專利名稱：一種太陽能設備的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種太陽能設備，它屬于可再生能源領域。
背景技術：
隨著世界經濟的發(fā)展，特別是我國經濟的快速發(fā)展，能源的需求量快速增加，能源危機已經成為當前越來越突出的問題，其中，石油價格大幅上漲。能源的增長，目前還是以不可再生能源增長為主，其中，煤和石油仍然是主流，這樣導致了環(huán)境污染，并增加了溫室氣體的排放。在地球上，煤、石油、水力、風力等能源，其最初的來源是太陽能。而太陽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，煤和石油就是幾億年以前光合作用留下的能源，但很快將被當今的人類消耗干凈。人們忽視了一個問題，那就是，太陽能非常巨大，如果人們好好利用太陽能，只要稍微提高效率，人類所需要的能源便可以完全滿足。在地球外層空間，垂直于太陽每平方米1300瓦，地面約1000瓦/米2，我國有960萬平方公里，1平方公里＝1000000m2，如果有千分之一面積的太陽能利用，假設折算為垂直于太陽角度后的面積為原來的50％，就有9600×1000000×0.5＝480000萬千瓦，一年太陽照射時間較短地區(qū)約2000小時，則能量為480000×2000＝960000000萬千瓦時＝82545.14187萬噸標準油＝165090.2837萬噸標準煤，則幾乎足夠我國所需要的能源。目前人類利用太陽能的手段太少，效率太低，其中太陽能電池的效率只有10％多，而太陽熱產生蒸汽發(fā)電的效率也只有20。而要提高效率，手段之一是精確跟蹤太陽，目前還沒有能簡易而精確的跟蹤設備；手段之二是設計好的聚光裝置，目前的塔式太陽熱發(fā)電有嚴重的缺陷；手段之三是設計好的發(fā)電流程，而目前流程是太陽能產生蒸汽，這樣嚴重影響發(fā)電效率。

發(fā)明內容
本發(fā)明提供了一種新的太陽能設備，它包含通過軌道計算實現太陽自動精確跟蹤的定日鏡，包含有黑洞吸收太陽能的光熱轉換裝置，包含有取代塔式太陽熱發(fā)電的落地式或類似旋轉拋物面式的太陽光聚集設備，包含有側向聚焦的旋轉拋物面聚光裝置，包含有穿透式旋轉拋物面聚光裝置，包含有高溫蓄熱材料，包含有利用太陽熱過熱蒸汽，而蒸汽透平發(fā)電后的氣體加熱水產生蒸汽的最優(yōu)發(fā)電流程。
實現定日鏡的功能，即隨著太陽的運動將日光反射到固定的位置，首先要實現對太陽的跟蹤，即，使設備始終正對太陽。將跟蹤運動可以分解為兩個運動，一個是均勻圓周運動，另一個是將地球公轉軌跡均勻縮小的橢圓運動在直線上的投影的運動。地球有自轉，從相對運動的角度，地球的自轉可以轉化為太陽繞地球的轉動，即認為地球不動，而太陽圍繞地球的南北周線均勻轉動，太陽和地球的連線，隨著這個轉動形成了一個錐面，這個錐面的軸心和地球南北軸心平行，而錐面的夾角和日期有關。當太陽達到南北回歸線時，錐面的夾角最小，而當太陽在兩個回歸線的中間，即赤道上時，錐面變成了平面。一根直線相對于另一根和它相交的直線轉動，即形成了圓錐面。所以當太陽設備正對太陽時，使該設備沿一條和地球南北軸線平行的軸線均勻轉動，即一個均勻圓周運動，即可實現對太陽的自動跟蹤，而太陽設備和地球南北軸線的角度通過另一橢圓運動在直線上的投影的往復運動實現跟蹤。將定日鏡初始位置確定后，兩個勻速圓周運動的速度為跟蹤時速度的一半，即可將太陽光反射固定在一個位置，實現了定日鏡的功能。圓周運動可以利用鐘表原理的發(fā)條來實現，也可以用同步電機來實現，也可以通過電路板控制同步電機、步進電機或其他電機來實現。
利用黑洞吸收的方法將聚集后太陽能轉化為熱能其轉化效率最高。任何物體在受到光照射后，光的去向分三部分穿透、吸收、反射，光被全部吸收的物體為黑體。一個封閉的腔體，在任意處開一個小口，從這個小口射入腔體內的光線，在內部經過多次的吸收、反射，最終幾乎被全部吸收，即便組成黑洞，也是光學上的黑體。本發(fā)明包括一個這樣的黑洞，太陽光聚集后照射進入黑洞，使光能幾乎全部轉化為熱能，這個帶有黑洞的腔體可以是任何材料作成的，并可以置于另外一個容器里，加熱這個容器里的液體。比如加熱水，可以產生高壓高溫的蒸汽發(fā)電，其溫度不受傳熱的限制，因為輻射傳熱的推動力來自兩個物體的溫度差，其中的高溫物體是太陽，太陽表面溫度達6000度以上，這樣可以將發(fā)電效率大大提高，黑洞內的傳熱設備，可以做成球形、圓柱形、錐形，為增加換熱面積，可以作成刺猬式、槽式和盤管式。
落地式或類似旋轉拋物面式的太陽光聚集設備，避免了塔式設備需要將光熱轉換裝置放置在高處的毛病。落地式太陽光聚集設備，將定日鏡按和當地水平面成一個角度放置，這個角度和當地的緯度有關，利用定日鏡將日光反射到地面上的黑洞。定日鏡的分布為凸型，以便在太陽升起和落下時有足夠的照射面積。類似旋轉拋物面式的太陽光聚集設備，即將定日鏡類似旋轉拋物面排列，以下面的定日鏡不遮擋上面定日鏡的反射光為原則，定日鏡將日光反射到地面上的黑洞。在地面進行光熱轉換，并產生或過熱蒸汽，可以節(jié)省塔式設備上許多管線，降低了成本，更減少了熱損失，而且光熱轉換的黑洞不擋陽光，在地面可以更好保溫，操作檢修方便。
對于小型太陽能設備，則利用側向聚焦的旋轉拋物面，聚焦點在側面，整個面是整體旋轉拋物面的一部分。
小型太陽能設備，可以利用穿透式旋轉拋物面聚光裝置。拋物面的特點是平行于拋物面軸線的光照射后都反射到一點，普通的旋轉拋物面聚光裝置都是利用拋物面的底部，焦點在上方，穿透式旋轉拋物面聚光裝置則是利用拋物面的上部，焦點在下方。
用高溫蓄熱材料，白天吸收太陽熱，晚上產生蒸汽。
蒸汽發(fā)電，一般要產生蒸汽、過熱蒸汽、蒸汽透平帶動發(fā)電機。利用太陽能溫度高的特點，太陽能直接過熱蒸汽，到500℃以上，高時達到1000℃，蒸汽透平后，由于其還有很高的溫度，用來加熱水使其產生蒸汽，這種發(fā)電流程在產20公斤壓力蒸汽的情況下效率高達75％，從而不需要產生高壓蒸汽，簡化設備和運行成本。在啟動階段需要用太陽能產生蒸汽。


本發(fā)明的目的可以從下面的附圖得到詳細說明附圖1為定日鏡原理圖附圖2為黑洞吸收圖附圖3為刺猬形黑洞附圖4為槽式黑洞附圖5為盤管黑洞附圖6為帶定日鏡的落地式聚光裝置附圖7為帶定日鏡的落地式聚光裝置的凸形圖附圖8為側向聚焦的旋轉拋物面附圖9為穿透式旋轉拋物面附圖10為穿透式旋轉拋物面的局部放大圖附圖11為蒸汽發(fā)電流程圖具體實施方案在各示意圖中，1表示平面反射鏡；2表示固定平面反射鏡并能允許平面反射鏡轉動的框架；3表示固定框架并能允許框架轉動的支架；4表示框架2和支架3的活動節(jié)點；5表示反射鏡1和框架2的活動節(jié)點；6表示能驅動框架運動的支竿；7表示能驅動反射鏡相對于框架運動的反射鏡支竿；8表示使框架支竿運動的軌道；9表示框架支竿6在軌道上傳動的位置；10表示反射鏡支竿7運動的橢圓軌道；11表示反射鏡支竿7在軌道上傳動的橢圓位置；12表示黑洞吸收光的表面；13表示黑洞的外殼；14表示刺猬形黑洞的支管；15表示槽形黑洞的槽；16表示盤管；17表示定日鏡安裝的坡度；18表示定日鏡安裝的凸形分布；19表示側向聚焦的旋轉拋物面；20表示側向聚焦的焦點；21表示穿透式旋轉拋物面；22表示汽輪機；23表示透平后的蒸汽加熱水并使水汽化的換熱器；24表示水泵。
圖1的定日鏡實施方案為兩個活動節(jié)點4之間的連線平行于地球自轉的軸線，通過傳動定位來調整反射鏡支竿7，使反射鏡1的角度變化，在南北方向將太陽定位，再通過傳動定位來調整框架支竿6，使其執(zhí)行均勻圓周運動，在東西方向將太陽定位。
圖2示意出，當太陽照射到黑洞后，每碰到吸收面，光線吸收并部分反射(為漫反射)，反射的光線弱于射到表面的光線，通過多次的吸收、反射，最終光線幾乎全部被吸收。在內表面12，光線吸收后變?yōu)闊崃?，位于內表?2和外殼13之間，通過介質吸收轉換過來的熱量。
附圖3的刺猬形黑洞，在內表面12上連接許多支管14，光線射到支管內，相當于進入了黑洞里的黑洞，更增加了吸收效果。
附圖4的槽式黑洞，通過許多槽15，增加了換熱面積。
附圖5的盤管形黑洞，將管子彎曲，盤管16形成黑洞內腔，這種形式制造簡單，介質流動均勻。
附圖6的落地式聚光裝置，將定日鏡1按和當地水平面成一個角度17放置，利用定日鏡將日光反射到地面上的黑洞。
附圖7為帶定日鏡的落地式聚光裝置的凸形圖，凸形18分布可以在太陽升起時以及太陽落水時，有更多的照射面積。
附圖8的側向聚焦旋轉拋物面，利用旋轉拋物面的部分19聚焦太陽，由于焦點20沒有擋住陽光，吸收設備可以隨意制作，并可以放置地面的圓形軌跡上，而且拋物面的部分19可以做成很大面積。
附圖9和附圖10的穿透式旋轉拋物面，焦點在拋物面下方，不擋太陽，但當需要接受很多太陽光時，需要做很長。
附圖11的蒸汽發(fā)電流程圖顯示，利用太陽能溫度高的特點，太陽能熱，到500℃以上，高時達到1000℃，通過汽輪機22透平發(fā)電后的蒸汽，用來通過換熱器23加熱水使其產生蒸汽，蒸汽通過黑洞12直接過熱后去汽輪機，透平發(fā)電后的蒸汽在換熱器23加熱水自己被冷卻成水，再用泵24打到換熱器23。
權利要求
1.一種太陽能設備，其特征在于通過軌道計算實現定日鏡對太陽的自動精確跟蹤，黑洞光熱轉換裝置吸收太陽能，落地式或類似旋轉拋物面式的太陽光聚集設備，也可以是側向聚焦的旋轉拋物面或穿透式旋轉拋物面實現聚光，高溫蓄熱材料實現夜間發(fā)電，利用太陽熱過熱蒸汽，而蒸汽透平發(fā)電后的氣體加熱水產生蒸汽的最優(yōu)發(fā)電流程。
2.根據權利要求1所述的太陽能設備，其特征在于，定日鏡的運動分為兩個運動，一個運動是以一根平行于地球自轉軸的線為軸的均勻圓周運動，目的是在有陽光時跟蹤太陽，來源于地球自轉，在定日鏡初始角度確定好后，該均勻圓周運動的速度為48小時一周，在開始有光線照射并能反射到指定位置時進行初始定位并開始運動，而到不能反射到指定位置時運動終止；另一個運動，目的是調整定日鏡隨季節(jié)或日期變化的角度，來源于地球公轉，是地球公轉軌跡均勻縮小的橢圓運動第一個運動的軸線上的投影的往復運動，運動范圍和速度是達到正對太陽所需要范圍和速度的一半，該運動不停止，橢圓運動一周的時間為一年，即365.2422日，往復到兩頭的時刻正是太陽到南、北回歸線的時刻。兩個運動可以利用齒輪或鏈條傳動或減速。利用鐘表原理的發(fā)條來實現，也可以用同步電機來實現，也可以通過電路板控制同步電機、步進電機或其他電機來實現，可以多個定日鏡通過連桿連接到一起運動。也可以通過連接時間的連續(xù)定位的形式實現這兩個運動。
3.根據權利要求1所述的太陽能設備，其特征在于，太陽光聚集后照射到黑洞里吸收，黑洞內接受太陽光的面積大于洞口面積的20倍，黑洞里的結構可以是球形、圓柱形、圓錐型，為增加傳熱面積，可以是刺猬形、槽形，還可以是螺旋式的盤管形，可以是一根管子盤繞，也可以是兩根或多根管子盤繞，盤管之間的縫隙很小，只考慮熱脹冷縮。黑洞外面有一個殼體，黑洞和殼體之間充滿吸熱介質，殼體外可以加有保溫，對于盤管形，吸熱介質在管內，盤管外可以加保溫，黑洞的洞口可以用薄的透明玻璃封住，避免對流傳熱。黑洞內吸收光的表面可以涂抹黑體材料。黑洞內受光面可以是斷開的，其中不需要吸收光的面可以作為反射面，需要吸收光的面則不是反射面，光照射到不需要吸收光的表面上后，光線反射到需要吸收光的面上。
4.根據權利要求1所述的太陽能設備，其特征在于，可以采用落地式太陽光聚集設備，利用定日鏡將太陽光反射固定到地面的黑洞里，定日鏡的南北方向的分布坡度和當地的緯度有關，緯度越大，坡度越大，東西方向采取凸型分布。
5.根據權利要求1所述的太陽能設備，其特征在于，可以采用類似旋轉拋物面式的太陽光聚集設備，定日鏡采取旋轉拋物面的分布，并保證定日鏡之間沒有遮擋，并將太陽光反射固定到地面。
6.根據權利要求1所述的太陽能設備，其特征在于，可以采用側向聚焦的旋轉拋物面實現聚光。
7.根據權利要求1所述的太陽能設備，其特征在于，可以采用穿透式旋轉拋物面實現聚光，既利用拋物面上部的聚光裝置，焦點在下方。
8.根據權利要求1所述的太陽能設備，其特征在于，可以采用高溫蓄熱材料實現夜間發(fā)電。
9.根據權利要求1所述的太陽能設備，其特征在于，采用最優(yōu)的發(fā)電流程，利用太陽能過熱蒸汽，過熱蒸汽通過汽輪機發(fā)電，而蒸汽透平發(fā)電后的蒸汽加熱水產生蒸汽。
全文摘要
一種太陽能設備，屬于可再生能源領域。通過軌道計算實現定日鏡自動精確定位，通過黑洞吸收太陽能的光轉換成熱，利用落地式太陽光聚集設備或側向聚焦的旋轉拋物面聚光裝置以及穿透式旋轉拋物面聚光裝置，使用高溫蓄熱材料，實現利用太陽熱過熱蒸汽而蒸汽透平發(fā)電后的氣體加熱水產生蒸汽的最優(yōu)發(fā)電流程。
文檔編號F03G6/06GK1920300SQ20051009288
公開日2007年2月28日 申請日期2005年8月25日 優(yōu)先權日2005年8月25日
發(fā)明者李江保 申請人:李江保