專利名稱：聚光鏡集光效率的檢測(cè)裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及聚光鏡技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及聚光鏡集光效率的檢測(cè)裝置及方法。
背景技術(shù)：
隨著生活水平的進(jìn)步與人口的增加，人類對(duì)能源的需求和耗用與日俱增，然而產(chǎn)生能源的方式，現(xiàn)今絕大部分來自燃燒石化原料的熱能轉(zhuǎn)換，如發(fā)電時(shí)所使用的燃煤、燃油，以及汽機(jī)車運(yùn)動(dòng)時(shí)使用的柴油、汽油，結(jié)果產(chǎn)出大量的二氧化碳。當(dāng)人類活動(dòng)所產(chǎn)生的二氧化碳超過自然界自清的能力時(shí)，逐漸增加在大氣中的二氧化碳已然形成溫室效應(yīng)，進(jìn)而導(dǎo)致地表的暖化，伴隨出現(xiàn)的將是異常氣候，及海平面上升等的環(huán)境變遷，形成對(duì)人類文明的重大威脅。因此，不產(chǎn)生二氧化碳的太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)成為兼顧環(huán)境與生活的重要解決方案，其中的聚光型太陽(yáng)能由于具備高光電轉(zhuǎn)換效率、占地面積小的特點(diǎn)，是能提供太陽(yáng)能大量發(fā)電的重要技術(shù)。聚光鏡為聚光型太陽(yáng)能設(shè)備中關(guān)鍵性的組件之一，聚光鏡的作用是將太陽(yáng)能量集中并會(huì)聚到聚光型太陽(yáng)能設(shè)備的吸熱管或太陽(yáng)能電池上，吸熱管可將太陽(yáng)能量吸收并加熱吸熱管中的物質(zhì)，使其升溫或相變?yōu)闅怏w，成為具有推動(dòng)發(fā)電機(jī)的能量；而太陽(yáng)能電池則是直接利用材料的光電效應(yīng)，將入射光能量轉(zhuǎn)換為光電流輸出。良好的聚光鏡可以提高太陽(yáng)能量的收集效能，并縮小吸熱管或是太陽(yáng)能電池的面積，在維持相同的發(fā)電效能下，進(jìn)一步降低發(fā)電設(shè)施建置與維護(hù)的成本。集光效率是反映聚光鏡收集效能的重要參數(shù)。聚光鏡的工作方式為利用太陽(yáng)光作為光源，讓太陽(yáng)光經(jīng)由聚光鏡的鏡面反射或折射，將光線會(huì)聚于聚光鏡的焦點(diǎn)上，在焦點(diǎn)處安置上述吸熱管或太陽(yáng)電池，即可使用最小面積的吸熱管或太陽(yáng)電池來吸收太陽(yáng)光照射在大面積聚光鏡的能量。聚光鏡的集光效率檢測(cè)，最直接的方式是將聚光鏡置于太陽(yáng)光下，在聚光鏡的焦點(diǎn)處擺置光檢測(cè)器，量測(cè)聚光鏡所收集的光能量(Ec)；并使用光檢測(cè)器直接置于太陽(yáng)光下，量測(cè)同時(shí)間太陽(yáng)光投射地表的光能量 sim)，再量測(cè)光檢測(cè)器的感光面積㈧與聚光鏡之收光面積(Ac)，即可推算入射聚光鏡的太陽(yáng)光能量(E) = (Esun χ Ac/A)，此時(shí)，聚光鏡的收集光能量(Ec)與入射聚光鏡之太陽(yáng)光能量(E)的比值即為該聚光鏡之集光效率(η) = (Ec/Esun χ A/Ac)。上述檢測(cè)方法可以取得最接近太陽(yáng)能發(fā)電時(shí)聚光鏡的實(shí)際集光效率，但是太陽(yáng)是變動(dòng)的光源，所量測(cè)的結(jié)果與數(shù)值，會(huì)受到太陽(yáng)光線的強(qiáng)弱或是太陽(yáng)光線入射角度差異的影響，而云霧、空氣中的顆粒等其它環(huán)境因素，也造成聚光鏡的集光效率的檢測(cè)發(fā)生變化過大或呈現(xiàn)不穩(wěn)定狀態(tài)，無法有效提供正確而穩(wěn)定的數(shù)據(jù)作為分析衡量的依據(jù)。有鑒于此，可設(shè)置一人工太陽(yáng)光源取代太陽(yáng)進(jìn)行聚光鏡集光效率的檢測(cè)，考慮太陽(yáng)距離地球相當(dāng)遙遠(yuǎn)，太陽(yáng)光以近乎平行的角度照射地表，所以人工太陽(yáng)光源需要產(chǎn)生接近太陽(yáng)照射的平行光，一般是選擇一個(gè)或多個(gè)接近點(diǎn)光源的人工光源，再加上一個(gè)或一組光學(xué)鏡片所構(gòu)成的鏡頭系統(tǒng)，將該點(diǎn)光源或個(gè)別點(diǎn)光源置于該鏡頭系統(tǒng)或個(gè)別鏡頭系統(tǒng)的焦點(diǎn)上時(shí)，該點(diǎn)光源或個(gè)別點(diǎn)光源所發(fā)出光線在通過該鏡頭系統(tǒng)或個(gè)別鏡頭系統(tǒng)時(shí)即可成
3為或組合成為接近平行光的光束。如圖1所示，將一白熾燈源10置于一大型拋物反射鏡20內(nèi)，形成如探照燈的結(jié)構(gòu)。該拋物反射鏡20內(nèi)表面為一拋物面，白熾燈源10置于拋物反射鏡20拋物面的焦點(diǎn)上，使白熾燈源10發(fā)出的光線經(jīng)拋物鏡面反射后形成平行光束，來作為量測(cè)聚光鏡集光效率的人工太陽(yáng)光源；但是部分未經(jīng)過拋物面反射的光線不是平行光(如光線10'與光線 10")，此時(shí)需要增加待測(cè)聚光鏡3與拋物反射鏡20的間距，使過大角度的光線(如光線 10')不致照射至待測(cè)聚光鏡3上，并保留小角度的光線(如光線10")。如圖2所示另一種方式為使用雷射光源11，利用小正透鏡組12先將雷射光聚焦， 后端再放置一中間開有針孔13的金屬片，以形成接近完美的點(diǎn)光源。金屬片后端放置一準(zhǔn)直正透鏡21，并使準(zhǔn)直正透鏡21的焦點(diǎn)位于前述金屬片的針孔13處，則通過針孔13的光線在經(jīng)過準(zhǔn)直正透鏡21后即可偏折為平行于準(zhǔn)直正透鏡21光軸的平行光束。上述兩種代表性的架構(gòu)均可作為人工太陽(yáng)光源，但是為配合量測(cè)大口徑的待測(cè)聚光鏡3，必須使用更大口徑的光學(xué)鏡片以產(chǎn)出可照明全部聚光鏡的平行光束，如圖1中的拋物反射鏡20與圖2中的準(zhǔn)直正透鏡21 ；而且為了產(chǎn)生良好的平行光束，所使用大口徑光學(xué)鏡片的像差必須很小，由此增加了取得大口徑的光學(xué)鏡片與檢測(cè)架設(shè)上的困難度。此外，上述架構(gòu)所產(chǎn)出的平行光束來自點(diǎn)光源，經(jīng)光學(xué)鏡片偏折或反射后所構(gòu)成。 假設(shè)點(diǎn)光源在各方向角發(fā)出相同強(qiáng)度的光線，可推斷在入射產(chǎn)生平行光束的光學(xué)鏡片前， 垂直入射光線的單位面積上所投射光能量密度是相同的；光線經(jīng)過光學(xué)鏡片的偏折或反射后成為平行光束，原先垂直入射光學(xué)鏡片的各單位面積在經(jīng)過光學(xué)鏡片不同區(qū)域的偏折或反射時(shí)，會(huì)投影成為不相等的面積，在入射時(shí)單位面積內(nèi)光線能量相同的情況下，由于出射面積不同，使得出射光學(xué)鏡片的各區(qū)域光線能量密度將不會(huì)相同。簡(jiǎn)言之，即使用各方向角放射能量相同的點(diǎn)光源，經(jīng)光學(xué)鏡片產(chǎn)生平行光束時(shí)，平行光束中各部分的光能量分布是不均勻的，也就是照射待測(cè)聚光鏡的平行光束能量分布是不均勻的，這與均勻照射的實(shí)際太陽(yáng)光有很大的差異，造成使用上述檢測(cè)架構(gòu)所量測(cè)的聚光鏡集光效率與使用真實(shí)太陽(yáng)光時(shí)有很大的差距。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)的不足提供一種更接近于實(shí)際太陽(yáng)光照射檢測(cè)的聚光鏡集光效率的檢測(cè)裝置及方法，即在檢測(cè)時(shí)，射入待測(cè)聚光鏡的平行光束的發(fā)光面和平行光束中各部分的光能量分布均勻。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種聚光鏡集光效率的檢測(cè)裝置，包括一黑箱、一平面光源、一聚光鏡及一光傳感器。黑箱相對(duì)兩端均設(shè)有一開口，平面光源置于其中一開口處，聚光鏡可活動(dòng)地裝設(shè)于另一開口處，光傳感器可活動(dòng)地分別裝設(shè)于聚光鏡處及聚光鏡焦點(diǎn)處，以用于記錄平面光源于聚光鏡處及聚光鏡焦點(diǎn)處的照射能量。根據(jù)上述構(gòu)思的聚光鏡集光效率的檢測(cè)裝置，所述平面光源與待測(cè)聚光鏡中心同軸，黑箱內(nèi)部涂黑或者設(shè)置擋板。根據(jù)上述構(gòu)思的聚光鏡集光效率的檢測(cè)裝置，所述黑箱兩開口之間相距距離不小于19. 1倍的待測(cè)聚光鏡的口徑與平面光源孔徑的和。根據(jù)上述構(gòu)思的聚光鏡集光效率的檢測(cè)裝置，所述平面光源采用多色LED構(gòu)成的背光源。根據(jù)上述構(gòu)思的聚光鏡集光效率的檢測(cè)裝置，還包括用以校正平面光源的輸出光能量變化的參考光傳感器。根據(jù)上述構(gòu)思的聚光鏡集光效率的檢測(cè)裝置，所述參考光傳感器設(shè)置于黑箱開口端之外的平面光源表面上。根據(jù)上述構(gòu)思的聚光鏡集光效率的檢測(cè)裝置，所述參考光傳感器設(shè)置于黑箱內(nèi)不阻擋平面光源光線的位置。根據(jù)上述構(gòu)思的聚光鏡集光效率的檢測(cè)裝置，所述黑箱內(nèi)不遮擋平面光源光線處設(shè)置一反射鏡，并于黑箱對(duì)應(yīng)反射鏡位置處開設(shè)一開孔，所述參考光傳感器設(shè)置于黑箱外對(duì)應(yīng)開孔處。根據(jù)上述構(gòu)思的聚光鏡集光效率的檢測(cè)裝置，其還包括用來轉(zhuǎn)折引導(dǎo)由平面光源照射待測(cè)聚光鏡的光線至聚光鏡的單片或數(shù)片反射鏡，所述反射鏡設(shè)置于黑箱內(nèi)的平面光源和待測(cè)聚光鏡之間。本發(fā)明還提供一種聚光鏡集光效率的檢測(cè)方法，該方法包括如下步驟首先，將一穩(wěn)定且發(fā)光均勻的平面光源置于黑箱的一開口處，將一待測(cè)聚光鏡置于黑箱的另一開口處；其次，將一光傳感器先后置于待測(cè)聚光鏡的焦點(diǎn)處及待測(cè)聚光鏡位置處；再者，記錄光傳感器測(cè)量的待測(cè)聚光鏡收集到的入射光的能量及平面光源于待測(cè)聚光鏡位置處的照射能量；接著，測(cè)量待測(cè)聚光鏡的收光面積和光傳感器的感光面積；最后，計(jì)算出待測(cè)聚光鏡的集光效率=待測(cè)聚光鏡收集到的入射光的能量/(平面光源于待測(cè)聚光鏡位置處的照射能量X待測(cè)聚光鏡的收光面積/光傳感器的感光面積)。如上所述，本發(fā)明聚光鏡集光效率的檢測(cè)方法使用平面光源來模擬太陽(yáng)平行光束，平面光源所產(chǎn)生的平行光束的能量穩(wěn)定且分布均勻。且以控制待測(cè)聚光鏡與平面光源的距離及平面光源的照明孔徑來限制照射待測(cè)聚光鏡的光線角度，由此用較小口徑的光學(xué)鏡片或光學(xué)系統(tǒng)，應(yīng)用一平面光源，即可產(chǎn)出一穩(wěn)定、均勻且符合小角度要求的平行光束對(duì)聚光鏡進(jìn)行集光效率的檢測(cè)，在穩(wěn)定度及建置成本上均遠(yuǎn)優(yōu)于現(xiàn)有技術(shù)。


圖1為現(xiàn)有技術(shù)中使用白熾燈作為平行光源加上拋物反射鏡的檢測(cè)架構(gòu)示意圖。圖2為現(xiàn)有技術(shù)中使用雷射作為平行光源加上準(zhǔn)直正透鏡的檢測(cè)架構(gòu)示意圖。圖3A及圖IBB為本發(fā)明聚光鏡集光效率檢測(cè)方法的量測(cè)架構(gòu)示意圖。圖4為本發(fā)明聚光鏡集光效率檢測(cè)方法中聚光鏡在不同照明光源孔徑及照明光源距離下，聚光鏡在沿半徑上各處所接收入射光線的最大角度。圖5為本發(fā)明聚光鏡集光效率檢測(cè)方法中使用理想朗伯(Lambertian)光源的任意點(diǎn)上的光線與法線夾角的角度在0度到10度間的相對(duì)發(fā)光強(qiáng)度的變化。圖6和圖7為本發(fā)明聚光鏡集光效率的檢測(cè)方法的一種實(shí)施例。圖8為本發(fā)明聚光鏡集光效率的檢測(cè)方法的另一種實(shí)施例。
圖中各附圖標(biāo)記說明如下 聚光鏡30、31、32 平面光源 40 傳感器50黑箱 60參考光傳感器70 反射鏡 80開孔90
具體實(shí)施例方式為詳細(xì)說明本發(fā)明的技術(shù)內(nèi)容、構(gòu)造特征、所實(shí)現(xiàn)目的及效果，以下結(jié)合實(shí)施方式并配合附圖詳予說明。請(qǐng)參閱圖3A及圖3B，本發(fā)明聚光鏡集光效率的檢測(cè)方法中所模擬的人工太陽(yáng)光源的平行光束由穩(wěn)定且發(fā)光均勻的平面光源40提供。為了形成平行光束以檢測(cè)待測(cè)聚光鏡30，需要控制平面光源40與待測(cè)聚光鏡30的距離以及平面光源40的開孔口徑。如圖3A所示，在平面光源40表面所發(fā)出的均勻光線有很大的分布角度，但當(dāng)增加平面光源40與待測(cè)聚光鏡30的距離(L)時(shí)，平面光源40所發(fā)出的光線中，僅有特定小角度的光線可以到達(dá)待測(cè)聚光鏡30，待測(cè)聚光鏡30再將所接收的光線會(huì)聚至后方焦點(diǎn)處的光傳感器50上，即可量測(cè)待測(cè)聚光鏡30所能收集的能量(Ec)。如圖;3B所示，取下待測(cè)聚光鏡30，再將相同的光傳感器50置于待測(cè)聚光鏡30的位置，則可量測(cè)平面光源40于待測(cè)聚光鏡30的位置處的照射能量(Esor)，再量測(cè)光傳感器 50的感光面積(A)和待測(cè)聚光鏡的收光面積(Ac)，即可計(jì)算該待測(cè)聚光鏡的集光效率η =(Ec/Esor χ A/Ac)。在本發(fā)明中使用平面光源40，且平面光源40與待測(cè)聚光鏡30中心同軸的架構(gòu)下， 以待測(cè)聚光鏡30上任一點(diǎn)a為例，該點(diǎn)a所能接收的光線，必定限制于該點(diǎn)a與平面光源 40最寬兩端點(diǎn)(如圖3中的M點(diǎn)與Sb點(diǎn))之聯(lián)機(jī)區(qū)域內(nèi)(三角形aSaSb區(qū)域)，該點(diǎn)a 在待測(cè)聚光鏡30之中心時(shí)，所接收的最大角度為
權(quán)利要求
1.一種聚光鏡集光效率的檢測(cè)裝置，其特征在于，包括一相對(duì)兩端皆設(shè)有一開口的黑箱、一平面光源、一待測(cè)聚光鏡及一光傳感器，平面光源置于其中一開口處；待測(cè)聚光鏡可活動(dòng)地裝設(shè)于另一開口處，光傳感器可活動(dòng)地分別裝設(shè)于待測(cè)聚光鏡處及待測(cè)聚光鏡焦點(diǎn)處，以記錄平面光源于待測(cè)聚光鏡處及待測(cè)聚光鏡焦點(diǎn)處的照射能量。
2.如權(quán)利要求1所述的聚光鏡集光效率的檢測(cè)裝置，其特征在于所述平面光源與待測(cè)聚光鏡中心同軸，黑箱內(nèi)部涂黑或者設(shè)置擋板。
3.如權(quán)利要求1所述的聚光鏡集光效率的檢測(cè)裝置，其特征在于所述黑箱兩開口之間相距距離不小于19. 1倍的待測(cè)聚光鏡的口徑與平面光源孔徑的和。
4.如權(quán)利要求1所述的聚光鏡集光效率的檢測(cè)裝置，其特征在于所述平面光源采用多色LED構(gòu)成的背光源。
5.如權(quán)利要求1所述的聚光鏡集光效率的檢測(cè)裝置，其特征在于還包括用以校正平面光源的輸出光能量變化的參考光傳感器。
6.如權(quán)利要求5所述的聚光鏡集光效率的檢測(cè)裝置，其特征在于所述參考光傳感器設(shè)置于黑箱開口端之外的平面光源表面上。
7.如權(quán)利要求5所述的聚光鏡集光效率的檢測(cè)裝置，其特征在于所述參考光傳感器設(shè)置于黑箱內(nèi)不阻擋平面光源光線的位置。
8.如權(quán)利要求5所述的聚光鏡集光效率的檢測(cè)裝置，其特征在于所述黑箱內(nèi)不遮擋平面光源光線處設(shè)置一反射鏡，并于黑箱對(duì)應(yīng)反射鏡位置處開設(shè)一開孔，所述參考光傳感器設(shè)置于黑箱外對(duì)應(yīng)開孔處。
9.如權(quán)利要求1所述的聚光鏡集光效率的檢測(cè)裝置，其特征在于其還包括用來轉(zhuǎn)折引導(dǎo)由平面光源照射待測(cè)聚光鏡的光線至聚光鏡的單片或數(shù)片反射鏡，所述反射鏡設(shè)置于黑箱內(nèi)的平面光源和待測(cè)聚光鏡之間。
10.一種聚光鏡集光效率的檢測(cè)方法，其特征在于，包括如下步驟首先，將一穩(wěn)定且發(fā)光均勻的平面光源置于黑箱的一開口處，將一待測(cè)聚光鏡置于黑箱的另一開口處；其次，將一光傳感器先后置于待測(cè)聚光鏡的焦點(diǎn)處及待測(cè)聚光鏡位置處；再者，記錄光傳感器測(cè)量的待測(cè)聚光鏡收集到的入射光的能量及平面光源于待測(cè)聚光鏡位置處的照射能量；接著，測(cè)量待測(cè)聚光鏡的收光面積和光傳感器的感光面積；最后，計(jì)算出待測(cè)聚光鏡的集光效率=待測(cè)聚光鏡收集到的入射光的能量/(平面光源于待測(cè)聚光鏡位置處的照射能量X待測(cè)聚光鏡的收光面積/光傳感器的感光面積)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種聚光鏡集光效率的檢測(cè)裝置及方法，其方法包括如下步驟首先，將一穩(wěn)定且發(fā)光均勻的平面光源置于一黑箱的一開口處，將一待測(cè)聚光鏡置于黑箱的另一開口處；其次，將一光傳感器先后置于待測(cè)聚光鏡的焦點(diǎn)處及待測(cè)聚光鏡位置處；再者，記錄光傳感器測(cè)量的待測(cè)聚光鏡所收集到的入射光的能量及平面光源于待測(cè)聚光鏡位置處的照射能量；接著，測(cè)量待測(cè)聚光鏡的收光面積和光傳感器的感光面積；最后，計(jì)算出待測(cè)聚光鏡的集光效率為待測(cè)聚光鏡收集到的入射光的能量與平面光源于待測(cè)聚光鏡位置處的照射能量的比值再乘上光傳感器的感光面積與待測(cè)聚光鏡的收光面積的比值。如此，經(jīng)由本發(fā)明聚光鏡集光效率的檢測(cè)裝置及方法，可檢測(cè)到更穩(wěn)定且更接近于實(shí)際太陽(yáng)光照射時(shí)聚光鏡的集光效率。
文檔編號(hào)F21V13/00GK102156038SQ20101012179
公開日2011年8月17日 申請(qǐng)日期2010年2月11日 優(yōu)先權(quán)日2010年2月11日
發(fā)明者徐永明, 李遠(yuǎn)林, 沈偉 申請(qǐng)人:光燿科技股份有限公司