專(zhuān)利名稱(chēng)：太陽(yáng)能集束接收器及太陽(yáng)能集束傳輸系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于太陽(yáng)能綜合利用技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種太陽(yáng)能集束傳輸系統(tǒng)與核心構(gòu)件。太陽(yáng)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(jī)和環(huán)境污染問(wèn)題的加重，世界各國(guó)都在加大太陽(yáng)能技術(shù)開(kāi)發(fā)和利用的力度，有關(guān)太陽(yáng)能利用的新專(zhuān)利、新技術(shù)、新產(chǎn)品、新項(xiàng)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(jí)的競(jìng)爭(zhēng)高潮。直到目前為止，全世界有關(guān)太陽(yáng)能利用無(wú)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(wàn)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(xiàng)目一次性投資巨大；設(shè)計(jì)、審批、施工、調(diào)試周期長(zhǎng)；項(xiàng)目規(guī)模可擴(kuò)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(shí)太陽(yáng)能并不是珍惜資源，無(wú)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(dá)地球表面的太陽(yáng)能是目前全球總能耗的近兩萬(wàn)倍；永遠(yuǎn)提供一用之不竭，太陽(yáng)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(yáng)能是一種持久的、廉價(jià)的、清潔的、安全的能源。問(wèn)題的關(guān)鍵是，到達(dá)地球表面的太陽(yáng)輻射能的總量盡管很大，但是能流密度卻很低。平均說(shuō)來(lái)，北回歸線附近夏季晴天中午的太陽(yáng)輻射強(qiáng)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(yáng)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(shí)提高采光面的受光率。可是目前采取的所在地直接取用方式，使得采光面積受到地域、資金、相鄰環(huán)境、技術(shù)條件等局限，使得太陽(yáng)能應(yīng)用項(xiàng)目總有欠缺感，使得太陽(yáng)能的受益范圍、應(yīng)用領(lǐng)域難以擴(kuò)大。畢竟一時(shí)、一地的太陽(yáng)照射面積總是有限的。本訴求的核心價(jià)值是摒棄太陽(yáng)能在應(yīng)用地直接取用方式，實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能的采、用分離，使太陽(yáng)能可以像水、電、天然氣等其它能源一樣，開(kāi)采、傳輸不與具體應(yīng)用直接對(duì)應(yīng)；以系列化、標(biāo)準(zhǔn)化、通用型模式配送，使太陽(yáng)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(yáng)能照明、太陽(yáng)能熱水器等的效率低、成本高、應(yīng)用難狀態(tài)，進(jìn)而開(kāi)拓農(nóng)牧業(yè)、工業(yè)、建筑業(yè)等太陽(yáng)能直接利用的新領(lǐng)域。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型目的是解決現(xiàn)有太陽(yáng)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(wèn)題，提供一種太陽(yáng)能集束接收器與傳輸構(gòu)件及太陽(yáng)能集束傳輸系統(tǒng)，采用太陽(yáng)能的采、用分離、集中傳輸方式，為太陽(yáng)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(shí)用新型提供了一種太陽(yáng)能集束接收器(見(jiàn)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(gè)回轉(zhuǎn)拋物面相對(duì)放置，且兩個(gè)回轉(zhuǎn)拋物面的焦點(diǎn)重合、對(duì)稱(chēng)軸在同一直線上，大回轉(zhuǎn)拋物面的中心部位開(kāi)有一個(gè)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(shí)用新型提供了一種由以上所述的太陽(yáng)能集束接收器構(gòu)成的光能集散單元(見(jiàn)圖8和圖9)，該光能集散單元由至少兩個(gè)以上所述的太陽(yáng)能集束接收器構(gòu)成，各太陽(yáng)能集束接收器中的導(dǎo)光管通過(guò)光束轉(zhuǎn)向器及導(dǎo)光管匯聚于一處，并通過(guò)光束分合器將各路光匯聚成一束光再經(jīng)光束集散器進(jìn)一步集束后通過(guò)導(dǎo)光管輸出。第三，本實(shí)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(yáng)能集束傳輸系統(tǒng)(見(jiàn)圖10和圖11)，該傳輸系統(tǒng)由至少兩個(gè)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(guò)光束轉(zhuǎn)向器及導(dǎo)光管匯聚于一處，并通過(guò)光束分合器將各路光匯聚成一束光再經(jīng)光束集散器進(jìn)一步集束后通過(guò)導(dǎo)光管輸出。其中，光能集散單元和太陽(yáng)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(gè)彎管，彎管內(nèi)的轉(zhuǎn)彎處設(shè)置一個(gè)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(chēng)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(gè)四通型管體，其中一個(gè)端口為光能入射口，在四通型管體內(nèi)的中間通過(guò)轉(zhuǎn)軸安裝有一個(gè)可旋轉(zhuǎn)反光鏡面。所述的光束分合器包括一個(gè)五通型管體，其中一個(gè)端口為光能出射口，其余四個(gè)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(duì)各放置有一個(gè)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(gè)反光鏡面構(gòu)成一個(gè)四棱臺(tái)或四棱錐形。所述的光束集散器包括一個(gè)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(gè)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(gè)球面半徑及外輪廓圓半徑均較小的凸透鏡，大小兩個(gè)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(duì)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(gè)焦點(diǎn)共點(diǎn)布置，并在管件結(jié)構(gòu)中設(shè)置有能對(duì)二凸透鏡軸向相對(duì)位置進(jìn)行微調(diào)的機(jī)構(gòu)。本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)和積極效果盡管到達(dá)地球表面的太陽(yáng)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(yáng)能能量，現(xiàn)有利用技術(shù)均是通過(guò)擴(kuò)大單個(gè)項(xiàng)目規(guī)模和采用先進(jìn)的能量轉(zhuǎn)換技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，因而造成一次性投資巨大；設(shè)計(jì)、施工、調(diào)試難度大、周期長(zhǎng)。也正是由于單個(gè)集中利用太陽(yáng)能項(xiàng)目的大規(guī)模，導(dǎo)致無(wú)法實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)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?yàn)橹苯永玫奶?yáng)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(lái)的效率降低。還有，這種在利用太陽(yáng)能項(xiàng)目所在地直接取用太陽(yáng)能的方式，決定了需要占用集中的大面積土地，導(dǎo)致項(xiàng)目建設(shè)成本和土地成本很大；同時(shí)，在項(xiàng)目運(yùn)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(yáng)能量的變化，而為了抵消這種變化給工作系統(tǒng)帶來(lái)的不良影響(輸出電力波動(dòng))又不得不增添很多設(shè)備，使得系統(tǒng)進(jìn)一步復(fù)雜化，從而進(jìn)一步增大了項(xiàng)目的投資規(guī)模和運(yùn)行成本。本實(shí)用新型所述的太陽(yáng)能集束接收器，是一種占地面積非常有限的單體式太陽(yáng)能接收器，非常便于太陽(yáng)的全向跟蹤，因而可實(shí)現(xiàn)高效率的太陽(yáng)能接收。各太陽(yáng)能集束接收器之間的連接和光能傳輸是通過(guò)導(dǎo)光管、轉(zhuǎn)向器、分合器、集散器等器件實(shí)現(xiàn)，其相互之間無(wú)嚴(yán)格的位置要求，因而極大地節(jié)約了建設(shè)費(fèi)用。同時(shí)，這種結(jié)構(gòu)方式可方便地將單體太陽(yáng)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(guò)導(dǎo)光管、轉(zhuǎn)向器、分合器、集散器等器件把各個(gè)分散的單體太陽(yáng)能集束接收器采集的太陽(yáng)能匯集、傳輸，因而極大地降低了土地成本。此外，太陽(yáng)光能的傳輸無(wú)需導(dǎo)體、沒(méi)有沿程損失、不需外力驅(qū)動(dòng)、不受重力影響，導(dǎo)光管的作用主要是保護(hù)光路不受遮擋，因而輸送管路費(fèi)用極低、長(zhǎng)距離傳輸效率很高。本實(shí)用新型所述的太陽(yáng)能集束傳輸系統(tǒng)，可將邊遠(yuǎn)的、分散的、地域狹窄的太陽(yáng)光能以極高能量密度的太陽(yáng)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(wú)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(chǎng)、超市、煤礦、地鐵站等等太陽(yáng)能利用場(chǎng)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(duì)化石能源的依賴(lài)、減少二氧化碳的排放量、降低經(jīng)濟(jì)成本和環(huán)境成本。采用本實(shí)用新型所述的太陽(yáng)能集束傳輸系統(tǒng)，將邊遠(yuǎn)荒置或路邊河邊等處的太陽(yáng)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(kuò)大城市的交通道路等公共活動(dòng)空間。由于所述的太陽(yáng)能集束傳輸系統(tǒng)，可以將采自四面八方的太陽(yáng)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(dòng)，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(jiǎn)化生產(chǎn)系統(tǒng)、降低成本、提高生產(chǎn)率。由于所述的太陽(yáng)能集束傳輸系統(tǒng)，是由多個(gè)占地面積非常有限的單體式太陽(yáng)能集束接收器通過(guò)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(wú)限擴(kuò)展的特點(diǎn)。理論上講，本實(shí)用新型所述的太陽(yáng)能集束傳輸系統(tǒng)可經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的、不斷增加的過(guò)程，將地球上可采集太陽(yáng)能的地方的全部太陽(yáng)能都收集起來(lái)，加以利用。鑒于太陽(yáng)能的取之不盡用之不竭特點(diǎn)，通過(guò)所述的太陽(yáng)能集束傳輸系統(tǒng)的普及應(yīng)用，有望徹底解決人類(lèi)的能源需求和環(huán)境污染問(wèn)題，將會(huì)產(chǎn)生極其巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

圖1是“太陽(yáng)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(yáng)能集束傳輸系統(tǒng)”構(gòu)成原理圖的主視圖。圖11是“太陽(yáng)能集束傳輸系統(tǒng)”構(gòu)成原理圖的俯視圖。
具體實(shí)施方式
“太陽(yáng)能集束傳輸系統(tǒng)”的中心理念是太陽(yáng)能的集束方式傳輸，而“太陽(yáng)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(guò)這些構(gòu)件的合理組合可構(gòu)筑成小到僅由單個(gè)目標(biāo)應(yīng)用的簡(jiǎn)單系統(tǒng)，大到將全部可利用太陽(yáng)能工作的裝置組成智能監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)。1、太陽(yáng)能集束接收器“太陽(yáng)能集束接收器”用于太陽(yáng)能收集并以集束方式傳出，由一大一小兩個(gè)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(duì)稱(chēng)線、2是回轉(zhuǎn)拋物面的公共焦點(diǎn)、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(gè)完整的回轉(zhuǎn)面，而大回轉(zhuǎn)拋物面3的中心部位有一個(gè)作為光路的通孔4，兩拋物面的焦點(diǎn)2重合、對(duì)稱(chēng)軸1在同一直線上。回轉(zhuǎn)拋物面的光學(xué)性質(zhì)表明經(jīng)過(guò)焦點(diǎn)的光線經(jīng)拋物面反射后平行于拋物面的對(duì)稱(chēng)軸。由光路的可逆性可知當(dāng)入射光線6平行于對(duì)稱(chēng)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(guò)焦點(diǎn)2，由于小回轉(zhuǎn)拋物面5的焦點(diǎn)也在2點(diǎn)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(yáng)能集束接收器”既實(shí)現(xiàn)了太陽(yáng)能的接收，同時(shí)又將接收的太陽(yáng)能進(jìn)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(yáng)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(yáng)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(shí)，光線6就成了出射光線，這樣就實(shí)現(xiàn)了光能能流密度的解壓縮(擴(kuò)束)。因此“太陽(yáng)能集束接收器”既可作為太陽(yáng)能集束傳輸系統(tǒng)始端的接收器，又可作為太陽(yáng)能集束傳輸系統(tǒng)末端的發(fā)送器。實(shí)用中回轉(zhuǎn)拋物面3、5均可由具有一定強(qiáng)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(gè)回轉(zhuǎn)拋物面間要?jiǎng)傂怨潭ㄟB接，連接后兩焦點(diǎn)的共點(diǎn)精度和兩對(duì)稱(chēng)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(lái)光的傳輸完全不需要管道來(lái)傳輸，陽(yáng)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(shí)，就需要用到反光鏡之類(lèi)的裝置，而這類(lèi)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(shí)現(xiàn)這一功能?！皩?dǎo)光管”可以用鋁塑管、PVC 管之類(lèi)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(qiáng)度和剛度作用；11為反光材料層；12為螺紋或法蘭之類(lèi)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?？諝鈱?duì)光的阻擋作用不算大，其對(duì)光的散射作用也會(huì)被管內(nèi)的反光層所反射，但當(dāng)光能流密度較高時(shí)會(huì)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(zhǎng)度內(nèi)開(kāi)設(shè)一個(gè)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(duì)光能傳輸?shù)挠绊?，此時(shí)就不要再設(shè)連通小孔了。[0041]實(shí)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(jìn)一步降低對(duì)“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(lái)的光的傳輸效率降低，亦可降低對(duì)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(duì)光能進(jìn)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(lèi)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(lèi)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?；拘汀肮馐D(zhuǎn)向器1Π圖3所示，13為彎管壁，主要起強(qiáng)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(lèi)起連接作用的結(jié)構(gòu)。反光鏡面的功能是盡可能實(shí)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(shí)，其鏡面與管道成45° 安裝。可控型“光束轉(zhuǎn)向器”的功能是對(duì)所傳輸?shù)墓饽苓M(jìn)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(dòng)。圖4是可控型“光束轉(zhuǎn)向器”的一種實(shí)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(dòng)時(shí)，可實(shí)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(guò)一定角度后又可實(shí)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(gè)光能入射口與一個(gè)光能出射口組成一個(gè)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(duì)各放置有一個(gè)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(gè)反光鏡面構(gòu)成一個(gè)四棱臺(tái)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_(tái)形反光鏡面25將來(lái)自光能入射口 22、23、24、觀的光能反射到光能出射口 29，實(shí)現(xiàn)光束的合并。當(dāng)光能自光能傳輸口四傳入時(shí)，亦可利用四棱臺(tái)形反光鏡面25把光能分散到光能傳輸口 22、23、對(duì)、28，實(shí)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(jìn)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(diǎn)，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(gè)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(gè)球面半徑及外輪廓圓半徑均較小的平凸透鏡34，大小兩個(gè)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(duì)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(gè)焦點(diǎn)33共點(diǎn)布置，并在管件結(jié)構(gòu)中設(shè)置有能對(duì)二凸透鏡軸向相對(duì)位置進(jìn)行微調(diào)的機(jī)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(huì)在該凸透鏡的另一側(cè)的焦點(diǎn)處成實(shí)像，而發(fā)自于凸透鏡焦點(diǎn)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(gè)凸透鏡31和 34同軸且使該二凸透鏡的焦點(diǎn)33共點(diǎn)布置，并通過(guò)兩個(gè)凸透鏡球面半徑的尺寸差異實(shí)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(gè)凸透鏡同軸且使該二凸透鏡的焦點(diǎn)共點(diǎn)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(jì)算所獲得的焦距理論數(shù)值與實(shí)際凸透鏡的真實(shí)焦距數(shù)值會(huì)有偏差，要將兩個(gè)凸透鏡的焦點(diǎn)精確共點(diǎn)具有一定難度。實(shí)用中可事先對(duì)兩凸透鏡的焦點(diǎn)位置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，并在結(jié)構(gòu)管件30中設(shè)置能對(duì)兩凸透鏡軸向相對(duì)位置進(jìn)行微調(diào)的機(jī)構(gòu)，通過(guò)調(diào)整可保證“光束集散器”中兩凸透鏡同軸且焦點(diǎn)共點(diǎn)。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(shí)，實(shí)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(shí)，實(shí)現(xiàn)的是光能的能流解壓縮 (散束)傳輸。7、太陽(yáng)能集束傳輸系統(tǒng)圖8和圖9表示太陽(yáng)能集束傳輸系統(tǒng)的一個(gè)“光能集散單元”，其中構(gòu)件35是“太陽(yáng)能集束接收器”；構(gòu)件36、38、41、42是直徑相同長(zhǎng)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(gè) “太陽(yáng)能集束接收器”構(gòu)成，各“太陽(yáng)能集束接收器”導(dǎo)光管中的光能通過(guò)“光束轉(zhuǎn)向器”及 “導(dǎo)光管”匯聚于一處，并通過(guò)“光束分合器”將各路光匯聚成一束光再經(jīng)“光束集散器”進(jìn)一步集束后通過(guò)導(dǎo)光管輸出。圖8和圖9所示的“光能集散單元”中有10個(gè)“太陽(yáng)能集束接收器”、12個(gè)“光束轉(zhuǎn)向器”、3個(gè)“光束分合器”、3個(gè)“光束集散器”以及19根“導(dǎo)光管”。 假設(shè)圖中每個(gè)“太陽(yáng)能集束接收器”獲取的太陽(yáng)能為E，“導(dǎo)光管” 36和38中的太陽(yáng)能也是 E ；“導(dǎo)光管”41中的太陽(yáng)能就是4E ；“導(dǎo)光管”42中的太陽(yáng)能則是10E。也就是說(shuō)每個(gè)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(yáng)能。這是從其集的方面看。反過(guò)來(lái)，根據(jù)光路的可逆性原理，當(dāng)光從“導(dǎo)光管” 42傳向“太陽(yáng)能集束接收器” 時(shí)，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(yáng)能集束傳輸系統(tǒng)是由(理論上)無(wú)限多個(gè)“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(yáng)能集束傳輸系統(tǒng)可通過(guò)“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(wú)數(shù)個(gè)“光能集散單元”所獲得的太陽(yáng)能集中到適當(dāng)直徑的“導(dǎo)光管”中，以高能流密度的太陽(yáng)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(wú)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(chǎng)、超市、煤礦、地鐵站等等太陽(yáng)能利用場(chǎng)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(duì)化石能源的依賴(lài)、減少二氧化碳的排放量、降低經(jīng)濟(jì)成本和環(huán)境成本?？梢韵胂?，太陽(yáng)能集束傳輸系統(tǒng)的普及應(yīng)用將會(huì)給人類(lèi)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(lái)巨大變化，有望徹底解決人類(lèi)的能源需求問(wèn)題，具有極其巨大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和社會(huì)價(jià)值。具體應(yīng)用舉例本實(shí)用新型所述的“太陽(yáng)能集束傳輸系統(tǒng)”是一種概括性的稱(chēng)謂，其在實(shí)用中可大可小、可繁可簡(jiǎn)、可局部專(zhuān)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(jiǎn)單系統(tǒng)如果對(duì)某一房間、某一功能環(huán)境區(qū)域的“朝陽(yáng)”性不滿(mǎn)意，可以在受光位置良好的地方安置“太陽(yáng)能集束接收器”用“導(dǎo)光管”及“光束轉(zhuǎn)向器”將陽(yáng)光傳導(dǎo)至應(yīng)用地，再經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)纳⑹涂蓪?shí)現(xiàn)處處陽(yáng)光燦爛了。2、太陽(yáng)能集束傳輸系統(tǒng)智能監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)通過(guò)“太陽(yáng)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(wú)數(shù)個(gè)“光能集散單元”與居民的太陽(yáng)灶、陽(yáng)光散射裝置、空調(diào)機(jī)、冰箱、 熱水器等，商場(chǎng)、超市、隧道、地下停車(chē)場(chǎng)、機(jī)關(guān)、學(xué)校等等的照明燈，無(wú)土栽培植物工廠，海水淡化處理廠，機(jī)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(lái)，組成太陽(yáng)能采集、傳輸及應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)。采用步進(jìn)電機(jī)作可控型“光束轉(zhuǎn)向器”的驅(qū)動(dòng)裝置并將步進(jìn)電機(jī)控制器接入(無(wú)線)計(jì)算機(jī)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(hào)放大后接入(無(wú)線)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，將各應(yīng)用點(diǎn)的光節(jié)門(mén)開(kāi)關(guān)動(dòng)作轉(zhuǎn)換成電信號(hào)并接入(無(wú)線)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)；在(無(wú)線)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控計(jì)算機(jī)上運(yùn)行“太陽(yáng)能集束傳輸系統(tǒng)”智能監(jiān)控程序并將工廠的生產(chǎn)計(jì)劃等輸入數(shù)據(jù)庫(kù)供查詢(xún)，依此構(gòu)成計(jì)算機(jī)(無(wú)線)智能監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)。太陽(yáng)能采集、傳輸及應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)與計(jì)算機(jī)(無(wú)線)智能監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)結(jié)合共同組成“太陽(yáng)能集束傳輸系統(tǒng)智能監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)”。該網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)通過(guò)光能傳感器及光節(jié)門(mén)狀態(tài)信號(hào)等檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)中光能流的能量信息和用戶(hù)工作狀態(tài)，并依據(jù)數(shù)據(jù)庫(kù)中用戶(hù)能量需求數(shù)據(jù)進(jìn)行邏輯運(yùn)算，按照事先規(guī)定的若干法則，通過(guò)可控型“光束轉(zhuǎn)向器”對(duì)能量流的傳輸方向及傳輸比例的調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)太陽(yáng)能采集、傳輸及應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)的太陽(yáng)能合理分配與控制。比如，在陰天等能量供應(yīng)量小的時(shí)候，降低乃至關(guān)閉某些不重要的應(yīng)用場(chǎng)所的能量供應(yīng)，以保證發(fā)電廠等重要場(chǎng)所的能量供應(yīng)；而在中午等能量供應(yīng)量大于用戶(hù)需求量的時(shí)候，及時(shí)啟動(dòng)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(shí)現(xiàn)把太陽(yáng)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(yáng)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(gè)回轉(zhuǎn)拋物面相對(duì)放置，且兩個(gè)回轉(zhuǎn)拋物面的焦點(diǎn)重合、對(duì)稱(chēng)軸在同一直線上，大回轉(zhuǎn)拋物面的中心部位開(kāi)有一個(gè)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(yáng)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(gè)權(quán)利要求1所述的太陽(yáng)能集束接收器構(gòu)成，各太陽(yáng)能集束接收器中的導(dǎo)光管通過(guò)光束轉(zhuǎn)向器及導(dǎo)光管匯聚于一處，并通過(guò)光束分合器將各路光匯聚成一束光再經(jīng)光束集散器進(jìn)一步集束后通過(guò)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(gè)彎管，彎管內(nèi)的轉(zhuǎn)彎處設(shè)置一個(gè)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(gè)四通型管體，其中一個(gè)端口為光能入射口，在四通型管體內(nèi)的中間通過(guò)轉(zhuǎn)軸安裝有一個(gè)可旋轉(zhuǎn)反光鏡面。
5.根據(jù)權(quán)利要求2至4任一項(xiàng)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(gè)五通型管體，其中一個(gè)端口為光能出射口，其余四個(gè)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(duì)各放置有一個(gè)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(gè)反光鏡面構(gòu)成一個(gè)四棱臺(tái)或四棱錐形。
6.根據(jù)權(quán)利要求2至4任一項(xiàng)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(gè)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(gè)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(gè)球面半徑及外輪廓圓半徑均較小的凸透鏡，大小兩個(gè)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(duì)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(gè)焦點(diǎn)共點(diǎn)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(duì)兩個(gè)凸透鏡沿軸向相對(duì)位置進(jìn)行微調(diào)的機(jī)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(yáng)能集束傳輸系統(tǒng)，其特征在于該傳輸系統(tǒng)由至少兩個(gè)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(guò)光束轉(zhuǎn)向器及導(dǎo)光管匯聚于一處，并通過(guò)光束分合器將各路光匯聚成一束光再經(jīng)光束集散器進(jìn)一步集束后通過(guò)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(zhuān)利摘要一種太陽(yáng)能集束接收器及太陽(yáng)能集束傳輸系統(tǒng)。首先提供了一種太陽(yáng)能集束接收器，該接收器由大、小兩個(gè)回轉(zhuǎn)拋物面構(gòu)成，兩個(gè)回轉(zhuǎn)拋物面相對(duì)放置，其焦點(diǎn)重合、對(duì)稱(chēng)軸在同一直線上，大回轉(zhuǎn)拋物面的中心開(kāi)有一個(gè)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(gè)太陽(yáng)能集束接收器通過(guò)光束轉(zhuǎn)向器及導(dǎo)光管匯聚于一處，并通過(guò)光束分合器將各路光匯聚成一束光，再經(jīng)光束集散器進(jìn)一步集束后通過(guò)導(dǎo)光管輸出，可構(gòu)成光能集散單元。多個(gè)光能集散單元通過(guò)光束轉(zhuǎn)向器、光束分合器及光束集散器可構(gòu)成太陽(yáng)能集束傳輸系統(tǒng)。本實(shí)用新型解決了現(xiàn)有太陽(yáng)能利用因應(yīng)用地直接取用而導(dǎo)致的成本高、效率低問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了太陽(yáng)能的采用分離、高能流集束傳輸。
文檔編號(hào)G02B7/02GK202033512SQ201120033160
公開(kāi)日2011年11月9日 申請(qǐng)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(qǐng)人:天津理工大學(xué)