新型高溫透射太陽(yáng)能爐發(fā)展和應(yīng)用方向

1、新型高溫透射太陽(yáng)能爐的發(fā)展和應(yīng)用方向胡連印聯(lián)系人：胡連印電 話：152042989462017年6月17日新型高溫透射太陽(yáng)能爐的發(fā)展和應(yīng)用方向胡連印、趙文成、季營(yíng)延、駱金華、胡勝勇、胡盛書(shū)引 言“對(duì)菲涅爾透鏡的工藝改進(jìn)”項(xiàng)目前后已有35年的歷程，可能任何原創(chuàng)性的東西都要經(jīng)過(guò)長(zhǎng)久的磨難，80年前后，我們?cè)囘^(guò)水透鏡，1.8米直徑；玻璃鏡反射太陽(yáng)灶，1.8米直徑，二個(gè)試驗(yàn)基本算成功的。但水透鏡裝水太多，笨重，不便操作，透膜不堪一擊。反射太陽(yáng)灶面積小，能量??；面積大，蹬上爬下不方便，溢出的沸水、沸湯很快將反射膜破壞，試驗(yàn)只能終止。對(duì)菲涅爾透鏡最初只是作為學(xué)習(xí)知識(shí)介入的，后來(lái)發(fā)現(xiàn)菲涅爾透鏡的發(fā)展也不樂(lè)觀

2、，面積做不大，就沒(méi)有能量，想做大，就要有大型精密機(jī)床，這是不可想象的，失望與希望總是交替輪換地鉆在腦子里，揮之不去。忽然，有一天想起來(lái)，人們用一磚一瓦可以蓋起若大的房子，為什么就不能用聚光瓦蓋集光透鏡？從此，一發(fā)不可收！以我們的數(shù)學(xué)功底，計(jì)算是沒(méi)問(wèn)題的，以我們的技術(shù)功底，制造是沒(méi)問(wèn)題的。終于，在2003年新型專利獲批，2004年發(fā)明專利獲批，在盤錦市支持下，在朋友們幫助下，于2006年造出了由聚光瓦拼接搭建的大型透射式高溫太陽(yáng)能爐，并于當(dāng)年參加第八屆深圳高交會(huì)展覽，由此翻開(kāi)了光明的一頁(yè)。一、筆者對(duì)菲涅爾平板透鏡作出4項(xiàng)改進(jìn)，提出聚光瓦透鏡的設(shè)計(jì)理念，第一代透射太陽(yáng)能爐研制成功。過(guò)去的菲涅爾平板

3、透鏡一般是整體壓制或車制，為方便脫模，將所有棱鏡的底面加工成與軸線相平行的柱面，這也是菲涅爾教授本人的意旨，我們經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)期學(xué)習(xí)、思索、分析：認(rèn)為這不符合光學(xué)原理，棱鏡的折光路線是向焦點(diǎn)方向傾斜的錐面，而不是柱面。硬要做成柱面，將引起嚴(yán)重的遮光現(xiàn)象，愈往透鏡邊緣愈嚴(yán)重，在透鏡焦點(diǎn)前形成一系列同心光環(huán)，這也是菲涅爾透鏡聚焦不均勻的基本原因。其次，降低了透鏡的光通量，即能量。筆者認(rèn)為一定要遵從透鏡的光學(xué)路線圖，這一來(lái)，在透鏡剖面的軸二側(cè)的棱鏡底線將形成上大底小的錐面，這是絕對(duì)干不成的。筆者辦法是將整體菲涅爾平板透鏡分割開(kāi)來(lái)，按幾何原理分成許多區(qū)塊，每一區(qū)塊單獨(dú)加工制造，爾后拼接組合成一整體，解決了棱

4、鏡底邊向焦點(diǎn)傾斜的加工難題，這個(gè)棱鏡底面向光軸傾斜的角度是多少？理想的狀態(tài)是各棱鏡底面向軸傾斜的角度與該處入射光線的一次折射線相重合，可由光的折射公式精確計(jì)算。加工逾精密，焦斑光強(qiáng)逾均勻。對(duì)棱鏡的要求精度決定了對(duì)壓制模具的加工精度。整體模具不可能無(wú)限制加大，如直徑10m、20m的透鏡。其次，整體加工制作的菲涅爾薄板透鏡由于其薄而輕，剛性不足，很難將其直徑做大，為了獲得大的太陽(yáng)能功率和盡可能高的聚焦溫度，必須將透鏡直徑做大，并且實(shí)現(xiàn)盡可能高的加工精度，這對(duì)模具的生產(chǎn)帶來(lái)苛刻要求，需要大尺度高精密的加工機(jī)床，這對(duì)一般中小工廠是難企及的，生產(chǎn)成本也難降下來(lái)。按照筆者思路，將整體菲涅爾透鏡分解成許多區(qū)

5、塊，每區(qū)塊單獨(dú)加工，既解決了棱鏡底邊向軸傾斜的難題，又解決了大型菲涅爾透鏡加工制造的難題，為中小工廠生產(chǎn)大功率太陽(yáng)能聚光器提供了解決辦法，有識(shí)之士不可能不認(rèn)識(shí)到這一改進(jìn)的重大歷史意義和巨大價(jià)值。為了獲得盡可能高的聚焦比，筆者將平板菲涅爾透鏡恢復(fù)為球冠面的薄板透鏡（點(diǎn)聚焦），和柱面形薄板透鏡（線聚焦），上述改進(jìn)全部依完整的精密數(shù)學(xué)計(jì)算為依據(jù)。區(qū)塊如何劃分？以方便于機(jī)械加工為準(zhǔn)，參考圖1：球冠直徑1.7米，整個(gè)球冠被分為61塊，縱向上分為24等份，橫向上分為4個(gè)梯級(jí)，頂層仍然是一個(gè)小圓球冠形，因其離軸近，棱鏡底面傾角較小，可忽略遮光作用。第二層分12等份、第三層、第四層各分為24等份，切割的每一區(qū)

6、塊都為球面梯形，或柱面形，形狀像瓦，我們?nèi)∶酃馔?，聚光瓦厚?6毫米、四邊有加強(qiáng)筋，保證了聚光瓦的基本強(qiáng)度和剛度。所有聚光瓦的縱向切面要求通過(guò)軸線，橫向切面要求通過(guò)球心，所有的聚光瓦都粘結(jié)固定于相應(yīng)的球冠狀或柱面狀金屬網(wǎng)格框架上，再加壓條和螺絲加固，框架由不銹鋼材焊接而成，形成一個(gè)堅(jiān)固的剛性的大型薄板透鏡，從而獲得取不盡、用不竭的高溫太陽(yáng)能源。如圖1-圖5所示。圖1：太陽(yáng)能聚光爐樣機(jī)1.7m圖2：3m點(diǎn)聚光太陽(yáng)爐樣機(jī) 正面、側(cè)面圖3：光伏電池太陽(yáng)能聚光罩圖4：大型線聚焦太陽(yáng)爐樣機(jī)框架圖5：線聚焦太陽(yáng)爐樣機(jī)為了幫助小中企業(yè)有能力生產(chǎn)聚光瓦模具，筆者還設(shè)計(jì)制造出用普通車床為了幫助中小企業(yè)有能力生

7、產(chǎn)聚光瓦模具，筆者還設(shè)計(jì)制造出用普通車床加工精密球面梯形模板的機(jī)床輔助工具，和加工精密棱鏡牙板的銑床輔助工具，使聚光瓦模具的生產(chǎn)不再困難，小微企業(yè)即可生產(chǎn)大型透射太陽(yáng)能爐。在盤錦市政府的扶助下，筆者用26萬(wàn)元在微小工廠里造出直徑1.7米太陽(yáng)能爐樣機(jī)2臺(tái)，直徑3米樣機(jī)2臺(tái)，直徑400毫米光伏聚光罩2臺(tái)，弦寬3米、長(zhǎng)8米線焦聚光器機(jī)架1臺(tái)，另外加19臺(tái)模具，用退休金造出1.7米不銹鋼樣機(jī)1臺(tái)，能跟蹤陽(yáng)光的3m太陽(yáng)能廚房1臺(tái)，展示出生產(chǎn)透射太陽(yáng)能爐強(qiáng)大的生命力，透射聚光方式自然省去了敏感的陽(yáng)光反射膜，該項(xiàng)目急需政府給予扶助。二、第一代透射太陽(yáng)能爐的優(yōu)缺點(diǎn)和改進(jìn)方法：1、透射太陽(yáng)能爐的優(yōu)點(diǎn)：1）、在精

8、湛的數(shù)學(xué)計(jì)算下，在特殊的工藝安排中，筆者依靠小微工廠幫助，在簡(jiǎn)單作坊里造出高難度、高精確度的大尺度曲面菲涅爾薄板透鏡，造出了大功率、高溫度、高聚焦比透射式太陽(yáng)能爐，為高溫太陽(yáng)能爐的規(guī)模應(yīng)用導(dǎo)出一種生產(chǎn)方法。2）、透射式聚焦方式聚焦比很高，我們已經(jīng)造出焦比600的樣機(jī)，如果經(jīng)費(fèi)充足，加工設(shè)備先進(jìn)，還能造出聚焦比更高的樣機(jī)，聚焦比高意味著能獲得更高的焦點(diǎn)溫度。3）、透射式聚焦方式意味著透鏡在上方，爐具、灶具在下方，方便于人們的操作和使用。并且能夠生產(chǎn)出在室內(nèi)操縱的太陽(yáng)能爐具，代表性的是太陽(yáng)能廚房。該特征對(duì)中國(guó)北方地區(qū)尤為重要，可避開(kāi)室外的風(fēng)、沙、灰、塵與寒冷，創(chuàng)新出一種新型的太陽(yáng)能裝置。該裝置為中

9、國(guó)北方民眾，少數(shù)民族、邊防哨所、地質(zhì)隊(duì)、海島官兵提供強(qiáng)大的生活生產(chǎn)新能源。該裝置在北極、南極地區(qū)同樣可以方便使用。2、第一代透射太陽(yáng)能爐的缺點(diǎn)：1）、經(jīng)過(guò)12年多的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用和錘煉，塑料透射式太陽(yáng)能爐的缺點(diǎn)也曝露無(wú)遺，塑料這種透光材料長(zhǎng)期在陽(yáng)光下暴曬，又經(jīng)風(fēng)、沙、雨、雪、霜的摩擦毀壞，容易變型、老化、脆化，降低透光率，降低聚焦比。但是，設(shè)計(jì)良好的聚光瓦使用10年是可行的。2）、有機(jī)玻璃這種材料，折射率較小，造出的聚光器焦矩較長(zhǎng)，整個(gè)太陽(yáng)能爐顯得龐大，不利于操作、儲(chǔ)存。尤其對(duì)于大型和超大型透射太陽(yáng)能爐幾乎無(wú)法生產(chǎn)和使用。3、透射式太陽(yáng)能爐改進(jìn)方法：1）、研制玻璃聚光瓦；為了提高透射太陽(yáng)能爐的耐候性

10、能，建議盡快安排研制較高透光率的玻璃聚光瓦，玻璃聚光瓦至少可用2030年，玻璃聚光瓦的研制又變?yōu)槟透邷氐膲褐颇＞叩难兄?。是否可選用“耐高溫BC-8新型特種模具鋼”，美國(guó)哈斯霍姆“HQ-40高溫模具鋼”，或GY模具鋼或H21熱作用模具鋼，X25V模具鋼等等特種耐溫模具鋼。優(yōu)選其中的模具材料。玻璃聚光瓦如能研制成功，人類將獲得取不盡用不竭的高溫太陽(yáng)能源。2）、研制雙層反扣菲涅爾聚光瓦透鏡；如眾所知，菲涅爾透鏡一面光滑，一面為首尾相接的棱鏡，溝槽密布，容易吸附灰塵，降低透光率，且清洗困難，一層菲涅爾薄板透鏡強(qiáng)度剛度較弱，在風(fēng)沙雨雪等的吹打下容易老化變形，脆裂、降低透光率、降低聚焦比，最后聚焦失效。我

11、們?cè)O(shè)計(jì)了一種雙層反扣菲涅爾聚光瓦透鏡，相當(dāng)于一種雙層窗玻璃的結(jié)構(gòu)，棱鏡在內(nèi)，光滑面在外，不易招塵，容易清洗，且透鏡的強(qiáng)度、剛度、保溫性能數(shù)倍增加，可貴的是該措施使透鏡焦矩縮短30%50%，使聚光器外形緊湊、玲瓏，便于操作，最可貴的是該措施使大型和超大型高溫太陽(yáng)能聚光器的工業(yè)化應(yīng)用敞開(kāi)了大門，造價(jià)雖然提高了，但其工業(yè)價(jià)值卻數(shù)拾倍增加，應(yīng)用領(lǐng)域亦無(wú)限制地?cái)U(kuò)展。三、透射太陽(yáng)能爐的應(yīng)用方向：1、對(duì)于民間居民使用的中小型透射太陽(yáng)能爐，滿足家庭燒水、蒸煮、做飯、炒菜、取暖功能，功率在15KW，接光面積1.58m2，根據(jù)用戶要求，可任意選擇定制，可制成多種規(guī)格的產(chǎn)品，陽(yáng)光跟蹤采用手動(dòng)跟蹤，自動(dòng)跟蹤相結(jié)合的方

12、式。灶具備有燒水鍋、蒸煮鍋、炒菜鍋、烤餅鍋、燒烤爐等等炊事器材。根據(jù)需要還可訂制多種熱能轉(zhuǎn)換裝置，如：制冷、制冰、發(fā)電、生產(chǎn)蒸汽、抽水等等功能，真正做到一機(jī)多功能多用途的目的。如圖： 圖6：聚光瓦 圖7：太陽(yáng)能蒸氣發(fā)生器 圖8：炒菜鍋 圖9：太陽(yáng)能蒸煮鍋組件 圖10：太陽(yáng)能蒸煮鍋 圖11：太陽(yáng)能蒸氣鍋2、對(duì)于大中型室內(nèi)操作的可自動(dòng)跟蹤陽(yáng)光的廚房式太陽(yáng)能爐很適合邊防哨所、海島官兵、地質(zhì)隊(duì)、少數(shù)民族家庭、邊遠(yuǎn)集體單位或農(nóng)村鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)，用于燒水、做飯、取暖、獲取生活淡水或生產(chǎn)蒸汽或干燥食品和器材等等用途，功率在1030KW左右，直徑4.5米的太陽(yáng)能爐1臺(tái)到3臺(tái)即可實(shí)現(xiàn)目標(biāo)，太陽(yáng)能廚房是個(gè)新事物，在室內(nèi)

13、操縱太陽(yáng)能爐，避開(kāi)了室外的風(fēng)沙灰塵與寒冷氣候，并獲得大功率高溫能源，肯定會(huì)受到大眾的歡迎。3、對(duì)于大型或超大型線焦高溫太陽(yáng)能聚光器及其陣列，由于其面積巨大，能量驚人，可與風(fēng)電能結(jié)合，制成大規(guī)模海水淡化工程，對(duì)苦咸水、污染水體凈化工程，對(duì)化工廠提供巨量熱水、熱蒸汽工程。對(duì)于直徑5米以上以至幾十米直徑的點(diǎn)焦聚光器，因其擁有巨大的熱功率，極高的聚焦溫度，可為太陽(yáng)能光解水制氫技術(shù)，光化學(xué)制柴油技術(shù)，太陽(yáng)能熔煉技術(shù)、冶煉技術(shù)、分離技術(shù)提供強(qiáng)大的熱能源。4、用聚光瓦拼接搭建的大型透射太陽(yáng)能聚光器其它可能的發(fā)展方向：1）、研制可載人的太陽(yáng)能飛蝶（熱氣球原理）。2）、研制在空間軌道運(yùn)行的太陽(yáng)能聚光炮（極端聚光

14、的大功率太陽(yáng)能可將鋼鐵熔化，巖石爆炸）。3）、研制太陽(yáng)能聚光火箭用于空間航行。4）、研制在月球、火星運(yùn)行的穹頂式透射聚光太陽(yáng)能熔煉爐，熔煉稀貴金屬，制造氧氣、二氧化碳、氦3等等。只有聚光瓦透鏡的發(fā)明，才有利于發(fā)展上述利器。四、高溫透射太陽(yáng)能爐應(yīng)用效果示范圖：圖12：3m太陽(yáng)爐一小時(shí)內(nèi)做出的飯菜，6個(gè)菜1盆飯。 圖13：太陽(yáng)爐蒸糖包子 圖14：太陽(yáng)爐蒸米飯 圖15：太陽(yáng)爐蒸魚(yú) 圖16：太陽(yáng)爐粉蒸肉 圖17：太陽(yáng)能炒菜鍋 圖18：太陽(yáng)爐烤餅 圖19：太陽(yáng)爐烤箱 圖20：烤熟的地瓜 圖21： 廚房式高溫太陽(yáng)能爐（示意圖）廚房式高溫太陽(yáng)能爐應(yīng)該成為太陽(yáng)能熱利用的一個(gè)大方向，在室內(nèi)操作高溫太陽(yáng)能爐，避開(kāi)室外風(fēng)沙、灰塵與寒冷 五、結(jié)語(yǔ)：各方同胞、各路朋友，你們盡管放心大膽試驗(yàn)、開(kāi)發(fā)、利用聚光瓦透鏡構(gòu)成的大型太陽(yáng)能高溫爐，創(chuàng)造曠世的經(jīng)濟(jì)成就，我們不收專利使用費(fèi)，只要國(guó)家富強(qiáng)，大家安居樂(lè)業(yè)，就是最大的知足。該項(xiàng)目是下崗職工的獨(dú)立研究，納入不了國(guó)家研究計(jì)劃，也就不能得到國(guó)家政策扶助，希望國(guó)家調(diào)整那些僵化的管理制度，中國(guó)將走上繁榮富強(qiáng)的道路。另借貴寶地糾正一個(gè)錯(cuò)誤：