跟踪太阳位置的设备 【技术领域】
本发明涉及按衍射和/或折射方式工作的光学设备,使入射光,最好是太阳光通过,进入到接收器,最好是太阳能单元上,本设备包括受控的跟踪装置,使之跟随光源与接收器相对位置随时间的变化,最好是跟随太阳位置的变化。背景技术
从实际应用方面可以知道,该类光学设备用在太阳能装备中。该类设备与太阳能单元有关,为了最大可能有效地利用太阳光,要让入射太阳光尽可能沿垂直方向射到太阳能单元上。在太阳能工程的实际应用方面,通常是用聚焦系统实现这一目的,聚焦系统用透镜和双曲面反射镜,把光适当地偏折和聚集。为了达到相应的最佳效果,需要使这些系统跟踪太阳的运动。为此需要构造昂贵的跟踪装置,使这种通常庞大而沉重的光学设备实现精确的跟踪。
在报纸“Frankfurter Allgemeine Zeitung”1994年7月28日增刊No.144的新闻稿中,有一篇关于用全息薄膜使太阳光照在太阳能电池上的报告。意图用该种全息薄膜代替常规地棱镜和透镜。准备用该薄膜把光谱分开,把按此方式分开的光,送至专为相应的光谱波段设计的太阳能电池。
DE 31 41 789 A1公开一种太阳光线集中器,其主体具有棱镜的形式,且在其入射面和反射面上有相应一层全息结构的材料层。选择全息结构参数,使辐射借助全息图进入棱镜,并在棱镜内,辐射经棱镜的多个端面会聚后射出。在此情形下,辐射被聚集,同时,该种配置还能把辐射分为各种光谱波段,使各种光谱波段聚集在各种射线的出射面。目的是,据此可向各特定的光电转换器馈送相应的光谱波段。由棱镜组成的该种太阳光线集中器,在跟踪方面存在上面所述缺点。此外,由于使用棱镜,会出现阴影效应,降低转换率。
US No 4 054 356 A1公开一种太阳光线集中器,采用点光源全息图的形式。但发现该全息图透镜的焦点太大,为了安置接收器接收该透镜焦点上聚集的辐射,需要把一辅助装置连接在接收器与透镜之间。此外,该配置在接收器表面还存在不规则能量分布问题。
DE 30 12 500 A1公开一种后向反射镜,用作光隔板和光幕。该反射镜使用了在光敏材料上按全息方法形成的衍射光栅。
当该反射镜被照明时,入射其上的辐射被反射并聚焦在带有全息图的反射器板之外。发明内容
本发明的目的,是提供本说明书公开部分阐明的一种光学设备,其结构简单,但能提供相应的光偏折和/或光聚集作用。目的是,本光设备在相关的太阳能装备中使用,能提供特别有效的光转换。
按照本发明,要达到该目的,本说明书公开部分阐明的该种光学设备的设计,需要使该光学设备有透明的或反射的光学主体,该光学主体有衍射的和/或折射的和/或全息的区域。据此,按照特性组合a),能够提供有多个性质各不相同部分的光学主体,各部分的一个或多个光学参数,沿跟踪方向各不相同,并且能够借助跟踪装置对光学主体和/或对接收器的作用,使光学主体与接收器相对运动,把光学主体各不同部分带进或带出工作位置。按照特性组合b),能够提供具有薄膜形式和/或放在薄膜上的光学主体,借助跟踪装置把薄膜卷起和松开,使光学主体相对于接收器运动,可以实现跟踪。
精确的跟踪能够以特别简单的方式实施,因为按照组合a),具有衍射和/或折射和/或全息区域的光学主体,分为光学参数各不相同的性质不同的部分。作用于光学主体和/或接收器上的跟踪装置,使光学主体与接收器之间产生相对运动。在此情形下,光学主体的不同部分相继地移进工作位置,产生跟踪运动。此时,在各种情况中,在该时间的工作位置上的光学主体的一部分,分别构成在该时间的有效部分,且是在该时间以需要的辐照角或以需要的聚集度,把入射光馈送至接收器的部分。
若按照组合b),则光学主体具有薄膜的形式和/或放在薄膜上,能够借助跟踪装置卷起和松开薄膜,这样做能在结构简单方面和价格方面给出基本优点。
在用于太阳能装备方面可享有特别的优点。太阳能单元形式的接收器可以保持不动,而光学装置则跟踪太阳的位置。在用于温室方面亦可享有相应的优点。
具有衍射和/或折射和/或全息区域的光学设备主体,最好有平坦的光入射面,且最好有平坦的光出射面。太阳光以给定的入射角射在光入射面上,该入射角依赖于光源相对于接收器的瞬时位置,就是说,在太阳能装备中,依赖于太阳的位置。按此方式入射的光穿越该主体,在穿越主体的过程中被偏折或聚集,使光按给定角度或按给定聚集度在光出射面上从主体出射,从而到达接收器。选取该主体的光学参数,以便对相应的应用获得所需的出射角或所需的聚集度。在太阳能工程的应用中,主体的光学参数,要使最佳地利用从主体出来的太阳光的出射角与相应到达太阳能单元的辐照角,尽可能形成90°的辐照角或最大的聚集度。
光学主体上光学参数各不相同的部分,能够沿跟踪方向按相互并列关系,排列在该主体上或排列在该主体内,其中,各部分可以采取各部分相互连续地融合的形式,或采取各部分分开的离散的形式。各部分连续过渡的安排,提供连续跟踪的优点。如果沿跟踪方向的光学参数也是平稳渐进地连续变化的,则该种安排特别有利。
在优选的实施例中,光学主体或薄膜,至少有一区域采取层的形式,具有使光转向和/或使光聚集的结构。该光学主体可以用全息单元构成,例如最好是有全息图结构的层状区域。光学参数各不相同的部分可以用具有不同全息图结构的部分实现。为了基本上把光聚集,代替全息图结构或除全息图结构之外,光学主体也可以具有衍射透镜或衍射反射镜结构。为了使光学主体或薄膜上的反射损耗最小,可以令光学主体或薄膜向着光源一侧是消反射的。
该主体可以具有刚性体或柔性体的形式。特别有利的是使用全息薄膜。该薄膜还可以具有衍射透镜或衍射反射镜结构的集中器薄膜形式。该薄膜可以分为多个区域,各有不同透镜结构或不同反射镜结构,这些区域沿跟踪方向依次排列。
如果沿跟踪方向各不相同的薄膜各区域,至少与一个太阳能单元相联系,从而使第一个区域在一天或多天的第一时间周期中与一个太阳能单元配合,而与第一区域相邻的第二区域则在随后一天或多天的第二时间周期中与该太阳能单元配合,那么,跟踪操作能够以特别简单的方式实现。为此,薄膜可以分为不同的区域,各区域能够与一年或半年的个别天数相联系,最好是按365天或182或183天分为不同的区域。
在有大量太阳能单元的较大的太阳能装备中,如果多个太阳能单元沿纵列和横列按栅格排列方式排列,和/或光学主体分为多个分离的区域,沿纵列和横列按栅格排列方式排列,最好与太阳能单元的栅格排列对应,那么,这样的结构就特别简单。为实现补偿光源位置变化的跟踪,可以令太阳能单元的栅格排列和/或令光学主体各区域,相对于跟踪方向和/或光学主体的运动方向倾斜一锐角。如果采用0.25°的角度,则能够在一年的过程中实现补偿太阳位置变化的跟踪。
如果在薄膜上进行光谱划分,最好是在太阳光穿过全息薄膜的情况下,则有可能使用特定光谱的太阳能电池。可以把多个这种特定光谱的太阳能电池按相互并列关系排列和把个别光谱馈送至相应的太阳能电池。
当使用柔性薄膜时,能够对跟踪装置的设计结构给出特别简单的结构,而且具有该种结构的装置,运行可靠并精确。跟踪装置可以采取薄膜传送装置的形式,该薄膜传送装置至少有一个薄膜贮藏装置,最好是鼓,用于接收和/或送出薄膜。最好有一个在跟踪时卷上薄膜的第一鼓和一个在跟踪时松开薄膜的第二鼓。在此情形下,安排一薄膜部分,最好在张紧的情况下,置于第一鼓和第二鼓之间,作为光导引和/或光集中器装置的相应工作部分。实施跟踪时,借助电动机驱动使第一鼓旋转。第二鼓则与之同步旋转。
在跟踪装置的特定安排中,设置第一传送装置,沿光学主体的主伸延方向移动光学主体。此外,还可以设置第二传送装置,沿与光学主体的主伸延方向成一角度,最好是直角的方向,移动光学主体,或者绕平行于光学主体主伸延方向的轴,旋转光学主体。该第一或第二传送装置的控制,与一天的时间有关,就是说,与一天的时间中太阳的位置有关。另一传送装置的控制则与一年的时间有关,就是说,与一年时间中太阳的位置有关。附图说明
从本文后面若干实施例的说明,可以了解进一步的细节、特性、和优点,各实施例以图解的方式画在附图中,附图有:
图1是太阳能装备的示意图,
图2是在早晨太阳位置时图1太阳能装备的简化习惯表示,
图3是在中午太阳位置时图1太阳能装备的简化习惯表示,
图4是在下午太阳位置时图1太阳能装备的简化习惯表示,
图5是在中午太阳位置时,一种太阳能装备的简化习惯表示,该装备使用集中器形式的衍射透镜薄膜,
图6是在下午太阳位置时图5太阳能装备的简化习惯表示,
图7是带有多个太阳能单元的一种太阳能装备的简化习惯表示,
图8画出带有栅格排列透镜的薄膜,
图9是使用图8薄膜的一种太阳能装备的简化习惯表示,和
图10是一种太阳能装备的简化习惯表示,该装备使用集中器形式的衍射凹面反射镜薄膜。具体实施方式
图1的太阳能装备有太阳能单元1。该太阳能单元1可以是单个太阳能单元,也可以是按相互并列关系排列的多个太阳能单元电池。太阳能单元1可以具有光电太阳能电池形式,或发热的太阳能收集器的形式。照在太阳能单元1上的太阳光2,由太阳能单元1转换为电能或热能。产生的能量由该太阳能单元1的输出1a馈送至网络(未画出)或能量存储设备。
与太阳能单元1结合的是让太阳光2通过的光学设备3,太阳光的入射角α依赖于太阳的位置,为了最大可能地有效利用太阳光,在各种情况中,通过光学设备3的太阳光要尽可能垂直地射在太阳能单元1的表面。
光学设备3有按衍射和/或折射方式工作的光学主体4,太阳光穿过该光学主体,此时光学主体使太阳光偏折。在图示的实施例中,光学主体4具有透明全息薄膜的形式,张紧放在距太阳能单元1表面一定的距离上。
太阳能单元之上的薄膜4被辐照部分的全息图结构,要使以角度α入射薄膜4表面的太阳光,在穿过薄膜时偏折,并在薄膜的下侧以角度β射出。选择太阳能单元1的安装,使以角度β射出的太阳光,最好以90°射在太阳能单元1的表面A。在图示实施例中,出射角β=90°,且薄膜张紧在平行于太阳能单元1表面A的平面上。
为了在太阳的任何位置上都有效地利用太阳光,光学设备3有跟踪装置5,利用跟踪装置,使薄膜跟踪相对于不动地放置的太阳能单元1的太阳位置。跟踪装置5有两个同步驱动的鼓51、52。两个鼓51、52并排放置,相互分开共同的距离。两个鼓可以旋转,不动地支承在支架51g、52g上。把薄膜4的两个相对端绕在鼓51、52上,使薄膜4在两个鼓51、52之间张紧。两个鼓51、52用电动机按受控方式驱动,使两鼓绕它们的鼓轴51a、52a同步地旋转。图1中的旋转方向是顺时针方向,于是,张紧在鼓51、52之间的薄膜4,沿方向C从左到右传送。传送运动的速度依照太阳位置一天时间的变化来控制。
在跟踪过程中,薄膜4沿方向C连续地运动。在此情况下,薄膜被鼓52卷上并被鼓51松开。只有薄膜在该时间位于太阳能单元1之上的相应张紧部分,才能让入射太阳光透过,从而只有该部分在该时间是事实上有效的。
沿薄膜4的主伸延方向,就是说,沿它表面的方向从而沿跟踪方向C,薄膜4有变化的全息图结构。全息图结构的参数变化,是这样选择的,依据给定的传送速度或跟踪运动速度,对依赖于太阳位置的入射角α的光的偏折作用,获得连续的适应性。全息图结构的这一适应性,就是随着一天中入射角α随太阳位置的变化,保持出射角β近似恒定。这意味着对太阳一天中的任何位置,角度β和γ近似恒定,从而对太阳的任何位置,太阳光都被同样有效地利用。
为了提供一年时间的适应性,还要对薄膜平面相对于太阳能单元1表面A的角位置,提供另外的跟踪。据此,沿C方向绕平行于太阳能单元1表面的枢轴旋转薄膜平面,最好与鼓51、52一起旋转。据此,可以设置某种绕枢中心旋转的机构(未画出),使鼓51、52作适当的角度跟踪,例如把该种机构安装在支承支架区域51g、52g内。
对上述薄膜在方向C上在一天时间中的跟踪,由独立的驱动电动机51m、52m提供鼓51、52的旋转驱动。驱动电动机51m驱动鼓轴51a。为此,驱动电动机51m的驱动输出轴(未画出)用一传动装置(未画出)与鼓轴51a连接。驱动电动机52m按相应方式驱动鼓轴52a。同步地控制该两个电动机51m、52m。控制系统的性质要能使传送速度,即薄膜4沿方向C的跟踪,在一天的时间中随太阳位置而变化。
晚上,把薄膜卷回去。这一工作由驱动电动机沿相反方向运转完成,从而薄膜被鼓52松开而卷在鼓51上。
对一年时间中的跟踪,也可以用电动机装置使鼓51、52绕枢中心运动而达到,即借助驱动电动机(未画出)按适当控制方式驱动上述绕枢轴旋转机构而达到。
虽然,在上述实施例中,假定薄膜上或透明的光学主体上,有基本上连续变化的光偏折全息图结构,而且相应地,薄膜在太阳能单元之上连续移动,但显然,按准不连续方式向光学主体提供相应的光偏折结构,例如具有带状的相同结构的形式,然后据此使该光学主体以相应的不连续的或步进的方式相对于太阳能单元运动,也是可以的。
图5和图6所示实施例,也涉及具有衍射薄膜的太阳能装备,借助带有鼓51、52的跟踪装置5,把薄膜卷上和松开,在太阳能单元1上引导薄膜,使之跟踪一天时间中太阳的位置,图上画的两个鼓是示意性的,实际上要大得多且支承在彼此相距适当的距离上。与前述的实施例不同的是,图5和6所用薄膜4是聚集入射太阳光的薄膜。该种薄膜使用衍射透镜4a形式的薄膜集中器。入射太阳光在穿越透镜4a时被聚集,使太阳的像出现在置于焦点的太阳能单元1内。当使用带有直径在1至5cm之间的透镜的薄膜时,薄膜4相对于太阳能单元表面A的距离则在10至20cm之间。
在一天中,在太阳能单元1上张紧的薄膜4,被跟踪装置5在图中从左向右移动,就是说,沿东西方向。据此,随着一天时间中太阳的位置,一天中或多或少倾斜地向下照射的太阳的像被跟踪,于是,太阳的像一整天都落在放在恒定位置的太阳能单元1上。图5画出中午时间近似垂直入射的太阳光的位置。图6画出下午时倾斜入射的太阳光的位置。从图6的位置可见,为了跟踪,向右移动薄膜4或透镜4a。
为了跟踪,在一天的时间中薄膜4的传送速度是每小时f×0.25,这里f′是透镜的焦距。这样,已经考虑太阳位置在一天时间中的变化而导致光入射角约每小时15°的变化,并获得在一天时间中精确的跟踪。
在变化了的实施例中,把多个太阳能单元1a、1b沿薄膜4移动方向相继排列。图7画出这样排列的两个太阳能单元1a、1b。在太阳能单元1a、1b上张紧的薄膜4,有两个透镜4a、4b,沿薄膜4移动方向C相继排列。从图7可见,通过照射太阳能单元1a的透镜4a和照射太阳能单元1b的透镜4b,透镜4a与太阳能单元1a相联系,而透镜4b与太阳能单元1b相联系。为此,太阳能单元1a、1b的距离s等于透镜4a、4b中心线之间的距离。由于薄膜4按照一天的时间作跟踪运动,太阳的像也随一天相应时间的太阳位置作跟踪运动,于是,在各种情况中,太阳通过透镜4a的像都落在位置不变的太阳能单元1a上,同时,通过透镜4b的像则落在相应恒定位置的太阳能单元1b上。
在图5、6和7的实施例中,把多个太阳能单元1a、1b等等按相互并列关系,沿薄膜运动方向的横向排成一列或多列。为此,当使用带有环形透镜的薄膜时,多个透镜4a、4b等等沿横向排列在薄膜上。这些透镜和相关的在横列上的太阳能单元,按照相邻透镜中心线的距离等于相关的相邻太阳能单元的距离分别排列。这样,横列上相应的透镜与横列上各个太阳能单元对应。据此,薄膜4在一天相应时间中的跟踪运动,借助相关的透镜,保证一天中各个太阳能单元在各种情况下都获得恒定的照射。
图8画出部分薄膜,其上有按栅状或栅格排列的透镜4a、4b、4c。这些透镜以相互并列关系沿彼此成直角伸延的纵列和横列排列。在此情况下,该栅格排列相对于薄膜4运动和伸延方向C倾斜约0.25°。角度0.25°对应于每天太阳相对于太阳能电池板的角度变化;该变化在角度上是每天47°/182。这样,仅仅沿方向C移动薄膜,就能补偿每天太阳角度的变化,就是说,无需作另外调整。
图9画出该种薄膜在太阳能装备中的应用。薄膜在排列成栅格的太阳能单元1a至1f上张紧,并沿方向C,即东西方向卷上和松开。于是,对一天时间的跟踪如前面的实施例那样,在一天中把薄膜从图9的左侧向右侧移动。这样,一整天中总有相应透镜与给定的太阳能单元对应,使太阳能单元通过该相应透镜被照射。为了实现一年时间的跟踪,薄膜每天移动一行的距离,因此每一太阳能单元只被某个透镜照射一天。下一天,该太阳能单元通过下一个透镜照射。由于该栅格排列倾斜0.25°角度,肯定能在薄膜沿方向C移动时产生跟踪作用。因为,由于栅格排列的这一倾斜,随着一年时间中太阳在水平线以上高度每天的变化,使透镜获得垂直于该传播方向的相对移动,从而补偿太阳位置在一年时间中的变化。
就是说,在图9所示实施例中,一天时间中以及一年时间中的跟踪作用,由于薄膜4沿方向C的跟踪运动而实现。为此,薄膜4可以有182个不同透镜沿运动方向相继排列,而且在一年中由跟踪装置5整个地向前和向后移动一次,就是说,在图9中,前半年向右,下半年向左。
在与图8和9不同的变化的实施例中,不用角度倾斜的栅格排列,也能实现一年时间的跟踪,办法是,令薄膜平面绕滑移运动轴作旋转运动,或者,在相对于水平平面倾斜且向着太阳的平面内,移动薄膜。当太阳能单元排列在面向太阳的倾斜的屋顶结构上时,令薄膜平行于倾斜的屋顶结构向上或向下移动,可以获得一年时间的跟踪。
在图10所示变化了的实施例中,代替衍射透镜,薄膜4有衍射的反射镜,即凹面反射镜4s。太阳能单元1放在向着太阳的薄膜4旁边,与薄膜4相距f(=焦距)。入射在反射镜4s上的太阳光被聚集,使太阳的像落在太阳能单元的表面A上。薄膜的跟踪与前面实施例的方式相同,即借助跟踪装置5令薄膜沿方向C移动。反射镜薄膜也可以有多个反射镜4s,沿纵列和横列排列。这样的薄膜可以与具有透镜结构的薄膜有相应结构,透镜结构的薄膜已参照图5和9的实施例说明。类似于图4和9的实施例也可以用反射镜薄膜。
已说明的实施例所用的衍射透镜和反射镜,其高度方向的断面包括球形截面和双曲线截面的同心带。代替这些同心结构或除这些同心结构之外,薄膜4也可以有横向结构。这些薄膜能有效地同时把光偏折和把光聚集。