一種綜合利用光能的方法和系統的製作方法

2023-07-11 16:32:56

專利名稱：一種綜合利用光能的方法和系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種將太陽能與其它能源相結合的光能利用方法與系統。
背景技術：
現代社會中，照明，加熱和製冷佔據商業總體用電的約50%，其中照明約為25%， 取暖約為14%，製冷約為11%。為降低能量消耗，減少溫室氣體排放，世界很多國家都在積極研究如何利用綠色能源技術解決上述能源問題。太陽能是重點方向之一。太陽光可以同時提供照明與加熱。適當強度的自然光線是對人類最健康的照明方式。在晴朗的日子，白天太陽光光線充足，是無償的潔淨光源。但是，現代建築物往往只通過有限的玻璃窗戶等採集自然光，因為需要平衡採光與取暖或降溫之間的能量需求。隨著人類進入電能主動照明時代，以電能驅動的發光系統因為電力的穩定性及安裝使用的靈活性，使得人類對自然光的依賴大大降低。1970年以來，隨著照明能耗量的日益增加以及對環境保護的日趨重視，一系列直接利用太陽能的照明技術得到了發展。這些技術可以分為三大類。第一類將太陽能轉化為電能，與傳統電網相連，使電能驅動的發光系統溶入再生能源成分。這種方法的太陽能利用效率很低，因為太陽能發電本身的效率目前為10-20%， 電能轉化為光能的效率又很低，最終只有約2%的太陽能轉化為了光能。這種方案不太可能成為未來的主流太陽能照明技術。第二類採用光管或透明介質(如天窗，透明屋頂等)，直接將太陽光引入建築物內。比如，美國S0LATUBE公司採用一個穹頂大角度採集太陽光，然後將光能由反射管引入室內。該方法的優點為以較低成本引自然光入室內照明。缺點為照明強度不穩定，需要兩套照明系統以保證全天侯照明。另外，其有效距離有限，難以解決大型建築物的總體照明問題。因此，此類方案只能非常有限地降低人類的照明能耗。第三類為混合型主動照明系統。在這類系統中，太陽光能被直接聚進光導結構中， 由傳感器測量應用區光能的變化，當應用區的亮度不夠時，由電力系統補償不足的光能部分，從而保證全天侯穩定照明。這種方式是最先進的，長遠來看，可能成為人類的主流照明模式。目前美國，德國等國家都有政府扶持的相關研究項目。其優點很突出，包括(A)通過更大程度上利用自然光，提高了照明質量與健康度；(B)降低了人工能源消耗，同時降低了建築物的製冷能耗；(C)有利於大規模降低C02排放；⑶可以達到傳統照明技術的可靠性與高質量。但是，現有的混合型照明系統還是存在以下問題1.對於每個照明單元都需要自然光採集和電力照明兩套系統，這導致最終的照明成本很難降低。2.在應用區混合使用電力與光能可能引起安全上的隱患，如易燃易爆區，可能產生電弧而發生爆炸。本發明為第三類技術，著眼於更系統化地解決此類方案的核心環節，提高照明容量與質量，同時降低成本，使其迅速成為人類的主流照明技術。該系統還可以用於加熱，進一步減少人類的能量負擔。

發明內容
本發明要解決的技術問題是提供一種新型的混合型照明方法與系統，節約成本， 降低火災與觸電風險，使其迅速成為人類的主流照明技術。為解決上述技術問題，本發明提供了一種綜合利用光能的方法，包括以下步驟 a.通過光能匯聚裝置對自然光進行匯聚；b.將匯聚到的自然光傳輸至一光能綜合腔；c.通過一傳感器檢測所述綜合腔內的光強，當光強不足時通過設於所述綜合腔內的電力照明裝置進行補償；d.所述光能綜合腔內的自然光與電力照明耦合入一光導輸出單元的輸入口， 並通過所述光導輸出單元傳輸至應用區。本發明匯聚的自然光與電力照明在光能綜合腔內綜合，當自然光不足時，通過電力照明補償，最後的輸出是自然光與電力照明的光能疊加；採用了集中型光能供給，在應用區不再需要光導、電力兩套系統，降低了成本；且輸出到應用區的是相對純粹的光能，比傳統的電力照明系統更為安全。本發明的進一步改進在於，可通過鏡面反射，透射或平面散射三種方式來實現自然光的匯聚。本發明的進一步改進在於，輸出的光能可通過散射介質的漫反射後用於照明，也可以通過光熱轉化介質作用後產生熱能。本發明還提供了一種綜合利用光能的系統，包括一光能匯聚裝置，用於匯聚自然光；一光能綜合腔，用於接收所述光能匯聚裝置匯聚的光能；所述光能綜合腔內設有傳感器，電力照明裝置以及光導輸出單元，且所述光能綜合腔內表面為高反射面。


圖1為本發明的總體原理示意圖；圖2為本發明的反射式太陽能收集系統示意圖；圖3為反射式太陽能收集系統中用到的光能綜合腔示意圖；圖4為本發明的透射式太陽能收集系統示意圖；圖5為本發明的散射式太陽能收集系統示意圖；圖6為透射式、散射式太陽能收集系統中用到的光能綜合腔示意圖；圖7為光能應用單元示意圖；圖8為熱能應用單元示意圖。
具體實施例方式下面結合具體實施例對本發明作進一步詳細說明。參閱圖1所示，顯示了本發明方法的總體原理示意圖，首先通過光能匯聚裝置對自然光進行匯聚；再將匯聚到的自然光傳輸至一光能綜合腔；在光能綜合腔內，通過一傳感器檢測光強，當光強不能滿足應用需求時，中心調控系統根據應用需求量控制由電網供電的電力照明裝置進行補償，最後在綜合腔內電力照明與自然光相加，耦合入一光導輸出單元的輸入口，並通過所述光導輸出單元傳輸至應用區。參閱圖2 6所示，本發明的光能匯聚裝置包括反射型，透射型，和散射型三種首先參閱2所示，反射型光能匯聚裝置通過複數塊反射鏡組成的反射陣列10將太陽光20匯聚性地反射到光能綜合腔30內，反射陣列10可以根據太陽的軌跡，通過計算機或人工控制反射角度以獲得最大光能匯集，反射陣列10的反射鏡可以是平面鏡，也可以是長焦距的曲面鏡；光能綜合腔30由支撐結構31架到適當高度，配合圖3所示，光能綜合腔 30外部材料主要是起內部結構保護作用，故可以用多種材料製備，如金屬，玻璃等，在腔體上設置有一透射帶32供反射光線射入，腔體內部除所述透射帶32區域外均為高反射結構 (包括玻璃，金屬等的鍍膜等)，該光能綜合腔30中還包括有一傳感器33，一電力照明裝置 34以及一光導輸出單元35，在光導輸出單元35可以是任何的耦合光導結構，包括光纖，反射類光導結構(光管)等，在光導輸出單元35的端部形成有一輸入口 351，其結構為光導結構，如集束狀的光導纖維或由高反射鏡面組成的光導通道；太陽光20經過反射陣列10反射後經由透射帶32進入光能綜合腔30內部，經過腔體內表面反射後自輸入口 351耦合入光導輸出單元35傳向應用區，在該過程中傳感器 33用於檢測光能綜合腔30的光能的強度並反饋給中心調控系統，當強度不能滿足應用需求時，中心調控系統控制電力照明裝置34用於補償腔體內的光場，以便保證指定的光能輸出，這裡的電力照明裝置34包括任何適合的電力驅動的照明，如發光二極體，二極體雷射器，光纖雷射器，傳統燈具及高能燈等等，通常，高強度光能不一定適用於直接照明，但這裡通過輸出前及應用時的混合及散射等手段將其均勻化，變得適於照明。另外，除了上述封閉式的光導輸出外，還可以在光能綜合腔30外表面設置高反射區，將匯聚來的太陽光直接定點反射往應用區。再請參閱圖4所示，透射型光能匯聚裝置中通過透射聚集裝置40將自然光匯聚入光導輸入單元41 (光纖、光管)，再經眾多的光導輸入單元41傳輸至光能綜合腔30 ；其中， 透射聚集裝置40可以通過Fresnal透鏡等光學系統來實現，Fresnal透鏡具有大面積聚集能力，由於可以用聚碳酸酯等塑料類材料壓制生產，其製造成本相對低廉，適於大規模太陽能應用；配合圖6所示，此處用到的光能綜合腔30與反射型實施例中的區別在於光能綜合腔30表面不再設置透射帶，而是通過光導輸入單元41的直接耦合入光導輸出單元35的輸入口 351，並且在光導輸入單元41的輸出口與光導輸出單元35的輸入口 351之間設置一分光鏡36，光導輸入單元41傳輸來的自然光經分光鏡36以一定比例的部分(如 1平方米)，又可以達到10倍以上的匯聚度(匯聚面的光強與太陽光的光強之比)，由於方便安裝，該方案適合於中小型採光等需求；在該散射型的實施例中，光能綜合腔30的結構與應用同樣如圖6所示，與前述透射型相同，故不再重複描述。上述的光能綜合腔30可以採取旋轉對稱的橢圓球形結構，這種結構可以將光導輸出單元35的輸入口 351設置在橢圓形反射面的焦點處實現，也可以是其它形狀，其目的是實現電力發光和自然光的綜合。圖7為光能應用單元的一種實施例，光導輸出單元35將光能輸入到各個應用單元，如辦公室，車庫等，光能通過光能調節單元60控制其通斷，光能調節單元60可以由一個開關控制一個反射鏡片61的位置來實現反射片61抬起，光線耦合到終端光導62 ；反射片 61落下，光線反射回去。另外地，可以引入光閥結構，用於連續調節應用單元的光場強度。 終端光導62將光能引入高反射腔63，高反射腔63內為散光介質64(如Si02晶體等)，光能經過散射介質64的漫反射後，自輸出端65輸出；輸出端65可以進一步安裝色彩調製層， 以便產生多種所需的照明色調。圖8為熱能應用單元的一種實施例，光導輸出單元35可以將能量光能傳到遠處， 再將光能轉化為熱能，光能通過光能調節單元60控制其通斷，光能調節單元60可以由一個開關控制一個反射鏡片61的位置來實現反射片61抬起，光線耦合到終端光導62 ；反射片 61落下，光線反射回去。另外地，可以引入光閥結構，用於連續調節應用單元的光場強度。 終端光導62將光能引入高反射高絕熱腔體70，高反射高絕熱腔體70內為散光及光熱轉化介質71 (如多種鹽類溶液等)，光能經過散光及光熱轉化介質71作用後產生熱能，自輸出端 72輸出，所輸出的熱能可以用於各種用途，包括熱水，烘乾等。
權利要求
1.一種綜合利用光能的方法，其特徵在於包括以下步驟a.通過光能匯聚裝置對自然光進行匯聚；b.將匯聚到的自然光傳輸至一光能綜合腔；c.通過一傳感器檢測所述綜合腔內的光強，當光強不足時通過設於所述綜合腔內的電力照明裝置進行補償；d.所述光能綜合腔內的自然光與電力照明耦合入一光導輸出單元的輸入口，並通過所述光導輸出單元傳輸至應用區。
2.如權利要求1所述的方法，其特徵在於自然光被反射至所述光能綜合腔，並通過所述光能綜合腔表面的透射帶透射入所述光能綜合腔；所述自然光與電力照明經所述綜合腔內表面反射後匯聚至所述光導輸出單元的輸入口，並耦合入所述光導輸出單元。
3.如權利要求2所述的方法，其特徵在於根據太陽的軌跡，控制所述反射角度以獲得最大光能匯集。
4.如權利要求1所述的方法，其特徵在於自然光通過透射匯聚，再經過一光導輸入單元傳輸至所述光能綜合腔；所述光導輸入單元輸出的自然光直接耦合入所述光導輸出單元的輸入口，所述電力照明經過所述綜合腔內表面反射後匯聚至所述光導輸出單元的輸入口。
5.如如權利要求4所述的方法，其特徵在於自然光通過Fresnal透鏡匯聚。
6.如權利要求1所述的方法，其特徵在於自然光通過散射匯聚，再通過一光導輸入單元傳輸至所述光能綜合腔；所述光導輸入單元輸出的自然光直接耦合入所述光導輸出單元的輸入口，所述電力照明經過所述綜合腔內表面反射後匯聚至所述光導輸出單元的輸入口。
7.如權利要求6所述的方法，其特徵在於自然光自一散射光導體的上表面進入，經過所述散射光導體內散射介質的漫反射，以及散射光導體下表面與周邊的反射，在所述散射光導體內實現匯聚。
8.如權利要求1至7中任一項所述的方法，其特徵在於所述光導輸出單元將綜合後的光能傳輸至一高反射腔體，所述光能經過所述高反射腔體內散射介質的漫反射後，自所述高反射腔體的光輸出端輸出。
9.如權利要求1至7中任一項所述的方法，其特徵在於所述光導輸出單元將綜合後的光能傳輸至一高反射高絕熱腔體，所述光能經過所述高反射高絕熱腔體內的散射及光熱轉化介質作用後產生熱能，並從所述高反射高絕熱腔體的熱能輸出端輸出。
10.一種綜合利用光能的系統，其特徵在於包括一光能匯聚裝置，用於匯聚自然光；一光能綜合腔，用於接收所述光能匯聚裝置匯聚的光能；所述光能綜合腔內設有傳感器，電力照明裝置以及光導輸出單元，且所述光能綜合腔內表面為高反射面。
11.如權利要求10所述的系統，其特徵在於所述光能匯聚裝置為一由複數塊反射鏡組成的反射陣列，所述光能綜合腔上設有透射帶。
12.如權利要求10所述的系統，其特徵在於所述光能匯聚裝置為Fresnal透鏡，所述Fresnal透鏡與所述光能綜合腔之間通過一光導輸入單元連接。
13.如權利要求10所述的系統，其特徵在於所述光能匯聚裝置為散射光導體，所述散射光導體上表面為透射層，下表面與周邊的反射層，在散射光導體內部設有散射介質。
全文摘要
一種綜合利用光能的方法，包括以下步驟a.通過光能匯聚裝置對自然光進行匯聚；b.將匯聚到的自然光傳輸至一光能綜合腔；c.通過一傳感器檢測所述綜合腔內的光強，當光強不足時通過設於所述綜合腔內的電力照明裝置進行補償；d.所述光能綜合腔內的自然光與電力照明耦合入一光導輸出單元的輸入口，並通過所述光導輸出單元傳輸至應用區。本發明匯聚的自然光與電力照明在光能綜合腔內綜合，當自然光不足時，通過電力照明補償，最後的輸出是自然光與電力照明的光能疊加；採用了集中型光能供給，在應用區不再需要光導、電力兩套系統，降低了成本；且輸出到應用區的是相對純粹的光能，比傳統的電力照明系統更為安全。
文檔編號F21V13/00GK102162619SQ201010162239
公開日2011年8月24日 申請日期2010年4月28日 優先權日2010年4月28日
發明者唐權, 張文武 申請人:唐權, 張文武