專利名稱：全光譜利用太陽能的多功能聚光混合裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及太陽能輻射的特性和光電子學(xué)的理論基礎(chǔ)。更具體地是利用帶有追蹤太陽的聚光的反射鏡，將陽光聚焦后，在焦距處裝有太陽能電池板、吸熱箱、光纖組、激光器的一種多功能裝置。太陽能電池板吸收近紅外線，光導(dǎo)纖維可以將可見光和激光送入室內(nèi)照射，陽光中的輻射能用來加熱液體。這樣就在一個反射鏡上同時達(dá)到發(fā)光、發(fā)電、供熱的全方位利用。
太陽能是地球上唯一的，永不枯竭的能源，它的開發(fā)和高效利用是解決世界目前能源危機(jī)和環(huán)境污染問題的焦點。根據(jù)有關(guān)資料表明利用太陽能發(fā)電的電站，國外最大輸出功率上萬千瓦，但設(shè)備投資巨大，普及應(yīng)用困難。而太陽能太池池板光電轉(zhuǎn)換效率低，制造精細(xì)、價格昂貴、而在民用發(fā)電方面應(yīng)用極少。在民用的太陽能熱水器和太陽能灶都是單一利用器具，太陽能利用率低、價格高、占地面積大。同樣利用太陽能發(fā)光、照明的裝置都是采用首先光電轉(zhuǎn)換，再后電光轉(zhuǎn)換、通過兩次轉(zhuǎn)換使太陽能的光、熱輻射能量大大降低，大多能量在交換中被損失掉。
縱觀現(xiàn)在所有利用的各種太陽能裝置，均太陽能利用率低、價格昂貴、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、重復(fù)設(shè)置。因此，在民用普及方面使用率得不到提高。
本發(fā)明的目的是提供一種新型、高效、全方位利用太陽能的多功能聚光混合裝置。任務(wù)在于提高太陽能利用的普及率，綜合降低太陽的利用成本。最關(guān)健的設(shè)計就是將陽光直接送入室內(nèi)，并利用激光產(chǎn)生高強(qiáng)度激光束，將激光通過光導(dǎo)纖維分別送入室內(nèi)，而且本裝置在陽光不足時用自身蓄電來解決發(fā)光，照明和供熱的問題。
為了進(jìn)一步說明本發(fā)明所說的多功能聚光利用裝置，現(xiàn)就有關(guān)光譜的特性闡述如下太陽能的波譜相當(dāng)豐富和寬闊，光譜直接有關(guān)的是波譜中的X線，紫外線、可見光線和紅外線。而可見光(0.38～0.76μm)占光幅射照度的60％以上，可見光和紅外光兩項占總輻射能量90％以上，太陽能光電池(硅基標(biāo)準(zhǔn)電池)對光譜(0.76～1.00μm近外光)近紅外光區(qū)域的靈敏度最高，太陽能光電池將聚焦在標(biāo)準(zhǔn)硅基的近紅外光轉(zhuǎn)化為電，而將可見光分離或反射出硅電池板。在太陽能電池板周圍布置大直徑2cm～3cm光纖組，并將光纖用管子送到室內(nèi)需要地方。光纖組將室外陽光送到室內(nèi)。這樣就同時使光輻射和光電轉(zhuǎn)化同時得到充分利用。
由于硅電池對光強(qiáng)有依賴關(guān)系，電流和電壓與照射在電池板上的光強(qiáng)度，近擬成正比，通過反射鏡聚集陽光并照射到太陽能電池表面，這樣就大大提高了太陽能電池的輸出功率，但太陽能電池在-20℃～200℃間、與溫度成反比關(guān)系，每升高10℃度降5％的效率。所以說在硅電池板前面鋪透明溥膜或玻璃，其背面應(yīng)放在鋼化玻璃上，并在鋼化玻璃背后安一吸熱循環(huán)器(吸熱器)，這個吸熱箱具有冷卻太陽能電池的作用，其特征是雙層體，里層用不銹鋼或玻璃，里層的外側(cè)刷黑色吸熱漆，里層內(nèi)側(cè)刷反射材料，外層為透明體，內(nèi)外兩層瓶體之間呈真空狀態(tài)，這樣就形成一個真空吸熱箱。為了達(dá)到多功能、高利用的目的，在硅電池板前放置一激光器，應(yīng)用激光器原理，焦距處的強(qiáng)光和光電池產(chǎn)生的電做為泵浦激勵光源，激勵激光的工作物質(zhì)，在工作物質(zhì)兩側(cè)裝全反射鏡和半反射鏡，使工作物質(zhì)產(chǎn)生激光束，在激光束發(fā)射端接大直徑光纖組2cm左右，用光管輸送至室內(nèi)，通過光調(diào)制器和光偏轉(zhuǎn)器將室外陽光投射在室內(nèi)所需地方。
下面分別對此發(fā)明各系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，原理、控制電路提供如下，并做詳細(xì)說明

圖1是全光譜利用太陽能聚光混合裝置的結(jié)構(gòu)圖。
圖2激光器外形和四周布置的光導(dǎo)纖維示意圖。
圖3是激光器A-A剖面及結(jié)構(gòu)原理圖。
圖4是全真空集熱箱結(jié)構(gòu)圖。
圖5是自動追蹤和蓄電系統(tǒng)的電路圖。
圖6底坐箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)布置圖。
圖7是自動追蹤系統(tǒng)接線示意圖。
圖8吸收反射光陽光的光導(dǎo)纖維的大樣圖。
圖9光導(dǎo)纖維室內(nèi)發(fā)光照射源。
圖10激光室內(nèi)投影系統(tǒng)圖。
圖11激光器周圍布置的光導(dǎo)纖維組接口。
下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施方式及其效果作進(jìn)一步摘述。圖1，是全光譜利用太陽能多功能聚光混合裝置的結(jié)構(gòu)圖。
它主要由金屬薄板或纖維薄板做的拋物旋轉(zhuǎn)面鋪上反射材料形成的反射鏡1。光電池板10放在焦距聚光點向前一點，使太陽能光電池板10板面上全部匯聚光線。全真空吸熱箱3，它在光電池板10背面聯(lián)結(jié)，具有冷卻太陽能電池的作用，并且直接吸收陽光輻射和匯聚在太陽能電池板的熱能，全真空吸熱箱直對太陽的部分為半圓球形，與太陽能電池聯(lián)結(jié)部分為圓形筒體，在箱內(nèi)裝循環(huán)水。激光器2安在光電池板前面位置，它通過激光原理產(chǎn)生高強(qiáng)度激光束。在激光器四周布置光導(dǎo)纖維11，使它聚焦處同時和太陽能光電池板，激光器吸收太陽能光波并將光導(dǎo)纖維延著吸熱筒支撐結(jié)構(gòu)桿5上布線，并在反射鏡背面敷設(shè)，進(jìn)入反射鏡支撐套管內(nèi)送入室內(nèi)。另一部分光導(dǎo)纖維6，它接在光電池板與反射面中心連線的軸線中段，用2cm～3cm特制光纖組，主要任務(wù)是將光電池板與激光器反射回來的陽光吸存光纖，輸送給室內(nèi)，光纖套管7可以將套管預(yù)埋在室內(nèi)建筑墻、板之中。自動追蹤太陽能系統(tǒng)及底坐9的前方也放一個太陽能電池板29，底坐箱內(nèi)裝其電動機(jī)及線路。并將太陽能蓄電器及控制裝置也裝入底坐箱內(nèi)，追蹤太陽的光傳感器4，安放在吸熱箱頂部。吸熱水箱的支撐5，上部位置的可做熱水出水管。支撐桿共四個，下部位置的可做冷進(jìn)水水管。圖2激光外形和四周布置的光導(dǎo)纖維示意圖。
光電池板10，光電池線路和激光器周圍光導(dǎo)纖維走線布置在一起，最終進(jìn)入底坐箱9并接控制器和蓄電裝置，太陽能電池10同時連接激光激勵光源的線路。激光激勵光源13，一般為氚燈。激光工作物質(zhì)13(如紅寶石，釹鋁石榴晶體、摻釹玻璃)。全反向球面鏡14，半反射球面鏡15。圖3是激光器A-A剖面結(jié)構(gòu)原理圖。
作為激光泵浦源的13，主靠太陽能電池板10的電源和反射鏡聚集光激發(fā)含有亞穩(wěn)態(tài)能量的工作物質(zhì)棒12，使受激條件下粒子數(shù)的反射為可能。全反射鏡14和半反射鏡15形成激光諧振腔、工作物質(zhì)棒12在腔內(nèi)諧振，感應(yīng)粒子反轉(zhuǎn)態(tài)的工作物質(zhì)、在半反射鏡面射出腔外，產(chǎn)生激光輻射、在激光束接口接入光導(dǎo)纖維、一部分用來輻射吸熱箱、加熱液體、一部分光導(dǎo)纖維進(jìn)入室內(nèi)照明。圖4是全真空集熱箱結(jié)構(gòu)圖陽光透過吸熱箱真空玻璃罩17，穿過真空層18、射到水箱19的外層先用黑色吸熱涂層，光熱能被吸收后，加熱吸熱箱的水，20是溢流排氣熱水出口多用管、31是冷水進(jìn)水管。各種管道并來用閥門控制。在吸熱箱上部和周圍的真空層中接入激光輻射和電阻熱源輻射。圖5是自動追蹤和蓄電系統(tǒng)的電路圖。
樣機(jī)使用0.5V太陽能電動機(jī)23，直徑2.5-3cm。
電機(jī)和光傳感器4與繼電器4相連結(jié)。裝300∶1的齒輪減速機(jī)構(gòu)26，它和電動機(jī)聯(lián)結(jié)、齒輪輸出軸帶動正面旋轉(zhuǎn)盤8及拋物面反射鏡，并使反射鏡從東向西緩慢移動。
在吸熱箱(筒)的上面放光傳感器4，傳感器3mm×24mm矩形黑色的聚丙烯感光板，如太陽光線不是直射，使不容易感光、光傳感器落入影子內(nèi)，繼電器動作、電動機(jī)旋轉(zhuǎn)、使裝太陽能吸熱箱和反射鏡同時轉(zhuǎn)到太陽光線直射為止。每隔15分左右繼電器閉觸點接通，電動機(jī)轉(zhuǎn)動一次，聚光反射鏡整體緩慢地向西轉(zhuǎn)動。電路中有一個半可變電，用來調(diào)節(jié)傳感器的靈敏度。圖6底座箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)布置圖底座箱9內(nèi)是用金屬板做的箱體、它的主要作用是對反射鏡及焦點處器件的穩(wěn)定支撐結(jié)構(gòu)、它的內(nèi)部裝有電動機(jī)23、減速箱26、充電控制器和蓄電池箱32、繼電器24、上面旋轉(zhuǎn)盤8和箱內(nèi)減速箱聯(lián)結(jié)、在箱蓋上做一個孔洞33，將光導(dǎo)纖維進(jìn)入底座箱，最后再接入室內(nèi)。圖7是自動追蹤系統(tǒng)接線示意圖。圖8光纖進(jìn)入口樣本。
直徑2～3cm光纖組吸入口端面，在焦距和反射距中心線連接中部布置、光纖組從反射鏡中心進(jìn)入、順底坐箱支撐筒布置。圖9光導(dǎo)纖維室內(nèi)發(fā)光(陽光)照射源，它由反射罩25和透光玻璃34構(gòu)成。圖10激光室內(nèi)投射裝置。
引入室內(nèi)光導(dǎo)纖維26接在光調(diào)制器27，所用的光調(diào)制器27是根據(jù)某些電光晶體，如磷酸二氣氘鉀(KD2PO4)、磷酸二氫鉀(KH2PO4)磷酸二氫銨(ADP)等晶體折射率隨外加電場而變化的原理制成。
電偏轉(zhuǎn)器28實際上是兩個相互正交的多面體反射鼓。圖11激光器周圍布置的光導(dǎo)纖維組接口。
在激光器2四周布置的光導(dǎo)纖維接口34、它也采用直徑2cm左右的光導(dǎo)纖維組(光纜)，光纖組順吸熱器支撐桿5進(jìn)入反射鏡1背面、而順反射支撐筒7進(jìn)入底坐箱，最后進(jìn)入室內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種裝有追蹤太陽的全光譜利用的多功能裝置，它通過旋轉(zhuǎn)拋物面反射鏡，將陽光匯集在焦距處。在焦距處同時裝有太陽能電池板、激光器、光纖維吸光口和全真空吸熱箱。在一個反射鏡上同時發(fā)光、發(fā)電和供熱的全方位利用。太陽能電池板吸收近紅外線，光導(dǎo)纖維可以將可見光和激光送入室內(nèi)照射。陽光中的幅射能用來加熱液體。
2.帶有追蹤太陽系統(tǒng)的反射鏡，反射鏡是由金屬薄板或纖維薄板做的拋物旋轉(zhuǎn)面鋪上反射材料做成的反射鏡。
3.全真空吸熱箱，它在光電池板背面聯(lián)結(jié)，具有冷卻太陽能電池的作用，并且直接吸收陽光輻射和匯聚在太陽能電池板的熱能，全真空吸熱箱直對太陽的部分為半圓球形，與太陽能電池聯(lián)結(jié)部分為圓形體，在箱內(nèi)裝循環(huán)水。全真空吸熱箱是雙層體，里層與不銹鋼或玻璃，里層的外側(cè)刷黑色吸熱漆，里層內(nèi)側(cè)刷反射材料，外層為透明體，內(nèi)外兩層瓶體之間呈真空狀態(tài)。
4.激光器安在光電池板前面位置，它通過激光原理產(chǎn)生高強(qiáng)度激光束。作為激光泵浦源的，主靠太陽能電池板的電源和反射鏡聚集光激發(fā)含有亞穩(wěn)態(tài)能量的工作物質(zhì)棒，使受激條件下粒子數(shù)的反射為可能。全反射鏡和半反射鏡形成激光諧振腔、工作物質(zhì)棒在腔內(nèi)諧振，感應(yīng)粒子反轉(zhuǎn)態(tài)的工作物質(zhì)、在半反射鏡面射出腔外，產(chǎn)生激光輻射、在激光束接口接入光導(dǎo)纖維、一部分用來輻射吸熱箱、加熱液體、一部分光導(dǎo)纖維進(jìn)入室內(nèi)照明。
5.在激光器四周布置光導(dǎo)纖維，在陽光聚集處同時和太陽能光電池板，激光器吸收太陽能光波，并將光導(dǎo)纖維延著吸熱筒支撐結(jié)構(gòu)桿上布線，并在反射鏡背敷設(shè)，進(jìn)入反射鏡支撐套管內(nèi)送入室內(nèi)。
6.另一部分光導(dǎo)纖維，它接在光電池板與反射面中心連線的軸線中段，用2cm～3cm特制光纖組，主要任務(wù)是將光電池板與激光器反射回來的陽光吸存光纖，輸送給室內(nèi)，光纖套管可以將套管預(yù)埋在室內(nèi)建筑墻、板之中。
7.自動追蹤太陽能系統(tǒng)及底座的前方也放一個太陽能電池板，底座箱內(nèi)裝其電動機(jī)、減速器、繼電器及線路。并將太陽能蓄電器及控制裝置也裝入底座箱內(nèi)。
8.追蹤太陽的光傳感器，安放在吸熱箱頂部。吸熱水箱的支撐，支撐桿共四個。
9.傳感器為黑色的聚丙烯感光板，它被陽光照射后，帶動繼電器動作，并使電動機(jī)旋轉(zhuǎn)。本發(fā)明主要特征在于①光纖可以分別將陽光和激光分別輸送到室內(nèi)，它比陽光轉(zhuǎn)換為電來照明更有意義，能提高陽光能等利用率達(dá)40％左右，并且人們在室內(nèi)任何地方享受太陽照射，它從而解決了房屋朝向帶來的不利因素(如住北向和內(nèi)廊房)。②太陽能電池板照射的是高強(qiáng)度匯焦光、大大提高了光電池板的利用率，從而降底太陽能電池成本。③將陽光追蹤系統(tǒng)，主要元件放置在底座箱內(nèi)，一是設(shè)備美觀整齊、二是聯(lián)動方面。④光纖外套護(hù)管，目的是將光纖預(yù)埋在室內(nèi)建筑墻、板之中。便于建筑施工操作。⑤光吸熱箱，它的上部放光傳感器，下面聯(lián)結(jié)光電池板。光吸熱筒除下部面，其它面都為雙層真空、并刷吸熱和反射膜。⑥在室內(nèi)裝光投射器，目的是將光纖輸送到期室內(nèi)陽光和激光分別投射到所需地方。
全文摘要
為全方位利用太陽能光譜,同時在一個反射鏡上進(jìn)行發(fā)電、發(fā)光、供熱。將太陽能近紅外線用于發(fā)電,光導(dǎo)纖維可將可見光和激光進(jìn)入室內(nèi),陽光中的輻射能用來加熱液體。主要有帶有追蹤太陽的聚光反射鏡、真空吸熱箱、能夠產(chǎn)生高強(qiáng)度光電激光器、光導(dǎo)纖維吸入口及光纜和底座箱組成。自動追蹤太陽的裝置由底座上的太陽能電池光板產(chǎn)生電能、帶動電機(jī)、聯(lián)結(jié)調(diào)速器、繼電控制。在焦距處的太陽能電池發(fā)出的電接充電控制器和蓄電池,用來作激光泵源電源。其余太陽能蓄電池蓄的電、可以供熱和發(fā)電。并利用光導(dǎo)纖維將集聚的太陽光和激光產(chǎn)生的激光束直接送進(jìn)入室內(nèi),從而提高太陽能的利用,降低成本。
文檔編號F24J2/10GK1313490SQ0111036
公開日2001年9月19日 申請日期2001年4月9日 優(yōu)先權(quán)日2001年4月9日
發(fā)明者周文君 申請人:周文君