掩模片作为采聚太阳光的部件，将一个以上的掩模片组成平面阵列聚光板固定在一框架上，在掩模片阵列聚光板下方设置采光装置，该装置由光耦合器、光纤光缆和光发散器组成，在每一块掩模片的下方对应设有光耦合器，光耦合器固定在框架上，光耦合器底部固定有光纤光缆，光纤光缆的另一端与光发散器相连。

太阳能装置也可以将上述装置组合在一起成为多功能太阳能装置，在掩模片组成的阵列聚光板的下方，与部分掩模片对应设置发电装置和采热装置，与部分掩模片对应设置采光装置。

本太阳能装置的工作原理：太阳光照射在掩模片阵列聚光板上，阳光透过其上面的孔并能汇聚在其焦斑处，将阳光电池放置在焦斑处，其所发的电用蓄电池蓄起来备用。放置焦斑处的光耦合器将阳光耦合进入光纤光缆中，可长距离低损耗地传输到需要用光照明的场所，如地下矿井中等。在光纤光缆的另一端安有光发散器，由光缆传来的高能流密度(聚光后)阳光用光发散器将其发散开来，使得其光能密度降低到人眼、皮肤所能承受的安全范围以内，用作直接照明。水泵从冷却水箱中抽取冷却水，泵增压后随管道穿过散热器，阳光电池发电所产生的热能被冷却水吸收，加热的冷却水流入热水箱中备用。

太阳能装置应依据用途选取合适的工作波长λ和主焦距Fn的掩模片。如用太阳光照明隧道，应在可见光谱带中部波长区里选择，λ＝550nm(5500埃)比较合适；要用太阳能发电时，应在可见光的短波长区里选取紫光比较合适，λ＝400nm(4000埃)。因为光波长越短，光子含能越高，阳光电池发的电能就越多。

为了使太阳能装置的掩模片阵列聚光板在四季都能根据太阳的运动规律处于采聚太阳光的最佳位置，上述各太阳能装置均可设置调节机构，调节机构包括至少设置在框架上不同方向的两个高度调节机构，用高度调节机构可以调整掩模片阵列聚光板朝向太阳的位置。

所述调节机构可以是球心万向机构，四个万向机构分别设在矩形框架的四个边框上，设在相邻边框上的万向机构固定在高度调节伸缩杆上。

由于本发明采用平面化的掩模片拼凑成阵列来采聚太阳能，可以将阳光浓缩许多倍并汇聚在焦斑处，不仅能适宜于阳光电池发电，而且还能提高其光电转换效率和输出电功率。与现有的太阳光采聚装置相比，本发明将太阳能发电、热水，直接照明融合于一体，创新出一种太阳能光、电、热多用途和综合利用太阳能装置；既能单用，又可多用途。用光耦合器放置在该处使得阳光耦合进入光纤光缆中，并能远距离低损耗地传送到地下室、矿井中、隧道中等场所直接照明；具有安全防爆、可靠、使用寿命长等优点；还可供花草树苗、人畜晒太阳、保健、环保、卫生。将带散热器的阳光电池放置其焦斑处，用蓄电池将阳光电池发的电储蓄起来备用。泵压冷却水穿过散热器通道中，冷却水被加热后流进热水箱储藏起来，可用于洗浴、制取饮用水、淡化海水或苦咸水；冬天用热水取暖，夏天用来制冷等。将真空镀膜吸热管放置焦斑处，可以将此管中水温升高至沸点，产生的水蒸汽可用于制取蒸馏水等。

附图说明

图1是矩形掩模片的结构示意图。

图2是圆形掩模片的结构示意图。

图3是掩模片上各带边位置X_N的示意图。

图4是用

为变数来表示掩模片的光透过率分布函数图。

图5是本发明采用掩模片的太阳能装置结构示意图。

图6至图9是本发明采用掩模片的太阳能装置的不同结构示意图。

图10是本发明太阳能装置调节机构的示意图。

图11是图10中A部祥图。

图12本发明太阳能装置调节的示意图。

具体实施方式

实施例1：

见图1，掩模片1为一矩形片状体，由其四个边方向上间隔排列的条状遮光带101成井字形构成，两相邻条状遮光带101之间形成方孔透光带102。见图2，掩模片1也可以为一圆形片状体，由同心圆环遮光带101相间排列构成，两相邻同心圆环遮光带101之间形成圆孔透光带102，各同心圆环遮光带101之间有四个连接部位103。掩模片1上遮光带101与透光带102的排列规律：以遮光带101与透光带102的分界线至原点的距离X_N、Y_N来确定，并遵循 $X_N=\±\sqrt{\mathrm{N\λFn}},Y_N=\±\sqrt{\mathrm{N\λFn}}.$ 由该公式计算，掩模片的各带边分界线的位置X_N如图3所示。图形掩模片的各带边分界线(位置)称为以圆心为中心的半径值。

掩模片的光透过率可以用图形表示，图4为用 为变数来表示掩模片的光透过率分布函数图：即在X_O轴上的点如 $\±1,\±\sqrt{3},\±\sqrt{5},\±\sqrt{7},\±\sqrt{9},\±\sqrt{11}\·\·\·\·\·\·$ 其光透率函数值t(X₀)分别为1和0，或0和1都是重合点；这表示本掩模片光透率只有两种值即1和0。而且各带边宽度是从中央往四周方向逐渐缩小而密集，其外貌与全息聚光片和菲涅耳透镜有相似之处。

太阳光是多光谱带的光，为计算方便，在可见光中选取光波长λ＝0.5×10^-6米，本掩模片的主焦距Fn设定Fn＝0.5米，掩模片上各带边分界线X_N：

实施例2：采用掩模片1的太阳能装置见图5，太阳能装置有一个框架2，掩模片1用压条3紧固在带方孔隔板6上组成平面阵列聚光板，在掩模片阵列聚光板下方设置发电装置，该装置由阳光电池4和蓄电池组8成，在每一块掩模片1的下方对应设有阳光电池4，阳光电池4通过金属导线7与蓄电池8相连，阳光电池4之间用导线5串联。

实施例3：见图6，本发明的另一种结构为，在掩模片1阵列下方设置采热装置，该装置由镀膜真空吸热管9、水泵10和热水箱11组成。

实施例4：本发明还可以采用图7所示的结构，在聚光板下方设置发电采热装置，该装置由阳光电池4、散热器13、水泵10和热水箱11组成，每一块掩模片下方焦斑处对应设有阳光电池4，阳光电池4紧固在散热器13上，散热器13固定在框架上，阳光电池4通过金属导线7与蓄电池8相连，水泵10、散热器13和热水箱11之间有冷却水管12相连。该装置可用于发电和采暖等。

实施例5：太阳能装置的另一实施例见图8，在掩模片聚光板下方设置采光装置，该装置由光耦合器14、光纤光缆15和光发散器16组成，在每一块掩模片下方焦斑处对应设有光耦合器14，光耦合器14固定在框架上，光耦合器14底部固定有光纤光缆15，光纤光缆15的另一端与光发散器16相连。该装置可用于采光。

实施例6：见图9，太阳能装置也可以将上述两种装置组合在一起成为多功能太阳能装置，在掩模片聚光板的下方，与部分掩模片对应设置发电采热装置，与部分掩模片对应设置采光装置。该装置可用于发电、采暖和采光。

实施例7：上述实施例中的太阳能装置均可设置调节机构，如图10、图11所示，调节机构为球心万向机构17，四个万向机构17分别设在矩形框架2的四个边框上，设在相邻边框上的万向机构17采用高度调节伸缩杆18，高度调节伸缩杆18由插杆181和套筒184组成，在插杆181和套筒184上设有可相对应的通孔182，用插销183可以将插杆181固定在套筒184上不同高度的位置。太阳能装置的调节参见图12，调节太阳能装置框架上不同方向上的高度调节伸缩杆，可以使装置上的掩模片1聚光板分别绕X轴和Y轴转动。

上述装置中，采聚光的掩模片为200×200mm²井字型方片，片厚0.5mm，由特种尼龙材料制作成，其主焦距Fn设定为0.5米(m)，光波长入设定为0.5×10^-6米(m)。掩模片聚光板可用6×6个掩模片排成方阵1200×1200mm²，每两个此方阵固定在一个框架上。阳光电池为40瓦的太阳能硅光电池，选用12伏特的蓄电池。抽水泵选用12伏直流电机的塑料小水泵。冷却水箱[8]、热水箱[10]为100升塑料箱。光耦合器用太阳能专用塑料制成φ3mm半球，光发散器也用太阳能专用塑料制成长宽厚分别为5×3×2mm³的双凹镜；光缆采用φ1.5mm的塑料光纤。

Claims (8)

1、一种掩模片，其特征是为一矩形片状体，由其四个边向上间隔排列的条状遮光带成井字形构成，两相邻条状遮光带之间形成方孔透光带；掩模片也可为一圆形片状体，由同心圆环遮光带相间排列构成，各同心圆环遮光带之间至少有一个以上的连接部位，两相邻同心圆环遮光带之间形成圆孔透光带；矩形片状体和圆形片状体上的遮光带与透光带的排列规律：以遮光带与透光的分界线至原点的距离X_N.Y_N来确定，并遵循 $X_N=\±\sqrt{\mathrm{N\λFn}},$ $Y_N=\±\sqrt{\mathrm{N\λFn},}$ 其中圆形掩模片的各带边分界线(位置)称为以圆心为中心的半径值。

2、一种太阳能装置，其特征是采用掩模片作为采聚太阳光的部件，掩模片由其四个边向上间隔排列的条状遮光带成井字形构成，两相邻条状遮光带之间形成方孔透光带；掩模片也可为一圆形片状体，由同心圆环遮光带相间排列构成，各同心圆环遮光带之间至少有一个以上的连接部位，两相邻同心圆环遮光带之间形成圆孔透光带；矩形片状体和圆形片状体上的遮光带与透光带的排列规律：以遮光带与透光的分界线至原点的距离X_N.Y_N来确定，并遵循 $X_N=\±\sqrt{\mathrm{N\λFn}},$ $Y_N=\±\sqrt{\mathrm{N\λFn},}$ 其中圆形掩模片的各带边分界线(位置)称为以圆心为中心的半径值；将一个以上的掩模片组成平面阵列聚光板固定在一框架上，在掩模片阵列聚光板下方设置发电装置，该装置由阳光电池和蓄电池组成，在每一块掩模片的下方对应设有阳光电池，阳光电池固定在框架上，通过金属导线与蓄电池相连。

3、根据权利要求2所述的太阳能装置，其特征是将阳光电池紧固在散热器上，散热器固定在框架上，水泵、散热器和热水箱之间有水管相连，阳光电池通过金属导线与蓄电池相连。

4、一种太阳能装置，其特征是采用掩模片作为采聚太阳光的部件，掩模片由其四个边向上间隔排列的条状遮光带成井字形构成，两相邻条状遮光带之间形成方孔透光带；掩模片也可为一圆形片状体，由同心圆环遮光带相间排列构成，各同心圆环遮光带之间至少有一个以上的连接部位，两相邻同心圆环遮光带之间形成圆孔透光带；矩形片状体和圆形片状体上的遮光带与透光带的排列规律：以遮光带与透光的分界线至原点的距离X_N.Y_N来确定，并遵循 $X_N=\±\sqrt{\mathrm{N\λFn}},$ $Y_N=\±\sqrt{\mathrm{N\λFn},}$ 其中圆形掩模片的各带边分界线(位置)称为以圆心为中心的半径值；将一个以上的掩模片组成平面阵列聚光板固定在一框架上，在掩模片阵列聚光板下方设置采热装置，该装置由镀膜真空吸热管、水泵和热水箱组成。

5、一种太阳能装置，其特征是采用掩模片作为采聚太阳光的部件，掩模片由其四个边向上间隔排列的条状遮光带成井字形构成，两相邻条状遮光带之间形成方孔透光带；掩模片也可为一圆形片状体，由同心圆环遮光带相间排列构成，各同心圆环遮光带之间至少有一个以上的连接部位，两相邻同心圆环遮光带之间形成圆孔透光带；矩形片状体和圆形片状体上的遮光带与透光带的排列规律：以遮光带与透光的分界线至原点的距离X_N.Y_N来确定，并遵循 $X_N=\±\sqrt{\mathrm{N\λFn}},$ $Y_N=\±\sqrt{\mathrm{N\λFn},}$ 其中圆形掩模片的各带边分界线(位置)称为以圆心为中心的半径值；将一个以上的掩模片组成平面阵列聚光板固定在一框架上，在掩模片阵列聚光板下方设置采光装置，该装置由光耦合器、光纤光缆和光发散器组成，在每一块掩模片的下方对应设有光耦合器，光耦合器固定在框架上，光耦合器底部固定有光纤光缆，光纤光缆的另一端与光发散器相连。

6、一种太阳能装置，其特征是采用掩模片作为采聚太阳光的部件，掩模片由其四个边向上间隔排列的条状遮光带成井字形构成，两相邻条状遮光带之间形成方孔透光带；掩模片也可为一圆形片状体，由同心圆环遮光带相间排列构成，各同心圆环遮光带之间至少有一个以上的连接部位，两相邻同心圆环遮光带之间形成圆孔透光带；矩形片状体和圆形片状体上的遮光带与透光带的排列规律：以遮光带与透光的分界线至原点的距离X_N.Y_N来确定，并遵循 $X_N=\±\sqrt{\mathrm{N\λFn}},$ $Y_N=\±\sqrt{\mathrm{N\λFn},}$ 其中圆形掩模片的各带边分界线(位置)称为以圆心为中心的半径值；将一个以上的掩模片组成平面阵列聚光板固定在一框架上，在掩模片组成的阵列聚光板的下方，与部分掩模片对应设置发电装置和采热装置，该装置由阳光电池和蓄电池组成，在每一块掩模片的下方对应设有阳光电池，阳光电池通过金属导线与蓄电池相连，将阳光电池紧固在散热器上，散热器固定在框架上，水泵、散热器和热水箱之间有水管相连；与部分掩模片对应设置采光装置，该装置由光耦合器、光纤光缆和光发散器组成，在每一块掩模片的下方对应设有光耦合器，光耦合器固定在框架上，光耦合器底部固定有光纤光缆，光纤光缆的另一端与光发散器相连。

7、根据权利要求3至6中任何一条所述的太阳能装置，其特征是设置有调节机构，调节机构包括至少设置在框架上不同方向的两个高度调节机构。

8、根据权利要求7所述的太阳能装置，其特征是所述高度调节机构是球心万向机构，四个万向机构分别设在矩形框架的四个边框上，设在相邻边框上的万向机构固定在高度调节伸缩杆上。

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