专利名称：聚光镜集光效率的检测装置及方法
技术领域：
本发明涉及聚光镜技术领域，特别是涉及聚光镜集光效率的检测装置及方法。
背景技术：
随着生活水平的进步与人口的增加，人类对能源的需求和耗用与日俱增，然而产生能源的方式，现今绝大部分来自燃烧石化原料的热能转换，如发电时所使用的燃煤、燃油，以及汽机车运动时使用的柴油、汽油，结果产出大量的二氧化碳。当人类活动所产生的二氧化碳超过自然界自清的能力时，逐渐增加在大气中的二氧化碳已然形成温室效应，进而导致地表的暖化，伴随出现的将是异常气候，及海平面上升等的环境变迁，形成对人类文明的重大威胁。因此，不产生二氧化碳的太阳能发电技术成为兼顾环境与生活的重要解决方案，其中的聚光型太阳能由于具备高光电转换效率、占地面积小的特点，是能提供太阳能大量发电的重要技术。聚光镜为聚光型太阳能设备中关键性的组件之一，聚光镜的作用是将太阳能量集中并会聚到聚光型太阳能设备的吸热管或太阳能电池上，吸热管可将太阳能量吸收并加热吸热管中的物质，使其升温或相变为气体，成为具有推动发电机的能量；而太阳能电池则是直接利用材料的光电效应，将入射光能量转换为光电流输出。良好的聚光镜可以提高太阳能量的收集效能，并缩小吸热管或是太阳能电池的面积，在维持相同的发电效能下，进一步降低发电设施建置与维护的成本。集光效率是反映聚光镜收集效能的重要参数。聚光镜的工作方式为利用太阳光作为光源，让太阳光经由聚光镜的镜面反射或折射，将光线会聚于聚光镜的焦点上，在焦点处安置上述吸热管或太阳电池，即可使用最小面积的吸热管或太阳电池来吸收太阳光照射在大面积聚光镜的能量。聚光镜的集光效率检测，最直接的方式是将聚光镜置于太阳光下，在聚光镜的焦点处摆置光检测器，量测聚光镜所收集的光能量(Ec)；并使用光检测器直接置于太阳光下，量测同时间太阳光投射地表的光能量 sim)，再量测光检测器的感光面积㈧与聚光镜之收光面积(Ac)，即可推算入射聚光镜的太阳光能量(E) = (Esun χ Ac/A)，此时，聚光镜的收集光能量(Ec)与入射聚光镜之太阳光能量(E)的比值即为该聚光镜之集光效率(η) = (Ec/Esun χ A/Ac)。上述检测方法可以取得最接近太阳能发电时聚光镜的实际集光效率，但是太阳是变动的光源，所量测的结果与数值，会受到太阳光线的强弱或是太阳光线入射角度差异的影响，而云雾、空气中的颗粒等其它环境因素，也造成聚光镜的集光效率的检测发生变化过大或呈现不稳定状态，无法有效提供正确而稳定的数据作为分析衡量的依据。有鉴于此，可设置一人工太阳光源取代太阳进行聚光镜集光效率的检测，考虑太阳距离地球相当遥远，太阳光以近乎平行的角度照射地表，所以人工太阳光源需要产生接近太阳照射的平行光，一般是选择一个或多个接近点光源的人工光源，再加上一个或一组光学镜片所构成的镜头系统，将该点光源或个别点光源置于该镜头系统或个别镜头系统的焦点上时，该点光源或个别点光源所发出光线在通过该镜头系统或个别镜头系统时即可成
3为或组合成为接近平行光的光束。如图1所示，将一白炽灯源10置于一大型抛物反射镜20内，形成如探照灯的结构。该抛物反射镜20内表面为一抛物面，白炽灯源10置于抛物反射镜20抛物面的焦点上，使白炽灯源10发出的光线经抛物镜面反射后形成平行光束，来作为量测聚光镜集光效率的人工太阳光源；但是部分未经过抛物面反射的光线不是平行光(如光线10'与光线 10")，此时需要增加待测聚光镜3与抛物反射镜20的间距，使过大角度的光线(如光线 10')不致照射至待测聚光镜3上，并保留小角度的光线(如光线10")。如图2所示另一种方式为使用雷射光源11，利用小正透镜组12先将雷射光聚焦， 后端再放置一中间开有针孔13的金属片，以形成接近完美的点光源。金属片后端放置一准直正透镜21，并使准直正透镜21的焦点位于前述金属片的针孔13处，则通过针孔13的光线在经过准直正透镜21后即可偏折为平行于准直正透镜21光轴的平行光束。上述两种代表性的架构均可作为人工太阳光源，但是为配合量测大口径的待测聚光镜3，必须使用更大口径的光学镜片以产出可照明全部聚光镜的平行光束，如图1中的抛物反射镜20与图2中的准直正透镜21 ；而且为了产生良好的平行光束，所使用大口径光学镜片的像差必须很小，由此增加了取得大口径的光学镜片与检测架设上的困难度。此外，上述架构所产出的平行光束来自点光源，经光学镜片偏折或反射后所构成。 假设点光源在各方向角发出相同强度的光线，可推断在入射产生平行光束的光学镜片前， 垂直入射光线的单位面积上所投射光能量密度是相同的；光线经过光学镜片的偏折或反射后成为平行光束，原先垂直入射光学镜片的各单位面积在经过光学镜片不同区域的偏折或反射时，会投影成为不相等的面积，在入射时单位面积内光线能量相同的情况下，由于出射面积不同，使得出射光学镜片的各区域光线能量密度将不会相同。简言之，即使用各方向角放射能量相同的点光源，经光学镜片产生平行光束时，平行光束中各部分的光能量分布是不均勻的，也就是照射待测聚光镜的平行光束能量分布是不均勻的，这与均勻照射的实际太阳光有很大的差异，造成使用上述检测架构所量测的聚光镜集光效率与使用真实太阳光时有很大的差距。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术的不足提供一种更接近于实际太阳光照射检测的聚光镜集光效率的检测装置及方法，即在检测时，射入待测聚光镜的平行光束的发光面和平行光束中各部分的光能量分布均勻。为实现上述目的，本发明提供一种聚光镜集光效率的检测装置，包括一黑箱、一平面光源、一聚光镜及一光传感器。黑箱相对两端均设有一开口，平面光源置于其中一开口处，聚光镜可活动地装设于另一开口处，光传感器可活动地分别装设于聚光镜处及聚光镜焦点处，以用于记录平面光源于聚光镜处及聚光镜焦点处的照射能量。根据上述构思的聚光镜集光效率的检测装置，所述平面光源与待测聚光镜中心同轴，黑箱内部涂黑或者设置挡板。根据上述构思的聚光镜集光效率的检测装置，所述黑箱两开口之间相距距离不小于19. 1倍的待测聚光镜的口径与平面光源孔径的和。根据上述构思的聚光镜集光效率的检测装置，所述平面光源采用多色LED构成的背光源。根据上述构思的聚光镜集光效率的检测装置，还包括用以校正平面光源的输出光能量变化的参考光传感器。根据上述构思的聚光镜集光效率的检测装置，所述参考光传感器设置于黑箱开口端之外的平面光源表面上。根据上述构思的聚光镜集光效率的检测装置，所述参考光传感器设置于黑箱内不阻挡平面光源光线的位置。根据上述构思的聚光镜集光效率的检测装置，所述黑箱内不遮挡平面光源光线处设置一反射镜，并于黑箱对应反射镜位置处开设一开孔，所述参考光传感器设置于黑箱外对应开孔处。根据上述构思的聚光镜集光效率的检测装置，其还包括用来转折引导由平面光源照射待测聚光镜的光线至聚光镜的单片或数片反射镜，所述反射镜设置于黑箱内的平面光源和待测聚光镜之间。本发明还提供一种聚光镜集光效率的检测方法，该方法包括如下步骤首先，将一稳定且发光均勻的平面光源置于黑箱的一开口处，将一待测聚光镜置于黑箱的另一开口处；其次，将一光传感器先后置于待测聚光镜的焦点处及待测聚光镜位置处；再者，记录光传感器测量的待测聚光镜收集到的入射光的能量及平面光源于待测聚光镜位置处的照射能量；接着，测量待测聚光镜的收光面积和光传感器的感光面积；最后，计算出待测聚光镜的集光效率=待测聚光镜收集到的入射光的能量/(平面光源于待测聚光镜位置处的照射能量X待测聚光镜的收光面积/光传感器的感光面积)。如上所述，本发明聚光镜集光效率的检测方法使用平面光源来模拟太阳平行光束，平面光源所产生的平行光束的能量稳定且分布均勻。且以控制待测聚光镜与平面光源的距离及平面光源的照明孔径来限制照射待测聚光镜的光线角度，由此用较小口径的光学镜片或光学系统，应用一平面光源，即可产出一稳定、均勻且符合小角度要求的平行光束对聚光镜进行集光效率的检测，在稳定度及建置成本上均远优于现有技术。
图1为现有技术中使用白炽灯作为平行光源加上抛物反射镜的检测架构示意图。图2为现有技术中使用雷射作为平行光源加上准直正透镜的检测架构示意图。图3A及图IBB为本发明聚光镜集光效率检测方法的量测架构示意图。图4为本发明聚光镜集光效率检测方法中聚光镜在不同照明光源孔径及照明光源距离下，聚光镜在沿半径上各处所接收入射光线的最大角度。图5为本发明聚光镜集光效率检测方法中使用理想朗伯(Lambertian)光源的任意点上的光线与法线夹角的角度在0度到10度间的相对发光强度的变化。图6和图7为本发明聚光镜集光效率的检测方法的一种实施例。图8为本发明聚光镜集光效率的检测方法的另一种实施例。
图中各附图标记说明如下 聚光镜30、31、32 平面光源 40 传感器50黑箱 60参考光传感器70 反射镜 80开孔90
具体实施例方式为详细说明本发明的技术内容、构造特征、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图详予说明。请参阅图3A及图3B，本发明聚光镜集光效率的检测方法中所模拟的人工太阳光源的平行光束由稳定且发光均勻的平面光源40提供。为了形成平行光束以检测待测聚光镜30，需要控制平面光源40与待测聚光镜30的距离以及平面光源40的开孔口径。如图3A所示，在平面光源40表面所发出的均勻光线有很大的分布角度，但当增加平面光源40与待测聚光镜30的距离(L)时，平面光源40所发出的光线中，仅有特定小角度的光线可以到达待测聚光镜30，待测聚光镜30再将所接收的光线会聚至后方焦点处的光传感器50上，即可量测待测聚光镜30所能收集的能量(Ec)。如图;3B所示，取下待测聚光镜30，再将相同的光传感器50置于待测聚光镜30的位置，则可量测平面光源40于待测聚光镜30的位置处的照射能量(Esor)，再量测光传感器 50的感光面积(A)和待测聚光镜的收光面积(Ac)，即可计算该待测聚光镜的集光效率η =(Ec/Esor χ A/Ac)。在本发明中使用平面光源40，且平面光源40与待测聚光镜30中心同轴的架构下， 以待测聚光镜30上任一点a为例，该点a所能接收的光线，必定限制于该点a与平面光源 40最宽两端点(如图3中的M点与Sb点)之联机区域内(三角形aSaSb区域)，该点a 在待测聚光镜30之中心时，所接收的最大角度为
权利要求
1.一种聚光镜集光效率的检测装置，其特征在于，包括一相对两端皆设有一开口的黑箱、一平面光源、一待测聚光镜及一光传感器，平面光源置于其中一开口处；待测聚光镜可活动地装设于另一开口处，光传感器可活动地分别装设于待测聚光镜处及待测聚光镜焦点处，以记录平面光源于待测聚光镜处及待测聚光镜焦点处的照射能量。
2.如权利要求1所述的聚光镜集光效率的检测装置，其特征在于所述平面光源与待测聚光镜中心同轴，黑箱内部涂黑或者设置挡板。
3.如权利要求1所述的聚光镜集光效率的检测装置，其特征在于所述黑箱两开口之间相距距离不小于19. 1倍的待测聚光镜的口径与平面光源孔径的和。
4.如权利要求1所述的聚光镜集光效率的检测装置，其特征在于所述平面光源采用多色LED构成的背光源。
5.如权利要求1所述的聚光镜集光效率的检测装置，其特征在于还包括用以校正平面光源的输出光能量变化的参考光传感器。
6.如权利要求5所述的聚光镜集光效率的检测装置，其特征在于所述参考光传感器设置于黑箱开口端之外的平面光源表面上。
7.如权利要求5所述的聚光镜集光效率的检测装置，其特征在于所述参考光传感器设置于黑箱内不阻挡平面光源光线的位置。
8.如权利要求5所述的聚光镜集光效率的检测装置，其特征在于所述黑箱内不遮挡平面光源光线处设置一反射镜，并于黑箱对应反射镜位置处开设一开孔，所述参考光传感器设置于黑箱外对应开孔处。
9.如权利要求1所述的聚光镜集光效率的检测装置，其特征在于其还包括用来转折引导由平面光源照射待测聚光镜的光线至聚光镜的单片或数片反射镜，所述反射镜设置于黑箱内的平面光源和待测聚光镜之间。
10.一种聚光镜集光效率的检测方法，其特征在于，包括如下步骤首先，将一稳定且发光均勻的平面光源置于黑箱的一开口处，将一待测聚光镜置于黑箱的另一开口处；其次，将一光传感器先后置于待测聚光镜的焦点处及待测聚光镜位置处；再者，记录光传感器测量的待测聚光镜收集到的入射光的能量及平面光源于待测聚光镜位置处的照射能量；接着，测量待测聚光镜的收光面积和光传感器的感光面积；最后，计算出待测聚光镜的集光效率=待测聚光镜收集到的入射光的能量/(平面光源于待测聚光镜位置处的照射能量X待测聚光镜的收光面积/光传感器的感光面积)。
全文摘要
本发明公开了一种聚光镜集光效率的检测装置及方法，其方法包括如下步骤首先，将一稳定且发光均匀的平面光源置于一黑箱的一开口处，将一待测聚光镜置于黑箱的另一开口处；其次，将一光传感器先后置于待测聚光镜的焦点处及待测聚光镜位置处；再者，记录光传感器测量的待测聚光镜所收集到的入射光的能量及平面光源于待测聚光镜位置处的照射能量；接着，测量待测聚光镜的收光面积和光传感器的感光面积；最后，计算出待测聚光镜的集光效率为待测聚光镜收集到的入射光的能量与平面光源于待测聚光镜位置处的照射能量的比值再乘上光传感器的感光面积与待测聚光镜的收光面积的比值。如此，经由本发明聚光镜集光效率的检测装置及方法，可检测到更稳定且更接近于实际太阳光照射时聚光镜的集光效率。
文档编号F21V13/00GK102156038SQ20101012179
公开日2011年8月17日 申请日期2010年2月11日 优先权日2010年2月11日
发明者徐永明, 李远林, 沈伟 申请人:光燿科技股份有限公司