一種基于電潤(rùn)濕效應(yīng)的液體太陽(yáng)能追蹤聚光器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種在太陽(yáng)能聚集應(yīng)用領(lǐng)域中，能夠進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤的太陽(yáng)能聚光器。該器件結(jié)構(gòu)基于電潤(rùn)濕液滴操控原理，通過(guò)外加調(diào)制電壓的方式實(shí)現(xiàn)液滴透鏡的二維移動(dòng)和變焦，實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)光的實(shí)時(shí)雙軸跟蹤和聚焦。相比傳統(tǒng)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)的追蹤聚光裝置，本發(fā)明不僅結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，且具有重量輕、無(wú)磨損、無(wú)噪音、無(wú)機(jī)械振動(dòng)、控制精度高等特點(diǎn)。此外，本發(fā)明制造和維護(hù)成本低，有利于系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用和大規(guī)模集成。同時(shí)，輕量化的設(shè)計(jì)使本發(fā)明適合應(yīng)用于屋頂?shù)葘?duì)負(fù)重有嚴(yán)格限制的場(chǎng)所。
【專利說(shuō)明】一種基于電潤(rùn)濕效應(yīng)的液體太陽(yáng)能追蹤聚光器

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及太陽(yáng)輻射聚集的應(yīng)用領(lǐng)域，具體涉及一種基于電潤(rùn)濕效應(yīng)的能夠跟蹤 太陽(yáng)光的液體聚光器和聚光器陣列。

【背景技術(shù)】
[0002] 太陽(yáng)能是地球上主要的可再生能源。雖然太陽(yáng)輻射功率較高，但是其能流密度較 低。為了提高太陽(yáng)能的接收效率以及降低太陽(yáng)能使用成本，高效率的太陽(yáng)能聚光系統(tǒng)是不 可或缺的環(huán)節(jié)。以太陽(yáng)能電池板為例，當(dāng)太陽(yáng)垂直照射太陽(yáng)能電池板的時(shí)候，光伏電池轉(zhuǎn)換 率最高，而當(dāng)太陽(yáng)斜入射的時(shí)候，轉(zhuǎn)換效率開(kāi)始降低。于是越來(lái)越多的人開(kāi)始研究太陽(yáng)能跟 蹤裝置，根據(jù)太陽(yáng)在空中運(yùn)動(dòng)的軌跡來(lái)調(diào)整太陽(yáng)能電池板的位置，提高太陽(yáng)能的收集效率。
[0003] 目前常見(jiàn)的跟蹤方式可以分為單軸跟蹤和雙軸跟蹤兩種，由于單軸跟蹤無(wú)法同時(shí) 兼顧太陽(yáng)方位角和高度角的變化，因此入射光線始終不能保持與主光軸平行。而雙軸跟蹤 方式較之單軸系統(tǒng)，機(jī)械復(fù)雜程度和投資成本都有不少的提升?，F(xiàn)在市面上絕大多數(shù)的追 蹤裝置都采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式。電機(jī)不僅要驅(qū)動(dòng)太陽(yáng)能聚集器、電池板、還要驅(qū)動(dòng)沉重的散熱 裝置。由于負(fù)載重量大，整套裝置在追蹤過(guò)程中需要消耗大量的能量，而且由于機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù) 雜，制造和維護(hù)成本都較高。此外，在一些負(fù)重受限的場(chǎng)所，例如屋頂，笨重的機(jī)械追蹤裝置 使得太陽(yáng)能設(shè)備的安裝和應(yīng)用受到了極大的約束。
[0004] 近年來(lái)，一些非機(jī)械式的太陽(yáng)能聚集追蹤裝置得到了很多學(xué)者的關(guān)注。2005年， Pender(USpatentNo:6958868)提出了一種液晶棱鏡陣列結(jié)構(gòu)的無(wú)電機(jī)太陽(yáng)能聚集器。通 過(guò)外加電場(chǎng)可以調(diào)節(jié)其反射率和控制反射光線的出射角度。2008年，Currie等人提出了一 種在基底上覆蓋有機(jī)薄膜的平面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的太陽(yáng)能聚集器，可以提高輸出功率近十倍。然 而有機(jī)涂層要求與基底之間有著較強(qiáng)的粘附力，這就給薄膜長(zhǎng)期的使用和維護(hù)帶來(lái)困難。 2012年，Baker等人提出一種平面微結(jié)構(gòu)的太陽(yáng)能聚光器。此系統(tǒng)通過(guò)電壓引起納米擴(kuò)散 及對(duì)折射率進(jìn)行調(diào)制，從而實(shí)現(xiàn)無(wú)機(jī)械裝置的自動(dòng)追蹤。初步實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在60Hz電壓 調(diào)制下，折射率改變僅為〇. 033。因此實(shí)現(xiàn)這種方法的難點(diǎn)在于需要通過(guò)優(yōu)化材料來(lái)增強(qiáng)折 射率調(diào)制的效果。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明提出一種基于介電潤(rùn)濕效應(yīng)的液體透鏡太陽(yáng)能追蹤聚光系統(tǒng)，所述系統(tǒng)通 過(guò)外加電壓驅(qū)動(dòng)裝置，不僅可以實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)光的會(huì)聚，并且可以根據(jù)太陽(yáng)入射角的變化，進(jìn) 行實(shí)時(shí)追蹤和優(yōu)化聚焦效果。
[0006] 上述系統(tǒng)中，液體透鏡模塊采用封閉式結(jié)構(gòu)，包括相互平行的高透過(guò)率的上密封 板和下密封板，也稱為基板。其中下基板的上分別覆蓋有疏水層、高介電常數(shù)的絕緣層和電 極層，如圖3所示。
[0007] 上述系統(tǒng)中，液體透鏡模塊中，兩基板之間填充兩種互不相融的液體，分別為導(dǎo)電 液體和絕緣非極性液體。其中導(dǎo)電液體在疏水層表面形成液滴透鏡，剩余空間被絕緣非極 性液體填充滿。
[0008] 上述系統(tǒng)中，兩種液體密度相同，但折射率不同，光線在兩種液體的交界曲面發(fā)生 折射。
[0009] 上述系統(tǒng)中，沒(méi)有機(jī)械移動(dòng)部件，聚光器和對(duì)應(yīng)的太陽(yáng)能接收裝置都固定安裝。
[0010] 上述系統(tǒng)中，通過(guò)施加電壓產(chǎn)生電潤(rùn)濕效應(yīng)，驅(qū)動(dòng)液滴移動(dòng)和變焦來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng) 能的追蹤和聚焦。
[0011] 上述系統(tǒng)中，通過(guò)在兩個(gè)電極層上施加不同電壓，可以實(shí)現(xiàn)液滴在兩個(gè)維度上的 移動(dòng)和變焦，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)能的雙軸跟蹤。
[0012] 上述系統(tǒng)中，與聚光器匹配的太陽(yáng)能接收裝置可以是光伏電池、熱伏電池或其他 太陽(yáng)能接收轉(zhuǎn)換裝置。
[0013] 本發(fā)明的有益效果和創(chuàng)新之處在于：
[0014] 1.本發(fā)明所述的跟蹤裝置無(wú)需任何機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)裝置就能實(shí)現(xiàn)雙軸追蹤和
[0015] 聚焦，且具有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、重量輕、無(wú)磨損、無(wú)噪音、無(wú)機(jī)械振動(dòng)、
[0016] 控制精度高等特點(diǎn)。此外，輕量化設(shè)計(jì)使本發(fā)明適合應(yīng)用于屋頂?shù)葘?duì)負(fù)
[0017] 重有限制的場(chǎng)所。
[0018] 2.本發(fā)明所述器件的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、生產(chǎn)制備易實(shí)現(xiàn)、運(yùn)行能耗低、維護(hù)成
[0019] 本小，有利于系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用和大規(guī)模集成。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0020] 以下，結(jié)合附圖來(lái)詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)施例，其中：
[0021] 圖1正入射時(shí)本發(fā)明液滴聚光器的截面圖
[0022] 圖2斜入射時(shí)本發(fā)明液滴聚光器的截面圖
[0023] 圖3本發(fā)明液滴聚光器疏水層、介質(zhì)層、電極層示意圖 圖4固定焦距液滴透鏡的焦平面散點(diǎn)圖 圖5改變焦距后斜入射聚焦光斑散點(diǎn)圖

【具體實(shí)施方式】
[0024] 圖1給出了一個(gè)根據(jù)本
【發(fā)明內(nèi)容】
所述的自動(dòng)跟蹤太陽(yáng)光聚焦系統(tǒng)的實(shí)例示意圖。 上下基板和側(cè)面基板材料均為高透過(guò)率玻璃。根據(jù)圖3所示，電極1和電極2選用IT0電 極，介質(zhì)層1和介質(zhì)層2的相對(duì)介電常數(shù)為2. 8,厚度約為1ym;最后再表面覆蓋一層極薄 的氟聚合物疏水層。液滴材料為去離子水（折射率1. 33,密度0. 998g/m3)，填充液為硅油 (折射率1. 54,密度0. 96g/m3)。去離子水液滴在疏水層表面的初始接觸角可達(dá)到約120°。 平板光伏電池作為接受裝置，固定安裝于聚光器正下方，與液滴透鏡距離約為H。
[0025] 根據(jù)電潤(rùn)濕效應(yīng)可知，施加電壓V后，液滴透鏡的固液表面張力將發(fā)生變化，其接 觸角接觸角Q與電壓V滿足Lippmann-Young方程：

【權(quán)利要求】
1. 一種基于電潤(rùn)濕效應(yīng)的能夠?qū)崟r(shí)追蹤太陽(yáng)光的液體聚光系統(tǒng)，通過(guò)施加調(diào)制電壓的 方式控制液滴透鏡的移動(dòng)和形變，實(shí)現(xiàn)多角度太陽(yáng)光的跟蹤和聚焦。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的自動(dòng)追蹤太陽(yáng)光的液體聚光系統(tǒng)，其特征在于，所述液滴透 鏡可以通過(guò)外加電壓改變電潤(rùn)濕特性的方式使液滴位置在兩個(gè)維度上移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)聚光系統(tǒng) 能夠?qū)μ?yáng)光進(jìn)行雙軸式追蹤。同時(shí)，外加電壓還能改變液滴形狀，達(dá)到改變液滴透鏡焦距 和充分聚焦光線的目的。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的自動(dòng)追蹤太陽(yáng)光的液體聚光系統(tǒng)，其特征在于，所述液滴透 鏡模塊在追蹤過(guò)程中，液滴透鏡與太陽(yáng)能接收裝置的中心點(diǎn)連線始終與入射光方向平行。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的自動(dòng)追蹤太陽(yáng)光的液體聚光系統(tǒng)，其特征在于，所述聚光系 統(tǒng)可以由任意數(shù)量的液滴透鏡單元平鋪組成陣列，且每個(gè)單元都可以獨(dú)立控制。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的自動(dòng)追蹤太陽(yáng)光的液體聚光系統(tǒng)，其特征在于，所述聚光系 統(tǒng)可以使用的太陽(yáng)能接收裝置包括光伏電池、熱伏電池或其他太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換裝置。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的自動(dòng)追蹤太陽(yáng)光的液體聚光系統(tǒng)，其特征在于，所述聚光系 統(tǒng)可以使用的太陽(yáng)能接收裝置采用固定安裝形式，在運(yùn)行過(guò)程中無(wú)需移動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的自動(dòng)追蹤太陽(yáng)光的液體聚光系統(tǒng)，其特征在于，所述液滴透 鏡模塊為密封結(jié)構(gòu)，上下及側(cè)面基板均由高透材料制成。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的自動(dòng)追蹤太陽(yáng)光的液體聚光系統(tǒng)，其特征在于，所述下基板 的表面涂覆疏水層、介電層、電極層。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的自動(dòng)追蹤太陽(yáng)光的液體聚光系統(tǒng)，其特征在于，所述液滴透 鏡模塊為柱狀結(jié)構(gòu)，其底面形狀可以為圓形、三角形、四邊形、六邊形等常見(jiàn)幾何形狀。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的自動(dòng)追蹤太陽(yáng)光的液體聚光系統(tǒng)，其特征在于，所述液滴透 鏡模塊包含兩種密度相同、折射率不同的不相融液體，其中液滴為導(dǎo)電液體，填充液為絕緣 非極性液體。
【文檔編號(hào)】G05D3/12GK104331092SQ201410617346
【公開(kāi)日】2015年2月4日 申請(qǐng)日期:2014年11月5日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月5日
【發(fā)明者】劉建勝, 李魏, 鄭錚, 程江濤 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)