CN103178147B - 一种聚光式太阳能转换*** - Google Patents

一种聚光式太阳能转换*** Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种聚光式太阳能转换***，包括抛物面镜、导光柱和受光装置；导光柱包括具有相同折射率的第一导光块和第二导光块；第一导光块，其几何形状为一正四棱锥被第一平面所截后留下的位于截面和底面间的部分；第一导光块和第二导光块以所述截面为结合面；受光装置包括光电转换装置和光热转换装置。本发明其能聚焦平行的太阳光束，且防止或减少聚焦光束在导光柱的入射面发生复杂的折射，进而使聚焦光束完整进入导光柱，防止聚焦光束中某些光线在导光柱的光线输入端被全反射而丢失，保证聚焦光束所携带的信息和能量能有效进入导光柱，并在导光柱内有效传导，并最终传输给受光装置，可以把太阳能有效转换为电能和热能，对太阳能的利用率高。

Description

一种聚光式太阳能转换***
技术领域
本发明涉及一种太阳能转换***，具体涉及一种包括抛物面镜、导光柱和受光装置的聚光式太阳能转换***。
背景技术
太阳能是一种比较理想的能源，被广泛使用，由于太阳与地球的体积比，以及太阳与地球的距离，人们使用的太阳光可以被视为平行光束，如果直接利用此平行光束进行太阳能转换，则效果一般，最好能把平行的太阳光束聚集，则会提高太阳能转换效率。
抛物面镜可以用来聚焦平行光束(太阳光)，当入射的平行光束平行于抛物面镜的主轴时，平行光束会被聚焦在抛物面镜的焦点。故抛物面镜被广泛使用。
经抛物面镜聚焦后的聚焦光束有时候不能被直接应用，需要通过导光柱来传输给受光装置，从而使平行光束最终聚集于受光装置。
导光柱就是将光以最小的损耗从一个光源传输到距离该光源一定距离的另一个点的装置。光线是依靠全内反射在导光柱内部传输的。
导光柱一般包括接收入射光线的光线输入端，以及输出光线的光线输出端。光线输入端一般包括入射面，光线输出端一般包括出射面。导光柱还包括用于内部传输光线的反射面。
入射光通过入射面进入导光柱，一般会发生折射。特别是对于聚焦光束，光束中的各光线在入射面的入射角度不同，光束在进入导光柱时，会在入射面发生复杂的折射，不利于光线在导光柱内的传播。严重时，甚至光束中某些光线会在入射面形成全反射，无法进入导光柱，从而丢失该部分光线所携带的信息和能量。
而且当导光柱用于传输白光(特别是太阳光)时，由于白光(太阳光)是有多种单色光组成，即使各种单色光在入射面的入射角相同，但折射角一般会不同，会引起色散；严重时，甚至某些单色光会在入射面形成全反射，无法进入导光柱，从而丢失该单色光所携带的信息和能量。
发明内容
本发明的目的在于提供一种聚光式太阳能转换***，其能聚焦平行的太阳光束，使平行光束形成聚焦光束，且防止或减少聚焦光束在导光柱的入射面发生复杂的折射，进而使聚焦光束完整进入导光柱，防止聚焦光束中某些光线在导光柱的光线输入端被全反射而丢失，保证聚焦光束所携带的信息和能量能有效进入导光柱，并在导光柱内有效传导，并最终传输给受光装置，从而提高受光装置的太阳能转换效率。
为实现上述目的，本发明的技术方案是设计一种聚光式太阳能转换***，包括抛物面镜、导光柱和受光装置；
导光柱包括具有相同折射率的第一导光块和第二导光块；
第一导光块，其几何形状为一正四棱锥被第一平面所截后留下的位于截面和底面间的部分，该底面为正四棱锥底面；所述第一平面与底面的一边平行，且第一平面与底面的夹角为35-55度；所述截面中心至底面的距离为底面边长的3-15倍；所述正四棱锥的各侧面与底面的夹角大于等于89度；
所述截面包括与底面平行的截面第一边和截面第二边，且截面第一边至底面的距离比截面第二边至底面的距离大；
所述正四棱锥包括四个侧面：包括截面第一边的第一侧面，包括截面第二边的第二侧面，以及第三侧面和第四侧面；
第二导光块，其几何体由如下五个面包围形成：所述截面、第二平面、圆柱面、第三侧面所在平面，以及第四侧面所在平面；所述第二平面与所述截面垂直，并包含截面第一边；所述圆柱面以第二平面与第三平面的交线为轴线，圆柱面包含截面第二边；所述第三平面垂直于底面，并包含正四棱锥顶点和底面中心，且与截面第一边平行；
第一导光块和第二导光块以所述截面为结合面；
第一导光块和第二导光块固定连接，或者第一导光块和第二导光块一体成型；
所述抛物面镜的反光面与圆柱面相对，抛物面镜的焦点位于圆柱面的轴线上；所述抛物面镜的主轴与第二平面的夹角为24度；
所述受光装置的受光面与第一导光块的底面接触；
受光装置包括光电转换装置和光热转换装置。
更详细的说，圆柱面是一个圆柱体的侧面，该圆柱体以垂直于底面、并包含正四棱锥顶点和底面中心、且与截面第一边平行的面与第二平面的交线为轴线，圆柱体的侧面包含截面第二边。
导光柱以第二导光块的圆柱面(位于截面与第二平面间)为入射面，以第一导光块的底面(即正四棱锥底面)为出射面。第一导光块的四个侧面(包括截面第一边的第一侧面，包括截面第二边的第二侧面，以及第三侧面和第四侧面)、第二导光块的第二平面(位于截面与圆柱面间)为导光柱主要的反射面。
导光柱的入射面(圆柱面)可以接收如下聚焦光束，该聚焦光束的焦点位于圆柱面的轴线上，且该聚焦光束的各光线都垂直圆柱面。该聚焦光束可以通过抛物面镜对平行太阳光束的反射来获得，所述抛物面镜的反光面与导光柱的入射面(圆柱面)相对，抛物面镜的焦点位于圆柱面的轴线上，且所述平行光束平行于抛物面镜的主轴。该聚焦光束的各光线在入射面(圆柱面)的入射角度都是90度，故各光线在入射面(圆柱面)不会发生折射(或者说折射角度为零)，聚焦光束在进入导光柱时，不会在入射面发生复杂的折射，利于各光线在导光柱内的传播。
当聚焦光束为白光(特别是太阳光)时，白光(太阳光)中的各种单色光在入射面的入射角相同，都为90度，故各种单色光在入射面(圆柱面)不会发生折射(或者说折射角度为零)，不会引起色散。
在某些特殊场合，当聚焦光束是由相对于导光柱的光密介质射入导光柱时，同样由于各光线在导光柱入射面(圆柱面)的入射角度都是90度，可以避免聚焦光束中某些光线在入射面形成全反射，无法进入导光柱，从而丢失该部分光线所携带的信息和能量；也可以避免白光的色散而引起的某些单色光在入射面形成全反射，无法进入导光柱，从而丢失该单色光所携带的信息和能量。
光线是依靠全内反射在导光柱内部传输的。导光柱一般由塑料或玻璃制作，对于绝大多数的塑料和玻璃，它们的折射率约为1.50，空气的折射率为1.0，因此，对于采用这两种材质制成的导光柱的完全内反射临界角约为42度，当光线在导光柱内与导光柱表面(反射面)的入射角达到或大于42度时，将会在导光柱内部完全反射。
如果所述抛物面镜的主轴与第二导光块的第二平面的夹角为24度，则抛物面镜反射后的聚焦光束的各光线(各光线与抛物面镜主轴的夹角小于24度)与第二平面的夹角(入射角)都达到或大于42度，各光线会在第二导光块的第二平面形成全反射。被第二平面反射后的各光线会在第一导光块的四个侧面(主要是第一侧面和第二侧面)间反射传导，各光线在第一侧面和第二侧面的入射角也都达到或大于42度，各光线会在第一侧面和第二侧面形成全反射，故各光线在导光柱内有效传导，并最终传输给受光装置，受光装置的受光面与导光柱的出射面(底面)相对。
而且由于第一导光块的四个侧面与底面存在夹角，会进一步保证各光线在第一导光块的四个侧面(特别是第一侧面和第二侧面)的入射角度都达到或大于42度。
第一导光块和第二导光块以所述截面为结合面；第一导光块和第二导光块固定连接，或者第一导光块和第二导光块一体成型。第一导光块和第二导光块具有相同折射率的，光线在第一导光块和第二导光块的结合面不会发生折射，或折射的角度很小，可以忽略。
优选的，所述光电转换装置包括太阳能电池。
优选的，所述光热转换装置连接有导热装置。
优选的，所述导热装置连接有换热装置。
本发明可以把太阳能有效转换为电能和热能，对太阳能的利用率高。
优选的，所述第一平面与底面的夹角为45度。
优选的，所述截面中心至底面的距离为底面边长的10倍。
优选的，所述正四棱锥的各侧面与底面的夹角为89度。
优选的，所述正四棱锥底面边长为5-25mm。
优选的，所述第一导光块和第二导光块通过位于结合面的硅胶层而固定连接。所述硅胶的折射率与第一导光块的折射率相同或相近似。光线在结合面不会发生折射，或折射的角度很小，可以忽略。
优选的，所述第一导光块在底面设有用于让光线散射出去的散射结构。方便光线从导光柱内输出，方便受光装置接收，该受光装置的受光面与导光柱的出射面(底面)相对。
本发明的优点和有益效果在于：提供一种聚光式太阳能转换***，其能聚焦平行的太阳光束，使平行光束形成聚焦光束，且防止或减少聚焦光束在导光柱的入射面发生复杂的折射，进而使聚焦光束完整进入导光柱，防止聚焦光束中某些光线在导光柱的光线输入端被全反射而丢失，保证聚焦光束所携带的信息和能量能有效进入导光柱，并在导光柱内有效传导，并最终传输给受光装置，从而提高受光装置的太阳能转换效率。本实用新型可以把太阳能有效转换为电能和热能，对太阳能的利用率高。且设计合理，成本低，具有很好的实用性。
附图说明
图1是导光柱的立体示意图；
图2是本发明传输光线(太阳能)的示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
本发明具体实施的技术方案是：
一种聚光式太阳能转换***，包括抛物面镜3、导光柱和受光装置4；
导光柱包括具有相同折射率的第一导光块1和第二导光块2；
第一导光块1，其几何形状为一正四棱锥被第一平面所截后留下的位于截面11和底面12间的部分，该底面12为正四棱锥底面12；所述第一平面与底面12的一边平行，且第一平面与底面12的夹角θ1为35-55度(优选地，θ1为45度)；所述截面11中心至底面12的距离为底面12边长的3-15倍(优选为10倍)；所述正四棱锥的各侧面与底面12的夹角θ2大于等于89度(优选为89度)；
所述截面11包括与底面12平行的截面第一边13和截面第二边14，且截面第一边13至底面12的距离比截面第二边14至底面12的距离大；
所述正四棱锥包括四个侧面：包括截面第一边13的第一侧面15，包括截面第二边14的第二侧面16，以及第三侧面和第四侧面；
第二导光块2，其几何体由如下五个面包围形成：所述截面11、第二平面α、圆柱面S、第三侧面所在平面，以及第四侧面所在平面；所述第二平面α与所述截面11垂直，并包含截面第一边13，且与通过正四棱锥顶点和底面12中心的直线L1相交；所述圆柱面S以第二平面α与第三平面β的交线为轴线，圆柱面S包含截面第二边14；所述第三平面β垂直于底面12，并包含正四棱锥顶点和底面12中心，且与截面第一边13平行；
第一导光块1和第二导光块2以所述截面11为结合面；
第一导光块1和第二导光块2固定连接，或者第一导光块1和第二导光块2一体成型；
所述抛物面镜3的反光面与圆柱面S相对，抛物面镜的焦点位于圆柱面S的轴线上；所述抛物面镜的主轴L2与第二平面α的夹角θ3为24度。
所述受光装置4的受光面与第一导光块1的底面12接触；
受光装置4包括光电转换装置和光热转换装置。
更详细的说，圆柱面S是一个圆柱体的侧面，该圆柱体以垂直于底面12、并包含正四棱锥顶点和底面12中心、且与截面第一边13平行的面与第二平面α的交线为轴线，圆柱体的侧面包含截面第二边14。
导光柱以第二导光块2的圆柱面S(位于截面11与第二平面α间)为入射面，以第一导光块1的底面12(即正四棱锥底面)为出射面。第一导光块1的四个侧面(包括截面第一边13的第一侧面15，包括截面第二边14的第二侧面16，以及第三侧面和第四侧面)、第二导光块2的第二平面α(位于截面与圆柱面间)为导光柱主要的反射面。
导光柱的入射面(圆柱面S)可以接收如下聚焦光束，该聚焦光束的焦点都位于圆柱面S的轴线上，且该聚焦光束的各光线都垂直圆柱面S。该聚焦光束可以通过抛物面镜3对平行太阳光束的反射来获得，所述抛物面镜3的反光面与导光柱的入射面(圆柱面S)相对，抛物面镜3的焦点都位于圆柱面S的轴线上，且所述平行光束平行于抛物面镜3的主轴L2。该聚焦光束的各光线在入射面(圆柱面S)的入射角度都是90度，故各光线在入射面(圆柱面S)不会发生折射(或者说折射角度为零)，聚焦光束在进入导光柱时，不会在入射面发生复杂的折射，利于各光线在导光柱内的传播。
如果所述抛物面镜3的主轴L2与第二导光块2的第二平面α的夹角θ3为24度，则抛物面镜3反射后的聚焦光束中各光线(在与第二平面α垂直的平面内，各光线与抛物面镜主轴的夹角θ4小于24度)与第二平面α的夹角(入射角)都达到或大于42度，各光线会在第二导光块2的第二平面α形成全反射。被第二平面α反射后的各光线会在第一导光块1的四个侧面(主要是第一侧面15和第二侧面16)间反射传导，各光线在第一侧面15和第二侧面16的入射角也都达到或大于42度，各光线会在第一侧面15和第二侧面16形成全反射，故各光线在导光柱内有效传导，并最终传输给受光装置4，受光装置4的受光面与导光柱的出射面(底面12)相对。
所述受光装置4的受光面与第一导光块的底面接触；
受光装置4包括光电转换装置和光热转换装置。
所述光电转换装置包括太阳能电池。
所述光热转换装置连接有导热装置5。
所述导热装置5连接有换热装置6。
本发明可以把太阳能有效转换为电能和热能，对太阳能的利用率高。
而且由于第一导光块1的四个侧面与底面12存在夹角θ2，会进一步保证各光线在第一导光块1的四个侧面(特别是第一侧面15和第二侧面16)的入射角度都达到或大于42度。
第一导光块1和第二导光块2具有相同折射率的，光线在第一导光块1和第二导光块2的结合面(即截面11)不会发生折射，或折射的角度很小，可以忽略。
导光柱的第一导光块1和第二导光块2还可以通过位于结合面的硅胶层而固定连接。所述硅胶的折射率与第一导光块1的折射率相同或相近似。光线在结合面不会发生折射，或折射的角度很小，可以忽略。
另，所述正四棱锥底面12边长可以为5-25mm。
此外，可以在第一导光块1的底面12设置用于让光线散射出去的散射结构。方便光线从导光柱内输出，方便受光装置接收，该受光装置的受光面与导光柱的出射面(底面)相对。
还有一种选择是，在第一导光块1的底面12设置立方体延伸部，所述底面12为该立方体的一个面。立方体延伸部可以方便导光柱的固定。立方体延伸部上与底面12平行的外表面为导光柱的出射面，受光装置4的受光面与该外表面接触。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种聚光式太阳能转换***，其特征在于，包括抛物面镜、导光柱和受光装置；
导光柱包括具有相同折射率的第一导光块和第二导光块；
第一导光块，其几何形状为一正四棱锥被第一平面所截后留下的位于截面和底面间的部分，该底面为正四棱锥底面；所述第一平面与底面的一边平行，且第一平面与底面的夹角为35-55度；所述截面中心至底面的距离为底面边长的3-15倍；所述正四棱锥的各侧面与底面的夹角大于等于89度；
所述截面包括与底面平行的截面第一边和截面第二边，且截面第一边至底面的距离比截面第二边至底面的距离大；
所述正四棱锥包括四个侧面：包括截面第一边的第一侧面，包括截面第二边的第二侧面，以及第三侧面和第四侧面；
第二导光块，其几何体由如下五个面包围形成：所述截面、第二平面、圆柱面、第三侧面所在平面，以及第四侧面所在平面；所述第二平面与所述截面垂直，并包含截面第一边；所述圆柱面以第二平面与第三平面的交线为轴线，圆柱面包含截面第二边；所述第三平面垂直于底面，并包含正四棱锥顶点和底面中心，且与截面第一边平行；
第一导光块和第二导光块以所述截面为结合面；
第一导光块和第二导光块固定连接，或者第一导光块和第二导光块一体成型；
所述抛物面镜的反光面与圆柱面相对，抛物面镜的焦点位于圆柱面的轴线上；所述抛物面镜的主轴与第二平面的夹角为24度；
所述受光装置的受光面与第一导光块的底面接触；
受光装置包括光电转换装置和光热转换装置；
所述第一导光块在底面设有用于让光线散射出去的散射结构。
2.根据权利要求1所述的聚光式太阳能转换***，其特征在于，所述光电转换装置包括太阳能电池。
3.根据权利要求1所述的聚光式太阳能转换***，其特征在于，所述光热转换装置连接有导热装置。
4.根据权利要求3所述的聚光式太阳能转换***，其特征在于，所述导热装置连接有换热装置。
5.根据权利要求1所述的聚光式太阳能转换***，其特征在于，所述第一平面与底面的夹角为45度。
6.根据权利要求1所述的聚光式太阳能转换***，其特征在于，所述截面中心至底面的距离为底面边长的10倍。
7.根据权利要求1所述的聚光式太阳能转换***，其特征在于，所述正四棱锥的各侧面与底面的夹角为89度。
8.根据权利要求1所述的聚光式太阳能转换***，其特征在于，所述正四棱锥底面边长为5-25mm。
9.根据权利要求1所述的聚光式太阳能转换***，其特征在于，所述第一导光块和第二导光块通过位于结合面的硅胶层而固定连接。
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