太阳能是一种取之不尽、用之不竭的能源。目前太阳能光伏发电的劣势是成本高、效率低。给光伏电池加装多倍光强聚光罩可提高电池效率,降低发电成本,这是太阳能从业者一直以来追求的目标。记者了解到,毕业于华中工学院动力系、供职于武汉金路达电机有限公司的高级工程师胡连印发明了一种新型高温太阳能炉,具有良好的效果。
  集光入室任意拼接
  该装置采用菲涅尔棱镜折光原理。胡连印通过对菲涅尔平板透镜作出4项改进,从而在太阳能热利用方面迈出关键一步。一是平板菲涅尔聚光镜面改为球冠面形或柱面形,提高了大型薄板透镜的机械强度和结构刚度。二是折光棱镜底面由柱面形改为锥面形,令所有棱镜底面与该处入射光线的一次折射线相重合,提高了棱镜折光效率3%~7%以上。三是聚光镜面加工采用区块分割法,每一区块单独设计加工成为瓦状薄板透镜,然后将各类聚光瓦透镜依次拼接搭建在相应的球冠状或柱面状金属网格框架上,构成大型整体点焦或线焦聚光透镜。此举解决了菲涅尔透镜直径难以变大的困境,通过制造技术上可行的任意大直径聚光透镜,获得大功率高温光能源。四是聚光镜面选用高透光率的塑料或玻璃作为聚光基材,省去了金属反射膜,可以节省成本并延长使用寿命。
  这些改进使平板菲涅尔透镜以全新的面貌形成一种全新型的太阳能聚光集热器。聚光焦点在阳光的另一面,预示着人们可以将其做成室内操纵式太阳能集光装置,避开室外的风、沙、灰尘与寒冷天气,与反射式太阳炉相比具有无法比拟的优势。
  聚光瓦透镜的成功研制为人们展示出一种广阔、诱人的前景;菲涅尔薄板透镜的优点是质轻价廉,具有高聚焦比,缺点是直径难以增大,无法获得大功率太阳能,该缺点限制了其在阳光集热方面的应用。聚光瓦透镜的制造成功预示着人们利用聚光瓦就像用砖瓦盖房子一样,任意拼接搭建自己所需要的聚光集热装置,获得所需要的高温光能源,金属网格框架的设置使曲面薄板透镜的强度和刚度进一步得到加强,凡是能接到阳光的地方都可以应用这种大功率太阳能集热装置。
  广阔的应用前景
  据胡连印介绍,新型高温太阳能炉在中国应用的前景主要有聚光高温太阳炉窗户、高温太阳能厨房、线焦聚光大棚、聚光光伏发电产业。
  第一项产业——聚光高温太阳炉窗户。为了采光、舒适,我国居民住房都设有大小不等的窗户,过去窗户用纸糊,现在用玻璃窗,如果用巨型薄板透镜聚光器代替现在的玻璃窗,既起到房间密封作用又可将聚光太阳能引入室内,实现烧水、做饭、蒸煮、煎炒、取暖等。一般窗户高1.4米、宽1.7米,面积2.38平方米,利用得好可得到1.3KW~1.5KW的太阳能热功率,利用得差至少可得到800W~1000W的热功率,远超普通电饭锅功率。薄板透镜聚光器如何与窗口结合?可以根据不同的窗口尺寸,设计相应的窗口聚光器,满足社会需求。我国有14亿人,估计有3亿~4亿家庭,如果安装窗口聚光器,这将是一个很大的需求。
  第二项产业——高温太阳能厨房。太阳能厨房是将足够尺寸的薄板集光透镜由薄壁管将热能吸收装置联结固定,形成一头大一头小的锥体,锥体上有轴与柱状箱体相连,可90°纬向旋转,柱状箱体与地面上的导轨相连,可360°径向旋转,阳光的跟踪由重力驱动的棘轮电控系统完成。该装置是一种室内操纵的阳光集热系统,可精确追踪日光,只要有阳光存在,就可以烧开水、做饭等,完全避开了室外的风沙、灰尘。该装置尤其适合北方地区民众使用,可以为少数民族、地质队、边防哨所提供充足的高温光能源。
  第三项产业——线焦聚光大棚的应用。线焦聚光大棚类似于现在广泛使用的蔬菜大棚,但它有聚光功能,从数倍聚光直至数十倍聚光可任意调节。由于它有巨大的接光面积,可以获得惊人的高温阳光能量,可以为农民带来前所未有的帮助,如干燥粮食、木材、药材等等。该类装置可产生足量的高温热水、蒸汽,送入储热器,解决住房取暖问题。该类装置与其它技术配合可以实现制冷、制冰、发电等,可以成为农民开展生产的有力帮手。此外,利用线焦聚光大棚可将海水淡化,生产足量的淡水,产生足量的炊事和取暖能源。
  第四项产业——聚光光伏发电产业。近年来,人们普遍对光伏电池发电技术产生浓厚兴趣,认为它清洁环保,是一种最好的绿色能源,各国政府极力扶持,希望能走出一条绿色能源道路。但是,光伏电池发电的缺陷是成本高、效率低,国内难有市场也是不争的事实。近年来,科学家们研究出聚光光伏发电技术和高温光电池,聚光光伏发电有低倍聚光和高倍聚光之分,项目研制的聚光器二者均可适用,可任意调节。该项技术可用于大型光伏电站。

2017年04月07日

利用菲涅尔棱镜折光原理制高温太阳能炉

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