一种太阳能全光谱有效能转换设备

本发明设备涉及太阳能聚集，光导入，分光。更具体地，涉及一种从太阳能的聚集、运输、分光到检测与全光谱利用的全链条技术的太阳能全光谱有效能转换设备。

背景技术：

1、我们从原油开采中得到的启发，把原油经过提炼加工，可以把它分化成汽油、煤油、柴油、润滑油等等，这些产品能应用在汽车上各种颜色的涂料，航母上的燃料，以及我们生活中的很多方面，比如我们日常使用的机油、肥皂液等等。每一滴原油都蕴含着无限的可能，这种层层提炼的过程让原油每一部分都得到了的充分利用，成为了现代工业的血脉，融入到日常每个人的生活中。为此我们得到启发，思考到如果太阳能全光谱的光能每一部分分别分离出来，是否也可以得到高效的运用。

2、我们了解到太阳光数以万计的吸收线和发射线，是一个极为丰富的太阳信息宝藏。太阳光中99.9％的能量集中在红外区、可见光区和紫外区。但当今对于太阳光的利用大多仅聚焦于太阳能可见光发电方面，根据从原油的分离提炼过程中得到的启发，我们认为目前对于太阳光的利用不够充分，如果能像原油开采一样，使太阳能每一部分物尽其用，太阳能这一绿色新能源将得到最大化利用。

技术实现思路

1、为实现上述目标，我们发明一种能实现太阳能聚集、运输、分光与利用全链条的太阳能全光谱有效能转换设备。

2、本技术发明一种太阳能全光谱有效能转换设备，主要包括太阳光聚集装置、运输装置，分光装置，检测和利用装置四大部分。首先使用新型槽式太阳能聚集装置对太阳光进行追踪聚集，将光线通过槽式太阳能的反光镜反射进入导光管，尽可能多地获得我们太阳能全光谱有限能转换设备的“原料”；接着运输装置部分导光管通过水平光导技术将光线方向由纵向运输变为横向运输，以便采集和运输，同时使用tir透镜对光线进行准直处理，接着光线再通过菲涅尔透镜实现聚焦效果，便可将汇聚在一点的光线导入光纤束进行运输；运输装置将太阳光运输至分光装置后便可以进行太阳光的分光，分光装置由三个分光器组成,分光器中主要器件依次是psb红外分光板、psb紫外分光板、反光镜，逐级分出红外光部分、紫外光部分、可见光部分；最后再次通过运输装置将分出的光导入至检测装置中，使用theremino spectrometer软件检测合格后导入各波段光的利用装置中。其中各装置的主要描述如下。

3、聚集装置部分：

4、由于槽式反光镜将光线聚焦到其轴线上后，光线将保持其原方向，光线聚集点会线性排列，在这种情况下，如需对光线进行直接的采集利用，则要求采集设备呈线性排布，采集成本极大，为此我们考虑将光线转化为横向运输，以降低采集成本，使用新型槽式太阳能捕集装置解决这一问题。具体内容是将光线先通过槽式太阳能捕集器通过反光镜反射聚焦于水平导光管，该水平导光管内部装有单向玻璃与反光膜，使单向玻璃镜面朝向筒中心，在再单向玻璃上方的导光管内壁部分覆盖高反射涂层的反光膜，此时经过槽式太阳能捕集器聚焦的光线在水平导光管内可以有纵向扩散变为横向传输，同时可以不断叠加光强，形成高光强光线。

5、运输装置部分：

6、太阳辐射能作为一种难以储存、难以运输的能源，与传统能源相比，其无实物载体，且极易耗散，同时分布不均匀，这些特点对太阳光运输系统有着苛刻的要求。其中光导纤维具有良好的透光性，能够保证光学传输的效果，以实现光导纤维的长距离传光、传像，同时光导纤维束具有直径小、柔软的特点，所以选用光导纤维束作为长距离运输的载体。由于导光管出口端的光线杂乱无章，光线以这样的角度进入光导纤维中，难以保证光导纤维对光线的传输效率，我们所以需要将光线准直，再经聚焦后导入光导纤维中。在导光管出口端安装tir准直透镜，对于大发散角区域的光束，通过光线在透镜玻璃壁面上反射的方式进行准直优化；而对于小发散角区域光线，则采用类似于透镜透射的方式，利用光线在穿过透镜的折射进行准直处理。菲涅尔透镜安装在tir准直透镜的端口处，经过准直后的光束通过菲涅尔透镜达到聚焦效果，提高单位面积上的光照强度，提高光能利用效率。最后将聚焦成一点的光束导入光导纤维中，进行光线的长距离运输。可有效提高单位面积上的光照强度和光能利用率，并方便光导纤维低损耗高光强运输光能，同时在导光管内壁覆盖有高反射率涂层，尽可能的减少光线传输过程中可能会发生的吸收耗散，保障全光谱太阳能光线在光导纤维中的传输效率。

7、分光装置部分：

8、用聚光装置聚集后，通过tir透镜对光线进行准直处理，接着光线通过菲涅尔透镜可实现聚焦效果，最后将汇聚在一点的光线导入光导纤维，运输至分光装置进行太阳光的分光。分光装置内部由分光器、导光管、pbs红外分光板、pbs紫外分光板、反光镜搭建在太阳能分光盒内部而构成，分光盒内部使用与光纤内部相同的涂层材料，避免太阳能在不必要地方透射出去。分光装置也可划分为红外分光部分，紫外分光部分，可见光分光部分，每一个部分由上下两块三角形零件组成，称为一个分光器，用于固定pbs分光板或者反光镜，使其45°固定；上面的三角块内部导通入射光通道和反射光通道，下面的三角块内部导通透射光通道，上面和下面的三角零件使用螺栓螺母固定。不同分光器间的连接方式也使用螺栓螺母连接，所以以上三个分光器可连成一个完整的太阳能分光装置。同时，在光纤束入射口、总的透射口和各分光器的反射口处用带颈螺纹法兰与光纤连接。第一级、第二级在分光器上中倾斜固定有pbs紫外分光板和pbs红外分光板，从而分别实现对红外光与紫外光的分离，第三级在分光器中倾斜放置反光镜，分出的红外光、紫外光与可见光分别反射进对应的导光管中，达到分光的目的。

9、检测和利用装置：

10、太阳光进入竖直放置的导光管后逐级分光再从反射光通道进入光谱仪，光谱仪能够把原子所产生的辐射进行色散分光，按波长顺序记录在感光板上，呈现出有规则的光谱线条，即光谱图。之后借助于摄谱仪器的检测装置来鉴定入射光种类。基于thereminospectrometer软件，光谱仪及摄谱仪器分为光线接收装置、光栅、摄像头以及一台通信仪器，接收分光后的光线后投入摄像头，通过电子电路对光信号进行转换，采用usb通信接口传输至通信仪器，进行光谱分析后，应用theremino spectrometer对光谱进行可视化操作，与期望得到的光谱图像进行对比，对比不同光源的频谱特征，区分紫外光、可见光以及红外光，借此对分光后的效果进行检测。

11、同时在每一个水平放置的导光管的输出处安装一块菲涅尔透镜，光线接头放置在光线聚焦处，然后通过光导纤维束运输到各自对应的应用端，按照其特点与应用场景进行转化与利用，实现太阳能全光谱有效能精细化利用，提高太阳能利用效率。

12、本发明还包括这样一些特征：

13、1.新型槽式太阳能捕集装置与光运输装置由槽形抛物面聚光器、机架、跟踪系统、管式导光装置、光束准直结构和光导纤维传输装置构成。

14、2.管式导光装置由内壁覆盖有高反射率涂层的导光管和单向透视玻璃组成。

15、3.在管式导光装置中，单向玻璃放入导光管中，并且单向玻璃镜面朝向筒中心，改装后的导光管代替原槽式太阳能装置的集热管。

16、4.光束准直装置由tir透镜和菲涅尔透镜组成，对于tir透镜的折射自由曲面部分，选用单自由曲面构成的透镜结构。

17、5.在光导纤维束传输装置中，选用高折射率的石英芯子和低折射率的包层组成光导纤维束作为长距离运输的载体。

18、6.在光导纤维传输装置中，将光纤接头安置于菲涅尔透镜的光线焦点处，将光线导入光导纤维中，其后运输至分光装置。

19、7.分光装置由一个竖直放置和三个水平放置的导光管、pbs红外分光板、pbs紫外分光板、反光镜和菲涅尔透镜组成。

20、8.在分光装置中，在竖直放置的导光管内部第一层级处倾斜45°放置一块pbs红外分光板，能将红外光线反射、可见光和紫外光透射，红外光反射方向与一个水平放置的导光管相连。

21、9.在分光装置中，在竖直放置的导光管内部第二层级处倾斜45°放置一块pbs紫外分光板，能将紫外光线反射、可见光透射，紫外光反射方向与一个水平放置的导光管相连。

22、10.在分光装置中，在竖直放置的导光管内部第三层级处倾斜45°放置一块反光镜，剩余的可见光反射方向与一个水平放置的导光管相连。

23、11.在分光装置中，在每个水平放置的导光管输出端都安装一个菲涅尔透镜，其后将光导纤维的接口处放置在光聚焦点处，通过光导纤维将不同光线输送至全光谱应用装置。

24、全光谱应用装置分为可见光应用端、紫外光应用端和红外光应用端，可见光可应用照明、生物光合、光伏发电等，紫外光可应用于光固化、光刻等，红外光可应用于光热发电、加热、传感器等。

25、本发明的优势在于：

26、本发明从太阳能全光谱有效能转换装置的太阳能聚集、输送、分光、检测和利用问题出发，在导光管中增置单向玻璃，并且单向玻璃的镜面朝向筒中心，同时在导光管的输出口增设tir透镜和菲涅尔透镜结构。槽式太阳能抛物面将太阳光聚集到其轴线上后，光线透过加有单面玻璃原件的导光管后，将光汇聚成一簇光束，在经过tir透镜准直后提高单位面积上的光照强度，再经过菲涅尔透镜进行聚焦，最终使用光纤头接入，运输至分光装置，将太阳光分为红外光、紫外光和可见光。

27、设备中聚集装置与运输装置的主要优势体现在：1.选用水平导光装置，使光线方向由纵向扩散变为横向运输，约束光线传输途径，提高采集效率；2.当光线进入到tir准直透镜时，入射角较小的光线经透镜折射，径直穿过透镜，而入射角较大的光线进入到透镜中，首先会经内镜壁折射得到梳理整合，再由透镜外壁面反射，该装置有效地整合准直了水平导光管出口端光束；3.菲涅尔透镜可以有效聚焦光线，优化光线进入光导纤维的入射角，降低光传输损耗。

28、设备中分光装置与检测和利用装置的只要优势体现在：1.通过分光装置分出红外、紫外、可见三种波长不同的光，实现对太阳能的更充分利用；2.针对分出的波长不同的光，选择相应合理的应用场景，有效提高能量的转换效率；3.theremino spectrometer平台易于使用；4.分光装置盒可通过建模采用性价比较高的易得材料打造，通过内部涂涂层的方式避免透光，这降低了实验室和个人用户的实验成本，使更多人能够进行光谱分析研究。