[发明专利]一种静态大角度太阳能收集系统

说明书

本发明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。

技术领域

本发明涉及太阳能聚光技术领域，尤其涉及一种静态大角度太阳能收集系统。

背景技术

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。

发明内容

鉴于上述的分析，本发明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。

本发明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；