專利名稱：太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換裝置，包括太陽(yáng)射線捕捉單元、聚能單元，太 陽(yáng)射線捕捉單元具有至少一個(gè)透鏡，透鏡具有用于接收太陽(yáng)射線的入射面和用 于射出折射后的太陽(yáng)射線的出射面；聚能單元包括一個(gè)反射面，用于將由透鏡 的出射面射到反射面上的太陽(yáng)射線反射到聚能單元的至少一個(gè)目標(biāo)區(qū)域上。
背景技術(shù)：
在美國(guó)專利4， 230, 094中公布了一種太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換裝置，它包括太陽(yáng)射線 捕捉單元和帶有反射面的聚能單元。入射到太陽(yáng)射線捕捉單元的透鏡上的太陽(yáng) 射線以可變的角度折射并且通過(guò)聚能單元的反射面向目標(biāo)區(qū)域反射，太陽(yáng)射線 在目標(biāo)區(qū)域被聚集，并轉(zhuǎn)換成其他形式的能量。
在美國(guó)專利4， 230， 094的的具體實(shí)施方式
敘述中，目標(biāo)區(qū)域被設(shè)置成其 內(nèi)部有水流流動(dòng)的細(xì)長(zhǎng)空心管道，經(jīng)過(guò)反射面聚光的太陽(yáng)射線入射到目標(biāo)區(qū)域 并對(duì)水流加熱，以這種方式將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換成熱能，具體指加熱使流過(guò)管道的水 流溫度升高。
美國(guó)專利4， 230， 094公開(kāi)的結(jié)構(gòu)其在構(gòu)造上尺寸相當(dāng)大，這使得其制造 成本高而不實(shí)用，且其在使用中的功能性較弱。另外，由于太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換成其他 形式能量的效率在很大程度上隨太陽(yáng)位置的變化而改變，這使得現(xiàn)有技術(shù)中的 太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換設(shè)備具有非恒定的轉(zhuǎn)換效率。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種下面介紹的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換設(shè)備，當(dāng)太陽(yáng)處在不同 位置時(shí)，該設(shè)備均能夠?qū)崿F(xiàn)髙效率的能量轉(zhuǎn)換，并且，該太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換設(shè)備的結(jié) 構(gòu)緊湊而小巧。
根據(jù)本發(fā)明思想，該太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換裝置包含定位裝置，定位裝置通過(guò)控制太 陽(yáng)射線捕捉單元單元和聚能單元裝置繞與透鏡所在的平面相垂直的至少一個(gè)軸 線旋轉(zhuǎn)來(lái)調(diào)整將太陽(yáng)射線捕捉單元單元和聚能單元裝置的相對(duì)定位位置。太陽(yáng) 射線捕捉單元單元和聚能單元單元二者可相對(duì)定位，且隨太陽(yáng)位置的改變而改 變，經(jīng)過(guò)反射面反射的太陽(yáng)射線得以不斷地聚集在目標(biāo)區(qū)域的一點(diǎn)上。
4與固定式太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換裝置，如美國(guó)專利US-A-4， 230, 094所公布開(kāi)的裝置 相比，本發(fā)明提供的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換裝置具有更高的將太陽(yáng)射線聚集聚焦和并轉(zhuǎn)化 為其它能量的轉(zhuǎn)換效率。對(duì)比如歐洲專利EP-A-1174658所公開(kāi)的移動(dòng)式太陽(yáng)能 轉(zhuǎn)換設(shè)備，本發(fā)明具有固定不變的外形和更簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)，這意味著制造成本和 安裝費(fèi)用的降低，因而本發(fā)明還具有應(yīng)用環(huán)境廣泛的特點(diǎn)，如可在建筑物中使用。
在第一種實(shí)施例中，太陽(yáng)射線捕捉單元與聚能單元的旋轉(zhuǎn)軸線不同，同時(shí)， 為了使裝置更易控制、結(jié)構(gòu)更加緊湊，也可以設(shè)置太陽(yáng)射線捕捉單元與聚能單 元具有重合的旋轉(zhuǎn)軸線。
在一個(gè)特定的實(shí)施例中，利用定位裝置將太陽(yáng)射線捕捉單元和聚能單元分 別定位在相互分離的平面上。
由于太陽(yáng)射線捕捉單元和聚能單元相互獨(dú)立地設(shè)置在分離的平面上，或者， 尤其特別的，太陽(yáng)射線捕捉單元和聚能單元分別設(shè)置在相平行的、空間上相分 離的平面上，這就將依次經(jīng)過(guò)透鏡折射和反射面反射后的太陽(yáng)射線的最佳聚集 位置限定在一個(gè)特定的目標(biāo)區(qū)域內(nèi)，這樣，在使用本裝置時(shí)就與一天中太陽(yáng)在 天空中所處的位置無(wú)關(guān)。
上述技術(shù)方案使得太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換裝置的效率得到很大的提高，在不考慮設(shè)備 中各種部件帶來(lái)的常見(jiàn)的效率損失的情況下，設(shè)置在兩個(gè)相平行平面上的透鏡 和反射面使得太陽(yáng)射線持續(xù)地聚集在同一點(diǎn)上，因此，在該聚集點(diǎn)上設(shè)置一個(gè) 太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換器件就足以滿足需求，這不僅使得太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換裝置的結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單， 也使得其制造成本大大降低。
根據(jù)本發(fā)明實(shí)施的一個(gè)功能優(yōu)化的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換裝置中，定位裝置用于根據(jù) 天空中太陽(yáng)的實(shí)時(shí)位置、太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換裝置的光學(xué)特性及其所處的地理位置來(lái)確 定太陽(yáng)射線捕捉單元和聚能單元的相對(duì)方向，通過(guò)這種方式實(shí)現(xiàn)本裝置的完全 自主，還可精確地控制著太陽(yáng)射線捕捉裝單元和聚能單元的定位或旋轉(zhuǎn)。
更具體的說(shuō)，定位裝置包括運(yùn)算單元，運(yùn)算單元根據(jù)太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換裝置在地 球上的地理坐標(biāo)位置、方向、以及當(dāng)前日期、時(shí)刻計(jì)算出天空中太陽(yáng)的位置， 通過(guò)這種方法，可以持續(xù)以一種準(zhǔn)確且自動(dòng)的方式確定天空中太陽(yáng)的位置，以 此來(lái)獲取最佳的太陽(yáng)射線捕捉以及反射光線聚集至目標(biāo)區(qū)域的效果。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)用性實(shí)施例中，它包括框架，太陽(yáng)射線捕捉單元和聚能 單元可旋轉(zhuǎn)地設(shè)置在框架中。
框架內(nèi)設(shè)置有起引導(dǎo)作用的斜槽，該斜槽用來(lái)保證太陽(yáng)射線捕捉單元和聚能單元的可靠性和穩(wěn)定性，定位裝置控制太陽(yáng)射線捕捉單元和聚能單元沿所述 的斜槽運(yùn)動(dòng)。在另一個(gè)實(shí)施例中，框架內(nèi)設(shè)置有多個(gè)用于支撐太陽(yáng)射線捕捉單 元和聚能單元的滾筒。
定位裝置至少驅(qū)動(dòng)多個(gè)滾筒中的一個(gè)，如，滾筒由被定位裝置所控制的電 動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。在另一實(shí)施例中，通過(guò)由定位裝置控制的皮帶傳動(dòng)裝置，太陽(yáng)射線 捕捉單元和聚能單元可在框架中的斜槽或滾筒上移動(dòng)。
在多個(gè)具體實(shí)施例中，透鏡的入射面為平面。
為了使照射到透鏡上的太陽(yáng)射線中的大部分都發(fā)生折射，并朝向聚能單元 的反射面而射出透鏡，將透鏡的背離入射的太陽(yáng)射線的表面設(shè)置為階梯狀，具 體的說(shuō)，是將透鏡的出射表面設(shè)置成呈階梯狀的棱鏡結(jié)構(gòu)。由于透鏡繞一軸線 旋轉(zhuǎn)，由帶有階梯狀出射面的透鏡，具體的說(shuō)，是指由呈階梯狀的棱鏡結(jié)構(gòu)的 出射面射出的太陽(yáng)射線具有固定不變的出射角，這樣，就可以將天空中太陽(yáng)的 位置這一因素，即入射太陽(yáng)射線與入射面的角度忽略，不予考慮。
棱鏡的角度范圍在15度至50度之間，特定的為36度。
進(jìn)一步的，太陽(yáng)射線捕捉單元以介于15度至55度之間的一個(gè)固定出射角 向聚能單元發(fā)射出太陽(yáng)射線，特別的，該出射角為36度。
在氣候較溫和的地區(qū)，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)射線的最佳捕捉效果，該太陽(yáng)能轉(zhuǎn) 換裝置設(shè)置為與地平面之間形成一定的角度，特別是對(duì)荷蘭地區(qū)，該角度為45 度。
雖然，保持太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換裝置與地平面之間的固定角度是較可取的實(shí)施方式, 但是，在一種更通用的裝置中，上述固定角度可根據(jù)裝置所處地理位置的緯度 作調(diào)整，如，在荷蘭采用45度角，但是在赤道地區(qū)，該角度為0。
在一個(gè)功能性實(shí)施例中，反射面上具有至少一個(gè)凹的曲面，由此使得由透 鏡的出射面射向聚集點(diǎn)的太陽(yáng)射線在聚能單元的反射面上實(shí)現(xiàn)最佳的反射效 果，這使得設(shè)備的效率也得到了顯著的提髙，因?yàn)?，它使得大量的入射太?yáng)射 線髙效地聚集于設(shè)置在目標(biāo)區(qū)域中的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換器件上。
然而，曲面的設(shè)置導(dǎo)致了由透鏡出射的太陽(yáng)射線在透鏡和位于目標(biāo)區(qū)域的 由曲面定義的鏡子之間部分損失。為了使這部分被透鏡折射后的太陽(yáng)射線同樣 具有較髙的反射和聚集效率，在另一功能性實(shí)施例中，反射面上的上述第一個(gè) 曲面在靠近其相關(guān)的目標(biāo)區(qū)域的一個(gè)位置上和曲率不同于第一個(gè)曲面的第二個(gè) 曲面接合，第二個(gè)曲面也相應(yīng)的形成了一塊對(duì)應(yīng)的目標(biāo)區(qū)域，這樣，透鏡的出射光經(jīng)過(guò)聚能單元的整個(gè)反射面后被高效地反射并聚集在兩個(gè)目標(biāo)區(qū)域中。
由本發(fā)明的功能帶來(lái)的一個(gè)效果是，實(shí)現(xiàn)了太陽(yáng)射線最大量地在通過(guò)透鏡 折射后經(jīng)由聚能單元的反射面反射并髙效地聚集到目標(biāo)區(qū)域，這使得僅僅需要 在目標(biāo)區(qū)域設(shè)置兩塊聚光電池即足夠滿足能量轉(zhuǎn)換的要求，甚至， 一塊聚光電 池也是可以，在這種情況下，入射到第二個(gè)目標(biāo)區(qū)域的太陽(yáng)射線與入射到第一 個(gè)目標(biāo)區(qū)域的太陽(yáng)射線一起被反射到這塊聚光電池上。
更進(jìn)一步地，聚光電池設(shè)置在反射裝置的邊沿處，并且在定位裝置的導(dǎo)向 下沿反射裝置移動(dòng)。


圖la和lb顯示了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施的兩種裝置；
圖2顯示了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施的裝置的另一視圖3顯示了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施的裝置的旋轉(zhuǎn)角度對(duì)應(yīng)表；
圖4顯示了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施的裝置的局部視圖5a和圖5b顯示了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施的裝置的兩種工作狀態(tài)；
圖6顯示了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施的裝置的局部視為更好地理解本發(fā)明，以下針對(duì)附圖的具體描述中，相似部件將會(huì)采用相 同編號(hào)來(lái)表示。
圖la和圖lb為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換裝置的兩種實(shí)施例。太陽(yáng)能 轉(zhuǎn)換裝置IO具有太陽(yáng)射線捕捉單元11，圖中表示為一個(gè)帶有入射面lla和出射 面llb的透鏡。該透鏡的功能之一是用來(lái)捕捉太陽(yáng)Z發(fā)出的太陽(yáng)能射線1。依 據(jù)斯內(nèi)拉斯(Snelliiis)折射定律，太陽(yáng)射線1經(jīng)過(guò)透鏡發(fā)生折射，這在下文中 將得到進(jìn)一步討論，并且以不同于太陽(yáng)射線l在入射面lla上的入射角的出射 角度向聚能單元12發(fā)射出太陽(yáng)射線。
聚能單元12包括一個(gè)反射裝置12,帶有如由鋁或鉻包覆而構(gòu)成的反射面
12a。
透鏡ll具有透鏡表面，同時(shí)，反射裝置12的圓周邊沿也形成具有一定面 積的表面，透鏡11和反射裝置12的上述兩個(gè)平面形成平行但在空間上相互分 離的方式。透鏡ll的軸線ll'垂直地與上述兩個(gè)假定的表面相交。圖la和圖 lb所示的設(shè)置，是理解根據(jù)本發(fā)明實(shí)施的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換裝置的基礎(chǔ)，且首先是實(shí) 現(xiàn)根據(jù)本發(fā)明實(shí)施的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換裝置的功能的基礎(chǔ)。如以下要介紹的，入射面lla上入射的太陽(yáng)射線1的入射角取決于天空中 太陽(yáng)Z的位置。見(jiàn)圖la和lb所示，太陽(yáng)(用字母Z表示)在天空中處在對(duì)應(yīng) 于上午9: OO這一時(shí)刻的位置上，而以字母Z'表示的太陽(yáng)處在對(duì)應(yīng)于下午13: 00的位置上，由于太陽(yáng)射線1和1'入射到入射面lla上的入射角相應(yīng)地(取 決于天空中太陽(yáng)的位置)不同，經(jīng)過(guò)透鏡ll折射從出射面llb向反射裝置12 的反射面12a射出的光線與出射面llb也將具有不同的出射角。
為了在目標(biāo)區(qū)域13將上述經(jīng)過(guò)折射的太陽(yáng)射線la和la'以有效的方式聚 集、接收，反射裝置12的反射面12a呈現(xiàn)一個(gè)具有拋物線形的曲面。此外，透 鏡ll和反射裝置12相對(duì)定位是由定位裝置(圖中未示出)通過(guò)控制二者繞軸 線ll'旋轉(zhuǎn)完成的，經(jīng)過(guò)透鏡11折射的太陽(yáng)射線la和la'又被反射面12a反 射到位于反射裝置12圓周邊沿12'的目標(biāo)區(qū)域13上(見(jiàn)圖lb所示)。
盡管目標(biāo)區(qū)域13為圖la和lb所示的，但目標(biāo)區(qū)域13上還必須設(shè)置有聚 光電池，如光電池。通過(guò)這種方法，入射到聚光電池上的太陽(yáng)射線以一種有效 方式被轉(zhuǎn)換成另一種形式的能量，如，電能，不考慮能量損失。目標(biāo)區(qū)域13將 轉(zhuǎn)換后的能量輸出，以作進(jìn)一步利用，而能量的輸送和進(jìn)一步利用與本發(fā)明所 涉及的內(nèi)容無(wú)關(guān)。
如圖la所示，透鏡和反射裝置12均被驅(qū)動(dòng)繞透鏡11的軸線11'轉(zhuǎn)動(dòng)，在 這種方式下，透鏡ll可作不依賴于反射裝置12的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。
圖lb給出了該裝置的另一種實(shí)施例，其中，透鏡ll和反射裝置12的位置 均沿軸線11'的向相同的方向下降，為此，透鏡ll和反射裝置12始終設(shè)置在 框架10'(如圖2所示)里，且由多個(gè)滾筒或滾輪或軸承15a和15b支承，圖 lb中只有一個(gè)滾筒用標(biāo)號(hào)15a和15b示出。選取適當(dāng)電動(dòng)機(jī)以驅(qū)動(dòng)滾筒15a-15b 轉(zhuǎn)動(dòng)，如由定位裝置14合理控制的步進(jìn)電機(jī)16a-16b。
另一方面，透鏡11和反射裝置12通過(guò)皮帶傳送或者通過(guò)放置在滑槽上的 方式進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。
定位裝置14用來(lái)控制電動(dòng)機(jī)16a和16b分別單獨(dú)工作，因此，透鏡和反射 裝置12能夠以不同的旋轉(zhuǎn)速度繞軸線11'相對(duì)于彼此轉(zhuǎn)動(dòng)。
透鏡ll和反射裝置12的旋轉(zhuǎn)由天空中太陽(yáng)Z (或?qū)?yīng)地為Z')的位置、 透鏡ll的光學(xué)特性、以及裝置IO相對(duì)于水平線的定位這三個(gè)元素決定。為了 實(shí)時(shí)地確定天空中太陽(yáng)Z (Z')的位置，定位裝置14具有一個(gè)運(yùn)算單元14a， 運(yùn)算單元14a根據(jù)裝置10在地球上所處的地理坐標(biāo)位置、方向、以及當(dāng)前日期、
8時(shí)刻計(jì)算出天空中太陽(yáng)Z的位置。
為了實(shí)現(xiàn)上述功能，.運(yùn)算單元14a包括適當(dāng)?shù)拇鎯?chǔ)器和數(shù)據(jù)處理器，他們 的作用與數(shù)學(xué)處理器或是計(jì)算機(jī)程序類似，即基于上述依據(jù)計(jì)算太陽(yáng)的當(dāng)前位 置?；诖?，步進(jìn)電機(jī)16a-16b通過(guò)定位裝置得到控制，以使透鏡ll和反射裝 置12相互定位，并相對(duì)太陽(yáng)Z (Z')定位。
雖然，圖la和圖lb中所述的透鏡11和反射裝置12的兩個(gè)假定的表面以 與水平面相平行的方式延伸，但是，為了獲得顯著的效率提髙，裝置10與水平 面100之間也可能形成一定的角度a ,這個(gè)角度a可以通過(guò)適當(dāng)?shù)姆绞阶兓{(diào) 整。因此，裝置IO可被設(shè)置在光照充足的地區(qū)，也可以應(yīng)用在氣候溫和的地區(qū)， 特別是，將其應(yīng)用在光照強(qiáng)度很弱的冬天時(shí)，通過(guò)適當(dāng)?shù)慕嵌榷ㄎ徽{(diào)整(如圖2 所示)，也可以達(dá)到很好的效果。
在一年中光照強(qiáng)度較低的時(shí)期里，太陽(yáng)射線仍能被該設(shè)備高效地接收，并 經(jīng)過(guò)透鏡11的折射和反射裝置12的反射后聚集到目標(biāo)區(qū)域13,相應(yīng)的，聚集 后的太陽(yáng)能通過(guò)一個(gè)合適的太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)化為其他形式的能量。透鏡11和反射 裝置12圍繞軸線11'旋轉(zhuǎn)的角度在很大程度上取決于裝置在地球上所處的地理 位置、相對(duì)于水平面的傾角或定位，但最重要的決定因素卻是太陽(yáng)的位置和透 鏡的物理特性。
根據(jù)本發(fā)明實(shí)施的裝置能夠?qū)崿F(xiàn)效率的極大提高，取決于透鏡11具有平坦 的入射面lla，以及，透鏡11的出射面llb設(shè)置為呈階梯狀的棱鏡。如圖4所 示，出射面llb具有多個(gè)延伸方向相互平行的直槽110'，通過(guò)這種設(shè)置，使出 射面llb呈鋸齒狀。具體的說(shuō)，出射面llb是由多個(gè)直棱柱透鏡排列形成的階 梯狀結(jié)構(gòu)，如圖4、 5a、和5b所示的那樣。
本發(fā)明所涉及的裝置能夠?qū)崿F(xiàn)效率的極大提髙，尤其是因?yàn)橥哥Rll可以在 定位裝置14的控制下繞軸線11'轉(zhuǎn)動(dòng)，因此，在任何時(shí)刻，出射面llb都能夠 以相同的角度射出光線，而不必考慮天空中太陽(yáng)Z (Z')的位置。
圖4所示為處于靜止?fàn)顟B(tài)下的透鏡11，標(biāo)號(hào)Z所示為天空中太陽(yáng)在上午9 點(diǎn)時(shí)的位置。在經(jīng)過(guò)入射面lla的第一次折射和出射面lib的第二次折射后， 入射的太陽(yáng)射線1以折射光的形式射出透鏡11。當(dāng)天空中的太陽(yáng)(以Z'表示) 在上午12點(diǎn)(正午)處于最高點(diǎn)時(shí)，以90度的入射角進(jìn)入入射面lla的太陽(yáng) 射線l'由出射面llb射出(以la'表示此時(shí)出射的太陽(yáng)射線)時(shí)的出射角與 上午9點(diǎn)時(shí)太陽(yáng)射線la的出射角不同。當(dāng)透鏡11處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，入射的太陽(yáng)射線以不同的角度發(fā)生折射，因此， 根據(jù)天空中太陽(yáng)位置的不同，他們也將以不同的角度于設(shè)置在透鏡11下方的反 射面12b上發(fā)生反射。要想在同一目標(biāo)區(qū)域13上充分或髙效地聚集太陽(yáng)射線 la-la',僅通過(guò)一個(gè)處于靜止?fàn)顟B(tài)的透鏡11是不能夠?qū)崿F(xiàn)的，這就需要透鏡繞 軸線ll'旋轉(zhuǎn)，通過(guò)不斷的改變出射面llb上呈階梯狀的棱鏡的方向，使得出 射的太陽(yáng)射線la-la'的出射角恒定不變，如圖5b所示。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)入射到透鏡11的平面形的入射面lla上的太陽(yáng)射線的入 射角在20 90度范圍內(nèi)時(shí)，就可以實(shí)現(xiàn)出射的太陽(yáng)射線la、la'的出射角恒定。 如果整套太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換裝置10以45度的a角安裝在地理位置偏南的地區(qū)，如荷 蘭，從上午7: 30-8: 00到下午16: 00-16: 30這兩個(gè)時(shí)間段，太陽(yáng)射線的接收 效率較高，并且在折射和反射后聚集在目標(biāo)區(qū)域13上。
為了實(shí)現(xiàn)出射的太陽(yáng)射線la-la'的出射角恒定，透鏡ll的旋轉(zhuǎn)角度必須 事先經(jīng)過(guò)運(yùn)算單元14a計(jì)算，由之前的描述可知，除了要根據(jù)天空中太陽(yáng)Z (Z ')的位置的這一因素外，透鏡ll的光學(xué)特性、以及裝置10的地理坐標(biāo)位置 也對(duì)旋轉(zhuǎn)角度的確定有所影響。
透鏡11的材質(zhì)可以選用玻璃、透明塑膠(PMMA)、聚碳酸酯、或其他合 適的透明耐用的材料。塑膠和聚碳酸酯屬于塑料，具有鑄模容易的特點(diǎn)。較佳 的，透鏡11的入射面lla為平面，透鏡11上還設(shè)置有鋸齒，最好為平直鋸齒(細(xì) 齒)，由此使得出射面llb形成階梯狀的棱鏡結(jié)構(gòu)。
平面狀的入射面lla的反射作用、穿過(guò)透鏡11內(nèi)部到達(dá)出射面llb過(guò)程中 的傳輸損失、出射面llb可能產(chǎn)生的反射作用，以及由階梯狀棱鏡結(jié)構(gòu)形成的 鋸齒狀輪廓所引起的太陽(yáng)射線損失，對(duì)透鏡11的效能會(huì)產(chǎn)生不利的影響。
實(shí)驗(yàn)證明，對(duì)于氣候溫和的地區(qū)，如荷蘭，通過(guò)將透鏡11出射面lib的棱 鏡角設(shè)置為36°,向透鏡表面12b方向的出射角固定為36。，并且設(shè)置整套設(shè)備 以45度角偏向南，太陽(yáng)射線l將以最髙的效率(最少的損失)直射到反射裝置 12上。
圖3的圖表為采用上述構(gòu)造的透鏡，在6月21日一天中(荷蘭地區(qū))，對(duì) 應(yīng)于天空中太陽(yáng)的不同位置透鏡11 (以及反射裝置12)的旋轉(zhuǎn)角度，在該圖表 中，橫坐標(biāo)表示一天中(特指6月21日)的各個(gè)小時(shí)，縱坐標(biāo)表示透鏡11和 反射裝置12對(duì)應(yīng)于每個(gè)時(shí)間點(diǎn)的特定旋轉(zhuǎn)角度。上述旋轉(zhuǎn)角度由運(yùn)算單元14a 中加載的運(yùn)算模塊(或計(jì)算程序)根據(jù)6月21日這一天中太陽(yáng)Z在天空中的不
10同位置計(jì)算得出。
實(shí)踐證明，當(dāng)將設(shè)備以45 °角朝南設(shè)置(特指荷蘭地區(qū))，并且將太陽(yáng)射線 的入射角度限定在20 ° 90 °范圍內(nèi)時(shí)，如果將透鏡的出射面lib設(shè)置成階梯狀 的棱鏡結(jié)構(gòu)，并且設(shè)定棱鏡的透鏡角為36度，出射角設(shè)定為15° 55°范圍內(nèi) 的固定值，最佳的，選擇這個(gè)固定的角度為36。，則透鏡(在一整天中)的平 均效能最大。當(dāng)天空中太陽(yáng)處在不同位置時(shí)，也一樣可以實(shí)現(xiàn)最大的平均效能。 這里所指的最大的平均效能為77%。
為了保證太陽(yáng)射線la-la'在反射面12b上聚集和聚集后反射到目標(biāo)區(qū)域 13的高效，反射裝置12的反射面12b具有至少一個(gè)凹的曲面(concave curvature), 如拋物曲面(parabolic curvature)或雙曲面(hyperbolic curvature),于是，產(chǎn)生了朝向這些凹曲面的焦點(diǎn)處的反射。在這種情況下，反 射裝置12可以選用與透鏡ll相類似的塑料材質(zhì)，再在反射裝置12的表面涂覆 一層具有反射特性的材料，如鋁或鉻的包覆層。
反射裝置12也可以采用金屬材料，但是，在這種情況下，反射面12a需要 進(jìn)行磨光，并且，必須將出射的太陽(yáng)射線la-la'由于在反射面12a反射而造成 的損失計(jì)入。當(dāng)然，還存在其他一些涂覆層或合適的反射材料，能夠保證將入 射太陽(yáng)射線的95%反射。
如果反射裝置12的反射面12a具有單一的凹面曲率，來(lái)自透鏡11的光線 入射到反射面12a上后，部分會(huì)在經(jīng)過(guò)反射后損失，特別是對(duì)應(yīng)于目標(biāo)區(qū)域13 (太陽(yáng)能電池13)所處位置的區(qū)域，無(wú)法向目標(biāo)區(qū)域方向反射出足夠的太陽(yáng)射 線，為了使入射到反射面12a上靠近目標(biāo)區(qū)域13的部分也能達(dá)到較高的反射效 率，第一凹曲面(在圖6中以字母A表示)并入第二凹曲面(以字母B表示)， 顯然，第一凹曲面和第二凹曲面的形狀不同。
將反射面12a設(shè)置成由兩個(gè)凹曲面相接合的形式是對(duì)本裝置效能的進(jìn)一步 提髙，因?yàn)?，這使得設(shè)置在相應(yīng)的目標(biāo)區(qū)域13或其他目標(biāo)區(qū)域中的太陽(yáng)能電池 (光電電池)能夠接收經(jīng)過(guò)折射、反射(太陽(yáng)射線la")的，即便是靠近目標(biāo) 區(qū)域13的入射太陽(yáng)射線r'。
依照上述描述實(shí)現(xiàn)的用于轉(zhuǎn)換太陽(yáng)能的設(shè)備具有很高的實(shí)用性，其中，太 陽(yáng)射線在反射面12a上的最佳投射是由于將透鏡ll和具有獨(dú)特構(gòu)型的反射裝置 12相對(duì)圍繞透鏡11的軸線11'旋轉(zhuǎn)而完成的，進(jìn)而，由反射裝置將太陽(yáng)射線 進(jìn)行聚集并導(dǎo)向目標(biāo)區(qū)域。
1權(quán)利要求
1、一種太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換裝置，包括太陽(yáng)射線捕捉單元，所述的太陽(yáng)射線捕捉單元包括至少一個(gè)透鏡，所述透鏡包括用于接收太陽(yáng)射線的入射面和用于射出折射后的太陽(yáng)射線的出射面；聚能單元，所述聚能單元包括一個(gè)反射面，用于將由透鏡的出射面射出的太陽(yáng)射線反射到所述聚能單元的至少一個(gè)目標(biāo)區(qū)域上；其特征在于它還包括定位裝置，所述的定位裝置通過(guò)控制所述的太陽(yáng)射線捕捉單元和聚能單元繞與所述透鏡所在平面相垂直的至少一個(gè)軸線旋轉(zhuǎn)來(lái)將太陽(yáng)射線捕捉單元和聚能單元相對(duì)定位。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換裝置，其特征在于所述太陽(yáng)射線捕 捉單元和聚能單元的旋轉(zhuǎn)軸線為兩個(gè)不同的軸線。
3、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換裝置，其特征在于所述的太陽(yáng)射線 捕捉單元和聚能單元的旋轉(zhuǎn)軸線相重合。
4、 根據(jù)以上任一權(quán)利要求所述的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換裝置，其特征在于所述定位 裝置將所述的太陽(yáng)射線捕捉單元和聚能單元定位在相互分離的平面上。
5、 根據(jù)以上任一權(quán)利要求所述的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換裝置，其特征在于所述的定 位裝置根據(jù)天空中太陽(yáng)的實(shí)時(shí)位置、太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換裝置的光學(xué)特性及其定位來(lái)確 定所述太陽(yáng)射線捕捉單元和聚能單元的相對(duì)位置。
6、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換裝置，其特征在于所述的定位裝置 包括運(yùn)算單元，所述的運(yùn)算單元根據(jù)太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換裝置在地球上的地理坐標(biāo)位置、 方向以及當(dāng)前日期、時(shí)刻計(jì)算出天空中太陽(yáng)的位置。
7、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換裝置，其特征在于它包括框架，所 述的太陽(yáng)射線捕捉單元和聚能單元可相對(duì)旋轉(zhuǎn)地設(shè)置在所述的框架中。
8、 根據(jù)權(quán)利要求7所述的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換裝置，其特征在于所述的框架內(nèi)設(shè) 置有起引導(dǎo)作用的斜槽，所述的定位裝置控制所述的太陽(yáng)射線捕捉單元和聚能 單元沿所述的斜槽運(yùn)動(dòng)。
9、 根據(jù)權(quán)利要求7或8所述的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換裝置，其特征在于所述的框架 中設(shè)置有多個(gè)用于支撐所述的太陽(yáng)射線捕捉單元和聚能單元的滾筒。
10、 根據(jù)權(quán)利要求9所述的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換裝置，其特征在于多個(gè)所述滾筒 中的至少一個(gè)由所述的定位裝置驅(qū)動(dòng)。
11、 根據(jù)權(quán)利要求IO所述的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換裝置，其特征在于所述的滾筒由定位裝置所控制的電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。
12、 根據(jù)權(quán)利要求7-11之一所述的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換裝置，其特征在于所述的 太陽(yáng)射線捕捉單元和聚能單元通過(guò)皮帶傳動(dòng)裝置可移動(dòng)地設(shè)置在所述的框架 中，所述的定位裝置控制所述的皮帶傳動(dòng)裝置。
13、 根據(jù)以上任一權(quán)利要求所述的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換裝置，其特征在于所述的 透鏡的入射面為平面。
14、 根據(jù)以上任一權(quán)利要求所述的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換裝置，其特征在于所述的 透鏡的出射面呈階梯狀。
15、 根據(jù)權(quán)利要求14所述的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換裝置，其特征在于所述的透鏡的 出射面形成呈階梯狀的直棱鏡結(jié)構(gòu)。
16、 根據(jù)權(quán)利要求14或15所述的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換裝置，其特征在于所述的 棱鏡角度范圍在15°至50°之間，特別是36°。
17、 根據(jù)權(quán)利要求14， 15， 16中之一所述的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換裝置，其特征在于 所述的太陽(yáng)射線捕捉單元以介于15°至55°之間的一個(gè)固定的出射角向所述的聚 能單元發(fā)射出太陽(yáng)射線，特別的，所述的出射角為36°。
18、 根據(jù)以上任一權(quán)利要求所述的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換裝置，其特征在于所述的 太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換裝置與水平面之間形成一個(gè)角度。
19、 根據(jù)權(quán)利要求18所述的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換裝置，其特征在于所述的太陽(yáng)能 轉(zhuǎn)換裝置與水平面之間的角度依據(jù)太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換裝置所處的緯度而調(diào)節(jié)。
20、 根據(jù)以上任一權(quán)利要求所述的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換裝置，其特征在于所述的 反射面上具有至少一個(gè)凹的曲面。
21、 根據(jù)以上任一權(quán)利要求20所述的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換裝置，其特征在于:所述第 一個(gè)空心曲面(hollow curvature)在靠近其相關(guān)的目標(biāo)區(qū)域的一個(gè)點(diǎn)上與第二個(gè) 空心曲面(hollow curvature)相接合，所述第二個(gè)曲面與第一個(gè)曲面的反射面上設(shè) 置有第一凹面和第二凹面，所述的第一凹面的切面曲線曲率與所述的第二個(gè)凹 面的切面曲線曲率不同，第二個(gè)曲面也有一個(gè)相關(guān)的目標(biāo)區(qū)域。
22、 根據(jù)以上任一權(quán)利要求所述的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換裝置，其特征在于每個(gè)所 述的目標(biāo)區(qū)域中設(shè)置有聚光電池。
23、 根據(jù)權(quán)利要求22所述的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換裝置，其特征在于所述的聚光電 池設(shè)置在所述的反射裝置的邊沿處。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換裝置(10)，它包括太陽(yáng)射線捕捉單元(11)，該太陽(yáng)射線捕捉單元(10)具有至少一個(gè)透鏡，透鏡包括用于接收太陽(yáng)射線的入射面(11a)和用于射出折射后的太陽(yáng)射線的出射面(11b)；聚能單元(12)，該聚能單元(12)包括一個(gè)反射面(12a)，反射面(12a)用于將由透鏡的出射面(11b)射出的太陽(yáng)射線反射到聚能單元(12)的至少一個(gè)目標(biāo)區(qū)域(13)上；它還包括定位裝置(14)，該定位裝置(14)通過(guò)控制太陽(yáng)射線捕捉單元(11)和聚能單元(12)繞與透鏡所在的平面相垂直的至少一個(gè)軸線旋轉(zhuǎn)來(lái)調(diào)整太陽(yáng)射線捕捉單元(11)和聚能單元(12)的相對(duì)位置。
文檔編號(hào)F24J2/06GK101466984SQ200780020600
公開(kāi)日2009年6月24日 申請(qǐng)日期2007年4月5日 優(yōu)先權(quán)日2006年4月7日
發(fā)明者皮特·朋寧, 羅伊·比吉爾 申請(qǐng)人:桑塞考國(guó)際有限責(zé)任公司