CN1920300A

CN1920300A - 一种太阳能设备

Info

Publication number: CN1920300A
Application number: CNA2005100928815A
Authority: CN
Inventors: 李江保
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2005-08-25
Filing date: 2005-08-25
Publication date: 2007-02-28

Abstract

一种太阳能设备，属于可再生能源领域。通过轨道计算实现定日镜自动精确定位，通过黑洞吸收太阳能的光转换成热，利用落地式太阳光聚集设备或侧向聚焦的旋转抛物面聚光装置以及穿透式旋转抛物面聚光装置，使用高温蓄热材料，实现利用太阳热过热蒸汽而蒸汽透平发电后的气体加热水产生蒸汽的最优发电流程。

Description

一种太阳能设备

技术领域本发明涉及一种太阳能设备，它属于可再生能源领域。

背景技术随着世界经济的发展，特别是我国经济的快速发展，能源的需求量快速增加，能源危机已经成为当前越来越突出的问题，其中，石油价格大幅上涨。能源的增长，目前还是以不可再生能源增长为主，其中，煤和石油仍然是主流，这样导致了环境污染，并增加了温室气体的排放。在地球上，煤、石油、水力、风力等能源，其最初的来源是太阳能。而太阳能本身在地球上的利用率非常低，只靠非常有限的光合作用留在地球上，煤和石油就是几亿年以前光合作用留下的能源，但很快将被当今的人类消耗干净。人们忽视了一个问题，那就是，太阳能非常巨大，如果人们好好利用太阳能，只要稍微提高效率，人类所需要的能源便可以完全满足。在地球外层空间，垂直于太阳每平方米1300瓦，地面约1000瓦/米²，我国有960万平方公里，1平方公里＝1000000m²，如果有千分之一面积的太阳能利用，假设折算为垂直于太阳角度后的面积为原来的50％，就有9600×1000000×0.5＝480000万千瓦，一年太阳照射时间较短地区约2000小时，则能量为480000×2000＝960000000万千瓦时＝82545.14187万吨标准油＝165090.2837万吨标准煤，则几乎足够我国所需要的能源。目前人类利用太阳能的手段太少，效率太低，其中太阳能电池的效率只有10％多，而太阳热产生蒸汽发电的效率也只有20。而要提高效率，手段之一是精确跟踪太阳，目前还没有能简易而精确的跟踪设备；手段之二是设计好的聚光装置，目前的塔式太阳热发电有严重的缺陷；手段之三是设计好的发电流程，而目前流程是太阳能产生蒸汽，这样严重影响发电效率。

发明内容本发明提供了一种新的太阳能设备，它包含通过轨道计算实现太阳自动精确跟踪的定日镜，包含有黑洞吸收太阳能的光热转换装置，包含有取代塔式太阳热发电的落地式或类似旋转抛物面式的太阳光聚集设备，包含有侧向聚焦的旋转抛物面聚光装置，包含有穿透式旋转抛物面聚光装置，包含有高温蓄热材料，包含有利用太阳热过热蒸汽，而蒸汽透平发电后的气体加热水产生蒸汽的最优发电流程。

实现定日镜的功能，即随着太阳的运动将日光反射到固定的位置，首先要实现对太阳的跟踪，即，使设备始终正对太阳。将跟踪运动可以分解为两个运动，一个是均匀圆周运动，另一个是将地球公转轨迹均匀缩小的椭圆运动在直线上的投影的运动。地球有自转，从相对运动的角度，地球的自转可以转化为太阳绕地球的转动，即认为地球不动，而太阳围绕地球的南北周线均匀转动，太阳和地球的连线，随着这个转动形成了一个锥面，这个锥面的轴心和地球南北轴心平行，而锥面的夹角和日期有关。当太阳达到南北回归线时，锥面的夹角最小，而当太阳在两个回归线的中间，即赤道上时，锥面变成了平面。一根直线相对于另一根和它相交的直线转动，即形成了圆锥面。所以当太阳设备正对太阳时，使该设备沿一条和地球南北轴线平行的轴线均匀转动，即一个均匀圆周运动，即可实现对太阳的自动跟踪，而太阳设备和地球南北轴线的角度通过另一椭圆运动在直线上的投影的往复运动实现跟踪。将定日镜初始位置确定后，两个匀速圆周运动的速度为跟踪时速度的一半，即可将太阳光反射固定在一个位置，实现了定日镜的功能。圆周运动可以利用钟表原理的发条来实现，也可以用同步电机来实现，也可以通过电路板控制同步电机、步进电机或其他电机来实现。

利用黑洞吸收的方法将聚集后太阳能转化为热能其转化效率最高。任何物体在受到光照射后，光的去向分三部分：穿透、吸收、反射，光被全部吸收的物体为黑体。一个封闭的腔体，在任意处开一个小口，从这个小口射入腔体内的光线，在内部经过多次的吸收、反射，最终几乎被全部吸收，即便组成黑洞，也是光学上的黑体。本发明包括一个这样的黑洞，太阳光聚集后照射进入黑洞，使光能几乎全部转化为热能，这个带有黑洞的腔体可以是任何材料作成的，并可以置于另外一个容器里，加热这个容器里的液体。比如加热水，可以产生高压高温的蒸汽发电，其温度不受传热的限制，因为辐射传热的推动力来自两个物体的温度差，其中的高温物体是太阳，太阳表面温度达6000度以上，这样可以将发电效率大大提高，黑洞内的传热设备，可以做成球形、圆柱形、锥形，为增加换热面积，可以作成刺猬式、槽式和盘管式。

落地式或类似旋转抛物面式的太阳光聚集设备，避免了塔式设备需要将光热转换装置放置在高处的毛病。落地式太阳光聚集设备，将定日镜按和当地水平面成一个角度放置，这个角度和当地的纬度有关，利用定日镜将日光反射到地面上的黑洞。定日镜的分布为凸型，以便在太阳升起和落下时有足够的照射面积。类似旋转抛物面式的太阳光聚集设备，即将定日镜类似旋转抛物面排列，以下面的定日镜不遮挡上面定日镜的反射光为原则，定日镜将日光反射到地面上的黑洞。在地面进行光热转换，并产生或过热蒸汽，可以节省塔式设备上许多管线，降低了成本，更减少了热损失，而且光热转换的黑洞不挡阳光，在地面可以更好保温，操作检修方便。

对于小型太阳能设备，则利用侧向聚焦的旋转抛物面，聚焦点在侧面，整个面是整体旋转抛物面的一部分。

小型太阳能设备，可以利用穿透式旋转抛物面聚光装置。抛物面的特点是平行于抛物面轴线的光照射后都反射到一点，普通的旋转抛物面聚光装置都是利用抛物面的底部，焦点在上方，穿透式旋转抛物面聚光装置则是利用抛物面的上部，焦点在下方。

用高温蓄热材料，白天吸收太阳热，晚上产生蒸汽。

蒸汽发电，一般要产生蒸汽、过热蒸汽、蒸汽透平带动发电机。利用太阳能温度高的特点，太阳能直接过热蒸汽，到500℃以上，高时达到1000℃，蒸汽透平后，由于其还有很高的温度，用来加热水使其产生蒸汽，这种发电流程在产20公斤压力蒸汽的情况下效率高达75％，从而不需要产生高压蒸汽，简化设备和运行成本。在启动阶段需要用太阳能产生蒸汽。

附图说明：本发明的目的可以从下面的附图得到详细说明

附图1为定日镜原理图

附图2为黑洞吸收图

附图3为刺猬形黑洞

附图4为槽式黑洞

附图5为盘管黑洞

附图6为带定日镜的落地式聚光装置

附图7为带定日镜的落地式聚光装置的凸形图

附图8为侧向聚焦的旋转抛物面

附图9为穿透式旋转抛物面

附图10为穿透式旋转抛物面的局部放大图

附图11为蒸汽发电流程图

具体实施方案：在各示意图中，1表示平面反射镜；2表示固定平面反射镜并能允许平面反射镜转动的框架；3表示固定框架并能允许框架转动的支架；4表示框架2和支架3的活动节点；5表示反射镜1和框架2的活动节点；6表示能驱动框架运动的支竿；7表示能驱动反射镜相对于框架运动的反射镜支竿；8表示使框架支竿运动的轨道；9表示框架支竿6在轨道上传动的位置；10表示反射镜支竿7运动的椭圆轨道；11表示反射镜支竿7在轨道上传动的椭圆位置；12表示黑洞吸收光的表面；13表示黑洞的外壳；14表示刺猬形黑洞的支管；15表示槽形黑洞的槽；16表示盘管；17表示定日镜安装的坡度；18表示定日镜安装的凸形分布；19表示侧向聚焦的旋转抛物面；20表示侧向聚焦的焦点；21表示穿透式旋转抛物面；22表示汽轮机；23表示透平后的蒸汽加热水并使水汽化的换热器；24表示水泵。

图1的定日镜实施方案为：两个活动节点4之间的连线平行于地球自转的轴线，通过传动定位来调整反射镜支竿7，使反射镜1的角度变化，在南北方向将太阳定位，再通过传动定位来调整框架支竿6，使其执行均匀圆周运动，在东西方向将太阳定位。

图2示意出，当太阳照射到黑洞后，每碰到吸收面，光线吸收并部分反射(为漫反射)，反射的光线弱于射到表面的光线，通过多次的吸收、反射，最终光线几乎全部被吸收。在内表面12，光线吸收后变为热量，位于内表面12和外壳13之间，通过介质吸收转换过来的热量。

附图3的刺猬形黑洞，在内表面12上连接许多支管14，光线射到支管内，相当于进入了黑洞里的黑洞，更增加了吸收效果。

附图4的槽式黑洞，通过许多槽15，增加了换热面积。

附图5的盘管形黑洞，将管子弯曲，盘管16形成黑洞内腔，这种形式制造简单，介质流动均匀。

附图6的落地式聚光装置，将定日镜1按和当地水平面成一个角度17放置，利用定日镜将日光反射到地面上的黑洞。

附图7为带定日镜的落地式聚光装置的凸形图，凸形18分布可以在太阳升起时以及太阳落水时，有更多的照射面积。

附图8的侧向聚焦旋转抛物面，利用旋转抛物面的部分19聚焦太阳，由于焦点20没有挡住阳光，吸收设备可以随意制作，并可以放置地面的圆形轨迹上，而且抛物面的部分19可以做成很大面积。

附图9和附图10的穿透式旋转抛物面，焦点在抛物面下方，不挡太阳，但当需要接受很多太阳光时，需要做很长。

附图11的蒸汽发电流程图显示，利用太阳能温度高的特点，太阳能热，到500℃以上，高时达到1000℃，通过汽轮机22透平发电后的蒸汽，用来通过换热器23加热水使其产生蒸汽，蒸汽通过黑洞12直接过热后去汽轮机，透平发电后的蒸汽在换热器23加热水自己被冷却成水，再用泵24打到换热器23。

Claims

1.一种太阳能设备，其特征在于：通过轨道计算实现定日镜对太阳的自动精确跟踪，黑洞光热转换装置吸收太阳能，落地式或类似旋转抛物面式的太阳光聚集设备，也可以是侧向聚焦的旋转抛物面或穿透式旋转抛物面实现聚光，高温蓄热材料实现夜间发电，利用太阳热过热蒸汽，而蒸汽透平发电后的气体加热水产生蒸汽的最优发电流程。

2.根据权利要求1所述的太阳能设备，其特征在于，定日镜的运动分为两个运动，一个运动是以一根平行于地球自转轴的线为轴的均匀圆周运动，目的是在有阳光时跟踪太阳，来源于地球自转，在定日镜初始角度确定好后，该均匀圆周运动的速度为48小时一周，在开始有光线照射并能反射到指定位置时进行初始定位并开始运动，而到不能反射到指定位置时运动终止；另一个运动，目的是调整定日镜随季节或日期变化的角度，来源于地球公转，是地球公转轨迹均匀缩小的椭圆运动第一个运动的轴线上的投影的往复运动，运动范围和速度是达到正对太阳所需要范围和速度的一半，该运动不停止，椭圆运动一周的时间为一年，即365.2422日，往复到两头的时刻正是太阳到南、北回归线的时刻。两个运动可以利用齿轮或链条传动或减速。利用钟表原理的发条来实现，也可以用同步电机来实现，也可以通过电路板控制同步电机、步进电机或其他电机来实现，可以多个定日镜通过连杆连接到一起运动。也可以通过连接时间的连续定位的形式实现这两个运动。

3.根据权利要求1所述的太阳能设备，其特征在于，太阳光聚集后照射到黑洞里吸收，黑洞内接受太阳光的面积大于洞口面积的20倍，黑洞里的结构可以是球形、圆柱形、圆锥型，为增加传热面积，可以是刺猬形、槽形，还可以是螺旋式的盘管形，可以是一根管子盘绕，也可以是两根或多根管子盘绕，盘管之间的缝隙很小，只考虑热胀冷缩。黑洞外面有一个壳体，黑洞和壳体之间充满吸热介质，壳体外可以加有保温，对于盘管形，吸热介质在管内，盘管外可以加保温，黑洞的洞口可以用薄的透明玻璃封住，避免对流传热。黑洞内吸收光的表面可以涂抹黑体材料。黑洞内受光面可以是断开的，其中不需要吸收光的面可以作为反射面，需要吸收光的面则不是反射面，光照射到不需要吸收光的表面上后，光线反射到需要吸收光的面上。

4.根据权利要求1所述的太阳能设备，其特征在于，可以采用落地式太阳光聚集设备，利用定日镜将太阳光反射固定到地面的黑洞里，定日镜的南北方向的分布坡度和当地的纬度有关，纬度越大，坡度越大，东西方向采取凸型分布。

5.根据权利要求1所述的太阳能设备，其特征在于，可以采用类似旋转抛物面式的太阳光聚集设备，定日镜采取旋转抛物面的分布，并保证定日镜之间没有遮挡，并将太阳光反射固定到地面。

6.根据权利要求1所述的太阳能设备，其特征在于，可以采用侧向聚焦的旋转抛物面实现聚光。

7.根据权利要求1所述的太阳能设备，其特征在于，可以采用穿透式旋转抛物面实现聚光，既利用抛物面上部的聚光装置，焦点在下方。

8.根据权利要求1所述的太阳能设备，其特征在于，可以采用高温蓄热材料实现夜间发电。

9.根据权利要求1所述的太阳能设备，其特征在于，采用最优的发电流程，利用太阳能过热蒸汽，过热蒸汽通过汽轮机发电，而蒸汽透平发电后的蒸汽加热水产生蒸汽。