[发明专利]光收集装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种建筑用太阳能利用设备，具体涉及一种光导系统中的光收集装置。

背景技术

根据建筑部2004年颁布的《建筑照明设计标准》(国标GB/T50033/34-2004)的规定，在我国的建筑设计中应该在可能的情况下：“利用各种导光和反光装置将自然光引入室内；利用太阳能作为照明能源”。

光导系统就是符合这种国家要求的节能绿色照明产品。光导系统普遍分为三部分，一是采光部分，二是光导部分，三是散光部分。此种系统的工作原理是通过能够导光的介质形成光导部分(例如内表面具有反射功能的空心管，或者具备内部全反射功能的实心光纤)将光从介质的一端传递到另外一端，从而达到照明等目的。采光部分负责让光从一端进入光导部分，而散光部分则负责将光均匀分散到房间里面。例如，图1是一个典型的商业化光导管系统。

光导系统的分类主要有主动和被动两大类。这两种系统的主要区别在于前者的采光部分是活动的；而后者的采光部分是不活动的。主动系统采光部分活动，便可以跟踪太阳的运动，然后将光聚合起来，再通过介质进行传输。被动系统没有活动部分，阳光几乎直接进入光导部分进行传输。主动系统的优势是可以聚光，然后将光通过直径比较小的介质在建筑中传输，从而达到节省空间的目的。其缺点是仍然需要使用大量光导介质，增加了系统费用，因此比较昂贵。图2中展示了一个典型的主动光导系统。

被动式系统的优点是不需要活动部件聚光，节省了成本；但是缺点是占用空间大，而且随着光导距离长度的增加，成本也因介质长度的增加而递增，光强却递减。主动光导系统中使用光纤，所以光可以随光线的铺设比较自由地在建筑中分布。而被动光导系统严重依赖直径比光纤大数十倍甚至上百倍的介质，所以一般只能在建筑内有条件的各楼层中(顶楼或者朝南的房间)水平或者垂直铺设，所以基本又分为水平系统和竖直系统(见图3)。另外根据系统传输光的距离，又可以分远距离(光导距离十米以上)和近距离系统(光导距离十米以内)。表一中列举了上述所有系统的区别和优劣势对比。

(表一)

总结表一中的对比情况可以发现如下问题：

(一)无论是何种系统，均使用光纤或者空心/实心的光导管对光传导。因此，传输距离越长，系统成本越高。

(二)在远距离传输光的时候，被动式系统效率极低。

(三)在建筑内部远距离传输光的时候，被动式系统占用建筑内部空间太大，大幅增加用户额外负担，所以几乎没有应用前景。

(四)在用被动式系统进行远距离(超过十米)光导时，系统总效率低于45％且价格高于4000元。当光导距离达到二十米时，被动式系统总效率低于31％且价格高于8000元。

(五)在用主动式系统进行远距离(超过十米)光导时，仅十米长直径10厘米的光纤束成本就在25000元以上。

目前世界上几乎所有光导产品都是通过在传输介质中多次反射将阳光导入建筑内。所以现有光导产品的通病是阳光在多次反射中逐次衰减，导致传输效率低；而且传输距离越长，介质就越长，阳光强度衰减就越严重，而介质的造价也越高，造成系统昂贵且低效，因此无法在大型现代建筑中普及应用。表一所示对现有技术的对比表明，在远距离光导时，被动式系统昂贵且低效，甚至根本无法应用；而主动式系统则更加昂贵，也无法规模化应用。如何能够不使用传输介质从而降低系统成本，而且在建筑设计允许范围内实现光的远距离传输则正是本发明要解决的问题。

目前在光导系统领域存在如下技术偏见：

1)现有光导技术认为建筑用光导系统须先聚光，再传送光，然后再将光分散开到指定房间。

2)现有光导技术认为光的传播需要利用介质，使光在其通过多次反射进行传播。

3)现有光导技术认为因为建筑内部空间有限，所以提供光导通路的介质直径应该越小越好，所以倾向于采用光纤进行远距离传导。

4)现有太阳能利用技术注重集中发电然后通过变电、输电和送电设备将电能送到最终用户处。

上述第1)个技术偏见阻止了现有技术沿本发明的主旨线路进行发展。上述偏见导致现有的光收集系统以光的聚合为起始环节，增加了系统成本，而且光导系统中“聚光再散光”两个互相抵消成效的过程更加提高了系统的造价，而且同时又增加了系统光传导的损耗。