專利名稱：聚光式太陽(yáng)能綜合收集與轉(zhuǎn)化裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及太陽(yáng)能電池領(lǐng)域，尤其涉及一種聚光裝置以及太陽(yáng)能綜合收集與轉(zhuǎn)化裝置。
背景技術(shù)：
太陽(yáng)光是取之不盡用之不竭的清潔能源。當(dāng)前對(duì)太陽(yáng)能的利用方式主要是利用 可見(jiàn)光波段用于加熱物體、發(fā)電或者照明。利用太陽(yáng)能加熱物體的典型應(yīng)用是目前被廣泛 使用的太陽(yáng)能熱水器，這種裝置是利用的太陽(yáng)光對(duì)物體的加熱作用來(lái)將光能直接轉(zhuǎn)化成熱 能。而利用太陽(yáng)能照明是將太陽(yáng)光通過(guò)光導(dǎo)纖維導(dǎo)入至室內(nèi)，例如地下室或者大型場(chǎng)館的 內(nèi)部空間直接進(jìn)行照明。而利用太陽(yáng)能發(fā)電主要是指太陽(yáng)能電池，利用半導(dǎo)體的光伏效應(yīng) 將光能轉(zhuǎn)化成電能，主要包括單晶硅、多晶硅以及化合物半導(dǎo)體等各種形式的太陽(yáng)能電池?，F(xiàn)有對(duì)太陽(yáng)能的能量利用方式面臨的問(wèn)題在于，同一種設(shè)備的光譜資源利用方式 單一，單位面積上的太陽(yáng)光如果被發(fā)電裝置吸收，就不能同時(shí)用來(lái)照明，如果被加熱裝置吸 收就不能同時(shí)用于發(fā)電和照明。而每一種設(shè)備實(shí)質(zhì)上只利用了某一波段的光譜資源，例如 加熱主要利用的是紅外波段，照明利用的是可見(jiàn)光波段，而發(fā)電所利用的波段則是由太陽(yáng) 能電池的PN結(jié)的禁帶寬度所決定的某個(gè)波段。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是，提供一種聚光式太陽(yáng)能綜合收集與轉(zhuǎn)化裝置，能 夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)太陽(yáng)光全譜的綜合利用。為了解決上述問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種聚光式太陽(yáng)能綜合收集與轉(zhuǎn)化裝置，包括 聚光裝置，還包括分光裝置和多個(gè)太陽(yáng)光利用裝置；所述聚光裝置用于收集太陽(yáng)光并傳導(dǎo) 至分光裝置；所述分光裝置將收集到的太陽(yáng)光按照波段分離成多束獨(dú)立的光線，并分別傳 入對(duì)應(yīng)的太陽(yáng)光利用裝置；所述多個(gè)太陽(yáng)光利用裝置各自利用不同波段的太陽(yáng)光。作為可選的技術(shù)方案，所述分光裝置所分離的多束獨(dú)立光線中每一條均各自獨(dú)立 地包括紫外光、可見(jiàn)光和紅外光中的至少一種，太陽(yáng)光利用裝置對(duì)應(yīng)包括太陽(yáng)能照明裝置 和太陽(yáng)能加熱/發(fā)電裝置。作為可選的技術(shù)方案，所述分光裝置包括一個(gè)或者多個(gè)濾波片，所述濾波片能夠 將一指定波段的光透射，而使其余各波段的光反射，每個(gè)濾波片反射不同波段的光線，所述 濾波片的濾波材料選自于折射率有一定差異的雙層膜料。作為可選的技術(shù)方案，所述分光裝置包括一可見(jiàn)光濾波片，所述可見(jiàn)光濾波片的 濾波材料例如但不限于二氧化硅和五氧化二鉭，所述可見(jiàn)光濾波片能夠?qū)⒖梢?jiàn)光透射，而 將紅外和紫外波段的光反射。作為可選的技術(shù)方案，所述分光裝置進(jìn)一步包括一全反射片，所述全反射片對(duì)所 有波段的可見(jiàn)光都具有反射作用
作為可選的技術(shù)方案，所述太陽(yáng)能照明裝置包括一玻璃錐柱以及一光導(dǎo)管，所述玻璃錐柱的直徑較大一端對(duì)準(zhǔn)從分光裝置分離出的可見(jiàn)光，直徑較小的一端對(duì)準(zhǔn)光導(dǎo)管。作為可選的技術(shù)方案，所述光導(dǎo)管選自于空心塑料管、玻璃纖維、塑料纖維以及實(shí) 心光纖中的一種。作為可選的技術(shù)方案，進(jìn)一步包括太陽(yáng)光追光裝置。作為可選的技術(shù)方案，所述追光裝置內(nèi)置有太陽(yáng)位置與經(jīng)緯度以及時(shí)間的關(guān)系， 能夠通過(guò)讀取所述太陽(yáng)能綜合收集與轉(zhuǎn)化裝置所在地的經(jīng)緯度以及時(shí)間，自動(dòng)計(jì)算出太陽(yáng) 的位置，以實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)光的追光。作為可選的技術(shù)方案，所述追光裝置進(jìn)一步包括兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)，其中一個(gè)電機(jī)實(shí) 現(xiàn)水平面上的角度掃描，另外一個(gè)電機(jī)實(shí)現(xiàn)垂直方向的角度掃描。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于通過(guò)設(shè)置分光裝置，對(duì)入射的太陽(yáng)光按照不同的波段進(jìn)行分 離，將不同波段的光線導(dǎo)入至不同的裝置，例如太陽(yáng)能照明裝置和太陽(yáng)能加熱/發(fā)電裝置 等，以實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)光全光譜的綜合利用。本發(fā)明能使紫外到紅外光都能都到有效利用?？?見(jiàn)光用于改善室內(nèi)、地下等空間的照度，與此同時(shí)，對(duì)人體有害的紫外，以及攜帶熱量最多 的紅外波段陽(yáng)光被收集于特定的熱水器或者聚光太陽(yáng)能中，用于采暖或者供電。通過(guò)進(jìn)一步設(shè)置全反射片，當(dāng)不需要照明時(shí)，所有的光譜都被切換到聚光系統(tǒng)中， 用于發(fā)電或者采暖。通過(guò)進(jìn)一步設(shè)置無(wú)探測(cè)器的自動(dòng)追光系統(tǒng)，使得太陽(yáng)光的綜合利用效率最高。


附圖IA所示是本發(fā)明的具體實(shí)施方式
所述聚光式太陽(yáng)能綜合收集與轉(zhuǎn)化裝置的 結(jié)構(gòu)示意圖。附圖IB是從另一方向繪制附圖IA所示聚光式太陽(yáng)能綜合收集與轉(zhuǎn)化裝置的結(jié)構(gòu) 示意圖。附圖2A所示是本發(fā)明的具體實(shí)施方式
所述聚光裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。附圖2B是附圖2A所示聚光裝置的光路簡(jiǎn)圖。附圖3A是本發(fā)明的具體實(shí)施方式
所述分光裝置以及與之配合的太陽(yáng)光利用裝置 的結(jié)構(gòu)示意圖。附圖;3B是采用二氧化硅和五氧化二鉭作為濾波材料時(shí)，入射波長(zhǎng)與透射率之間 的關(guān)系示意圖。附圖3C是附圖IB與附圖3A所示的太陽(yáng)能照明裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明提供的一種聚光式太陽(yáng)能綜合收集與轉(zhuǎn)化裝置的具體實(shí) 施方式做詳細(xì)說(shuō)明。附圖IA所示是本具體實(shí)施方式
所述聚光式太陽(yáng)能綜合收集與轉(zhuǎn)化裝置的結(jié)構(gòu)示 意圖，包括底座10、支架11、聚光裝置12以及追光裝置14。太陽(yáng)光照射至聚光裝置12后， 被聚焦至聚光裝置12的中心位置并射入至圖1所示聚光裝置12的背面，此處設(shè)置有分光 裝置和太陽(yáng)光利用裝置等(后文將詳細(xì)敘述)，對(duì)太陽(yáng)光進(jìn)行進(jìn)一步的利用。追光裝置14包 括兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)，其中一個(gè)電機(jī)實(shí)現(xiàn)水平面上的角度掃描，另外一個(gè)電機(jī)實(shí)現(xiàn)垂直方向的角度掃描。圖1所示的設(shè)置在底座10水平面上的齒輪141受實(shí)現(xiàn)水平面角度掃面的電機(jī) 控制，步進(jìn)電機(jī)通過(guò)渦輪蝸桿(齒輪)結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)聚光裝置12，實(shí)現(xiàn)水平面上的角度掃描。附圖IB是從另一方向繪制附圖IA所示聚光式太陽(yáng)能綜合收集與轉(zhuǎn)化裝置的結(jié)構(gòu) 示意圖，可以看到在附圖IA中被遮擋的結(jié)構(gòu)，包括分光裝置13、太陽(yáng)能照明裝置151以及構(gòu) 成追光裝置14另一個(gè)垂直設(shè)置的齒輪142。聚光裝置12收集的太陽(yáng)光被傳導(dǎo)至分光裝置 13。分光裝置13將收集到的太陽(yáng)光按照波段分離成多束獨(dú)立的光線，并分別傳入對(duì)應(yīng)的太 陽(yáng)光利用裝置，本具體實(shí)施方式
即包括太陽(yáng)能照明裝置151，此裝置利用的是太陽(yáng)光的可見(jiàn) 光波段。垂直設(shè)置的齒輪142通過(guò)軸承與聚光裝置12連接，使得聚光裝置12實(shí)現(xiàn)垂直方 向的角度掃描。追光裝置12的實(shí)現(xiàn)方式有很多中，本實(shí)施方式采用了內(nèi)置有太陽(yáng)位置與經(jīng)緯度 以及時(shí)間關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)的追光裝置。追光裝置12通過(guò)讀取太陽(yáng)能綜合收集與轉(zhuǎn)化裝置所在 地的經(jīng)緯度以及時(shí)間，自動(dòng)計(jì)算出太陽(yáng)的位置，并驅(qū)動(dòng)兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)水平面和垂直面 上的角度掃描，以實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)光的追蹤。這種自動(dòng)追光系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)在于省卻了太陽(yáng)位置探 測(cè)器，從而減少了驅(qū)動(dòng)探測(cè)器而帶來(lái)的額外功耗以及省去了探測(cè)器所占用的太陽(yáng)光照射面 積，因此提高了太陽(yáng)光的綜合利用效率。附圖2A所示是本具體實(shí)施方式
所述聚光裝置12的結(jié)構(gòu)示意圖，包括兩個(gè)共焦的 拋物面反射器，第一反射器21以及第二反射器22，以及一個(gè)玻璃透鏡23。第一反射器21 的面積大于第二反射器22的面積，兩者相對(duì)設(shè)置用于聚攏并壓縮太陽(yáng)光，玻璃透鏡23的作 用在于將壓縮后的太陽(yáng)光聚焦以便后續(xù)利用。附圖2B是附圖2A所示聚光裝置的光路簡(jiǎn)圖。從附圖2B可以很明顯地看出，兩個(gè) 反射器21與22的反射面相對(duì)設(shè)置，且焦點(diǎn)重合，這樣能使照射在第一反射器21上的太陽(yáng) 光通過(guò)兩次反射聚攏在第二反射器22所包含的面積上，使得太陽(yáng)光更容易聚焦。第一反射 器21的中心具有一通孔，玻璃透鏡23設(shè)置在此通孔處，具體地說(shuō)，玻璃透鏡是設(shè)置在通過(guò) 第二反射器22的反射光線的光路上，以聚焦從第二反射器22反射出的平行的太陽(yáng)光。從 上面的敘述可以看出，聚光裝置12能將較大面積的入射太陽(yáng)光聚焦在一個(gè)很小的焦點(diǎn)上， 從而便于后端接受和處理。以上聚光裝置12的一種實(shí)現(xiàn)方式，本領(lǐng)域內(nèi)技術(shù)人員還可以設(shè) 計(jì)其他結(jié)構(gòu)的聚光裝置，達(dá)到將太陽(yáng)光聚攏起來(lái)的目的。附圖3A是本具體實(shí)施方式
所述分光裝置13以及與之配合的太陽(yáng)光利用裝置的結(jié) 構(gòu)示意圖。分光裝置13包括一可見(jiàn)光濾波片31以及一全反射片32，兩者固定在一旋轉(zhuǎn)機(jī) 構(gòu)33上。太陽(yáng)光利用裝置包括太陽(yáng)能照明裝置151以及太陽(yáng)能發(fā)電裝置152(此處的太陽(yáng) 能發(fā)電裝置152也替之以太陽(yáng)能加熱裝置)?？梢?jiàn)光濾波片131由玻璃以及涂敷在玻璃表面 的濾波材料構(gòu)成。濾波材料選自于于折射率有一定差異的雙層膜料，例如但不限于二氧化 硅和五氧化二鉭構(gòu)成的雙層膜層，此可見(jiàn)光濾波片131能夠?qū)⒖梢?jiàn)光透射，而將紅外和紫 外波段的光反射。故所分離的兩束光中，一束包含可見(jiàn)光，而另一束包含紅外光和紫外光。 全反射片32的作用在于通過(guò)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)33驅(qū)動(dòng)該全反射片32至附圖3A所示的可見(jiàn)光濾波 片31的位置，切斷入射光進(jìn)入至太陽(yáng)能照明裝置151，起到光學(xué)開(kāi)關(guān)的作用，另一方面，當(dāng) 太陽(yáng)能發(fā)電裝置152 (或太陽(yáng)能加熱裝置)需要可見(jiàn)光參與時(shí)，全反射片32可以起到將可 見(jiàn)光導(dǎo)入至太陽(yáng)能發(fā)電裝置152 (或太陽(yáng)能加熱裝置)的作用。也可以通過(guò)改變分光裝置13的濾波材料，使所分離的多束獨(dú)立光線中每一條均各自獨(dú)立地包括紫外光、可見(jiàn)光和紅外光中的至少一種。例如分離成一束可見(jiàn)光和紅外光， 而另一束為紫外光，或者一束為可見(jiàn)光和紫外光，而另一束為紅外光等。附圖;3B是采用二氧化硅和五氧化二鉭作為濾波器膜料時(shí)，入射波長(zhǎng)與透射率之 間的關(guān)系，從圖中可以看出，在400 800nm的可見(jiàn)光波段，入射光的透射率接近100%，而 在800 1200nm的紅外波段以及400nm以下的紫外波段，入射光的透射率接近與0。也就 是說(shuō)，在通常意義上的紅外和紫外波段，入射光被反射，而在可見(jiàn)光波段，入射光全部透射。 1400nm波長(zhǎng)之外的部分雖然又存在部分透射的情況，但由于太陽(yáng)光在此波段的強(qiáng)度已經(jīng)很 弱，故不在考慮之列。附圖3C是附圖IB與附圖3A所示的太陽(yáng)能照明裝置151的結(jié)構(gòu)示意圖，包括一玻 璃錐柱351以及一光導(dǎo)管353。玻璃錐柱351的形狀是一柱體，且頂面和底面的直徑不相 同。玻璃錐柱351的直徑較大一端對(duì)準(zhǔn)從分光裝置13的可見(jiàn)光濾波片131中透射出的可 見(jiàn)光，直徑較小的一端對(duì)準(zhǔn)光導(dǎo)管353，較小端的直徑應(yīng)當(dāng)與光導(dǎo)管353的直徑一致，以便 將可見(jiàn)光全部導(dǎo)入至光導(dǎo)管353。玻璃錐柱351還能夠使光在其中的分布均勻化，為后端接 收作準(zhǔn)備。光導(dǎo)管353選自于空心塑料管、玻璃纖維、塑料纖維以及實(shí)心光纖中的一種。光 導(dǎo)管353的作用將光從玻璃錐柱351的末端引出，接到地下空間或者避光處，實(shí)現(xiàn)對(duì)避光處 的自然光照明。附圖3A所指的太陽(yáng)能發(fā)電裝置152可以是聚光式太陽(yáng)能發(fā)電模塊，如果代之以太 陽(yáng)能加熱裝置，則可以是真空集熱管式發(fā)熱模塊。當(dāng)然，也可以是熱電互換裝置等。熱電互 換裝置是指在太陽(yáng)能發(fā)電裝置和太陽(yáng)能加熱裝置并存的情況下，根據(jù)需要將來(lái)自分光裝置 13的反射光選擇導(dǎo)入太陽(yáng)能發(fā)電裝置或者太陽(yáng)能加熱裝置。所謂聚光式太陽(yáng)能發(fā)電模塊具 體可以是太陽(yáng)能綜合收集與轉(zhuǎn)化裝置，包括以單晶硅、多晶硅或者化合物半導(dǎo)體作為基礎(chǔ) 材料的太陽(yáng)能綜合收集與轉(zhuǎn)化裝置，此處甚至可以進(jìn)一步設(shè)置多組太陽(yáng)能綜合收集與轉(zhuǎn)化 裝置，每組太陽(yáng)能綜合收集與轉(zhuǎn)化裝置的吸收波長(zhǎng)各不相同，并采用與分光裝置13類似的 裝置，將不同波段的光分配至不同的太陽(yáng)能綜合收集與轉(zhuǎn)化裝置，以實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)光的復(fù)合 式利用，此種設(shè)計(jì)也應(yīng)當(dāng)視為在本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思范圍之內(nèi)。本發(fā)明能使紫外到紅外光都能都到有效利用可見(jiàn)光在有照明需求時(shí)，可用于改 善室內(nèi)、地下等空間的照度，與此同時(shí)，對(duì)人體有害的紫外，以及攜帶熱量最多的紅外波段 陽(yáng)光被收集于特定的熱水器或者聚光太陽(yáng)能中，用于采暖或者供電。當(dāng)不需要照明時(shí)，所有 的光譜都被切換到發(fā)電/發(fā)熱模塊中，用于發(fā)電或者采暖。本系統(tǒng)采用無(wú)探測(cè)器的自動(dòng)追 光系統(tǒng)，使得太陽(yáng)光的綜合利用效率最高。以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人 員，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤(rùn)飾，這些改進(jìn)和潤(rùn)飾也應(yīng)視為 本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種聚光式太陽(yáng)能綜合收集與轉(zhuǎn)化裝置，包括聚光裝置，其特征在于還包括分光裝置和多個(gè)太陽(yáng)光利用裝置；所述聚光裝置用于收集太陽(yáng)光并傳導(dǎo)至分光裝置；所述分光裝置將收集到的太陽(yáng)光按照波段分離成多束獨(dú)立的光線，并分別傳入對(duì)應(yīng)的 太陽(yáng)光利用裝置；所述多個(gè)太陽(yáng)光利用裝置各自利用不同波段的太陽(yáng)光。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的聚光式太陽(yáng)能綜合收集與轉(zhuǎn)化裝置，其特征在于，所述分光 裝置所分離的多束獨(dú)立光線中每一條均各自獨(dú)立地包括紫外光、可見(jiàn)光和紅外光中的至少 一種，太陽(yáng)光利用裝置對(duì)應(yīng)包括太陽(yáng)能照明裝置和太陽(yáng)能加熱/發(fā)電裝置。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的聚光式太陽(yáng)能綜合收集與轉(zhuǎn)化裝置，其特征在于，所述分 光裝置包括一個(gè)或者多個(gè)濾波片，所述濾波片能夠?qū)⒁恢付úǘ蔚墓馔干洌蛊溆喔鞑?段的光反射，每個(gè)濾波片反射不同波段的光線。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的聚光式太陽(yáng)能綜合收集與轉(zhuǎn)化裝置，其特征在于，所述分光 裝置包括一可見(jiàn)光濾波片，所述濾波片的濾波材料選自于折射率有差異的雙層膜料。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的聚光式太陽(yáng)能綜合收集與轉(zhuǎn)化裝置，其特征在于，所述濾波 片為可見(jiàn)光濾波片，構(gòu)成所述可見(jiàn)光濾波片的雙層膜料分別是二氧化硅和五氧化二鉭，此 可見(jiàn)光濾波片能夠?qū)⒖梢?jiàn)光透射，而將紅外和紫外波段的光反射。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的聚光式太陽(yáng)能綜合收集與轉(zhuǎn)化裝置，其特征在于，所述分光 裝置進(jìn)一步包括一全反射片，所述全反射片對(duì)所有波段的可見(jiàn)光都具有反射作用。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的聚光式太陽(yáng)能綜合收集與轉(zhuǎn)化裝置，其特征在于，所述太陽(yáng) 能照明裝置包括一玻璃錐柱以及一光導(dǎo)管，所述玻璃錐柱的直徑較大一端對(duì)準(zhǔn)從分光裝置 分離出的可見(jiàn)光，直徑較小的一端對(duì)準(zhǔn)光導(dǎo)管。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的聚光式太陽(yáng)能綜合收集與轉(zhuǎn)化裝置，其特征在于，進(jìn)一步包 括太陽(yáng)光追光裝置。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的聚光式太陽(yáng)能綜合收集與轉(zhuǎn)化裝置，其特征在于，所述追光 裝置內(nèi)置有太陽(yáng)位置與經(jīng)緯度以及時(shí)間的關(guān)系，能夠通過(guò)讀取所述太陽(yáng)能綜合收集與轉(zhuǎn)化 裝置所在地的經(jīng)緯度以及時(shí)間，自動(dòng)計(jì)算出太陽(yáng)的位置，以實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)光的追光。
10.根據(jù)權(quán)利要求8或9所述的聚光式太陽(yáng)能綜合收集與轉(zhuǎn)化裝置，其特征在于，所述 追光裝置進(jìn)一步包括兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)，其中一個(gè)電機(jī)實(shí)現(xiàn)水平面上的角度掃描，另外一個(gè)電 機(jī)實(shí)現(xiàn)垂直方向的角度掃描。
全文摘要
一種聚光式太陽(yáng)能綜合收集與轉(zhuǎn)化裝置，包括聚光裝置，還包括分光裝置和多個(gè)太陽(yáng)光利用裝置；所述聚光裝置用于收集太陽(yáng)光并傳導(dǎo)至分光裝置；所述分光裝置將收集到的太陽(yáng)光按照波段分離成多束獨(dú)立的光線，并分別傳入對(duì)應(yīng)的太陽(yáng)光利用裝置；所述多個(gè)太陽(yáng)光利用裝置各自利用不同波段的太陽(yáng)光。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于通過(guò)設(shè)置分光裝置，對(duì)入射的太陽(yáng)光按照不同的波段進(jìn)行分離，將不同波段的光線導(dǎo)入至不同的裝置，例如太陽(yáng)能照明裝置和太陽(yáng)能加熱/發(fā)電裝置等，以實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)光全光譜的綜合利用。
文檔編號(hào)G02B5/20GK102074606SQ20101056566
公開(kāi)日2011年5月25日 申請(qǐng)日期2010年11月30日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月30日
發(fā)明者張俊飛, 陳凡 申請(qǐng)人:陳凡