專利名稱：可縮短對光源采光距離的單位面積光通量增量裝置的制作方法
技術(shù)領域：
本實用新型涉及一種主要應用于太陽能光伏發(fā)電和各種光能回收利用的裝置，尤其是一 種能夠有效縮短對光源采光距離，從而提高受光地點單位面積的光通量和光強度，并且能夠 在有效日照時間內(nèi)提高太陽能收集效率的可縮短對光源采光距離的單位面積光通量增量裝置。
背景技術(shù)：
太陽能是人類主要的持久能源和環(huán)保潔凈能源，而太陽能光伏發(fā)電則是目前人類從太陽 獲取能量的基本方法之一。評估某一種太陽能光伏發(fā)電技術(shù)方案效益優(yōu)劣的主要指標，是該 方案在地球表面單位面積內(nèi)收集太陽能的效率。地球表面單位面積內(nèi)太陽能的收集效率具體 是指單位時間內(nèi)，在地球表面某一地點單位球面度所能收集到的太陽光的光通量值和光強 度值。對于太陽能光伏發(fā)電來說，光譜頻率相對穩(wěn)定的太陽光光通量和光強度越大，則越有 利于提高光電轉(zhuǎn)換裝置(例如太陽能電池)產(chǎn)生的光電量，在地球表面單位面積上也就能夠 獲得更多的電能。這是因為投射到光電轉(zhuǎn)換裝置上的投射光，如果能發(fā)生光電效應并且其 光譜頻率(或振幅)相對穩(wěn)定，則所產(chǎn)生的光電流強度飽和值與投射光單位面積的光通量以 及光強度值成正比。
目前世界上現(xiàn)有利用光學方法來聚集太陽能的技術(shù)方案，主要有凸透鏡聚焦和菲涅爾透鏡聚焦方案，以及各類平面鏡或拋物面反射鏡聚光方案等。
現(xiàn)有各類凸透鏡、菲涅爾透鏡聚光方案，是利用聚光透鏡的折光特性將通過透鏡面積內(nèi) 的太陽光折射后，聚集在透鏡焦距附近以形成高溫和高亮度的焦斑點。由于聚光透鏡的面積 遠大于聚光后焦斑點的面積，因此這類方案實質(zhì)上并不能夠提高單位面積太陽能的收集量， 只是將通過透鏡面積內(nèi)的太陽光折射聚集以提高焦斑點的光強度而已。這類方法雖然可以減 少太陽能電池的使用量，但由于聚光透鏡折射陽光聚焦后所形成的焦斑點溫度很高，而太陽 能電池的光電轉(zhuǎn)換效率又與溫度成反比，這類聚光鏡式太陽能電池，必須有冷卻裝置才能維 持工作效率和避免燒壞，冷卻裝置需耗費一定能量，因此這類方案的效費比和性價比都比較 低。而且，這類方案的前提是"聚焦"，因此為了確保焦斑點的形成和保證焦斑點的光強度， 不能通過調(diào)節(jié)太陽能電池收集板與透鏡之間的距離，來達到避免過高的溫度的情況發(fā)生。
現(xiàn)有各類平面鏡或拋物面反射鏡聚光方案，其聚光系統(tǒng)龐大的體積需要占用較大的土地 面積和空間容積。而且，這類方案只是從不同的角度將到達各個反光面內(nèi)的陽光， 一同反射 聚集在某一個聚光點上，以提高該點的太陽光強度，其采光反射面的總面積，仍然遠大于其 聚光點的面積。因此，這類方法實質(zhì)上也并不具備提高地球表面單位面積太陽能收集效率的 效果，其效費比和性價比也都比較低。
由于地球自轉(zhuǎn)和繞太陽公轉(zhuǎn)，因此相對于地球表面的某一點來說，太陽每天的運動都有 方位角和赤緯角變化。要在每天有效日照時間段的單位時間內(nèi)收集到更多的太陽能，就必須 使太陽能電池的采光面能夠始終追隨太陽運動?，F(xiàn)有各類太陽追蹤方法大多是利用測量傳感 器(例如光敏傳感、熱敏傳感、溫差傳感等)來感應太陽光，然后通過相關(guān)裝置分析處理測 量信息后，對伺服傳動機構(gòu)發(fā)出指令使機構(gòu)作出相應動作來追蹤太陽。這類方法機構(gòu)構(gòu)造復雜并且需要耗費一定能量。而且，這類方法的裝置受氣象條件的制約較為明顯(例如看不見太 陽的陰天或者多云遮陽天氣)，系統(tǒng)的有效性和可靠性低而容易產(chǎn)生誤動作。此外，現(xiàn)有太陽 追蹤方法中，還有利用計算機編制預設程序來指令伺服傳動機構(gòu)追隨太陽運動的裝置。這類 裝置同樣是因為構(gòu)造復雜和需要耗費能量，所以效費比和性價比仍是比較低。
顯而易見，要進一步發(fā)展人類的太陽能光伏發(fā)電技術(shù)，就必須根本上改變現(xiàn)有太陽能的 采光集能方案，用更有效的新方法來提高地球表面單位面積的太陽能收集效率，并且需要有 簡約和可靠的新方法來跟蹤太陽二維運動。根據(jù)新的技術(shù)方案制造的裝置產(chǎn)品，還應當具有較 高的效費比和性價比，以利于廣泛應用。
目前人類社會的日常電能耗費，很大部分是消耗在照明上(例如街道照明，公園、廣場、 商店等公共設施照明，地下交通照明，住宅區(qū)、樓道和家庭照明等等)。如果在不影響照明目的 效果和環(huán)境外觀等的前提下，利用簡單有效的采光集能方法將各種燈光的光能回收再利用， 將能夠節(jié)約大量能源，其重大意義值得人類社會高度關(guān)注。
發(fā)明內(nèi)容
本實用新型的目的在于提供一種主要應用于太陽能光伏發(fā)電和各種光能回收利用的技術(shù) 方案，即提供一種可縮短對光源采光距離的單位面積光通量增量裝置，能夠顯著增加單位面 積光通量和出射光強度。
本實用新型的另一個目的是提供一種可以自動追蹤日光的可縮短對光源采光距離的單位 面積光通量增量裝置，該裝置無需測量傳感器、運動時無需能量耗費，即可實現(xiàn)太陽二維運 動追蹤功能。本實用新型是通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)的-
一種可縮短對光源采光距離的單位面積光通量增量裝置，包括支架和迎著入射光依次設 置的前置透鏡部件、后置透鏡部件，所述前置透鏡部件、后置透鏡部件通過所述支架相互連 接形成裝置主體；所述前置透鏡部件的主光軸、后置透鏡部件的主光軸和受光裝置的受光面 的中心軸相互重合；其特征在于所述前置透鏡部件將射入其受光面的入射光進行第一次匯 聚后形成出射光，所述后置透鏡部件將前置透鏡部件的所述出射光進行第二次匯聚后投射在 受光裝置的受光面上，所述前置透鏡部件的受光面的面積Al與受光裝置的受光面的面積A3 基本相等，且所述后置透鏡部件的第二次匯聚后的出射光在所述受光裝置的受光面所在的平 面上的截面面積A2與所述受光裝置的受光面的面積A3基本相等，所述面積A2與Al的差異 S 10%A1 ， A3與Al的差異^ 10%A1 。
所述受光裝置包括有位于后置透鏡部件后方的光電轉(zhuǎn)換部件，所述前置透鏡部件、后置 透鏡部件和光電轉(zhuǎn)換部件通過所述支架相互連接形成裝置主體；所述后置透鏡部件將前置透 鏡部件的所述出射光進行第二次匯聚后投射在所述光電轉(zhuǎn)換部件的受光面上。
所述受光裝置還可以為一種直接利用光能充電的裝置，例如利用光能充電的充電燈、 利用光能充電的手機充電器、利用光能充電的蓄電池等。
所述可縮短對光源采光距離的單位面積光通量增量裝置還包括追日機構(gòu)，用于使所述裝 置主體根據(jù)入射的太陽光線的方向而相對于水平面轉(zhuǎn)動，以使所述前置透鏡部件的受光面垂 直于入射的太陽光線。
由于采用了上述技術(shù)方案，本實用新型具有如下優(yōu)點和效果
1、本實用新型的透鏡陣列組在擴大了對光源中心點的采光角度的同時，縮小了對光源中心點的采光場范圍，從而增大了透鏡陣列組單位面積出射光的光通量，導致從透鏡陣列組出 射光單位面積的光強度也隨之增大，顯著提高了單位面積的光能收集效率，使得所對應的單 位面積光電轉(zhuǎn)換裝置(例如太陽能電池)能夠換裝出更多光電能量。本實用新型在現(xiàn)有材料 條件下的工程實驗結(jié)果表明本實用新型能夠?qū)⒌厍虮砻孀匀还?例如夏季的太陽光)單位 面積的光通量和光強度增大40%至80%;能夠在一定距離內(nèi)將室內(nèi)外燈光(例如普通照明燈光)
單位面積的光通量和光強度增大60%至250%。
2、 本實用新型的透鏡陣列組出射光的光斑面積之和約等于前置透鏡陣列面積，光斑處的 光強度顯著增大但溫度變化《±5%。因此，本實用新型不會對光電轉(zhuǎn)換裝置(例如太陽能電 池)造成高溫危害，無需給太陽能電池配備冷卻或恒溫裝置，結(jié)構(gòu)簡單和明顯節(jié)約能源。
3、 本實用新型利用重力和離心式傾轉(zhuǎn)限速阻尼原理，在給定的時間段內(nèi)使本實用新型始
終追隨太陽方位角和赤緯角變化而保持與太陽同步二維運動，從而能夠在每天的有效日照時
間段內(nèi)最大限度地收集太陽能。本實用新型的太陽二維追蹤機構(gòu)無需測量傳感器和無需能耗， 結(jié)構(gòu)簡單可靠和明顯節(jié)約能源。
4、 本實用新型所占用的面積即為光電轉(zhuǎn)換裝置(例如太陽能電池)的面積，因此本實用 新型在城市或者城郊土地和空間資源有限的區(qū)域應用時，具有節(jié)約土地和空間資源的明顯優(yōu) 勢。
5、 本實用新型的光電轉(zhuǎn)換裝置陣列移動槽裝置設計，能夠使光電轉(zhuǎn)換裝置陣列(例如太 陽能電池)在低照度的陰天或多云天氣環(huán)境中脫離透鏡陣列組，采集太陽的漫射光、反射光 和散射光等光能來實施光電轉(zhuǎn)換，從而擴大了本實用新型的應用范圍并提高了利用率。
6、 本實用新型可用普通玻璃或光學玻璃和工程塑料、普通金屬材料以一般工業(yè)技術(shù)制造，具有良好的效費比和性價比，易于廣泛應用。本實用新型總體結(jié)構(gòu)簡單可靠，重量相對較輕， 沒有明顯的易損易耗組件，使用和維護修理都很簡便。本實用新型低重心的側(cè)向通透式構(gòu)造， 能夠有效抗擊惡劣氣象環(huán)境(例如臺風暴雨或沙塵)的侵襲，適合在各種地域環(huán)境中長期應 用。
7、本實用新型的透鏡陣列用工藝技術(shù)集成并微小型化后，能夠直接應用于太陽能電池封 裝，從而進一步減輕重量和擴大應用范圍，例如應用于各種照明燈光能的回收，或者應用于 航天飛行器、空間站以及月球或火星地面站等。


圖1為本實用新型的可縮短對光源采光距離的單位面積光通量增量裝置的實施例一的整 體組裝結(jié)構(gòu)示意圖2為圖1所示的可縮短對光源采光距離的單位面積光通量增量裝置的分解爆炸示意圖； 圖3a為本實用新型的可縮短對光源采光距離的單位面積光通量增量裝置的實施一的透 鏡陣列的分解結(jié)構(gòu)示意圖3b為圖3a所示的透鏡陣列的組裝結(jié)構(gòu)示意圖4a為本實用新型的可縮短對光源采光距離的單位面積光通量增量裝置所適用的采光 場的示意圖4b為本實用新型的可縮短對光源采光距離的單位面積光通量增量裝置的實施例一的 透鏡陣列的光路示意圖4c為圖4b所示的透鏡陣列中的單組透鏡縱列的光路及光通量增量效果示意圖；圖5a為本實用新型的可縮短對光源采光距離的單位面積光通量增量裝置的實施例一的 水平向傾轉(zhuǎn)限速阻尼器機構(gòu)的結(jié)構(gòu)透視圖5b為本實用新型的可縮短對光源采光距離的單位面積光通量增量裝置的水平向傾轉(zhuǎn) 限速阻尼器機構(gòu)的結(jié)構(gòu)平視圖5c為本實用新型可縮短對光源采光距離的單位面積光通量增量裝置的離心轉(zhuǎn)子與錐 筒形限速罩移動式限速原理示意圖5d為本實用新型可縮短對光源采光距離的單位面積光通量增量裝置的傾轉(zhuǎn)限速阻尼 器機構(gòu)組合外觀立體結(jié)構(gòu)示意圖6為本實用新型可縮短對光源采光距離的單位面積光通量增量裝置水平向追蹤太陽運 動過程示意圖7為本實用新型可縮短對光源采光距離的單位面積光通量增量裝置赤緯向追蹤太陽運 動過程示意圖;.
圖8為本實用新型可縮短對光源采光距離的單位面積光通量增量裝置二維追蹤太陽運動 總體效果立體示意圖9為本實用新型可縮短對光源采光距離的單位面積光通量增量裝置的光電轉(zhuǎn)換裝置陣 列移動槽裝置的工作原理立體示意圖。
圖10a為本實用新型的可縮短對光源采光距離的單位面積光通量增量裝置的實施例二的 透鏡陣列投影示意圖10b為圖10a所示的透鏡陣列的組合示意圖lla為本實用新型的可縮短對光源采光距離的單位面積光通量增量裝置的實施例三的透鏡陣列投影示意圖llb為圖lla所示的透鏡陣列的示意圖lie為本實用新型的可縮短對光源采光距離的單位面積光通量增量裝置的實施例三的
單組縱列透鏡光路圖和光通量增量效果示意圖。
具體實施方式

實施例一
如圖1和圖2所示，根據(jù)本實用新型的可縮短對光源采光距離的單位面積光通量增量裝
置包括有迎著光源方向依次設置的前置透鏡部件、后置透鏡部件和光電轉(zhuǎn)換部件，所述前 置透鏡部件、后置透鏡部件和光電轉(zhuǎn)換部件通過活動支架5組接成一體。
如圖3a、 3b所示，所述前置透鏡部件包括有由單塊或多塊凸透鏡17橫向排列而成的前
置透鏡陣列1;所述后置透鏡部件包括一組或者多組陣列，每組陣列由單塊或多塊凸透鏡或
者凹透鏡18橫向排列而成；光電轉(zhuǎn)換部件包括有由單塊或多塊光電轉(zhuǎn)換單元19橫向排列而
成的陣列4。在本實施例中，所述后置透鏡陣列包括有迎著光源方向依次設置的第一組后置
透鏡陣列2和第二組后置透鏡陣列3。所述前置透鏡陣列1、第一組后置透鏡陣列2和第二組
后置透鏡陣列3中，多塊橫向排列成陣列的透鏡相互間通過連接裝置固定連接成矩形(或者
多邊形、橢圓形、圓形等其他幾何形狀)的板狀結(jié)構(gòu)；光電轉(zhuǎn)換裝置陣列4中，多塊排列成
陣列的太陽能電池相互間通過連接裝置固定連接成矩形(或者多邊形、橢圓形、圓形等其他
幾何形狀)的板狀結(jié)構(gòu)。
前置透鏡陣列1中的凸透鏡17的中心軸與所對應的后置透鏡陣列中的凸透鏡或凹透鏡18的中心軸在同一條直線上，構(gòu)成可擴大對光源中心點的采光角度和縮小對光源中心點的采 光場范圍的相對于光源近距離采光集能的光通量增量縱列單元20，所述光通量增量縱列單元 20具有增大的由后置透鏡部件射出的出射光的單位面積光通量和光強度，所述光通量增量縱 列單元20的出射光投射在光電轉(zhuǎn)換裝置的光接收部。
如圖4b和圖4c所示，所述前置透鏡部件l、第一組后置透鏡陣列2、第二組后置透鏡陣 列3和光電轉(zhuǎn)換陣列4之間間隔有特定距離，使得所述前置透鏡部件的受光面的面積Al與光 電轉(zhuǎn)換部件的受光面的面積A3基本相等，且所述后置透鏡部件的第二次匯聚后的出射光在所 述光電轉(zhuǎn)換部件的受光面所在的平面上的截面面積A2與所述受光面的面積A3基本相等，所 述面積A2與A1的差異^10y。Al， A3與A1的差異^10M1。
在本實施例中，所述的前置透鏡陣列1中的透鏡的后焦距，大于所對應的第一組后置透 鏡陣列2中的透鏡的前焦距；所述的前置透鏡陣列1中的透鏡的后焦點與所對應的第一組后 置透鏡陣列2的透鏡的前焦點重合、或所述的前置透鏡陣列1中的透鏡的后焦點與所對應的 第一組后置透鏡陣列2的透鏡的前焦點的距離《前置透鏡陣列1中的透鏡的后焦距的10%。
所述前置透鏡陣列1中的凸透鏡17和凸透鏡或凹透鏡18為矩形或者多邊形、圓形，凸
透鏡17邊長或直徑^第一組后置透鏡陣列2中的凸透鏡或凹透鏡18的邊長或直徑；第一組
后置透鏡陣列2中的凸透鏡或凹透鏡18，其邊長或直徑與第二組后置透鏡陣列3中的凸透鏡
或凹透鏡19邊長或直徑相同或者不相同；所述前置透鏡陣列1中的凸透鏡17，其焦距〉第
一組后置透鏡陣列2中的凸透鏡或凹透鏡18的焦距；第二組后置透鏡陣列3中的凸透鏡或凹
透鏡19，其焦距《第一組后置透鏡陣列2中的凸透鏡或凹透鏡18的焦距。
所述的光通量增量縱列單元20為凸-凸-凸式縱列結(jié)構(gòu)，前置透鏡陣列1中的凸透鏡是邊長相對較大的正方形，后置透鏡陣列2中的透鏡是邊長相對較小的正方形凸透鏡，后置透鏡 陣列3中的透鏡為正方形且邊長與后置透鏡陣列2中的透鏡邊長相等。其中，前置透鏡l的 后焦距是后置透鏡2的前焦距的4倍；前置透鏡1的光心與后置透鏡2的光心距離，為前置
透鏡1的后焦距與后置透鏡2的前焦距之和；后置透鏡3的后焦距<后置透鏡2的前焦距；
由后置透鏡陣列3射出的出射光，投射到光電轉(zhuǎn)換裝置4的受光表面后所形成的光斑的面積 之和，等于前置透鏡陣列1中所有透鏡的面積之和。
本實用新型中的透鏡可用普通玻璃或光學玻璃或工程塑料、其它組件可用普通金屬和工 程塑料等材料以一般工業(yè)技術(shù)制造。
根據(jù)本實施例的單位面積光通量增量裝置，其透鏡陣列組能夠?qū)崿F(xiàn)把對光源的采光距離
縮短為實際距離的四分之一的光學效果和光通量增量效果。例如當光源S為直射太陽光，
地球表面某一地點單位面積的陽光照度Eb約為112980Lux時，本實用新型具體實施方案之一 的裝置能夠?qū)⑼坏攸c、與Eb面積相同的太陽光的照度增強約為165700Lux (光斑Ea)。因 此，本實用新型具體實施方案之一的裝置能夠使單位面積的光通量增量約46.7%，即光電轉(zhuǎn) 換裝置4受光表面單位面積的光通量增加了約46. 7%，從而使光電轉(zhuǎn)換裝置4所產(chǎn)生的光電 能量能夠顯著增加(光電能量的增量值，與具體釆用的光電轉(zhuǎn)換裝置4的轉(zhuǎn)換效率有關(guān))。同 時，本實用新型具體實施方案之一的裝置在使單位面積光通量增加了約46.7%的條件下，投 射到光電轉(zhuǎn)換裝置4的受光表面的光斑Ea的溫度，與光斑外周邊環(huán)境的溫度相比沒有明顯變 化，因此光電轉(zhuǎn)換裝置4不會明顯受到溫度變化影響，無需冷卻或恒溫處理。所述的本實用 新型具體實施方案之一的前置透鏡陣列1采用面積相對較大的凸透鏡，有利于常年太陽光照 度較低的地區(qū)應用。所述可縮短對光源采光距離的單位面積光通量增量裝置還包括有軸向互垂直雙軸支架6、 以及固定座架9;所述活動支架5呈矩形(或者多邊形、橢圓形、圓形等其他幾何形狀)框 架結(jié)構(gòu)，前置透鏡陣列l(wèi)、后置透鏡陣列和光電轉(zhuǎn)換裝置陣列4分別位于活動支架5的頂部、 中部和底部；前置透鏡陣列1和第一組后置透鏡陣列2、第二組后置透鏡陣列3以一定的相 對距離，平行對稱安裝在活動支架5上，形成透鏡陣列組；軸向互垂直雙軸支架6采用矩形 (或者多邊形、橢圓形、圓形等其他幾何形狀)框架結(jié)構(gòu)，位于活動支架5高度方向中部的 外周；所述軸向互垂直雙軸支架6設置有相互垂直的兩組轉(zhuǎn)軸，即水平向轉(zhuǎn)軸7和赤緯向轉(zhuǎn) 軸8，所述兩組轉(zhuǎn)軸的中心線在同一平面上并且軸向互相垂直；所述水平向轉(zhuǎn)軸7連接于固 定座架9的頂部，所述軸向互垂直雙軸支架6繞水平向轉(zhuǎn)軸7翻轉(zhuǎn)；所述活動支架5通過兩 根中連桿51與所述赤緯向轉(zhuǎn)軸8連接，所述活動支架5繞赤緯向轉(zhuǎn)軸8翻轉(zhuǎn)并懸置于固定座 架9的頂部。
根據(jù)原生光群場特性^=^！， S卩由光源產(chǎn)生的光群場中，與光群運動方向垂直的
4廿3
某一平面或曲面的子光群密度p,，與光源點表面的子光群密度/7成正比，與該平面到光源點
距離r的三次方成反比。如圖4a所示，本實用新型采光場所示，S點為光源點，B、 C、 D分 別為與光群運動方向垂直但與光源點距離不同的的采光平面，C點在SD兩點距離的中間。因 B、 C、 D三點單位面積的子光群密度不同，所以B、 C、 D三點單位面積中的光通量和光強度 也不同，依次為B>C>D。當本實用新型裝置放置在D點對光源采光，并且其透鏡陣列組的 透鏡主光軸正對光源點中心，又前置凸透鏡17的焦距大于后置透鏡18的焦距2. 5倍或以上時，透鏡陣列組采集到的是S點與C點之間的單位面積光通量和光強度(圖4a， B)，而不是 D點的單位面積光通量和光強度(圖4a， D)，即使用本實用新型裝置后，采集到了相對于光 源更近距離區(qū)域的光能，因此單位面積采集到的光通量和光強度大于D點本身自然投射的單 位面積光通量和光強度。第二組后置透鏡陣列3的作用，是將第一組后置透鏡陣列2的出射 光的投影面積擴大到與前置透鏡陣列1的面積相同，使本實用新型達到提高D點單位面積光 通量和光強度的目的。
本實用新型是用透鏡陣列組來提高D點的單位面積光通量和光強度，并非在D點用凸透 鏡聚光，在原理上與聚光透鏡的聚焦集能方法完全不同。由于從本實用新型透鏡陣列組投射 到光電轉(zhuǎn)換裝置陣列4上的光溫度變化很小，不會對光電轉(zhuǎn)換裝置(例如太陽能電池)構(gòu)成 高溫危害，因此無需配備冷卻或者恒溫裝置。本實用新型后置透鏡陣列中的透鏡，無論是采 用凸透鏡還是凹透鏡都具有相同的效果。本實用新型如果不設置第二組后置透鏡陣列3，也 具有提高單位面積光通量和光強度的效果，但將增大第一組后置透鏡陣列2與光電轉(zhuǎn)換裝置 陣列4之間的距離。
所述可縮短對光源采光距離的單位面積光通量增量裝置還包括有追日機構(gòu)，所述追閂機 構(gòu)為一種自動傾轉(zhuǎn)限速機構(gòu)，所述可縮短對光源采光距離的單位面積光通量增量裝置設置有 兩組自動傾轉(zhuǎn)限速機構(gòu)，每組各由齒盤、傾轉(zhuǎn)限速阻尼器機構(gòu)和傾轉(zhuǎn)重力發(fā)生器組成，分別 控制軸向互垂直雙軸支架和活動支架相對與地面的傾轉(zhuǎn)速度；其中一組重力發(fā)生器使軸向互 垂直雙軸支架產(chǎn)生指向地面的傾轉(zhuǎn)力矩，另一組重力發(fā)生器使活動支架產(chǎn)生指向地面的傾轉(zhuǎn) 力矩。所述的傾轉(zhuǎn)限速阻尼器機構(gòu)由離心轉(zhuǎn)子、錐筒形限速罩和齒輪組構(gòu)成，離心轉(zhuǎn)子設有彈 性離合片；重力發(fā)生器產(chǎn)生的傾轉(zhuǎn)力矩通過齒盤傳遞給限速阻尼器驅(qū)動離心轉(zhuǎn)子，錐筒形限 速罩控制離心轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，離心轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速控制齒盤的轉(zhuǎn)動速度。
如圖1、圖2、圖5a、圖5b、圖5c、圖5d所示，所述追日機構(gòu)包括水平向傾轉(zhuǎn)重力 發(fā)生器IO、赤諱向傾轉(zhuǎn)重力發(fā)生器ll、水平向傾轉(zhuǎn)限速阻尼器12、水平向限速齒盤13、赤 緯向傾轉(zhuǎn)限速阻尼器14、赤緯向限速齒盤15。
所述水平向傾轉(zhuǎn)重力發(fā)生器10和赤緯向傾轉(zhuǎn)重力發(fā)生器11互相垂直，固定在活動支架5 的底部；水平向傾轉(zhuǎn)限速阻尼器12固定在固定座架9上，水平向限速齒盤13固定在軸向互 垂直雙軸支架6的一端，所述水平向傾轉(zhuǎn)限速阻尼器12包括有主傳動器從動齒輪21、離 心轉(zhuǎn)子22、以及錐筒形限速罩23，所述水平向傾轉(zhuǎn)限速阻尼器12的主傳動器從動齒輪21與 水平向限速齒盤13嚙合；赤緯向傾轉(zhuǎn)限速阻尼器14固定在活動支架5上，赤緯向限速齒盤 15固定在軸向互垂直雙軸支架6的一側(cè)，所述赤諱向傾轉(zhuǎn)限速阻尼器14包括有主傳動器 從動齒輪24、離心轉(zhuǎn)子26、以及錐筒形限速罩25，赤緯向傾轉(zhuǎn)限速阻尼器14的主傳動器從 動齒輪24與赤緯向限速齒盤15嚙合。
如圖6、圖7、圖8所示，對于本實用新型的水平向追日機構(gòu)，所述的固定座架9通過水
平向轉(zhuǎn)軸7，與軸向互垂直雙軸支架6動連接，水平向轉(zhuǎn)軸7支撐在軸向互垂直雙軸支架6
的重心處；所述的水平向傾轉(zhuǎn)重力發(fā)生器IO內(nèi)部灌注潔凈水以產(chǎn)生重力，固定在活動支架5
的底部，形成以水平向轉(zhuǎn)軸7為軸心的傾轉(zhuǎn)力矩F1。抬升軸向互垂直雙軸支架6帶動活動支
架5，使透鏡陣列主光軸對準太陽時，由于水平向傾轉(zhuǎn)重力發(fā)生器10的下沉作用，軸向互垂
直雙軸支架6總是自動往安裝有水平向傾轉(zhuǎn)重力發(fā)生器10的一側(cè)傾轉(zhuǎn)。又知，水平向傾轉(zhuǎn)限速阻尼器14安裝在固定座架9上，水平向限速齒盤15固定在軸向 互垂直雙軸支架6的一側(cè)，水平向傾轉(zhuǎn)限速阻尼器14的主傳動器從動齒輪24與水平向限速 齒盤15嚙合，主傳動器從動齒輪24設有單向軸承28，使水平向限速齒盤15可以反向旋轉(zhuǎn)復 位。當軸向互垂直雙軸支架6在水平向傾轉(zhuǎn)重力發(fā)生器10的作用下傾轉(zhuǎn)時，帶動水平向限速 齒盤15旋轉(zhuǎn)，驅(qū)使水平向傾轉(zhuǎn)限速阻尼器12的主傳動器從動齒輪24也隨之轉(zhuǎn)動，進而帶動 離心轉(zhuǎn)子26旋轉(zhuǎn)。離心轉(zhuǎn)子26的外環(huán)是用彈性簧片連接的離合片27，當離心轉(zhuǎn)子26旋轉(zhuǎn) 時，離合片27在向心力F3的作用下張開，張開量取決于離心轉(zhuǎn)子26的轉(zhuǎn)速。離心轉(zhuǎn)子26的 外部，是可以沿軸向移動的錐筒形限速罩25，錐筒形限速罩25的軸線與離心轉(zhuǎn)子26的軸線 重合。如果離心轉(zhuǎn)子26的轉(zhuǎn)速增大，其張開的離合片27就會因接觸到錐筒形限速罩25的內(nèi) 壁而減速，離心轉(zhuǎn)子26因此可以限制在某一轉(zhuǎn)速狀態(tài)。沿軸向移動調(diào)節(jié)錐筒形限速罩25， 調(diào)節(jié)錐筒形限速罩25內(nèi)壁與所述離合片27的相對距離，就能控制離心轉(zhuǎn)子26轉(zhuǎn)速，從而控 制主傳動器從動齒輪24、水平向限速齒盤15的轉(zhuǎn)速，使軸向互垂直雙軸支架6以給定的速 度緩慢傾轉(zhuǎn)，達到與太陽赤緯角同步變化的目的。本實用新型的赤緯向追日機構(gòu)實施方式與 效果和所述的水平向追日機構(gòu)相同?？芍?，所述的軸向互垂直雙軸支架6的水平向轉(zhuǎn)軸7、赤緯向轉(zhuǎn)軸8，分別與固定座架9、活動支架5動連接，因此本實用新型可以二維傾轉(zhuǎn)。日出時，將所述的軸向互垂直雙軸支架6、活動支架5傾轉(zhuǎn)，使透鏡陣列的主光軸對準太陽，并調(diào)節(jié)所述的離心轉(zhuǎn)子26、離心轉(zhuǎn)子22至預定的轉(zhuǎn)速。在水平向傾轉(zhuǎn)重力發(fā)生器IO、赤緯向傾轉(zhuǎn)重力發(fā)生器ll和傾轉(zhuǎn)限速阻尼器機構(gòu)的共同作用下，本實用新型能夠?qū)嵤┳粉櫶柖S運動至預定的終止時間。如圖1、圖2、圖9所示，所述活動支架的底部設置有移動槽裝置16，所述光電轉(zhuǎn)換裝置陣列通過所述移動槽裝置與活動支架連接，并且所述光電轉(zhuǎn)換裝置陣列通過移動槽裝置來 進入或脫離透鏡陣列組出射光的投射區(qū)域。采集太陽的漫射光、反射光和散射光等光能。實施例二與前述的實施例一的不同之處在于，在本實用新型的實施例二中，如圖10a、圖10b所示，光通量增量縱列單元20為凸-凸-凸式縱列結(jié)構(gòu)，前置透鏡陣列1中的凸透鏡是邊長相對較小的正方形，后置透鏡陣列2中的透鏡是邊長相對更小的正方形凸透鏡，后置透鏡陣列3中的透鏡是與后置透鏡陣列2中的透鏡面積相同的正方形凸透鏡。其中，前置透鏡l的后焦距是后置透鏡2的前焦距的2倍；前置透鏡1的光心與后置透鏡2的光心距離，為前置透鏡1的后焦距與后置透鏡2的前焦距之和；后置透鏡3的后焦距<后置透鏡2的前焦距；由后置透鏡陣列3射出的出射光，投射到光電轉(zhuǎn)換裝置4的受光表面后所形成的光斑的面積之和，等于前置透鏡陣列1中所有透鏡的面積之和。所述的本實用新型具體實施方案之二，其透鏡陣列組能夠?qū)崿F(xiàn)把對光源的采光距離縮短為實際距離的二分之一的光學效果和光通量增量效果。例如當光源S為直射太陽光，地球表面某一地點單位面積的陽光照度Ed約為95220Lux時，本實用新型具體實施方案之二的裝置能夠?qū)⑼坏攸c、與Ed相同面積的太陽光的照度增強約為140960Lux (光斑Ec)。因此，本實用新型具體實施方案之二的裝置能夠使單位面積的光通量增量約48%，即光電轉(zhuǎn)換裝置4受光表面單位面積的光通量增加了約48%，從而使光電轉(zhuǎn)換裝置4所產(chǎn)生的光電能量能夠顯著增加(光電能量的增量值，與具體采用的光電轉(zhuǎn)換裝置4的轉(zhuǎn)換效率有關(guān))。同時，本實用新型具體實施方案之二的裝置在使單位面積光通量增加了約48%的條件下，投射到光電轉(zhuǎn)換裝置4的受光表面的光斑Ec的溫度，與光斑外周邊環(huán)境的溫度相比沒有明顯變化，因此光電轉(zhuǎn)換裝置4不會明顯受到溫度變化影響，無需冷卻或恒 溫處理。由于所述的本實用新型具體實施方案之二的前置透鏡陣列1中的凸透鏡面積較小， 因此，相對于上述所述本實用新型具體實施方案之一，在光通量增量效果基本相同的前提下， 本實用新型具體實施方案之二的裝置總體積明顯小于本實用新型具體實施方案之一的裝置的 總體積。本實用新型具體實施方案之二的裝置主要適合于太陽光照度較大和氣象條件變化較 頻密的地區(qū)(例如沙漠地帶)應用。實施例三本實用新型的實施例三主要適合于各種燈光光能的回收利用。與前述的實施例一的不同 之處在于，在本實用新型的實施例三中，如圖lla、圖llb、圖llc所示，所述可縮短對光源 采光距離的單位面積光通量增量裝置的前置透鏡陣列1、后置透鏡陣列2和后置透鏡陣列3， 均為以各自相對于光源L的中心點的距離為半徑的弧形；所述的本實用新型具體實施方案之 三的光通量增量縱列單元20為凸-凸-凹式縱列結(jié)構(gòu)，前置透鏡陣列1中的透鏡是直徑相對較 大的圓形凸透鏡，后置透鏡陣列2中的透鏡是直徑相對較小的圓形凸透鏡，后置透鏡陣列3 中的透鏡是直徑相對較小的圓形凹透鏡。其中，前置透鏡1的后焦距是后置透鏡2的前焦距 的4倍；前置透鏡l的光心與后置透鏡2的光心距離，為前置透鏡1的后焦距與后置透鏡2 的前焦距之和；后置透鏡3的后焦距<后置透鏡2的前焦距；由后置透鏡陣列3射出的出射 光，投射到光電轉(zhuǎn)換裝置4的受光表面后所形成的光斑的面積之和，等于前置透鏡陣列l(wèi)中 所有透鏡的面積之和。所述的本實用新型具體實施方案之三的裝置，其透鏡陣列組能夠?qū)崿F(xiàn)把對光源的采光距離縮短為實際距離的四分之一的光學效果和光通量增量效果。例如光源21L為功率500W的普通白熾燈，距光源L約6米處的照度Ef約為66Lux，采光環(huán)境除光源L外 無任何其他光源，所述的本實用新型具體實施方案之三的裝置，能夠?qū)⒕喙庠袋c6米、與 Ef相同面積的光照度增強為約140Lux (光斑Ee)。因此，本實用新型具體實施方案之三的裝 置能夠使單位面積的光通量增量約112. 1%，即光電轉(zhuǎn)換裝置4受光表面單位面積的光通量增 加了約112. 1%，從而使光電轉(zhuǎn)換裝置4所產(chǎn)生的光電能量顯著增加(光電轉(zhuǎn)換裝置4的單位 面積光電能量的增量值，與具體采用的光電轉(zhuǎn)換裝置4的轉(zhuǎn)換效率有關(guān))。同時，本實用新型 具體實施方案之三的裝置，在使單位面積光通量增加了約112. 1%的條件下，投射到光電轉(zhuǎn)換 裝置4的受光表面的光斑Ee的溫度，與光斑外周邊環(huán)境的溫度相比沒有明顯變化，因此光電 轉(zhuǎn)換裝置4不會明顯受到溫度變化影響，無需冷卻或恒溫處理。所述的本實用新型實施方案之一、之二和之三的光通量增量效果，與所采用透鏡的透光 性能、透鏡材料的各向同性或各向異性條件，以及透鏡加工制造的精度等條件有關(guān)。上述所列具體實現(xiàn)方式為非限制性的，對本領域的技術(shù)人員來說，在不偏離本實用新型 范圍內(nèi)，進行的各種改進和變化，均屬于本實用新型的保護范圍。
權(quán)利要求1、一種可縮短對光源采光距離的單位面積光通量增量裝置，包括支架和迎著入射光依次設置的前置透鏡部件、后置透鏡部件，所述前置透鏡部件、后置透鏡部件通過所述支架相互連接形成裝置主體；所述前置透鏡部件的主光軸、后置透鏡部件的主光軸和受光裝置的受光面的中心軸相互重合；其特征在于所述前置透鏡部件將射入其受光面的入射光進行第一次匯聚后形成出射光，所述后置透鏡部件將前置透鏡部件的所述出射光進行第二次匯聚后投射在受光裝置的受光面上，所述前置透鏡部件的受光面的面積A1與受光裝置的受光面的面積A3基本相等，且所述后置透鏡部件的第二次匯聚后的出射光在所述受光裝置的受光面所在的平面上的截面面積A2與所述受光裝置的受光面的面積A3基本相等，所述面積A2與A1的差異≤10％A1，A3與A1的差異≤10％A1。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的可縮短對光源采光距離的單位面積光通量增量裝置，其特征在 于所述受光裝置包括有位于后置透鏡部件后方的光電轉(zhuǎn)換部件，所述前置透鏡部件、 后置透鏡部件和光電轉(zhuǎn)換部件通過所述支架相互連接形成裝置主體；所述后置透鏡部件將前置透鏡部件的所述出射光進行第二次匯聚后投射在所述光電轉(zhuǎn)換部件的受光面 上。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的可縮短對光源采光距離的單位面積光通量增量裝置，其特征在于所述前置透鏡部件包括至少一個由多塊透鏡橫向排列而成的前置透鏡陣列(1); 所述后置透鏡部件包括至少一個由多塊透鏡橫向排列而成的后置透鏡陣列；所述光電 轉(zhuǎn)換部件包括由多塊光電轉(zhuǎn)換單元(19)橫向排列而成的光電轉(zhuǎn)換裝置陣列(4);每個所述前置透鏡陣列(1)中的透鏡的數(shù)量與每個所述后置透鏡陣列中的透鏡的數(shù)量以及所述光電轉(zhuǎn)換裝置陣列中的光電轉(zhuǎn)換單元(19)的數(shù)量相同；所述前置透鏡陣列(1)中的每塊透鏡的主光軸分別與所述后置透鏡陣列中的相應的透鏡的主光軸以及所述光 電轉(zhuǎn)換裝置陣列中的相應的光電轉(zhuǎn)換單元(19)的受光面的中心軸相互重合，從而每 一組迎著入射光依次設置的透鏡形成一組光通量增量縱列單元(20)。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的可縮短對光源采光距離的單位面積光通量增量裝置，其特征在 于每個所述前置透鏡陣列(1)中的透鏡是凸透鏡；每個所述后置透鏡陣列中的透鏡 分別包括有凸透鏡組成，或者包括有凹透鏡組成。
5、 根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的可縮短對光源采光距離的單位面積光通量增量裝置，其特 征在于所述可縮短對光源采光距離的單位面積光通量增量裝置還包括追日機構(gòu)，用 于使所述裝置主體根據(jù)入射的太陽光線的方向而相對于水平面轉(zhuǎn)動，以使所述前置透 鏡部件的受光面垂直于入射的太陽光線。
6、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的可縮短對光源采光距離的單位面積光通量增量裝置，其特征在 于.-所述后置透鏡陣列包括第一組后置透鏡陣列(2)和第二組后置透鏡陣列(3)，所 述第一組后置透鏡陣列(2)與第二組后置透鏡陣列(3)的主光軸重合且迎著入射光 依次設置；所述前置透鏡陣列(1)中的透鏡的后焦距，大于所對應的第一組后置透鏡 陣列(2)中的透鏡的前焦距；所述前置透鏡陣列(1)中的透鏡的后焦點與所對應的 第一組后置透鏡陣列(2)的透鏡的前焦點之間的距離《前置透鏡陣列(1)中的透鏡 的后焦距的10%;所述前置透鏡陣列(1)中的透鏡(17)和第一組后置透鏡陣列(2) 中的透鏡(18)為矩形或者多邊形、圓形，透鏡(17)邊長或直徑》第一組后置透鏡 陣列(2)中的透鏡(18)的邊長或直徑；第二組后置透鏡陣列(3)中的透鏡(19)， 其焦距《第一組后置透鏡陣列(2)中的透鏡(18)的焦距。
7、 根據(jù)權(quán)利要求6所述的可縮短對光源采光距離的單位面積光通量增量裝置，其特征在 于所述的前置透鏡陣列(1)中的透鏡的后焦點與所對應的第一組后置透鏡陣列(2) 的透鏡的前焦點重合，使得第一組后置透鏡陣列(2)的透鏡的出射光為平行光；所述 第一組后置透鏡陣列(2)的透鏡與所述第二組后置透鏡陣列(3)的透鏡面積相同， 且第一組后置透鏡陣列(2)的后焦點與所對應的第二組后置透鏡陣列(3)的前焦點重合。
8、 根據(jù)權(quán)利要求7所述的可縮短對光源采光距離的單位面積光通量增量裝置，其特征在于每個所述前置透鏡陣列(1)、第一組后置透鏡陣列(18)以及第二組后置透鏡陣列(19)分別包括有凸透鏡組成。
9、 根據(jù)權(quán)利要求8所述的可縮短對光源采光距離的單位面積光通量增量裝置，其特征在于所述支架包括活動支架(5)、軸向互垂直雙軸支架(6)以及固定座架(9);所述前置透鏡陣列(1)、后置透鏡陣列和光電轉(zhuǎn)換裝置陣列(4)分別位于活動支架(5) 的頂部、中部和底部；所述軸向互垂直雙軸支架(6)位于活動支架(5)高度方向中 部的外周；所述軸向互垂直雙軸支架(6)設置有相互垂直的水平向轉(zhuǎn)軸(7)和赤緯 向轉(zhuǎn)軸(8)，所述水平向轉(zhuǎn)軸(7)和赤緯向轉(zhuǎn)軸(8)的中心線在同一平面上；所述 水平向轉(zhuǎn)軸(7)連接于固定座架(9)的頂部，所述軸向互垂直雙軸支架(6)繞水平 向轉(zhuǎn)軸(7)翻轉(zhuǎn)；所述活動支架(5)通過兩根中連桿(51)與所述赤諱向轉(zhuǎn)軸(8) 連接，所述活動支架(5)繞赤緯向轉(zhuǎn)軸(8)翻轉(zhuǎn)并懸置于固定座架(9)的頂部。
10、 根據(jù)權(quán)利要求9所述的可縮短對光源采光距離的單位面積光通量增量裝置，其特征在 于所述追日機構(gòu)包括水平向和赤緯向兩組自動傾轉(zhuǎn)限速機構(gòu)，所述水平向自動傾轉(zhuǎn)限速機構(gòu)包括水平向傾轉(zhuǎn)重力發(fā)生器(10)、水平向傾轉(zhuǎn)限速阻尼器(12)和水平向限 速齒盤(13)，所述赤緯向自動傾轉(zhuǎn)限速機構(gòu)包括赤緯向傾轉(zhuǎn)重力發(fā)生器(11)、赤緯 向傾轉(zhuǎn)限速阻尼器(14)和赤緯向限速齒盤(15)。
11、 根據(jù)權(quán)利要求10所述的可縮短對光源采光距離的單位面積光通量增量裝置，其特征在 于所述水平向傾轉(zhuǎn)重力發(fā)生器(10)和赤緯向傾轉(zhuǎn)重力發(fā)生器(11)被互相垂直地 固定在活動支架(5)的底部；所述水平向傾轉(zhuǎn)限速阻尼器(12)固定在固定座架(9) 上，水平向限速齒盤(13)固定在軸向互垂直雙軸支架(6)的一側(cè)，所述水平向傾轉(zhuǎn) 限速阻尼器(12)包括有主傳動器從動齒輪(21)、離心轉(zhuǎn)子(22)、以及錐筒形限 速罩(23)，所述水平向傾轉(zhuǎn)限速阻尼器(12)的主傳動器從動齒輪(21)與水平向限 速齒盤(13)嚙合；赤緯向傾轉(zhuǎn)限速阻尼器(14)固定在活動支架(5)上，赤緯向限 速齒盤(15)固定在軸向互垂直雙軸支架(6)的與水平向限速齒盤(13)相鄰的一側(cè)， 所述赤緯向傾轉(zhuǎn)限速阻尼器(14)包括有主傳動器從動齒輪(24)、離心轉(zhuǎn)子(26)、 以及錐筒形限速罩(25)，所述主傳動器從動齒輪(24)設有單向軸承(28)，離心轉(zhuǎn) 子(26)的外環(huán)是用彈性簧片連接的離合片(27);赤緯向傾轉(zhuǎn)限速阻尼器(14)的主 傳動器從動齒輪(24)與赤緯向限速齒盤(15)嚙合。
12、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的可縮短對光源采光距離的單位面積光通量增量裝置，其特征在 于所述支架的底部設置有移動槽裝置(16),所述光電轉(zhuǎn)換裝置陣列(4)通過所述 移動槽裝置與所述支架相連接，并且所述光電轉(zhuǎn)換裝置陣列可以通過所述移動槽裝置 來進入或脫離透鏡陣列組出射光的投射區(qū)域。
專利摘要一種可縮短對光源采光距離的單位面積光通量增量裝置，主要由前置和后置透鏡陣列、軸向互垂直雙軸支架、活動支架與固定座架、自動傾轉(zhuǎn)限速阻尼器機構(gòu)、傾轉(zhuǎn)重力發(fā)生器、光電轉(zhuǎn)換裝置陣列等組成。該裝置根據(jù)光群場效應原理，通過透鏡陣列組來增大出射光單位面積的光通量與光強度，使光電轉(zhuǎn)換裝置能夠獲取更多的光能。本裝置并非聚光式太陽能光伏發(fā)電方法，不會對光電轉(zhuǎn)換裝置造成高溫影響，主要應用于太陽能光伏發(fā)電和各種光能的回收利用。本裝置無需測量傳感裝置能夠自動保持與太陽同步二維運動，提高有效日照時間段內(nèi)的太陽能收集率。本裝置所有組件均可采用普通材料以常規(guī)工業(yè)方法制造。
文檔編號H01L31/02GK201402809SQ200920008330
公開日2010年2月10日 申請日期2009年3月25日 優(yōu)先權(quán)日2009年2月13日
發(fā)明者李曉陽 申請人:珠海新概念航空航天器有限公司