專利名稱：平行光的平行壓縮與平行放大方法及其太陽能發(fā)電應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本方法涉及平行光和太陽光的控制與利用，主要應(yīng)用于太陽能發(fā)電廠，太陽 能供暖，可見光高溫切割等領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
目前，平行光(如太陽光)尚沒有技術(shù)設(shè)備能對其進行平行壓縮或平行放大。 太陽能作為能源，也主要用于家用熱水器和太陽能電池板等。由于技術(shù)原因， 太陽能利用效率低，成本高，尤其不能實現(xiàn)大規(guī)模和大功率的低成本太陽能發(fā) 電，難以從根本上解決人類面臨的能源短缺和環(huán)境污染等問題。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決目前太陽能利用效率低，成本高，不能實現(xiàn)大規(guī)模大功率低成本太 陽能發(fā)電難題，本方法在提出新的物理概念——"平行光平行壓縮和平行放大 "的基礎(chǔ)上，設(shè)計了三種平行光平行壓縮和平行放大的實用新型裝置，并給出 利用這些裝置實現(xiàn)大規(guī)模大功率發(fā)電的技術(shù)方案。
本方法提出的技術(shù)方案包括1、創(chuàng)設(shè)新物理概念——平行光的平行壓縮與 平行放大，經(jīng)平行壓縮或平行放大的平行光，其亮度和強度比平行光光源的亮 度和強度增強或減弱，且仍然保持光線的平行特性。2、平行光雙凹鏡同焦縮放 器， 一種平行光平行壓縮與平行放大裝置，由一個大凹鏡和一個小凹鏡組成， 兩者的最大弦分別與各自的焦點同直線，大凹鏡反光面與小凹鏡反光面相對設(shè)置，兩者的聚焦點重合，大凹鏡的中心位置有一個圓形通光孔，孔的直徑與小 凹鏡直徑大小相等，當(dāng)外光源平行光射向大凹鏡，縮放器起壓縮作用，經(jīng)壓縮 后的平行光由小凹鏡從通光孔反射出縮放器外，當(dāng)外光源平行光穿過通光孔射 向小凹鏡，縮放器起放大作用，經(jīng)放大后的平行光由大凹鏡反射出縮放器外。3、 平行光凹凸鏡同焦縮放器， 一種平行光平行壓縮與平行放大裝置，由一個大凹 鏡和一個小凸鏡組成，兩者的最大弦分別與各自的焦點同直線，大凹鏡反光面 與小凸鏡反光面相對設(shè)置，大凹鏡的聚焦點與小凸鏡虛焦(位于反光面的背面) 重合，大凹鏡的中心位置有一個圓形通光孔，孔的直徑與小凸鏡直徑相等，平 行光凹凸鏡同焦縮放器工作原理與平行光雙凹鏡同焦縮放器的工作原理相同。 4、平行光四鏡同焦復(fù)式縮放器， 一種平行光平行壓縮與平行放大裝置，由一個 大凹鏡、 一個小凹鏡和一個超薄的球面雙面反光鏡組成，它們的最大弦分別與 各自的焦點同直線，四鏡焦點重合(其中雙面鏡凹面或凸面的焦點存在微小偏 差)，大凹鏡和雙面反光鏡的中心位置分別有一個圓形的通光孔，大凹鏡上通光 孔的直徑與雙面鏡直徑相等，雙面鏡上的通光孔與大凹鏡通光孔在雙面鏡凸面 上的映像大小相等，小凹鏡直徑則與雙面鏡通光孔直徑相等，大凹鏡反光面與 小凹鏡反光面相對設(shè)置，雙面鏡置于大凹鏡與小凹鏡之間，且雙面鏡凸面與大 凹鏡反光面相對，雙面鏡凹面則與小凹鏡反光面相對，當(dāng)外光源平行光射向大 凹鏡和雙面鏡凹面，縮放器起壓縮作用，經(jīng)壓縮后的平行光分別由雙面鏡凸面 從大凹鏡通光孔和由小凹鏡從雙面鏡通光孔及大凹鏡通光孔反射出縮放器外， 當(dāng)外光源平行光穿過大凹鏡通光孔射向雙面鏡凸面上，同時有小部分再穿過雙 面鏡通光孔射向小凹鏡，縮放器起放大作用，經(jīng)放大后的平行光分別由大凹鏡 和雙面鏡凹面反射出縮放器外。5、高效大功率太陽能發(fā)電，用2-4項所列任何一種縮放器作為前段縮放器接收并壓縮太陽光，壓縮光以照射方式穿過通光管
(其作用是防止發(fā)生意外事故，任何類型管均可)以及平面反光鏡折射轉(zhuǎn)向， 異地傳輸至電廠鍋爐房射在鍋爐底部(底部最好是100%吸光表面)，鍋爐吸收高 密度太陽光加熱水產(chǎn)生蒸汽，蒸汽渦輪機帶動發(fā)電機(組)發(fā)電。
采用本方法進行太陽能(或太陽能火力混合)發(fā)電，其太陽能的利用率高， 成本低，可實現(xiàn)大功率和規(guī)?；a(chǎn)，從根本上解決當(dāng)前人類所面臨的環(huán)境污 染和能源短缺等問題。
為了更好地說明，另附《平行光的平行壓縮與平行放大方法及其太陽能發(fā)電 應(yīng)用》原文全文(正文共12頁)。


圖l是平行光平行壓縮與平行放大概念示意圖
圖2是平行光雙凹鏡同焦縮放器構(gòu)造與工作原理示意圖
圖3是平行光凹凸鏡同焦縮放器構(gòu)造與工作原理示意圖
圖4是平行光四鏡同焦復(fù)式縮放器構(gòu)造與工作原理示意圖
圖5是多重組合壓縮輸出光束的光分布例圖
圖6是太陽能發(fā)電廠發(fā)電流程圖
圖7是跟蹤太陽的機械構(gòu)造原理示意圖在圖l中a為壓縮系統(tǒng)，b為放大系統(tǒng)。經(jīng)過壓縮或放大后的平行光仍是平行
光，且進入系統(tǒng)的平行光總量與經(jīng)系統(tǒng)輸出的平行光總量相等。
在圖2中數(shù)字1、 6分別為大凹鏡和小凹鏡，2、 4分別為大密度和小密度平行 光，3為通光孔，5為共同焦點。外光源平行光從大凹鏡進入縮放器為壓縮，從 通光孔進入縮放器則放大。
在圖3中數(shù)字1、 6分別為大凹鏡和小凸鏡，2、 4分別為大密度和小密度平行 光，3為通光孔，5為共同焦點。外光源平行光從大凹鏡進入縮放器為壓縮，從 通光孔逬入縮放器則放大。
在圖4中數(shù)字1、 6、 7分別為大凹鏡、雙面反光鏡和小凹鏡，2、 4分別為大密 度和小密度平行光，3為通光孔，5為共同焦點。外光源平行光從大凹鏡進入縮 放器為壓縮，從通光孔進入縮放器則放大。
在圖6中太陽光經(jīng)縮放器陣或單個超大型縮放器接收與壓縮，然后穿過通光 管異地轉(zhuǎn)移到電廠鍋爐房，并照射鍋爐底部加熱水產(chǎn)生蒸汽。太陽能發(fā)電廠發(fā) 電流程的其它部分與火電廠發(fā)電流程類似。
平行光的平行壓縮與平行放大方法及其太陽能發(fā)電應(yīng)用 一.刖目
太陽能是一種幾乎不需要成本和取之不盡用之不竭的清潔能源。太陽能轉(zhuǎn)化 為電能是太陽能利用主要方式之一。但是，由于技術(shù)原因，目前太陽能利用的成本高，效率低，難以從根本上解決人類面臨的能源短缺和環(huán)境污染等問題。 針對太陽能利用中存在的這些問題，本文從基本的物理概念入手，提出一個全 新的解決問題的技術(shù)方法。相信隨著該方法在全世界范圍的推廣應(yīng)用，以及全 球單一太陽能電網(wǎng)的建立，人類必將開啟一個共享清潔廉價能源的新時代。
二. 平行光的平行壓縮與放大
眾所周知，照射到地球表面的太陽光是近似于平行的可見光。實現(xiàn)平行光 的異地傳輸與有效利用，關(guān)鍵在于使光在傳輸過程中始終保持光線平行不變， 同時能按實際需要增大或減小光的亮度和強度。因此，對平行光進行平行壓縮 或平行放大控制，在總量不變的情況下，通過人為地改變光柱或光束的橫截面 積，進而改變其光線密度，無疑是增大或減小平行光亮度和強度的一種重要的 技術(shù)選擇。
這里的所謂平行光平行壓縮與平行放大，是一個新的物理概念，指使垂直穿 過某平面的光線密度小(大)的平行光光柱或光束，轉(zhuǎn)變成光線密度大(小) 的光束或光柱，即光柱或光束橫截面改變但光線的總量不變，且光線始終保持 平行。如圖1所示，圖中a為壓縮系統(tǒng)，b為放大系統(tǒng)，經(jīng)過壓縮或放大后的平行 光仍是平行光，且進入系統(tǒng)的平行光總量與經(jīng)系統(tǒng)輸出的平行光總量相等。
需要說明的是，所謂光柱與光束是相對而言的，即在兩組平行光中，其光 線密度小者稱為光柱，而光線密度較大者則稱為光束。
三. 平行光縮放器構(gòu)造與工作原理 平行光縮放器是用于對平行光進行平行壓縮與放大的專門裝置。下面分別
給出三種縮放器的構(gòu)造，并對其工作原理進行討論。 口平行光雙凹鏡同焦縮放器其構(gòu)造如圖2所示。圖中l(wèi)、 6、 5分別為大凹鏡、小凹鏡和兩個大小凹鏡的共 同焦點，大凹鏡鏡體最大弦、小凹鏡鏡體最大弦和共同焦點三者同直線(或平 面)；3是一個位于大凹鏡中心的圓孔，其作用是通光，該圓孔直徑與小凹鏡直 徑的大小相等；4、 2表示平行光與方向。
從圖2可看出，如果以大凹鏡作為縮放器外光源平行光的聚光鏡(如圖中 所示光線方向)，這時的縮放器起壓縮作用，大凹鏡同時是壓縮鏡，小凹鏡為輸 出鏡，經(jīng)大凹鏡壓縮后的平行光由小凹鏡從通光孔反射輸出；相反地，以小鏡 作為縮放器外光源平行光的聚光鏡(即光線方向與圖中所示方向相反)，則縮放 器起放大作用，這時小凹鏡也是放大鏡，大凹鏡為輸出鏡，經(jīng)小凹鏡放大后的 平行光由大凹鏡反射輸出。
不論是平行壓縮或者平行放大，縮放器輸出的光束或光柱都是空心的，而 空心柱的橫截面直徑則與小凹鏡直徑大小有關(guān)。
設(shè)大凹鏡直徑d"小凹鏡直徑d2,若縮放器用于放大，則輸出的平行光總 量比聚光鏡所俘獲到的外光源平行光總量有所減少U00d2/山％),減少的這部 分光會以散射光方式從大凹鏡通光孔射出縮放器外，如果外光源是高強度平行 光，對這部分光必須增設(shè)安全防護(例如在小鏡中心加鉆一個小圓孔——泄光 孔，并用耐高溫黑體把泄出的光轉(zhuǎn)變成熱)；若縮放器用于壓縮，則輸出的平行 光總量與聚光鏡所俘獲到的外光源平行光總量相等。
小凹鏡直徑與大凹鏡直徑之比
^ = d2/ ch
可用于衡量縮放器的縮放能力。當(dāng)《值越小，表示縮放器的縮放能力越強，反 之則縮放能力越小?？谄叫泄獍纪圭R同焦縮放器
下面給出與平行光雙凹鏡同焦縮放器構(gòu)造稍微不同的另一種縮放器，即平 行光凹凸鏡同焦縮放器(圖3)。它的縮放原理和效果與平行光雙凹鏡同焦縮放 器完全一樣，因此在這里不再贅述。需要說明的是，這里所謂"凹凸鏡同焦"， 指大凹鏡的聚焦點與小凸鏡虛焦重合(位于小凸鏡反光面的背面)。
口平行光四鏡同焦復(fù)式縮放器
平行光四鏡同焦復(fù)式縮放器由一個大凹鏡、 一個小凹鏡和一個超薄雙面反光 球面鏡組成，且四鏡的焦點重合(圖4)。大凹鏡鏡體最大弦、小凹鏡鏡體最大 弦、雙面反光鏡最大弦和它們的共同焦點同直線(或平面)；雙面反光鏡要求愈 薄愈好，并置于大小兩個凹鏡之間，且雙面反光鏡凸面與大凹鏡反光面相對， 雙面反光鏡凹面與小凹鏡反光面相對；大凹鏡和雙面反光鏡中心位置分別有一 個圓形的通光孔；大凹鏡通光孔直徑與雙面反光鏡直徑大小相等；雙面反光鏡 通光孔與大凹鏡通光孔在雙面反光鏡凸面上的映像大小相等；小凹鏡直徑與雙 面反光鏡通光孔大小相等。顯然，四鏡同焦復(fù)式縮放器的構(gòu)造是凹凸鏡同焦縮 放器與雙凹鏡同焦縮放器構(gòu)造的綜合體。
平行光四鏡同焦復(fù)式縮放器既有自身獨特優(yōu)點同時也存在缺點。其優(yōu)點是 使射到縮放器的外光源平行光盡可能多地被壓縮或放大，缺點則是由于其中的 雙面反光鏡必須很薄，制造的材料與工藝技術(shù)要求高。
顯然地，以上幾種平行光縮放器在對平行光進行平行壓縮或平行放大時， 借助的是由縮放器自身構(gòu)造所提供的一種"自然力"，完全不需要任何的外部能
旦 里。四.縮放器的多重組合與縮放效果
下面分別以44個縮放器和1936個縮放器構(gòu)成的縮放器陣作為例子來討論 縮放器多重組合的縮放效果(縮放器選雙凹鏡同焦縮放器)。 一般只有當(dāng)縮放器 為小型縮放器時才采取這種縮放器陣的方式。
例1:設(shè)接收外光源的縮放器(前端縮放器)共44個，這些縮放器在接收 外光源平行光的同期對其進行第一次壓縮，并分別輸出亮度和強度更大的壓縮 光束， 一共有44條。令這些光束按一定排列(見圖5)平行地垂直射向同一個 縮放器(后端縮放器)的大凹鏡進一步壓縮，最后輸出的單一光束其(橫截面) 光的分布如圖5所示，圖中光斑的直徑與前一級對應(yīng)的縮放器中小鏡的直徑大 小有關(guān)。
例2:設(shè)接收外光源平行光的縮放器共1936個。把這些縮放器44個為一組 分成44組，每組類似例1先進行兩次壓縮共得到44條新光束，這些光束再按 一定排列平行地垂直射向后端縮放器的大凹鏡，最終壓縮成一條光線密度更大 的新光束。光束中光的分布形態(tài)仍如圖5，但與例1不同，這時圖中的每個光斑 是經(jīng)前一級壓縮輸出的類似圖5的光分布的縮影。
對于有更多縮放器的情況，可通過多級壓縮最終將平行光壓縮成一條高亮 度和強度的光束。五.太陽能發(fā)電
本文提出的太陽能發(fā)電原理與一般的火電廠的發(fā)電原理基本相同，唯一不 同的是采用太陽能發(fā)電，其鍋爐獲得的熱量來源于太陽光。 圖6是關(guān)于太陽能發(fā)電的流程圖。
從圖6中可以看出，太陽光經(jīng)前端縮放器陣或單個超大型縮放器(自動控 制跟蹤太陽)采集，同時壓縮成高密度的太陽光束，然后這種高密度太陽光束 以照射的方式穿過通光管傳輸至電廠鍋爐房(中途如有需要可利用平面反光鏡 令其轉(zhuǎn)向，通光管的作用是防止發(fā)生諸如灼傷和火災(zāi)等意外事故)，由置于鍋爐 下方的縮放器放大后照射鍋爐的底部，鍋爐吸收太陽光加熱水產(chǎn)生蒸汽，蒸汽
驅(qū)動渦輪機帶動發(fā)電機(組)發(fā)電。鍋爐的底部表面最好是粗糙黑體吸光面， 或涂漆具有高吸光率且能經(jīng)受較高溫度的其它材料。
太陽光也可以先由各個前端縮放器收集和壓縮，并分別地直接傳輸至電廠 鍋爐房，然后齊射向鍋爐的底部。采取這樣的太陽能發(fā)電方案雖然簡單直接， 但光的異地傳輸需要鋪設(shè)較多的通光管。另外，太陽光還可以由(置于廠房上 方的)單個超大型縮放器收集后直接傳輸至電廠鍋爐房，但制造高精度的超大 型縮放器聚光鏡其技術(shù)工藝要求髙,不容易制造。
總的來講，利用縮放器實現(xiàn)大功率太陽能發(fā)電的各種相關(guān)技術(shù)基本上都是 現(xiàn)成的和成熟的技術(shù)，唯一要克服的技術(shù)難點是高精度球面反光鏡的制造工藝 和技術(shù)，要求球面反光鏡面必須極其光滑，反光鏡聚光時無任何散射現(xiàn)象，或 者散射極少，反光鏡的光線聚焦點必須是愈小愈好。
六.結(jié)語
如上所述，采用本文提出的平行光縮放技術(shù)可以實現(xiàn)大規(guī)模、大功率的太陽能發(fā)電。這樣的太陽能發(fā)電不但太陽能的利用率高，而且可根據(jù)實際情況進 行調(diào)整與控制。太陽能發(fā)電只有實現(xiàn)大功率規(guī)模化生產(chǎn)，才能從根本上解決人 類所面臨的能源短缺和環(huán)境污染等問題，可分兩個階段進行。第一階段把現(xiàn)
有的火力發(fā)電廠改造成太陽能火力混合發(fā)電廠；第二階段成立國際太陽能發(fā) 電聯(lián)盟，在全世界范圍建造大量的太陽能發(fā)電廠(屆時太陽能火力混合電廠也 轉(zhuǎn)為純太陽能發(fā)電)，建立全球單一電網(wǎng)，實現(xiàn)24小時不間斷環(huán)球太陽能供電。 需要補充的是，就中國一個國家而言，同樣可以實現(xiàn)24小時不間斷的太陽能 供電，即可以把白天有太陽時太陽能發(fā)電廠發(fā)出的電能先儲存起來，在晚上或 沒有太陽時釋放利用。中國幅員遼闊，地勢東低西髙，高差達幾百米甚至幾千 米，西部高原與西北部荒漠又存在許多大峽谷和盆地，且人煙稀少。可建造相 當(dāng)規(guī)模的專門太陽能發(fā)電廠，利用這些電廠白天發(fā)出的全部電能，把東部海水 經(jīng)過多級提升引到西部高原與西北部荒漠的大峽谷和盆地中儲存起來，并利用 這些海水向東排放過程中進行多級水力發(fā)電。西送的海水總流量至少要雙倍于 向東排放時的最大海水總流量，以保證海水24小時持續(xù)排放和各級水力發(fā)電廠 的持續(xù)運轉(zhuǎn)，從而間接地達到實現(xiàn)24小時不間斷太陽能供電。若此儲能方案得 以實施和實現(xiàn)，困擾我國的能源短缺的情況將成為歷史不再發(fā)生，作為擁有十 幾億人口的大國，實現(xiàn)這樣的一個目標也并非只是夢想不可實現(xiàn)。
附跟蹤太陽的機械構(gòu)造原理示意圖
l.說明
圖中數(shù)字3是支撐縮放器的隨大轉(zhuǎn)盤一齊轉(zhuǎn)動的固定支撐臂；數(shù)字2是兩 對活動支撐臂，活動臂可確定縮放器的仰角且時刻保持與太陽髙度角一致；數(shù) 字1是兩對一大一小的液壓千斤頂，由它們控制活動支撐臂的活動；底部的大轉(zhuǎn)盤的作用是確定縮放器的水平朝向，隨太陽方位角變化，大轉(zhuǎn)盤由電動機帶 動。壓縮的太陽光光束從各支撐臂內(nèi)腔通過。 2.示意圖，見圖權(quán)利要求
1. 一種平行光的平行壓縮與平行放大方法及其太陽能發(fā)電應(yīng)用，其特征是保持平行光光線平行和總量不變，通過改變光柱橫截面積，使光的強度和亮度改變；太陽光經(jīng)平行壓縮使強度增強后加熱水并用于發(fā)電。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的平行光的平行壓縮與平行放大方法及其太陽能發(fā)電應(yīng) 用，平行光平行壓縮與放大的物理概念，其特征是保持平行光光線平行和總 量不變，光柱橫截面積改變，光的強度和亮度改變。
3. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的平行光的平行壓縮與平行放大方法及其太陽能發(fā)電應(yīng) 用，平行光雙凹鏡同焦縮放器， 一種平行光平行壓縮和平行放大裝置，其特征 是 一個大凹鏡反光面與一個小凹鏡反光面相對設(shè)置，大凹鏡中心有圓孔，圓 孔直徑大于或等于小凹鏡直徑，大凹鏡聚焦點與小凹鏡焦點重合。
4. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的平行光的平行壓縮與平行放大方法及其太陽能發(fā)電應(yīng) 用，平行光凹凸鏡同焦縮放器， 一種平行光平行壓縮和平行放大裝置，其特征 是 一個大凹鏡反光面與一個小凸鏡反光面相對設(shè)置，大凹鏡中心有圓孔，圓 孔直徑大于或等于小凸鏡直徑，大凹鏡聚焦點與小凸鏡虛焦重合。
5. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的平行光的平行壓縮與平行放大方法及其太陽能發(fā)電應(yīng) 用，平行光四鏡同焦復(fù)式縮放器， 一種平行光平行壓縮和平行放大裝置，其特 征是 一個大凹鏡反光面與一個小凹鏡反光面相對設(shè)置， 一個超薄雙面反光球 面鏡置于大凹境和小凹鏡之間；雙面反光鏡直徑小于大凹鏡直徑但大于小凹鏡 直徑；大凹鏡與雙面反光鏡中心均有圓孔，大凹鏡圓孔直徑等于雙面反光鏡直 徑，雙面反光鏡圓孔直徑與大凹鏡圓孔在雙面鏡凸面上的映像大小相等，小凹 鏡直徑等于雙面反光鏡圓孔直徑；四個反光鏡的聚焦點重合(超薄雙面反光鏡 的凹面鏡焦點或凸面鏡焦點二者之一與共同焦點存在微小偏差)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的平行光的平行壓縮與平行放大方法及其太陽能發(fā)電應(yīng)用，太陽光可平行壓縮并用于發(fā)電，其特征是，①前端單個超大型平行光縮放 器(壓縮)，轉(zhuǎn)向平面反光鏡，后端平行光縮放器(放大)，鍋爐，按順序由通光管連接;②前端平行光縮放器陣(壓縮)，轉(zhuǎn)向平面反光鏡，后端平行光縮放器(放大)，鍋爐，按順序由通光管連接。
全文摘要
一種平行光的平行壓縮與平行放大方法及其太陽能發(fā)電應(yīng)用。在保持光線平行和總量不變的情況下，通過改變光柱橫截面積，使光的強度和亮度發(fā)生改變?？捎糜趯ζ叫泄馄叫袎嚎s與平行放大的裝置有三種。照射到地球上的太陽光近似于平行光，因此太陽光可經(jīng)過平行壓縮增強后加熱水并用于發(fā)電。本方法提出的太陽能發(fā)電的流程是前端縮放器接收太陽光并壓縮成高密度光束—光束以照射方式傳輸至鍋爐房—后端縮放器將光束放大成橫截面直徑與鍋爐底部直徑相等的光柱并照射鍋爐底部加熱水產(chǎn)生蒸汽—蒸汽渦輪機帶動發(fā)電機(組)發(fā)電。利用本方法和技術(shù)可實現(xiàn)大功率規(guī)?；柲馨l(fā)電，克服人類所面臨的能源短缺和環(huán)境污染等問題，具有深遠和巨大的應(yīng)用前景。
文檔編號F03G6/06GK101446274SQ20081014294
公開日2009年6月3日 申請日期2008年7月20日 優(yōu)先權(quán)日2008年7月20日
發(fā)明者吳長寬 申請人:吳長寬