一种静态大角度太阳能收集系统技术方案

本发明专利技术涉及一种静态大角度太阳能收集系统，属于太阳能聚光技术领域，解决了现有太阳能收集系统结构复杂、成本高且对太阳能的收集效率低的问题。该系统包括聚焦透镜和积分器，聚焦透镜为对称梯度折射率聚焦透镜；聚焦透镜的下表面与积分器耦合；聚焦透镜，用于将从各个角度入射的太阳光汇聚至聚焦透镜的下表面，并出射进入所述积分器中；积分器，用于匀化太阳光强度，并使匀化后的太阳光从所述积分器的出口出射。该系统无需定位装置及转动装置，以静态方式即可汇聚大角度范围内的太阳光，结构简单、对太阳能的收集效率高。

【技术实现步骤摘要】
一种静态大角度太阳能收集系统
本专利技术涉及太阳能聚光
，尤其涉及一种静态大角度太阳能收集系统。
技术介绍
太阳能是一种清洁、无污染的可再生能源，已在全世界范围内得到广泛开发和应用。但自然太阳光的能流密度较低，若直接利用其进行室内照明、光伏发电、或光热转换，往往存在利用效率低下、成本高昂等问题。为此可使用各类聚光系统，先将大面积的太阳光汇聚到小面积的范围内，提高其能流密度之后再进行利用。以光伏发电技术为例，若配备合适的聚光装置，可大幅减小系统所需太阳能电池片的面积，同时还能提高电池片的光电转化效率，从而有效降低系统的单位发电成本，因此成为目前研究的热点。由于地球自转和公转的原因，太阳所在方位时刻都在变化，为了保持较高的太阳光收集效率，现有的太阳能聚光模组通常使用菲涅尔透镜、抛物面反射镜等作为聚光器件，普遍需要配备高精度的跟踪和转向装置，工作时必须实时对准太阳。现有技术至少存在以下缺陷，一是高精度的跟踪装置和转向装置不仅使系统整体结构复杂、对控制精度要求高，而且造价成本和运行维护成本高，不利于大范围推广和使用；二是传统聚光器件的接收角一般不超过3°，太阳光线的入射方向稍有偏移，系统太阳光出射口径处的辐照度就会明显下降，造成能量收集效率的迅速降低。
技术实现思路
鉴于上述的分析，本专利技术旨在提供一种静态大角度太阳能收集系统，用以解决现有太阳能收集系统结构复杂、造价高且太阳能收集效率低的问题。本专利技术提供了一种静态大角度太阳能收集系统，包括聚焦透镜和积分器，所述聚焦透镜为对称梯度折射率聚焦透镜；所述聚焦透镜的下表面与所述积分器耦合；所述聚焦透镜，用于将从各个角度入射的太阳光汇聚至所述聚焦透镜的下表面，并出射进入所述积分器中；所述积分器，用于匀化所述太阳光强度，并使匀化后的所述太阳光从所述积分器的出口出射。进一步的，所述聚焦透镜的形状为球形，其折射率分布满足：其中，n0为所述聚焦透镜的基础折射率，r表示所述聚焦透镜内任一点到所述聚焦透镜球心的距离，R表示所述聚焦透镜的半径，n(r)表示所述任一点处的折射率。进一步的，所述积分器的顶面内壁与侧面内壁均覆盖有高反射率涂层，用于使太阳光在所述积分器内多次反射，以匀化所述太阳光强度。进一步的，所述积分器顶面的面型与所述聚焦透镜下表面的面型相适配，以使所述积分器的顶面与所述聚焦透镜的下表面耦合。进一步的，所述积分器的顶面设有一狭缝开口，所述狭缝开口与太阳光在所述聚焦透镜下表面形成的汇聚光斑的轨迹相对应，所述狭缝开口的宽度不小于所述汇聚光斑的预设比例能量所对应的光斑区域的直径，以使在所述聚焦透镜下表面汇聚的、至少预设比例能量的太阳光从所述狭缝开口进入所述积分器内。进一步的，通过下述方式获取太阳光在所述聚焦透镜下表面形成的汇聚光斑的轨迹：根据所述太阳能收集系统所在经纬度及太阳时角确定每一时刻入射太阳光的高度角和方位角；根据所述入射太阳光的高度角和方位角确定所述入射太阳光相对于所述太阳能收集系统的入射角；根据所述入射角确定每一时刻所述入射太阳光在所述聚焦透镜下表面形成的汇聚光斑的位置，以获得所述汇聚光斑的轨迹。进一步的，所述积分器的侧面内壁为二次曲面，且所述积分器上设置有至少一个光出口。进一步的，当所述积分器的侧面内壁的二次曲面不为球面时，所述二次曲面的焦点位于设置的所述光出口处。进一步的，所述狭缝开口的下方设置有光反射器，所述光反射器正对所述狭缝开口设置，其宽度大于所述狭缝开口的宽度；所述光反射器包括：第一反射面，用于将进入所述积分器的太阳光反射至积分器的内壁上；第二反射面，用于阻挡被所述积分器内壁反射的太阳光从所述狭缝开口出射。进一步的，所述聚焦透镜的下表面与所述积分器通过波导实现耦合。进一步的，所述聚焦透镜的基础折射率n0＞1，根据所述聚焦透镜的有效口径对所述聚焦透镜的侧面进行裁切，裁切后的所述聚焦透镜的上表面用于接收太阳光，并将所述太阳光聚焦至所述聚焦透镜的下表面。进一步的，所述聚焦透镜的基础折射率n0＞1，所述积分器内部填充有透明的光学介质，所述光学介质的折射率与所述聚焦透镜的基础折射率相等。进一步的，所述聚焦透镜的上方耦合有一盖板，所述盖板的折射率与所述聚焦透镜的基础折射率n0相等；所述盖板的下表面设有一凹槽，所述凹槽与所述聚焦透镜相接触的面相适配，以使所述盖板与所述聚焦透镜耦合，且所述凹槽的顶点至所述盖板下表面的距离范围为0.1R至2R，R为所述聚焦透镜的半径。进一步的，对所述聚焦透镜的下侧部分进行裁切，使所述入射太阳光聚焦至裁切后的所述聚焦透镜的下表面。与现有技术相比，本专利技术至少可实现如下有益效果之一：1、本专利技术提出的大角度太阳能收集系统利用静态球对称梯度折射率聚焦透镜能够在静态条件下实现收集至少±60°范围内的太阳光，且具有较恒定的有效入射口径和聚光效果，克服了传统聚焦透镜的有效口径和汇聚光斑能量集中度随视场角增加而降低的缺点，可以有效提高太阳能的收集效率。2、本专利技术提出的静态大角度太阳能收集系统利用积分器对入射其中的太阳光强度进行匀化，可以根据不同的使用需求选择不同的积分器侧面内壁面型，以使太阳光光强均匀性高或能量利用率高；其次，通过设置积分器上光出口的大小和个数可以调整系统对太阳光的聚焦倍数。3、本专利技术通过设置积分器的狭缝开口正对太阳光在聚焦透镜下表面生成的聚焦光斑的轨迹，使聚焦透镜聚焦的太阳光进入积分器内，无需根据太阳光入射角度变化进行调整，规避了传统太阳光收集系统依赖定位装置和转向装置导致系统结构复杂、造价成本高且太阳能收集效率低的缺陷，提高了太阳能收集效率的同时，并大大降低了成本。4、本专利技术根据太阳能收集系统收集太阳光的角度范围可以对聚焦透镜的侧面进行裁切，使裁切后的聚焦透镜的上表面用于接收角度范围内的太阳光，并将太阳光聚焦至聚焦透镜的下表面，可以减小太阳能收集系统的体积和重量，便于大批量使用。本专利技术中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本专利技术的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本专利技术而了解。本专利技术的目的和其他优点可通过说明书以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。附图说明附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本专利技术的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。图1为本专利技术实施例静态大角度太阳能收集系统正视截面图的示意图；图2为本专利技术实施例静态大角度太阳能收集系统侧视截面图的示意图；图3为裁切后的聚焦透镜在地平坐标系子午圈平面内的截面图；图4为对聚焦透镜下侧部分进行裁切后的示意图；图5为本专利技术实施例地平坐标系的示意图；图6为本专利技术实施例积分器侧面内壁为球形的示意图；图7为本专利技术实施例积分器侧面内壁为旋转对称复合抛物面的示意图；图本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种静态大角度太阳能收集系统，其特征在于，包括聚焦透镜和积分器，所述聚焦透镜为对称梯度折射率聚焦透镜；所述聚焦透镜的下表面与所述积分器耦合；/n所述聚焦透镜，用于将从各个角度入射的太阳光汇聚至所述聚焦透镜的下表面，并出射进入所述积分器中；/n所述积分器，用于匀化所述太阳光强度，并使匀化后的所述太阳光从所述积分器的出口出射。/n

【技术特征摘要】
1.一种静态大角度太阳能收集系统，其特征在于，包括聚焦透镜和积分器，所述聚焦透镜为对称梯度折射率聚焦透镜；所述聚焦透镜的下表面与所述积分器耦合；
所述聚焦透镜，用于将从各个角度入射的太阳光汇聚至所述聚焦透镜的下表面，并出射进入所述积分器中；
所述积分器，用于匀化所述太阳光强度，并使匀化后的所述太阳光从所述积分器的出口出射。


2.根据权利要求1所述的太阳能收集系统，其特征在于，所述聚焦透镜的形状为球形，其折射率分布满足：



其中，n0为所述聚焦透镜的基础折射率，r表示所述聚焦透镜内任一点到所述聚焦透镜球心的距离，R表示所述聚焦透镜的半径，n(r)表示所述任一点处的折射率。


3.根据权利要求1或2所述的太阳能收集系统，其特征在于，所述积分器的顶面内壁与侧面内壁均覆盖有高反射率涂层，用于使太阳光在所述积分器内多次反射，以匀化所述太阳光强度。


4.根据权利要求3所述的太阳能收集系统，其特征在于，所述积分器顶面的面型与所述聚焦透镜下表面的面型相适配，以使所述积分器的顶面与所述聚焦透镜的下表面耦合。


5.根据权利要求4所述的太阳能收集系统，其特征在于，所述积分器的顶面设有一狭缝开口，所述狭缝开口与太阳光在所述聚焦透镜下表面形成的汇聚光斑的轨迹相对应，所述狭缝开口的宽度不小于所述汇聚光斑的预设比例能量所对应的光斑区域的直径，以使在所述聚焦透镜下表面汇聚的、至少预设比例能量的太阳光从所述狭缝开口进入所述积分器内。


6.根据权利要求5所述的太阳能收集系统，其特征在于，通过下述方式获取太阳光在所述聚焦透镜下表面形成的汇聚光斑的轨迹：
根据所述太阳能收集系统所在经纬度及太阳时角确定每一时刻入射太阳光的高度角和方位角；
根据所述入射太阳光的高度角和方位角确定所述入射太阳光相对于所述太阳能收集系统的入射角；
根据所述入射角确定每一时刻所述入射太阳光在所述聚焦透镜下表面形成的汇聚光斑的位置，以获得所述汇聚光斑的轨迹...

【专利技术属性】
技术研发人员：张泽，袁鸿昌，
申请(专利权)人：中国科学院空天信息创新研究院，
类型：发明
国别省市：北京;11