专利名称：太阳光集聚器的制作方法
技术领域：
本发明属太阳能利用领域的点聚光集热技术。采用该发明能有效地将二维移动的太阳光聚焦于特定的位置，以利于使用塑料光导纤维将光能导于室内(使用场所)，直接利用太阳光能。
背景技术：
目前，太阳能利用领域的聚光集热技术主要采取聚光器、吸收器和跟踪系统三大部分相结合，由聚光器聚集阳光，跟踪系统实现聚光器二维跟踪，吸收器将光能吸收转化为热能，达到利用目的。聚光集热器多采用光反射原理制作而成的旋转抛物面镜、槽形抛物面镜反射聚光，前者为点聚焦可获得高温，需二维跟踪太阳，后者为线聚焦能获得中温，只需进行一维跟踪。70年代，国际上出现了一种复合抛物面镜聚光集热器(cpc)只需随季节调整，聚光比一般在10以下，当聚光比为3以下时，可以固定不需调整。聚光集热器也有利用光折射原理制成的折射式聚光器，如采用凸透镜组聚光和菲涅耳透镜聚光(file://A20世纪太阳能科技发展的回顾与展望·ntm北京市太阳能研究所李锦光)。
上述技术存在聚光器需要二维跟踪或聚光比小等弊端，对光能利用多采用吸收器将光能转化为热能的途径，光能转化率低，较少直接利用太阳光能。
发明内容
为了克服以上背景技术的不足，本发明解决其技术问题所采取的技术方案是依据光折射原理和全反射原理，采取球体透镜万向聚光(发明人已申请实用新型专利，申请号200620005065)，光纤复眼装置，漏斗体光集接装置，透镜组光集聚装置的有机结合，自然有效地将二维移动的太阳光集聚于特定点，使用塑料光导纤维导于室内(或使用场所)直接利用太阳光能。
本发明的有益效果是聚光器不需跟踪太阳，不需光控设备和辅助机械设备，可使多个聚光器并联，能获得较大的聚光比。实现单光纤输导，直接利用太阳光能。
下面结合附图和具体技术方案与实施例对本发明进一步说明
图1.1-1.4为太阳光二维移动中通过球体透镜形成的轨迹二视图(图1.1-1.2为湖南怀化情况；图1.3为北京情况)。
图1.1-1.3中1、冬至日轨迹；2、春分日轨迹；3、夏至日轨迹；4、季节轨迹圆(不同季节、日期、日照最高点聚焦点联线)；5、全年焦点集合面；6、为球体聚光透镜；7、月调有效焦点轨迹面。
图1.4中1、冬至日轨迹；2、春分日轨迹；3、夏至日轨迹；4、全年焦点集合面；5、月调整轨迹面。
图2.1-2.4为漏斗体光原理示意图(2.3-2.4为作图法证明漏斗体导光原理图)。
图2.1-2.2中1、光疏媒质包层；2、光密媒质芯层；3、光纤导入；4、光纤导出；5、平行红光照入示意；6、红光导出状态。
图3.1为透镜组集聚光原理图图3.1中1、导入光纤未端；2、小凸透镜；3、大凸透镜(或菲涅耳透镜)；4、聚光焦点。
图4.1-5.3为太阳光集聚器设计图的三视图图4.1-4.3中1、球体聚光透镜(万向聚光镜)；2、焦点轨迹面上的光纤复眼装置；3、漏斗体光集接器接入端光纤排列；4、漏斗体光集接器；5、漏斗体光集接器导出光纤；6、光集聚器壳体(含支持部分)；7、光集聚器调整转轴；8、光集聚器上部调整装置；9、10球体聚光透镜固定柄。
图5.1-5.3中1、光集聚器下部调整偶合装置；2、光集聚器调整转轴轴套(孔)；3、光纤导入孔；4、导入光纤未端固定装置；5、小凸透镜组；6、大凸透镜(或带菲涅耳透镜)；7、光纤输出端；8、壳体。
图6.1为太阳光集聚器工作原理示意图。
图6.1中1、太阳光；2、球体镜聚光器；3、焦点轨迹面及复眼结构；4、漏斗体光集接器；5、透镜组光集聚器；6、输出光纤。
图7.1月调节姿态示意图。
图7.1中1、春分时姿态；2、冬至时姿态；3、夏至时姿态；具体技术方案和实施方式(一)光纤复眼装置，在图1.1-1.4中，一年中太阳光在二维移动中透过球体聚光镜形成焦点的集合为全年焦点轨迹面5，春分时北半球白天与夜晚时间等长，这天的轨迹线2(所在圆为大圆其投影如图)过O点，轨迹线2与y轴的夹角为当地纬度度数，如湖南怀化为27.5°；冬至日焦点轨迹线1，夏至日焦点轨迹3(所在圆为小圆其投影如图)与春分日焦点轨迹线2平行。其各自位置在季节轨迹圆4上自y′点起，夏至日线3过当地纬度度数减23.5(地球倾角)弧度处(湖南怀化为27.5°-23.5°＝4°)；自春分线2交于季节轨迹圆4处起，冬至日线1过23.5弧度处。太阳光经过球体聚光镜全年形成的焦点集合即为x轴与冬至日焦点轨迹线1，夏至日焦点轨迹线3所围成的面积，即为全年焦点集合面5。在全年焦点集合面布满塑料光纤(用光纤横断面)，使光纤中轴指向球体聚光镜的中心点O，即可接收全年太阳光。在全年焦点集合面，部分布光纤可实现月调或季节调(一月或一个季节只需宜当调整聚光镜倾角即可)。所布光纤即为光纤复眼装置7(如同昆虫复眼)。图1.4为全年焦点集合面平面展开图。
(二)漏斗体光集接装置，一个点光源或聚焦后的光线在无约情况下传播是发散的，距离越远，单位面积的光能损耗越大，光纤之所以能传递光能而做到不发散损失光能，是因为利用了光全反射原理，光在光纤平行内壁之间不断发生全反射，最终到达端面而无光损耗(理论上讲)。漏斗体光集接装置利用了光纤的全反射原理，又利用了上端宽接，下端窄出，即宽接窄出的结构而设计的。图2.1-2.3中，当引入光纤端(宽端即大圆端)某一光纤3有光导入时，光以x、x′、y、 y′四个方向发散5为例说明光到达引出端(窄端即小圆端)时的状况。在x、x′两个方向显然能在集接器两个平行内壁之间呈“z”字型全反射到达引出端。为了证明y、y′两个方向发散的光也能到达端部而无损耗，发明人用教学用的“红外线”(平行红光光源)照射大园上端5，按y、y′“→”方向(沿大圆切线方向)使平行光与漏斗斜度保持一致，逐步增大入射角度，可见引击端6有红色亮线带移动，(直照时红色亮线带与小园半径一致)，增大角度时红色亮线带随之转动变化方向，保持与半径方面基本一致(如图)。当亮线在引出端旋转90°后，一定增角内亮线带不再移动。发明人用作用法已证明，八边形和十六边形漏斗体的大端按上述方法光线输入时，r、r′两个方向的发散光在内壁全反射过程中随着转角的增大(转角不会超过90°)，光线在到达底端后会保持与界面垂直，也就是说光纤引入的光能在漏斗体光集接器中可全部到达端部(即光纤导出端)。从理论上讲只要发散角加漏斗体斜度角(斗面斜边与中心轴的夹角)之和不超过全反射角，就不会产生光损耗。
本发明通过集接器宽进窄出的结构，实现光纤复眼装置3较大面积的光纤集接，转变为较小面积的集接。
(三)透镜组光集聚装置。在图3.1中，锥面体下端的光纤引出端用光纤进入透镜组光集聚装置，在装置内光纤未端发出的光1可近似的看作一点光源，它是成一定角度的发散光，将每一光纤的未端置于较小凸透镜2的焦点上，使之在一个平面内变为平行光线，通过一个较大的凸透镜3聚焦于焦点4上。
(四)实施例实施方式。
在图4.1-5.3中，太阳光集聚器采用月调整型光纤复眼结构，即为双三角复眼结构2。通过光集接器4等组成的光集接调节段。通过调整转轴7、下接光纤5(图4.1-4.3)与下部透镜组光集聚器等组成的固定段的调整偶和装置1连接和光导纤维未端4的固定(图5.1-5.3)，使球体聚光镜的固定柄9保持水平并指向正北方向(图4.1-4.3)。
在图6.1中，移动的太阳光1，通过球型聚光镜2聚焦于焦点轨迹面上的光纤复眼系统3上，聚焦的阳光由光纤传导至锥面体光集接器4的上端，经其约束传导至其下端，再通过光纤连接进入透镜组光集聚器，经两组凸透镜聚焦于输出光纤6。
在图7.1中(结合图4.1-5.3)光集聚器上端处于中间位置为惊垫至清明的姿态1；向左(即南方)调倾23.5°为大雪至小雪的姿态位2；向右(即向北)调倾23.5°为芒种至小著的姿态位3。每向北或向南调倾7.83°为月调整角度。
权利要求
1.太阳光集聚器为球体透镜(即万向聚光镜，另案)，光纤复眼装置，漏斗体光集接装置，透镜组光集聚装置有机结合的集聚太阳光装置，其特征是点聚焦，不需光跟踪；可使多个集聚光器并联能获得较大聚光比；实现单光纤输导直接利用太阳光能。
2.根据球体镜的万向聚光原理，太阳光经过球体透镜时，一年中焦点的集合所形成的面积为全年焦点集合面。在全年焦点、集合面布满光纤(光纤截面拼排)，使每一光纤中轴指向球体镜中心，即为光纤复眼装置(含部分布光纤实现月调整或季节调整)。其特征是光纤布局如同昆虫复眼、光纤端面与全年焦点集合面所在球面相切，中轴指向球体镜球心；所在地纬度不同，全年焦点集合面的分布位置、形状、面积随之有规律的改变。
3.漏斗体光集接器为光疏媒质包层和光密媒质芯层制作而成的圆形漏斗状导光集聚光装置，其特征是大圆端光纤集接面积大于小圆端光纤集接面积；外斗面平行于内斗面，光经光纤由斗边导入，在大圆端两平行面之间全反射，最终全部到达小圆端；具有宽接(较大面积集接光纤)窄出(较小面积输出光纤)的集聚光效果；使用多个漏斗体叠加可实现最大面积的光集接。
4.透镜组光集聚装置为光纤未端置于较小凸透镜焦点，使各光纤发出的光变成平行光，通过一较大凸透镜(或菲涅耳透镜)聚焦于一点的光集聚装置。
全文摘要
本发明属太阳能利用领域的点聚光集热技术。在太阳能利用领域聚光集热技术主要采取聚光器、吸收器和跟踪系统三大部分结合，存在聚光器需要二维跟踪或聚光比小等弊端，对太阳光能的利用多采用吸收器将光能转化为热能的途径，较少直接利用太阳光能。为了克服以上技术的不足，本发明解决其技术问题所采取的技术方案是依据光折射原理和全反射原理，采取球体透镜万向聚光，光纤复眼装置，漏斗体光集接装置，透镜组光集聚装置的有机结合；聚光器不需跟踪太阳，不需复杂的光控设备和辅助机械设备，可使多个聚光器并联，获得较大的聚光比，自然有效地将二维移动的太阳光集聚于特定点，使用塑料光导纤维导于室内(或使用场所)直接利用太阳光能。
文档编号F24J2/08GK101050890SQ200610076928
公开日2007年10月10日 申请日期2006年4月9日 优先权日2006年4月9日
发明者孙鹏, 孙铁刚, 孙翼虎 申请人:孙鹏, 孙铁刚, 孙翼虎