CN101561553A - 太阳光点聚焦后转变为任意方向高密度传输的平行光*** - Google Patents

Abstract

太阳光点聚焦后转变为任意方向高密度传输的平行光***：目前太阳能的利用主要是通过聚集阳光和直接聚集热量两种方式和利用太阳能电池板转为电能来实现。太阳灶技术是聚集太阳光的典型技术案例。但其功率低下，且只能在其焦点附近工作限制了太阳能的利用和通过聚光方式利用太阳能事业的发展。如果把太阳灶技术中焦点处的阳光转移到室内的某一点，就可以在室内烧水做饭，如果重复这个过程，将其它地方的阳光再转移到这一点，功率就会加倍直至无限加倍。因此“太阳灶”焦点处的光线转移成为关键。二分之一旋转抛物面(即凹面转光头)解决了焦点处的阳光转移的初步问题，它把焦点处的阳光转变为聚集之后的平行线光束。且这平行光束可以与主轴平行且可以任意改变方向。再后利用平面镜反射到任何一点。通过这种聚光方式聚集了高能量，最终实现太阳能发电。

Description

太阳光点聚焦后转变为任意方向高密度传输的平行光***

技术领域：

太阳能，能源，能量转化

背景技术：

目前世界上太阳能的利用主要以采用太阳能电池板为主。因为其价格昂贵且转化率低下所以发展缓慢。而太阳灶技术因为其技术含量不高在它50多年的发展历史中也是步履艰难。本发明则巧妙地利用太阳灶的原始聚光技术，将太阳灶的聚光焦点转移到室内的任何一个位置，不仅能在室内开灶且功率几倍几十倍提升，能充分利用太阳能烧水，取暖，制冷，发电。不用电池板将太阳能转化为电能，开创将太阳能转为热能、热能转为机械能、机械能转为电能的先河。而所用技术则是旋转抛物面的聚光原理和镜面反射原理。

发明内容：

设想：将目前市面上的太阳灶(以下称聚光旋转抛物镜)用支架固定于城市楼房的楼顶(如图1图2)。在抛物镜的焦点处(即阳光汇集处)安装一个光线转化头(本发明称作2分之一抛物镜凹面转光头，简称凹面转光头)，将由镜面聚集的通过焦点的射向四面八方的光线聚集成直径小于2厘米平行线光束，在短距离内，通过90度平行光转光头转向楼下，到达适合的位置再用90度平行光转光头将光束转向室内，在室内合适的位置再用90度转光头将光束掉头向上，此光束就是室内太阳灶的雏形。此功率因经过多次反射和在空气中传播了一段距离，能量有所消耗，因此要求反光头的反射率要达到95％以上，理想是99％以上。目前的技术能够达到这一点。在空气中远距离传输，要消耗光能量，因此可用真空反光管取代光在空气中的传输。那么怎样提高这种室内“太阳灶”的功率呢？原理很简单，我们重新返回城市楼房的楼顶，安置3-5个同功率的聚光旋转抛物镜(即传统的太阳灶)，每一个经抛物镜转光头转成平行光后分别聚向“集光器”，有集光器聚集且转光90度(垂直转向楼下即可)，然后光线在真空反光管中传输，达到居民家中，此时的功率已达到3000瓦-5000瓦的功率。根据需要可随时调节聚光面积。从而调整聚光后的功率。

因为功率的提高，这种“太阳灶”就可以做任何炊事。其余时间则将光线通入吸光性能较好的热水箱内，可将水烧开，可饮用、洗澡、取暖、制冷，这样可完全代替目前流行的太阳能真空集热管热水器，完成“太阳灶”事业由农村向城市的转变。

这是发明的第一步，在此基础上，就有了以下的内容：

热水箱(或称太阳能锅炉)：内置吸光性能较好的多层多面(面要粗糙)由合金制成的光吸收管或内空的板，光由下开口处向上射入，从多种角度反射、散射到管状物内腔，以期达到光的充分和快速吸收。

将这种所述热水箱安置固定于墙壁上，因其有烧水的功能，所以称“壁挂式锅炉”。

太阳能高压蒸汽锅炉：

设计锅炉为多层多壁式，即增加锅炉壁的层数，每层之间有足够大的空隙(类似箱子套箱子模式)，每层都能承受5个气压以上(承受压力能力越大越好)，层与层之间有压力阀门，最外层再加一层真空层，且内壁以镜面做反射层，以期保温。锅炉最内部的蒸汽冲破压力阀门后在它的下一层(即平衡层)内积聚。平衡层内部的压力不断升高，达到一定压力后蒸汽冲破平衡层的压力阀门再冲向下一个平衡层且在层内积聚，依次类催，因为层与层之间都有“平衡层”来平衡内一层的高压，所以当第五层达到5个气压时，最内层已达到25个气压，并且温度很高。这也就是分箱分层式压力保温容器，也就是我们要求的太阳能高压蒸汽锅炉。因为它有了保温性能，因此可称为太阳能储存***。

太阳能发电机：

以上所述，当太阳能的能量在高压锅炉中各个层内积聚。需要发电时，逐级打开外一层的阀门，因为每一层之间都存在压力差，使内一层蒸汽快速向外层喷射，喷口处安装旋转涡轮，这样喷射的气体就能推动涡轮旋转，涡轮旋转带动磁极旋转，此时值一导线于磁场内部，导线就有电压功率输出。这就是太阳能发电机的雏形。蒸汽在箱与箱之间喷射，能提高能量转化率和循环使用次数。

附图说明

图1、图2都是聚光旋转抛物镜在楼顶的分布图。A，B，C，是聚光旋转抛物镜，O1，O2，O3分别是交点处的凹面转光头(其直径小于2厘米)E为集光器，F处为真空反光管G处为90度转光头，H处设有90度转光头及上面开口处设有炉灶。图1图2分别代表楼顶两种聚光旋转抛物镜的分布图，其相对应的集光器有所区别。

图3。是集光器，有三块平面镜以一定角度(120度)组合而成。

图4。是90度转光头平面切图。内置平面镜面与垂直方向成45度角。

图5。是真空反光管，管内壁涂有高反射率的反光材料。管壁为合金材料。两口均为平面薄透镜。

图6为聚光旋转抛物镜和凹面转光头(二分之一旋转抛物面)平面示意图。凹面转光头约为实际尺寸大小，它下面的聚光旋转抛物镜的比例则是缩小了10倍。F处是两个旋转抛物面的焦点(焦点重合)。

图7。为聚光旋转抛物镜和凸面转光头平面示意图。凸面转光头约为实际尺寸大小，它下面的聚光旋转抛物镜的比例则是缩小了10倍。F处是两个旋转抛物面的焦点(焦点重合)。

具体实施方式

本发明的关键之处是将聚集的太阳光“引领”到我们需要的地方。第一步最为关键是把“太阳灶”焦点处阳光变为平行光。平行光则可以用平面镜反射改变光行路径。

已知旋转抛物镜面的特点：平行于旋转抛物面对称轴的平行光线经镜面反射后聚集于一点。即焦点。反之，经过焦点的光线经旋转抛物面反射后变为平行于轴的平行光线。原始的太阳灶用的是前者，而我们主要强调后者。前者把阳光聚集于一点，而后者则重新把光线变为平行光。所以“凹面转光头”也是旋转抛物镜面。只是它与聚光旋转抛物面的尺寸、曲线方程不一样，但一定要两个旋转抛物面的焦点在实际应用部位重合。举例说明：设计聚光面积2平方米，直径1.6米，焦点到原点的距离1米的聚光抛物镜，则用数学方法求得它的曲线方程为“X的平方等于4Y”(图6)，如果设计它上面的凹面转光头转光之后的光束直径小于2厘米，焦点到原点的距离0.5厘米，则用数学方法求得凹面转光头曲线方程为：“X的平方等于2Y”(附图图6显示)。如果设计光束直径更小，则凹面转光头及聚光抛物镜的精度要求更高。经凹面转光头转化成的平行光可以经平面镜反射到任何一个地方。也可以将此平行光作为光源被其他聚光旋转抛物镜和平面镜重新聚集。

聚光旋转抛物镜：抛物线旋转180度得到的凹面做成镜面，即传统的“太阳灶”中“聚光锅”

凹面转光头：也称二分之一旋转抛物镜，有抛物线旋转90度得到外形，凹面做成镜面。

集光器：将一块边长等于6厘米合金片弯成120度角的大小等同的3个长方形块，上面镀上反光材料或贴上反光膜，使反光率达到99％以上。背面焊一支架。能跟踪太阳同步旋转。(图3)

真空反光管接收由集光器反射而来的光束，将光线传播至要求位置。(简易处理时真空管可省略)。

90度转光头将光束送入室内。它用反光率(达到99％以上)极高的平面镜与垂直方向成45度角。

光束通入吸光的，保温的、耐高压的热水箱，当水箱内因温度升高达到几个大气压时，打开压力阀门吹动涡轮旋转，带动磁极旋转，其内导线则有电流输出，此也就是简易的太阳能发电机，前面已有介绍。

以上所述的关键是在聚光旋转抛物镜面的焦点之外安装了凹面转光头，得以将焦点处的光线转为平行光束。事实上还有另一种转光头，就是旋转抛物镜凸面转光头，它与凹面转光头的安装位置不一样，凹面转光头安装于聚光抛物镜的焦点之外，凹面转光头则安装在焦点之内(图7)。利用它的凸面(把凸面做成镜面安装在聚光旋转抛物镜焦点与原点之间)反射由聚光抛物镜反射而来的光线，也使两个抛物镜的焦点重合，在太阳光线平行于对称轴的前提下，则它的反射光束恰好是聚光旋转抛物面的对称轴。在其原点处挖一小孔则光束透出。接下来接一真空反光管，通过一个自由度转光器，使光束与地面平行，将光束送至所需位置。

凸面转光头：旋转抛物面的凸面镀有反光层，安装在聚光旋转抛物镜焦点至原点之间。(图7)

自由度转光头：用螺旋支架固定一平面镜面，调节螺栓高度，使镜面与水平角度成0-90度角(一般45度角内就够用)

不管什么方式，实际应用中根据用户所在地的纬度和时间调整聚光抛物面对称轴与太阳光的平行关系，如果是偏轴聚焦计算会更复杂一些。但必须保证聚光旋转抛物镜、转光头、和集光器三者与太阳的同步旋转关系。可设计一集成芯片来控制。

Claims (10)

1，凹面转光头(二分之一旋转抛物面转光头或小于或稍大于二分之一旋转抛物面转光头)目前太阳能的利用主要是通过聚集阳光和聚集热量两种方式以及通过物理材料转为电能(利用太阳能电池板)来实现。太阳灶利用抛物面的聚光原理将光线聚集于一点用于烧水做饭，是聚集阳光的典型案例。但其功率底下，且只能在其焦点附近工作限制了太阳能的利用和通过聚光方式利用太阳能事业的发展。太阳灶发明五十多年来一直发展缓慢充分证明了这一点。而本人另辟蹊径通过对聚光焦点的转移，则能够实现太阳光能量聚集的最大化，由于理论上可以无限提高其聚集的太阳光功率，致使太阳能“无所不能”。而实现太阳能“无所不能”的关键是利用反射原理制成的转光头，使光束(或光线)转移到任何一个地方。

2，凸面转光头。

3，自由度转光头。

4，90度转光头。

5，集光器。

6，真空反光管。

7，太阳能室内锅炉及分层分箱式高压保温锅炉(或称高压保温热水箱热水器等)。

8，太阳能发电机。

9，太阳能能量储存***。

10，室内太阳灶。

Images