專利名稱：將不同方向的光轉為恒定方向光的裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及光學領域，尤其是涉及一種將不同方向的光轉為恒定方向光的
直O(jiān)背景技術：
太陽能光電發(fā)電方案中，需要把太陽光的能量聚集起來，但是由于太陽在空中的位置不斷發(fā)生變化，太陽光相對透鏡的傾斜角不斷變化，無法定焦。為了解決這個問題，目前所有的解決辦法都是跟蹤太陽光，即設計一套跟蹤太陽光的裝置，不斷調整透鏡與太陽光的傾斜角，確保其入射角總是固定值。但是這套系統(tǒng)代價高昂。
發(fā)明內容
本發(fā)明為了解決上述背景中的不足之處，提供一種成本低的可將不同方向的光轉為恒定方向光的裝置。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術方案為一種鎖光弧組，包括鎖光弧，所述的鎖光弧與鎖光弧之間的距離小于鎖光弧半徑。所述的導光管為“U”型結構，內側鍍有反射層。包括鎖光弧組和導光管，所述的鎖光弧組設置在導光管上，鎖光弧組和導光管構成鎖光機構。包括鎖光機構，其中一個鎖光機構的入光面對著另一個鎖光機構的出光口。所述的鎖光弧組設置至少有2個鎖光弧。所述的反射層為鋁反射層。所述的鎖光弧為弧形板。與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有的優(yōu)點和效果如下本發(fā)明是針對太陽光在空中位置不斷發(fā)生變化的情況下，設計了一套低成本的聚光裝置，無論太陽光從任意角度入射，都把它轉化為一組恒定出口的光，從而可以在出口處用透鏡進行聚焦并導入到光纖中，本發(fā)明由于沒有機械裝置，無論成本還是壽命，都將遠遠優(yōu)于跟蹤太陽位置的設計方案，本發(fā)明用于光熱發(fā)電的成本遠遠低于光伏發(fā)電的成本，甚至遠遠低于煤電的成本。四

圖1為鎖光機構結構示意圖； 圖2為以空氣為基底的一種鎖光機構結構示意圖； 圖3為光線在鎖光弧內縱向傳導過程示意圖； 圖4鎖光弧橫截面為弧形的一種鎖光機構示意圖； 圖5為由多個鎖光弧組成的結構示意圖。圖中1-鎖光弧，2-導光管，3-出光口。五具體實施例方式
一種鎖光弧組，其特征在于包括鎖光弧1，所述的鎖光弧與鎖光弧之間的距離小于鎖光弧半徑，鎖光弧與鎖光弧組成鎖光弧組，所述的鎖光弧1設置至少有2個，所述的鎖光弧 1為弧形板，表面能反射光。
一種導光管，所述的導光管2為U型結構，內側鍍有反射層，所述的反射層為鋁反射層，或者能夠反射光的薄層。一種將不同方向的光轉為恒定方向光的裝置，包括鎖光弧組和導光管，所述的所光弧組設置在導光管2上，鎖光弧組和導光管2構成鎖光機構。一種將不同方向的光轉為恒定方向光的系統(tǒng)，包括鎖光機構，其中一個鎖光機構的入光面對著另一個鎖光機構的出光口 3。本發(fā)明的基礎是鎖光弧組。鎖光弧組是指在玻璃、空氣等透明的基底材料內設置一組弧形反光層(即鎖光弧)，光線可以從這組鎖光弧的入光面到達出光面，卻無法從出光面返回到入光面。對于玻璃等固體基底材料，鎖光弧可以是在玻璃或其它基底內鑲嵌能夠反光的反光層，也可以在基底上開弧形的通槽，然后鍍上一層反光層；對于以空氣作為基底的情形， 鎖光弧可以是兩面都鍍有反光層的箔片，通常使用鐵片、鋁片、玻璃片等。反光層可以是鋁層、銀層或其它能夠反射光線的薄層。鎖光弧組根據光線的進入和射出方向分為進光面和出光面，其設計要點是多個鎖光弧出光部位端點所組成的包絡面(即出光面)與鎖光弧出光部位的夾角盡可能地小，最好是相切，就可以保證光線只能單向從進光面到達出光面，而無法從出光面返回到進光面。鎖光弧的表面為弧形，最佳型面為圓弧面，推薦的設計參數(shù)為半徑R，圓弧角度為 90°。組成單向鎖光區(qū)的時候，相鄰兩個鎖光弧需平移一個間隔距離d放置，要求d R，設計中應取R/d>2. 5，推薦設計參數(shù)R/d=6 9，在這個參數(shù)下，可以保證所有從進光面進入的光線都將被導入到出光面。鎖光弧組的基本原理就是利用光線在兩個鎖光弧之間反復反射的過程中，入射光線與反射光線必須遵守與法線對稱的規(guī)律，利用弧形反射面就會把光從入光面方向一步步反射到出光面方向，只要弧形型面恰當，在這個反射過程中，光線就不會從入光面進入再從入光面返回，因而確保了光線只能從入光面進入，從出光面射出。鎖光弧組構成一個將光從入光面?zhèn)鬟f到出光面的光學裝置，這種光學裝置具有使光線只能從入光面進入、從出光面射出的特性，而這個特性與光線進入入光面時的角度無關、與入射光的頻率無關。利用鎖光弧組只能單向通過光線的特性，可以制成多種光學裝置，例如可以直接把太陽能光伏板安置在出光面等，但效率較高的一種方法是將光線導入到特定的出口，其方法為在鎖光弧組之后接導光管，導光管只有與鎖光弧接觸面和出光口沒有被反光層包覆，其余內表面均被反光層包覆，于是光線只能從出光口射出，從而達到把所有的光線都集中在出光口的目的。鎖光弧組外形如圖1所示，圖1中，A1A2A3A4所在的平面為入光面，入光面處不包覆反光層，鎖光弧出口所組成的包絡面B1B2B3B4為出光面，入光面到出光面之間的區(qū)域被稱為鎖光室，即鎖光室內的主要結構就是鎖光弧組和固定鎖光弧組涉及到的組件，鎖光室兩側外表面A2B2B4A4和A1B1B3A3可以包覆反光層，也可以不包覆反光層，其中包覆了反光層的鎖光弧被稱為全包覆鎖光弧組，未包覆反光層的鎖光弧被稱為裸包覆鎖光機構；鎖光區(qū)之后管狀結構B1B2C-B3B4D的區(qū)域被稱為導光管，其中導光管的兩頭端面B1B2C和B3B4D被分別稱為導光口和出光口，導光管除導光口和出光口外其內壁應包覆有反光層，出光口是肯定不能包覆有反光層，但導光口可以不包覆反光層，也可以包覆反光層，只是這種反光層通常不起作用。一個鎖光弧組對應一個鎖光室(鎖光室是指鎖光弧組及其邊界的固定裝置)，以及一個或多個導光管，圖2是以空氣為基底的一種設計方案，在該方案中，1個鎖光室配有6個導光管(2個以上導光管組成導管室)組成了一個鎖光機構。鎖光弧長度為L，橫截面為半徑R角度為90°的弧形片，可以用薄鐵皮兩面鍍有反光層制成。通過定位裝置確保每相鄰兩個鎖光弧相對間隔距離為d，鎖光弧上端構成的包絡面為入光面，鎖光弧上端的切線與入光面垂直，鎖光弧下端構成的包絡面為出光面，鎖光弧下端的切線與出光面重合。光線從鎖光弧入光面進入，通過出光面總可以進入某一個導光管，導光管為內部鍍有反光層的薄鐵皮圍成的管狀結構，朝向鎖光弧的一側留有開口，因此鎖光弧從射出的光線可以進入導光管中，導光管的軸向與鎖光弧正交，兩端不予封口，其中一端作為出光口而另外一端作為導光口。鎖光弧和導光管可以分開制造。本發(fā)明的工作原理是光線進入鎖光弧的鎖光區(qū)以后，在兩個鎖光弧當中反復反射，光線就可以進入導光管，如圖3所示。在反射的過程中，無論光線的初始角度如何，光在鎖光區(qū)中都將獲得從C指向D方向的速度分量，從鎖光弧射入導光管以后，光在導光管中也具有從C指向D方向的速度分量，即光在導光管傳導的過程中由C向D的方向運動。導光管為管狀結構，出光口位于導光管的一端，除出光口以外都鍍有反光層，光線在導光室傳導，會有三種情況:A.被導光管外壁反射，如果入射光具有指向出光口的速度分量，則反射過程中該速度分量不變；B.被鎖光弧與導光管相交處的鎖光弧所反射，由于鎖光弧出光面對導光管的一面與導光管軸縱向平行或大致平行，光線指向出光口的速度分量在反射過程中基本不變；C.光線從出光口中射出。A、B兩個特性保證了光線總是從出光口射出，而不會反射回鎖光弧，即鎖光弧起到了單向鎖光的功能。上述過程中，光線的入射角度、光線的波長不影響最終的結果。對于玻璃等固體基底材料，出光口可以是平面，也可以是凸面，視設計需求而定， 對于氣體作為基底材料，進行理論分析時出光口應作為平面來處理。出光口可以沿著導光管軸向，也可以不沿著導光管軸向，例如可以沿著與導光管軸向垂直的縱向開一個出光口， 在后一種情況下可以增加反射鏡結構，將橫向光的方向反射到出光口的方向，這種方法是光學上常規(guī)的方法。需要說明的是，鎖光機構不一定是平板形的，也可以由弧形面或各種不規(guī)則形狀組成，如圖4所示，只要按照先鎖光弧、然后導光管的思路去設計，就可以達到將不同來源的光轉為恒定出口光的目的。從出光口射出的光可以經過光纖導入系統(tǒng)導入到光纖中，再進行后續(xù)的處理，也可以直接作為一種光源處理。在實際應用的時候，一片鎖光機構所能鎖住的光能是有限的，因此通常會用多個鎖光機構組成鎖光系統(tǒng)，如圖5所示，所有這些鎖光機構的入光免形成了一個入光平面，這個平面上方各個角度、各個波長的光，在進入鎖光弧以后，只要被引導到導光管中，就都將從出光口射出，如果每個入光口都安裝光纖導入系統(tǒng)，則光纖就會被引入光纖中，因此它可以利用全角度、全波段的光，大大地提高了光的利用效率。該鎖光系統(tǒng)所用的鎖光弧可以是全包覆鎖光機構，也可以是裸包覆鎖光機構，兩者效率基本相當，但裸包覆鎖光弧的成本要低一些。為了節(jié)省光纖導入系統(tǒng)的使用數(shù)量，也可以采用一個橫向放置的、全包覆的、單個出光口的鎖光弧，其入光面對準其它鎖光弧的出光口，確保其他鎖光弧所聚集的光都進入到該橫向鎖光弧中，就可以把這些鎖光弧的光都引導到這個橫向鎖光弧的出光口，再通過光纖導入系統(tǒng)導入到光纖中。該方案可以大大降低光纖導入系統(tǒng)的使用數(shù)量。應用本發(fā)明所提供的裝置，可以大輻度提高太陽光的能量利用效率，可以廣泛地應用在光熱發(fā)電、熱水器、太陽能汽車等利用太陽能的設備的光能采集階段.
在500mmX 500mm進光面尺寸鎖光機構設計時，選擇每兩片鎖光弧間隔距離d=10mm，則需要51片鎖光弧，每片鎖光弧的厚度是0. 5mm，為鐵皮，表面鍍有鋁反射薄膜，外形為π/2 的圓弧，圓弧半徑為R70mm，鎖光弧橫向長度為520mm ；鎖光弧可以通過支架固定，固定支架是玻璃材料，用高溫模壓出51個間隔為10mm、深度為IOmm的、半徑為70mm、圓弧角為π/2、 槽寬為0. 7mm的凹槽，鎖光弧的兩邊被鑲嵌在玻璃的凹槽中，從而將鎖光弧予以固定；鎖光弧的進光口上覆蓋一層玻璃，用于防止粉塵進入。導光管為U形結構的鐵片制成，內側鍍有鋁反光層，厚度為0. 5mm ；U形的兩平行邊內側間隔為24mm，高度為15mm，底部的半圓結構半徑為R12mm ；每個導光管的長度為530mm ；20個導光管被放置在1個鐵板上，該鐵板為 500mmX 530mm的矩形，3個邊上有擋板，無擋板的邊長為500mm，導光管的U形口朝上排列在鐵板上，形成一個導光室；將導光室的上面與鎖光弧的下面緊貼在一起，用三角鐵將進光口的玻璃、鎖光弧固定支架和導光室鐵片予以固定，并用螺栓擰緊，這樣就形成了如圖2所示的500mmX 500mm進光面鎖光機構，它的外形尺寸實際上是600_X 540_X 100mm。上述鎖光機構有20個出光口，以至于實際應用時很不方便，可以采用分級鎖光的方法，第一級鎖光機構采用上述鎖光機構，第二級鎖光機構采用圖4所示的玻璃基底的全包覆鎖光機構，將該鎖光機構的進光面對準第一級鎖光機構的20個出光口，則所有的光都從第二級鎖光機構的出光口中射出。第二級鎖光機構推薦采用玻璃基底，是因為這種鎖光機構的出光口可以直接固化光纖導入裝置，實際應用中只要直接接入光纖即可，大大簡化了工人的操作。
權利要求
1.一種鎖光弧組，其特征在于包括鎖光弧(1)，所述的鎖光弧與鎖光弧之間的距離小于鎖光弧半徑。
2.一種導光管，其特征在于所述的導光管(2)為“U”型結構，內側鍍有反射層。
3.一種將不同方向的光轉為恒定方向光的裝置，其特征在于包括權利要求1所述的鎖光弧組和權利要求2所述的導光管，所述的鎖光弧組設置在導光管(2)上，鎖光弧組和導光管(2)構成鎖光機構。
4.一種將不同方向的光轉為恒定方向光的系統(tǒng)，其特征在于包括權利要求3中的鎖光機構，其中一個鎖光機構的入光面對著另一個鎖光機構的出光口( 3 )。
5.根據權利要求1所述的一種鎖光弧組，其特征在于所述的鎖光弧(1)設置至少有2個。
6.根據權利要求2所述的一種導光管，其特征在于所述的反射層為鋁反射層。
7.根據權利要求5所述的一種鎖光弧組，其特征在于所述的鎖光弧(1)為弧形板。
全文摘要
本發(fā)明涉及涉及一種將不同方向的光轉為恒定方向光的裝置。一種鎖光弧組，包括鎖光弧，所述的鎖光弧與鎖光弧之間的距離小于鎖光弧半徑，一種導光管，所述的導光管為U型結構，一種將不同方向的光轉為恒定方向光的裝置，所述的所光弧組設置在導光管上構成鎖光機構，一種將不同方向的光轉為恒定方向光的系統(tǒng)，包括鎖光機構，其中一個鎖光機構的入光面對著另一個鎖光機構的出光面。本發(fā)明是針對太陽光在空中位置不斷發(fā)生變化的情況下，設計了一套低成本的裝置，能夠保證無論入射光角度和頻率是多少，都能導入到光纖中；本發(fā)明無論成本還是壽命，都將遠遠優(yōu)于跟蹤太陽位置的設計方案，本發(fā)明光熱發(fā)電的成本遠遠低于光伏發(fā)電的成本，甚至遠遠低于煤電的成本。
文檔編號G02B6/00GK102253482SQ20111020815
公開日2011年11月23日 申請日期2011年7月25日 優(yōu)先權日2011年7月25日
發(fā)明者賈東明 申請人:賈東明