TWI406012B - Can reduce the light source distance of light per unit area luminous flux increment device - Google Patents

Description

可縮短對光源採光距離的單位面積光通量增量裝置

本發明涉及一種主要應用於太陽能發電和光能回收利用的裝置，尤其是一種能夠有效縮短對光源採光距離，從而提高受光地點單位面積的光通量和光強度，並且能夠在有效日照時間內提高太陽能收集效率的可縮短對光源採光距離的單位面積光通量增量裝置。

太陽能是一種恆久能源和環保潔淨能源，而太陽能發電則是目前人類從太陽獲取能量的基本方法之一。評估某一種太陽能發電技術方案效益優劣的主要指標，是該方案在地球表面單位面積內收集太陽能的效率，而地球表面單位面積內太陽能的收集效率具體而言是指：單位時間內，在地球表面某一地點單位球面所能收集到之太陽光的光通量值和光強度值。

對於太陽能發電來說，光譜頻率相對穩定的太陽光光通量和光強度越大，則越有利於提高光電轉換裝置(例如太陽能電池)產生的光電量，在地球表面單位面積上也就能夠獲得更多的電能。這是因為：投射到光電轉換裝置上的投射光，如果能發生光電效應並且其光譜頻率(或振幅)相對穩定，則所產生的光電流強度飽和值與投射光單位面積的光通量以及光強度值成正比。

目前世界上現有利用光學方法來聚集太陽能的技術方案，主要有凸透鏡聚焦和菲涅爾透鏡聚焦方案，以及各類平面鏡或拋物面反射鏡聚光方案等。

現有各類凸透鏡、菲涅爾透鏡聚光方案，是利用聚光透鏡的折光特性將通過透鏡面積內的太陽光折射後，聚集在透鏡焦距附近以形成高溫和高亮度的焦點。由於聚光透鏡的面積遠大於聚光後焦點的面積，因此這類方案實質上並不能夠提高單位面積太陽能的收集量，只是將通過透鏡面積內的太陽光折射聚集以提高焦點的光強度而已。這類方法雖然可以減少太陽能電池的使用量，但由於聚光透鏡折射陽光聚焦後所形成的焦點溫度很高，而太陽能電池的光電轉換效率又與溫度成反比，這類聚光鏡式太陽能電池，必須有冷卻裝置才能維持工作效率和避免燒壞，冷卻裝置需耗費一定能量，因此這類方案的效費比和性價比都比較低。而且，這類方案的前提是“聚焦”，因此為了確保焦點的形成和保證焦點的光強度，不能通過調節太陽能電池收集板與透鏡之間的距離，來達到避免過高的溫度的情況發生。

現有各類平面鏡或拋物面反射鏡聚光方案，其聚光系統龐大的體積需要佔用較大的土地面積和空間容積。而且，這類方案只是從不同的角度將到達各個反光面內的陽光，一同反射聚集在某一個聚光點上，以提高該點的太陽光強度，其採光反射面的總面積，仍然遠大於其聚光點的面積。因此，這類方法實質上也並不具備提高地球表面單位面積太陽能收集效率的效果，就其效率和裝置、土地花費成本而言相當不划算。

由於地球自轉和繞太陽公轉，因此相對於地球表面的某一點來說，太陽每天的運動都有方位角和赤緯角變化。要在每天有效日照時段的單位時間內收集到更多的太陽能，就必須使太陽能電池的採光面能夠始終追隨太陽運動。現有各類太陽追蹤方法大多是利用測量感測器(例如光敏傳感、熱敏傳感、溫差傳感等)來感應太陽光，然後通過相關裝置分析處理測量資訊後，對伺服傳動機構發出指令使機構作出相應動作來追蹤太陽。而這類方法機構複雜並且需要耗費一定能量，且這類方法的裝置受氣象條件的制約較為明顯(例如看不見太陽的陰天或者多雲遮陽天氣)，系統的有效性和可靠性低而容易產生誤動作。此外，現有太陽追蹤方法中，還有利用電腦編制預設程式來指令伺服傳動機構追隨太陽運動的裝置，然這類裝置同樣是因為構造複雜和需要耗費能量，所以就成本耗費上而言過高。

顯而易見，要進一步發展人類的太陽能發電技術，就必須根本上改變現有太陽能的採光集能方案，用更有效的新方法來提高地球表面單位面積的太陽能收集效率，並且需要有簡約和可靠的新方法來跟蹤太陽二維運動。根據新的技術方案製造的裝置產品，且需確實降低成本，以利於廣泛應用。

目前人類社會的日常電能耗費中有很大一部分是消耗在照明上(例如街道照明、公園、廣場、商店等公共設施照明、地下交通照明、住宅區、樓道和家庭照明等等)。如果在不影響照明的效果和環境外觀等的前提下，利用簡單有效的採光集能方法將各種燈光的光能回收再利用，將能夠節約大量能源，其重大意義值得人類社會高度關注。

本發明的目的在於提供一種主要應用於太陽能發電和各種光能回收利用的技術方案，即提供一種可縮短對光源採光距離的單位面積光通量增量裝置，能夠顯著增加單位面積光通量和出射光強度。

本發明的另一個目的是提供一種可以自動追蹤日光的可縮短對光源採光距離的單位面積光通量增量裝置，該裝置無需測量感測器，且運動時無需能量耗費即可實現太陽二維運動追蹤功能。

本發明是通過以下技術方案來實現的：

一種可縮短對光源採光距離的單位面積光通量增量裝置，其包括支架和迎著入射光依次設置的前置透鏡元件、後置透鏡元件，所述前置透鏡元件、後置透鏡元件通過所述支架相互連接形成裝置主體；所述前置透鏡元件的主光軸、後置透鏡元件的主光軸和受光裝置的受光面的中心軸相互重合；其中所述前置透鏡元件將射入其受光面的入射光進行第一次匯聚後形成出射光，所述後置透鏡元件將前置透鏡元件的所述出射光進行第二次匯聚後投射在受光裝置的受光面上，所述前置透鏡組件的受光面的面積A1、受光裝置的受光面的面積A3和所述後置透鏡元件的第二次彙聚後的出射光在所述受光裝置的受光面所在的平面上的截面面積A2之間滿足以下比例關係：所述面積A2與所述面積A1的差異≦10%之A1，所述面積A3與所述面積A1的差異≦10%之A1。

所述受光裝置包括有位於後置透鏡元件後方的光電轉換元件，所述前置透鏡元件、後置透鏡元件和光電轉換元件通過所述支架相互連接形成裝置主體；所述後置透鏡元件將前置透鏡元件的所述出射光進行第二次匯聚後投射在所述光電轉換元件的受光面上。

所述受光裝置還可以為一種直接利用光能充電的裝置，例如：利用光能充電的充電燈、利用光能充電的手機充電器、利用光能充電的蓄電池等。

所述可縮短對光源採光距離的單位面積光通量增量裝置還包括追日機構，用於使所述裝置主體根據入射的太陽光線的方向而相對於水平面轉動，以使所述前置透鏡元件的受光面垂直於入射的太陽光線。

由於採用了上述技術方案，本發明具有如下優點和效果：

1、本發明的透鏡陣列組在擴大了對光源中心點的採光角度的同時，縮小了對光源中心點的採光場範圍，從而增大了透鏡陣列組單位面積出射光的光通量，導致從透鏡陣列組出射光單位面積的光強度也隨之增大，顯著提高了單位面積的光能收集效率，使得所對應的單位面積光電轉換裝置(例如太陽能電池)能夠換裝出更多光電能量。本發明在現有材料條件下的工程實驗結果表明：本發明能夠將地球表面自然光(例如夏季的太陽光)單位面積的光通量和光強度增大40%至80%；能夠在一定距離內將室內外燈光(例如普通照明燈光)單位面積的光通量和光強度增大60%至250%。

2、本發明的透鏡陣列組出射光的光斑面積之和約等於前置透鏡陣列面積，光斑處的光強度顯著增大但溫度變化≦±5%。因此，本發明不會對光電轉換裝置(例如太陽能電池)造成高溫危害，無需於太陽能電池配備冷卻或恒溫裝置，結構簡單和明顯節約能源。

3、本發明利用重力和離心式傾轉限速阻尼原理，在一定的時段內使本發明始終追隨太陽方位角和赤緯角變化而保持與太陽同步二維運動，從而能夠在每天的有效日照時段內最大限度地收集太陽能。本發明的太陽二維追蹤機構無需測量感測器和無需能耗，結構簡單可靠和明顯節約能源。

4、本發明所佔用的面積即為光電轉換裝置(例如太陽能電池)的面積，因此本發明在城市或者城郊土地和空間資源有限的區域應用時，具有節約土地和空間資源的明顯優勢。

5、本發明的光電轉換裝置陣列移動槽裝置設計，能夠使光電轉換裝置陣列(例如太陽能電池)在低照度的陰天或多雲天氣環境中脫離透鏡陣列組，採集太陽的漫射光、反射光和散射光等光能來實施光電轉換，從而擴大了本發明的應用範圍並提高了利用率。

6、本發明可用普通玻璃或光學玻璃和工程塑料、普通金屬材料以一般工業技術製造，具有良好的效費比和性價比，易於廣泛應用。本發明總體結構簡單可靠，重量相對較輕，沒有明顯的易損易耗元件，使用和維護修理都很簡便。本發明低重心的側向通透式構造，能夠有效抗擊惡劣氣象環境(例如颱風暴雨或沙塵)的侵襲，適合在各種地域環境中長期應用。

7、本發明的透鏡陣列用工藝技術集成並微小型化後，能夠直接應用於太陽能電池封裝，從而進一步減輕重量和擴大應用範圍，例如應用於各種照明燈光能的回收，或者應用於航太飛行器、太空站以及月球或火星地面站等。

為利　貴審查員瞭解本發明之發明特徵、內容與優點及其所能達成之功效，茲將本發明配合附圖，並以實施例之表達形式詳細說明如下，而其中所使用之圖式，其主旨僅為示意及輔助說明書之用，未必為本發明實施後之真實比例與精準配置，故不應就所附之圖式的比例與配置關係侷限本發明於實際實施上的專利範圍，合先敘明

實施例一：

如圖1和圖2所示，根據本發明的可縮短對光源採光距離的單位面積光通量增量裝置包括有：迎著光源方向依次設置的前置透鏡元件、後置透鏡元件和光電轉換元件，所述前置透鏡元件、後置透鏡元件和光電轉換元件通過活動支架5組接成一體。

如圖3a、3b所示，所述前置透鏡元件包括有由單塊或多塊凸透鏡17橫向排列而成的前置透鏡陣列1；所述後置透鏡元件包括一組或者多組陣列，每組陣列由單塊或多塊透鏡18(可為凸或凹透鏡)橫向排列而成；光電轉換元件包括有由單塊或多塊光電轉換單元19橫向排列而成的光電轉換裝置陣列4。在本實施例中，所述後置透鏡陣列包括有迎著光源方向依次設置的第一組後置透鏡陣列2和第二組後置透鏡陣列3。所述前置透鏡陣列1、第一組後置透鏡陣列2和第二組後置透鏡陣列3中，多塊橫向排列成陣列的透鏡相互間通過連接裝置固定連接成矩形(或者多邊形、橢圓形、圓形等其他幾何形狀)的板狀結構；光電轉換裝置陣列4中，多塊排列成陣列的太陽能電池相互間通過連接裝置固定連接成矩形(或者多邊形、橢圓形、圓形等其他幾何形狀)的板狀結構。

前置透鏡陣列1中的凸透鏡17的中心軸與所對應的後置透鏡陣列中的透鏡18(可為凸或凹透鏡)的中心軸在同一條直線上，構成可擴大對光源中心點的採光角度和縮小對光源中心點的採光場範圍的相對於光源近距離採光集能的光通量增量縱列單元20，所述光通量增量縱列單元20具有增大的由後置透鏡元件射出的出射光的單位面積光通量和光強度，所述光通量增量縱列單元20的出射光投射在光電轉換裝置的光接收部。

如圖4b和圖4c所示，所述前置透鏡元件1、第一組後置透鏡陣列2、第二組後置透鏡陣列3和光電轉換陣列4之間間隔有特定距離，使得所述前置透鏡元件的受光面的面積A1與光電轉換元件的受光面的面積A3基本相等，且所述後置透鏡元件的第二次匯聚後的出射光在所述光電轉換元件的受光面所在的平面上的截面面積A2與所述受光面的面積A3基本相等，所述面積A2與A1的差異≦10%之A1，A3與A1的差異≦10%之A1。

在本實施例中，所述的前置透鏡陣列1中的透鏡的後焦距，大於所對應的第一組後置透鏡陣列2中的透鏡的前焦距；所述的前置透鏡陣列1中的透鏡的後焦點與所對應的第一組後置透鏡陣列2的透鏡的前焦點重合、或所述的前置透鏡陣列1中的透鏡的後焦點與所對應的第一組後置透鏡陣列2的透鏡的前焦點的距離前置透鏡陣列1中的透鏡的後焦距的10%。

所述前置透鏡陣列1中的凸透鏡17和透鏡18(可為凸或凹透鏡)為矩形或者多邊形、圓形，凸透鏡17邊長或直徑≧第一組後置透鏡陣列2中的透鏡18(可為凸或凹透鏡)的邊長或直徑；第一組後置透鏡陣列2中的透鏡18(可為凸或凹透鏡)，其邊長或直徑與第二組後置透鏡陣列3中的透鏡18(可為凸或凹透鏡)邊長或直徑相同或者不相同；所述前置透鏡陣列1中的凸透鏡17，其焦距＞第一組後置透鏡陣列2中的透鏡18(可為凸或凹透鏡)的焦距；第二組後置透鏡陣列3中的透鏡18(可為凸或凹透鏡)，其焦距第一組後置透鏡陣列2中的透鏡18(可為凸或凹透鏡)的焦距。

所述的光通量增量縱列單元20為凸-凸-凸式縱列結構，前置透鏡陣列1中的凸透鏡是邊長相對較大的正方形，第一組後置透鏡陣列2中的透鏡18是邊長相對較小的正方形凸透鏡，第二組後置透鏡陣列3中的透鏡18為正方形且邊長與第一組後置透鏡陣列2中的透鏡18邊長相等。其中，前置透鏡1的後焦距是第一組後置透鏡2的前焦距的4倍；前置透鏡1的光心與後置透鏡2的光心距離，為前置透鏡1的後焦距與第一組後置透鏡2的前焦距之和；第二組後置透鏡3的後焦距＜第一組後置透鏡2的前焦距；由第二組後置透鏡陣列3射出的出射光，投射到光電轉換裝置陣列4的受光表面後所形成的光斑的面積之和，等於前置透鏡陣列1中所有透鏡的面積之和。

本發明中的透鏡可用普通玻璃或光學玻璃或工程塑料、其他元件可用普通金屬和工程塑料等材料以一般工業技術製造。

根據本實施例的單位面積光通量增量裝置，其透鏡陣列組能夠實現把對光源的採光距離縮短為實際距離的四分之一的光學效果和光通量增量效果。例如；當光源S為直射太陽光，地球表面某一地點單位面積的陽光照度Eb約為112980Lux時，本發明具體實施方案之一的裝置能夠將同一地點、與陽光照度Eb面積相同的太陽光的照度增強約為165700Lux(光斑Ea)。因此，本發明具體實施方案之一的裝置能夠使單位面積的光通量增量約46.7%，即光電轉換裝置陣列4受光表面單位面積的光通量增加了約46.7%，從而使光電轉換裝置陣列4所產生的光電能量能夠顯著增加(光電能量的增量值，與具體採用的光電轉換裝置陣列4的轉換效率有關)。同時，本發明具體實施方案之一的裝置在使單位面積光通量增加了約46.7%的條件下，投射到光電轉換裝置陣列4的受光表面的光斑Ea的溫度，與光斑外周邊環境的溫度相比沒有明顯變化，因此光電轉換裝置陣列4不會明顯受到溫度變化影響，無需冷卻或恒溫處理。所述的本發明具體實施方案之一的前置透鏡陣列1採用面積相對較大的凸透鏡，有利於常年太陽光照度較低的地區應用。

所述可縮短對光源採光距離的單位面積光通量增量裝置還包括有軸向互垂直雙軸支架6、以及固定座架9；所述活動支架5呈矩形(或者多邊形、橢圓形、圓形等其他幾何形狀)框架結構，前置透鏡陣列1、後置透鏡陣列2、3和光電轉換裝置陣列4分別位於活動支架5的頂部、中部和底部；前置透鏡陣列1和第一組後置透鏡陣列2、第二組後置透鏡陣列3以一定的相對距離，平行對稱安裝在活動支架5上，形成透鏡陣列組；軸向互垂直雙軸支架6採用矩形(或者多邊形、橢圓形、圓形等其他幾何形狀)框架結構，位於活動支架5高度方向中部的外周；所述軸向互垂直雙軸支架6設置有相互垂直的兩組轉軸，即水準向轉軸7和赤緯向轉軸8，所述兩組轉軸的中心線在同一平面上並且軸向互相垂直；所述水準向轉軸7連接於固定座架9的頂部，所述軸向互垂直雙軸支架6繞水準向轉軸7翻轉；所述活動支架5通過兩根中連桿51與所述赤緯向轉軸8連接，所述活動支架5繞赤緯向轉軸8翻轉並懸置於固定座架9的頂部。

根據原生光群場特性，即：由光源產生的光群場中，與光群運動方向垂直的某一平面或曲面的子光群密度ρ _S ，與光源點表面的子光群密度ρ成正比，與該平面到光源點距離Y 的三次方成反比。如圖4a所示，本發明採光場所示，S點為光源點，B、C、D分別為與光群運動方向垂直但與光源點距離不同的採光平面，C點在S與D兩點距離的中間。因B、C、D三點單位面積的子光群密度不同，所以B、C、D三點單位面積中的光通量和光強度也不同，依次為B＞C＞D。當本發明裝置放置在D點對光源採光，並且其透鏡陣列組的透鏡主光軸正對光源點中心，又前置凸透鏡17的焦距大於透鏡18的焦距2.5倍或以上時，透鏡陣列組採集到的是S點與C點之間的單位面積光通量和光強度(圖4a，B)，而不是D點的單位面積光通量和光強度(圖4a，D)，即使用本發明裝置後，採集到了相對於光源更近距離區域的光能，因此單位面積採集到的光通量和光強度大於D點本身自然投射的單位面積光通量和光強度。第二組後置透鏡陣列3的作用，是將第一組後置透鏡陣列2的出射光的投影面積擴大到與前置透鏡陣列1的面積相同，使本發明達到提高D點單位面積光通量和光強度的目的。

如圖1、圖2、圖9所示，所述活動支架的底部設置有移動槽裝置16，所述光電轉換裝置陣列通過所述移動槽裝置與活動支架連接，並且所述光電轉換裝置陣列通過移動槽裝置來進入或脫離透鏡陣列組出射光的投射區域。採集太陽的漫射光、反射光和散射光等光能。

本發明是用透鏡陣列組來提高D點的單位面積光通量和光強度，並非在D點用凸透鏡聚光，在原理上與聚光透鏡的聚焦集能方法完全不同。由於從本發明透鏡陣列組投射到光電轉換裝置陣列4上的光溫度變化很小，不會對光電轉換裝置(例如太陽能電池)構成高溫危害，因此無需配備冷卻或者恒溫裝置。本發明後置透鏡陣列中的透鏡，無論是採用凸透鏡還是凹透鏡都具有相同的效果。本發明如果不設置第二組後置透鏡陣列3，也具有提高單位面積光通量和光強度的效果，但將增大第一組後置透鏡陣列2與光電轉換裝置陣列4之間的距離。

所述可縮短對光源採光距離的單位面積光通量增量裝置還包括有追日機構，所述追日機構為一種自動傾轉限速機構，所述可縮短對光源採光距離的單位面積光通量增量裝置設置有兩組自動傾轉限速機構，每組各由齒盤、傾轉限速阻尼器機構和傾轉重力發生器組成，分別控制軸向互垂直雙軸支架和活動支架相對與地面的傾轉速度；其中一組重力發生器使軸向互垂直雙軸支架產生指向地面的傾轉力矩，另一組重力發生器使活動支架產生指向地面的傾轉力矩。

所述的傾轉限速阻尼器機構由離心轉子、錐筒形限速罩和齒輪組構成，離心轉子設有彈性離合片；重力發生器產生的傾轉力矩通過齒盤傳遞給限速阻尼器驅動離心轉子，錐筒形限速罩控制離心轉子的轉速，離心轉子的轉速控制齒盤的轉動速度。

如圖1、圖2、圖5a、圖5b、圖5c、圖5d所示，所述追日機構包括：水準向傾轉重力發生器10、赤緯向傾轉重力發生器11、水準向傾轉限速阻尼器12、水準向限速齒盤13、赤緯向傾轉限速阻尼器14、赤緯向限速齒盤15。

所述水準向傾轉重力發生器10和赤緯向傾轉重力發生器11互相垂直，固定在活動支架5的底部；水準向傾轉限速阻尼器12固定在固定座架9上，水準向限速齒盤13固定在軸向互垂直雙軸支架6的一端，所述水準向傾轉限速阻尼器12包括有：主傳動器從動齒輪21、離心轉子22、以及錐筒形限速罩23，所述水準向傾轉限速阻尼器12的主傳動器從動齒輪21與水準向限速齒盤13嚙合；赤緯向傾轉限速阻尼器14固定在活動支架5上，赤緯向限速齒盤15固定在軸向互垂直雙軸支架6的一側，所述赤緯向傾轉限速阻尼器14包括有：主傳動器從動齒輪24、離心轉子26、以及錐筒形限速罩25，赤緯向傾轉限速阻尼器14的主傳動器從動齒輪24與赤緯向限速齒盤15嚙合。

如圖6、圖7、圖8所示，對於本發明的水準向追日機構，所述的固定座架9通過水準向轉軸7，與軸向互垂直雙軸支架6動連接，水準向轉軸7支撐在軸向互垂直雙軸支架6的重心處；所述的水準向傾轉重力發生器10內部灌注水以產生重力，固定在活動支架5的底部，形成以水準向轉軸7為軸心的傾轉力矩F1。抬升軸向互垂直雙軸支架6帶動活動支架5，使透鏡陣列主光軸對準太陽時，由於水準向傾轉重力發生器10的下沉作用，軸向互垂直雙軸支架6總是自動往安裝有水準向傾轉重力發生器10的一側傾轉。所述的赤緯向傾轉重力發生器11內部灌注潔淨水以產生重力，固定在活動支架5的底部，形成傾轉力矩F2。

又知，赤緯向傾轉限速阻尼器14安裝在固定座架9上，赤緯向限速齒盤15固定在軸向互垂直雙軸支架6的一側，赤緯向傾轉限速阻尼器14的主傳動器從動齒輪24與赤緯向限速齒盤15嚙合，主傳動器從動齒輪24設有單向軸承28，使赤緯向限速齒盤15可以反向旋轉復位。當軸向互垂直雙軸支架6在赤緯向傾轉重力發生器11的作用下傾轉時，帶動赤緯向限速齒盤15旋轉，驅使赤緯向傾轉限速阻尼器14的主傳動器從動齒輪24也隨之轉動，進而帶動離心轉子26旋轉。離心轉子26的外環是用彈性簧片連接的離合片27，當離心轉子26旋轉時，離合片27在向心力F3的作用下張開，張開量取決於離心轉子26的轉速。離心轉子26的外部，是可以沿軸向移動的錐筒形限速罩25，錐筒形限速罩25的軸線與離心轉子26的軸線重合。如果離心轉子26的轉速增大，其張開的離合片27就會因接觸到錐筒形限速罩25的內壁而減速，離心轉子26因此可以限制在某一轉速。沿軸向移動調節錐筒形限速罩25， 調節錐筒形限速罩25內壁與所述離合片27的相對距離，就能控制離心轉子26轉速，從而控制主傳動器從動齒輪24、赤緯向限速齒盤15的轉速，使軸向互垂直雙軸支架6以一定的速度緩慢傾轉，達到與太陽赤緯角同步變化的目的。本發明的水準向追日機構實施方式與效果和所述的赤緯向追日機構相同。

可知，所述的軸向互垂直雙軸支架6的水準向轉軸7、赤緯向轉軸8，分別與固定座架9、活動支架5動連接，因此本發明可以二維傾轉。日出時，將所述的軸向互垂直雙軸支架6、活動支架5傾轉，使透鏡陣列的主光軸對準太陽，並調節所述的離心轉子26、離心轉子22至預定的轉速。在水準向傾轉重力發生器10、赤緯向傾轉重力發生器11和傾轉限速阻尼器機構的共同作用下，本發明能夠實施追蹤太陽二維運動至預定的終止時間。

如圖1、圖2、圖9所示，所述活動支架的底部設置有移動槽裝置16，所述光電轉換裝置陣列通過所述移動槽裝置與活動支架連接，並且所述光電轉換裝置陣列通過移動槽裝置來進入或脫離透鏡陣列組出射光的投射區域。採集太陽的漫射光、反射光和散射光等光能。

實施例二：

與前述的實施例一的不同之處在於，在本發明的實施例二中，如圖10a、圖10b及圖10c所示，光通量增量縱列單元20為凸-凸-凸式縱列結構，前置透鏡陣列1中的凸透鏡是邊長相對較小的正方形，後置透鏡陣列2中的透鏡是邊長相對更小的正方形凸透鏡，後置透鏡陣列3中的透鏡是與後置透鏡陣列2中的透鏡面積相同的正方形凸透鏡。其中，前置透鏡1的後焦距是後置透鏡2的前焦距的2倍；前置透鏡1的光心與後置透鏡2的光心距離，為前置透鏡1的後焦距與後置透鏡2的前焦距之和；後置透鏡3的後焦距＜後置透鏡2的前焦距；由後置透鏡陣列3射出的出射光，投射到光電轉換裝置陣列4的受光表面後所形成的光斑的面積之和，等於前置透鏡陣列1中所有透鏡的面積之和。所述的本發明具體實施方案之二，其透鏡陣列組能夠實現把對光源的採光距離縮短為實際距離的二分之一的光學效果和光通量增量效果。例如：當光源S為直射太陽光，地球表面某一地點單位面積的陽光照度Ed約為95220Lux時，本發明具體實施方案之二的裝置能夠將同一地點、與Ed相同面積的太陽光的照度增強約為140960Lux(光斑Ec)。因此，本發明具體實施方案之二的裝置能夠使單位面積的光通量增量約48%，即光電轉換裝置陣列4受光表面單位面積的光通量增加了約48%，從而使光電轉換裝置陣列4所產生的光電能量能夠顯著增加(光電能量的增量值，與具體採用的光電轉換裝置陣列4的轉換效率有關)。同時，本發明具體實施方案之二的裝置在使單位面積光通量增加了約48%的條件下，投射到光電轉換裝置陣列4的受光表面的光斑Ec的溫度，與光斑外周邊環境的溫度相比沒有明顯變化，因此光電轉換裝置陣列4不會明顯受到溫度變化影響，無需冷卻或恒溫處理。由於所述的本發明具體實施方案之二的前置透鏡陣列1中的凸透鏡面積較小，因此，相對於上述所述本發明具體實施方案之一，在光通量增量效果基本相同的前提下，本發明具體實施方案之二的裝置總體積明顯小於本發明具體實施方案之一的裝置的總體積。本發明具體實施方案之二的裝置主要適合於太陽光照度較大和氣象條件變化較頻密的地區(例如沙漠地帶)應用。

實施例三：

本發明的實施例三主要適合於各種燈光光能的回收利用。與前述的實施例一的不同之處在於，在本發明的實施例三中，如圖11a、圖11b、圖11c所示，所述可縮短對光源採光距離的單位面積光通量增量裝置的前置透鏡陣列1、第一組後置透鏡陣列2和第二組後置透鏡陣列3，均為以各自相對於光源L的中心點的距離為半徑的弧形；所述的本發明具體實施方案之三的光通量增量縱列單元20為凸-凸-凹式縱列結構，前置透鏡陣列1中的透鏡是直徑相對較大的圓形凸透鏡，第一組後置透鏡陣列2中的透鏡是直徑相對較小的圓形凸透鏡，第二組後置透鏡陣列3中的透鏡是直徑相對較小的圓形凹透鏡。其中，前置透鏡1的後焦距是第一組後置透鏡2的前焦距的4倍；前置透鏡1的光心與第一組後置透鏡2的光心距離，為前置透鏡1的後焦距與第一組後置透鏡2的前焦距之和；第二組後置透鏡3的後焦距＜第一組後置透鏡2的前焦距；由第二組後置透鏡陣列3射出的出射光，投射到光電轉換裝置陣列4的受光表面後所形成的光斑的面積之和，等於前置透鏡陣列1中所有透鏡的面積之和。所述的本發明具體實施方案之三的裝置，其透鏡陣列組能夠實現把對光源的採光距離縮短為實際距離的四分之一的光學效果和光通量增量效果。例如：光源L為功率500W的普通白熾燈，距光源L約6米處的照度Ef約為66Lux，採光環境除光源L外無任何其他光源，所述的本發明具體實施方案之三的裝置，能夠將將距光源點6米、與Ef相同面積的光照度增強為約140Lux(光斑Ee)。因此，本發明具體實施方案之三的裝置能夠使單位面積的光通量增量約112.1%，即光電轉換裝置陣列4受光表面單位面積的光通量增加了約112.1%，從而使光電轉換裝置陣列4所產生的光電能量顯著增加(光電轉換裝置陣列4的單位面積光電能量的增量值，與具體採用的光電轉換裝置陣列4的轉換效率有關)。同時，本發明具體實施方案之三的裝置，在使單位面積光通量增加了約112.1%的條件下，投射到光電轉換裝置陣列4的受光表面的光斑Ee的溫度，與光斑外周邊環境的溫度相比沒有明顯變化，因此光電轉換裝置陣列4不會明顯受到溫度變化影響，無需冷卻或恒溫處理。

所述的本發明實施方案之一、二和三的光通量增量效果，與所採用透鏡的透光性能、透鏡材料的各向同性或各向異性條件，以及透鏡加工製造的精度等條件有關。

而綜觀上述，可見本發明在突破先前之技術下，確實已達到所欲增進之功效，且也非熟悉該項技藝者所易於思及，再者，本發明申請前未曾公開，其所具之進步性、實用性，顯已符合發明專利之申請要件，爰依法提出發明申請，懇請　貴局核准本件發明專利申請案，以勵發明，至感德便。

以上所述之實施例僅係為說明本發明之技術思想及特點，其目的在使熟習此項技藝之人士能夠瞭解本發明之內容並據以實施，當不能以之限定本發明之專利範圍，即大凡依本發明所揭示之精神所作之均等變化或修飾，仍應涵蓋在本發明之專利範圍內。

1．．．前置透鏡陣列

10．．．水準向傾轉重力發生器

11．．．赤緯向傾轉重力發生器

12．．．水準向傾轉限速阻尼器

13．．．水準向限速齒盤

14．．．赤緯向傾轉限速阻尼器

15．．．赤緯向限速齒盤

16．．．移動槽裝置

17．．．凸透鏡

18．．．透鏡

19．．．光電轉換單元

2．．．後置透鏡陣列

20．．．光通量增量縱列單元

21．．．主傳動器從動齒輪

22．．．離心轉子

23．．．錐筒形限速罩

24．．．主傳動器從動齒輪

25．．．錐筒形限速罩

26．．．離心轉子

27．．．離合片

3．．．後置透鏡陣列

4．．．光電轉換裝置陣列

5．．．活動支架

51．．．中連桿

6．．．軸向互垂直雙軸支架

7．．．水準向轉軸

8．．．赤緯向轉軸

9．．．固定座架

A1．．．面積

A2．．．面積

A3．．．面積

B、C、D．．．採光平面

Ea．．．光斑

Eb、Ed．．．陽光照度

Ec．．．光斑

Ee．．．光斑

Ef．．．照度

F1．．．傾轉力矩

F2．．．傾轉力矩

F3．．．向心力

L．．．光源

S．．．光源點

圖1為本發明的可縮短對光源採光距離的單位面積光通量增量裝置的實施例一的整體組裝結構示意圖；

圖2為圖1所示的可縮短對光源採光距離的單位面積光通量增量裝置的分解***示意圖；

圖3a為本發明的可縮短對光源採光距離的單位面積光通量增量裝置的實施一的透鏡陣列的分解結構示意圖；

圖3b為圖3a所示的透鏡陣列的組裝結構示意圖；

圖4a為本發明的可縮短對光源採光距離的單位面積光通量增量裝置所適用的採光場的示意圖；

圖4b為本發明的可縮短對光源採光距離的單位面積光通量增量裝置的實施例一的透鏡陣列的光路示意圖；

圖4c為圖4b所示的透鏡陣列中的單組透鏡縱列的光路及光通量增量效果示意圖；

圖5a為本發明的可縮短對光源採光距離的單位面積光通量增量裝置的實施例一的水準向傾轉限速阻尼器機構的結構透視圖；

圖5b為本發明的可縮短對光源採光距離的單位面積光通量增量裝置的水準向傾轉限速阻尼器機構的結構平視圖；

圖5c為本發明可縮短對光源採光距離的單位面積光通量增量裝置的離心轉子與錐筒形限速罩移動式限速原理示意圖；

圖5d為本發明可縮短對光源採光距離的單位面積光通量增量裝置的傾轉限速阻尼器機構組合外觀立體結構示意圖；

圖6為本發明可縮短對光源採光距離的單位面積光通量增量裝置水準向追蹤太陽運動過程示意圖；

圖7為本發明可縮短對光源採光距離的單位面積光通量增量裝置赤緯向追蹤太陽運動過程示意圖；

圖8為本發明可縮短對光源採光距離的單位面積光通量增量裝置二維追蹤太陽運動總體效果立體示意圖；

圖9為本發明可縮短對光源採光距離的單位面積光通量增量裝置的光電轉換裝置陣列移動槽裝置的工作原理立體示意圖；

圖10a為本發明的可縮短對光源採光距離的單位面積光通量增量裝置的實施例二的透鏡陣列投影示意圖；

圖10b為圖10a所示的透鏡陣列的組合示意圖；

圖10c為本發明的可縮短對光源採光距離的單位面積光通量增量裝置的實施例二的單組縱列透鏡光路圖和光通量增量效果示意圖；

圖11a為本發明的可縮短對光源採光距離的單位面積光通量增量裝置的實施例三的透鏡陣列投影示意圖；

圖11b為圖11a所示的透鏡陣列的示意圖；

圖11c為本發明的可縮短對光源採光距離的單位面積光通量增量裝置的實施例三的單組縱列透鏡光路圖和光通量增量效果示意圖。

1．．．前置透鏡陣列

10．．．水準向傾轉重力發生器

11．．．赤緯向傾轉重力發生器

12．．．水準向傾轉限速阻尼器

13．．．水準向限速齒盤

14．．．赤緯向傾轉限速阻尼器

15．．．赤緯向限速齒盤

16．．．移動槽裝置

2．．．後置透鏡陣列

3．．．後置透鏡陣列

4．．．光電轉換裝置陣列

5．．．活動支架

6．．．軸向互垂直雙軸支架

7．．．水準向轉軸

8．．．赤緯向轉軸

9．．．固定座架

Claims (14)

1. 一種可縮短對光源採光距離的單位面積光通量增量裝置，係包括支架和迎著入射光依次設置的前置透鏡元件、後置透鏡元件，所述前置透鏡元件、後置透鏡元件通過所述支架相互連接形成裝置主體；所述前置透鏡元件的主光軸、後置透鏡元件的主光軸和受光裝置的受光面的中心軸相互重合；其中所述前置透鏡元件將射入其受光面的入射光進行第一次匯聚後形成出射光，所述後置透鏡元件將前置透鏡元件的所述出射光進行第二次匯聚後投射在受光裝置的受光面上，所述前置透鏡組件的受光面的面積A1、受光裝置的受光面的面積A3和所述後置透鏡元件的第二次彙聚後的出射光在所述受光裝置的受光面所在的平面上的截面面積A2之間滿足以下比例關係：所述面積A2與所述面積A1的差異≦10%之A1，所述面積A3與所述面積A1的差異≦10%之A1。
2. 如申請專利範圍第1項所述之可縮短對光源採光距離的單位面積光通量增量裝置，其中所述受光裝置包括有位於後置透鏡元件後方的光電轉換元件，所述前置透鏡元件、後置透鏡元件和光電轉換元件通過所述支架相互連接形成裝置主體；所述後置透鏡元件將前置透鏡元件的所述出射光進行第二次匯聚後投射在所述光電轉換元件的受光面上。
3. 如申請專利範圍第2項所述之可縮短對光源採光距離的單位面積光通量增量裝置，其中所述前置透鏡元件包括至少一個由多塊透鏡橫向排列而成的前置透鏡陣列；所述後置透鏡元件包括至少一個由多塊透鏡橫向排列而成的後置透鏡陣列；所述光電轉換元件包括由多塊光電轉換單元橫向排列而成的光電轉換裝置陣列；每個所述前置透鏡陣列中的透鏡的數量與每個所述後置透鏡陣列中的透鏡的數量以及所述光電轉換裝置陣列中的光電轉換單元的數量相同；所述前置透鏡陣列中的每塊透鏡的主光軸分別與所述後置透鏡陣列中的相應的透鏡的主光軸以及所述光電轉換裝置陣列中的相應的光電轉換單元的受光面的中心軸相互重合，從而每一組迎著入射光依次設置的透鏡形成一組光通量增量縱列單元。
4. 如申請專利範圍第3項所述之可縮短對光源採光距離的單位面積光通量增量裝置，其中每個所述前置透鏡陣列中的透鏡是凸透鏡；每個所述後置透鏡陣列中的透鏡分別包括有凸透鏡，或者包括有凹透鏡。
5. 如申請專利範圍第2或3項所述之可縮短對光源採光距離的單位面積光通量增量裝置，其中所述可縮短對光源採光距離的單位面積光通量增量裝置還包括追日機構，用於使所述裝置主體根據入射的太陽光線的方向而相對於水平面轉動，以使所述前置透鏡元件的受光面垂直於入射的太陽光線。
6. 如申請專利範圍第5項所述之可縮短對光源採光距離的單位面積光通量增量裝置，其中所述後置透鏡陣列包括第一組後置透鏡陣列和第二組後置透鏡陣列，所述第一組後置透鏡陣列與第二組後置透鏡陣列的主光軸重合且迎著入射光依次設置；所述前置透鏡陣列中的透鏡的後焦距，大於所對應的第一組後置透鏡陣列中的透鏡的前焦距；所述前置透鏡陣列中的透鏡的後焦點與所對應的第一組後置透鏡陣列的透鏡的前焦點之間的距離≦前置透鏡陣列中的透鏡的後焦距的10%；所述前置透鏡陣列中的透鏡和第一組後置透鏡陣列中的透鏡為矩形或者多邊形、圓形，透鏡邊長或直徑≧第一組後置透鏡陣列中的透鏡的邊長或直徑；第二組後置透鏡陣列中的透鏡，其焦距≦第一組後置透鏡陣列中的透鏡的焦距。
7. 如申請專利範圍第6項所述之可縮短對光源採光距離的單位面積光通量增量裝置，其中所述的前置透鏡陣列中之透鏡的後焦點與所對應的第一組後置透鏡陣列的透鏡的前焦點重合，使得第一組後置透鏡陣列的透鏡的出射光為平行光；所述第一組後置透鏡陣列的透鏡與所述第二組後置透鏡陣列的透鏡面積相同，且第一組後置透鏡陣列的後焦點與所對應的第二組後置透鏡陣列的前焦點重合。
8. 如申請專利範圍第7項所述之可縮短對光源採光距離的單位面積光通量增量裝置，其中每個所述前置透鏡陣列、第一組後置透鏡陣列以及第二組後置透鏡陣列分別包括有凸透鏡。
9. 如申請專利範圍第8項所述之可縮短對光源採光距離的單位面積光通量增量裝置，其中所述支架包括活動支架、軸向互垂直雙軸支架以及固定座架；所述前置透鏡陣列、後置透鏡陣列和光電轉換裝置陣列分別位於活動支架的頂部、中部和底部；所述軸向互垂直雙軸支架位於活動支架高度方向中部的外周；所述軸向互垂直雙軸支架設置有相互垂直的水準向轉軸和赤緯向轉軸，所述水準向轉軸和赤緯向轉軸的中心線在同一平面上；所述水準向轉軸連接於固定座架的頂部，所述軸向互垂直雙軸支架繞水準向轉軸翻轉；所述活動支架通過兩根中連桿與所述赤緯向轉軸連接，所述活動支架繞赤緯向轉軸翻轉並懸置於固定座架的頂部。
10. 如申請專利範圍第9項所述之可縮短對光源採光距離的單位面積光通量增量裝置，其中所述追日機構包括水準向和赤緯向兩組自動傾轉限速機構，所述水準向自動傾轉限速機構包括水準向傾轉重力發生器、水準向傾轉限速阻尼器和水準向限速齒盤，所述赤緯向自動傾轉限速機構包括赤緯向傾轉重力發生器、赤緯向傾轉限速阻尼器和赤緯向限速齒盤。
11. 如申請專利範圍第10項所述之可縮短對光源採光距離的單位面積光通量增量裝置，其中所述水準向傾轉重力發生器和赤緯向傾轉重力發生器被互相垂直地固定在活動支架的底部；所述水準向傾轉限速阻尼器固定在固定座架上，水準向限速齒盤固定在軸向互垂直雙軸支架的一側，所述水準向傾轉限速阻尼器包括有：主傳動器從動齒輪、離心轉子、以及錐筒形限速罩，所述水準向傾轉限速阻尼器的主傳動器從動齒輪與水準向限速齒盤嚙合；赤緯向傾轉限速阻尼器固定在活動支架上，赤緯向限速齒盤固定在軸向互垂直雙軸支架與水準向限速齒盤相鄰的一側，所述赤緯向傾轉限速阻尼器包括有：主傳動器從動齒輪、離心轉子以及錐筒形限速罩，所述主傳動器從動齒輪設有單向軸承，離心轉子的外環是用彈性簧片連接的離合片；赤緯向傾轉限速阻尼器的主傳動器從動齒輪與赤緯向限速齒盤嚙合。
12. 如申請專利範圍第3或4項所述之可縮短對光源採光距離的單位面積光通量增量裝置，其中所述支架的底部設置有移動槽裝置，所述光電轉換裝置陣列通過所述移動槽裝置與所述支架相連接，並且所述光電轉換裝置陣列可以通過所述移動槽裝置來進入或脫離透鏡陣列組出射光的投射區域。
13. 如申請專利範圍第5項所述之可縮短對光源採光距離的單位面積光通量增量裝置，其中所述支架的底部設置有移動槽裝置，所述光電轉換裝置陣列通過所述移動槽裝置與所述支架相連接，並且所述光電轉換裝置陣列可以通過所述移動槽裝置來進入或脫離透鏡陣列組出射光的投射區域。
14. 如申請專利範圍第9項所述之可縮短對光源採光距離的單位面積光通量增量裝置，其中所述支架的底部設有移動槽裝置，所述光電轉換裝置陣列通過所述移動槽裝置與所述支架相連接，且光電轉換裝置陣列可通過所述移動槽裝置來進入或脫離透鏡陣列組出射光的投射區域。