專利名稱：一種綜合利用光能的方法和系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種將太陽能與其它能源相結(jié)合的光能利用方法與系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
現(xiàn)代社會中，照明，加熱和制冷占據(jù)商業(yè)總體用電的約50%，其中照明約為25%， 取暖約為14%，制冷約為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(shù)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(dāng)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?shù)臐崈艄庠?。但是，現(xiàn)代建筑物往往只通過有限的玻璃窗戶等采集自然光，因為需要平衡采光與取暖或降溫之間的能量需求。隨著人類進(jìn)入電能主動照明時代，以電能驅(qū)動的發(fā)光系統(tǒng)因為電力的穩(wěn)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(huán)境保護(hù)的日趨重視，一系列直接利用太陽能的照明技術(shù)得到了發(fā)展。這些技術(shù)可以分為三大類。第一類將太陽能轉(zhuǎn)化為電能，與傳統(tǒng)電網(wǎng)相連，使電能驅(qū)動的發(fā)光系統(tǒng)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(fā)電本身的效率目前為10-20%， 電能轉(zhuǎn)化為光能的效率又很低，最終只有約2%的太陽能轉(zhuǎn)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(shù)。第二類采用光管或透明介質(zhì)(如天窗，透明屋頂?shù)?，直接將太陽光引入建筑物內(nèi)。比如，美國S0LATUBE公司采用一個穹頂大角度采集太陽光，然后將光能由反射管引入室內(nèi)。該方法的優(yōu)點為以較低成本引自然光入室內(nèi)照明。缺點為照明強度不穩(wěn)定，需要兩套照明系統(tǒng)以保證全天侯照明。另外，其有效距離有限，難以解決大型建筑物的總體照明問題。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(tǒng)。在這類系統(tǒng)中，太陽光能被直接聚進(jìn)光導(dǎo)結(jié)構(gòu)中， 由傳感器測量應(yīng)用區(qū)光能的變化，當(dāng)應(yīng)用區(qū)的亮度不夠時，由電力系統(tǒng)補償不足的光能部分，從而保證全天侯穩(wěn)定照明。這種方式是最先進(jìn)的，長遠(yuǎn)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(guān)研究項目。其優(yōu)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(zhì)量與健康度；(B)降低了人工能源消耗，同時降低了建筑物的制冷能耗；(C)有利于大規(guī)模降低C02排放；⑶可以達(dá)到傳統(tǒng)照明技術(shù)的可靠性與高質(zhì)量。但是，現(xiàn)有的混合型照明系統(tǒng)還是存在以下問題1.對于每個照明單元都需要自然光采集和電力照明兩套系統(tǒng)，這導(dǎo)致最終的照明成本很難降低。2.在應(yīng)用區(qū)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(qū)，可能產(chǎn)生電弧而發(fā)生爆炸。本發(fā)明為第三類技術(shù)，著眼于更系統(tǒng)化地解決此類方案的核心環(huán)節(jié)，提高照明容量與質(zhì)量，同時降低成本，使其迅速成為人類的主流照明技術(shù)。該系統(tǒng)還可以用于加熱，進(jìn)一步減少人類的能量負(fù)擔(dān)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種新型的混合型照明方法與系統(tǒng)，節(jié)約成本， 降低火災(zāi)與觸電風(fēng)險，使其迅速成為人類的主流照明技術(shù)。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)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(jìn)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(nèi)的光強，當(dāng)光強不足時通過設(shè)于所述綜合腔內(nèi)的電力照明裝置進(jìn)行補償；d.所述光能綜合腔內(nèi)的自然光與電力照明耦合入一光導(dǎo)輸出單元的輸入口， 并通過所述光導(dǎo)輸出單元傳輸至應(yīng)用區(qū)。本發(fā)明匯聚的自然光與電力照明在光能綜合腔內(nèi)綜合，當(dāng)自然光不足時，通過電力照明補償，最后的輸出是自然光與電力照明的光能疊加；采用了集中型光能供給，在應(yīng)用區(qū)不再需要光導(dǎo)、電力兩套系統(tǒng)，降低了成本；且輸出到應(yīng)用區(qū)的是相對純粹的光能，比傳統(tǒng)的電力照明系統(tǒng)更為安全。本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)在于，可通過鏡面反射，透射或平面散射三種方式來實現(xiàn)自然光的匯聚。本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)在于，輸出的光能可通過散射介質(zhì)的漫反射后用于照明，也可以通過光熱轉(zhuǎn)化介質(zhì)作用后產(chǎn)生熱能。本發(fā)明還提供了一種綜合利用光能的系統(tǒng)，包括一光能匯聚裝置，用于匯聚自然光；一光能綜合腔，用于接收所述光能匯聚裝置匯聚的光能；所述光能綜合腔內(nèi)設(shè)有傳感器，電力照明裝置以及光導(dǎo)輸出單元，且所述光能綜合腔內(nèi)表面為高反射面。


圖1為本發(fā)明的總體原理示意圖；圖2為本發(fā)明的反射式太陽能收集系統(tǒng)示意圖；圖3為反射式太陽能收集系統(tǒng)中用到的光能綜合腔示意圖；圖4為本發(fā)明的透射式太陽能收集系統(tǒng)示意圖；圖5為本發(fā)明的散射式太陽能收集系統(tǒng)示意圖；圖6為透射式、散射式太陽能收集系統(tǒng)中用到的光能綜合腔示意圖；圖7為光能應(yīng)用單元示意圖；圖8為熱能應(yīng)用單元示意圖。
具體實施例方式下面結(jié)合具體實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。參閱圖1所示，顯示了本發(fā)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(jìn)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(nèi)，通過一傳感器檢測光強，當(dāng)光強不能滿足應(yīng)用需求時，中心調(diào)控系統(tǒng)根據(jù)應(yīng)用需求量控制由電網(wǎng)供電的電力照明裝置進(jìn)行補償，最后在綜合腔內(nèi)電力照明與自然光相加，耦合入一光導(dǎo)輸出單元的輸入口，并通過所述光導(dǎo)輸出單元傳輸至應(yīng)用區(qū)。參閱圖2 6所示，本發(fā)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復(fù)數(shù)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(nèi)，反射陣列10可以根據(jù)太陽的軌跡，通過計算機(jī)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(jié)構(gòu)31架到適當(dāng)高度，配合圖3所示，光能綜合腔 30外部材料主要是起內(nèi)部結(jié)構(gòu)保護(hù)作用，故可以用多種材料制備，如金屬，玻璃等，在腔體上設(shè)置有一透射帶32供反射光線射入，腔體內(nèi)部除所述透射帶32區(qū)域外均為高反射結(jié)構(gòu) (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(dǎo)輸出單元35，在光導(dǎo)輸出單元35可以是任何的耦合光導(dǎo)結(jié)構(gòu)，包括光纖，反射類光導(dǎo)結(jié)構(gòu)(光管)等，在光導(dǎo)輸出單元35的端部形成有一輸入口 351，其結(jié)構(gòu)為光導(dǎo)結(jié)構(gòu)，如集束狀的光導(dǎo)纖維或由高反射鏡面組成的光導(dǎo)通道；太陽光20經(jīng)過反射陣列10反射后經(jīng)由透射帶32進(jìn)入光能綜合腔30內(nèi)部，經(jīng)過腔體內(nèi)表面反射后自輸入口 351耦合入光導(dǎo)輸出單元35傳向應(yīng)用區(qū)，在該過程中傳感器 33用于檢測光能綜合腔30的光能的強度并反饋給中心調(diào)控系統(tǒng)，當(dāng)強度不能滿足應(yīng)用需求時，中心調(diào)控系統(tǒng)控制電力照明裝置34用于補償腔體內(nèi)的光場，以便保證指定的光能輸出，這里的電力照明裝置34包括任何適合的電力驅(qū)動的照明，如發(fā)光二極管，二極管激光器，光纖激光器，傳統(tǒng)燈具及高能燈等等，通常，高強度光能不一定適用于直接照明，但這里通過輸出前及應(yīng)用時的混合及散射等手段將其均勻化，變得適于照明。另外，除了上述封閉式的光導(dǎo)輸出外，還可以在光能綜合腔30外表面設(shè)置高反射區(qū)，將匯聚來的太陽光直接定點反射往應(yīng)用區(qū)。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(dǎo)輸入單元41 (光纖、光管)，再經(jīng)眾多的光導(dǎo)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(xué)系統(tǒng)來實現(xiàn)，F(xiàn)resnal透鏡具有大面積聚集能力，由于可以用聚碳酸酯等塑料類材料壓制生產(chǎn)，其制造成本相對低廉，適于大規(guī)模太陽能應(yīng)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(qū)別在于光能綜合腔30表面不再設(shè)置透射帶，而是通過光導(dǎo)輸入單元41的直接耦合入光導(dǎo)輸出單元35的輸入口 351，并且在光導(dǎo)輸入單元41的輸出口與光導(dǎo)輸出單元35的輸入口 351之間設(shè)置一分光鏡36，光導(dǎo)輸入單元41傳輸來的自然光經(jīng)分光鏡36以一定比例的部分(如< )反射入傳感器33，大部分光纖光能則直接耦合入輸入口 351，由此傳感器33對自然光的強度進(jìn)行檢測并反饋給中心調(diào)控系統(tǒng)。再配合圖5所示，散射型光能匯聚裝置通過一散射光導(dǎo)體50將自然光匯聚入光導(dǎo)輸入單元51，再經(jīng)眾多的光導(dǎo)輸入單元51傳輸至光能綜合腔30 ；其中，散射光導(dǎo)體50的上表面為透射層允許光能透過，下表面和周邊均為高反射結(jié)構(gòu)，而在散射光導(dǎo)體50內(nèi)部則由透明的玻璃或塑料材料中混入散射介質(zhì)(如微小晶體)來制成；這樣一來，入照太陽光不會象普通玻璃一樣透射出去，而是會經(jīng)過晶體的漫反射和界面的鏡面反射后匯聚在散射光導(dǎo)體50中，直到到達(dá)邊沿的光導(dǎo)輸入單元51中；該散射型方案結(jié)構(gòu)緊湊，可以擴(kuò)展到較大面積(> 1平方米)，又可以達(dá)到10倍以上的匯聚度(匯聚面的光強與太陽光的光強之比)，由于方便安裝，該方案適合于中小型采光等需求；在該散射型的實施例中，光能綜合腔30的結(jié)構(gòu)與應(yīng)用同樣如圖6所示，與前述透射型相同，故不再重復(fù)描述。上述的光能綜合腔30可以采取旋轉(zhuǎn)對稱的橢圓球形結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)可以將光導(dǎo)輸出單元35的輸入口 351設(shè)置在橢圓形反射面的焦點處實現(xiàn)，也可以是其它形狀，其目的是實現(xiàn)電力發(fā)光和自然光的綜合。圖7為光能應(yīng)用單元的一種實施例，光導(dǎo)輸出單元35將光能輸入到各個應(yīng)用單元，如辦公室，車庫等，光能通過光能調(diào)節(jié)單元60控制其通斷，光能調(diào)節(jié)單元60可以由一個開關(guān)控制一個反射鏡片61的位置來實現(xiàn)反射片61抬起，光線耦合到終端光導(dǎo)62 ；反射片 61落下，光線反射回去。另外地，可以引入光閥結(jié)構(gòu)，用于連續(xù)調(diào)節(jié)應(yīng)用單元的光場強度。 終端光導(dǎo)62將光能引入高反射腔63，高反射腔63內(nèi)為散光介質(zhì)64(如Si02晶體等)，光能經(jīng)過散射介質(zhì)64的漫反射后，自輸出端65輸出；輸出端65可以進(jìn)一步安裝色彩調(diào)制層， 以便產(chǎn)生多種所需的照明色調(diào)。圖8為熱能應(yīng)用單元的一種實施例，光導(dǎo)輸出單元35可以將能量光能傳到遠(yuǎn)處， 再將光能轉(zhuǎn)化為熱能，光能通過光能調(diào)節(jié)單元60控制其通斷，光能調(diào)節(jié)單元60可以由一個開關(guān)控制一個反射鏡片61的位置來實現(xiàn)反射片61抬起，光線耦合到終端光導(dǎo)62 ；反射片 61落下，光線反射回去。另外地，可以引入光閥結(jié)構(gòu)，用于連續(xù)調(diào)節(jié)應(yīng)用單元的光場強度。 終端光導(dǎo)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(nèi)為散光及光熱轉(zhuǎn)化介質(zhì)71 (如多種鹽類溶液等)，光能經(jīng)過散光及光熱轉(zhuǎn)化介質(zhì)71作用后產(chǎn)生熱能，自輸出端 72輸出，所輸出的熱能可以用于各種用途，包括熱水，烘干等。
權(quán)利要求
1.一種綜合利用光能的方法，其特征在于包括以下步驟a.通過光能匯聚裝置對自然光進(jìn)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(nèi)的光強，當(dāng)光強不足時通過設(shè)于所述綜合腔內(nèi)的電力照明裝置進(jìn)行補償；d.所述光能綜合腔內(nèi)的自然光與電力照明耦合入一光導(dǎo)輸出單元的輸入口，并通過所述光導(dǎo)輸出單元傳輸至應(yīng)用區(qū)。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于自然光被反射至所述光能綜合腔，并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(jīng)所述綜合腔內(nèi)表面反射后匯聚至所述光導(dǎo)輸出單元的輸入口，并耦合入所述光導(dǎo)輸出單元。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于根據(jù)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(quán)利要求1所述的方法，其特征在于自然光通過透射匯聚，再經(jīng)過一光導(dǎo)輸入單元傳輸至所述光能綜合腔；所述光導(dǎo)輸入單元輸出的自然光直接耦合入所述光導(dǎo)輸出單元的輸入口，所述電力照明經(jīng)過所述綜合腔內(nèi)表面反射后匯聚至所述光導(dǎo)輸出單元的輸入口。
5.如如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于自然光通過Fresnal透鏡匯聚。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于自然光通過散射匯聚，再通過一光導(dǎo)輸入單元傳輸至所述光能綜合腔；所述光導(dǎo)輸入單元輸出的自然光直接耦合入所述光導(dǎo)輸出單元的輸入口，所述電力照明經(jīng)過所述綜合腔內(nèi)表面反射后匯聚至所述光導(dǎo)輸出單元的輸入口。
7.如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于自然光自一散射光導(dǎo)體的上表面進(jìn)入，經(jīng)過所述散射光導(dǎo)體內(nèi)散射介質(zhì)的漫反射，以及散射光導(dǎo)體下表面與周邊的反射，在所述散射光導(dǎo)體內(nèi)實現(xiàn)匯聚。
8.如權(quán)利要求1至7中任一項所述的方法，其特征在于所述光導(dǎo)輸出單元將綜合后的光能傳輸至一高反射腔體，所述光能經(jīng)過所述高反射腔體內(nèi)散射介質(zhì)的漫反射后，自所述高反射腔體的光輸出端輸出。
9.如權(quán)利要求1至7中任一項所述的方法，其特征在于所述光導(dǎo)輸出單元將綜合后的光能傳輸至一高反射高絕熱腔體，所述光能經(jīng)過所述高反射高絕熱腔體內(nèi)的散射及光熱轉(zhuǎn)化介質(zhì)作用后產(chǎn)生熱能，并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(tǒng)，其特征在于包括一光能匯聚裝置，用于匯聚自然光；一光能綜合腔，用于接收所述光能匯聚裝置匯聚的光能；所述光能綜合腔內(nèi)設(shè)有傳感器，電力照明裝置以及光導(dǎo)輸出單元，且所述光能綜合腔內(nèi)表面為高反射面。
11.如權(quán)利要求10所述的系統(tǒng)，其特征在于所述光能匯聚裝置為一由復(fù)數(shù)塊反射鏡組成的反射陣列，所述光能綜合腔上設(shè)有透射帶。
12.如權(quán)利要求10所述的系統(tǒng)，其特征在于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(dǎo)輸入單元連接。
13.如權(quán)利要求10所述的系統(tǒng)，其特征在于所述光能匯聚裝置為散射光導(dǎo)體，所述散射光導(dǎo)體上表面為透射層，下表面與周邊的反射層，在散射光導(dǎo)體內(nèi)部設(shè)有散射介質(zhì)。
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(jìn)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(nèi)的光強，當(dāng)光強不足時通過設(shè)于所述綜合腔內(nèi)的電力照明裝置進(jìn)行補償；d.所述光能綜合腔內(nèi)的自然光與電力照明耦合入一光導(dǎo)輸出單元的輸入口，并通過所述光導(dǎo)輸出單元傳輸至應(yīng)用區(qū)。本發(fā)明匯聚的自然光與電力照明在光能綜合腔內(nèi)綜合，當(dāng)自然光不足時，通過電力照明補償，最后的輸出是自然光與電力照明的光能疊加；采用了集中型光能供給，在應(yīng)用區(qū)不再需要光導(dǎo)、電力兩套系統(tǒng)，降低了成本；且輸出到應(yīng)用區(qū)的是相對純粹的光能，比傳統(tǒng)的電力照明系統(tǒng)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(yōu)先權(quán)日2010年4月28日
發(fā)明者唐權(quán), 張文武 申請人:唐權(quán), 張文武