太阳光能收集通导结构.doc

太阳光能收集通导结构武汉铁路局宜昌车务段荆门营销分中心 罗国平太阳光能收集结构是利用光学器件把太阳光能能量密度加大的构件。太阳光能通导结构是利用光学器件把太阳光能从一个地方、非直线地、投射到人们要求目的地的构件。太阳光能收集结构和通导结构合称为太阳光能收集通导结构，简称为：阳光集导。现今的太阳能设备都没有太阳光能通导结构，只有一部分有太阳光能收集结构。由于现今太阳能设备没有太阳光能通导结构，使得阳光在直接投射、或反射聚光镜的反射、或透射聚光镜的折射后，就必须到达需要或采集光热的器物和空间，在太阳与需要或采集光热的器物和空间、聚光镜与需要或采集光热的器物和空间之间，不能有任何遮隔物；需要或采集光热的器物和空间必须在阳光光线下、或反射聚光镜的反射光下、或透射聚光镜的折射光下；需要或采集光热的器物和空间不能在离开阳光投射很远的地方使用太阳能，太阳光能不能到达锅炉一类设备的炉膛内的集热处，不能在没有外墙的房间内用太阳能取暖和照明，不能在室内用太阳能烹饪做饭。除了直接用太阳投射光进行光热转换的太阳能热水器和光电转换的太阳能光伏电池外，其余的现今太阳能设备都无法在高楼林立的城市中使用。由于太阳投射光直接转换成的热能是储存在储热介质内且温度不高，使得转换得到的热能的适用范围非常有限，只能用于提供热水一类；所以能让人们在室内使用的光热转换的太阳能设备就仅有太阳能热水器、吸热墙等。由爱因斯坦的光电效应可知：光伏转换只能将阳光中频率较高的光波转换成电能，这部分光波只占阳光的很少一部分，所以光伏转换的太阳光能利用率非常低低。1996年，本人尝试着解决阳光集导，发明了可以在室内进行烹饪做饭的太阳灶。当时对太阳光能收集通导有强烈的意识、但没有明确的表述。由于太阳灶不使用时，阳光集导也可以向室内通导太阳光能，为了使阳光集导得到充分的利用、并使太阳灶不使用时多一道安全阀；在研究的过程中，我在使发明实现太阳灶的功能之外、另外加了一保温水箱；在太阳灶不使用时，把太阳光能通导到盛满水的保温水箱内。不曾想这一廉价的保温水箱与阳光集导又构成了具有现今太阳能热水器全部功能的结构。该项发明获得了国家专利(注：发明名称：太阳灶 专利号：ZL96.说明：处的数字被隐去，下同)。在这项发明中，太阳光能收集结构采用反射聚光镜，太阳光能通导结构采用一凸透镜、光纤或若干平面镜加玻璃镜管。在太阳光能通导结构中，透镜安装在聚光镜上方，与聚光镜共焦点、共主轴；在透镜与炊具底部之间有两种结构：其一是，放置光纤，其二是，放置若干平面镜，在透镜与平面镜、平面镜与平面镜、平面镜与炊具底部之间放置玻璃镜管。聚光镜反射收集的阳光通过透镜后变成光棒Z2，Z2由光纤通导、或通过平面镜反射，到达室内炊具底部，或保温水箱内。玻璃镜管保护Z2和不让Z2外射。无论是光纤、还是玻璃镜管加平面镜，在挨着炊具底部处都设一平面镜，要烹饪做饭时，该平面镜使Z2射向炊具底部；在烹饪做饭时，该平面镜使Z2射向保温水箱，保温水箱内的水供人们洗漱用。假定平行投射到聚光镜上的阳光是一光柱Z1。聚光镜只有一个焦点，跟主轴平行的光线反射后通过焦点；所以，聚光镜反射的阳光从镜口到聚光镜焦点是一锥体S1；透镜有两个焦点，跟主轴平行的光线折射后通过焦点，通过焦点的光线折射后跟主轴平行，通过光心的光线折射后方向不变。所以从透镜下侧焦点到透镜光心面下侧的阳光成锥体S2（注：见原理图；此处忽略掉光线在透镜内部的改变，下同），由于S2内的光线都通过透镜焦点或光心，所以在透镜光心面上侧的阳光都平行或重合于透镜主轴而成棒体Z2，如图1所示，由于聚光镜与透镜共焦点、共主轴，所以S1和S2是相似体。由于S1比S2高得多，所以S2底面积远小于S1底面积，由于S2底面积=Z2截面积、S1底面积=Z1截面积，所以，Z2截面积要比S1底面积小得多，即：Z2截面积要比Z1截面积小得多；聚光镜与透镜把截面积很大的Z1变成截面积较小的Z2。把Z1变成了Z2，使得光纤、或玻璃镜管加平面镜通导的是截面积较小的Z2而不是截面积很大的Z1，因此聚光镜与透镜不仅提高了太阳光能的能量密度，也使得利用光纤、或玻璃镜管加平面镜通导太阳光能成为可能。但在实际运用中，由于S1底面积与S2底面积、S1高与S2高相差太远，S1底面积与S2底面积、S1高与S2高、S1底面积与S1高、S2底面积与S2高的比例关系使Z2截面积只比透镜光心面面积略小也很困难；所以，采用玻璃镜管和平面镜就必须有非常高的制作和安装精度，要不然，就会出现非沿玻璃镜管轴线的反射光，并且随着平面镜的增多，非沿轴线反射光也随之增多；另外，由于Z2截面积还比较大，在通导Z2的过程中，Z2向四周发出的有害散射光也较多；非沿轴线反射光和散射光会加热普通的玻璃镜管，使玻璃镜管变得高温滚烫而不安全；要使玻璃镜管不滚烫、安全，使非沿轴线反射光和散射光不使玻璃镜管变得高温滚烫，制作玻璃镜管用的玻璃的金属杂质纯度要提纯至几个PPb（10-9）级、对含氢的化合物纯度要提纯至12个PPm（10-6），这样就会使得玻璃镜管造价非常高昂；另外，由于Z2紧贴玻璃镜管内壁的通导，非沿轴线反射光还有可能在玻璃镜管接口射出玻璃镜管。如果采用光纤，由于Z2截面积较大，就使得光纤截面积直径一般要达630cm，这样的光纤不仅柔韧性差、造价也非常高昂，且安装和保护也非常困难。专利公告后，天力科技广州公司两次要求购买该项专利（注：天力科技广州公司当时与我联系的地址：广州市大金中（新广从）路4号 电话号码：02086393），由于上述原因，我主动放弃该项智慧产品变现的机会，坚持没有卖给他们。2013年，我对1996年发明进行了改进，明确提出太阳光能收集通导结构的概念，并申请了国家专利(注：发明名称：一种太阳光能收集通导结构 申请号：2013100)。在2013年的发明中，在反射聚光镜的焦点外侧，放置多块与聚光镜共主轴的凸透镜：T1、T2、T3、T2n1，T1在聚光镜一侧、与聚光镜共焦点，T2和T3共焦点、T4和T5共焦点、Tn和Tn1共焦点，并且T2和T3、T4和T5、Tn和Tn1的焦距关系是：前者长、后者短；我把这列透镜取名为正聚。在挨着需要或采集光热的器物和空间处也放置多块共主轴凸透镜：J1、J2、J3、J2n，J1和J2共焦点、J3和J4共焦点、Jn1和Jn共焦点，并且J1和J2、J3和J4、Jn1和Jn的焦距关系是前者短、后者长，Jn在需要或采集光热的器物和空间一侧；我把这列透镜取名为反聚。在两列透镜之间放置若干块平面镜，在透镜与平面镜、平面镜与平面镜之间放置不锈钢管、或玻璃镜管，或光纤。在Jn与器物空间之间放置分光器、或分束棱镜、或散光器等。假定平行射到聚光镜上的阳光是一光柱Z1，如图2所示，与上面的机理相同，聚光镜与共焦点的T1就把截面积很大的Z1变成截面积较小的Z2；因为Z2内的光线是平行或重合于T2主轴，所以阳光经过T2折射后都通过T2与T3公共焦点，在T2光心面上侧、T2与T3公共焦点下侧间变成锥体S3，S3底面积=Z2截面积，阳光通过T2和T3的公共焦点后，在T2与T3公共焦点上侧与T3光心面下侧之间成锥体S4；由于T2与T3共焦点、共主轴，所以S3和S4是相似体。由于T2与T3的焦距关系是前长后短，S3比S4高，所以S4底面积远小于S3底面积，由于S4内的光线都通过T3焦点或光心，所以，S4内的光线通过T3折射后，在T3光心面上侧形成光线都平行或重合于T3主轴的束体Z3，Z3截面积= S4底面积，所以Z3截面积比Z2截面积小得多。同样的机理，光束Z3通过T4和T5变成截面积更小的光绳Z4。Z4通过光纤或平面镜反射从T2n1通导到J1；由于J1、J2、J3、J2n的焦距关系是前短后长，与上的机理相同，J1、J2、J3、J2n把Z4逐渐变成截面积越来越大的Z3、Z2。不锈钢管或玻璃镜管保护光绳和不让光绳外射，光纤通导光绳。由于光绳截面积很小，2013年的方案给予了阳光集导制作和安装必要误差存在的空间；也由于光绳截面积很小，光纤截面积直径只需达0.62cm即可，不锈钢管或玻璃镜管截面积直径只需达23cm即可；另外，由于光绳截面积很小，使得光绳向四周发出的散射光也很少，不可能存在非沿轴线反射光；为在透镜与平面镜、平面镜与平面镜之间使用内表面光洁度较高的、更容易安装维护的不锈钢管成为可能。我通过下列试验验证了2013年的发明：在试验中，用凸透镜T0作为聚光镜，正聚由三块透镜构成：T1、T2、T3；由于反聚与正聚的机理是一样的，证明了正聚也就证明了反聚，所以试验中没有反聚。做试验时，首先确定好需阳光光能的目的地，目的地都选择在室内。正聚的制作、聚光镜与正聚的连接是这样的：取半径为R、焦距为F1的透镜两块分别作为T0、T2，取半径为R、焦距为F2的透镜两块分别作为T1、T3，F1F2；再根据自己事先设计的试验的需要，取几块可以翻转的平面镜（注：透镜和平面镜在网上都可以买到，价格是：透镜一般为0.82.5元人民币块、平面镜一般为25元人民币面）。在每一透镜上加上一镜环。每一镜环中有四只铁丝环，两只的半径等于R，另两只的半径等于2R0.5cm左右；其中的一大、一小两只铁丝环和三块矩形铁片构成一只组环；每一镜环由两只组环构成。组环是这样制作的：把大环套在小环外，把三块铁片分布均匀地焊在两环之间，铁片长3cm左右、宽1cm左右、一端有圆洞、圆洞的直径为0.6cm左右、内侧与小环齐平、洞在大环外侧。镜环是这样组装制作的：在同一透镜的两侧分别放一只组环，使三块铁片的圆孔分别对准，再用螺栓、螺帽把三块铁片在大环外侧的部分全部紧贴地固定在一起，固定时，三对螺栓、螺帽要依次、逐步、交替地旋紧；在连接在一起的两只组环的大环外侧，分布均匀地焊上六只或三只螺帽，T1、T2的镜环上焊六只螺帽，T0、T3的镜环上焊三只螺帽，螺帽的轴线与透镜主轴平行。T0与T1、T2与T3、T1与T2是这样连接的：T0、T1的连接：取三根两头均有螺纹的螺杆把T0、T1连在一起，螺杆两端的螺纹方向，从同一端看旋转的方向是相反的。连接时，要在T1外侧放一物体，边交替、慢慢地微旋三支螺杆，边在T0外侧看该物体，直到看该物体最清晰为止，再在螺杆两端旋上螺母、带紧即可。T2、T3的连接：用上面的方法把T2、T3连在一起，此时物体要放在T3外侧。T1、T2的连接：用上面的方法把T1、T2连在一起，此时不放物体，T1、T2间的距离可以随意确定、但是短一点比较好。做实验时，把连在一起T0、T1、T2、T3放在阳光下，放置时，让T0迎着阳光、并使阳光光线与T0主轴平行，再让T3射出的光绳射到第一块平面镜的中心，再顺着反射的光绳放置平面镜，让反射光绳依次射到其它几块平面镜的中心，直到光绳射到事先确定的目的地。阳光集导能完全改变人们利用太阳能的现有方式、并使得人们利用太阳能的现有成本大为降低，会使得人们越来越喜欢购买和使用太阳能设备：一、现有太阳能设备采集太阳能的部分，都能用阳光集导替代，并且能把现有太阳能设备非采集太阳能的部分搬到操作更方便、成本更低廉的地方；例如：用一阳光集导和楼房内任何一个房间，就是一太阳能温室。日常生活中需要或采集光热的器物和空间都能用上阳光集导通导来的太阳能。现有耗费电能、燃料取得光热的设备，绝大部分都能改用阳光集导通导来的太阳能。一句话，有了阳光集导，我们日常生活中所有需要或采集光热的器物和空间，只要出太阳，就能用上太阳能。另外，原来分立的太阳能设备，如：太阳灶、太阳能热水器、太阳能取暖器、太阳能蒸馏器等等，以及家庭中所有需光热的器物，都可以共用一套阳光集导，使得利用太阳能的成本和投入大幅度降低。例如：一个城市家庭在自家住的楼顶上装一套阳光集导，把阳光集导的出光端对准锅壶底部，就是一太阳灶；把阳光集导出光端对准室内盛满水的保温水箱，阳光集导与保温水箱就成了太阳能热水器；把阳光集导出光端对准内层有反射层的、上有栅栏的箱子内，阳光集导与箱子就成了太阳能取暖器；把阳光集导出光端对准室内已盛水的蒸馏器内，就可以进行蒸馏；此时，还可采用把“浓缩”阳光在蒸馏器内过水后，再射到聚光型太阳能电池板上，把蒸馏用过的水作为热水使用，使蒸馏、发电和烧热水同时完成。在广大农村，特别是燃料缺乏地区，最需要太阳灶；但是，现今的太阳灶在农村推广运用越来越难，这是由于现今太阳灶不能在室内使用，使得人们必须头顶着烈日在室外烹饪做饭；炊事操作在室外进行，不仅操作环境恶劣，随风飘来的灰层会落在饭菜里，卫生条件也得不到保障；随着人们的生活水平的提高，特别是新一代农民的出现，在室外操作的太阳灶自然就越来越不受人待见。阳光集导就能解决这些问题。二、阳光集导使得工农业生产中的绝大部分需要或采集光热的器物和空间，只要出太阳，也能用太阳能替换。例如：把阳光集导出光端对准吸收式制冷设备炉膛集热处，同时在炉膛内引入燃气管道，使该设备在出太阳时用太阳能制冷，不出太阳时用燃气制冷；这样的吸收式制冷设备就可以解决诸如机关、学校、商场和宾馆等公共场所的冷气问题。又如：用阳光集导把“浓缩”的阳光通导到地铁和商场等地方，使阳光集导出光端与散光器相接，使得地铁和商场等地方白天用阳光亮堂起来。又如：食品厂的食品加热，食品厂的制作成本四分之三在燃料，把阳光集导出光端对准炉膛内的锅底，同时在炉膛内引入燃气管道，使炉灶在出太阳时用太阳能，不出太阳时用燃气，就能使食品的价格大幅度下降。又如：夏天太阳光能强烈的时候，也是人们最需要冷气的时候，象白天有人、晚上无人的非寄宿中小学、机关等公共场所，把阳光集导出光端对准吸收式制冷设备炉膛集热处，来解决对冷气的需要。又如：学校、机关、医院、敬老院等等公共场所的饮用水和生活用热水，都能用阳光集导加蒸馏器和保温水箱来加以解决。在我国的许多省份，一年平均有两百多天是晴天，如果推广使用阳光集导，就能节省大量的燃