一種日光聚光器的製作方法

2023-05-12 21:57:56 2

專利名稱：：一種日光聚光器的製作方法
技術領域：
：本發明提供了一種日光聚光器，屬於太陽能應用領域。
背景技術：
：太陽能是人類最重要的能源。光伏發電和太陽能熱利用是太陽能兩個重要應用領域。太陽能屬於低品位能源，為了有效利用太陽能，人們通過透鏡聚焦、定向反射、傅立葉透鏡等提高日光照射強度。這些方法或因複雜、或因成本高使應用受到一定限制。
發明內容本發明的主要目的在於提供一種易於加工、安裝、價格低、聚光倍數適中，並便於製作各種尺寸(特別是較大尺寸)的日光聚光器。此種聚光器可廣泛用於光伏發電、太陽能熱利用(如太陽能熱水器)，具有良好的經濟價值。本發明的技術方案如下本聚光器為一上開口面積大於下開口面積的空心的桶狀結構，其上開口做為日光入射面，其中間的任意一截面包括下開口做為日光聚光面，內壁為反光面，通過內壁的反射將日光聚集於聚光面；所述聚光器的相對高度，即聚光器日光入射面到聚光面的高度h(h2、h3)與上開口直徑山之比在0.1~1.2之間，內壁的傾角Z2在12°~40°之間。考慮加工、安裝更為方便，聚光器的相對高度可選在0.21之間，內壁的傾角Z2可選在15°~35°之間。所述聚光器的橫截面為圓形、跑道形或矩形。所述聚光器的反光面採用高反射率材料鋁、銅、銀或陶瓷製作而成。所述聚光器為整體成形，或由若干分離的部件組合而成。日光聚光器的原理如圖1所示，聚光器為一上開口面積大於下開口面積的空心桶狀結構。AG、朋為內壁，內壁為光學反射面。0A為軸線，此軸線與日光L平行。上開口AB為入射光平面，其直徑為山，下開口GH為聚光面，其直徑為d:,。日光射到內壁B點，經反射到聚光面G點，射到B^B2點的光線經反射後分別射到聚光面Gi、&點。設反射面AG、BH的反射係數為k(即內壁的反射係數為k),則此聚光器的聚光倍數『kXdJ/d32，當反射面AG、BH為全反面，即k二l，則聚光倍數n=di2/d32。因d,〉d3，故在聚光面GH的光功率密度高於入射面AB的光功率密度，達到聚光的效果。此種聚光器的聚光倍數可達9倍，考慮到加工、安裝等多種因素，此種聚光器理論上用於7倍以下最佳。為了得到最佳的聚光與使用效果，對本聚光器的結構參數分析如下(1)較高聚光倍數的參數設B點的反射光剛好射到聚光面的G點，如圖2所示。當光線L射到聚光器的內壁反射面的B點，Li與軸線OA平行，經B點作0,03的平行線交於聚光面GH的HuKJ(2為法線。令AB二d"GH=d3，OA二h"從圖2很容易得到Z1=Z2=Z3山二h3[tg(Z2+Z3)_tgZ2]……(1)h3=d3/[tg(Z2+Z3)-tgZ2]……(2)dF2(d3/2+h3XtgZ2).(3)當下開口直徑d3及傾角Z2設定後，通過計算可得到表l所列的d，h3、bM、diVd/等值。h為日光入射面到聚光面的高度，此處h^3。表1當底部(聚光面)直徑d:,設定後，聚光器內壁的傾角Z2為不同數值時的d,，h3、h3/d,、d,Vd/等(聚光面GH直徑d:,長度設定為100任意單位)tableseeoriginaldocumentpage5從表1可知，此種聚光器最大的聚光倍數約為9倍。h3/山為相對高度，相對高度小，加工容易。考慮到加工成本及安裝等因素，h3/(Kl為宜，此時聚光倍數在7以下。(2)較低聚光倍數的參數若聚光面不是圖2中的GH，而是圖2中的CD,此時聚光面直徑加大，聚光倍數降低。如圖3所示，設光線L,射到內壁B點，在B點反射後，剛好射到底部中心02，光線L4射到內壁的B4，反射到C4。令AB^i，CD=d2,0A^h2，則從圖3很容易得到Z1二Z2二Z301h2tg(Z2+Z3)=|山OJ)二0J)「DD產垂d廣h2tgZ2即d!=2h2tg(Z2+Z3)......(4)d2=d「2h2tgZ2……(5)當入射光線L與軸線0A有一定角度，則反射光將偏離中心點02，最大允許的偏離位置為C點和D點，此時相應的角度為Z4和Z3。由圖3可得tg(Z2+Z3+Z4)二CD顛=(Id^cU/h2=(d,d》/2h2Z扣arctg[(d2+d》/2h2]-(Z2+Z3)……(6)當山、d2、h2三個變量中給出2個，則從式(4)、(5)、(6)可導出其餘的參數。h為日光入射到聚光面的高度，此處h二h2。如圖3所示，通過計算得到不同b與山的比值下的傾角Z2、聚光面CD的直徑d2等值，計算結果如表2所示。表2圖3所示的不同h2與山的比值(h2/d,)時，聚光器的傾角Z2，聚光面直徑d2、聚光倍率d,2/d/及反射光最大允tableseeoriginaldocumentpage6(3)聚光倍數與加工精度和調整精度的關係從表l、2可知，隨著聚光倍數的增加，聚光器的相對高度(b/dbh3/cU也隨之增加。相對高度增加則加工精度和調整精度也隨之增加。從表2可知，當h2二0.5山時，與聚光軸線偏離±13°48'的入射光線，均能全部有效反射到聚光面。如圖4所示，即當入射光線與軸線OA偏離±13°48'時的①、②條光線，均能經反射面AC、BD—次反射後，射到聚光面CD。從另一個角度也可認為，此種聚光器能利用一定發散角的光線，或可利用部份散射光。這和其它聚光方法相比，具有加工、安裝與跟蹤精度要求不高的優點。此外，這種聚光器在聚光面上不可能出現過強的焦斑，光伏發電時具有不會因出現焦斑而損傷光電池的優點。(4)、聚光器的材料與結構構成聚光器的反射面的材料可以用多種具有高反射率的材料如鋁、銅、銀、陶瓷等製成，如圖5、圖l。圖1的聚光器為金屬材料製作的反射面，圖5用陶瓷製作的聚光器，陶瓷不但具有高的反射率，而且有很長的壽命。聚光器可以整體成形，也可以用分離部件組合而成。分離部件根據整體形狀分解成若干部件如圖6所示。這種用分離部件成形的結構，使聚光器易於作成較大的尺寸。能製作大尺寸的聚光器，也是這種聚光器的一個優勢。此種聚光器的反射層也可在塑料等材料上蒸發鋁、銀等構成，還可以用很薄的金屬薄片覆蓋在這些材料上構成，如圖7所示。此種聚光器除橫截面為圓形外，也可作成跑道形、矩形等的其它形狀，如圖8所示，圖8為橫截面為跑道形的情況。原則上光入射面積大，出射面積小，內壁為高反射的光學面，通過內壁的反射來聚集日光的結構均可作成此類聚光器。本發明提供了一種易於加工和安裝，調整跟蹤精度要求不高，聚光倍數適中，便於製作各種尺寸(特別是大尺寸)、價格低廉的聚光器。本發明可應用於聚光光伏發電、太陽能的熱利用如太陽能熱水器、化工、紡織領域、農業、醫療等領域。圖l是聚光器的原理圖2是聚光器較高聚光倍數的光路圖3是聚光器較低聚光倍數的光路圖4是聚光器入射光線與軸線偏角一定角度的狀態圖5是反射面為陶瓷的聚光器；圖6是用分離部件構成的聚光器的示意圖(用四個曲面構成的聚光器);圖7是襯底上蒸發鋁、銀等金屬形成高反射膜，或在襯底上覆蓋金屬箔(或金屬紙)形成反射膜構成的聚光器；圖8聚光器的橫截面圖(a)為圓形，(b)為跑道形(只要內壁為高反射面，入射面的面積大於出射面(聚光面)的面積，均可構成此類聚光器)；圖9是利用本聚光器提高光功率密度的示意圖io是利用本聚光器提高光伏功率的示意圖。具體實施例方式實施例l:參見圖l，聚光器為一上開口面積大於下開口面積的空心的桶狀結構，其上開口AB為日光入射面，下開口GH為日光聚光面，內壁AG、BH為反光面，通過內壁的反射將日光聚集於下開口的聚光面，其橫截面為圓形，內壁採用陶瓷材料製作，為整體式結構，聚光器從日光入射面到日光聚光面的高度h3為49Mi，上開口直徑di為168.4mm，下開口直徑山為100mm。日光射到內壁B點，經反射到聚光面G點，Bt、B2點的光線經反射後分別射到聚光面G,、G2點，此聚光器的聚光倍數為2.84倍。實施例2:聚光器高度h3為137.5咖，上開口直徑d!為229.1mm,下開口直徑d為100mm，聚光器由4個分離件構成，橫截面為圓形，反光面為鋁，此聚光器的聚光倍數為5.24倍。實施例3:聚光器高度h3為322.3mm，上開口直徑山為273.1mm，下開口直徑(13為100min，聚光器由4個分離件構成，橫截面為圓形，反光面為鋁，此聚光器的聚光倍數為7.46倍。為了對本發明進行檢驗，我們進行了試驗測試。1、聚光與不聚光的光功率密度的比較測試如圖9所示，將雷射功率探頭2的接收面，置於本發明聚光器1的下開口即聚光面，讓接收面與聚光面處於同一平面。接收面上加lcm2的光闌，則光功率計測出的數據為光功率密度，數據由表3讀出。此光功率計為量熱型功率計，響應波段為0.25um-25ym，解析度為10uw。比較測試在同一位置同一方位加聚光器和不加聚光器的光功率密度。某次測試結果如表3所示。表3表明，本發明的聚光器能有效提高光功率密度，光功率密度提高，其光熱，光伏性能也隨之提高。表3利用聚光器提高光功率密度的測試tableseeoriginaldocumentpage92、聚光光伏的實驗圖10為利用本發明的聚光器提高光伏功率的實驗。圖中1為聚光器、4為光伏單元片。光伏單元片4置於聚光器聚光面，光伏單元片4的輸出供給負載R，記錄R上的電壓，可得相應的光伏功率。此聚光器為5號聚光器。在同樣位置和方位和相同時間，測量不同聚光器的光伏功率。測試結果如表4所示。表4表明聚光器能明顯提高光伏功率。表4聚光器(5號聚光器)對光伏功率的影響tableseeoriginaldocumentpage10權利要求1、一種日光聚光器，其特徵在於本聚光器為一上開口面積大於下開口面積的空心的桶狀結構，其上開口做為日光入射面，其中間的任意一截面包括下開口做為日光聚光面，內壁為反光面，通過內壁的反射將日光聚集於日光聚光面上；所述聚光器的相對高度，即聚光器的日光入射面到聚光面的高度h與上開口直徑d1之比在0.1～1.2之間，內壁的傾角∠2在12°～40°之間。2、根據權利要求l所述的日光聚光器，其特徵在於所述聚光器的相對高度在0.21之間，內壁傾角Z2在15°35°之間。3、根據權利要求1或2所述的日光聚光器，其特徵在於所述聚光器的橫截面為圓形、跑道形或矩形。4、根據權利要求3所述的日光聚光器，其特徵在於所述聚光器的反光面採用高反射率材料鋁、銅、銀或陶瓷製作而成。5、根據權利要求3所述的日光聚光器，其特徵在於所述聚光器為整體成形，或由若干分離的部件組合而成。全文摘要本發明提供一種日光聚光器，其為一上開口面積大於下開口面積的空心的桶狀結構，其上開口做為日光入射面，其中間的任意一截面包括下開口做為日光聚光面，內壁為反光面，通過內壁的反射將日光聚集於日光聚光面上；所述聚光器的相對高度，即聚光器的日光入射面到聚光面的高度h與上開口直徑d1之比在0.1～1.2之間，內壁的傾角∠2在12°～40°之間。該聚光器具有易於加工、安裝、價格低、聚光倍數適中，並便於製作各種尺寸等特點。此種聚光器可用於太陽能光伏發電、太陽能熱利用等領域，具有良好的經濟價值。文檔編號F24J2/10GK101430420SQ20081023336公開日2009年5月13日申請日期2008年12月17日優先權日2008年12月17日發明者周志康申請人:重慶京渝雷射生物研究所