CN1196787A - 新型储太阳能调制性液体透镜 - Google Patents

Abstract

架设于活动结构上的太阳能聚集器配有东·西向日行追踪移动系统及一调制性的液体透镜;前者因带有一个或数个调制性液体透镜(21)而可集中太阳能(2);后者由不同的兵豆状透明器皿(1)组合而成,故可架设于球形或圆筒形的金属结构上,透镜发散性透镜(22)及液体棱镜(24)的作用可将热量传导至一级管路上的流体(27),再透过热量转换器(28)将其提升至必要温度以作不同的能源应用。

Description

新型储太阳能调制性液体透镜

本发明叙述一种蓄光能器，在其透明弯曲表面上配备具有一般流体折射及聚光功能的极大型调制性液体透镜。换言之，一种由不同形式，大小及曲率的透明兵豆状器皿共同形成的调制性液体透镜将有适当焦距，并可因架设于合适的移动性或固定性结构，而使整体规模庞大，不受厚度及形式所限，在广大表面上，将可大量集中太阳能；而且制作成本，比有类似光导特性而用其他材料作成的透镜要低。

另一发明目的是将一特定表面上的日光浓缩至一热量吸收器，并提供足够能量至吸收器内二级管线上的流体，使其温度超过沸点以应用于电轮机，盐水淡化场或任何其他需要高热能蒸汽处理技术。

此发明项目包括：一个以调制液体透镜为主的集中太阳能系统，其建造成本相对于一般传统透镜而言降低许多：另有一套日行追踪及引导系统，以完全吸收投引的日光，使其在太阳能转换器内充分起作用。

                      发明范畴

此发明应用范围为利用集中的太阳能来生产的工业：譬如透镜制造或制作类似用途的器具、设施工业，又如光学工业，或一般需要应用到大透镜，或生产太阳能浓缩器的工业都可应用此发明。

                      发明背景

我们知道，用一个内部装有折射性液体的透明兵豆状器皿集中日光的效果与一般传统光学透镜相似，但至今此物理原理因成本过高而只限于一些小规模性的计划，无法应用于工业上。

因为发明的目的为利用大量日光来获取高温及高能量，所以必须使用光学形式设计适宜，且低成本的大透镜，才可有利地应用于工业用途上，如获取电能，水质脱盐处理，净化，废物处理，医学应用，一般光学工业应用，氩气生产及合成能源处理等。

申请人也知有些专利的基本原理曾被应用于活动结构上的太阳能浓缩器上，在此举例一些较重要的：

西班牙1991年7月30日发明专利编号9101791，陈述用一种形如透明兵豆状的器皿作透镜来集中日光的构想：当这些器皿内部充满了半固体或透明固化性流体，同一般透镜一样，可将直射或映射的光线折射，而且其生产成本比较低，此为专有名词“液体透镜”取名的缘由。

西班牙1994年11月10日发明专利编号9402313，主要印证说，能使用‘液体透镜’来产生太阳能的机械为一活动性或固定性的支撑架构。

西班牙1995年11月7日发明专利编号9502166，研析液体透镜的一些特性并进而改进其内部设计。

西班牙1996年5月8日发明专利编号9601033，为调制液体透镜的特点下定义：在广大表面上，依获取日光的目的而定，可建筑大型的液体透镜。

西班牙发明专利编号9700507，描述一调制性液体透镜架设于一个跟随日光方向移动的结构上。

以上所述的各种发明特点均为：利用液体透镜或调制性液体透镜接收及引导日光的基本理论。本论文所描述的发明，将会引用这些理念，但本文的观念较为广泛许多，且其设计也较为实际清楚。

另一方面，申请人知道有些系统利用太阳能产生电力，作水质去钾处理，或甚而经由日光集中程序形成高热墟，但这些系统皆使用凹状或平面镜子及以玻璃或石英组成的反射性厚透镜为材质，重量大且成本昂贵，并不适合作大集中器。

解决以上问题的最佳方法是利用一个日光浓缩器，含有一种又轻又比实心物便宜且结构上适宜接收大量太阳能的调制性液体透镜。

同时，最好有一种能不时引导能源储存器朝向太阳的机械，以收最高量太阳能。

然而，申请人至令并无见过有符合上述种种条件的发明记录。

                  发明描述

此发明所提议的太阳能浓缩器在以上所述的应用范畴中，显而易见，具有新颖性。这是因为本发明的太阳能浓缩器配有一大型调制性液体透镜，内充有流体，配合适当的形式及特性，使其可发挥极好的功能，且生产成本低，想将其用作收集太阳能的大集电器，可装置于一适当的结构上依日光方向移动，或采固定式而不随日光移动，以在高温下集中大量太阳能。

调制性液体透镜此项发明重点是由兵豆形器皿组成：此器皿可用易模制成的各种不同透明物质来作成，譬如玻璃薄片，有机或无机塑胶物及其他类似物质。

这些薄片的厚度须使其能承受内部的压力，一切外在条件及配合使用材料的耐力特性。

调制性透镜的表面可为曲线型，卷曲型，平面或综合式，球型或圆筒形，按所需的焦点类型而定。譬如说圆形，椭圆形，直线形等，而其曲率大小则按预定的焦距而判定。

此调制性透镜平面图可为一圆形，多角形，椭圆形，抛物线形等，可根据要求来确定其形式。

调制性液体透镜可为局部或全面旋转性环形体，其所提供的中心焦点数则由截面的大小及形式来决定。

当需要在一运动中的物体上收取太阳能，可使用全面性旋转或形体完整的环形调制性透镜：其模式可为穹窿屋顶或圆头盔形式，完全性或低式性。

若接收光线方式为固定性的，可采用局部性旋转环形调制性液体透镜，其尺寸规模依接收光线所需的面积大小而定。

调制性液体透镜是利用一个或多种器皿而组成的，每个器皿的形式及大小依其组合成的调制性液体透镜整个规模来决定：这些器皿可通过表面钻开的小孔及连接处相通，如此可完全或部分地填充折射性流体。

为使一个大规模的调制性透镜能够同时产生数种不同的焦距，每一单体器皿内部可横面地分成数等份，以同时或交替方式填充流体，同样地，如果有需要时可以垂直性或横斜切方式地分割以取得适当焦距。

如上述的结果是，在器皿上用液体作不同的填充或抽空可形成不同的光学形式及变化，如兵豆状棱镜，多重或综合性，集聚式-发散式透镜及其他形式等。

也可用不一致或复合性透镜配以多样性截面以取得单一焦距。

数种不同的器皿，可用粘胶性，焊接性物质或模制物质组合成调制性液体透镜以达到足够的紧密性及持久性，也可以使用有弹性、硬性或半硬性接合，或用铸熔方式或加附于纵断面设计适当的结构，以组成调制性透镜。

由一组兵豆形器皿榫接成的调制性透镜将可拥有一般透镜的形式：

集聚性(双凸状  平凸状  凹凸状)

或发散性(凹状  平凹状  凸凹状)

用上述各种物质制造成的兵豆状器皿，其颜色及组织材料并不重要，只要能在表面或其折射性流体内部注入某种抗反射的材质，产品或装置，使其能高效率地集中日光。

调制性透镜及承受其物的结构可依所需，另配设不定量的架构以方便控制、摇摆或转动，不必在乎是否属于结构主体部分之一。

折射性流体可为，水及其他液体、半液体或有固化性及折射性物质；应有适当的成分以与当时的环境、气候条件适当配合，必要时应含抗凝剂，冷却剂或任何其他必要物质以确保其最高效果。

接在活动架构上可作局部旋转的环形透镜，因有极宽广的容许角度，故可配设一套低成本的完全电动机械化日行追踪系统，以接收大量的日光能，使达到经济节约的效果。

另一发明重点为，透过一个球型或圆筒形结构的支撑，一群器皿在中心组成兵豆状圆盘，周围数个兵豆状冠形物围绕使整体形成穹窿式或拱顶式调制性液体透镜。

调制性液体透镜的各种特点使其有一般传统透镜的功能，但前者的重量及厚度却偏低许多。

在焦点的垂直轨迹上放置一液体棱镜，利用折射作用，将光束偏离至设有吸收器的特定点处，焦点亦可被利用一反射系统移开；以上各种设备皆设于一滑动弯轨上。

在焦点上放置一发散性液体透镜，以将光源转换成平行光束，投射于液体棱镜或折射板上，再偏引至吸收器上。

发散性液体透镜及液体棱镜的结合可沿一轨道直线移动，以便追踪垂直的光源。

被液体棱镜折射的平行光束投射于吸收器上，其内部有一吸热板，可在接收太阳能后将太阳能传给一活动流体；而含有吸收器的流体室内，至少有一个选择性窗户控制进口，以降低因发热损失的能源；甚者，应有一个真空腔以阻止热能散失。

从吸收器上接收压缩太阳能的流体活动于一级管路线；此线路有热能转换装置，可将热能传至二级管线路；此线路的流体在使用高压蒸汽及高温下能生产电能或其他用途。

储蓄光能器配有东·西向旋转式系统，可使压缩器照太阳移动方向转动；同样地，由棱镜及透镜结合的整体装有一追随光源的设备。

最后，此发明亦备有一个利用一般燃料。譬如气体、石油、煤炭、生产热量的二级线路，以备取代上述以太阳为能源的系统。

                   图案描述

为补文字讲述的不足，本发明包括了11张具解释性而非限定性的平面图；

图1为可浓缩太阳能的调制性液体透镜截面全图；范例为一大型集聚形调制性透镜；但我们亦可选取其他集聚性或发散性或综合性透镜，并切截各种不同的截面，来表达类似图形。

图2为全面及局部旋转式环形调制性透镜切面平视图。

图3展示了局部及全面旋转式环形调制性透镜横切面与垂直切面图；一个扇形割面平图及一种兵豆状器皿可采取的形式示范图。

图4展示了一种由不同兵豆状器皿组成的大体积集聚式双凸调制性透镜切面平视简图；其榫接细节，连接方式，及支架结构；封固点及作注入或抽空用的小洞。

图5示出了一群不同形体及光学特性的兵豆状器皿配合不同液体充入法，如兵豆状棱镜混合或集聚性，发散性综合透镜，及其他形式。

图6一个配有多样截面，非均匀性或复合性的调制性透镜简图。

图7配有活动架构的储光能器全图：蓄光器上装有调制性液体透镜。

图8展示随着日光移动，折射性液体棱镜及发散性液体透镜可采取的不同位置。

图9例示几种不同的调制性的液体透镜。

图10展示调制性液体透镜中两个邻近层面的联接方式。

图11展示图10调制性液体透镜部分平面图。

图12展示光源如何透过发散性液体透镜转换成平行光束，再透过液体棱镜折射的情形。

图13显示在吸收器内几种集中日光能的可能性。

图14透过一传统透镜集聚日光及透过一调制性液体透镜集聚日光的比较：两者的焦距相似，但厚度差别甚大。

         发明优先实行的步骤

从图1，2，3，4，5，6及7可以发现，可聚集太阳能的调制性液体透镜为一群形体大小及曲率适中的透明兵豆状器皿(1)组成的整体，见图1；在器皿内部填充折射性流体(4)，可使透镜整体，在一广大平面上获取适宜的焦距，并将日光集聚于极少的单一或数个焦点上(2)，而不受任何厚度形式所限。此调制性液体透镜可用任何易成形形的透明物质制造成类似任何形式的集聚性或发散性透镜，并可架设于追随日行的活动架构上或架设于一固定性结构上。

从平面观点而言，整个调制性液体透镜体是可依设计需要而采用任何图形：圆形，多角形，椭圆形，抛物线形等；也可从兵豆形器皿切割不同的旋转式环形体以结合而成。其形成方式有两种，一为由两种不同圆心圆交接的层面随着外圆中心线作全面性或局面性旋转而成，亦可用一直线或折线取代内圆以绕着外圆中心线旋转，见图3，当旋转运动发展完全时，所成的形体将按需要接收太阳能的目的而定；或为圆蛋形体，完整的或低形式的圆层顶形体，而不受任何尺寸限制。

所有组合调制性液体透镜的兵豆状器皿(1)将由易模制成的透明物质来制造；成型方式可为任何翘棱法，吹制法等等，使用物质譬如玻璃薄片，有机或无机塑胶物；只要其合适厚度能承受内部压力，外在条件及确保使用物质的耐力特性即可。上述器皿应有适当的几何形状，个体与个体间以嵌接方式相互连拉接或借助适当的架构来组合，见图4，以形成一调制性透镜整体。

这些组成调制性透镜的模制器皿(1)，可依不同焦距的选择，在内部以横向(8)或垂直，或从任何方向(9)分成数等分，以同时或交替方式用折射性流体(4)注入或将其抽空，以使形成的单一调制性液体透镜整体拥有上述所决定的焦距；每个器皿表面或连接处(10)须挖有适当的小洞及作必要的连接，以获得不同的光学形式及组合，以不同的填充或抽空方式所制的器皿。见图5，可为各式兵豆状棱镜(11)，混合式或综合式的；集聚性，发散性(12)透镜及其他型式(13)。

利用上述的兵豆状器皿(1)我们可建造有单一焦点(3)的不均匀或复合式调制性液体透镜，见图6。

不同的兵豆器皿(1)可用粘接性、焊接性或模制性物质来结合(14)，以确保组合成的调制性液体透明镜整体有足够的密闭性及耐久性；亦可用弹性，硬性，或半硬性器皿以铸熔法，或配以有适当层面角度的活动性架构来组合成调制性液体透镜。

组成这些兵豆状器皿的物质，其颜色及结构并不重要；只要能在其表面或折射液体(4)内部加注某种抗反射的物质，以便能够高效率地集中太阳能(4)。

折射流体(4)可为气体，水或其他液体、半液体或有折射性及固化性的物质、此流体应有适当组合成分以承受气压及气候条件，必要时加含抗凝剂，冷却剂或其他任何可确保最高品质的要素。

由调制性液体透镜及其支撑架构所组成的整体可依所需加配任何有束缚性，摆动性或旋转性结构，以便以静态方式或动态方式使用。

设有局部旋转式斗牛场型调制性液体透镜的活动架构

(6)及(7)可配设以全电动机械方式操作低成本的追踪日行仪器，因为调制性液体透镜具极宽容许角度，可大量地吸收太阳能量，达到经济节约的目的。

在图7我们可观察到日光能源集聚器拥有一调制性液体透镜(21)，当日光被透镜集中于容器内部一点，但在靠近焦点处，光束即被一发散性液体透镜(22)拦截，并将其转换成平行光束，由液体棱镜(24)偏折；此棱镜因太阳移动，日光投射角度不时改变的关系，使棱镜也沿着曲线结构(23)移动。

平行光束先透过一个为减低热能散失而设立的选择性窗户(25)再投射于一吸收器上(26)。

吸收器(26)将热能传给一级线路上的流体(27)，此流体再经由转换器将热能传给二级流体(28)，以应用于任何需要在高压高温下使用蒸汽的工业。此吸收器应至少具备一个选择性窗户，并安置于一真空室，以降低因热能放射作用而损失的热能。

由数种不同的玻璃器皿组成的调制性液体透镜(21)有适当的厚度及特性，可以最大的传送力及必要的架构耐力来承受液体内部压力及构造本身的拉力。

调制性的液体透镜(21)由不同的兵豆状器皿以同圆心方式围绕于位于中心点的兵豆状盘(32)，并互架于一网状结构(33)上。此网架最好用铜或非常结实耐用的铝作成。

调制性液体透镜比一般传统实心物体优秀的原因是其重量轻、成本低，焦距与尺寸大小相比之下较短，而且焦点清楚，并可就光线射出角度的变换来更正光行差。

以上所述的组合可借助旋转性机械(30)来有效地跟随日光移动；这些旋转仪器及所有前文所描述的各种设施可使发散性透镜(22)及液体棱镜(24)随着集聚焦点的方向，在曲线架构上移动，以最有效的方式吸收日光。

架设在活动结构上的太阳能集聚器配有一个以一般燃料为源的热能产生器，以便在低幅射期或晚上时间太阳能不足时取代其位。

同样的以真空方式封密的热能集聚器应备有一组具有多种用途的吸收余热设备。

Claims (15)

1.一种可集聚太阳能的调制性液体透镜，由一种透明兵豆状器皿(1)组成：其形式，大小及曲线设计可配合所需，取得一适当的焦距，能在一广大平面上，将日光(2)集中于一小焦点(3)，而不受任何厚度或形式之限，由这些模制简易，内部充有折射性质流体(4)的透明兵豆状器皿(1)所形成的调制性液体透镜整体可拥有一般常见的集聚或发散特性，组合液体透镜的兵豆状器皿(1)彼此榫接(14)，使成形的透镜可架设于一个或随着太阳活动或静态式的结构上；此结构应配合整个调制性液体透镜特性来设计。

2.根据权利要求1所述的可聚集太阳能的调制性液体透镜，其特征在于：在平面可依计划所需形成各种不同的形状：圆形、多角形，椭圆形，抛物线形；其组成元件，兵豆形器皿(1)可用简易模制的材料以任何模制法作成，譬如玻璃片，有机或无机塑胶物质及其他类似物质应具有适当厚度以承受内部压力及外在环境条件，并配合使用材料所具备的耐力条件。

3.根据权利要求1所述的架造于一活动结构上，可集聚太阳能的新调制性液体透镜，其特征在于：调制性液体透镜可由数个旋转式环形体来组成，此形体从兵豆状器皿截割而来，透过两个不同圆心圆相交接的层面随着外圆中心线作全面或局面性旋转，或以一直线或一折线取代内圆随着外圆中心线作全面(5)或局面性旋转(6)及(7)；依目的所需而决定的切割层面大小及形式将决定中心焦点(3)的数目；此斗牛场型的调制性透镜可以全面旋转性形式穹窿屋顶状或半圆式或低式球蛋状，而不受任何尺寸大小限制。

4.根据权利要求1所述的可聚集太阳能的新型调制性液体透镜，其特征在于，若想要以单一透镜获取不同焦距，可在每个组合调制性液体透镜的兵豆型器皿(1)内部以横面(8)，垂直或斜切(9)方式予以切割，再以同时或交替方式用折射性流体(4)注入或将其抽空；为此，这些器皿表面(10)应钻有小孔，以使彼此相通及相榫接，使由不均匀或复合截面组合成的模制透镜拥有单一焦点。

5.根据权利要求1所述的可集聚太阳能的调制性液体透镜，其特征在于：不同的兵豆状器必须榫连(14)时可用粘连性、焊接性或模制性材质接合，以确保调制性液体透镜整体的紧密性及持久性；亦可使用有弹性、硬性，半硬性或铸熔方式或利用周面设计得当的支撑结构来连接兵豆状器皿以形成调制性透镜。

6.根据权利要求1所述的能聚集太阳能的新调制性液体透镜，其特征在于：不管用什么物质制造兵豆状器皿(1)，其颜色及材料并不重要，只要能在其表面或在折射性流体(4)内部，注入某种防反射的材质，使能高效率地集中日光。

7.根据权利要求1所述的能聚集太阳能的新调制性液体透镜，其特征在于：折射性流体(4)可为气体，水及其他液体，半液体或有固化性及折射性物质，其成分须适当以承受当时的气压、气候条件，必要时须包含抗凝剂，冷却剂成任何其他必要物质以确保其最高效果。

8.根据权利要求1所述的能聚集太阳能的新调制性液体透镜，其特征在于：调制性透镜及承受其物的结构可依所需，不定量地加设可作控制、摇摆或转动活动的架构，以静态或动态方式方便吸收太阳能(2)。

9.根据权利要求1所述的能聚集太阳能的新调制性液体透镜，其特征在于：接在活动架构上的局部旋转式斗牛场状调制性透镜(6)及(7)，因容许角度大可允许配用一套完全电动机械化的日行追踪系统。

10.根据权利要求1所述的能聚集太阳能的新调制性液体透镜，其特征在于：其兵豆状器皿(1)可以水平式(8)细分为数等分。

11.根据权利要求1所述的能聚集太阳能的新调制性液体透镜，其特征在于：其折射流体(4)可为气体、水、或其他液体、半液体成分或有折射性及固化性物质。

12.一种架设于活动结构之上的太阳能集聚器，配有可集中日光的单一或数个调制性液体透镜(21)；内部有一发散性透镜(22)截取光点并将其转换成平行光束，光束投射于一液体棱镜(24)后被折射至一吸收器(26)，使其发热，将热量传递至循环于一级管路中的液体，此液体透过转换器(28)，将热量传至二级线路上，在高压及高温下将液体蒸发作能源之用；而且，利用适当的日光跟综系统，棱镜(24)及发散性透镜(22)所组合的整体可跟随光焦点，沿着一条滑轨移动(23)。

13.根据权利要求12所述太阳能聚集器，其特征在于，有一真空室围绕或包围着吸收器(26)，同样地有一选择性窗户(25)可与吸收器(26)内部相通，使从液体棱镜(24)传来的光束可通过。

14.根据权利要求12和13所述的架于活动结构上的太阳能聚集器，其特征在于：配有一旋转式架构(30)，可随着日光移动而旋转整个设备。

15.根据权利要求1至11所述能聚集太阳能的新调制性液体透镜，其特征在于，透过一个网状球形或圆筒形结构的支撑，一群器皿在中心形成兵豆状圆盘，周围数个兵豆状冠形围绕，使整个组成一个穹窿屋顶式或拱顶式调制性液体透镜。

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