專利名稱：太陽能集束接收器及太陽能集束傳輸系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型屬于太陽能綜合利用技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種太陽能集束傳輸系統(tǒng)與核心構(gòu)件。太陽能是一種清潔的、取之不盡用之不竭的能源，可用于建筑取暖、照明；農(nóng)牧業(yè)、工業(yè)生產(chǎn)；海水淡化、發(fā)電等等。
背景技術(shù)：
隨著能源危機和環(huán)境污染問題的加重，世界各國都在加大太陽能技術(shù)開發(fā)和利用的力度，有關(guān)太陽能利用的新專利、新技術(shù)、新產(chǎn)品、新項目、新政策層出不窮，在科研、生產(chǎn)、應(yīng)用各領(lǐng)域形成了不斷升級的競爭高潮。直到目前為止，全世界有關(guān)太陽能利用無論是聚焦型應(yīng)用還是平板型應(yīng)用，盡管具體技術(shù)千差萬別，但都還停留在所在地直接取用的傳統(tǒng)方式上。因而造成應(yīng)用項目一次性投資巨大；設(shè)計、審批、施工、調(diào)試周期長；項目規(guī)模可擴展性差；為追求效率而采用高端技術(shù)，使成本不斷增高。其實太陽能并不是珍惜資源，無處不在，只要技術(shù)適當(dāng)，任何人任何地方都可利用；數(shù)量巨大一取之不盡，每年到達地球表面的太陽能是目前全球總能耗的近兩萬倍；永遠提供一用之不竭，太陽已經(jīng)生存了 150億年，還可再存在1000億年，而地球的壽命還只有50多億年，所以太陽能是一種持久的、廉價的、清潔的、安全的能源。問題的關(guān)鍵是，到達地球表面的太陽輻射能的總量盡管很大，但是能流密度卻很低。平均說來，北回歸線附近夏季晴天中午的太陽輻射強度最大，約為1. 1 1. 2kw / m2， 即投射到地球表面1 m2面積上的太陽能功率僅為1 kW左右；冬季大致只存一半，而陰天則往往只有五分之一左右。因此，想要得到一定的輻射功率，就只有一種可行的辦法使采光面積增大，同時提高采光面的受光率?？墒悄壳安扇〉乃诘刂苯尤∮梅绞剑沟貌晒饷娣e受到地域、資金、相鄰環(huán)境、技術(shù)條件等局限，使得太陽能應(yīng)用項目總有欠缺感，使得太陽能的受益范圍、應(yīng)用領(lǐng)域難以擴大。畢竟一時、一地的太陽照射面積總是有限的。本訴求的核心價值是摒棄太陽能在應(yīng)用地直接取用方式，實現(xiàn)太陽能的采、用分離，使太陽能可以像水、電、天然氣等其它能源一樣，開采、傳輸不與具體應(yīng)用直接對應(yīng)；以系列化、標(biāo)準(zhǔn)化、通用型模式配送，使太陽能真正成為一種方便的普及型能源。從而改變現(xiàn)有光伏發(fā)電、光熱發(fā)電、太陽能照明、太陽能熱水器等的效率低、成本高、應(yīng)用難狀態(tài)，進而開拓農(nóng)牧業(yè)、工業(yè)、建筑業(yè)等太陽能直接利用的新領(lǐng)域。
發(fā)明內(nèi)容本實用新型目的是解決現(xiàn)有太陽能利用因應(yīng)用地直接取用而導(dǎo)致的效率低、成本高、應(yīng)用難問題，提供一種太陽能集束接收器與傳輸構(gòu)件及太陽能集束傳輸系統(tǒng)，采用太陽能的采、用分離、集中傳輸方式，為太陽能利用的提高效率、降低成本、拓展領(lǐng)域提供手段。首先，本實用新型提供了一種太陽能集束接收器(見圖1)，該接收器由大回轉(zhuǎn)拋物面和小回轉(zhuǎn)拋物面構(gòu)成，兩個回轉(zhuǎn)拋物面相對放置，且兩個回轉(zhuǎn)拋物面的焦點重合、對稱軸在同一直線上，大回轉(zhuǎn)拋物面的中心部位開有一個作為光路的通孔，該通孔與導(dǎo)光管連接，小回轉(zhuǎn)拋物面的口型直徑與大回轉(zhuǎn)拋物面中心部位的通孔直徑相吻合。其次，本實用新型提供了一種由以上所述的太陽能集束接收器構(gòu)成的光能集散單元(見圖8和圖9)，該光能集散單元由至少兩個以上所述的太陽能集束接收器構(gòu)成，各太陽能集束接收器中的導(dǎo)光管通過光束轉(zhuǎn)向器及導(dǎo)光管匯聚于一處，并通過光束分合器將各路光匯聚成一束光再經(jīng)光束集散器進一步集束后通過導(dǎo)光管輸出。第三，本實用新型提供了一種由以上所述的光能集散單元構(gòu)成的太陽能集束傳輸系統(tǒng)(見圖10和圖11)，該傳輸系統(tǒng)由至少兩個以上所述的光能集散單元構(gòu)成，各光能集散單元中的輸出導(dǎo)光管通過光束轉(zhuǎn)向器及導(dǎo)光管匯聚于一處，并通過光束分合器將各路光匯聚成一束光再經(jīng)光束集散器進一步集束后通過導(dǎo)光管輸出。其中，光能集散單元和太陽能集束傳輸系統(tǒng)中所述的光束轉(zhuǎn)向器的結(jié)構(gòu)相同，所述的光束分合器及光束集散器的結(jié)構(gòu)也相同。所述的光束轉(zhuǎn)向器包括一個彎管，彎管內(nèi)的轉(zhuǎn)彎處設(shè)置一個反光鏡面并使入射光和反射光分別與彎管兩端的軸線方向平行。此種光束轉(zhuǎn)向器稱為基本型“光束轉(zhuǎn)向器”。所述的光束轉(zhuǎn)向器還可以是可控型“光束轉(zhuǎn)向器”，該可控型“光束轉(zhuǎn)向器”包括一個四通型管體，其中一個端口為光能入射口，在四通型管體內(nèi)的中間通過轉(zhuǎn)軸安裝有一個可旋轉(zhuǎn)反光鏡面。所述的光束分合器包括一個五通型管體，其中一個端口為光能出射口，其余四個端口為光能入射口且軸線方向與光能出射口的軸線方向垂直，五通型管體內(nèi)的中部與各光能入射口相對各放置有一個反光鏡面，反光鏡面與光能入射口和光能出射口的軸線方向均成45°夾角，四個反光鏡面構(gòu)成一個四棱臺或四棱錐形。所述的光束集散器包括一個二通變徑型管體，其中管體直徑較大的端口為光能入射口，管體直徑較小的端口為光能出射口，在二通變徑型管體中的較大直徑管體內(nèi)放置有一個球面半徑及外輪廓圓半徑均較大的凸透鏡，在二通變徑型管體中的較小直徑管體內(nèi)放置有一個球面半徑及外輪廓圓半徑均較小的凸透鏡，大小兩個凸透鏡在二通變徑型管體中中心線同軸，外輪廓圓半徑均與對應(yīng)管體內(nèi)徑相同，且該二凸透鏡位于管道內(nèi)側(cè)的兩個焦點共點布置，并在管件結(jié)構(gòu)中設(shè)置有能對二凸透鏡軸向相對位置進行微調(diào)的機構(gòu)。本實用新型的優(yōu)點和積極效果盡管到達地球表面的太陽輻射能的總量很大，但是能流密度卻很低。為了獲取一定規(guī)模的太陽能能量，現(xiàn)有利用技術(shù)均是通過擴大單個項目規(guī)模和采用先進的能量轉(zhuǎn)換技術(shù)來實現(xiàn)，因而造成一次性投資巨大；設(shè)計、施工、調(diào)試難度大、周期長。也正是由于單個集中利用太陽能項目的大規(guī)模，導(dǎo)致無法實現(xiàn)太陽的全向跟蹤，因而又使得整體效率低下。此外，在光伏發(fā)電方面，因為直接利用的太陽輻射能流密度低，導(dǎo)致光電轉(zhuǎn)換效率不到20%; 在光熱發(fā)電方面，因一次光熱轉(zhuǎn)換后的熱能傳輸環(huán)節(jié)存在，導(dǎo)致成本增大和沿程熱量損失帶來的效率降低。還有，這種在利用太陽能項目所在地直接取用太陽能的方式，決定了需要占用集中的大面積土地，導(dǎo)致項目建設(shè)成本和土地成本很大；同時，在項目運行中當(dāng)?shù)氐臍庀鬆顩r(如陰天、晴天)變化直接導(dǎo)致獲取太陽能量的變化，而為了抵消這種變化給工作系統(tǒng)帶來的不良影響(輸出電力波動)又不得不增添很多設(shè)備，使得系統(tǒng)進一步復(fù)雜化，從而進一步增大了項目的投資規(guī)模和運行成本。本實用新型所述的太陽能集束接收器，是一種占地面積非常有限的單體式太陽能接收器，非常便于太陽的全向跟蹤，因而可實現(xiàn)高效率的太陽能接收。各太陽能集束接收器之間的連接和光能傳輸是通過導(dǎo)光管、轉(zhuǎn)向器、分合器、集散器等器件實現(xiàn)，其相互之間無嚴格的位置要求，因而極大地節(jié)約了建設(shè)費用。同時，這種結(jié)構(gòu)方式可方便地將單體太陽能集束接收器安裝于海邊、河邊、路邊、湖邊、屋頂、草原、荒灘、山地、沙漠等等各處，通過導(dǎo)光管、轉(zhuǎn)向器、分合器、集散器等器件把各個分散的單體太陽能集束接收器采集的太陽能匯集、傳輸，因而極大地降低了土地成本。此外，太陽光能的傳輸無需導(dǎo)體、沒有沿程損失、不需外力驅(qū)動、不受重力影響，導(dǎo)光管的作用主要是保護光路不受遮擋，因而輸送管路費用極低、長距離傳輸效率很高。本實用新型所述的太陽能集束傳輸系統(tǒng)，可將邊遠的、分散的、地域狹窄的太陽光能以極高能量密度的太陽能光束形式傳輸?shù)焦夥l(fā)電廠、光熱發(fā)電廠、抽水蓄能發(fā)電站、無土栽培植物工廠、海水淡化處理廠、煉鋼廠、化工廠、居民區(qū)、辦公樓、學(xué)校、商場、超市、煤礦、地鐵站等等太陽能利用場所，用于發(fā)電、建筑采光、工作照明和工業(yè)生產(chǎn)，從而極大地降低生產(chǎn)、生活對化石能源的依賴、減少二氧化碳的排放量、降低經(jīng)濟成本和環(huán)境成本。采用本實用新型所述的太陽能集束傳輸系統(tǒng)，將邊遠荒置或路邊河邊等處的太陽光導(dǎo)入城市中用于建筑采光，可極大地減小樓間距、增大出房率；節(jié)約建筑占用土地；增大生活、居住面積；擴大城市的交通道路等公共活動空間。由于所述的太陽能集束傳輸系統(tǒng)，可以將采自四面八方的太陽光能匯聚傳輸，可以極大地減小因氣象狀況引起的能量供應(yīng)波動，加之人為的控制調(diào)節(jié)，可以保證發(fā)電、生產(chǎn)用光能的恒量供應(yīng)，從而可簡化生產(chǎn)系統(tǒng)、降低成本、提高生產(chǎn)率。由于所述的太陽能集束傳輸系統(tǒng)，是由多個占地面積非常有限的單體式太陽能集束接收器通過導(dǎo)光管、轉(zhuǎn)向器、分合器、集散器等器件連接而成，因而具有不受地形地貌限制、建設(shè)成本低、可無限擴展的特點。理論上講，本實用新型所述的太陽能集束傳輸系統(tǒng)可經(jīng)過長期的、不斷增加的過程，將地球上可采集太陽能的地方的全部太陽能都收集起來，加以利用。鑒于太陽能的取之不盡用之不竭特點，通過所述的太陽能集束傳輸系統(tǒng)的普及應(yīng)用，有望徹底解決人類的能源需求和環(huán)境污染問題，將會產(chǎn)生極其巨大的經(jīng)濟效益和社會效益。

圖1是“太陽能集束接收器”的結(jié)構(gòu)原理圖。圖2是“導(dǎo)光管”的結(jié)構(gòu)原理圖。圖3是基本型“光束轉(zhuǎn)向器”的結(jié)構(gòu)原理圖。圖4是可控型“光束轉(zhuǎn)向器”的結(jié)構(gòu)原理圖。圖5是“光束分合器”結(jié)構(gòu)原理圖的主視圖。圖6是“光束分合器”結(jié)構(gòu)原理圖的俯視圖。圖7是“光束集散器”的結(jié)構(gòu)原理圖。圖8是“光能集散單元”構(gòu)成原理圖的主視圖。圖9是“光能集散單元”構(gòu)成原理圖的俯視圖。圖10是“太陽能集束傳輸系統(tǒng)”構(gòu)成原理圖的主視圖。圖11是“太陽能集束傳輸系統(tǒng)”構(gòu)成原理圖的俯視圖。
具體實施方式
“太陽能集束傳輸系統(tǒng)”的中心理念是太陽能的集束方式傳輸，而“太陽能集束接收器”、“導(dǎo)光管”、“光束轉(zhuǎn)向器”、“光束分合器”和“光束集散器”則是構(gòu)成系統(tǒng)的核心構(gòu)件， 通過這些構(gòu)件的合理組合可構(gòu)筑成小到僅由單個目標(biāo)應(yīng)用的簡單系統(tǒng)，大到將全部可利用太陽能工作的裝置組成智能監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)。1、太陽能集束接收器“太陽能集束接收器”用于太陽能收集并以集束方式傳出，由一大一小兩個回轉(zhuǎn)拋物面構(gòu)成，如圖1所示。其中1是回轉(zhuǎn)拋物面的公共對稱線、2是回轉(zhuǎn)拋物面的公共焦點、3 是大回轉(zhuǎn)拋物面、4是大回轉(zhuǎn)拋物面上的通孔、5是小回轉(zhuǎn)拋物面、6是入射光線、7是反射光線、8是出射光線。小回轉(zhuǎn)拋物面5是一個完整的回轉(zhuǎn)面，而大回轉(zhuǎn)拋物面3的中心部位有一個作為光路的通孔4，兩拋物面的焦點2重合、對稱軸1在同一直線上?；剞D(zhuǎn)拋物面的光學(xué)性質(zhì)表明經(jīng)過焦點的光線經(jīng)拋物面反射后平行于拋物面的對稱軸。由光路的可逆性可知當(dāng)入射光線6平行于對稱軸1入射后，經(jīng)大回轉(zhuǎn)拋物面3反射后的反射光線7將集中通過焦點2，由于小回轉(zhuǎn)拋物面5的焦點也在2點上，這樣反射光線 7再經(jīng)小回轉(zhuǎn)拋物面5反射后就轉(zhuǎn)變成平行出射光線8。比較入射光線6與出射光線8，可發(fā)現(xiàn)本“太陽能集束接收器”既實現(xiàn)了太陽能的接收，同時又將接收的太陽能進行了能流密度壓縮(集束)且兩光束均為平行光。大回轉(zhuǎn)拋物面的口型直徑可根據(jù)結(jié)構(gòu)、工藝、空間等條件選定，其大小決定采光面積；小回轉(zhuǎn)拋物面的口型直徑與傳輸光束的導(dǎo)光管直徑有關(guān)，尺寸上應(yīng)小于等于導(dǎo)光管的直徑；大小回轉(zhuǎn)拋物面的口型直徑之比，決定了太陽能能流密度壓縮率(集束率)的大小。只要適當(dāng)選取大小回轉(zhuǎn)拋物面的直徑，就可以獲得定徑、定密度的平行傳輸光能，為光能的有序、高效傳輸提供基礎(chǔ)。當(dāng)然，根據(jù)光路的可逆性原理，本“太陽能集束接收器”也可以反向使用，即當(dāng)光線 8作為入射光時，光線6就成了出射光線，這樣就實現(xiàn)了光能能流密度的解壓縮(擴束)。因此“太陽能集束接收器”既可作為太陽能集束傳輸系統(tǒng)始端的接收器，又可作為太陽能集束傳輸系統(tǒng)末端的發(fā)送器。實用中回轉(zhuǎn)拋物面3、5均可由具有一定強度和剛度的材料制成的結(jié)構(gòu)層與反光效果良好的材料制成的反光層構(gòu)成，兩個回轉(zhuǎn)拋物面間要剛性固定連接，連接后兩焦點的共點精度和兩對稱軸的共線精度將直接影響光能的采集效率。2、導(dǎo)光管本來光的傳輸完全不需要管道來傳輸，陽光在自然界的傳播就是證明。但當(dāng)我們要改變光的傳播方向時，就需要用到反光鏡之類的裝置，而這類裝置又需要與所操控的光束之間保持適當(dāng)?shù)奈恢藐P(guān)系，“導(dǎo)光管”就可以實現(xiàn)這一功能?！皩?dǎo)光管”可以用鋁塑管、PVC 管之類的管材制作，為了降低管材直線度的要求需要在管的內(nèi)壁附著良好的反光材料，以便將因管壁彎曲而射到管壁上的光能反射回管中，提高光的傳輸效率?！皩?dǎo)光管”如圖2，10 為管壁，主要起強度和剛度作用；11為反光材料層；12為螺紋或法蘭之類起連接作用的結(jié)構(gòu)；9為小孔，用以連通管內(nèi)外的空氣。空氣對光的阻擋作用不算大，其對光的散射作用也會被管內(nèi)的反光層所反射，但當(dāng)光能流密度較高時會將管道內(nèi)的空氣加熱導(dǎo)致膨脹，在“導(dǎo)光管”的適當(dāng)長度內(nèi)開設(shè)一個小孔可釋放膨脹壓。如果能將連接后“導(dǎo)光管”內(nèi)的空氣抽掉，制成真空導(dǎo)光管，則可免除空氣對光能傳輸?shù)挠绊懀藭r就不要再設(shè)連通小孔了。[0041]實用中可有意地將“導(dǎo)光管”的直徑尺寸選得比所傳輸光束的徑向尺寸大一些，這樣可進一步降低對“導(dǎo)光管”直線度的要求，可避免因光線射到管壁上再由反光層反射而帶來的光的傳輸效率降低，亦可降低對反光層的性能要求，從而既降低了 “導(dǎo)光管”的制造成本又提高了光的傳輸效率。3、光束轉(zhuǎn)向器要對光能進行傳輸和控制，“光束轉(zhuǎn)向器”是不可缺少的構(gòu)件。按照具體應(yīng)用目的不同，“光束轉(zhuǎn)向器”可分為兩種類型基本型“光束轉(zhuǎn)向器”、可控型“光束轉(zhuǎn)向器”?！肮馐D(zhuǎn)向器”亦可用鋁塑、PVC等類型的材料制作，為了降低形狀精度的要求亦需在內(nèi)壁附著良好的反光材料，以便將射到壁面上的光能反射回管中，提高光的傳輸效率。基本型“光束轉(zhuǎn)向器1Π圖3所示，13為彎管壁，主要起強度和剛度作用，彎曲角度可視應(yīng)用需要而定，一般可制成90°直角形；14為反光材料層；15為固定反光鏡面，其安置方向取決于管的彎曲角度；16為螺紋或法蘭之類起連接作用的結(jié)構(gòu)。反光鏡面的功能是盡可能實現(xiàn)傳輸光的百分之百的轉(zhuǎn)向傳輸，當(dāng)管的彎曲角度為90°時，其鏡面與管道成45° 安裝。可控型“光束轉(zhuǎn)向器”的功能是對所傳輸?shù)墓饽苓M行傳輸方向與分配量比例的控制，因此需要反光鏡面能繞直線傳輸軸和(或)轉(zhuǎn)向傳輸軸轉(zhuǎn)動。圖4是可控型“光束轉(zhuǎn)向器”的一種實現(xiàn)方案，圖中17為轉(zhuǎn)向光能傳輸口 1 ；18為轉(zhuǎn)向光能傳輸口 2 ；19為直線傳輸軸；20是可旋轉(zhuǎn)反光鏡面；21為直線光能傳輸口。當(dāng)某種外力操控可旋轉(zhuǎn)反光鏡面20繞直線傳輸軸19轉(zhuǎn)動時，可實現(xiàn)光能沿轉(zhuǎn)向光能傳輸口 1與直線光能傳輸口方向的輸送比例分配，隨位置的變化這一比例可在0 100%范圍變化，而當(dāng)可旋轉(zhuǎn)反光鏡面20轉(zhuǎn)過一定角度后又可實現(xiàn)光能沿轉(zhuǎn)向光能傳輸口 2與直線光能傳輸口方向的輸送分配。可控型“光束轉(zhuǎn)向器”的各轉(zhuǎn)向光能傳輸口既可在同一平面內(nèi)布置(如圖4)，又可在異面內(nèi)布置。如果在異面內(nèi)布置，旋轉(zhuǎn)反光鏡面就需要增加繞轉(zhuǎn)向傳輸軸方向的旋轉(zhuǎn)功能。4、光束分合器圖5、圖6是“光束分合器”，其中22、23、MJ8為光能入射口，四是光能出射口 ；光能入射口和光能出射口的幾何形狀均為圓，四個光能入射口與一個光能出射口組成一個五通型管體，各光能入射口的軸線方向與光能出射口的軸線方向垂直。五通型管體內(nèi)的中部與各光能入射口相對各放置有一個反光鏡面，反光鏡面與光能入射口和光能出射口的軸線方向均成45°夾角，四個反光鏡面構(gòu)成一個四棱臺或四棱錐25 ；26是構(gòu)件壁；27是反光材料層?！肮馐趾掀鳌崩盟睦馀_形反光鏡面25將來自光能入射口 22、23、24、觀的光能反射到光能出射口 29，實現(xiàn)光束的合并。當(dāng)光能自光能傳輸口四傳入時，亦可利用四棱臺形反光鏡面25把光能分散到光能傳輸口 22、23、對、28，實現(xiàn)光束的分解。6、光束集散器如圖7所示，“光束集散器”的功能是將兩束平行光能進行光能能流密度的壓縮(集束)或解壓縮(散束)，其中30為結(jié)構(gòu)管件，31為大平凸透鏡，32為反光材料層，33為凸透鏡的公共焦點，34為小平凸透鏡?！肮馐⑵鳌蓖庑螢槎ㄗ儚叫凸荏w，其中管體直徑較大的端口為光能入射口，管體直徑較小的端口為光能出射口，在二通變徑型管體中的較大直徑管體內(nèi)放置有一個球面半徑及外輪廓圓半徑均較大的平凸透鏡31，在二通變徑型管體中的較小直徑管體內(nèi)放置有一個球面半徑及外輪廓圓半徑均較小的平凸透鏡34，大小兩個凸透鏡在二通變徑型管體中中心線同軸，外輪廓圓半徑均與對應(yīng)管體內(nèi)徑相同，且該二凸透鏡位于管道內(nèi)側(cè)的兩個焦點33共點布置，并在管件結(jié)構(gòu)中設(shè)置有能對二凸透鏡軸向相對位置進行微調(diào)的機構(gòu)。由幾何光學(xué)關(guān)于透鏡成像原理可知，平行于凸透鏡光軸的入射光會在該凸透鏡的另一側(cè)的焦點處成實像，而發(fā)自于凸透鏡焦點的入射光將在該凸透鏡的另一側(cè)以平行于光軸的平行光出射。本“光束集散器”就是利用了凸透鏡成像原理，將大小兩個凸透鏡31和 34同軸且使該二凸透鏡的焦點33共點布置，并通過兩個凸透鏡球面半徑的尺寸差異實現(xiàn)平行光束的能流壓縮(集束)或解壓縮(散束)傳輸。這里，大小兩個凸透鏡同軸且使該二凸透鏡的焦點共點是“光束集散器”可靠工作的前提。由于凸透鏡的焦距既與凸透鏡材料及空氣的光折射率有關(guān)又與凸透鏡的球面半徑尺寸有關(guān)，往往計算所獲得的焦距理論數(shù)值與實際凸透鏡的真實焦距數(shù)值會有偏差，要將兩個凸透鏡的焦點精確共點具有一定難度。實用中可事先對兩凸透鏡的焦點位置進行實驗測試，并在結(jié)構(gòu)管件30中設(shè)置能對兩凸透鏡軸向相對位置進行微調(diào)的機構(gòu)，通過調(diào)整可保證“光束集散器”中兩凸透鏡同軸且焦點共點。適當(dāng)選取兩凸透鏡廓形尺寸比，即可設(shè)定“光束集散器”傳輸光能的能流壓縮(集束)或解壓縮(散束)率。當(dāng)以本“光束集散器”管體直徑較大的端口為光能入射口，管體直徑較小的端口為光能出射口時，實現(xiàn)的是光能的能流壓縮(集束)傳輸；當(dāng)以本“光束集散器”管體直徑較小的端口為光能入射口，管體直徑較大的端口為光能出射口時，實現(xiàn)的是光能的能流解壓縮 (散束)傳輸。7、太陽能集束傳輸系統(tǒng)圖8和圖9表示太陽能集束傳輸系統(tǒng)的一個“光能集散單元”，其中構(gòu)件35是“太陽能集束接收器”；構(gòu)件36、38、41、42是直徑相同長度不等的“導(dǎo)光管”；構(gòu)件37是“光束轉(zhuǎn)向器”；構(gòu)件39是“光束分合器”；構(gòu)件40是“光束集散器”。“光能集散單元”由至少兩個 “太陽能集束接收器”構(gòu)成，各“太陽能集束接收器”導(dǎo)光管中的光能通過“光束轉(zhuǎn)向器”及 “導(dǎo)光管”匯聚于一處，并通過“光束分合器”將各路光匯聚成一束光再經(jīng)“光束集散器”進一步集束后通過導(dǎo)光管輸出。圖8和圖9所示的“光能集散單元”中有10個“太陽能集束接收器”、12個“光束轉(zhuǎn)向器”、3個“光束分合器”、3個“光束集散器”以及19根“導(dǎo)光管”。 假設(shè)圖中每個“太陽能集束接收器”獲取的太陽能為E，“導(dǎo)光管” 36和38中的太陽能也是 E ；“導(dǎo)光管”41中的太陽能就是4E ；“導(dǎo)光管”42中的太陽能則是10E。也就是說每個如圖 8和圖9所示的“光能集散單元”可獲得10倍能流密度壓縮(集束)的太陽能。這是從其集的方面看。反過來，根據(jù)光路的可逆性原理，當(dāng)光從“導(dǎo)光管” 42傳向“太陽能集束接收器” 時，該“光能集散單元”又可將光能流密度解壓縮(散束)為十分之一，因此謂之集散單元。太陽能集束傳輸系統(tǒng)是由(理論上)無限多個“光能集散單元”和“光束轉(zhuǎn)向器”、 “光束分合器”、“光束集散器”以及“導(dǎo)光管”組合而成，如圖10、圖11 (圖中43代表“光能集散單元”)。太陽能集束傳輸系統(tǒng)可通過“光束轉(zhuǎn)向器”、“光束分合器”、“光束集散器”以及“導(dǎo)光管”將分布于海邊、河邊、路邊、湖邊、屋頂、草原、荒灘、山坡、沙漠等等各處的無數(shù)個“光能集散單元”所獲得的太陽能集中到適當(dāng)直徑的“導(dǎo)光管”中，以高能流密度的太陽能光束形式輸送到光伏發(fā)電廠、光熱發(fā)電廠、抽水蓄能發(fā)電站、無土栽培植物工廠、海水淡化處理廠、煉鋼廠、化工廠、居民區(qū)、辦公樓、學(xué)校、商場、超市、煤礦、地鐵站等等太陽能利用場所，用于發(fā)電、建筑采光、工作照明和工業(yè)生產(chǎn)，從而極大地降低生產(chǎn)、生活對化石能源的依賴、減少二氧化碳的排放量、降低經(jīng)濟成本和環(huán)境成本?？梢韵胂?，太陽能集束傳輸系統(tǒng)的普及應(yīng)用將會給人類的生存空間、生活生產(chǎn)方式、建筑物的結(jié)構(gòu)乃至城市面貌等帶來巨大變化，有望徹底解決人類的能源需求問題，具有極其巨大的經(jīng)濟價值和社會價值。具體應(yīng)用舉例本實用新型所述的“太陽能集束傳輸系統(tǒng)”是一種概括性的稱謂，其在實用中可大可小、可繁可簡、可局部專一目的使用、可在一定區(qū)域一定范圍內(nèi)綜合應(yīng)用、亦可在廣大地域構(gòu)成龐大的具有智能控制及調(diào)節(jié)功能的能源網(wǎng)絡(luò)。1、簡單系統(tǒng)如果對某一房間、某一功能環(huán)境區(qū)域的“朝陽”性不滿意，可以在受光位置良好的地方安置“太陽能集束接收器”用“導(dǎo)光管”及“光束轉(zhuǎn)向器”將陽光傳導(dǎo)至應(yīng)用地，再經(jīng)過適當(dāng)?shù)纳⑹涂蓪崿F(xiàn)處處陽光燦爛了。2、太陽能集束傳輸系統(tǒng)智能監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)通過“太陽能集束傳輸系統(tǒng)”將分布于海邊、河邊、路邊、湖邊、屋頂、草原、荒灘、山坡、沙漠等等各處的無數(shù)個“光能集散單元”與居民的太陽灶、陽光散射裝置、空調(diào)機、冰箱、 熱水器等，商場、超市、隧道、地下停車場、機關(guān)、學(xué)校等等的照明燈，無土栽培植物工廠，海水淡化處理廠，機械、化工、冶金等工廠，光熱發(fā)電廠，光伏發(fā)電廠，抽水蓄能發(fā)電站等等連接起來，組成太陽能采集、傳輸及應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)。采用步進電機作可控型“光束轉(zhuǎn)向器”的驅(qū)動裝置并將步進電機控制器接入(無線)計算機網(wǎng)絡(luò)，在需要處的“導(dǎo)光管”中安置光能傳感器并將其信號放大后接入(無線)計算機網(wǎng)絡(luò)，將各應(yīng)用點的光節(jié)門開關(guān)動作轉(zhuǎn)換成電信號并接入(無線)計算機網(wǎng)絡(luò)；在(無線)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控計算機上運行“太陽能集束傳輸系統(tǒng)”智能監(jiān)控程序并將工廠的生產(chǎn)計劃等輸入數(shù)據(jù)庫供查詢，依此構(gòu)成計算機(無線)智能監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)。太陽能采集、傳輸及應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)與計算機(無線)智能監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)結(jié)合共同組成“太陽能集束傳輸系統(tǒng)智能監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)”。該網(wǎng)絡(luò)計算機通過光能傳感器及光節(jié)門狀態(tài)信號等檢測網(wǎng)絡(luò)中光能流的能量信息和用戶工作狀態(tài)，并依據(jù)數(shù)據(jù)庫中用戶能量需求數(shù)據(jù)進行邏輯運算，按照事先規(guī)定的若干法則，通過可控型“光束轉(zhuǎn)向器”對能量流的傳輸方向及傳輸比例的調(diào)節(jié)，實現(xiàn)對整個太陽能采集、傳輸及應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)的太陽能合理分配與控制。比如，在陰天等能量供應(yīng)量小的時候，降低乃至關(guān)閉某些不重要的應(yīng)用場所的能量供應(yīng)，以保證發(fā)電廠等重要場所的能量供應(yīng)；而在中午等能量供應(yīng)量大于用戶需求量的時候，及時啟動并將全部富裕能量傳輸?shù)匠樗钅馨l(fā)電站抽水蓄能，從而實現(xiàn)把太陽能作為主要能源的合理、高效應(yīng)用。
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權(quán)利要求1.一種太陽能集束接收器，其特征在于該接收器由大回轉(zhuǎn)拋物面和小回轉(zhuǎn)拋物面構(gòu)成，兩個回轉(zhuǎn)拋物面相對放置，且兩個回轉(zhuǎn)拋物面的焦點重合、對稱軸在同一直線上，大回轉(zhuǎn)拋物面的中心部位開有一個作為光路的通孔，該通孔與導(dǎo)光管連接，小回轉(zhuǎn)拋物面的口型直徑與大回轉(zhuǎn)拋物面中心部位的通孔直徑相吻合。
2.一種由權(quán)利要求1所述的太陽能集束接收器構(gòu)成的光能集散單元，其特征在于該光能集散單元由至少兩個權(quán)利要求1所述的太陽能集束接收器構(gòu)成，各太陽能集束接收器中的導(dǎo)光管通過光束轉(zhuǎn)向器及導(dǎo)光管匯聚于一處，并通過光束分合器將各路光匯聚成一束光再經(jīng)光束集散器進一步集束后通過導(dǎo)光管輸出。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的光能集散單元，其特征在于所述的光束轉(zhuǎn)向器包括一個彎管，彎管內(nèi)的轉(zhuǎn)彎處設(shè)置一個反光鏡面并使入射光和反射光分別與彎管兩端的軸線方向平行。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的光能集散單元，其特征在于所述的光束轉(zhuǎn)向器包括一個四通型管體，其中一個端口為光能入射口，在四通型管體內(nèi)的中間通過轉(zhuǎn)軸安裝有一個可旋轉(zhuǎn)反光鏡面。
5.根據(jù)權(quán)利要求2至4任一項所述的光能集散單元，其特征在于所述的光束分合器包括一個五通型管體，其中一個端口為光能出射口，其余四個端口為光能入射口且軸線方向與光能出射口的軸線方向垂直，五通型管體內(nèi)的中部與各光能入射口相對各放置有一個反光鏡面，反光鏡面與光能入射口和光能出射口的軸線方向均成45°夾角，四個反光鏡面構(gòu)成一個四棱臺或四棱錐形。
6.根據(jù)權(quán)利要求2至4任一項所述的光能集散單元，其特征在于所述的光束集散器包括一個二通變徑型管體，其中管體直徑較大的端口為光能入射口，管體直徑較小的端口為光能出射口，在二通變徑型管體中的較大直徑管體內(nèi)放置有一個球面半徑及外輪廓圓半徑均較大的凸透鏡，在二通變徑型管體中的較小直徑管體內(nèi)放置有一個球面半徑及外輪廓圓半徑均較小的凸透鏡，大小兩個凸透鏡在二通變徑型管體中中心線同軸，外輪廓圓半徑均與對應(yīng)管體內(nèi)徑相同，且該二凸透鏡位于管道內(nèi)側(cè)的兩個焦點共點布置。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的光能集散單元，其特征在于所述的二通變徑型管體中設(shè)置有能對兩個凸透鏡沿軸向相對位置進行微調(diào)的機構(gòu)。
8.一種由權(quán)利要求2所述的光能集散單元構(gòu)成的太陽能集束傳輸系統(tǒng)，其特征在于該傳輸系統(tǒng)由至少兩個權(quán)利要求2所述的光能集散單元構(gòu)成，各光能集散單元中的輸出導(dǎo)光管通過光束轉(zhuǎn)向器及導(dǎo)光管匯聚于一處，并通過光束分合器將各路光匯聚成一束光再經(jīng)光束集散器進一步集束后通過導(dǎo)光管輸出；其中，所述的光束轉(zhuǎn)向器與權(quán)利要求3或4中所述的光束轉(zhuǎn)向器的結(jié)構(gòu)相同，所述的光束分合器與權(quán)利要求5中所述的光束分合器的結(jié)構(gòu)相同，所述的光束集散器與權(quán)利要求6中所述的光束集散器的結(jié)構(gòu)相同。
專利摘要一種太陽能集束接收器及太陽能集束傳輸系統(tǒng)。首先提供了一種太陽能集束接收器，該接收器由大、小兩個回轉(zhuǎn)拋物面構(gòu)成，兩個回轉(zhuǎn)拋物面相對放置，其焦點重合、對稱軸在同一直線上，大回轉(zhuǎn)拋物面的中心開有一個通孔并與導(dǎo)光管連接，小回轉(zhuǎn)拋物面的口型直徑與通孔直徑相吻合。將多個太陽能集束接收器通過光束轉(zhuǎn)向器及導(dǎo)光管匯聚于一處，并通過光束分合器將各路光匯聚成一束光，再經(jīng)光束集散器進一步集束后通過導(dǎo)光管輸出，可構(gòu)成光能集散單元。多個光能集散單元通過光束轉(zhuǎn)向器、光束分合器及光束集散器可構(gòu)成太陽能集束傳輸系統(tǒng)。本實用新型解決了現(xiàn)有太陽能利用因應(yīng)用地直接取用而導(dǎo)致的成本高、效率低問題，實現(xiàn)了太陽能的采用分離、高能流集束傳輸。
文檔編號G02B7/02GK202033512SQ201120033160
公開日2011年11月9日 申請日期2011年1月31日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月31日
發(fā)明者沈兆奎 申請人:天津理工大學(xué)