專利名稱：被動式多功能球面(或柱面)聚光器的制作方法
技術領域：
能源，太陽能，光學，熱學，材料學
背景技術：
太陽能的利用需要解決的根本問題之一是"聚光"。聚光技術中運用最多的是太陽的跟蹤裝置。 所以目前各種跟蹤器應運而生。跟蹤器不僅結構復雜，成本高價，更重要的是其穩(wěn)定性受外部 環(huán)境條件的限制。比如太陽光每時每刻在空間內進行三維變化，而跟蹤器必須實時探測，及時 跟蹤。如果在行駛的船上和汽車上使用跟蹤器時，其跟蹤速度和跟蹤精度的要求會更髙，相應 產生的可能性誤差也會更大。但對于一般固定曲面的聚光(比如拋物面或凸透鏡)其焦點位置 會隨著太陽直射光線方向的變化而變化。但是，有沒有一種固定的曲面不需要跟蹤太陽卻能得 到穩(wěn)定的聚光焦點，以"不變應萬變"的姿態(tài)應對太陽的直射光呢？答案是肯定的。理論是可 行的，實踐也是可用的。它與"你變我也隨你變"的跟蹤思想有本質區(qū)別。其中與菲涅爾透鏡 的紅外線聚光原理有類似之處。這類聚光器可以統(tǒng)稱為被動式感光(聚光)器
發(fā)明內容
利用物體的折射和反射原理，采用高透光率的有機玻璃、聚乙烯塑料等制成切面為"扇形"的 "采光單元"，每一個采光單元將進入感光窗口的散射光或者太陽的直射光進行折射或反射，將 沒有被吸收掉的光線折射或反射至切面為"扇形"的圓心處(實則為"球心"處)。N個采光單 元組合成球體、半球體或柱體，無論太陽光如何變化，無論散射光的方向如何，在n個采光單 元的"球心"處或者柱體的中心線上都能得到較好的聚光。此種聚光器稱為被動式多功能球 形或柱形聚光器。白天可以聚集太陽直射光、散射光。晚上可以聚集紅外線。特別設置的聚集 功率達到一定數(shù)值的此類聚光器，可以用于熱回收及夜晚的不間斷熱發(fā)電。
:共有8張附圖，
圖1，凸面透鏡切面(本圖為菱形)假想的兩根光軸(本圖為菱形對角線)示意圖。 圖2，光線偏向示意圖。法線一側靠近一條光軸的入射光線折射后偏向它的光軸。 閣3，邊緣聚光型采光單元結構切面示意圖。 圖4，中心聚光型采光單元結構切面示意圖。 圖5,邊緣聚光型聚光器結構切面示意圖。 圖6,中心聚光型聚光器結構切面示意圖。
圖7,聚"熱"型聚光器結構切面示意圖。中央區(qū)增加反射面和聚氨酯隔熱層。 圖8,中心聚光型聚光器結構切面示意圖。 圖9，散"熱"型冷藏器(冷藏室)結構切面示意圉。 具體實施模式-
簡單說就是制造"采光單元"。再將采光單元進行組裝。將采光單元組裝成球體、半球體、柱體或其 他形狀。球表面采用正六邊形蜂窩狀無縫覆蓋。采光單元外形是圓錐形，可以外切形成六邊形椎體，便于 無縫組裝。
"采光單元"有多種結構模式，多種尺寸，可以組成大小不同的球體。具有不同的采光面。
聚光器對于散射光的采光面積等于聚光器球面或柱面表面積。而太陽的直射光來光面積的等于球面或 柱面表面積的一半。半球面的太陽直射光采光面積要根據面對太陽的一面的表面積具體計算。 下面詳細說明采光單元的采光原理和結構6 凸面透鏡、凹面透鏡與折射原理凸透鏡與凸面透鏡傳統(tǒng)上的凸透鏡與空氣的接觸面都是"球面"。且中間部分較厚。因為球面的每一 點的曲率變化是相同的，所以凸透鏡可以聚焦一點。但如果把球面換成其他形狀，比如圓錐面，焦點就變 成了焦線。這個圓錐面的凸透鏡就稱為凸面透鏡。凸面透鏡在聚光單元中可以更好理解和應用。凡是中間 厚凸、邊緣逐漸變薄的透光體統(tǒng)稱為凸面透鏡。
凸面透鏡的入射光線經折射后方向變化特點
假想的兩個光軸。將凸面透鏡過中心點的切面(如圖1).最厚的對角點進行連線(即圖1平面圖形為 菱形的對角線)，這兩條對角線稱為假想的光軸。
這樣，在這個菱形平面內(圖l)光線無論從那個方向射入，經折射后都分別偏向兩個"光軸"。
法線兩側的光偏向的光軸分別不同。如圖2.對于凸面透鏡上的某一點，法線一側的入射光總是偏向 同一光軸。法線另一側的入射光總是偏向另一條光軸。我們選擇的圖1和圖2示意圖恰好為直線(非曲線) 組成的"菱形"。這樣"菱形" 一邊任意點上的法線始終是平行。所以入射光在這個"菱形"切面內，無 論光線角度怎樣變化，都可以將入射光分為法線兩倒的兩種類型的光，每一種類型的光經折射后分別偏向 入射光一側的光軸。如果凸面透鏡變成傳統(tǒng)上的凸透鏡，則切面變成兩個園弧形組成的平面圖，其道理也 是一樣，只是圓弧形的法線不斷變化，但法線兩側的入射光都分別偏向入射光一側的光軸。這種有規(guī)律的 "偏向"是我們設計"采光單元"的基本依據。
凹透鏡與凸透鏡的成像特點雖然不同。但任一種凹面透鏡與凸面透鏡對入射光的折射有其共同特點 就是入射光(由光疏進入光密媒質)經折射后總是偏向入射光一側較厚部分那條假想的"光軸"。
散射光方向不定。但是散射射光照到采光窗口時，就會分別偏向較厚的"光軸"方向。對于凸面透鏡 來說，這些光軸方向不定，但總是在圓內(或圓柱內)有規(guī)律的變化。對于某"一條"光線，其與凸面透 鏡的入射點組成的平面即使不通過凸面透鏡的"中心"，也會偏向它自己的"光軸"。即偏向入射光一側較 厚的部分。散射光紛繁無法精確計算所有光線的具體折射路徑，但可以確定某方向上(如法線一側〉 一類 入射光的集合。
圖3、圖4分別是兩類采光單元豎切面示意圖。其中圖3所示類型為邊緣聚光型。圖4所示為中心聚
光型。邊緣聚光型指光線經折射和反射后主要沿畫錐體邊緣向"球心"聚光。中心聚光型則有選擇的吸收 光線，然后將光線多次折射后沿著圓錐體的中心對稱線向"球心"聚集。下面對兩類分別介紹。
邊緣聚光型采光單元
結構圓錐體內的邊緣鍍有反光金屬材料(銀或鋁)，將凸面透鏡較厚一面貼向圓錐體內部邊緣。這種 結構的光線入射特點是光線從窗口部分入射進入圓錐體內部后，經折射照到圓錐體邊緣上的反射面上， 反射后的光線偏向圓錐體頂點(即球體的球心部位)。圖3所示的齒狀的折射透鏡圍繞圓錐體內^面旋轉 —周，將入射光線反復折射和Slt后聚焦于"球心"部位。如圖5所示。但這種結構的聚光方式有很多 缺點。聚光的效率也不髙。圖3及圖5所示僅僅是示意圖。實際采用時可增加折射透鏡的密度，或者選擇 使用圖4及圖6所示的"中心聚光型"。
中心聚光型采光單元
結構由圖4所示平面圖形沿中心對稱線旋轉180度。得到的實體即為"中心型聚光單元"。上邊為選
擇性折射皿，圓錐體內則有許多凸透鏡沿中心對稱線依次排列。凸透鏡的多少和焦距要根據聚光器的大
小和折射精度的要求而設。圖4及圖6所示僅為結構原理圖。上邊的選擇性折射透鏡之所以有"選擇"性
折射功能是因為這種結構組成的球體和國柱體的聚光器中， 一部分光線(法線一倆的光)被自的另一面 "阻擋"，就是說一部分散射光因為方向的緣故只能進入選擇性透鏡的一面。而法線另一側方向的光則進 入"另一面"。頂部有少部分"出格"的光線經折射后也能將光線偏向中心對稱線。幾乎所有進入"采光 單元"的光線經選擇透鏡的折射都偏向采光單元的中心對稱線，然后在一層層凸透鏡的折射下逐漸在中心 對稱線上聚集。最后光線聚集于聚光器的中心'處。
對于功能不同的球面、半球面、圓柱面聚光器，結構和設計會有不同。因為光線經多次折射(或反射x 每一次折射和反射都會損失光能。所以對折射材料和反射材料的要求會很高。如果透光率和反射率低時光線易被折射透鏡和反射鏡吸收。這樣聚光效率不僅會大幅降低，還會導致折射透鏡和反射透鏡發(fā)熱。所 以聚光器的效率取決于折射材料的透光率和反射材料的反射率。
聚光器的效率對透光率異常敏感。如果折射透鏡的透光率為沐則經n次折射后，聚光器的效率等于 xM的n次方。如果再加上反射率，效率會進一步降低。好處是中心聚光型采光單元可以不經過反射面的反 射.所以中心聚光型采光單元要比邊緣聚光型效率高出很多。同時，由于材料透光率的限制(比如90%的 透光率，經6次折射后，透光率變成47.而鵬的透光率經6次折射后，透光率依然能達到94. 15%)。 如果只能選擇低透光率折射材料，則根據需要增大采光面積。好處是采光面積可以人為設定，但同時也會 增加成本。在光伏電池應用上可以根據某種半導體電池對某種頻率的光的敏感性增加其透光性?？梢酝ㄟ^ 增加增透膜來實現(xiàn)。如果用來聚集"熱"和回收"熱"，還要有結構上增設保溫裝置。如圖7。增加了中部 集光(或集熱)區(qū)域的反射面，這樣可以將熱輻射"擋"會去。還可以在其空隙加聚氨酯隔熱膜，阻止熱 傳導。此種集熱器可以用在熱發(fā)電、海水淡化、及民用生活用開水和熱水領域。也可以用于聚集紅外線。 在夜晚雖然沒有"太陽光"。但物體在白天吸收的"太陽光"在夜晚以"紅外線"的方式釋放出來。吸收 紅外線的物體溫度會越來越高而釋放紅外線的物體溫度會逐漸降低。在自然界物體相互釋放和吸收紅外線 時趨于動態(tài)平衡，所以物體溫度會逐漸趨于一致。但圖7所示由于中央集熱區(qū)反射面的運用使內外物體熱 量傳遞的平衡被打破，所以有"集熱"的功能。髙功率的紅外線集熱器可以用于熱回收和夜晚不間斷熱發(fā) 電和光伏發(fā)電。使夜晚同樣使用大自然的物體內儲存的能量(實際上也是太陽能)來實現(xiàn)不間斷發(fā)電。
事物總會有它的反面。聚光和散光是相對的。聚熱和制冷也是事物的兩個方面。"采光"單元能實現(xiàn)對 紅外線的"聚光"，實現(xiàn)"聚熱"，那么，"采光單元"能不能實現(xiàn)"制冷"呢？道理很簡單，只要將"采 光單元"反過來運用(如圖9)就可以實現(xiàn)"制冷"。冷和熱是相對的。熱的傳遞方式有對流、傳導、和輻 射。制冷器首先要克服冷藏室內與外界的物質傳導途徑，可以用聚氨酯等隔熱材料實現(xiàn)。內外隔絕阻止空 氣對流，同時更重要的是增加冷藏器(冷藏室)外部的反射面，將紅外線等所有光線反射到冷藏室的外邊。 同時用采光單元將冷藏室內的"紅外線"聚集后發(fā)散到冷藏室的外邊。由于冷藏室與外部的光線通口只有 "采光單元" 一側很小的"點"，外部的紅外線雖然也lfeii過這些"點"(可以稱做光線窗口)到達冷藏室 內部，但內外紅外線傳遞是不平衡的，所以可以實現(xiàn)"制冷"。這樣形成的球面、柱面、或者長方體及 各種形狀的"冷藏室"可以用作食品冷藏、空調房.實現(xiàn)不用"電"而實現(xiàn)自動制冷和制熱的紅外線(也 包括可見光)溫度調節(jié)房。
。總之，所有功能和不同結構的應用都起源于"采光單元"對散射光的折射聚焦作用。所以采光單元的 效率和設計方法成為這類聚光器的關鍵。在功能上要充分實現(xiàn)散射光的"聚焦"，就必須增大圓錐體內系 列凸透鏡的排列密度(如圖8)和增加其折射率。要保證傾斜的散射光也能在中心部聚焦，也必須如圖8 那樣增加選擇透鏡的排列密度和增加其折射率。但是對于采光單元的聚光效率，要取決于采光單元的結構 和材料的透光率。圖8所示的結構顯示了采光單元的制作方向。只做定性不能作為定量。如果折射透鏡的 透光率達到99. 99%以上時，這類采光單元的制作便可以得心應手。所以采光單元的精細設計和制作依賴于 透光材料的進一步發(fā)展。
權利要求
被動式多功能球面(或柱面)聚光器聚光器的特點無論太陽光線(或散射光)怎樣變化，聚光器不需要跟蹤但總能在所需要的區(qū)域得到較好的聚光且焦點位置不變。外部形狀為球面、柱面和其它任何外部形狀。內部有許多聚光單元(也叫采光單元)構成。聚光單元固定時其焦點部位便可以固定。
全文摘要
被動式多功能球面(或柱面)聚光器屬于太陽能，光學，熱學，太陽能，能源，材料學。不需要跟蹤，又可以根據需要設定直射陽光聚光比，利用光的透射、折射、反射原理，制成一種從宏觀看為球面(或柱面)，近看表面有許多正六變形組成的蜂窩狀“采光窗”，每一個正六邊形的采光“窗口”可以將進入“窗口”的光線經折射和反射后在“球心”聚焦。特點是無論太陽光線怎樣變化，焦點始終在球心部位。因為不需要跟蹤，聚光比又可以任意設置，所以可以作為聚光器廣泛用在光伏聚光電池、熱發(fā)電、海水淡化、及生活用熱水領域。在輪船、汽車、飛機等所有“顛簸”運動的物體上作為聚光器優(yōu)點顯著。還可以聚集“散射光”，也可以聚集“紅外線”，此類聚光器可以聚集“熱”和回收“熱”。
文檔編號G02B19/00GK101546032SQ20081010969
公開日2009年9月30日 申請日期2008年6月11日 優(yōu)先權日2008年6月11日
發(fā)明者馮益安 申請人:馮益安