[发明专利]聚光镜集光效率的检测装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及聚光镜技术领域，特别是涉及聚光镜集光效率的检测装置及方法。

背景技术

随着生活水平的进步与人口的增加，人类对能源的需求和耗用与日俱增，然而产生能源的方式，现今绝大部分来自燃烧石化原料的热能转换，如发电时所使用的燃煤、燃油，以及汽机车运动时使用的柴油、汽油，结果产出大量的二氧化碳。当人类活动所产生的二氧化碳超过自然界自清的能力时，逐渐增加在大气中的二氧化碳已然形成温室效应，进而导致地表的暖化，伴随出现的将是异常气候，及海平面上升等的环境变迁，形成对人类文明的重大威胁。因此，不产生二氧化碳的太阳能发电技术成为兼顾环境与生活的重要解决方案，其中的聚光型太阳能由于具备高光电转换效率、占地面积小的特点，是能提供太阳能大量发电的重要技术。

聚光镜为聚光型太阳能设备中关键性的组件之一，聚光镜的作用是将太阳能量集中并会聚到聚光型太阳能设备的吸热管或太阳能电池上，吸热管可将太阳能量吸收并加热吸热管中的物质，使其升温或相变为气体，成为具有推动发电机的能量；而太阳能电池则是直接利用材料的光电效应，将入射光能量转换为光电流输出。

良好的聚光镜可以提高太阳能量的收集效能，并缩小吸热管或是太阳能电池的面积，在维持相同的发电效能下，进一步降低发电设施建置与维护的成本。集光效率是反映聚光镜收集效能的重要参数。

聚光镜的工作方式为利用太阳光作为光源，让太阳光经由聚光镜的镜面反射或折射，将光线会聚于聚光镜的焦点上，在焦点处安置上述吸热管或太阳电池，即可使用最小面积的吸热管或太阳电池来吸收太阳光照射在大面积聚光镜的能量。聚光镜的集光效率检测，最直接的方式是将聚光镜置于太阳光下，在聚光镜的焦点处摆置光检测器，量测聚光镜所收集的光能量(Ec)；并使用光检测器直接置于太阳光下，量测同时间太阳光投射地表的光能量(Esun)，再量测光检测器的感光面积(A)与聚光镜之收光面积(Ac)，即可推算入射聚光镜的太阳光能量(E)＝(Esun x Ac/A)，此时，聚光镜的收集光能量(Ec)与入射聚光镜之太阳光能量(E)的比值即为该聚光镜之集光效率(η)＝(Ec/Esun x A/Ac)。

上述检测方法可以取得最接近太阳能发电时聚光镜的实际集光效率，但是太阳是变动的光源，所量测的结果与数值，会受到太阳光线的强弱或是太阳光线入射角度差异的影响，而云雾、空气中的颗粒等其它环境因素，也造成聚光镜的集光效率的检测发生变化过大或呈现不稳定状态，无法有效提供正确而稳定的数据作为分析衡量的依据。

有鉴于此，可设置一人工太阳光源取代太阳进行聚光镜集光效率的检测，考虑太阳距离地球相当遥远，太阳光以近乎平行的角度照射地表，所以人工太阳光源需要产生接近太阳照射的平行光，一般是选择一个或多个接近点光源的人工光源，再加上一个或一组光学镜片所构成的镜头系统，将该点光源或个别点光源置于该镜头系统或个别镜头系统的焦点上时，该点光源或个别点光源所发出光线在通过该镜头系统或个别镜头系统时即可成为或组合成为接近平行光的光束。

如图1所示，将一白炽灯源10置于一大型抛物反射镜20内，形成如探照灯的结构。该抛物反射镜20内表面为一抛物面，白炽灯源10置于抛物反射镜20抛物面的焦点上，使白炽灯源10发出的光线经抛物镜面反射后形成平行光束，来作为量测聚光镜集光效率的人工太阳光源；但是部分未经过抛物面反射的光线不是平行光(如光线10′与光线10″)，此时需要增加待测聚光镜3与抛物反射镜20的间距，使过大角度的光线(如光线10′)不致照射至待测聚光镜3上，并保留小角度的光线(如光线10″)。

如图2所示另一种方式为使用雷射光源11，利用小正透镜组12先将雷射光聚焦，后端再放置一中间开有针孔13的金属片，以形成接近完美的点光源。金属片后端放置一准直正透镜21，并使准直正透镜21的焦点位于前述金属片的针孔13处，则通过针孔13的光线在经过准直正透镜21后即可偏折为平行于准直正透镜21光轴的平行光束。

上述两种代表性的架构均可作为人工太阳光源，但是为配合量测大口径的待测聚光镜3，必须使用更大口径的光学镜片以产出可照明全部聚光镜的平行光束，如图1中的抛物反射镜20与图2中的准直正透镜21；而且为了产生良好的平行光束，所使用大口径光学镜片的像差必须很小，由此增加了取得大口径的光学镜片与检测架设上的困难度。