專利名稱：：一種日光聚光器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明提供了一種日光聚光器，屬于太陽(yáng)能應(yīng)用領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
：太陽(yáng)能是人類(lèi)最重要的能源。光伏發(fā)電和太陽(yáng)能熱利用是太陽(yáng)能兩個(gè)重要應(yīng)用領(lǐng)域。太陽(yáng)能屬于低品位能源，為了有效利用太陽(yáng)能，人們通過(guò)透鏡聚焦、定向反射、傅立葉透鏡等提高日光照射強(qiáng)度。這些方法或因復(fù)雜、或因成本高使應(yīng)用受到一定限制。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的主要目的在于提供一種易于加工、安裝、價(jià)格低、聚光倍數(shù)適中，并便于制作各種尺寸(特別是較大尺寸)的日光聚光器。此種聚光器可廣泛用于光伏發(fā)電、太陽(yáng)能熱利用(如太陽(yáng)能熱水器)，具有良好的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。本發(fā)明的技術(shù)方案如下本聚光器為一上開(kāi)口面積大于下開(kāi)口面積的空心的桶狀結(jié)構(gòu)，其上開(kāi)口做為日光入射面，其中間的任意一截面包括下開(kāi)口做為日光聚光面，內(nèi)壁為反光面，通過(guò)內(nèi)壁的反射將日光聚集于聚光面；所述聚光器的相對(duì)高度，即聚光器日光入射面到聚光面的高度h(h2、h3)與上開(kāi)口直徑山之比在0.1~1.2之間，內(nèi)壁的傾角Z2在12°~40°之間?？紤]加工、安裝更為方便，聚光器的相對(duì)高度可選在0.21之間，內(nèi)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采用高反射率材料鋁、銅、銀或陶瓷制作而成。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(kāi)口面積大于下開(kāi)口面積的空心桶狀結(jié)構(gòu)。AG、朋為內(nèi)壁，內(nèi)壁為光學(xué)反射面。0A為軸線，此軸線與日光L平行。上開(kāi)口AB為入射光平面，其直徑為山，下開(kāi)口GH為聚光面，其直徑為d:,。日光射到內(nèi)壁B點(diǎn)，經(jīng)反射到聚光面G點(diǎn)，射到B^B2點(diǎn)的光線經(jīng)反射后分別射到聚光面Gi、&點(diǎn)。設(shè)反射面AG、BH的反射系數(shù)為k(即內(nèi)壁的反射系數(shù)為k),則此聚光器的聚光倍數(shù)『kXdJ/d32，當(dāng)反射面AG、BH為全反面，即k二l，則聚光倍數(shù)n=di2/d32。因d,〉d3，故在聚光面GH的光功率密度高于入射面AB的光功率密度，達(dá)到聚光的效果。此種聚光器的聚光倍數(shù)可達(dá)9倍，考慮到加工、安裝等多種因素，此種聚光器理論上用于7倍以下最佳。為了得到最佳的聚光與使用效果，對(duì)本聚光器的結(jié)構(gòu)參數(shù)分析如下(1)較高聚光倍數(shù)的參數(shù)設(shè)B點(diǎn)的反射光剛好射到聚光面的G點(diǎn)，如圖2所示。當(dāng)光線L射到聚光器的內(nèi)壁反射面的B點(diǎn)，Li與軸線OA平行，經(jīng)B點(diǎn)作0,03的平行線交于聚光面GH的HuKJ(2為法線。令A(yù)B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(dāng)下開(kāi)口直徑d3及傾角Z2設(shè)定后，通過(guò)計(jì)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(dāng)?shù)撞?聚光面)直徑d:,設(shè)定后，聚光器內(nèi)壁的傾角Z2為不同數(shù)值時(shí)的d,，h3、h3/d,、d,Vd/等(聚光面GH直徑d:,長(zhǎng)度設(shè)定為100任意單位)<table>tableseeoriginaldocumentpage5</column></row><table>從表1可知，此種聚光器最大的聚光倍數(shù)約為9倍。h3/山為相對(duì)高度，相對(duì)高度小，加工容易?？紤]到加工成本及安裝等因素，h3/(Kl為宜，此時(shí)聚光倍數(shù)在7以下。(2)較低聚光倍數(shù)的參數(shù)若聚光面不是圖2中的GH，而是圖2中的CD,此時(shí)聚光面直徑加大，聚光倍數(shù)降低。如圖3所示，設(shè)光線L,射到內(nèi)壁B點(diǎn)，在B點(diǎn)反射后，剛好射到底部中心02，光線L4射到內(nèi)壁的B4，反射到C4。令A(yù)B^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(chǎn)垂d廣h2tgZ2即d!=2h2tg(Z2+Z3)......(4)d2=d「2h2tgZ2……(5)當(dāng)入射光線L與軸線0A有一定角度，則反射光將偏離中心點(diǎn)02，最大允許的偏離位置為C點(diǎn)和D點(diǎn)，此時(shí)相應(yīng)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(dāng)山、d2、h2三個(gè)變量中給出2個(gè)，則從式(4)、(5)、(6)可導(dǎo)出其余的參數(shù)。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(guò)計(jì)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(jì)算結(jié)果如表2所示。表2圖3所示的不同h2與山的比值(h2/d,)時(shí)，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<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>(3)聚光倍數(shù)與加工精度和調(diào)整精度的關(guān)系從表l、2可知，隨著聚光倍數(shù)的增加，聚光器的相對(duì)高度(b/dbh3/cU也隨之增加。相對(duì)高度增加則加工精度和調(diào)整精度也隨之增加。從表2可知，當(dāng)h2二0.5山時(shí)，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(dāng)入射光線與軸線OA偏離±13°48'時(shí)的①、②條光線，均能經(jīng)反射面AC、BD—次反射后，射到聚光面CD。從另一個(gè)角度也可認(rèn)為，此種聚光器能利用一定發(fā)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(yōu)點(diǎn)。此外，這種聚光器在聚光面上不可能出現(xiàn)過(guò)強(qiáng)的焦斑，光伏發(fā)電時(shí)具有不會(huì)因出現(xiàn)焦斑而損傷光電池的優(yōu)點(diǎn)。(4)、聚光器的材料與結(jié)構(gòu)構(gòu)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、陶瓷等制成，如圖5、圖l。圖1的聚光器為金屬材料制作的反射面，圖5用陶瓷制作的聚光器，陶瓷不但具有高的反射率，而且有很長(zhǎng)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(jù)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(jié)構(gòu)，使聚光器易于作成較大的尺寸。能制作大尺寸的聚光器，也是這種聚光器的一個(gè)優(yōu)勢(shì)。此種聚光器的反射層也可在塑料等材料上蒸發(fā)鋁、銀等構(gòu)成，還可以用很薄的金屬薄片覆蓋在這些材料上構(gòu)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(nèi)壁為高反射的光學(xué)面，通過(guò)內(nèi)壁的反射來(lái)聚集日光的結(jié)構(gòu)均可作成此類(lèi)聚光器。本發(fā)明提供了一種易于加工和安裝，調(diào)整跟蹤精度要求不高，聚光倍數(shù)適中，便于制作各種尺寸(特別是大尺寸)、價(jià)格低廉的聚光器。本發(fā)明可應(yīng)用于聚光光伏發(fā)電、太陽(yáng)能的熱利用如太陽(yáng)能熱水器、化工、紡織領(lǐng)域、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療等領(lǐng)域。圖l是聚光器的原理圖2是聚光器較高聚光倍數(shù)的光路圖3是聚光器較低聚光倍數(shù)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(tài)圖5是反射面為陶瓷的聚光器；圖6是用分離部件構(gòu)成的聚光器的示意圖(用四個(gè)曲面構(gòu)成的聚光器);圖7是襯底上蒸發(fā)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(gòu)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(nèi)壁為高反射面，入射面的面積大于出射面(聚光面)的面積，均可構(gòu)成此類(lèi)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(shí)施例方式實(shí)施例l:參見(jiàn)圖l，聚光器為一上開(kāi)口面積大于下開(kāi)口面積的空心的桶狀結(jié)構(gòu)，其上開(kāi)口AB為日光入射面，下開(kāi)口GH為日光聚光面，內(nèi)壁AG、BH為反光面，通過(guò)內(nèi)壁的反射將日光聚集于下開(kāi)口的聚光面，其橫截面為圓形，內(nèi)壁采用陶瓷材料制作，為整體式結(jié)構(gòu)，聚光器從日光入射面到日光聚光面的高度h3為49Mi，上開(kāi)口直徑di為168.4mm，下開(kāi)口直徑山為100mm。日光射到內(nèi)壁B點(diǎn)，經(jīng)反射到聚光面G點(diǎn)，Bt、B2點(diǎn)的光線經(jīng)反射后分別射到聚光面G,、G2點(diǎn)，此聚光器的聚光倍數(shù)為2.84倍。實(shí)施例2:聚光器高度h3為137.5咖，上開(kāi)口直徑d!為229.1mm,下開(kāi)口直徑d為100mm，聚光器由4個(gè)分離件構(gòu)成，橫截面為圓形，反光面為鋁，此聚光器的聚光倍數(shù)為5.24倍。實(shí)施例3:聚光器高度h3為322.3mm，上開(kāi)口直徑山為273.1mm，下開(kāi)口直徑(13為100min，聚光器由4個(gè)分離件構(gòu)成，橫截面為圓形，反光面為鋁，此聚光器的聚光倍數(shù)為7.46倍。為了對(duì)本發(fā)明進(jìn)行檢驗(yàn)，我們進(jìn)行了試驗(yàn)測(cè)試。1、聚光與不聚光的光功率密度的比較測(cè)試如圖9所示，將激光功率探頭2的接收面，置于本發(fā)明聚光器1的下開(kāi)口即聚光面，讓接收面與聚光面處于同一平面。接收面上加lcm2的光闌，則光功率計(jì)測(cè)出的數(shù)據(jù)為光功率密度，數(shù)據(jù)由表3讀出。此光功率計(jì)為量熱型功率計(jì)，響應(yīng)波段為0.25um-25ym，分辨率為10uw。比較測(cè)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(cè)試結(jié)果如表3所示。表3表明，本發(fā)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(cè)試<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>2、聚光光伏的實(shí)驗(yàn)圖10為利用本發(fā)明的聚光器提高光伏功率的實(shí)驗(yàn)。圖中1為聚光器、4為光伏單元片。光伏單元片4置于聚光器聚光面，光伏單元片4的輸出供給負(fù)載R，記錄R上的電壓，可得相應(yīng)的光伏功率。此聚光器為5號(hào)聚光器。在同樣位置和方位和相同時(shí)間，測(cè)量不同聚光器的光伏功率。測(cè)試結(jié)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(hào)聚光器)對(duì)光伏功率的影響<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>權(quán)利要求1、一種日光聚光器，其特征在于本聚光器為一上開(kāi)口面積大于下開(kāi)口面積的空心的桶狀結(jié)構(gòu)，其上開(kāi)口做為日光入射面，其中間的任意一截面包括下開(kāi)口做為日光聚光面，內(nèi)壁為反光面，通過(guò)內(nèi)壁的反射將日光聚集于日光聚光面上；所述聚光器的相對(duì)高度，即聚光器的日光入射面到聚光面的高度h與上開(kāi)口直徑d1之比在0.1～1.2之間，內(nèi)壁的傾角∠2在12°～40°之間。2、根據(jù)權(quán)利要求l所述的日光聚光器，其特征在于所述聚光器的相對(duì)高度在0.21之間，內(nèi)壁傾角Z2在15°35°之間。3、根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的日光聚光器，其特征在于所述聚光器的橫截面為圓形、跑道形或矩形。4、根據(jù)權(quán)利要求3所述的日光聚光器，其特征在于所述聚光器的反光面采用高反射率材料鋁、銅、銀或陶瓷制作而成。5、根據(jù)權(quán)利要求3所述的日光聚光器，其特征在于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(fā)明提供一種日光聚光器，其為一上開(kāi)口面積大于下開(kāi)口面積的空心的桶狀結(jié)構(gòu)，其上開(kāi)口做為日光入射面，其中間的任意一截面包括下開(kāi)口做為日光聚光面，內(nèi)壁為反光面，通過(guò)內(nèi)壁的反射將日光聚集于日光聚光面上；所述聚光器的相對(duì)高度，即聚光器的日光入射面到聚光面的高度h與上開(kāi)口直徑d₁之比在0.1～1.2之間，內(nèi)壁的傾角∠2在12°～40°之間。該聚光器具有易于加工、安裝、價(jià)格低、聚光倍數(shù)適中，并便于制作各種尺寸等特點(diǎn)。此種聚光器可用于太陽(yáng)能光伏發(fā)電、太陽(yáng)能熱利用等領(lǐng)域，具有良好的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。文檔編號(hào)F24J2/10GK101430420SQ20081023336公開(kāi)日2009年5月13日申請(qǐng)日期2008年12月17日優(yōu)先權(quán)日2008年12月17日發(fā)明者周志康申請(qǐng)人:重慶京渝激光生物研究所