聚焦式太陽能採集器的製作方法
2023-06-09 09:22:06 1
專利名稱：聚焦式太陽能採集器的製作方法
技術領域：
本發明專利申請涉及一種太陽能採集器，尤其是將半球形的菲涅耳透鏡應用於這種採集器中。
當上述球型透鏡被應用於產生電流的光電型或熱電型太陽能採集器或應用於產生熱能的太陽能採集器時，如果太陽光移過這種靜態能量採集器的圓頂形透鏡，將會使得射入採集器的光線的方向和方位不斷地變化。那麼這種透鏡只能使較弱的光和能量聚集到圓頂內光電電池組的預定位置上，除非太陽的軸線穿過圓頂形透鏡的中心，其光線對準或基本對準採集器中太陽能電池的基本位置。另外，太陽軌道的季節性移動將會使透鏡的效率進一步降低，甚至很可能會使透鏡失去作用，除非太陽朝向它的極端季節位置。為了解決上述問題，正如美國專利說明書US4711972、US4058110、US4011875和US4069812中描述的，採用半球形的點聚焦和圓柱形或部分圓柱形的線聚焦的菲涅耳能量採集透鏡，都需要複雜的電動太陽軌跡跟蹤驅動裝置。這些驅動裝置不僅需要轉動透鏡和能量採集器使透鏡處於太陽每天的最佳軌跡上，而且需要橫向地傾斜透鏡以適應太陽的季節性軌跡。這些帶有驅動裝置的太陽能採集器，一般採用計算機控制，其高額費用將超出貧困鄉村人們的承受能力，因為他們需要便宜的能源。
發明內容
按照本發明，該太陽能採集器包括一個長形的太陽能轉換器，一個底座，所述太陽能轉換器安裝於底座上，一個圓頂形的菲涅耳透鏡，所述透鏡包括一個半球形的外殼，該外殼採用透明材料製成，所述外殼安裝於所述底座上並罩住所述太陽能轉換器，太陽能轉換器的圓形底部位於所述外殼的直徑線上，太陽能轉換器的長軸與所述外殼的直徑對齊，位於所述外殼內表面的菲涅耳透鏡稜鏡均平行於通過外殼頂點和太陽能轉換器長軸的平面，當太陽位於上述平面上時，不管太陽與透鏡的相對位置如何，所述稜鏡都會使位於該平面任一側的穿過外殼的平行太陽光線聚集於太陽能轉換器的線性焦點上。
同時，外殼的內表面還設有一些凹槽，菲涅耳透鏡的稜鏡限定在其間。透鏡圓頂的外表面必須光滑均勻。
長形的太陽能轉換器最好是線性排列的太陽能電池組，所述電池組用於將太陽的輻射能轉變成電能。這些太陽能電池組可以是光電電池組，被布置成連續的線性排列，並且相互平行地被連接至底座上的電連接器上。
每個太陽能電池還包括一個位於其下面的熱能接收器。在本發明的優選實施例中，該熱能接收器是一個連續的熱管，所述熱能接收器安裝於該熱管的表面，該熱管延底座延伸並部分地附著在底座的外表面上。該熱管可以是環狀的，一部分位於底座之上，承託位於半球形外殼上的太陽能電池組，另一部分位於底座之下用於散熱。
底座的下面形成水箱的上表面，熱管的散熱部分位於水箱中。水箱設有進出水連接管路。太陽能採集器最好還包括一個第二封閉環狀熱管，該環狀熱管的一部分位於水箱中，另一部分暴露於水箱之外的空氣中，用於將水箱中的溫度控制在低於第一熱管中流動的兩相流體的蒸發溫度。
按照本發明，太陽能採集器中用於聚集太陽輻射能量的圓頂形菲涅耳透鏡包括一個半球形的外殼，採用透明材料製成，其內表面設有菲涅耳透鏡的稜鏡，這些稜鏡都平行於位於穿越外殼頂點和外殼圓形底邊上的直徑的平面，當太陽位於上述平面上時，不管太陽與透鏡的相對位置如何，所述稜鏡組都會使位於該平面任一側的穿過外殼的平行太陽光線聚集於太陽能轉換器的線性焦點上。
菲涅耳透鏡外殼的內表面上還設有一些凹槽，菲涅耳透鏡的稜鏡元件限定在其間。透鏡圓頂的外表面必須光滑均勻。
下面將結合附圖對本發明進行詳細描述，其中圖1為本發明中菲涅耳透鏡的剖面圖，圖2為圖1中透鏡的下側平面圖，圖3為圖1和圖2所示的太陽能採集器中的透鏡的透視圖，圖4為設有如圖1和圖2所示的透鏡的太陽能採集器的剖面圖，和圖5為圖4所示的採集器(移去透鏡之後)的底座平面圖。
具體實施例方式
本發明中的圓頂形廣角菲涅耳透鏡10如附圖1和2所示，它包括半球形外殼12，外殼具有光滑的外表面和凹槽14，該凹槽平行於一個假想的平面，該平面由附圖1至4中的點畫線16表示。如附圖1所示，該平面穿過半球形上部的頂點。如附圖2所示，該平面線16的直徑位置穿過圓頂敞開的底部。
外殼12由合適的透明塑料製成，可以抵禦太陽輻射傷害和一般的戶外侵蝕。PERSPEX(珀思配克斯有機玻璃)是比較合適的材料，它可以用注塑或優選熱壓的方法製成如附圖1和2所示的形狀。
如附圖1和2所示，凹槽14位於平面16的兩側，相互對稱，其間布置有菲涅耳透鏡的稜鏡18。如附圖所示，凹槽14和稜鏡18的截面形狀可以設計成鋸齒形。本發明中稜鏡的形狀是按照傳統的圓頂形菲涅耳透鏡設計的，稜鏡具有水平排列的聚焦點。菲涅耳透鏡的凹槽和稜鏡的設計標準詳見上文提到的艾瑞斯曼(F Erismann)的文章。
本發明透鏡中豎向平行的凹槽14和稜鏡18的排列被設計成用於聚集平行的太陽光線20，使太陽光線投射並穿過外殼12，並通過外殼內壁上的稜鏡18，射入在平面16的兩側，向內向下至延透鏡底面延伸並與平面16重合的線性排列的焦點，如附圖4所示。
本發明中透鏡的上述位置的線性焦點是通過使圓頂外殼12的外表面外半徑等於透鏡的焦距來實現的。本發明中圓頂形透鏡的半徑為300mm。雖然不一定如此，但目前的實驗表明，平面16兩側各布置60個限定稜鏡的凹槽，會取得滿意的太陽能聚集效果。
本發明中圓頂形透鏡相對於公知圓頂透鏡的主要優點在於如附圖3所示，當透鏡固定地安裝，使其平面16與太陽的日常運動軌跡重合，此時所有來自外殼12外表面和外表面附近的太陽輻射光線都會被聚集於透鏡的線性焦點上。如附圖4所示，雖然投射至外殼底部的目標板24上的光線僅會在平面16上擴散，但光線都會平行地投向圓頂形透鏡的整個表面，使得光線從平面16相對的兩面集聚於透鏡的線性焦點上。
附圖4中示意的不同的太陽射線僅是為了說明當本發明中的透鏡每天總是保持靜止狀態時，不論太陽的位置處於上午還是下午，甚至外殼的一面處於陰影之下時，位於平面16上的透鏡的廣角焦點都能使最適宜的來自太陽的輻射能量被準確地聚集於線性的目標板24上。很顯然，在中午前後，當圓頂形透鏡的最大面積完全暴露於太陽輻射熱中時，太陽輻射光線將會最大限度地被聚集於目標板24上。如果太陽處於較低的高度時，聚集的太陽能將會有較小的損失，當本發明的圓頂形透鏡應用於太陽能採集器時，這樣的能量損失替代了一般太陽能採集器的菲涅耳透鏡所採用的電動太陽軌跡跟蹤裝置的高額費用。
將本發明的透鏡應用於太陽能採集器時，如上文所述，它可以保持靜止的狀態，且不會受到不同日期的影響，也沒有顯著的能量的損失。當太陽的軌跡季節性地移過外殼12的頂點時，必須周期地傾斜外殼使平面16與太陽的軌跡保持共面關係。隨著太陽軌跡的移動將透鏡重新排列，這是很容易手工完成的，而不需要如下文所述的由計算機控制的太陽軌跡跟蹤設備。
本發明的太陽能採集器中的大部分構件包括一個底座，用於安裝本發明的圓頂形外殼12，一個如附圖3所示的目標板24，它設置於所述底座上，所述目標板由布置於熱接收器上的線性排列的太陽能電池組成，這些電池都被連接至採集器的電能輸出端子。本發明的優選實施如附圖4和5所示。
如附圖4和5中所示的本發明所述的太陽能採集器的實施例包括一個水箱26，一個太陽能目標板28，第一熱管30，第二熱管32和本發明的圓頂形菲涅耳透鏡10。
水箱26是一個封閉的箱體，設有進水管和閥門控制的出水管，附圖中未不出。
第一熱管30被設計成D形的封閉環，如附圖5中所示。D形環的垂直腳高於附圖5中所示的虛弧線部分，D形環設置於水箱26中，其垂直腳部分穿過水箱的上表面，為透鏡10提供了一個封閉型的底座。
本實施例中太陽能目標板28是一個太陽能轉換器，它包括如附圖5所示的呈連續線性排列的光電電池34，電池組設置於熱管30垂直腳的上表面。如附圖4所示，熱管30的一部分位於水箱上表面之上，電池34位於橫穿圓頂底部平面的直線16上。在本發明的這一實施例中，電池34相互平行地連接至底座的電連接器上，圖中未示出。
第二熱管32與第一熱管一樣，其彎曲部分位於水箱26的底面之下的通風保護盒36內。如附圖4所示，D形環的垂直腳位於水箱26內。
使用時，如附圖4和5所示的太陽能採集器安裝在一個易於操作且非電動的裝置上，該裝置可以沿著平面16上的軸線手工地傾斜，使得太陽的軌跡位於平面16上。這樣的裝置還設有一個三腳架，其中一個支腳位於通風保護盒36的一邊和平面16的常規位置上，且在一定範圍內長度可調，以保證該裝置適應太陽軌跡的季節性變化。
圓頂形透鏡的操作方法如上文所述，它不需要日常的位置調整。被聚集的太陽能投射到電池34上使之加熱，在電池的下側，太陽能的一部分被吸收，另一部分通過熱管30內流動的兩相流體的蒸發傳給水箱26內的水，在水被加熱的同時，電池產生的電能被蓄電池貯存或直接使用。
設置熱管32的目的，是通過向環境空氣散熱來控制水箱26中水的溫度，使之等於或低於第一熱管中流動的兩相流體的蒸發溫度。
權利要求
1.一種太陽能採集器，它包括一個長形的太陽能轉換器，一個用於安裝太陽能轉換器的底座，和一個圓頂形菲涅耳透鏡，其包括一個半球形的外殼，該外殼由透明材料製成，安裝於所述底座上，並罩住所述太陽能轉換器，一直徑線橫越所述外殼的圓形底部，並與太陽能轉換器的長軸對齊，和位於外殼內表面的菲涅耳透鏡的稜鏡元件，其平行於通過外殼頂點和太陽能轉換器長軸的平面，當太陽位於上述平面上時，不管太陽與透鏡的相對位置如何，所述稜鏡都會使位於該平面任一側的穿過外殼的平行太陽光線聚集於太陽能轉換器的線性焦點上。
2.如權利要求1所述的太陽能採集器，還包括位於所述外殼內表面的凹槽，在所述凹槽之間設置菲涅耳透鏡的稜鏡元件。
3.如權利要求1或2所述的太陽能採集器，所述圓頂形外殼的外表面均勻光滑。
4.如上述權利要求任一所述的太陽能採集器，所述長形太陽能轉換器上設有呈線性排列的太陽能電池，該電池用於將太陽輻射能轉換成電能。
5.如權利要求4所述的太陽能採集器，所述太陽能電池為連續線性排列的光電電池，並被相互平行地連接至底座上的電連接器。
6.如權利要求4或5所述的太陽能採集器，所述每個太陽能電池的下側設有熱量接收器。
7.如權利要求6所述的太陽能採集器，所述熱量接收器是一個熱管，其上面布置有太陽能電池，所述熱管延伸通過底座，熱管的一部分位於封閉底座的圓頂形的外部。
8.如權利要求7所述的太陽能採集器，所述熱管為一封閉環狀管，其位於底座之上的圓形封閉空間內的部分上設置有太陽能電池，熱管的其餘部分位於底座之下用於散熱。
9.如權利要求7所述的太陽能採集器，所述底座的下表面構成水箱的上表面，所述熱管的散熱部分位於水箱內，且水箱具有進出水連接管。
10.如權利要求9所述的太陽能採集器，它還包括封閉的第二環狀熱管，該熱管的一部分位於水箱中，其餘部分暴露於水箱外部的空氣中，用於將水箱中的水溫控制在低於在第一熱管中流動的兩相流體的蒸發溫度。
11.一種太陽能採集器中用於聚集太陽輻射能量的圓頂形菲涅耳透鏡，它包括一個半球形的外殼，用透明材料製成，其圓頂形內表面上設有菲涅耳透鏡的稜鏡元件，這些稜鏡均平行於通過外殼頂點和外殼底面直徑線的平面，當太陽位於上述平面上時，不管太陽與透鏡的相對位置如何，所述稜鏡都會使位於該平面任一側的穿過外殼的平行太陽光線聚集於外殼底面直徑線上的線性焦點上。
12.如權利要求11所述的圓頂形菲涅耳透鏡，還包括位於所述外殼內表面的凹槽，在所述凹槽之間限定菲涅耳透鏡的稜鏡。
13.如權利要求11或12所述的圓頂形菲涅耳透鏡，所述圓頂形外殼的外表面均勻光滑。
14.如權利要求11至13中任一所述的圓頂形菲涅耳透鏡，所述圓頂形透鏡採用合適的塑料材料製成。
15.如權利要求14所述的圓頂形菲涅耳透鏡，所述塑料材料為珀思配克斯有機玻璃。
全文摘要
太陽能採集器包括一個太陽能轉換器，一個用於安裝太陽能轉換器的底座，一個圓頂形菲涅耳透鏡，該透鏡包括一個安裝於底座上並罩住太陽能轉換器的透明的半球形外殼，太陽能轉換器的長軸與外殼的圓形底部的直徑對齊，位於外殼內表面的菲涅耳透鏡的稜鏡元件，均平行於通過外殼頂點和太陽能轉換器長軸的平面，當太陽位於上述平面上時，不管太陽與透鏡的相對位置如何，所述稜鏡元件都會使位於該平面任一側的穿過外殼的平行太陽光線聚集於太陽能轉換器的線性焦點上。
文檔編號F24J2/08GK1446302SQ01806977
公開日2003年10月1日 申請日期2001年3月22日 優先權日2000年3月23日
發明者K·德爾拜一路易斯 申請人:圓屋頂太陽追蹤器有限公司