CN103471260A - 太阳能高温热电巨型实用能源二次组合聚焦与能量转移传输系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及太阳能高温热电巨型实用能源二次组合聚焦与能量转移传输系统。本技术方案指出并打破殖民者掠夺殖民地矿产资源形成和留下严重计算漏顶的能源理念误区，提示了化石能源由生长形成过程中所耗费上亿年的太阳能量过程，阐述了解决太阳能源实用性的战略理念，克服了对传统的太阳能利用中现有技术的一些单一、粗放、高耗、低效的太阳能源利用设施和系统的一些非专业化，非科学化的技术偏见，新颖地把光学中的科学理论、原理、定律仪器运用到太阳能高温热电巨型实用能源的形成。创造性地运用了光学元件和光学仪器，对太阳光进行二次组合聚焦处理，使太阳光能形成平行定向能量光柱，用双层真空镀银、铝玻璃管道，远距离输送，取得料想不到的显著进步的技术效果，使太阳能应用克服断续性，成为具有现时代大产业开发服务机遇的能源产品。

Description

太阳能高温热电巨型实用能源二次组合聚焦与能量转移传输系统

技术领域

本技术方案属于能源领域中可再生能源开发应用太阳能技术，涉及应用几何光学和物理光学对阳光处理技术的指导和应用。指出并打破西方殖民者掠夺殖民地矿产资源形成和留下严重计算漏项的能源理念误区，提示了化石能源由生长形成过程中所耗费上亿年的太阳能量过程，以及化石能源的重要宝贵性，阐述了解决太阳能源实用性的重要作用，克服了对传统的太阳能利用中现有技术的一些单一、粗放、高耗、低效的太阳能源利用设施和系统的一些非专业化，非科学化的的技术偏见，新颖地把光学中的科学理论、原理、定律、仪器运用到太阳能利用中，用来指导太阳能高温热电巨型实用能源的形成。创造性地运用了光学元件和光学仪器，对太阳光进行二次组合聚焦处理，使太阳光能形成平行定向能量光柱，用双层真空镀银、铝玻璃管道，远距离输送，取得料想不到的显著进步的技术效果，使太阳能应用克服断续性，成为具有现时代大产业开发服务机遇的能源产品。 

背景技术

太阳能是除了地热和核能以外的常规化石能源和再生能源的总生成来源，没有太阳能就没有化石能源和再生能源。而化石能源是由几千万年甚至成亿年以前的的动植物形成的，而植物的生成是由光合作用的结果，光合作用只耗费了太阳能极少的能量，约占百分之一。那就是说化石能源耗费了几千万年乃至上亿年的太阳能量，才生成那未一点化石能源，其耗费了几千万年的太阳能量才生成的化石能源，资源的宝贵性可想而知，无怪乎至现在还有人为了掌控别国能源财富来动不动发动战争。几千万年乃至上亿年生成的化石能源资源让这些掠夺者以产业形式开采掠夺，肆意挥霍，不到几百年就槽踏怡局，造成能源枯竭，真是赤裸裸的占吃子孙饭，造子孙孽，造成生态环境恶化，地球升温，气候灾难增多。他们为了惊夺别国资源，却用了一套骗人的强盗逻辑的能源理念，只计开采而根本不计生成这些化石能源所耗费的太阳能资源，用一叶障目，不见泰山的强盗式殖民教育手法来愚弄不发达国家的人民，这是一种为掠夺资源而产生的能源理念。能源的枯竭，使人们不得不重视利用太阳能，重视的程度取决于人们对能源危机理念的认识和觉悟程度。根据地球的水文，地质发展变化的预测，保护现有化石能源，以备急用的重要性和紧迫性，也不是即使从事太阳能开发利用领域的人，都理解得很清楚的，直接开发利用太阳能的程度，标志着人类社会造福子孙的文明程度和社会发展方向先进程度和占领科技发展先机制高点的进步程度。 

太阳距离地球约1.5亿公里，太阳光线是以太阳为中心向周围以球面幅射到地球为半径为1.5亿公里的大球面的幅射球面，到地球后，能流密度为1000W/m²，经过1.5亿公里的长距离，大面积的幅射，仍具如此巨大的能量，可为能源利用的先决条件，也是技术方案构思形成的首要启机。太阳能储备量大，时间(以亿年为单位)对环境无碳排污染，运行方便，成本低廉。只要有阳光的地方皆可形成能源利用，变废物为宝，变害为利，方便可行。通过设施，将热能并网发电，远距离输送能量，是一种高品位能源。 

而阻碍太阳能源不能形成大产业开发的能源利用的阻碍：1、能流密度低为1000W/m²，2、受气候影响，云雾遮挡，地球自转，夜间背对太阳，无光，形成“不可克服”的阳光断续性，3、受殖民惊夺能源理念影响，产生技术偏见，没有对这一可克服的技术关卡，投入较多的人力物力研究，开发晚，起步缓。而现在成型的太阳能利用装置和设施，由于没有对太阳能的光学性能进行几何光学尤其是物理光学认识研究，不能科学的认识太阳光的光学技术特证，也就不能对太阳光能进行科学化，专业化，针对性强的技术化的研究和处理，因而存在设计粗放，工艺单一，效率低下等特点。例如1、多采用单一平面反射聚焦，(1)、光入射和反射两次通过镜面其损耗为透光率的两倍。(2)定日镜点陈排列平面中有60-70％为非全息反射，存在固定能量损耗。(3)、光线传射在空气中，存在气热分子幅射损耗，阻尼损耗约为20-30％，不能消除阳光有空气分子团中的传导热损耗和对流损耗，这三个损耗是成败与否的决定性关键损耗。例如2、聚焦光学系统与能量热交换器距离太近，限制和制约着广泛使用太阳能源应用的方便性，以上种种都限制太阳能作为产业生产的大型实用能源进行应用。 

而在现时企业用电的科学性，经济性也存着不可克服技术偏见，例如城市的夜间照明，冬季供暖、电光、电热逆转使用，夏季城市热岛都耗费的巨量的电能等。 

并见附图4能源形成与使用流程对比图。 

发明内容

为了解决太阳能高温热电巨型实用能源与多种太阳能实用能源的产业应用问题，就是解决太阳能高温度大功率，太阳能连续使用克服断续性两个问题，故技术方案提出了折射聚焦和反射聚焦组合的二次组合聚焦光学系统和能量转移传输学光系统两个部分进行解决。 

技术方案的设计构思如下：太阳能作为核放射能，经1.5亿公里的长距离和半径为1.5亿公里的大球面的放射光线幅射光线球面耗散，到地球上的阳光能量密度为1000W/m²，要在产业中形成应用必须高温度和大功率，要使耗散运动的阳光能得到应用，必须反向思维，只有改变阳光光线方向，进行大面积，长距离的持续作用，才有可能达到能目的。光学理论，原理定律和光学元件和仪器，各有千秋，改变光线只有反射和折射，采用折射和反射聚焦组合，两者皆取其优，用球面透镜聚焦和抛物面反射镜组合，形成结构严紧不漏光，反射出平行方向性强的光线，球面透镜聚焦，在焦点可获得能流密度很高的太阳实象，两者焦点在F重合，即可生成平行定向能量光柱，根据用旋转抛物面反射镜制成的军用防空探照灯的作用在2万米以上的例子，可以使组合聚焦中的抛物线反射镜远距离传输能量，形成远距离传送的平行定向能量光柱，并能使转移传输光线能量的效率提高80-50％(见中国科学技大学09年版由胡玉禧编的中科院指定考研参考书，应用光学200页第30行)。对于地球因自转而形成背对太阳的阳光断续性，解决途镜有三，1、同步卫星反射太阳能；2、利用阳光电磁波特征，每秒30万公里的速度传导输送；3、对原子核反应进行光控，取得光能；1和3、的技术难度和耗费的人力物力资源很难很大。两害相衡取其轻，两利相衡取其重，采用第二种方法，可以发挥我国地缘、地域的地理技术优势，和社会制度的优势，又可交插使用，扩散效能，利用大面积沙漠来进行大面积聚集，长距离输送，形成树状网络，在聚焦中传输在传输，中聚焦，对生态环境资源，利用聚能系统和传输系统的性质进行多功能改造和多功能利用，取得可观的经济效益和社会效益。而利用阳光的电磁波传播能量特征，可应用双层真空镀银铝玻璃管道，形成树状网络进行应用，利用各时区地域不同的太阳时差，发挥阳光电磁波传播能量特征，进行异地传送太阳能，进行联网供、用，为了消除太阳时差的断续性，太阳能利用向西和国际联合，进行共同开发利用，互通有无，东向可进行海洋改造聚能，共同互利开发，取得利益。 

一、组合聚焦光学系统的区别技术特征 

1、组合聚焦光学系统所涉及的光学理论和数学知识 

几何光学中的光学反射定律，光学折射定定律，光线的直线传播原理，光线的可逆性原理，数学上的抛物面方程 

O为顶点，F为焦点。关于抛物线y²＝2px(p＞0)焦点：F(，o)准线为L，关于抛物线和旋转抛物面的数学性质和光学特点，乃为公知技术，可参看附页，旋转抛物面的特点和应用圆锥曲线的光学性质，进入旋转抛物反射面的平行光线，必须聚焦于旋转抛物面的焦点F，根据光的可送性原理，在焦点F上放射出的光线，只要照射到旋转抛物面反射镜，简称抛物面反射镜，上任意一点，都会产生平行于轴线的反射光线。 

2、组合聚焦光学系统的解决方法 

根据几何光学的理论内容，对聚焦光学元件进行筛选，聚焦元件采用直径大于3米的光学球面透镜D(平面反射镜光线两次进入镜子界面，换耗大，不用)采用透镜折射聚焦，可以得到太阳实象，形成比较理想的高能流密度，聚焦于透镜D焦点F，其距离为DF(见附图1)DF和抛物面反射镜的焦点F到抛物面反射镜的顶点O为OF，使DO＝DF+OF，使抛物面反射镜P的焦点和球面透镜D的焦点F重合为一，F既是透镜D的焦点，又是抛物面反射镜P的焦点，无论P和D以后的位置发生怎样变化，这个前提不能改变(不论是仑式容器或支架式系统)阳光通过透镜D聚焦，到达F，在F后又直线传播，到达旋转抛物面反射镜面，抛物面反射面县有特殊的光学特性，把由焦点F射出的光线，全部反射成平行于抛物面中轴的光线，由中轴线方向平行射出，形成平行定向太阳能量光柱，简称平行定向能量光柱。由于是方向性强的能量光柱，能够进行良好的多次聚焦和大面积聚焦，可以取得高温度、大功率的比较理想的能源效果。 

3、产品构造特征，见附图1，图1是产品结构示意图，D为直径大于3m的光学玻璃球面透或者塑 壳，玻壳充水球面透镜，以及菲湟尔透镜，P为旋转抛物面反射镜，这两者的焦点为重合点F，O为抛物面反射镜P的顶点，光线由透镜D进入经聚焦于F，经F直射在旋转抛物面反射镜P，由旋转抛物面P反射成平行定向能量光柱至锅炉B处。 

4、产品形状特征，见附图图3，图3是产品形状位置示意图，如图所示DF为透镜D到焦到F的焦距DF的中轴光路，F到抛物面反射镜P的顶点O为抛物面反射镜P的焦距，透镜D和抛物面反射镜P分别精密固定于由复合材料制成的筒状的容器仑E的顶部和底部O，其距离DO＝DF+FO为透镜D的焦距DF和抛物面反射镜P的焦距FO之和(并带有距离微调螺丝，以控制温差变化而引起的距离误差)，保证抛物面反射镜P对由透镜D处所聚焦阳光成实象构成“新光源，”光线，经过抛物面反射镜反射处理，加工成平行定向能量光柱，并传送到B。DF为聚能单元，其透镜D的平面中垂线必须自始至修动态指向太阳。如图中所示，应用N-S支柱上的轴承座b-b₁，固定于同轴心同焦点的透镜D和以F为焦点的旋转抛物反射镜复合材料制成筒状容器仑的中箍m，b处轴承为向心推力轴承，b₁，外轴承为一般单列向心轴承，内虚线S₈为以F为焦点，以O为顶点的旋转抛物面反射镜P，并和反射光出口的光椎L连接并吻合，使由透镜D处，聚焦阳光于F，再经过同焦点F抛物面反射镜的反射，光椎L作辅助光学处理，由固定在N柱上的筒状滑道S₅射出至锅炉B，S₇为以b-b₁两m中箍的轴线的中垂线至抛物面反射镜的顶点O的距离为半径的园弧状齿条轨道S₇，其作用是使固定架容器仓以每小时15°的角速度绕b-b₁轴与日光同步旋转，g为扭簧钟控齿箱Gb的引出动力齿轮，和S₇齿条轨道啮合于O点(扭簧钟控齿轮箱见化工出版社06年出版，由任宏琛，陈晓庆著的“太阳灶技术”70页15行北京合万意公司研究的动力系统。亦可自行设计)。满足透镜D的光踪条件，使透镜D和整个容器仑固定架容器仓E以15°/H的角速度旋转与日光同步运行，亦可程控。由O点至S₆段的固定架支或容器仑，与齿条S₇等高，由金属组成。承担旋转抛物面反射镜的重量，固定轨道齿条S₇与旋转抛物S₈及P形成滑面，使固定架踉踪日光运转时，其透镜D焦点和抛物面反射镜P焦点始终重合F，并保证S₅光椎到锅炉B去的方向的准确性。b₃、b₂为N柱和S柱的平衡铰接结构，S₄为地脚螺丝S₁的滑道，以保持设备受力和谐平衡，S₂为N柱地脚固定螺丝，S₃为升降调节螺丝，S₄为升机调节缧杠，调节太阳季度运行轨道的高度角，钟控齿轮箱Gb与齿轮g在扭簧发条、棘轮、拔叉、游丝的控制作用下，以保证固定架容器E和透镜D以15°/h的角速度，控制太阳当天运转的方位角，保证透镜D面的始终对准日光运转，在固定架容器仑E结构中，必须使抛物面反射镜P和P下滑道S₆亦呈抛物面状，两个焦点的与透镜D的焦点，皆重合于F，当固定架容器仑动态跟踪日光运动时，抛物面反射镜P和滑轨S₆，在保证三个焦点皆重合于F的条件下，作反向滑动，以保证PL方向指向锅炉B而不变。并保证齿条轨道固定安装，良好运转。B₂、b₃、S₄、S₃、S₉皆为平衡作用力的平衡谐调系统的调节设施，保证设备处在良好的运转态下下，未述事宜，可参看本案施工设计。 

二、能量转移传输光学系统的区别技术特征。 

1、能量转移传输光学系统所涉及的光学理论和热学知识。 

物理光学的电磁理论，光是一种球面电磁波，它的传播过程就是能量的传递过程，电磁波的最主要的性质之一是能够传输能量，电电磁波的传播过程伴随着能量在空间传递，根据电磁理论，是由电场生成磁场，磁场又生成电场，相互交叉传递能量形成光的能量传递性能，其速度为每秒30万公里。热能的传播过程分为三种途径，传导，幅射和对流。 

2、能量转移传输光学系统的解决方法 

根据物理光学中光的电磁理论，光可以按电场生成磁场，磁场生成电场的方法可以进行能量传播，而传播的速度为每秒30万公里，这两个特性决定了光的能量转移传输特征和克服地球运转形成的太阳时差的断续性，打下可行基础，根据太阳能长距离，大面积聚焦传输的特征，可以在时差在不同的时区建立半径为5公里，太阳能聚焦聚能的组合聚焦的高温热电巨型能源立体布置，升降可调的聚能系统。然后用光学输送管道联系，当本时区有日光时，可以聚焦能量供本区热电系统发电，还可通过输光能管供应无日照时区使用能量，互相调济，应用了光的电磁能传播为每秒30万公里这个特征。 

光在传输光能的管道中传输时，产生三种热换耗，传导，幅射，热对流，只能应用双层真空玻璃镀银或铝管道，克服这三种热损耗，并且也克服光在真空和空气中许多不可避免的潜在损耗和隐损耗，可以取得只有不到1％的光能传输损耗的效率。 

3、产品的构造特征 

输光能管道，由镀银或镀铝的管道组成，消除光的热幅射和反射损耗，采用双层真空玻璃是为了消除热传导和热对流损耗，以及气体分子对光的阻尼损耗和幅射损耗。 

4、产品的形状特征 

管道由同心园形内管道和外管道组成，外夹层和内管道皆为真空镀银或铝玻璃管道组成，见附图2管道截面示意图，其管网分为主管和支管，其组成为树状，其半径大小和玻璃管道管壁的厚度由传输能量大小决定。其末述事宜，可参看本技术方案的“施工设计”。 

三、几个注意问题或要求 

1、在组合聚焦光学单元，透镜，固定架和容器仑转动和滑动系统，底座结构包括抛物线反射镜等所有设施，设计工艺和材料必须满足动力学要求和静力学要求和平衡力学要求和使用功能要求。 

2、利用透明塑料制成光学元件，必须用透光率在0.78以上的透明塑料，必需容易加工成型，耐热耐老化即可，制成直径为3m以上的塑壳玻璃壳球面内充水透镜，(需留膨胀管)。 

3、固定架容器仑分为两种类型，组成底座和容器仑固定架和控制齿轮箱，升降平衡设备施在外在下为陆用，如附图3所示，如海用则将钟控齿箱，抛物面反射镜滑轨和齿条皆在容器仑内，详细内容可见在技术方案施工设计。 

4、对组合聚焦单元进行点陈排列时，应预先注意安全，留出足够的安全，检修、维护运行的活动空间，底座支架等可就地取材，金属水泥，复合材料或者其他材料皆可，只要满足力学要求就行。 

5、关于太阳能高温热电巨型能源，本技术方案只描述了区别技术特征，其他方面皆应用现有技术进行使用。 

6、在组合聚焦系统中，如果旋转抛物面反射镜不能反射出平行定向光线，其原因可能是旋转抛面制作不标准，(2)透镜和旋转抛物面面反射镜的焦距顶点未找正，(3)透镜象差干扰，透镜和旋转抛物面装配不当。 

技术效果 

一、利用太阳能，形成高温热巨型实用能源，经过组合聚焦光学系统的多次聚焦作用，在半径为5km的范围内的阳光作用于锅炉B，其温度在春、夏、秋三季不低于1300℃，冬季温度在800℃-1000℃左右，功率不低于20万KW，不光可作为热电能源，也可以用作其他多种能源使用。 

二、利用太阳能光波的电磁波传播能量的特性分时区布置组合聚焦光学系统和能量传输光学系统，各时区互相支持和传输能量至各热电厂，打破太阳能因地球自转形成的阳光断续性，组成太阳能传输能量的双层真空镀银镀铝玻璃管道网，传输太阳能量，形成太阳能的产业化生产和应用。 

三、利用本技术方案的能源的聚能性能和传输性能所形成的可行性，进行能源战略安排部署，消除碳排，减少污染，从根本上解决地球升温和改变生态环境恶化问题，减轻自灾害。 

四、利用二次组合聚焦光学系统的聚能性和复盖性、能源的传转输性，对城镇居民可以冬季供暖，夏季降温，消除城市夏季热岛效应，使输光管道带替供电设施，通入民居进行采光、灶用等能量，进行光通信，消除电光、电热的逆转损耗，大幅度节约能量。 

五、太阳能转移输送光学系统的双层真空镀银镀铝管玻璃管道传输太阳能量与天然气、化石能源、电网输送能量相比，有着不可比拟的绝对优势，使得太能的利用技术有着极强的自我发展，自我变更，自我适应的极强的技术生力，有深厚挖掘潜能开发机遇，供人们利用，撤底改变了人的能源战略理念，形成能源技术领域一场产业革命。 

附图说明：D为塑壳充水球面透镜，光学玻璃球面透镜，非球面透镜和菲湟尔透镜。B为机组锅炉或其他热负截 

为太阳光自然光线和调节运动和平衡趋向 

为定向平行能量光柱 

往复滑动趋向 

为复合材料制成固定架和容器结构 

金属制造滑体及固定架容器 金属带轴中箍，b为推力向心轴承及轴承座，b₁为单列向心轴承及轴承座， 

为齿条轨道， 

为动力齿轮， 

内虚线圆表示抛物面反射镜界面，O为抛物面顶点，F为焦点，L为反射出口光椎，S₃为升降制动螺栓，S₉为升降调节丝杠，b₂、b₃为平衡铰链，S₄-S₁为螺栓固定滑道，S₂为地脚螺栓，S、N为升降柱，Gb钟控发条齿轮箱。 

Claims (5)

1.一种利用太阳能高温热电巨型能源的光学产品。此光学产品由二次组合聚焦光学系统和能量转移传输系统组成。

2.二次组合聚焦光学系统为由直径大于3m的光学球面透镜，塑壳，玻壳内充水球面透镜和菲湟儿透镜与旋转抛物面反射镜组合聚焦，形成同焦点设备，透镜将阳光聚焦于焦点，由焦点上照射到旋转抛物面反射镜面上反射，反射出平行定向能量光柱到锅炉B，进行大面积立体聚焦，在锅炉形成高温热电巨型能源的二次组合聚焦的光学系统产品。

3.一种由二次组合聚焦光学系统由直径大于3m的光学球面透镜，塑壳，玻壳内充水球面透镜和菲湟尔透镜与旋转抛物面反射镜构成组合聚焦，形成同焦点设备，透镜将阳光聚焦到焦点，光线再由焦点延伸至旋转抛物面反射镜上，形成由旋转抛物面反射镜轴向射出的新的平行定向能量光柱的方法。

4.一种由双层镀银镀铝玻璃制成可以远距离转移传输能量的树网状管道，可以在聚焦中用组合聚焦系统传输能量，也可以在传输能量中用树网形管道过进行聚焦，形成既可以供传输能量至运方，又可以利用随地使用管道传输来的阳光能量作功的供、用传输能量管道。并可以消除阳光能源的夜间断续性，对无日光时区输送能量。

5.由二次组合聚焦光学系统和能量转移传输光学系统，形成的高温热电巨型实用能源，不仅可以成为电巨型实用能源，因为具备实用能源高热温度，无夜间断续性，也可以成多功能使用和加工的实用能源，对企业进行产业性能源服务，也可以对居家进行民用性能源服务。 

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