利用聚光分光技术实现太阳能全光谱利用的照明发电装置的制作方法

本发明属于太阳能技术领域，涉及一种高效利用太阳能实现光纤混合照明发电装置，尤其涉及一种利用碟式聚光—分光技术实现太阳光全光谱高效利用的混合照明发电装置。

背景技术：

目前能源短缺已成为事实，开采难度也越来越大，节能减排已发展成为能源战略的首要目标。有计划地、合理地开展太阳能利用，是人类社会走向可持续发展道路的必然选择。考虑到实际生活中有许多因不能直接被太阳光照射但需要额外照明设施进行补光的场所，例如矿井、地下停车库、隧道等，这就造成了资源的额外消耗；又如在我国西南、西北等一些电力无法输送但光照较强的山区也亟待改善照明条件；此外，像一些对室温有严格要求的室内场所，像蔬菜种植，特殊菌类养殖等需要充足的阳光来使植物生长但同时又不能引起室内温度的过大的变化等场所。为了更充分利用储量巨大的太阳能，一些光纤导光室内照明系统渐渐成为光伏技术发展的一个研究热点。

目前，国内外提出的太阳光光纤照明装置虽然能够实现室内照明，然而在实际的应用过程中或多或少存在着误差大、稳定性差、非自动追日等缺点，而且大多数系统是将太阳光直接导入到照明场所，而一般人类视觉所能感知的太阳光谱段是380nm~760nm的可见光波段，约占太阳辐射能的50%，普通照明只需要满足可见光光谱范围即可；对于超出人类视觉极限的大量的红外光（太阳光谱大于760nm的波段）就被浪费掉了，相当于大约43%的太阳辐射能损失了，没有实现太阳光的全光谱利用，导致太阳能利用率不高，造成资源的浪费。而且红外光具有热量高，穿透能力强等特点，在光纤中传输一定程度上会损坏光纤。

技术实现要素：

为了解决上述技术，本发明提出了一种利用碟式聚光—分光技术实现太阳光全光谱高效利用的装置，将可见光导入到应用场所实现照明，红外光通过太阳能电池发电并被蓄电池储存起来，供给装置的自我运转，极大地提高了太阳光的利用率。

本发明所采用的技术方案是：一种利用聚光分光技术实现太阳能全光谱利用的照明发电装置，其特征在于：包括分光单元、光纤照明单元、自动控制追日单元、碟式聚光单元；所述分光单元设置在所述碟式聚光单元焦点处，用于使反射的光耦合进光纤的位置；所述自动控制追日单元设置在所述碟式聚光单元碟面上，用于控制装置跟随太阳转动，使太阳光始终垂直入射在所述碟式聚光单元的碟式聚光镜面上，经碟式聚光镜面汇聚到焦点处的分光单元上；所述光纤照明单元设置在所述分光单元下面，所述分光单元将红外光和可见光分离，透过的红外光通过分光单元后面的太阳能电池进行发电储存供给整个装置的运转，反射的可见光通过所述光纤照明单元导入到室内进行照明，从而实现太阳光谱的全光谱利用。

本发明与现有技术相比，其有益的效果：一是无须外接电源，通过分光片将红外光分离用于太阳能电池发电并被蓄电池储存，足以供给整个装置的运转，同时可见光通过光纤导入到室内进行照明，实现了太阳光谱的全光谱利用，提高了太阳光的利用率；二是避免了由于红外光的高热量造成的光纤的损坏，延长了整套装置的使用寿命。

附图说明

图1是本发明实施例的正视图。

图2是本发明实施例的俯视图。

图3是本发明实施例的光线仿真图。

图4是本发明实施例的分光单元结构图。

图5是本发明实施例的光纤照明单元结构图。

图6是本发明实施例的光纤照明单元光纤耦合结构图。

图7是本发明实施例涉及到的分光片光谱响应示意图。

其中： 11—分光片，12—太阳能电池，13—水冷装置，131—第一制冷散热凹型槽，132—第二制冷散热凹型槽，133—第一进出水导管连接口，134—第二进出水导管连接口，14—匀光筒，21—光纤接口，22—光纤传输管，23—光纤束， 31—底座，321—第一步进机，322—第二步进机，33—光电传感器，34—支撑轴承， 41—碟面聚光镜，42—支撑架，43—碟面支撑底座，44—碟面支撑架。

具体实施方式

为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合附图及实施例对本发明作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明的目的在于提供一种碟式聚光—分光型光纤混合照明发电方案，通过引入分光技术和自动追日技术，使太阳光始终垂直入射在碟式聚光镜面上，经碟面汇聚到焦点下方的分光片上，分光片将红外光和可见光分离，透过的红外光通过分光片后面的太阳能电池进行发电储存供给整个装置的运转，反射的可见光通过光纤导入到室内进行照明，从而实现太阳光谱的全光谱利用，提高了太阳光的利用率，同时避免了由于红外光的高热量在传输过程中对于光纤的损坏。

为解决上述技术问题，本发明专利的主要目的在于提供一种碟式聚光—分光型光纤混合照明发电实现方案，采用光电传感器控制双轴自动追日技术，使平行太阳光垂直照射到碟式反射聚光面表面；采用反射镜聚光技术，碟面聚光镜对平行入射的太阳光进行汇聚；采用分光技术，在碟面聚光镜焦点处匀光筒底面放置太阳能电池，太阳能电池放置在匀光筒底面，匀光筒顶面放置分光片，分光片使红外光透过被太阳能电池吸收用于发电并被蓄电池储存。同时，使可见光反射，在反射中心利用光纤耦合技术将可见光导入光纤用于直接对应用场所的照明，极大地提高了太阳光的利用率；采用光纤无缝耦合技术，将光纤呈六边形排列，减少因光纤耦合缝隙漏光造成的损失。

请见图1-图6，本发明提供的一种利用聚光分光技术实现太阳能全光谱利用的照明发电装置，包括分光单元、光纤照明单元、自动控制追日单元、碟式聚光单元；分光单元设置在碟式聚光单元焦点处，用于使反射的光耦合进光纤的位置；自动控制追日单元设置在碟式聚光单元碟面上，用于控制装置跟随太阳转动，使太阳光始终垂直入射在碟式聚光单元的碟式聚光镜面上，经碟式聚光镜面汇聚到焦点处的分光单元上；光纤照明单元设置在分光单元下面，分光单元将红外光和可见光分离，透过的红外光通过分光单元后面的太阳能电池进行发电储存供给整个装置的运转，反射的可见光通过光纤照明单元导入到室内进行照明，从而实现太阳光谱的全光谱利用。

分光单元由下至上依次包括分光片11、匀光筒14、太阳能电池12；分光片11将太阳光分为可见光和红外光，可见光经光纤照明单元导入室内进行照明，红外光经太阳能电池12发电；分光单元还配置有水冷装置13，水冷装置13由第一制冷散热凹型槽131、第二制冷散热凹型槽132、第一进出水导管连接口133、第二进出水导管连接口134组成； 第一制冷散热凹型槽131配置在太阳能电池12背面，第二制冷散热凹型槽132配置在匀光筒14侧面；冷却水通过第一进出水导管连接口133注入后，依次通过第一制冷散热凹型槽131、第二制冷散热凹型槽132连通和通过第二进出水导管连接口134导出。太阳能电池12的陶瓷覆铜DBC基板作为第一制冷散热凹型槽131盖板，并通过密封硅胶成一体单元，能够有效降低太阳能电池温度，避免由于温度过高对装置造成损坏。水冷装置13使用外部抽水泵泵浦的主动循环模式依次流过进出水口，并根据太阳能电池散热的实际要求来控制泵浦中制冷液的流速。

光纤照明单元包括光纤接口21、光纤传输管22、光纤束23，可见光经分光单元反射后，通过光纤接口21直接耦合到光纤传输管22中传输，然后通过光纤束23导入到照明场所进行照明。光纤束23的接头呈六边形无缝镶嵌排列在非透明的输入接头中，使可见光在光纤中均匀传播，同时减少由于光纤排列缝隙和输入接头透光性造成光的损失，实现光纤贯穿于整个光纤传输管中，并使光纤传导出的用于照明的可见光充足且均匀。同时，考虑到边缘光线的影响，入射到光纤束23的可见光的角度必须满足小于光纤的数值孔径。

自动追日单元包括底座31、第一步进机321、第二步进机322、支撑轴承34；碟式聚光单元设置在支撑轴承34上，支撑轴承34设置在底座31上；第一步进机321和第二步进机322用于分别控制碟式聚光单元水平和竖直的转动；自动追日单元还配置有光电传感器33，光电传感器33里面设有4个光敏单元，用于接受到太阳的位置和方向信息，以电信号的形式传给单片机控制系统，进而控制第一步进机321和第一步进机322，从而实现精准自动追日。

碟式聚光单元包括碟面聚光镜结构41、支撑架结构42、碟面支撑架结构43、碟面支撑底座结构44；碟面聚光镜结构41设置在碟面支撑架结构43上，碟面支撑架结构43设置在碟面支撑底座结构44上，碟面支撑底座结构44设置在自动追日单元的支撑轴承34上；支撑架结构42由若干等距设置在碟面聚光镜结构41边沿上的支撑杆组成，支撑杆的另一端与分光单元连接。

本实施例利用大面积碟式反射镜实现对垂直入射太阳光的会聚，进而使用分光片将会聚太阳光按波长范围分为可见光和红外光两束，反射的可见光通过光纤照明单元导入到室内进行照明，透过的红外光通过太阳能电池进行发电供给装置运转，实现太阳光的全光谱利用，提高太阳能的利用率。

本实施例的自动追日单元中由蓄电池供能的回转减速机和电动推杆在光电传感器的感应下控制碟面偏转，光电传感器通过对光强度的感应程度不同从而控制装置的偏转方向及偏转角度不同，实现碟面聚光分光单元对太阳进行自动追踪。

本实施例的光纤传输管22由顶部的螺纹与光纤接口21连接在一起，光纤传输管22下部是螺纹结构，可通过与大圆螺母进行拧合固定，实现非透明的输入接口处于分光片下面能够使反射光耦合进光纤的位置，使可见光由光纤耦合入口汇聚于光纤束中。

在本发明实施例中，对分光片11的分光特性有一定的要求，其波长范围必须包括380nm~2000nm，其中可见光波段（380nm~760nm）反射，红外光波段（760nm~2000nm）透射。图7给出了本发明涉及到的分光片11的光谱响应示意图。由于普通的光纤照明是将全光谱的太阳光都导入到室内进行照明，而人眼所能辨识的只有可见光波段，导致红外光没有充分利用损失掉了，并且红外光具有热量高，穿透能力强等特点会影响室内温度以及在一定程度上损坏光纤，缩短整套装置的使用年限。解决这一问题的最佳途径是通过分光片11将可见光和红外光分离开，可见光通过光纤照明单元2导入到室内进行照明，避免红外光的高热量问题，同时红外光经过太阳能电池12发电供给整套装置运转。因此需要根据太阳光谱的谱段范围进行划分来确定分光片11的分光带，保证了整个系统对太阳光谱的全光谱利用，并且显著提高了太阳能的利用率。

应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。

应当理解的是，上述针对较佳实施例的描述较为详细，并不能因此而认为是对本发明专利保护范围的限制，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明权利要求所保护的范围情况下，还可以做出替换或变形，均落入本发明的保护范围之内，本发明的请求保护范围应以所附权利要求为准。