CN220232298U - 一种广角聚光光伏发电与光导照明复合光学系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了光学技术领域的一种广角聚光光伏发电与光导照明复合光学系统，由广角聚光组合单元（100）、匀光准直单元（200）、光伏发电与光导照明平行光输出单元（300）组合而成，该系统与光导照明系统（400）相结合，可实现广角聚光光伏发电与光导照明的复合功能，可广泛应用在光资源收集、开发与利用的各种场景，在阳光光伏发电与光导照明领域尤为适用。
Description
技术领域
本实用新型属于光学技术领域，具体涉及一种广角聚光光伏发电与光导照明复合光学系统。
背景技术
阳光资源的高效开发与利用是实现人与自然和谐发展的永恒课题，利用太阳能形成光能、电能、生物质能等实现高效综合循环利用、推动绿色低碳发展，是世界科技研究持续开发的重点方向。太阳能光伏发电、光能利用等方面取得了令人瞩目的成就和发展进步，已形成多种规模化技术在世界范围内应用推广。但如何更加简便、更加高效、更低成本和更具环境适应性利用阳光资源，仍然存在诸多问题尚未解决，应用推广的效果还需要持续进行改善与提升。
由于聚光太阳能技术可大幅提升阳光光能的利用效率，是阳光资源开发利用的重点方向。倍受期待的聚光光伏发电、光热发电、光导照明技术首先面临的就是如何高效采集与传导阳光，虽然已经实用新型了多种不同的技术路径和方法来实现阳光的采集与传导，但普遍存在免追踪机构不能满足使用要求，系统结构复杂，光能利用效能偏低，安装、使用与维护不方便、成本高等突出矛盾，制约了市场化应用的普及推广。
为解决上述突出问题，人们研究开发了各种不同结构的光学系统来达到广角接受阳光、提升光能利用效率的目的，现有技术主要采用菲涅尔透镜聚光、曲面微透镜阵列聚光、梯度折射率透镜聚光等方式。菲涅尔透镜聚光方式例如专利申请号为200910312373.1的聚光透镜、申请号为201210029157.8的菲涅尔聚光透镜、申请号为201020139255.3的高倍复合聚光透镜、申请号为201710556144.9的一种免追踪太阳能聚光装置等；曲面微透镜阵列聚光方式：例如申请号为201310010827.1的一种波长选择性广角聚光光伏发电系统及其方法等；梯度折射率透镜方式：例如申请号为201220205330.0的一种非跟踪聚光光伏发电用梯度折射率透镜等。现有技术虽然在一定使用场景或某些特定条件下解决了一些问题，但存在工业化生产难度高、制造成本高或环境适用性受限、免追踪精度不能满足使用要求等问题，导致难以普及推广应用。
实用新型内容
为解决现有技术存在的缺陷，本实用新型的目的在于提供一种广角聚光光伏发电与光导照明复合光学系统，由广角聚光组合单元、匀光准直单元、光伏发电与光导照明平行光输出单元组合而成，在实现聚光光伏发电的同时，通光孔径光阑中心孔输出的准直平行光束导入光导照明系统实现聚光光导照明，组成免追踪高效聚光光伏发电与光导照明复合光学系统，提升了聚光光能的综合利用效能，具有更好的环境适用性与应用场景实用性。
为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是：
一种广角聚光光伏发电与光导照明复合光学系统，其特征在于：由广角聚光组合单元、匀光准直单元、光伏发电与光导照明平行光输出单元组合而成；所述广角聚光组合单元由广角聚光镜组、高反射锥形集光镜组与场镜组组成；所述匀光准直单元由复眼微透镜阵列组成；所述光伏发电与光导照明平行光输出单元由光伏电池阵列、通光孔径光阑、可移动光伏电池阵列组成，所述可移动光伏电池阵列具有位于通光孔径光阑正下方的发电工作位和其他位置的非发电工作位，移动机构带动所述可移动光伏电池阵列在发电工作位和非发电工作位之间切换；自然光经过广角聚光镜组聚光后出射至高反射锥形集光镜组，通过场镜组将大角度入射光束整形后传输至匀光准直单元的复眼微透镜阵列，实现匀光准直优化处理后照射至光伏电池阵列和通光孔径光阑上，光伏电池阵列输出的光伏电力连接照明负载或存储至蓄电池，透过通光孔径光阑的准直平行光束输出至光导照明系统，实现广角聚光光伏发电与光导照明的复合功能。
所述广角聚光镜组由一对楔形聚光棱镜左右对称贴合组成，其楔形角θ大于光线从折射率为n的棱镜材料到空气界面所构成的全反射角的1/2（θ＞1/2arcsin[1/n]）；在楔形镜的楔形面的外侧区域镀制或涂覆有光学高反射薄膜，形成光线高反射区；楔形面的中心区域镀制或涂覆有光学增透薄膜，形成光线高透射区；楔形聚光棱镜的两个侧面镀制或涂覆高反射薄膜。
所述光伏电池阵列与通光孔径光阑为一体式结构，所述通光孔径光阑与所述光伏电池阵列的排列方式为中心方孔或中心圆孔方式；所述可移动光伏电池阵列与通光孔径光阑的形状大小相适配，在移动机构驱动作用下，所述光伏电池阵列可部分或全部进入孔径光阑透过的光路中，形成光伏发电与调制光导照明光路的光亮度或开关光路的功能。
所述移动机构为水平移动机构或旋转机构，驱动所述可移动光伏电池阵列在发电工作位和非发电工作位之间切换。
当不安装光伏电池或不需要光伏发电功能时，可作为聚光光导照明或其他用途的聚光光源独立使用；当仅安装光伏发电模组，后端不连接或不需要光导照明时可作为聚光光伏发电系统独立使用。
所述广角聚光组合单元的受光面镀制或涂覆有紫外线 UV和/或红外线有截止功能的增透薄膜。
所述光导照明系统具有偏折高反射镜和位于偏折高反射镜反射光路中的多个分光镜，所述分光镜对应设置有光导照明灯具。
采用上述技术方案的有益效果：针对现有技术中聚光光学系统存在的缺陷和不足，本实用新型设计了一种广角聚光组合结构来保障实现免追踪高效采集阳光的功能，与现有技术菲涅尔透镜、曲面微透镜阵列、梯度折射率透镜等聚光技术相比，不仅具有更大的广角聚光功能，更好的免追踪聚光效果，更高的光能利用效率，而且其本身的制造技术可采用十分成熟的光学加工技术，较容易实现大口径规模化低成本制造，对加快应用推广速度具有十分现实的意义。解决了现有技术如聚光菲涅尔透镜、曲面微透镜阵列、梯度折射率透镜等大口径零件加工困难，其加工方法或手段需要细微表面加工技术或高精度的模具模压技术进行保障，工艺复杂、良品率低，成本高，难以实现规模化生产导入市场应用的问题。
附图说明
下面结合附图对本实用新型的具体实施例作进一步详细的说明。
图1为本实用新型一种广角聚光光伏发电与光导照明复合光学系统的结构示意图；
图2为与本实用新型相连接的光导照明系统结构示意图；
图3为实施本实用新型的广角聚光棱镜组件的结构示意图；
图4为实施本实用新型采用聚光棱镜组件的广角聚光组合单元结构示意图；
图5为实施本实用新型的光伏发电与通光孔径光阑调光组件（300）结构示意图。
具体实施方式
本实用新型的光伏发电与光导照明复合光学系统，如图1所示，经过广角聚光镜组101聚光后的光线出射至高反射锥形集光镜组102，通过场镜组103将大角度入射光束整形后传输至匀光准直单元200，聚光后的光束可采用较小尺寸、较小面积的复眼微透镜阵列组件实现匀光准直优化处理，使照射至光伏电池301上的光能量强度分布均具有极佳的均匀性，提高光伏电池阵列的发电效率，光伏电池阵列输出的电力与LED等照明负载或存储至蓄电池，实现聚光光伏发电功能，同时透过通光孔径光阑302中心孔的平行光束与光导照明系统400相连接，实现聚光光导照明功能。可移动的光伏电池阵列303的形状大小与通光孔径光阑302相适配，可部分或全部进入通光孔径光阑302输出的平行光路中，在调节光导照明光路400光亮度或开关光路的同时利用其光能实现光伏发电，进一步提升该系统的光能利用效率。
进一步地，本实用新型公开了一种新颖的广角聚光棱镜组件101及由此组合的广角聚光组合单元100，如图3、图4所示经过广角聚光棱镜组件101聚光后的光线被约束至中心透光区域BOC出射至高反射锥形集光镜单元102，通过场镜组103将大角度入射光束整形，使传输至匀光准直单元200的光束缩小了通光口径，可以采用更小尺寸、更小面积的复眼微透镜阵列组件200实现进一步的匀光准直优化处理，不仅使照射至光伏电池（301/303）上的光能量强度分布均具有极佳的均匀性，同时使透过通光孔径光阑302中心孔的光束具有更优的准直平行效果，可以更小的损耗实现更远的传输距离，与光导照明系统400具有更好的适配性。
如图3/图4所示，广角聚光棱镜组件101由一对楔形棱镜（101a/101b）组成，楔形棱镜（101a/101b）左右对称贴合排列，在楔形镜的楔形面上，AB区域与CD区域镀制或涂覆有光学高反射薄膜，为光线高反射区；中心BOC区域镀制或涂覆有光学增透薄膜，为光线高透射区；楔形镜的两个侧面AA′与DD′依据使用要求选择镀制或涂覆高反射薄膜。当棱镜楔形角θ大于光线从折射率为n的棱镜材料到空气界面所构成的全反射角的1/2（θ＞1/2arcsin[1/n]）时，棱镜两侧入射至楔形棱镜内AB区域、CD区域的光线K1/K4被高反射薄膜强制内反射至A′D′界面发生全反射现象并再次反射至楔形棱镜中，当中心入射的光线K2/K3和两侧入射被一次或多次内反射的光线K1/K4进入BOC区域时，由于BOC表面镀制有光学高增透膜，因此所有入射光线均集中从BOC区域高透出射，实现免追踪广角聚光效果。
如图5所示，所述光伏发电与通光孔径光阑组合的平行光输出单元300由光伏电池阵列301与通光孔径光阑302及可移动的光伏电池阵列作为调光或开关光路的机构303组成；所述光伏电池阵列301的排列方式与通光孔径光阑302的通光形态相结合，有中心方孔或中心圆孔等排列方式；所述光伏电池阵列303可部分或全部进入通光孔径光阑302后的光路中，形成光伏发电与调制光导照明的光亮度或开关光路的功能。当光伏电池阵列303全部进入光路中，则关闭了光导照明光路；当光伏电池阵列303全部移动至光路外，光伏电池阵列303不工作，聚光光导照明光路处于全开状态；当光伏电池阵列303部分进入光路中时，光伏电池阵列被光照射部分发电，光路中没有被光伏电池遮挡的部分光线进入光导照明系统，其照明亮度可通过光伏电池阵列进入光路的面积进行调控，实现光导照明光路的光亮度调节功能。
上述广角聚光光伏发电与光导照明复合光学系统，当不安装光伏电池或不需要光伏发电功能时，可作为聚光光导照明或其他用途的聚光光源独立使用；当不设通光孔径302使用全面积覆盖的光伏电池阵列301，其后端不连接或不需要光导照明时可作为聚光光伏发电系统独立使用。
本实用新型中所述广角聚光组合单元的受光面镀制或涂覆有紫外线 UV和/或红外线有截止功能的增透薄膜。能够减少或去除光线中对人体长期照射有害的光线，保护人体健康。
所述光导照明系统具有偏折高反射镜401和位于偏折高反射镜反射光路中的多个分光镜402，所述分光镜对应设置有光导照明灯具403。所述光导照明系统光的传输由光纤进行传输，因采用本实用新型的照明光源是准直平行效果的平行光，能够更小的损耗的传输距离，实现多盏灯具不同位置的照明。
以上显示描述了本实用新型的基本原理、主要特征和本实用新型的优点。本行业的技术人员应该了解，本实用新型不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的仅为本实用新型的优选例，并不用来限制本实用新型，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型范围内。本实用新型要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (7)
1.一种广角聚光光伏发电与光导照明复合光学系统，其特征在于：由广角聚光组合单元（100）、匀光准直单元（200）、光伏发电与光导照明平行光输出单元（300）组合而成；所述广角聚光组合单元（100）由广角聚光镜组（101）、高反射锥形集光镜组（102）与场镜组（103）组成；所述匀光准直单元（200）由复眼微透镜阵列组成；所述光伏发电与光导照明平行光输出单元（300）由光伏电池阵列（301）、通光孔径光阑（302）、可移动光伏电池阵列（303）组成，所述可移动光伏电池阵列（303）具有位于通光孔径光阑（302）正下方的发电工作位和其他位置的非发电工作位，移动机构带动所述可移动光伏电池阵列（303）在发电工作位和非发电工作位之间切换；自然光经过广角聚光镜组（101）聚光后出射至高反射锥形集光镜组（102），通过场镜组（103）将大角度入射光束整形后传输至匀光准直单元（200）的复眼微透镜阵列，实现匀光准直优化处理后照射至光伏电池阵列（301）和通光孔径光阑（302）上，光伏电池阵列（301）输出的光伏电力连接照明负载或存储至蓄电池，透过通光孔径光阑（302）的准直平行光束输出至光导照明系统（400），实现广角聚光光伏发电与光导照明的复合功能。
2.根据权利要求1所述的一种广角聚光光伏发电与光导照明复合光学系统，其特征在于：所述广角聚光镜组（101）由一对楔形聚光棱镜（101a/101b）左右对称贴合组成，其楔形角θ大于光线从折射率为n的棱镜材料到空气界面所构成的全反射角的1/2，楔形角θ＞1/2arcsin1/n；在楔形镜的楔形面的外侧区域镀制或涂覆有光学高反射薄膜，形成光线高反射区；楔形面的中心区域镀制或涂覆有光学增透薄膜，形成光线高透射区；楔形聚光棱镜的两个侧面镀制或涂覆高反射薄膜。
3.根据权利要求1所述的一种广角聚光光伏发电与光导照明复合光学系统，其特征在于：所述光伏电池阵列（301）与通光孔径光阑（302）为一体式结构，所述通光孔径光阑（302）与所述光伏电池阵列（301）的排列方式为中心方孔或中心圆孔方式；所述可移动光伏电池阵列（303）与通光孔径光阑（302）的形状大小相适配，在移动机构驱动作用下，所述光伏电池阵列（303）可部分或全部进入孔径光阑（302）透过的光路中，形成光伏发电与调制光导照明光路的光亮度或开关光路的功能。
4.根据权利要求1所述的一种广角聚光光伏发电与光导照明复合光学系统，其特征在于：所述移动机构为水平移动机构或旋转机构，驱动所述可移动光伏电池阵列（303）在发电工作位和非发电工作位之间切换。
5.根据权利要求1所述的一种广角聚光光伏发电与光导照明复合光学系统，其特征在于：当不安装光伏电池或不需要光伏发电功能时，可作为聚光光导照明或其他用途的聚光光源独立使用；当仅安装光伏发电模组，后端不连接或不需要光导照明时可作为聚光光伏发电系统独立使用。
6. 根据权利要求1所述的一种广角聚光光伏发电与光导照明复合光学系统，其特征在于：所述广角聚光组合单元（100）的受光面镀制或涂覆有紫外线 UV和/或红外线有截止功能的增透薄膜。
7.根据权利要求1所述的一种广角聚光光伏发电与光导照明复合光学系统，其特征在于：所述光导照明系统（400）具有偏折高反射镜(401)和位于偏折高反射镜反射光路中的多个分光镜(402)，所述分光镜对应设置有光导照明灯具(403)。
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