多功能太陽能系統的製作方法

2023-12-10 12:09:27 2

本發明涉及清潔能源技術領域，具體涉及一種對太陽能進行利用的多功能太陽能系統。

背景技術：

隨著對環境保護的日益重視，太陽能系統得到了越來越廣泛的應用。目前常見的太陽能系統大多具有單一的功能，例如進行光熱轉換的太陽能熱水系統以及進行光電轉換的太陽能發電系統等。

然而在人類的活動中，往往在不同的時間有不同的需要，例如在餐時需要對食物進行加熱或烹飪，而在其他時間又需要用電。因此，單一功能的太陽能系統難以滿足多方面的需要。

技術實現要素：

依據本發明提供一種多功能太陽能系統，包括會聚系統和兩個太陽能利用裝置；其中，會聚系統包括至少一個聚光折射面和一個反射面，該反射面沿太陽光入射的方向設置於聚光折射面的下方；兩個太陽能利用裝置用於吸收和利用太陽光；反射面和兩個太陽能利用裝置中的至少一者為移動式的，若反射面為移動式的，則兩個太陽能利用裝置分別布置在反射面移動前及移動後的光路上，若反射面為固定式的，則兩個太陽能利用裝置依次布置在反射面之後的光路上。

依據本發明的多功能太陽能系統具有至少一個移動式部件，即反射面或兩個太陽能利用裝置之一，通過移動該移動式部件將兩個太陽能利用裝置之一置於光路中，能夠在不同時刻分別使用兩個太陽能利用裝置。這使得在僅增加少量成本的情況下，成倍擴展太陽能系統的功用，提高了系統的綜合利用率，有利於更加充分地利用自然清潔能源。

以下結合附圖，對依據本發明的具體示例進行詳細說明。

附圖說明

圖1是依據本發明的多功能太陽能系統的基本結構示意圖；

圖2是本發明中用於生成菲涅爾折射面的兩種共軸面的示意圖；

圖3是本發明中具有兩個齒面的會聚系統的示意圖；

圖4是本發明中的一種菲涅爾式反射透鏡的示意圖；

圖5是實施例1的多功能太陽能系統的示意圖；

圖6是實施例2的多功能太陽能系統的示意圖；

圖7是實施例3的多功能太陽能系統的示意圖；

圖8是實施例4的多功能太陽能系統的示意圖。

具體實施方式

依據本發明的多功能太陽能系統的基本結構可參考圖1，包括會聚系統和兩個太陽能利用裝置P1和P2。會聚系統包括至少一個聚光折射面s1和一個反射面s2，反射面沿太陽光入射的方向設置於聚光折射面的下方。s2、P1、P2中的至少一者為移動式的。

在極簡單的情況下，s1和s2可以由同一物理元件來提供，例如一面鍍有反射膜的會聚透鏡，其鍍膜面即為反射面，而另一面則為聚光折射面，這種情況下，移動式部件為兩個太陽能利用裝置之一，且均需布置在聚光折射面之上。

一般而言，s1和s2可以由分離的物理元件來提供，且提供反射面的元件同樣可具有會聚能力，以進一步提高系統的聚光能力。換言之，會聚系統中可具有兩個以上的聚光折射面，它們可以彼此結合或與反射面結合從而構成不同的物理元件組合。

若反射面為固定式的，則兩個太陽能利用裝置依次布置在反射面之後的光路上，如圖1(a)所示。這種情況下P1是移動式的，當需要使用P2時，將P1從光路上移開即可，圖中虛線即表示P1移開後的光路。P1和P2既可以布置在s1和s2之間，也可以布置在s2之上。本文中，所稱光路是指太陽光經會聚系統會聚後的光路，所稱「移動式」是指部件可以從所布置的位置上移動至光路外或直接被移除。

若反射面為移動式的，則兩個太陽能利用裝置分別布置在反射面移動前及移動後的光路上，如圖1(b)所示，當需要使用P2時，將s2從光路上移開即可，圖中虛線即表示反射面移開後的光路。P1既可以布置在s1和s2之間，也可以布置在s2之上。

可採用適當的支撐部件（未圖示）來支撐會聚系統和兩個太陽能利用裝置，以保持它們之間的相對位置關係以及滿足移動式的要求。根據具體應用場景的不同，支撐部件可以有各種適合的形態，可根據需要進行設計。在某些實施例中，還可進一步包括移動控制裝置，其用於按照預置的程序控制系統中為移動式的部件進行移動，以便於實現某種自動化的處理過程，例如定時烹飪、自動燒水等。

作為一種優選的實施方式，聚光折射面可採用由菲涅爾透鏡提供的齒面，為便於理解，以下先對相關概念進行介紹。

菲涅爾（Fresnel）透鏡是一種薄型透鏡。通過將普通透鏡連續的原始曲面分割成若干段，在減少每段的厚度後將各段曲面置於同一平面或同一基本光滑的曲面上即形成為菲涅爾透鏡。這種由原始曲面演變而來的不連續的折射面可稱為菲涅爾折射面，一般呈階梯狀或齒狀。理論上菲涅爾折射面與相應的原始曲面相比具有近似的光學性能，但厚度卻大為減少。可以將由一個原始曲面（或原始曲面的一部分）生成的菲涅爾折射面稱為一個菲涅爾單元。

傳統的用於生成菲涅爾折射面的原始曲面一般為繞光軸對稱的曲面，例如球面、旋轉拋物面等旋轉曲面。傳統的原始曲面的焦點在一個點上，因此，可稱為「共點面」。在本發明中，原始曲面可以是任何形式的共軸面，可根據應用的需要具體設置。所稱共軸面是指焦點在同一直線上（而不一定是在同一個點上）的曲面，該直線可稱為「共軸線」。傳統的共點面可視為共軸面的共軸線退化為一個點時的特例。採用共軸但不共點的原始曲面，可以將用於設置在聚焦位置的感應元件從較小的面積（對應於焦點）擴展為長條形（對應於由焦點組成的共軸線），從而在不顯著增加成本的情況下，提升信號收集的能力並有助於解決局部過熱問題。典型的共軸面包括旋轉曲面（含二次或高階旋轉曲面）、柱面、錐面等。其中柱面又可稱為等截面共軸面，這種曲面沿著共軸線的垂直方向在任何一點切開，所得到的橫截面的形狀和大小都是一致的，圓柱面是柱面的一種特例。錐面沿著共軸線的橫截面則具有相似的形狀但大小不同，圓錐面是錐面的一種特例。圖2示出了以上兩種共軸面，其中圖2(a)為等截面共軸面，圖2(b)為錐形共軸面，其焦點F均位於各自的共軸線L上。

由一個或多個菲涅爾單元組成的宏觀折射面可稱為齒面，與之相對的基本光滑或平坦的面則可稱為背面。可將只含有一個菲涅爾單元的齒面稱為「簡單菲涅爾折射面」，而將含有兩個以上菲涅爾單元的齒面稱為「複合菲涅爾折射面」。一般而言，複合菲涅爾折射面上各個菲涅爾單元的基本參數（例如，面積、焦距、所對應的原始曲面的形狀、分割原始曲面所使用的同心環的數量等）均可以靈活布置，可以完全相同、部分相同或完全不同。在一種實施方式中，複合菲涅爾折射面上的每個菲涅爾單元各自有自己的光學中心，但焦點落在同一個點，或者一條直線，或者一個有限的區域內。這可以通過對構成該複合菲涅爾折射面的每個菲涅爾單元進行空間布置來實現。可以認為這些菲涅爾單元被布置在一個宏觀曲面上，例如平面、二次曲面（包括球面、橢球面、圓柱面、拋物柱面、雙曲柱面）、高階多項式曲面（非球面的通常實現方式）、以及由多個平面拼接成的折面以及梯臺面等。

齒面和背面可以靈活地組合以形成不同類型的元件。例如具有一個齒面和一個背面的菲涅爾透鏡可稱為「單面菲涅爾透鏡」，進一步的，若齒面為「簡單菲涅爾折射面」，則透鏡為「單面簡單菲涅爾透鏡」，若齒面為「複合菲涅爾折射面」，則透鏡為「單面複合菲涅爾透鏡」。兩面都是齒面的菲涅爾透鏡可稱為「雙面菲涅爾透鏡」，並同樣可根據齒面的類型進一步分為「雙面簡單菲涅爾透鏡」和「雙面複合菲涅爾透鏡」。若雙面菲涅爾透鏡的一個齒面為簡單菲涅爾折射面，而另一個齒面為複合菲涅爾折射面，則可稱為「雙面混合菲涅爾透鏡」。此外，作為一種變形，在雙面菲涅爾透鏡中，若齒面之一為「簡單菲涅爾折射面」，則該齒面可以由一個傳統的凸透鏡面或凹透鏡面來取代。

在同一光路上設置兩個或更多的齒面可以使會聚系統具有更好的會聚能力。圖3示出了一種具有兩個齒面的會聚系統，其中，複合菲涅爾折射面s3和簡單菲涅爾折射面s4既可以由一個雙面菲涅爾透鏡同時提供，也可以由兩個單面菲涅爾透鏡分別提供。

用於本發明的會聚系統的反射面可以是平面反射面或曲面反射面，例如凹面或凸面反射面，還可以是齒面形狀的反射面。反射面的宏觀形狀可以與系統中其他聚光折射面的形狀相似，例如為旋轉曲面或共軸面。反射面可以由僅具有單一反射功能的元件來提供，例如具有反射鍍膜的平板，光線直接在元件表面進行反射。反射面也可以由反射透鏡來提供。所稱反射透鏡指一面具有反射鍍膜的透鏡，光線從透射面折射進入透鏡後再由反射面反射，並再次經過透射面折射出元件。

將不同類型的反射面與不同類型的透射面靈活組合可以形成不同類型的反射透鏡。特別地，將反射透鏡中的一個或兩個曲面替換為相應的齒面，即可得到菲涅爾式反射透鏡。一種菲涅爾式反射透鏡可參考圖4，其中，元件L1具有平面反射面s5和簡單菲涅爾折射面s6。由於反射，入射光路兩次經過物理折射界面s6，該物理界面實際上等效於兩個齒面，因此元件L1也可被稱為反射式雙面菲涅爾透鏡。元件L1可以通過在單面菲涅爾透鏡的背面鍍反射膜或者粘貼具有反射能力的貼片來形成，其他類型的反射透鏡也可以通過將原始透鏡的任意一面變為反射面來形成。使用反射透鏡能夠簡便地增加光路中聚光折射面的數量，降低製作和安裝的成本。

以下結合具體的應用場景對依據本發明的多功能太陽能系統的幾種使用形態進行舉例說明。

實施例1

依據本發明的多功能太陽能系統的一種實施方式可參考圖5，包括用作會聚系統的菲涅爾式反射透鏡110，第一太陽能利用裝置121和第二太陽能利用裝置122。第一太陽能利用裝置支撐於桌臺131，第二太陽能利用裝置支撐於立柱132。

菲涅爾式反射透鏡110具有一個光滑而圓周對稱的凸面111和一個齒面112，其中，凸面111作為聚光折射面，齒面112鍍有反射膜作為反射面。雖然物理上只有一個聚光折射面，但實際上太陽光在「經111入射->經112反射->經111出射」的過程中進行了3次會聚。

本實施例中，由於反射面和聚光折射面由同一個物理元件提供，是不能移動的，因此移動部件為第一太陽能利用裝置，其可以固定或放置在桌臺131上。當桌臺放置在會聚系統上方時，第一太陽能利用裝置121處於光路中以供使用，當桌臺從會聚系統上移開後，第二太陽能利用裝置122即處於光路中以提供其他功能。

兩個太陽能利用裝置可以是不同的類型，例如，分別為太陽能加熱裝置和光伏板，由於太陽能加熱裝置的能量利用效率通常遠高於光伏板，因此在有加熱需求時，直接使用太陽能加熱裝置比將太陽能轉化為電能後再用電加熱能更好地利用光能。本實施例中，第一太陽能利用裝置為太陽能加熱裝置，具體可以是太陽能灶、熱水器、烤架、烤箱等。第二太陽能利用裝置為光伏板，產生的電能通過隱藏於立柱132中的導線133引出。需要說明的是，第一太陽能裝置是可移動的，因此也是可更換的，例如，可以先用太陽能灶炒菜後，再換成熱水器來燒水。本發明多功能太陽能系統中包括兩個太陽能利用裝置，但並不局限於兩個，而是可以有多個。

作為一種優選的實施方式，第二太陽能利用裝置，即兩個太陽能利用裝置中沿太陽光入射的方向布置在上方的一者，為雙面光伏板。布置在上方的雙面光伏板能夠從正面和反面兩個方向吸收入射的太陽光，能夠更充分地利用太陽能。

本實施例中的會聚系統可以敷設在地面上成為聚光地板或地磚，適用於例如住宅的院子或公園的公共區域等，基於本實施例的太陽能系統不僅能夠提供戶外供電，也提供了野炊的工具。

實施例2

依據本發明的多功能太陽能系統的另一種實施方式可參考圖6，與實施例1相比，主要是將應用場景移動到了室內，包括會聚系統，太陽能加熱裝置221和光伏板222。其中，會聚系統包括聚光牆211和反射元件212，太陽能加熱裝置支撐於桌臺231，光伏板支撐於天花板232。

聚光牆211可採用具有會聚能力的透鏡模塊砌成，例如菲涅爾透鏡製成的聚光磚，其提供至少一個聚光折射面。反射元件212敷設在地面上，可以是平面反光地板，也可以是類似於實施例1中的菲涅爾式反射透鏡，以提供進一步的會聚能力。

本實施例中，由於反射元件設置於地面，是不能移動的，因此太陽能加熱裝置221固定或放置在可移動的桌臺231上，光伏板222固定在天花板232上，替換使用過程與實施例1類似，不再贅述，不過光伏板的輸電線需要沿著天花板從牆體中引出。

本實施例的多功能太陽能系統適合在室內使用，例如樓房或廠房，能夠最大化地利用照射到室內的太陽能，不僅適合用於住宅，也適合用於具有加熱需要的工廠，例如食品加工廠等。

實施例3

依據本發明的多功能太陽能系統的另一種實施方式可參考圖7，包括會聚系統，太陽能加熱裝置321和光伏板322。其中，會聚系統包括第一菲涅爾透鏡311、第二聚光透鏡313和反射元件312，太陽能加熱裝置支撐於桌臺331，光伏板支撐於立柱332。

本實施例的會聚系統採用雙重會聚結構，其中，第一菲涅爾透鏡311為單面或雙面複合菲涅爾透鏡，第二聚光透鏡313為凸透鏡或菲涅爾透鏡。

反射元件312為移動式的，當反射元件位於光路上時，光伏板322處於光路中，當反射元件移出光路後，太陽能加熱裝置321即處於光路中以提供直接加熱的功能。

為更充分地利用太陽能，本實施例中還包括以透明材料製作的水箱341。光伏板322，即兩個太陽能利用裝置中沿太陽光入射的方向布置在上方的一者，作為熱源以熱傳導的方式被水箱包裹，例如通過導熱材質與熱水器緊密接觸以進行熱交換。冷水從進水口342進入熱水器，與光伏板進行熱交換後從出水口343流出。

第一菲涅爾透鏡可採用柔性透明材料壓制而成，例如軟質塑膠、柔性水晶板等，可用於作為帳篷的頂面或傘的頂面，則本實施例可以視為將太陽能系統用作戶外遮陽傘的應用場景。還可進一步在第一菲涅爾透鏡的周圍設置掛鈎或掛孔（未圖示），以用於安裝圍帳334，從而將本實施例的太陽能系統變成一個可供居住的太陽能帳篷。若第一菲涅爾透鏡採用硬質材料製成，並將圍帳334替換成圍牆，則本實施例可視為安裝在廚房裡的屋頂太陽能系統。在其他實施方式中，為確保在陰雨天時也能進行烹飪，太陽能加熱裝置321還可進一步連接輔助熱源。

為更好地存儲和利用由太陽能轉換得到的電能，本實施例中還包含以下列出的附加元件，在其他實施方式中，可以根據應用的需要選擇性地只包含其中的一種或幾種。

能量存儲器351，與光伏板322通過導線333電連接，用於儲存電能。能量存儲器可選自超級電容、可充電電池和空氣壓縮機。

交流逆變器352，與能量存儲器電連接（在其他實施方式中，也可以直接與光伏板電連接），用於將光伏板輸出的直流電轉換為交流電，例如60赫茲的120V或50赫茲的220V，其連接的交流接線板353可以直接向用戶提供交流輸出。

直流電壓輸出裝置354，與能量存儲器電連接（在其他實施方式中，也可以直接與光伏板電連接），用於輸出直流電壓，以便於用戶使用，輸出裝置輸出的直流電壓例如可包括12V、9V、5V、3V、1.5V等。

實施例4

依據本發明的多功能太陽能系統的另一種實施方式可參考圖8，包括會聚系統，太陽能加熱裝置421和光伏板422。其中，會聚系統包括第一菲涅爾透鏡411、反射元件412和第二菲涅爾透鏡413，太陽能加熱裝置支撐於桌臺431，光伏板支撐於立柱432。

本實施例的會聚系統採用雙重會聚結構，且反射元件布置在第二菲涅爾透鏡之前。其中，第一菲涅爾透鏡411為單面或雙面複合菲涅爾透鏡，與實施例3中類似，可用作遮陽傘面；第二菲涅爾透鏡413為複合或簡單菲涅爾透鏡。本實施例的會聚系統不僅能夠獲得良好的遮陽效果，也使得光伏板422能夠以較小的面積獲得大部分照射到傘面上的光能。

反射元件412為移動式的，太陽能加熱裝置421和光伏板422的交替使用方式與實施例3類似。

為實現自動化的交替控制，還可進一步包括移動控制裝置（未圖示），其用於按照預置的程序控制系統中為移動式的部件進行移動。對於本實施例而言，可以將反射元件安裝在一個驅動電機上，按照預置的程序將反射元件移入或移出光路。所稱預置的程序可以根據場景的需要進行配置。例如，對於自動烹飪類應用，驅動電機的控制程序可以與自動烹飪程序協同，在被加熱材料投放到太陽能加熱裝置後控制將反射元件移開以進行加熱，在完成出料後控制反射元件復位以繼續發電。所稱預置的程序還可以根據實時採集的環境及系統參數來進行控制，例如光強或溫度等。例如，可以配置為在光照強烈的時候，如盛夏的正午，控制將反射元件移開，此時加熱裝置可以進行海水淡化等需要大功率的加熱工作，在光照減弱後，控制將反射元件復位以繼續發電，這樣有利於降低光伏板的溫度，延長其使用壽命。本實施例中，在第二菲涅爾透鏡邊緣安裝有溫度和光強探測器件455，以為智能控制提供參數。

在附加元件方面，除了與實施例3類似的能量存儲器451、交流逆變器452、交流接線板453、直流電壓輸出裝置454以外，本實施例還包括：

狀態指示器456，用於檢測並顯示系統的運行參數，這些運行參數可以是電壓、電流、功率、溫度等，以便於用戶掌握太陽能系統的運行狀況；可通過設置與所需要的參數類型對應的檢測器件來獲得這些參數，例如溫度探頭等；移動部件的智能控制程序可以與狀態指示器集成在一起。

此外，本實施例的交流逆變器452還將電力輸出連接至連網開關櫃457（因此交流接線板453自連網開關櫃引出），連網開關櫃與外部交流電網458相連，使得太陽能系統產生的電能可以併入到外部電網中，因此本實施例系統還可用於充當太陽能電站。

以上應用具體個例對本發明的原理及實施方式進行了闡述，應該理解，以上實施方式只是用於幫助理解本發明，而不應理解為對本發明的限制。對於本領域的一般技術人員，依據本發明的思想，可以對上述具體實施方式進行變化。