CN103095177B - 太阳能应用装置及太阳能应用方法 - Google Patents

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Abstract

一种太阳能应用装置，包括一个用于会聚光线的聚光器和光电转换单元，该太阳能应用装置还包括一个导光元件以及至少一根光纤，该光纤具有第一端及第二端，该导光元件用于将会聚后的光线自该第一端导入该至少一根光纤，该光电转换单元位于该第二端以将光能转换为电力输出。本发明还提供一种太阳能应用方法。

Description

太阳能应用装置及太阳能应用方法
技术领域
本发明涉及太阳能应用装置及太阳能应用方法，尤其涉及产生电能的太阳能应用装置及太阳能发电方法。
背景技术
传统技术中的太阳能***大多利用硅晶太阳能电池等太阳能电池板来进行光电转换，并用于路灯等各种照明设施。然，由于太阳能电池板通常设置在用电装置上，因此太阳能转换得到的电能仅供附近的用电装置使用，富余的电量只能被储存起来，从而造成电能闲置；另一方面，单个的太阳能***其发电量通常较低，而且发电情况受自然条件限制（例如阴天、夜晚等）而很不稳定，如果接入市电***发挥的作用有限，而且增加市电***的复杂度，因此会带来较高的用电成本。
发明内容
有鉴于此，提供一种能使太阳能在用户端转换为电能的太阳能应用装置及太阳能应用方法非常必要。
一种太阳能应用装置，包括一个用于会聚光线的聚光器和光电转换单元，该太阳能应用装置还包括一个导光元件以及至少一根光纤，该光纤具有第一端及第二端，该导光元件用于将会聚后的光线自该第一端导入该至少一根光纤，该光电转换单元位于该第二端以将光能转换为电力输出。
进一步地，该导光元件包括一个柱状透镜，该至少一根光纤包括多根光纤，该柱状透镜用于将光线分成与该多根光纤相同数量的多束光线并将该多束光线分别导入该多根光纤。
进一步地，该太阳能应用装置包括一个电源终端，该光电转换单元位于该电源终端，该电源终端还包括一个用于对外输出该电力的导电结构。
进一步地，该电源终端还包括一个逆变器用于将该电力由直流电转变为交流电。
进一步地，该太阳能应用装置还包括一个第二光纤耦合器，该第二光纤耦合器包括至少一个第二耦合透镜，该至少一根光纤于该第二端与该至少一个第二耦合透镜光学耦合，该第二光纤耦合器具有插槽或导柱中的一种，该电源终端相应地具有插槽或导柱中的另一种，从而将该第二光纤耦合器插接于该电源终端内。
一种太阳能应用方法，包括以下步骤：利用一个聚光器会聚太阳光；利用一个导光元件将会聚后的太阳光引导至至少一根光纤内；利用一个光电转换单元接收自该至少一根光纤内出射的光线并将光能转换为电力。
相对于现有技术，本发明利用光纤将光线传输到远近不同的用户端然后进行光电转换形成电力，可以有效解决太阳能电力不能在大范围内使用以及避免接入市电网络等复杂问题，有利于降低太阳能电力的使用成本，推广太阳能电力的应用。
附图说明
图1是本发明第一实施例提供的太阳能应用装置的工作原理示意图。
图2是本发明第一实施例提供的太阳能应用装置的柱状透镜的立体结构意图。
图3是本发明第二实施例提供的太阳能应用装置的工作原理示意图。
主要元件符号说明
太阳能应用装置 100，200
聚光器 10
菲涅尔带 11
导光元件 20
光纤 30
第一端 301
第二端 302
电源终端 40
光电转换单元 400
中央区域 401
第二表面 402
导柱 403
导电结构 404
第一光纤耦合器 50
本体 500
第一表面 501
插槽 502
第一耦合透镜 503
逆变器 60
第二光纤耦合器 70
第一表面 700
插槽 701
如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。
具体实施方式
请参阅图1，本发明第一实施例提供一种太阳能应用装置100，该太阳能应用装置100包括一个聚光器10，一个导光元件20，至少一根光纤30以及一个电源终端40。该电源终端40包括至少一个光电转换单元400。
该聚光器10将太阳光会聚至该导光元件20，该导光元件20将会聚后的光线引导至该光纤30，该光纤30具有第一端301及第二端302。光线从该第一端301进入后从该第二端302出射。该电源终端40位于该第二端302。该光电转换单元400接收自该光纤30出射的光线，然后进行光到电的转换，产生电力。
该聚光器10可以是聚光透镜，例如凸透镜、菲涅尔透镜等，还可以是各种形状的复合型抛物面镜（compound parabolic concentrator, CPC）。总之，该聚光器10能够将平行光（太阳光）会聚到一个小区域内。在本实施例中，该聚光器10为菲涅尔透镜。菲涅尔透镜大致呈较薄的圆形结构，入光面或出光面或者入光面和出光面均设有菲涅尔带(同心圆纹路)，在本实施例中，只在入光面设有菲涅尔带11。
该导光元件20位于该聚光器10所聚光线范围内，例如可以是聚光透镜的焦点附近或者是复合型抛物面镜的焦点附近等。该导光元件20用于将光线导入该光纤30。导光元件20可以是各种光学器件，例如反光镜，可以通过反射的方式将光线反射入光纤30；还可以是如图1和图2所示的柱状透镜（lenticular lens）；还可以是具有会聚功能的微透镜(microlens)，微透镜一般是指数组式排列的薄透镜。总之，导光元件20的作用在于将会聚后的太阳光分配至相对应的光纤30内，该“分配”兼顾对准和会聚功能。
导光元件20和聚光器10之间的位置关系根据导光元件20和聚光器10的具体结构不同而不同。例如，如果聚光器10是凸透镜，导光元件20是反光镜，则可以将该反光镜以相对会聚光纤的中心线45度角倾斜的方式放置，从而将会聚光线大致弯折90度后反射入光纤。本实施例中的聚光器10为菲涅尔透镜，导光元件20是柱状透镜，该柱状透镜由N个连续的柱状凸透镜形成，可以将入射光线分成N束光线进入N根光纤，此处的N束光线中的每一束可以是光束，也可以是会聚光束，主要根据光纤30以及光纤30和导光元件20之间的位置关系而定。
上述情况中，当N取1时，该柱状透镜可以不必设置，可以考虑直接将光线会聚进入一根光纤中。柱状透镜更适合于需要多根光纤传输光线的时候。
在本实施例中，该光纤30的数目为四根。每根光纤30的纤芯和其对应的柱状透镜中的每个透镜的光轴基本重合以接收光线。
为便于固定光纤30以及提高进入光纤30的光通量，特别是当光纤数量较多的时候，可以利用一个第一光纤耦合器50来固定光纤。具体地，该第一光纤耦合器50包括一个本体500和N个第一耦合透镜503。该本体500具有一个第一表面501，该第一表面501朝向该导光元件20。该本体500内部设有N个插槽502用于固定光纤30。该N个第一耦合透镜503设置在该第一表面501，用于进一步会聚自该导光元件20反射或者折射的光线，并使其进入光纤30。该N根光纤30分别与该N个第一耦合透镜503光学耦合，该光线被该柱状透镜分成N束后通过该多个第一耦合透镜503进入该多根光纤30。光线最后从光纤30的第二端302输出。
为保护光纤30的末端，本实施例提供的太阳能应用装置100还包括一个第二光纤耦合器70，该第二光纤耦合器70的结构和该第一光纤耦合器50的结构以及使用方式类似，在此不再赘述。
如果要求结构紧凑，可以在第二光纤耦合器70靠近该电源终端40的第一表面700设置至少一个插槽701，而在电源终端40靠近该第二光纤耦合器70的第二表面402设置与该至少一个插槽701数量相同位置相应的至少一个导柱403，该导柱403和该插槽701相匹配，从而使该第二光纤耦合器70和该电源终端40相互插合。调整该插槽701的深度可以控制该光线出射点和该光电转换单元400的间距。该光电转换单元400的具***置依照光线出射位置设置。本实施例中，该光电转换单元400设于该第二表面401的中间区域402。该光电转换单元400通过引脚传输电流。
该电源终端40可以安装在房屋的墙体内。该光电转换单元400可以是各种类型的太阳能电池，例如单晶硅太阳能电池，多晶硅太阳能电池，化合物太阳能电池，染料高分子太阳能电池等。
电力最后通过导电结构404向外输出。该导电结构404可以是采用导电金属材料制成的各种形状的导线、导电通路、插头等结构。
本实施例所述的电源终端40可以是类似传统的插座，也可以是其它形式的适合输出直流电或者交流电的一个终端，形式不限。
总之，可以通过以下步骤应用太阳能：利用一个聚光器10会聚太阳光；利用一个导光元件20将会聚后的太阳光引导至至少一根光纤30内；提供一个电源终端40，该电源终端40设有一个光电转换单元400，利用该光电转换单元400接收自该至少一根光纤30内出射的光线并将光能转换为电能。
利用光纤传输光线的特点是传输距离可长可短，视用户和光线接收处的距离而定，因此可以将光线传输到远近不同的各种用户端，而不必囿于一个小的使用范围；由于光线在光纤30的末端转换为电能，因此中间的传输过程相对于电力传输来说非常安全，不会产生用电事故；并且，由于电源终端40一般设置在用户处，例如设置在墙壁上，因此可以像传统的电源终端一样方便用户使用太阳能电力。通常，在室外环境下设置的光电转换单元很容易老化、损坏等，然而，本实施例中的光电转换单元400设置在用户处，可以免受室外环境的侵害，从而可以延长使用寿命。
相对于传统的交流电源，太阳能电力是直流电源，可以用在使用直流电的装置上。
请参阅图3，本发明第二实施例提供的太阳能应用装置200也可以在电源终端40具体还包括一个逆变器60来进行直流-交流转换，从而输出交流电。
相对于传统的太阳能电力输电网络，本发明利用光纤传输光线到户采用专用网络，从而不必和市电网络相通，***的复杂程度降低，从而在一定程度上降低用电成本。
相对于现有技术，本发明利用光纤将光线传输到远近不同的用户端然后进行光电转换形成电力，可以有效解决太阳能电力不能在大范围内使用以及避免接入市电网络等复杂问题，有利于降低太阳能电力的使用成本，推广太阳能电力的应用。
可以理解的是，本领域技术人员还可于本发明精神内做其它变化，例如改变电源终端的外观或者采用其他数量的光纤，以及采用不同面积的聚光器等都应包含在本发明所要求保护的范围之内。

Claims (11)

1.一种太阳能应用装置，包括一个聚光器、光电转换单元及一个第一光纤耦合器，该聚光器用于会聚光线，其特征在于：该太阳能应用装置还包括一个导光元件以及至少一根光纤，该光纤具有第一端及第二端，该导光元件用于将会聚后的光线自该第一端导入该至少一根光纤，该光电转换单元位于该第二端以将光能转换为电力输出，该导光元件包括一个柱状透镜，该第一光纤耦合器包括至少一个第一耦合透镜，该至少一根光纤分别与该至少一个第一耦合透镜光学耦合，该光线被该柱状透镜分成多束光线后分别进入该至少一个第一耦合透镜。
2.如权利要求1所述的太阳能应用装置，其特征在于，该至少一根光纤包括多根光纤，该柱状透镜用于将光线分成与该多根光纤相同数量的多束光线并将该多束光线分别导入该多根光纤。
3.如权利要求1所述的太阳能应用装置，其特征在于，该太阳能应用装置包括一个电源终端，该光电转换单元位于该电源终端，该电源终端还包括一个用于对外输出该电力的导电结构。
4.如权利要求3所述的太阳能应用装置，其特征在于，该电源终端用于安装于墙壁上。
5.如权利要求1-4中任一项所述的太阳能应用装置，其特征在于，该太阳能应用装置还包括一个第二光纤耦合器，该第二光纤耦合器包括与该至少一根光纤数量相等的至少一个第二耦合透镜，该至少一根光纤于该第二端与该至少一个第二耦合透镜光学耦合。
6.如权利要求5所述的太阳能应用装置，其特征在于，该聚光器为一个菲涅尔透镜。
7.如权利要求3或4所述的太阳能应用装置，其特征在于，该电源终端还包括一个逆变器用于将该电力由直流电转变为交流电。
8.如权利要求3或4所述的太阳能应用装置，其特征在于，该太阳能应用装置还包括一个第二光纤耦合器，该第二光纤耦合器包括至少一个第二耦合透镜，该至少一根光纤于该第二端与该至少一个第二耦合透镜光学耦合，该第二光纤耦合器具有插槽或导柱中的一种，该电源终端相应地具有插槽或导柱中的另一种，从而将该第二光纤耦合器插接于该电源终端内。
9.一种利用如权利要求1-4中任一项所述的太阳能应用装置进行的太阳能应用方法，包括以下步骤：
利用一个聚光器会聚太阳光；
利用一个导光元件将会聚后的太阳光引导至至少一根光纤内，该导光元件包括一个柱状透镜，该第一光纤耦合器包括至少一个第一耦合透镜，该至少一根光纤分别与该至少一个第一耦合透镜光学耦合，该光线被该柱状透镜分成多束光线后分别进入该至少一个第一耦合透镜；
利用一个光电转换单元接收自该至少一根光纤内出射的光线并将光能转换为电力。
10.如权利要求9所述的太阳能应用方法，其特征在于，该太阳能应用装置还包括一个电源终端，该光电转换单元位于该电源终端，该电源终端还包括一个用于对外输出该电力的导电结构。
11.如权利要求9所述的太阳能应用方法，其特征在于，该至少一根光纤包括多根光纤，该柱状透镜用于将光线分成与该多根光纤相同数量的多束光线并将该多束光线分别导入该多根光纤。
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