CN101446274A - 平行光的平行压缩与平行放大方法及其太阳能发电应用 - Google Patents
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Abstract
一种平行光的平行压缩与平行放大方法及其太阳能发电应用。在保持光线平行和总量不变的情况下,通过改变光柱横截面积,使光的强度和亮度发生改变。可用于对平行光平行压缩与平行放大的装置有三种。照射到地球上的太阳光近似于平行光,因此太阳光可经过平行压缩增强后加热水并用于发电。本方法提出的太阳能发电的流程是:前端缩放器接收太阳光并压缩成高密度光束—光束以照射方式传输至锅炉房—后端缩放器将光束放大成横截面直径与锅炉底部直径相等的光柱并照射锅炉底部加热水产生蒸汽—蒸汽涡轮机带动发电机(组)发电。利用本方法和技术可实现大功率规模化太阳能发电,克服人类所面临的能源短缺和环境污染等问题,具有深远和巨大的应用前景。
Description
所属技术领域
本方法涉及平行光和太阳光的控制与利用,主要应用于太阳能发电厂,太阳能供暖,可见光高温切割等领域。
背景技术
目前,平行光(如太阳光)尚没有技术设备能对其进行平行压缩或平行放大。太阳能作为能源,也主要用于家用热水器和太阳能电池板等。由于技术原因,太阳能利用效率低,成本高,尤其不能实现大规模和大功率的低成本太阳能发电,难以从根本上解决人类面临的能源短缺和环境污染等问题。
发明内容
为了解决目前太阳能利用效率低,成本高,不能实现大规模大功率低成本太阳能发电难题,本方法在提出新的物理概念——“平行光平行压缩和平行放大“的基础上,设计了三种平行光平行压缩和平行放大的实用新型装置,并给出利用这些装置实现大规模大功率发电的技术方案。
本方法提出的技术方案包括:1、创设新物理概念——平行光的平行压缩与平行放大,经平行压缩或平行放大的平行光,其亮度和强度比平行光光源的亮度和强度增强或减弱,且仍然保持光线的平行特性。2、平行光双凹镜同焦缩放器,一种平行光平行压缩与平行放大装置,由一个大凹镜和一个小凹镜组成,两者的最大弦分别与各自的焦点同直线,大凹镜反光面与小凹镜反光面相对设置,两者的聚焦点重合,大凹镜的中心位置有一个圆形通光孔,孔的直径与小凹镜直径大小相等,当外光源平行光射向大凹镜,缩放器起压缩作用,经压缩后的平行光由小凹镜从通光孔反射出缩放器外,当外光源平行光穿过通光孔射向小凹镜,缩放器起放大作用,经放大后的平行光由大凹镜反射出缩放器外。3、平行光凹凸镜同焦缩放器,一种平行光平行压缩与平行放大装置,由一个大凹镜和一个小凸镜组成,两者的最大弦分别与各自的焦点同直线,大凹镜反光面与小凸镜反光面相对设置,大凹镜的聚焦点与小凸镜虚焦(位于反光面的背面)重合,大凹镜的中心位置有一个圆形通光孔,孔的直径与小凸镜直径相等,平行光凹凸镜同焦缩放器工作原理与平行光双凹镜同焦缩放器的工作原理相同。4、平行光四镜同焦复式缩放器,一种平行光平行压缩与平行放大装置,由一个大凹镜、一个小凹镜和一个超薄的球面双面反光镜组成,它们的最大弦分别与各自的焦点同直线,四镜焦点重合(其中双面镜凹面或凸面的焦点存在微小偏差),大凹镜和双面反光镜的中心位置分别有一个圆形的通光孔,大凹镜上通光孔的直径与双面镜直径相等,双面镜上的通光孔与大凹镜通光孔在双面镜凸面上的映像大小相等,小凹镜直径则与双面镜通光孔直径相等,大凹镜反光面与小凹镜反光面相对设置,双面镜置于大凹镜与小凹镜之间,且双面镜凸面与大凹镜反光面相对,双面镜凹面则与小凹镜反光面相对,当外光源平行光射向大凹镜和双面镜凹面,缩放器起压缩作用,经压缩后的平行光分别由双面镜凸面从大凹镜通光孔和由小凹镜从双面镜通光孔及大凹镜通光孔反射出缩放器外,当外光源平行光穿过大凹镜通光孔射向双面镜凸面上,同时有小部分再穿过双面镜通光孔射向小凹镜,缩放器起放大作用,经放大后的平行光分别由大凹镜和双面镜凹面反射出缩放器外。5、高效大功率太阳能发电,用2-4项所列任何一种缩放器作为前段缩放器接收并压缩太阳光,压缩光以照射方式穿过通光管(其作用是防止发生意外事故,任何类型管均可)以及平面反光镜折射转向,异地传输至电厂锅炉房射在锅炉底部(底部最好是100%吸光表面),锅炉吸收高密度太阳光加热水产生蒸汽,蒸汽涡轮机带动发电机(组)发电。
采用本方法进行太阳能(或太阳能火力混合)发电,其太阳能的利用率高,成本低,可实现大功率和规模化生产,从根本上解决当前人类所面临的环境污染和能源短缺等问题。
为了更好地说明,另附《平行光的平行压缩与平行放大方法及其太阳能发电应用》原文全文(正文共12页)。
附图说明
图1是平行光平行压缩与平行放大概念示意图
图2是平行光双凹镜同焦缩放器构造与工作原理示意图
图3是平行光凹凸镜同焦缩放器构造与工作原理示意图
图4是平行光四镜同焦复式缩放器构造与工作原理示意图
图5是多重组合压缩输出光束的光分布例图
图6是太阳能发电厂发电流程图
图7是跟踪太阳的机械构造原理示意图
在图1中a为压缩系统,b为放大系统。经过压缩或放大后的平行光仍是平行光,且进入系统的平行光总量与经系统输出的平行光总量相等。
在图2中数字1、6分别为大凹镜和小凹镜,2、4分别为大密度和小密度平行光,3为通光孔,5为共同焦点。外光源平行光从大凹镜进入缩放器为压缩,从通光孔进入缩放器则放大。
在图3中数字1、6分别为大凹镜和小凸镜,2、4分别为大密度和小密度平行光,3为通光孔,5为共同焦点。外光源平行光从大凹镜进入缩放器为压缩,从通光孔进入缩放器则放大。
在图4中数字1、6、7分别为大凹镜、双面反光镜和小凹镜,2、4分别为大密度和小密度平行光,3为通光孔,5为共同焦点。外光源平行光从大凹镜进入缩放器为压缩,从通光孔进入缩放器则放大。
在图6中太阳光经缩放器阵或单个超大型缩放器接收与压缩,然后穿过通光管异地转移到电厂锅炉房,并照射锅炉底部加热水产生蒸汽。太阳能发电厂发电流程的其它部分与火电厂发电流程类似。
平行光的平行压缩与平行放大方法及其太阳能发电应用
一.前言
太阳能是一种几乎不需要成本和取之不尽用之不竭的清洁能源。太阳能转化为电能是太阳能利用主要方式之一。但是,由于技术原因,目前太阳能利用的成本高,效率低,难以从根本上解决人类面临的能源短缺和环境污染等问题。针对太阳能利用中存在的这些问题,本文从基本的物理概念入手,提出一个全新的解决问题的技术方法。相信随着该方法在全世界范围的推广应用,以及全球单一太阳能电网的建立,人类必将开启一个共享清洁廉价能源的新时代。
二.平行光的平行压缩与放大
众所周知,照射到地球表面的太阳光是近似于平行的可见光。实现平行光的异地传输与有效利用,关键在于使光在传输过程中始终保持光线平行不变,同时能按实际需要增大或减小光的亮度和强度。因此,对平行光进行平行压缩或平行放大控制,在总量不变的情况下,通过人为地改变光柱或光束的横截面积,进而改变其光线密度,无疑是增大或减小平行光亮度和强度的一种重要的技术选择。
这里的所谓平行光平行压缩与平行放大,是一个新的物理概念,指使垂直穿过某平面的光线密度小(大)的平行光光柱或光束,转变成光线密度大(小)的光束或光柱,即光柱或光束横截面改变但光线的总量不变,且光线始终保持平行。如图1所示,图中a为压缩系统,b为放大系统,经过压缩或放大后的平行光仍是平行光,且进入系统的平行光总量与经系统输出的平行光总量相等。
需要说明的是,所谓光柱与光束是相对而言的,即在两组平行光中,其光线密度小者称为光柱,而光线密度较大者则称为光束。
三.平行光缩放器构造与工作原理
平行光缩放器是用于对平行光进行平行压缩与放大的专门装置。下面分别给出三种缩放器的构造,并对其工作原理进行讨论。
□平行光双凹镜同焦缩放器
其构造如图2所示。图中1、6、5分别为大凹镜、小凹镜和两个大小凹镜的共同焦点,大凹镜镜体最大弦、小凹镜镜体最大弦和共同焦点三者同直线(或平面);3是一个位于大凹镜中心的圆孔,其作用是通光,该圆孔直径与小凹镜直径的大小相等;4、2表示平行光与方向。
从图2可看出,如果以大凹镜作为缩放器外光源平行光的聚光镜(如图中所示光线方向),这时的缩放器起压缩作用,大凹镜同时是压缩镜,小凹镜为输出镜,经大凹镜压缩后的平行光由小凹镜从通光孔反射输出;相反地,以小镜作为缩放器外光源平行光的聚光镜(即光线方向与图中所示方向相反),则缩放器起放大作用,这时小凹镜也是放大镜,大凹镜为输出镜,经小凹镜放大后的平行光由大凹镜反射输出。
不论是平行压缩或者平行放大,缩放器输出的光束或光柱都是空心的,而空心柱的横截面直径则与小凹镜直径大小有关。
设大凹镜直径d1,小凹镜直径d2,若缩放器用于放大,则输出的平行光总量比聚光镜所俘获到的外光源平行光总量有所减少(100d2/d1%),减少的这部分光会以散射光方式从大凹镜通光孔射出缩放器外,如果外光源是高强度平行光,对这部分光必须增设安全防护(例如在小镜中心加钻一个小圆孔——泄光孔,并用耐高温黑体把泄出的光转变成热);若缩放器用于压缩,则输出的平行光总量与聚光镜所俘获到的外光源平行光总量相等。
小凹镜直径与大凹镜直径之比
K=d2/d1
可用于衡量缩放器的缩放能力。当K值越小,表示缩放器的缩放能力越强,反之则缩放能力越小。
□平行光凹凸镜同焦缩放器
下面给出与平行光双凹镜同焦缩放器构造稍微不同的另一种缩放器,即平行光凹凸镜同焦缩放器(图3)。它的缩放原理和效果与平行光双凹镜同焦缩放器完全一样,因此在这里不再赘述。需要说明的是,这里所谓“凹凸镜同焦”,指大凹镜的聚焦点与小凸镜虚焦重合(位于小凸镜反光面的背面)。
□平行光四镜同焦复式缩放器
平行光四镜同焦复式缩放器由一个大凹镜、一个小凹镜和一个超薄双面反光球面镜组成,且四镜的焦点重合(图4)。大凹镜镜体最大弦、小凹镜镜体最大弦、双面反光镜最大弦和它们的共同焦点同直线(或平面);双面反光镜要求愈薄愈好,并置于大小两个凹镜之间,且双面反光镜凸面与大凹镜反光面相对,双面反光镜凹面与小凹镜反光面相对;大凹镜和双面反光镜中心位置分别有一个圆形的通光孔;大凹镜通光孔直径与双面反光镜直径大小相等;双面反光镜通光孔与大凹镜通光孔在双面反光镜凸面上的映像大小相等;小凹镜直径与双面反光镜通光孔大小相等。显然,四镜同焦复式缩放器的构造是凹凸镜同焦缩放器与双凹镜同焦缩放器构造的综合体。
平行光四镜同焦复式缩放器既有自身独特优点同时也存在缺点。其优点是使射到缩放器的外光源平行光尽可能多地被压缩或放大,缺点则是由于其中的双面反光镜必须很薄,制造的材料与工艺技术要求高。
显然地,以上几种平行光缩放器在对平行光进行平行压缩或平行放大时,借助的是由缩放器自身构造所提供的一种“自然力”,完全不需要任何的外部能量。
四.缩放器的多重组合与缩放效果
下面分别以44个缩放器和1936个缩放器构成的缩放器阵作为例子来讨论缩放器多重组合的缩放效果(缩放器选双凹镜同焦缩放器)。一般只有当缩放器为小型缩放器时才采取这种缩放器阵的方式。
例1:设接收外光源的缩放器(前端缩放器)共44个,这些缩放器在接收外光源平行光的同期对其进行第一次压缩,并分别输出亮度和强度更大的压缩光束,一共有44条。令这些光束按一定排列(见图5)平行地垂直射向同一个缩放器(后端缩放器)的大凹镜进一步压缩,最后输出的单一光束其(横截面)光的分布如图5所示,图中光斑的直径与前一级对应的缩放器中小镜的直径大小有关。
例2:设接收外光源平行光的缩放器共1936个。把这些缩放器44个为一组分成44组,每组类似例1先进行两次压缩共得到44条新光束,这些光束再按一定排列平行地垂直射向后端缩放器的大凹镜,最终压缩成一条光线密度更大的新光束。光束中光的分布形态仍如图5,但与例1不同,这时图中的每个光斑是经前一级压缩输出的类似图5的光分布的缩影。
对于有更多缩放器的情况,可通过多级压缩最终将平行光压缩成一条高亮度和强度的光束。
五.太阳能发电
本文提出的太阳能发电原理与一般的火电厂的发电原理基本相同,唯一不同的是采用太阳能发电,其锅炉获得的热量来源于太阳光。
图6是关于太阳能发电的流程图。
从图6中可以看出,太阳光经前端缩放器阵或单个超大型缩放器(自动控制跟踪太阳)采集,同时压缩成高密度的太阳光束,然后这种高密度太阳光束以照射的方式穿过通光管传输至电厂锅炉房(中途如有需要可利用平面反光镜令其转向,通光管的作用是防止发生诸如灼伤和火灾等意外事故),由置于锅炉下方的缩放器放大后照射锅炉的底部,锅炉吸收太阳光加热水产生蒸汽,蒸汽驱动涡轮机带动发电机(组)发电。锅炉的底部表面最好是粗糙黑体吸光面,或涂漆具有高吸光率且能经受较高温度的其它材料。
太阳光也可以先由各个前端缩放器收集和压缩,并分别地直接传输至电厂锅炉房,然后齐射向锅炉的底部。采取这样的太阳能发电方案虽然简单直接,但光的异地传输需要铺设较多的通光管。另外,太阳光还可以由(置于厂房上方的)单个超大型缩放器收集后直接传输至电厂锅炉房,但制造高精度的超大型缩放器聚光镜其技术工艺要求高,不容易制造。
总的来讲,利用缩放器实现大功率太阳能发电的各种相关技术基本上都是现成的和成熟的技术,唯一要克服的技术难点是高精度球面反光镜的制造工艺和技术,要求球面反光镜面必须极其光滑,反光镜聚光时无任何散射现象,或者散射极少,反光镜的光线聚焦点必须是愈小愈好。
六.结语
如上所述,采用本文提出的平行光缩放技术可以实现大规模、大功率的太阳能发电。这样的太阳能发电不但太阳能的利用率高,而且可根据实际情况进行调整与控制。太阳能发电只有实现大功率规模化生产,才能从根本上解决人类所面临的能源短缺和环境污染等问题,可分两个阶段进行。第一阶段:把现有的火力发电厂改造成太阳能火力混合发电厂;第二阶段:成立国际太阳能发电联盟,在全世界范围建造大量的太阳能发电厂(届时太阳能火力混合电厂也转为纯太阳能发电),建立全球单一电网,实现24小时不间断环球太阳能供电。
需要补充的是,就中国一个国家而言,同样可以实现24小时不间断的太阳能供电,即可以把白天有太阳时太阳能发电厂发出的电能先储存起来,在晚上或没有太阳时释放利用。中国幅员辽阔,地势东低西高,高差达几百米甚至几千米,西部高原与西北部荒漠又存在许多大峡谷和盆地,且人烟稀少。可建造相当规模的专门太阳能发电厂,利用这些电厂白天发出的全部电能,把东部海水经过多级提升引到西部高原与西北部荒漠的大峡谷和盆地中储存起来,并利用这些海水向东排放过程中进行多级水力发电。西送的海水总流量至少要双倍于向东排放时的最大海水总流量,以保证海水24小时持续排放和各级水力发电厂的持续运转,从而间接地达到实现24小时不间断太阳能供电。若此储能方案得以实施和实现,困扰我国的能源短缺的情况将成为历史不再发生,作为拥有十几亿人口的大国,实现这样的一个目标也并非只是梦想不可实现。
附:跟踪太阳的机械构造原理示意图
1.说明
图中数字3是支撑缩放器的随大转盘一齐转动的固定支撑臂;数字2是两对活动支撑臂,活动臂可确定缩放器的仰角且时刻保持与太阳高度角一致;数字1是两对一大一小的液压千斤顶,由它们控制活动支撑臂的活动;底部的大转盘的作用是确定缩放器的水平朝向,随太阳方位角变化,大转盘由电动机带动。压缩的太阳光光束从各支撑臂内腔通过。
2.示意图,见图7
Claims (6)
1.一种平行光的平行压缩与平行放大方法及其太阳能发电应用,其特征是:保持平行光光线平行和总量不变,通过改变光柱横截面积,使光的强度和亮度改变;太阳光经平行压缩使强度增强后加热水并用于发电。
2.根据权利要求1所述的平行光的平行压缩与平行放大方法及其太阳能发电应用,平行光平行压缩与放大的物理概念,其特征是:保持平行光光线平行和总量不变,光柱横截面积改变,光的强度和亮度改变。
3.根据权利要求1所述的平行光的平行压缩与平行放大方法及其太阳能发电应用,平行光双凹镜同焦缩放器,一种平行光平行压缩和平行放大装置,其特征是:一个大凹镜反光面与一个小凹镜反光面相对设置,大凹镜中心有圆孔,圆孔直径大于或等于小凹镜直径,大凹镜聚焦点与小凹镜焦点重合。
4.根据权利要求1所述的平行光的平行压缩与平行放大方法及其太阳能发电应用,平行光凹凸镜同焦缩放器,一种平行光平行压缩和平行放大装置,其特征是:一个大凹镜反光面与一个小凸镜反光面相对设置,大凹镜中心有圆孔,圆孔直径大于或等于小凸镜直径,大凹镜聚焦点与小凸镜虚焦重合。
5.根据权利要求1所述的平行光的平行压缩与平行放大方法及其太阳能发电应用,平行光四镜同焦复式缩放器,一种平行光平行压缩和平行放大装置,其特征是:一个大凹镜反光面与一个小凹镜反光面相对设置,一个超薄双面反光球面镜置于大凹境和小凹镜之间;双面反光镜直径小于大凹镜直径但大于小凹镜直径;大凹镜与双面反光镜中心均有圆孔,大凹镜圆孔直径等于双面反光镜直径,双面反光镜圆孔直径与大凹镜圆孔在双面镜凸面上的映像大小相等,小凹镜直径等于双面反光镜圆孔直径;四个反光镜的聚焦点重合(超薄双面反光镜的凹面镜焦点或凸面镜焦点二者之一与共同焦点存在微小偏差)。
6.根据权利要求1所述的平行光的平行压缩与平行放大方法及其太阳能发电应用,太阳光可平行压缩并用于发电,其特征是,①前端单个超大型平行光缩放器(压缩),转向平面反光镜,后端平行光缩放器(放大),锅炉,按顺序由通光管连接;②前端平行光缩放器阵(压缩),转向平面反光镜,后端平行光缩放器(放大),锅炉,按顺序由通光管连接。
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WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20090603 |