一種採聚太陽能的掩模片及採用掩模片的太陽能裝置的製作方法
2023-07-09 11:29:31
專利名稱：一種採聚太陽能的掩模片及採用掩模片的太陽能裝置的製作方法
技術領域：
本發明屬於太陽能裝置，具體涉及一種採聚太陽能的掩模片及採用掩模片的太陽能裝置。
背景技術：
掩模片又稱波帶片，當初用來作為惠更斯——菲涅耳原理的一個實驗證明而已。當高單色性高亮度的雷射出現後在雷射準直儀中將波帶片當長焦距(幾十米於數千米)透鏡使用，其焦斑處形成亮「十」線窄到0.2mm左右，使得幾十米內測量精度大大提高，誤差降到10-5以下。用作短焦距(小於1米)透鏡使用和用來採聚太陽能未見報導。
現有的太陽能聚光發電系統，屬平面化的全息片聚光發電和菲涅耳聚光片發電有明顯優勢，但此二者均有介質材料的吸光損耗、表面反射光損耗以及採光面堆積灰塵導致效率低，易失效的弊端。
現有的採聚太陽光照明裝置都用鍍金屬膜的鏡面反射陽光，經兩次以上反射後才可進入導光管中(其管徑100-300mm)，在其底部裝有平凹鏡或下表面磨砂過的反光板，使陽光均勻散射開來用來照明。此種有如下弊端1、多塊反光板需固定在地面上，室外工作的採光面因積塵效率低，更容易失效；2、粗笨的總體耗費資源，而且不能長距離、低損耗地將陽光傳輸到礦井或隧道中等照明場所。
現有的太陽能熱水器均用黑色吸光層將陽光轉換成熱水中的熱能，其效率不高，僅供熱水，用途有限，經濟指標也不高。
高效綜合利用太陽能是地球人的宿願。目前用陽光電池的太陽能發電裝置其綜合利用率不高，光電轉換效率低，並且價格昂貴。
發明內容
本發明的目的是提供一種採聚太陽光部件—掩模片，並提供採用該掩模片的太陽能裝置。所提供的掩模片具有較好的採聚太陽光性能，能將陽光濃縮許多倍和聚光，採用該掩模片的太陽能裝置具有較高的效率和綜合利用太陽能的效果。
本發明的掩模片為一矩形片狀體，由其四個邊向上間隔排列的條狀遮光帶成井字形構成，兩相鄰條狀遮光帶之間形成方孔透光帶；掩模片也可為一圓形片狀體，由同心圓環遮光帶相間排列構成，各同心圓環遮光帶之間至少有一個以上的連接部位，兩相鄰同心圓環遮光帶之間形成圓孔透光帶；矩形片狀體和圓形片狀體上的遮光帶與透光帶的排列規律以遮光帶與透光的分界線至原點的距離XN.YN來確定，並遵循XN=NFn,YN=NFn,]]>其中圓形掩模片的各帶邊分界線(位置)稱為以圓心為中心的半徑值。式中Fn是掩模片的焦距，λ為入射光波長值，N是自然數1，2，3……。掩模片呈中心對稱關係，即在X軸上的光透過率分布函數圖，將其旋轉90°後能與Y軸的光透過率分布函數圖完全重合。
依據物理光學中的光衍射原理和光振幅疊加原理，通過計算掩模片的聚光斑位置到本片上各帶邊的光程差得知，孔邊緣的透射光發生衍射後匯聚在焦斑處的都是同相位的光；若不遮擋的邊框位置的光發生衍射後當其匯聚在焦斑處時，這些光都是反相位的光。由疊加原理可知，同相位的光其光振幅會發生同相位疊加增大的現象；反相位的光疊加時，其光振幅會減小。如果光振幅增大a倍，那麼此光的光能會增大到a2倍，如a＝8，a2＝64。
本掩模片的創新之處不僅能使入射光匯聚在其焦斑處，而且以半個光波長的精確度計算光程差，找出各帶邊的分界線(位置)來實施透過孔邊緣的光發生衍射後能匯聚在焦斑處的光是相同相位的光，反相位的光被邊框遮擋住，這樣便實現了此焦斑處的匯聚光，其光能就增大許多倍的目的。因陽光是多波段的光源，而本掩模片對多波段的光都有聚焦作用。用此掩模片拼湊成的陣列聚光板，有高效採聚太陽能的功能。
本發明的太陽能裝置採用掩模片作為採聚太陽光的部件，將一個以上的掩模片組成平面陣列聚光板固定在一框架上，在掩模片陣列聚光板下方設置發電裝置，該裝置由陽光電池和蓄電池組成，在每一塊掩模片的下方對應設有陽光電池，陽光電池固定在框架上，通過金屬導線與蓄電池相連。
進一步的技術方案，在所述技術方案中也可以將陽光電池緊固在散熱器上，散熱器固定在框架上，水泵、散熱器和熱水箱之間有水管相連，陽光電池通過金屬導線與蓄電池相連，該裝置既可以採熱也可以發電。
太陽能裝置採用掩模片作為採聚太陽光的部件，將一個以上的掩模片組成平面陣列聚光板固定在一框架上，在掩模片陣列聚光板下方設置採熱裝置，該裝置由鍍膜真空吸熱管、水泵和熱水箱組成，本掩模片將陽光濃縮許多倍後能使吸熱管中流過的水升溫至沸點，產生水蒸汽，可用來製取蒸餾水、開水和煮沸消毒等。
太陽能裝置的另一種方案是採用掩模片作為採聚太陽光的部件，將一個以上的掩模片組成平面陣列聚光板固定在一框架上，在掩模片陣列聚光板下方設置採光裝置，該裝置由光耦合器、光纖光纜和光發散器組成，在每一塊掩模片的下方對應設有光耦合器，光耦合器固定在框架上，光耦合器底部固定有光纖光纜，光纖光纜的另一端與光發散器相連。
太陽能裝置也可以將上述裝置組合在一起成為多功能太陽能裝置，在掩模片組成的陣列聚光板的下方，與部分掩模片對應設置發電裝置和採熱裝置，與部分掩模片對應設置採光裝置。
本太陽能裝置的工作原理太陽光照射在掩模片陣列聚光板上，陽光透過其上面的孔並能匯聚在其焦斑處，將陽光電池放置在焦斑處，其所發的電用蓄電池蓄起來備用。放置焦斑處的光耦合器將陽光耦合進入光纖光纜中，可長距離低損耗地傳輸到需要用光照明的場所，如地下礦井中等。在光纖光纜的另一端安有光發散器，由光纜傳來的高能流密度(聚光後)陽光用光發散器將其發散開來，使得其光能密度降低到人眼、皮膚所能承受的安全範圍以內，用作直接照明。水泵從冷卻水箱中抽取冷卻水，泵增壓後隨管道穿過散熱器，陽光電池發電所產生的熱能被冷卻水吸收，加熱的冷卻水流入熱水箱中備用。
太陽能裝置應依據用途選取合適的工作波長λ和主焦距Fn的掩模片。如用太陽光照明隧道，應在可見光譜帶中部波長區裡選擇，λ＝550nm(5500埃)比較合適；要用太陽能發電時，應在可見光的短波長區裡選取紫光比較合適，λ＝400nm(4000埃)。因為光波長越短，光子含能越高，陽光電池發的電能就越多。
為了使太陽能裝置的掩模片陣列聚光板在四季都能根據太陽的運動規律處於採聚太陽光的最佳位置，上述各太陽能裝置均可設置調節機構，調節機構包括至少設置在框架上不同方向的兩個高度調節機構，用高度調節機構可以調整掩模片陣列聚光板朝向太陽的位置。
所述調節機構可以是球心萬向機構，四個萬向機構分別設在矩形框架的四個邊框上，設在相鄰邊框上的萬向機構固定在高度調節伸縮杆上。
由於本發明採用平面化的掩模片拼湊成陣列來採聚太陽能，可以將陽光濃縮許多倍並匯聚在焦斑處，不僅能適宜於陽光電池發電，而且還能提高其光電轉換效率和輸出電功率。與現有的太陽光採聚裝置相比，本發明將太陽能發電、熱水，直接照明融合於一體，創新出一種太陽能光、電、熱多用途和綜合利用太陽能裝置；既能單用，又可多用途。用光耦合器放置在該處使得陽光耦合進入光纖光纜中，並能遠距離低損耗地傳送到地下室、礦井中、隧道中等場所直接照明；具有安全防爆、可靠、使用壽命長等優點；還可供花草樹苗、人畜曬太陽、保健、環保、衛生。將帶散熱器的陽光電池放置其焦斑處，用蓄電池將陽光電池發的電儲蓄起來備用。泵壓冷卻水穿過散熱器通道中，冷卻水被加熱後流進熱水箱儲藏起來，可用於洗浴、製取飲用水、淡化海水或苦鹹水；冬天用熱水取暖，夏天用來製冷等。將真空鍍膜吸熱管放置焦斑處，可以將此管中水溫升高至沸點，產生的水蒸汽可用於製取蒸餾水等。
圖1是矩形掩模片的結構示意圖。
圖2是圓形掩模片的結構示意圖。
圖3是掩模片上各帶邊位置XN的示意圖。
圖4是用 為變數來表示掩模片的光透過率分布函數圖。
圖5是本發明採用掩模片的太陽能裝置結構示意圖。
圖6至圖9是本發明採用掩模片的太陽能裝置的不同結構示意圖。
圖10是本發明太陽能裝置調節機構的示意圖。
圖11是圖10中A部祥圖。
圖12本發明太陽能裝置調節的示意圖。
具體實施例方式
實施例1見圖1，掩模片1為一矩形片狀體，由其四個邊方向上間隔排列的條狀遮光帶101成井字形構成，兩相鄰條狀遮光帶101之間形成方孔透光帶102。見圖2，掩模片1也可以為一圓形片狀體，由同心圓環遮光帶101相間排列構成，兩相鄰同心圓環遮光帶101之間形成圓孔透光帶102，各同心圓環遮光帶101之間有四個連接部位103。掩模片1上遮光帶101與透光帶102的排列規律以遮光帶101與透光帶102的分界線至原點的距離XN、YN來確定，並遵循XN=NFn,YN=NFn.]]>由該公式計算，掩模片的各帶邊分界線的位置XN如圖3所示。圖形掩模片的各帶邊分界線(位置)稱為以圓心為中心的半徑值。
掩模片的光透過率可以用圖形表示，圖4為用 為變數來表示掩模片的光透過率分布函數圖即在XO軸上的點如1,3,5,7,9,11]]>其光透率函數值t(X0)分別為1和0，或0和1都是重合點；這表示本掩模片光透率只有兩種值即1和0。而且各帶邊寬度是從中央往四周方向逐漸縮小而密集，其外貌與全息聚光片和菲涅耳透鏡有相似之處。
太陽光是多光譜帶的光，為計算方便，在可見光中選取光波長λ＝0.5×10-6米，本掩模片的主焦距Fn設定Fn＝0.5米，掩模片上各帶邊分界線XN 實施例2採用掩模片1的太陽能裝置見圖5，太陽能裝置有一個框架2，掩模片1用壓條3緊固在帶方孔隔板6上組成平面陣列聚光板，在掩模片陣列聚光板下方設置發電裝置，該裝置由陽光電池4和蓄電池組8成，在每一塊掩模片1的下方對應設有陽光電池4，陽光電池4通過金屬導線7與蓄電池8相連，陽光電池4之間用導線5串聯。
實施例3見圖6，本發明的另一種結構為，在掩模片1陣列下方設置採熱裝置，該裝置由鍍膜真空吸熱管9、水泵10和熱水箱11組成。
實施例4本發明還可以採用圖7所示的結構，在聚光板下方設置發電採熱裝置，該裝置由陽光電池4、散熱器13、水泵10和熱水箱11組成，每一塊掩模片下方焦斑處對應設有陽光電池4，陽光電池4緊固在散熱器13上，散熱器13固定在框架上，陽光電池4通過金屬導線7與蓄電池8相連，水泵10、散熱器13和熱水箱11之間有冷卻水管12相連。該裝置可用於發電和採暖等。
實施例5太陽能裝置的另一實施例見圖8，在掩模片聚光板下方設置採光裝置，該裝置由光耦合器14、光纖光纜15和光發散器16組成，在每一塊掩模片下方焦斑處對應設有光耦合器14，光耦合器14固定在框架上，光耦合器14底部固定有光纖光纜15，光纖光纜15的另一端與光發散器16相連。該裝置可用於採光。
實施例6見圖9，太陽能裝置也可以將上述兩種裝置組合在一起成為多功能太陽能裝置，在掩模片聚光板的下方，與部分掩模片對應設置發電採熱裝置，與部分掩模片對應設置採光裝置。該裝置可用於發電、採暖和採光。
實施例7上述實施例中的太陽能裝置均可設置調節機構，如圖10、圖11所示，調節機構為球心萬向機構17，四個萬向機構17分別設在矩形框架2的四個邊框上，設在相鄰邊框上的萬向機構17採用高度調節伸縮杆18，高度調節伸縮杆18由插杆181和套筒184組成，在插杆181和套筒184上設有可相對應的通孔182，用插銷183可以將插杆181固定在套筒184上不同高度的位置。太陽能裝置的調節參見圖12，調節太陽能裝置框架上不同方向上的高度調節伸縮杆，可以使裝置上的掩模片1聚光板分別繞X軸和Y軸轉動。
上述裝置中，採聚光的掩模片為200×200mm2井字型方片，片厚0.5mm，由特種尼龍材料製作成，其主焦距Fn設定為0.5米(m)，光波長入設定為0.5×10-6米(m)。掩模片聚光板可用6×6個掩模片排成方陣1200×1200mm2，每兩個此方陣固定在一個框架上。陽光電池為40瓦的太陽能矽光電池，選用12伏特的蓄電池。抽水泵選用12伏直流電機的塑料小水泵。冷卻水箱[8]、熱水箱[10]為100升塑料箱。光耦合器用太陽能專用塑料製成φ3mm半球，光發散器也用太陽能專用塑料製成長寬厚分別為5×3×2mm3的雙凹鏡；光纜採用φ1.5mm的塑料光纖。
權利要求
1.一種掩模片，其特徵是為一矩形片狀體，由其四個邊向上間隔排列的條狀遮光帶成井字形構成，兩相鄰條狀遮光帶之間形成方孔透光帶；掩模片也可為一圓形片狀體，由同心圓環遮光帶相間排列構成，各同心圓環遮光帶之間至少有一個以上的連接部位，兩相鄰同心圓環遮光帶之間形成圓孔透光帶；矩形片狀體和圓形片狀體上的遮光帶與透光帶的排列規律以遮光帶與透光的分界線至原點的距離XN.YN來確定，並遵循XN=NFn,]]>YN=NFn,]]>其中圓形掩模片的各帶邊分界線(位置)稱為以圓心為中心的半徑值。
2.一種太陽能裝置，其特徵是採用掩模片作為採聚太陽光的部件，掩模片由其四個邊向上間隔排列的條狀遮光帶成井字形構成，兩相鄰條狀遮光帶之間形成方孔透光帶；掩模片也可為一圓形片狀體，由同心圓環遮光帶相間排列構成，各同心圓環遮光帶之間至少有一個以上的連接部位，兩相鄰同心圓環遮光帶之間形成圓孔透光帶；矩形片狀體和圓形片狀體上的遮光帶與透光帶的排列規律以遮光帶與透光的分界線至原點的距離XN.YN來確定，並遵循XN=NFn,]]>YN=NFn,]]>其中圓形掩模片的各帶邊分界線(位置)稱為以圓心為中心的半徑值；將一個以上的掩模片組成平面陣列聚光板固定在一框架上，在掩模片陣列聚光板下方設置發電裝置，該裝置由陽光電池和蓄電池組成，在每一塊掩模片的下方對應設有陽光電池，陽光電池固定在框架上，通過金屬導線與蓄電池相連。
3.根據權利要求2所述的太陽能裝置，其特徵是將陽光電池緊固在散熱器上，散熱器固定在框架上，水泵、散熱器和熱水箱之間有水管相連，陽光電池通過金屬導線與蓄電池相連。
4.一種太陽能裝置，其特徵是採用掩模片作為採聚太陽光的部件，掩模片由其四個邊向上間隔排列的條狀遮光帶成井字形構成，兩相鄰條狀遮光帶之間形成方孔透光帶；掩模片也可為一圓形片狀體，由同心圓環遮光帶相間排列構成，各同心圓環遮光帶之間至少有一個以上的連接部位，兩相鄰同心圓環遮光帶之間形成圓孔透光帶；矩形片狀體和圓形片狀體上的遮光帶與透光帶的排列規律以遮光帶與透光的分界線至原點的距離XN.YN來確定，並遵循XN=NFn,]]>YN=NFn,]]>其中圓形掩模片的各帶邊分界線(位置)稱為以圓心為中心的半徑值；將一個以上的掩模片組成平面陣列聚光板固定在一框架上，在掩模片陣列聚光板下方設置採熱裝置，該裝置由鍍膜真空吸熱管、水泵和熱水箱組成。
5.一種太陽能裝置，其特徵是採用掩模片作為採聚太陽光的部件，掩模片由其四個邊向上間隔排列的條狀遮光帶成井字形構成，兩相鄰條狀遮光帶之間形成方孔透光帶；掩模片也可為一圓形片狀體，由同心圓環遮光帶相間排列構成，各同心圓環遮光帶之間至少有一個以上的連接部位，兩相鄰同心圓環遮光帶之間形成圓孔透光帶；矩形片狀體和圓形片狀體上的遮光帶與透光帶的排列規律以遮光帶與透光的分界線至原點的距離XN.YN來確定，並遵循XN=NFn,]]>YN=NFn,]]>其中圓形掩模片的各帶邊分界線(位置)稱為以圓心為中心的半徑值；將一個以上的掩模片組成平面陣列聚光板固定在一框架上，在掩模片陣列聚光板下方設置採光裝置，該裝置由光耦合器、光纖光纜和光發散器組成，在每一塊掩模片的下方對應設有光耦合器，光耦合器固定在框架上，光耦合器底部固定有光纖光纜，光纖光纜的另一端與光發散器相連。
6.一種太陽能裝置，其特徵是採用掩模片作為採聚太陽光的部件，掩模片由其四個邊向上間隔排列的條狀遮光帶成井字形構成，兩相鄰條狀遮光帶之間形成方孔透光帶；掩模片也可為一圓形片狀體，由同心圓環遮光帶相間排列構成，各同心圓環遮光帶之間至少有一個以上的連接部位，兩相鄰同心圓環遮光帶之間形成圓孔透光帶；矩形片狀體和圓形片狀體上的遮光帶與透光帶的排列規律以遮光帶與透光的分界線至原點的距離XN.YN來確定，並遵循XN=NFn,]]>YN=NFn,]]>其中圓形掩模片的各帶邊分界線(位置)稱為以圓心為中心的半徑值；將一個以上的掩模片組成平面陣列聚光板固定在一框架上，在掩模片組成的陣列聚光板的下方，與部分掩模片對應設置發電裝置和採熱裝置，該裝置由陽光電池和蓄電池組成，在每一塊掩模片的下方對應設有陽光電池，陽光電池通過金屬導線與蓄電池相連，將陽光電池緊固在散熱器上，散熱器固定在框架上，水泵、散熱器和熱水箱之間有水管相連；與部分掩模片對應設置採光裝置，該裝置由光耦合器、光纖光纜和光發散器組成，在每一塊掩模片的下方對應設有光耦合器，光耦合器固定在框架上，光耦合器底部固定有光纖光纜，光纖光纜的另一端與光發散器相連。
7.根據權利要求3至6中任何一條所述的太陽能裝置，其特徵是設置有調節機構，調節機構包括至少設置在框架上不同方向的兩個高度調節機構。
8.根據權利要求7所述的太陽能裝置，其特徵是所述高度調節機構是球心萬向機構，四個萬向機構分別設在矩形框架的四個邊框上，設在相鄰邊框上的萬向機構固定在高度調節伸縮杆上。
全文摘要
本發明公開了一種採聚太陽光部件—掩模片和採用該掩模片的太陽能裝置。掩模片為一矩形片狀體，由其四個邊向上間隔排列的條狀遮光帶成井字形構成，兩相鄰條狀遮光帶之間形成方孔透光帶。太陽能裝置採用掩模片作為採聚太陽光的部件，將一個以上的掩模片組成平面陣列聚光板固定在一框架上，在掩模片陣列聚光板下方可以設置發電裝置、採熱裝置和採光裝置，對太陽能進行綜合利用。本發明所提供的掩模片具有較好的採聚太陽光性能，能將陽光濃縮許多倍和聚光，採用該掩模片的太陽能裝置具有較高的效率和綜合利用太陽能的效果。
文檔編號F24J2/06GK1818719SQ20061003136
公開日2006年8月16日 申請日期2006年3月16日 優先權日2006年3月16日
發明者曹國斌 申請人:曹國斌