塑料透射式太阳能聚光器.pdf

本发明是一种塑料透射式太阳能聚光器，它具有效率高、成本低、热功率大、操作方便、使用范围广的特点。它包括由镜面区块分割法制成的塑料曲面聚光板拼接而成的球面或柱面菲涅耳透镜、支架、跟踪装置、热吸收装置组成。由该曲面聚光板构成的镜面对阳光一面全部是同直径的球面形或柱面形，对焦点一面全部是一系列同心环状的平面形或直线的平面形。聚光镜面安装在球冠面形支撑框架上，球面形框架固定在桁架上，桁架安装在聚光器纬向跟踪轴上，聚光器纬向跟踪轴通过U形支架安装在带有经向旋转轴的聚光器支架上，在桁架底端装有光能吸收装置及吸热介质，通过吸热介质导管连接到热能转换装置上。本发明不但适合家庭能源应用，也适合工业能源应用。

1.  塑料透射式太阳能聚光器，它由曲面聚光板、支架、跟踪装置和热能吸收装置组成。其特征在于：曲面聚光板(1)对阳光一面全部是同直径的球面形或柱面形，对焦点一面全部是一系列同心环状的平面形或直线的平面形，曲面聚光板(1)是由多块组合而成，安装在球面形支撑框架(2)上，球面形框架(2)固定在桁架(3)上，桁架(3)安装在聚光器纬向跟踪轴(4)上，聚光器纬向跟踪轴(4)通过U形支架(8)安装在经向跟踪轴(7)上，经向跟踪轴(7)安装在聚光器支架(9)和(10)，在桁架(3)底端装有光能吸收装置及吸热介质(12)，通过吸热介质导管(13)连接到热能转换装置(16)上。

2.  根据权利要求1所述的塑料透射式太阳能聚光器，其特征在于：由镜面区块分割法制成的曲面聚光板(1)为透明材料，主要指透明塑料。

3.  根据权利要求1所述的塑料透射式太阳能聚光器，其特征在于：桁架(3)为锥形桁架，桁架(3)与聚光器纬向跟踪轴(4)之间连有联接杆(5)。纬向跟踪轴(4)安装于带有轴承并附刹车装置的U形支架(8)上。

4.  根据权利要求1所述的塑料透射式太阳能聚光器，其特征在于：U形支架(8)下方装有经向跟踪轴(7)，经向跟踪轴(7)装在经向跟踪轴总成(10)上。

5.  根据权利要求1所述的塑料透射式太阳能聚光器，其特征在于：光能吸收装置(12)外套有保温套(11)。保温套(11)由保温材料和保温外壳组成。

6.  根据权利要求1所述的塑料透射式太阳能聚光器，其特征在于：热能转换装置(16)上装有安全阀(14)、报警器(15)和热液放出阀(17)。

塑料透射式太阳能聚光器
技术领域：
本发明涉及太阳能利用技术领域，确切地说它是一种塑料透射式太阳能聚光器。
背景技术：
能源是人类生活必不可少的物质，能源的种类很多，如：石油、煤碳、天然气、核能等。但是，石油、煤炭、天然气这类自然能源总有枯竭的那一天，核能虽然效率高，使用时间长，但需要巨额投资，一旦发生事故对人类的危害极大。太阳能是一种取之不尽、用之不竭的能源，并且环保无害，近年来受到各国科学家的重视。
人类利用太阳能已有久远的历史，如：燃烧植物、煤、石油、天然气等，那是间接利用太阳能。近代直接利用太阳能的技术有光电池、太阳能热水器、太阳灶、太阳能涡轮电站等。但由于太阳光的能量密度低，时间上的间歇性，储存困难等等重大问题没有得到有效的解决，人们大规模利用太阳能的形势尚未形成。其中主要原因是太阳能电池功率太小，成本太高，尚不能普及民用。近年太阳能热水器已得到长足的发展，技术日趋成熟，逐渐形成了相当规模的产业。但是，太阳能热水器的缺点是只能生产热水，不能生产沸水和蒸汽，其应用前途大打折扣，有不尽如人意的遗憾。太阳灶更是处于发展的低谷状态。70年代末，80年代初，国内外曾有过太阳灶热，人们作过大量的尝试实验，所报导的太阳灶多数为镜面反射式聚光器，其致命的弱点是接光面积小，产生的热量不能满足人们的日常需求。另外，太阳灶只能露天操作，风、砂、低温，使太阳灶的热效率更低。再次，太阳灶在下，光能吸收装置在上，蹬上爬下，操作极不方便，阳光跟踪问题也越突出。实际上，现有结构的太阳灶已被人们所否定。
80年代曾报导过平板透射式菲涅耳聚光器，没有像镜面反射聚光器那样大肆宣传，分析其原因，可能为当时的透光材料价格昂贵，平板菲氏聚光器刚度不够，易造成散射，结构复杂，操纵不便，以致没有更大的实质性的进展。中国专利号：96242005公开了一种名称为“室内多功能太阳灶”的实用新型专利，中国专利号：99228183公开了一种名称为“玻璃真空太阳集热管聚光器”的实用新型专利，它们的结构均是传统形式。专利99211497.7伞形透射式太阳能灶聚光原理也是菲涅耳棱镜折射原理，但其表述不清，其棱镜底面表述为与镜面轴线平行的柱面，而不是让所有折射线通过焦点的锥面，因而降低聚光效率至少7％以上，其结构在实施上存在困难，实用性尚须探索。
发明内容：
本发明的目的是提供一种透射式太阳能聚光器，用以提供大功率太阳能。它的聚光原理实质上是平板菲涅耳聚光器的一种改进。首先，它利用的是一系列棱镜折光原理。棱镜入射面与折射面夹角愈大，折射角愈大，在一个平面中，棱镜的夹角大小与其在平面中所处位置有关，原则是棱镜在平面中任意位置其折射的光线始终令其投射到该平面镜的焦点上。焦距也与棱镜夹角有关，平面中同一位置的棱镜的夹角愈大，焦距愈短。总之设计要求是以透光率高，操纵方便为要旨。其次，本发明透射式聚光器要点是利用了球面聚光原理。每一个棱镜其入射面为同一曲率的球面形或柱面形，其折射面为平面形，所折射的阳光将汇聚到被称为焦点的奇点上，可获得最大聚焦比值，这是传统平板菲涅耳聚光器所不能达到的聚焦指标。利用本发明聚光器，焦点温度超过千度，可用于切割、焊接、熔化各种金属，做各种科学实验。再次，本发明透射式聚光器之所以选择球面形或柱面形聚光结构是由于该结构具有最高的结构刚度，最省的原材料用量，使聚光线具有最小的散射，从而提高汇聚到焦点的阳光能量。第四，本发明聚光器所用透光材料不是传统的玻璃。而是用透明塑料代替，目前透明塑料品种越来越多，价格越来越低，这是时代的进步，也是本发明能够成功的物质基础。塑料价廉，易于加工成型，质轻，有韧性，易于粘接修复。一块透明塑料板置于模具中加热变形使其一面成为局部光洁的球面形(或柱面形)另一面模压成一系列同心环(或直线平面)，每个同心环均压成平面形，每个同心环与外球面构成一系列不同角度的棱镜，所有棱镜折射的阳光全部汇聚到该球面的焦点上，所设想的曲面聚光板即告完成。同样用注塑办法也能达到上述目的。一套模具可以模压出千万只透明塑料曲面聚光板。本发明聚光器所涉及的尺寸小到儿童玩具、教学器具，大到排球场、篮球场那样大的规模，甚至几十个塑料大棚似的装置串联、并联使用，形成名副其实的太阳能田。每一个大型聚光装置相当于一台小型锅炉。第五，本发明聚光器聚光镜面的加工采用了分割区块法，无论怎么样巨型的聚光镜面，其聚光原理是相同的，只有用分割区块法才能用普通机床廉价地生产大型或超大型聚光镜面。这是本发明另一理论基础。
本发明的具体结构如下：
参考附图1，它包括聚光镜面、支架、热能吸收装置、能量转换装置和跟踪装置。聚光镜面对阳光一面全部是同直径的球面形或柱面形，对焦点一面全部是一系列同心环状的平面形或直线的平面形，聚光镜面(1)是由多块组合而成，安装在球面形支撑框架(2)上，球面形框架(2)固定在桁架(3)上，桁架(3)安装在聚光器纬向跟踪轴(4)上，聚光器纬向跟踪轴(4)通过U形支架(8)安装在经向旋转轴(7)上，经向旋转轴(7)安装在聚光器支架(9)、(10)上，在桁架(3)底端装有光能吸收装置及吸热介质(12)，通过吸热介质导管(13)连接到热能转换装置(16)上。聚光镜面(1)为透明材料制成。桁架(3)与聚光器纬向跟踪轴(4)之间连有联接杆(5)。U形支架(8)下方装有经向跟踪轴(7)，经向跟踪轴(7)装在经向跟踪轴承总成(10)上。光能吸收装置(12)外表面装有保温套(11)。热能转换装置(16)上安装有安全阀(14)、报警器(15)和热液阀(17)。
本发明地优点是用途广泛：一台直径Φ3m-Φ5m的塑料透射式太阳能聚光器热功率在4-12kw之间，完全可以满足普通家庭用能源，如烧水、做饭、取暖、发电、制冷、干燥等等用途。另一优点是聚光器在上，光能吸收装置在下，可制成室内操作式，克服了镜面反射式太阳灶露天操作的弊端。无论是从功率上、造价上、操作上，反射式太阳灶均无法与本塑料透射式太阳能聚光器相比拟。太阳光能量密度低，这是客观事实，为了获得足够的太阳光能量，必须尽可能增大聚光器的接光面积，但是过大的面积将不利于模具制造，运输安装也不方便，针对此问题，本发明利用镜面区块分割法将聚光器镜面分解成若干部分，每一部分即被命名为曲面聚光板，将相关的曲面聚光板按设计要求依次拼接在钢制球面框架上，完成聚光镜面组装。钢制球面框架与置于焦点的光能吸收装置由金属桁杆相联结，构成相对固定的聚光一热吸收装置。该装置通过轴承或万向节与地面固定的支架相连接，使其方便地进行二维转动，用于跟踪太阳光。
为了科学有效地利用太阳能，除了具有大面积聚光装置外，还应有良好的光能吸收装置，精确的阳光跟踪装置，有效的热能转换装置和实用的能量储存装置。这些都是以曲面聚光板的设计为核心所涉及的内容。
关于光能吸收装置中的吸热部分本发明采用在吸热板上涂复耐高温的黑镍、碳化硅、黑色金属矿物微粉等黑体吸热材料。热量由光能吸收装置中导热管内的流体带走。
关于热能转换装置可采用二个途径，如：烧水，做饭，取暖用热，可采用传统的水作传热介质。如：炒菜、烘烤食品等可采用已发明的热管技术或热油传导技术。
关于能量储存装置最直接可行的办法是利用高温光能将煤或秸杆气化，转化成可燃煤气，以备夜间或阴雨天用热能。将来如能实现利用聚焦的高温光能将水光解制氢气和氧气，人类利用太阳能将进入一个新的时期。本发明提供了全新的大功率高温光源，为光解水准备了条件。
关于日光跟踪装置，成熟技术有多种，最为可行的是在光能吸收装置四周安装热传感器，阳光焦斑一旦偏离光能吸收装置而加热某一热传感器，该传感器启动液压装置，使聚光器偏转直至阳光焦斑重新对正光能吸收装置为止。这是一个动态平衡的过程。
本发明主要陈述太阳光的透射聚焦装置与跟踪装置。其它如光能吸收装置、热转换装置、储存装置可用常规技术实现。
附图说明：
图1为点焦塑料透射式太阳能聚光器结构图。
图2为理想的球冠面形塑料透射式“菲涅耳”聚光镜原理图。已标示聚光镜面被分成25部分，产生A、B、C三种曲面聚光板类型。特别指出：聚光镜面积越大，其形成的聚光板类型越多，直至方便于加工和生产。
图3为A类型(中心位置型)曲面聚光板，标示其有球面形的外表面与系列同心环的内平面组成的系列棱镜。
图4为B类型曲面聚光板，其形状为球面梯形，球面型外表面与系列阶梯弧型内平面组成系列棱镜，由里向外，每个棱镜夹角增加，宽度减小。
图5为C类型曲面聚光板。其形状为球面梯形，球面型外表面与系列阶梯弧形内平面组成系列棱镜。由里向外，每个棱镜夹角增加，宽度减小。
图6为支撑曲面聚光板的球面形金属框架。由矩形薄壁管弯制、焊接而成，管粗细被夸张画出。
图7为本发明聚光器的棱镜与“菲涅耳”棱镜对比图。
图8为由曲面聚光板拼接成的线焦式太阳能聚光器示意图。
以下结合实施例对本发明作进一步的描述：
图1代表本发明点焦式太阳能聚光器的详细结构图。，基本有5部分：(a)、聚光部分。(b)、阳光热吸收部分。(c)、热能转换使用部分。(d)、聚光器支撑部分。(e)、阳光跟踪部分。
(a).“聚光部分”：是本发明的核心内容。由图1中图号(1)、(2)组成，用透明塑料模压或注塑成型的球面形曲面聚光板(1)按设计要求固定在球面形金属框架(2)上，形成一个巨型的球面形菲涅耳聚光透镜。如此安排是由加工、生产、组装、运输方便决定的。因为一台聚光器若令家庭用户满意，必须要有足够的能量，能量不足，设计再精美，也要被用户所淘汰。一般家庭用能量热功率至少在2～10千瓦之间，地球表面的阳光能量密度低，据有关方面测量，每平方米的热功率有400～700瓦之间。现以平均值计算，2～10kw热功率的阳光接光面积，至少应在3.6～18m2之间，直径须在2～5m的圆面积。如此大的表面积，对塑料加工模具的要求既苛刻又困难、昂贵，运输不便，安装困难。解决的办法是将接光球面分解成若干部分，即镜面区块分割法。根据所设计聚光器接光面积大小，可分成不同部分，对于Φ3m-Φ5m直径的聚光器，按图2所示意方式加工。球冠形聚光面被分成25部分，中间为一较小尺寸的圆形聚光板。(即使如此变小，也得大型注塑机才能生产。)
参考图2中的A代号，在A的外缘拼接12块等面积的球面梯形曲面聚光板B，构成一环状球面，在B的外缘再拼接12块等面积的球面梯形曲面聚光板C，构成另一个环状球面。A、B、C，三种曲面聚光板拼接成一个完整的球冠面形聚光透镜，参考附图3、4、5，附图3代表A型板，附图4代表B型板，附图5代表C型板，附图3、4、5均比附图2放大1倍，为显示清晰，各组棱镜均比实际棱镜显著地夸大了。在Φ3m-Φ5m的透镜尺寸上其聚光板总厚度只有5-10毫米。所有25块曲面聚光板均被有序地固定在一个球面形金属框架(2)上，参考图附6。金属框架由矩形的钢材、铝材、塑钢材弯制、焊接而成。按尺寸先做3个圆圈，再做24个圆弧状短杆，按图联结焊牢，金属框架必须按设计要求加工，精细预制各构件，尤其是外球面不允许超出公差范围，预制的各曲面聚光板边缘要正好扣在框架上，先以粘胶粘牢各聚光板，尔后在矩形管焊接交叉处打孔、套丝扣，用带凸垫的螺丝固定好每一块聚光板，由此构成一个完整的巨型球冠面菲涅耳聚光透镜。对于更大尺寸的聚光透镜以此类推，可选用更多级数的曲面聚光板。
图2是一个理想的球冠面形菲涅耳聚光透镜示意图。透镜由一定厚度的塑料板模压或注塑制成。其外圆是一高精度、高光洁度的球冠面，透镜内表面是一系列同心环状的阶梯平面，每一个阶梯平面均与底平面平行，每一个阶梯高度一样，每一个阶梯平面外缘所处位置要求与球心距离相等，即要求阶梯平面的外缘到透镜外球面的距离(厚度)相等，以保证聚光板棱镜与棱镜之间联结有足够的机械强度。每一个同心环平面与透镜外球面及阶梯高度形成的“柱面”将构成一系列同心环状的棱镜，一个棱镜的末端即为另一个棱镜的首端，如此延伸开去，直至达到人们所要求的截光面积。每个棱镜所有光线将全部折射到称为焦点的奇点上。值得关注的是，为保证透镜具有最高的光能折射量，每个环形棱镜高度方向的底面不是通常意义上的“柱面”，而是一个圆台侧面，其延长面构成一个锥面，该锥面即是通过棱镜底面的阳光一次折射线所形成的锥面。离透镜中心愈远的棱镜其锥角愈大，棱镜夹角也愈大，可方便地用作图法示出。
关于本发明聚光器棱镜与传统菲涅耳棱镜的区别参考附图7。
图7中的图甲为传统意义上的菲涅耳透镜，0为透镜中心轴，由图中可看出，棱镜离中心轴愈远，其到焦点的锥角愈大，显然r₂＞r₁，棱镜夹角θ₂＞θ₁，要求每个棱镜的底面与底面处阳光一次折射线形成的锥面相重合。构成一个锥面，如图7中，乙中的α角代表该锥角的半角。mn板为固定所有棱镜的公共基板，否则棱镜将无法确定其位置，这在模压或注塑时按设计要求将其注塑成一个整体。单个棱镜环依次首尾相接将形成一个曲面聚光板。
图7中的图乙为本发明改进型菲涅耳聚光器原理图。同样r₂＞r₁，θ₂＞θ₁，α角代表该处棱镜底面阳光线二次折射后延长经过焦点时所形成锥角的半角，不同的是本发明聚光板外表面为球面形，通过棱镜的所有光线全部聚焦在称为焦点的奇点上，其焦点之小是其它菲氏聚光器无与伦比的，如图甲为一聚焦斑。该特点意味着本发明焦点可获得更高得多的温度，将有更为广阔的用途，如金属切割、焊接、熔化、干馏、提纯、光化学反应等等。
(b).“阳光热吸收部分”：是本发明的重要组成部分。由图号(11)、(12)、(13)组成。(12)是一只光能吸收容器，包括光热转换与热能储存介质等内涵，热能吸收容器被安置于聚光器的焦点上，对阳光一面可采用传统的绝热黑体吸收技术，如采用真空绝热、黑镍涂层吸热，将光能转变为热能。热能再传递给与黑镍涂层容器装置相接触的热吸收载体。根据热能使用目的不同，热吸收载体可分为几种情况。1种是用普通水作传热介质，如要烧沸水，做饭、取暖、产蒸汽，可以用水作传热介质；2种情况若要希望获炒菜、烘烤等中温目标可选用油类做传热介质，如蓖麻油做介质可获得300℃的温度。3种情况，若要希望获得更高的使用温度，可选用低温熔点的金属或盐类做传热介质，如KNO₃、NaNO₃的混合盐，储有吸热盐类的热载体可以转移至其它用热处。，用绝热技术可实现快速放热与缓慢放热达到人们用热目的。(11)为光能吸收装置的保温护套，其作用是尽量减小光热吸收装置的热传递损失。本发明采用发泡石棉泥或玻璃纤维作保温材料，保温材料外面是一金属护套，防止保温材料破碎、污染环境。(13)为传热载体导管，根据使用温度与压力不同，可选用不同的材料，如：用塑料管、橡胶管或金属管等。
(c).“热能转换使用部分”：也是本发明的关键部分。由图号(14)，(15)，(16)，(17)组成。(16)是吸热载体介质储存器，也叫热能转换容器。为安全、方便应用，在热能转换装置上安装了代号(14)，储热装置安全阀，当容器内压力超限时，起到安全保护作用。装置(15)，储热装置报警器，当温度超过使用温度时发出警报信号，以利人们正确使用。(17)热液放出阀。当热载体达到使用温度时，打开该阀可以方便地取出热液体，如热水或沸水或高温蒸汽。关于热能转换装置使用的理由如下：聚光器光能吸收装置必须安装在聚光器的焦点上，该焦点随阳光位置不断变化给使用热能带来不便。如烧水、做饭、炒菜就不能直接在光能吸收装置上直接操作。必须置于一个固定位置。通过传热管线将载热体引进热能转换装置里。热能转换装置可以有二种转换方法。一种是直接转换，即从传热管线输来的热水、沸水、蒸汽直接使用。一种叫间接转换，即从传热管线输来的载热体进入热能转换装置中设置的盘管内，由盘管加热转换器中的吸热载体，根据需要本发明太阳能装置，二种办法均可使用。
(d).“支撑部分”
图1中除以上叙述的三部分以外的部分都可归入支撑部分，包括图号(3)，(4)，(5)，(6)，(7)，(8)，(9)，(10)。众所周知，太阳能聚光器的特征是只有在聚焦点才能获高温热能，而太阳的轨迹永远是由东升起而西落，聚光镜面只有垂直面向阳光才能获得最大光热接受效率，所以光能吸收装置，必须安置于聚光器的焦点上，令其与聚光镜面处于相对固定的位置，且能随聚光镜面一起跟踪阳光旋转。本发明采用的措施是用中空的金属杆件焊接成一种桁架，如图1中的(3)所示，将聚光透镜与置于焦点的光能吸收装置联接起来，形成一种固定关系，因聚光透镜直径大，光能吸收装置直径小，这种固定关系就形成一种锥形的阳光聚焦装置。该装置在跟踪阳光旋转。锥形聚光器通过杆件代号(5)与纬向旋转轴代号(4)焊接牢固。(4)安装于U形支架上，可90度旋转，从而实现阳光纬向跟踪。U形支架又安装于经向旋转轴(7)上，经向旋转轴与经向旋转轴承总成(10)相连。经向旋转轴承总成通过螺丝杆与固定支架(9)相联结。固定支架(9)与地面可以活动摆放，也可通过地脚螺丝与地面固定安置，在风砂季节应采用固定设置为宜，为保证锥形聚光器有一个稳定的聚焦点，不至因风砂影响而使焦点晃动，经向旋转轴应尽量往加长方向考虑，其次经向旋转轴承(7)可设置经特殊设计的大直径钢珠止推轴承。轴与轴承之间用弹簧和螺母压紧使其不至横向摆动。同时，由于风砂的影响及热吸收装置内介质量的变化也将使锥形聚光器纬向失去平衡或产生纬向振动影响聚焦质量，本发明的措施是在纬向旋转轴与U形支架上安装一套刹车装置，参考图2中(6)。经向旋转跟踪同样也装有相应的刹车装置，聚光器不用时，可以刹紧该装置。在使用期间放松刹车，但仍然维持一定的刹车力，使其不能任意转动，但在跟踪信号的作用下，可以按要求方向旋转。
(e)“跟踪部分”：
前述的纬向旋转，经向旋转及刹车机构既属于支撑部分，又为聚光器的阳光跟踪功能准备了条件，本部分主要叙述自动跟踪问题。本发明聚光器自动跟踪功能实现可采用两种方法。方法1，对于中小型聚光器的跟踪技术要求，纬向旋转0～90度，经向旋转0～180度，该聚光器除可手动跟踪外，还可自动跟踪，即在光能吸收装置的上、下、左、右边缘各安装一只热传感器，左、右热传感器控制经向运动，上、下热传感器控制纬向运动。内装有易挥发液体，通过管线与控制纬向旋转与经向旋转的小型液压活塞相联，上午将聚光器对准升起的阳光，随太阳的升高，光线的焦斑将偏离焦点，使热传感器受热，液体挥发膨胀，推动活塞，使聚光器焦斑重新回归焦点位置。如此类推，聚光器将一直跟随至太阳落山。为控制活塞运动位置，在活塞进油管线上加装单向球阀，以止逆活塞回缩。为补充液压油量，可在管线上加装带单向阀的补充油杯。方法2，对于大型聚光器的跟踪技术要求，除能手动控制以外，更要能精确地自动控制，可采用热敏电信号控制的单片机技术。单片机控制伺服电机系统实现自动控制功能。该技术不包含在本发明内，故不作详细介绍。
图8是利用本发明曲面聚光板设计的线焦式太阳能聚光器示意图，大型线焦聚光器可做成固定式也可做成跟踪式。图8中代号(1)为线焦式聚光板，(2)为热能吸收装置，(3)为热转换装置。由于聚光板为固定式装置，热能转换装置(2)则必须做成具有能跟踪阳光焦点的功能。