CN201637922U - 一种具有导光器的抛物面镜聚光系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种具有导光器的抛物面镜聚光系统，该聚光系统在现有利用抛物面镜传送光能的装置的基础上，在所述两个抛物面镜的公共轴线处还设置有一个导光器；该导光器具有至少一个光线入射口及至少一个光线射出口；该光线入射口大于该光线射出口；在该光线入射口和光线射出口之间具有呈锥形的反射面；该光线入射口朝向该第一抛物面镜，在该光线射出口处设有受光件。通过加装导光器进行改造，以使该聚光系统的聚光效果更好，系统误差的容错性更强。

Description

一种具有导光器的抛物面镜聚光系统

技术领域

本实用新型涉及一种聚光系统，特别是一种在抛物面镜聚光系统的基础上，在汇聚光出口处加装一导光器，以使聚光效果更好，系统误差的容错性更强的聚光系统，属于光学设备技术领域。

背景技术

聚光系统是光学设备中常用的组成部分。特别是在太阳能发电领域，通过聚光系统能够起到汇聚太阳光线增强照射光强度提高太阳能电池板发电效率的作用。因此，关于聚光系统结构的设计对于光学设备而言是非常重要的。

本案发明人在之前已经就《一种利用抛物面镜传送光能的装置》(专利申请号：200910087418.X)向中国专利局提出了专利申请。在该专利申请中公开了一种利用抛物面镜传送光能的装置，包括至少一抛物线凸面反射镜、至少一抛物线凹面反射镜；所述抛物线凸面反射镜的凸面为抛物线形的反射面，所述抛物线凹面反射镜的凹面为抛物线形的反射面；所述抛物线凸面反射镜与抛物线凹面反射镜的反射面相对设置，且两个反射面的抛物线形呈相似形；该抛物线凹面反射镜的反射面几何尺寸大于该抛物线凸面反射镜的反射面几何尺寸；该两个抛物线反射镜反射面的轴线重合于公共轴线处，且各反射面焦点重合于公共焦点处。

该利用抛物面镜传送光能的装置，当有平行光线沿所述抛物线凸面反射镜和抛物线凹面反射镜的共同轴线方向入射抛物线凹面反射镜时，光线将被反射并且往焦点汇聚。该反射光照射到该抛物线凸面反射镜上，反射光将再次被抛物线凸面反射镜反射到该抛物线凹面反射镜上，之后该光线又再次被该抛物线凹面反射镜反射到该抛物线凸面反射镜上，光线如此来回的在该两抛物线反射镜之间反射，该来回反射的光线将逐渐的往该两抛物线反射镜的顶点位置汇聚。最后，该平行光线将在该抛物线凹面反射镜的顶点附近区域，汇聚成为能量密度强大的平行光束，从而完成入射光线的汇聚。

这种利用抛物面镜传送光能的装置虽然在理论上是一种效果极佳的光能汇聚装置，可以将光能强度大大提高。但是，由于其汇聚效果有赖于入射光线与所述共同轴线的绝对平行，以及两个抛物面镜之间的绝对位置关系。因此，在实际应用中往往难以达到理想的汇聚效果。另外，一般的太阳能电池板的形状为矩形，而上述利用抛物面镜传送光能的装置最终汇聚形成的光束一般为圆形。这不利于充分利用太阳能电池板的发电效率，并由于受光不均容易影响太阳能电池板的使用寿命。

鉴于此，在先申请的利用抛物面镜传送光能的装置仍有待改进之处，以使其更具有实际应用前景。

发明内容

本实用新型的主要目的在于解决现有技术中存在的问题，提供一种在汇聚光出口处加装导光器的抛物面镜聚光系统，以使聚光效果更好，系统误差的容错性更强。

本实用新型的目的是通过下述技术方案予以实现的：

一种具有导光器的抛物面镜聚光系统，包括：第一抛物面镜、第二抛物面镜；该第一抛物面镜为抛物线凹面反射镜或抛物线凸面反射镜；该第二抛物面镜为抛物线凹面反射镜；该第一抛物面镜的反射面与第二抛物面镜的反射面相对设置；该第二抛物面镜的反射面几何尺寸大于该第一抛物面镜的反射面几何尺寸；该两个抛物面镜反射面的轴线重合、焦点重合；其特征在于：

在所述两个抛物面镜的公共轴线处还设置有至少一个导光器；该导光器具有至少一个光线入射口及至少一个光线射出口；该光线入射口大于该光线射出口；在该光线入射口和光线射出口之间具有呈锥形的反射面；该光线入射口朝向该第一抛物面镜，在该光线射出口处设有受光件。

所述光线射出口呈矩形。

所述导光器为反射式导光器；该导光器中心贯穿有一锥形空腔；该锥形空腔较大的端面为光线入射口，较小的端面为光线射出口；在该锥形空腔的内侧面为锥形反射面，用以反射光线。

在该锥形空腔的较小面一端还延伸有一段直线或弯曲的光导管；该锥形空腔的内侧面为锥形反射面。

在所述导光器的锥形反射面外侧部分设置有散热器。

所述导光器为透射式导光器；该导光器为一个呈锥形的透光体。

在所述锥形透光体的倾斜侧面外侧镀有一层反射层镀膜。

在所述锥形透光体的上下表面还镀有一层增透膜。

所述锥形透光体的光线入射口是凹形抛物面；该凹形抛物面的轴线和焦点与所述第一抛物面镜反射面的轴线和焦点相重合。

所述受光件可以为太阳能电池板、激光元件、光导纤维、光能热能转换装置、光能化学能转换装置。

所述第一抛物面镜通过支持件与第二抛物面镜相固定；

该支持件可以由至少一条支撑架构成；该第一抛物面镜通过该至少一条支撑架与第二抛物面镜相固定；

或者，该支持件也可以由一块透明平板构成；该透明平板覆盖于第二抛物面镜的上面；该第一抛物面镜固定于该透明平板上。

在所述受光件的背光面还设有散热器，用以对受光件降温保护。

在所述受光件与散热器之间夹设有热电装置，用以将热能转换为电能。

还设有太阳追踪装置，将所述抛物面镜固定在该太阳追踪装置上，使所述各个抛物面镜的公共轴线对准太阳。

一种具有导光器的抛物面镜聚光系统阵列，其特征在于：由若干所述权利要求1至权利要求14所述的具有导光器的抛物面镜聚光系统中的一种或几种组合形成。

本实用新型的有益效果是：本实用新型在现有利用抛物面镜传送光能的装置的基础上，通过加装导光器进行改造，以使该聚光系统的聚光效果更好，系统误差的容错性更强。

附图说明

图1为具有导光器的抛物面镜聚光系统的基本结构图；

图2为反射式导光器另一实施例结构图；

图3为透射式导光器第一实施例结构图；

图4为透射式导光器第二实施例结构图。

图5为受光器实施例结构图

附图标号：

第一抛物面镜1      光线入射口31

第二抛物面镜2      光线射出口32

导光器3            锥形反射面33

受光件4            反射层镀膜34

散热器5            增透膜35

公共轴线6

公共焦点7

支持件8

热电装置9

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步描述。

实施例一：

图1为具有导光器的抛物面镜聚光系统的基本结构图。如图所示，该具有导光器的抛物面镜聚光系统包括：第一抛物面镜1、第二抛物面镜2。该第一抛物面镜1既可以是抛物线凹面反射镜也可以是抛物线凸面反射镜。该第二抛物面镜2为抛物线凹面反射镜。该第一抛物面镜1的反射面与第二抛物面镜2的反射面相对设置。两个反射面的抛物线形呈相似形。所谓相似形就是该两个抛物线各对应点的曲率相等，几何尺寸等比例。其中，该第二抛物面镜2的反射面几何尺寸大于该第一抛物面镜1的反射面几何尺寸。该两个抛物面镜反射面的轴线6重合，且各反射面焦点重合于公共焦点7处。该重合的轴线6为公共轴线。

在所述两个抛物面镜的公共轴线处还设置有一个导光器3。该导光器具有至少一个光线入射口31及至少一个光线射出口32。该光线入射口31大于该光线射出口32。在该光线入射口31和光线射出口32之间具有呈锥形的反射面33。该光线入射口朝向该第一抛物面镜1，在该光线射出口处设有受光件4。

这里，该受光件4可以是太阳能电池板，用以将光能转换为电能。受光件4可以是激光元件，受汇聚光激发产生激光射线。该激光元件既可以是棒状的也可以是片状的。受光件4可以是光导纤维，用以将汇聚光线传导到其他地方加以利用。受光件4可以是光能热能转换装置，用以将光能转换为热能。受光件4可以是光能化学能转换装置，用以将光能转换为化学能。

当该受光件4为太阳能电池板时，如前所述太阳能电池板通常为矩形结构。因此，为了能充分利用汇聚光能，所述导光器3的光线射出口应呈矩形。

该具有导光器的抛物面镜聚光系统在公共轴线6处设置导光器3为最终汇聚于公共轴线附近的汇聚光线提供了一个再汇聚装置。通过该导光器3的再聚光作用使得原本并不一定理想平行于公共轴线6的汇聚光线得以最终汇聚于该导光器3的光线射出口32，完成该聚光系统的设定汇聚要求。

同时，针对太阳能电池板的结构，通过该导光器3还可将原呈圆形的汇聚光束转变成依导光器3的光线射出口32所限定的矩形汇聚光束，以匹配相应形状的受光件4，特别是受光件4为太阳能电池板的情况。

除此之外，根据实际需要，该聚光系统中的导光器3还可采用多个导光器并设的形式(如图5所示)，从而满足多片太阳能电池密集封装的电池板类型的需要。

由上可知，本实用新型所设计的聚光系统中的核心设计在于加装所述导光器3，通过该导光器3解决抛物面镜聚光系统在实际应用中所存在的问题。该导光器3的实现形式可以有很多种方式，总体来说可以分为反射式导光器和透射式导光器两类。下面就具体根据导光器的不同实现结构给出几组可行的实施方式。

实施例二：

如图1所示，本实施例是在实施例一的基础上，进一步限定所述导光器3为反射式导光器。该导光器3中心贯穿有一锥形空腔。该锥形空腔较大的端面为光线入射口，较小的端面为光线射出口。在该锥形空腔的内侧面为锥形反射面，用以反射光线。该锥形反射面可以由金属材料抛光后镀上抗氧化镀膜而成、或是在其它光滑的材料上镀有一层反射层镀膜34构成。

通过这样结构的反射式导光器，汇聚于公共轴线附近的汇聚光线照射入该锥形空腔中，并经该锥形反射面反射到光线射出口的范围内。

实施例三：

如图2所示，本实施例是在实施例二的基础上，在该锥形空腔较小的端面还延伸有一段直线或弯曲的光导管；该锥形空腔的内侧面为锥形反射面，用以反射光线。该锥形反射面可以由金属材料抛光后镀上抗氧化镀膜而成、或是在其它光滑的材料上镀有一层反射层镀膜构成。

这样结构的导光器3相较于实施例二所述结构的好处在于可以容许光线以更大的偏差角度入射到导光器内部。在另一方面，这样的设计可以使汇聚后的光线可以得到更为广泛的应用。

实施例四：

由于所述实施例二、三中的导光器3采用的是反射式导光器。这种结构的导光器均是在一个载体上通过设置一个贯穿的锥形空腔，从而利用该锥形空腔的内侧面形成锥形反射面的。这样，在该载体的锥形反射面外侧留有一部分可待利用的空间。本实施即是在实施例二、三的基础上，进一步在该导光器3的锥形反射面外侧部分设置有散热器5。

所述的导光器3和散热器5可以结合为一体，即散热器5的内部是一个贯穿的锥形空腔，该锥形空腔的内侧面形成锥形反射面；这样，既可以用来降低该锥形反射面或是受光件4处的温度，又不会占用过多额外空间。

实施例五：

如图3所示，本实施例是在实施例一的基础上，进一步限定所述导光器3为透射式导光器。该导光器3为一个呈锥形的透光体。如前所述，该锥形透光体的两端，较大的透光面为光线入射口，较小的透光面为光线射出口。该透光体可以由玻璃、有机玻璃等透光材料制成。

通过这样结构的透射式导光器，汇聚于公共轴线附近的汇聚光线透射入该锥形透光体中，并在该锥形透光体的倾斜侧面上发生全反射，而被反射到该光线射出口范围内。该该锥形透光体的倾斜侧面即为锥形反射面。

当然，这里要满足汇聚光线在倾斜侧面上发生全反射的条件与该透光体材料的折射率以及该倾斜侧面与公共轴线之间的夹角有关。实际使用时，可以根据透光体材料的折射率对该倾斜侧面与公共轴线之间的夹角进行调整。故此，我们在这里并不对该夹角的范围作进一步限定。

实施例六：

如该聚光系统在设计时无法满足上述实施例五的要求使汇聚光线在该锥形透光体的倾斜侧面上发生全反射的条件，本专利还提供此实施例六作为对实施例五的补充。该实施例六在实施例五德基础上，在所述锥形透光体的倾斜侧面外侧镀有一层反射层镀膜34。通过该层反射层镀膜34可以保证汇聚光线在该锥形透光体的倾斜侧面处发生反射，从而达到系统的设计目的。

如实施例五、六所示的采用透射式导光器的具有导光器的抛物面镜聚光系统相较于采用反射式导光器具有一点问题，即在汇聚光线入射和射出该锥形透光体上下表面时，会因表面反射而损失掉一定的光能。未解决这一问题本专利提供了实施例七、八两种解决方案。

实施例七：

如图3所示，本实施例是在实施例五、六的基础上，在该锥形透光体的上下表面还镀有一层增透膜35。该增透膜35可以增加锥形透光体上下表面的透光率，减少因表面反射而造成的光能损失。

实施例八：

如图4所示，本实施例是在实施例五、六的基础上，进一步限定所述锥形透光体的光线入射口31为凹形抛物面。该凹形抛物面的轴线与公共轴线重合，其焦点与第一抛物面镜1的反射面焦点相重合。

如此，该锥形透光体的光线入射口31与第一抛物面镜1的反射面之间也形成了一对同轴线同焦点的抛物形反射面对。根据前述已申请专利《一种利用抛物面镜传送光能的装置》(专利申请号：200910087418.X)中所给出光学分析可知，这样的光学结构会使其间入射的平行于公共轴线的光线在两个抛物形反射面间重复反射，最终汇聚于公共轴线处。由于，透光体本身一定具有较高的透光率，因此光线如此在两个抛物形反射面间重复反射，最终因光线反射所造成的光能损失已可以忽略不计。

实施例九：

如图1所示，本实施例是在实施例一的基础上，进一步限定所述第一抛物面镜1通过支持件8与第二抛物面镜2相固定。

该支持件8可以由至少一条支撑架构成。该第一抛物面镜1通过该至少一条支撑架与第二抛物面镜2相固定。

该支持件8还可以由一块透明平板构成。该透明平板覆盖于第二抛物面镜2的上面。该第一抛物面镜1固定于该透明平板上。这样结构的支持件8不仅可以起到固定第一、第二抛物面镜相对位置的作用，还能起到防尘防腐的保护作用。

实施例十：

由于本专利所设计的抛物面镜聚光系统能够将入射光线汇聚于所述锥形反射面的较小面范围内，最终照射在设于该处的受光件4上。此时照射在受光件4上的光能强度以提高数倍至数千倍，因此会在受光件4上产生大量热能。如图1所示，为了保护该受光件4不因受热而损坏，我们在该受光件4的背光面还设有散热器5，用以对受光件4降温保护。该散热器可采用空气自然冷却、水自然对流冷却、热管散热冷却、强制循环冷却或是其它散热方式来达到降温保护的目的。

另外，我们还可以对这部分热能加以利用。如图5所示，我们还可以在上述受光件4与散热器5之间夹设有热电装置9，用以将这部分热能转换为电能加以利用。

实施例十一：

本实施例是在实施例一的基础上，还设置有太阳追踪装置，将所述抛物面镜固定在该太阳追踪装置上，使该聚光系统中抛物面镜的公共轴线始终对准太阳，从而保证太阳光平行于公共轴线入射。

很明显的，我们也能够将若干个前述实施例一至实施例十所述的结构以阵列的方式安装在一个太阳追踪装置上面，以便降低获取太阳能的成本。

由于太阳追踪装置为既有技术并且种类繁多，在此不再一一赘述。在附图中也不绘制和标示。

实施例十二：

可以预见，本专利所设计的具有导光器的抛物面镜聚光系统不仅可以如前述十一个实施例的结构单独实施，还可以由若干前述第一至第十一实施例所述系统中的一种或几种组成群组实施方案。这样可以更大规模的对光能进行利用。

综上所述，本实用新型是在现有利用抛物面镜传送光能的装置的基础上，进一步通过加装导光器进行改造，以使该聚光系统的聚光效果更好，系统误差的容错性更强。本领域一般技术人员在这样的设计思想下，所做的任何不具有创造性的改造均应视为在本实用新型的保护范围之内。

Claims (15)

1.一种具有导光器的抛物面镜聚光系统，包括：第一抛物面镜、第二抛物面镜；该第一抛物面镜为抛物线凹面反射镜或抛物线凸面反射镜；该第二抛物面镜为抛物线凹面反射镜；该第一抛物面镜的反射面与第二抛物面镜的反射面相对设置；该第二抛物面镜的反射面几何尺寸大于该第一抛物面镜的反射面几何尺寸；该两个抛物面镜反射面的轴线重合、焦点重合；其特征在于：

在所述两个抛物面镜的公共轴线处还设置有至少一个导光器；该导光器具有至少一个光线入射口及至少一个光线射出口；该光线入射口大于该光线射出口；在该光线入射口和光线射出口之间具有呈锥形的反射面；该光线入射口朝向该第一抛物面镜，在该光线射出口处设有受光件。

2.如权利要求1所述具有导光器的抛物面镜聚光系统，其特征在于：所述光线射出口呈矩形。

3.如权利要求1所述具有导光器的抛物面镜聚光系统，其特征在于：所述导光器为反射式导光器；该导光器中心贯穿有一锥形空腔；该锥形空腔较大的端面为光线入射口，较小的端面为光线射出口；在该锥形空腔的内侧面为锥形反射面，用以反射光线。

4.如权利要求3所述具有导光器的抛物面镜聚光系统，其特征在于：在该锥形空腔较小的端面还延伸有一段直线或弯曲的光导管；该锥形空腔的内侧面为锥形反射面。

5.如权利要求3或4所述具有导光器的抛物面镜聚光系统，其特征在于：在所述导光器的锥形反射面外侧部分设置有散热器。

6.如权利要求1所述具有导光器的抛物面镜聚光系统，其特征在于：所述导光器为透射式导光器；该导光器为一个呈锥形的透光体。

7.如权利要求6所述具有导光器的抛物面镜聚光系统，其特征在于：在所述锥形透光体的倾斜侧面外侧镀有一层反射层镀膜。

8.如权利要求6或7所述具有导光器的抛物面镜聚光系统，其特征在于：在所述锥形透光体的上下表面还镀有一层增透膜。

9.如权利要求6或7所述具有导光器的抛物面镜聚光系统，其特征在于：所述锥形透光体的光线入射口是凹形抛物面；该凹形抛物面的轴线和焦点与所述第一抛物面镜反射面的轴线和焦点相重合。

10.如权利要求1所述具有导光器的抛物面镜聚光系统，其特征在于：所述受光件可以为太阳能电池板、激光元件、光导纤维、光能热能转换装置、光能化学能转换装置。

11.如权利要求1所述具有导光器的抛物面镜聚光系统，其特征在于：所述第一抛物面镜通过支持件与第二抛物面镜相固定；

该支持件可以由至少一条支撑架构成；该第一抛物面镜通过该至少一条支撑架与第二抛物面镜相固定；

或者，该支持件也可以由一块透明平板构成；该透明平板覆盖于第二抛物面镜的上面；该第一抛物面镜固定于该透明平板上。

12.如权利要求1所述具有导光器的抛物面镜聚光系统，其特征在于：在所述受光件的背光面还设有散热器，用以对受光件降温保护。

13.如权利要求12所述具有导光器的抛物面镜聚光系统，其特征在于：在所述受光件与散热器之间夹设有热电装置，用以将热能转换为电能。

14.如权利要求1所述具有导光器的抛物面镜聚光系统，其特征在于：还设有太阳追踪装置，将所述之抛物面镜固定在该太阳追踪装置上，使所述各个抛物面镜的公共轴线对准太阳。

15.一种具有导光器的抛物面镜聚光系统阵列，其特征在于：由若干所述权利要求1至权利要求14所述的具有导光器的抛物面镜聚光系统中的一种或几种组合形成。

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