專利名稱：太陽(yáng)能立面高效采集與全方位傳輸技術(shù)的制作方法
太陽(yáng)能立面高效采集與全方位傳輸技術(shù)
本發(fā)明是太陽(yáng)能采集與傳輸技術(shù)，能使各種用光設(shè)施在日出到日落時(shí)間 內(nèi)、在各種場(chǎng)合中發(fā)揮太陽(yáng)光的幾倍的實(shí)際光能作用，屬于太陽(yáng)能應(yīng)用的基礎(chǔ) 技術(shù)。
開發(fā)利用太陽(yáng)能以節(jié)省化石能源，已成了世界各國(guó)追求持續(xù)發(fā)展的共識(shí)與 途徑。因此近幾十年來(lái)，太陽(yáng)能利用的技術(shù)與方法日益增多，太陽(yáng)能在世界能 源構(gòu)成中已占有相當(dāng)比重。我國(guó)政府在"十一五"規(guī)劃中，已將太陽(yáng)能列為可 再生能源之首。
但是，太陽(yáng)能也有它的缺點(diǎn)能量密度太低；只能直線傳輸，或通過(guò)折射、 反射后再直線傳輸；太陽(yáng)光的供給不連續(xù)、不穩(wěn)定夜間中斷，陰雨天很弱； 在晴天其供給能量也因地點(diǎn)(接收點(diǎn)的緯度)、儀器等的朝向而異，又因時(shí)間 而變，這都影響其年、日的平均能量強(qiáng)度，也嚴(yán)重影響其相關(guān)設(shè)備的效能的發(fā) 揮。為了克服上述自然屬性的缺點(diǎn)，人們?cè)谔?yáng)能的利用方式、轉(zhuǎn)換方式、聚 集方法、間接貯存方式等等提出了許多理論、措施和試驗(yàn)，造成了目前太陽(yáng)能 研究利用的熱潮。我國(guó)在直接利用太陽(yáng)能方面，最成功的是太陽(yáng)能熱水器，其 產(chǎn)量與擁有量均占世界第一。太陽(yáng)能集熱器有平板集熱器和聚光集熱器。聚光 類太陽(yáng)能發(fā)電有塔式、槽式、碟式；至今還沒有光導(dǎo)式聚光。陳應(yīng)天、何祚 庥等發(fā)明的"八面體反光鏡組成的聚光光伏發(fā)電系統(tǒng)"可以使實(shí)際輸出功率增 加四倍，使光伏發(fā)電成本下降，克服了余弦效應(yīng)，發(fā)電總量可增加20%,成本 降低51%。它是利用太陽(yáng)跟蹤系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能利用率提高的新近成果但它裝 置復(fù)雜。奧地利佩爾格的Cap太陽(yáng)能公司生產(chǎn)的纖維素太陽(yáng)能蜂窩墻面可使 6000111，大樓的供暖減少40%，但比傳統(tǒng)墻的費(fèi)用高，達(dá)350歐^/m'。這是目 前直接利用太陽(yáng)能取暖的新方式和高效率。德國(guó)和澳大利亞已建成太陽(yáng)能塔發(fā) 電站，但其占地面積很大，只適用于地廣人稀地區(qū)。
本發(fā)明利用光的折射與全反射原理，實(shí)現(xiàn)光的髙強(qiáng)度采集和近乎全效的任 意方向的傳輸；太陽(yáng)光的輸出端不受環(huán)境限制，可供各種利用方式高效率利用。 這為太陽(yáng)能登上世界能源主角地位，提供了關(guān)鍵性的基礎(chǔ)技術(shù)。本發(fā)明是這樣實(shí)施的 一、制造光導(dǎo)塊
用塑料聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)(折射率n產(chǎn)1.495)，制成矩形薄塊(厚 6mm左右)，長(zhǎng)寬由使用的建筑結(jié)構(gòu)框架決定，這光導(dǎo)體的六面要很平整，再 用同種塑料聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)加配少量Ge02，使其折射率降低 (n2=1.402)，將它包裹折射率為m的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)矩形薄塊 的四周(六面體的兩個(gè)大面不包裹。這兩種折射率不同的塑料界面要很光滑)。 這種光導(dǎo)塊可有四種型式，縱剖面的邊與大面的法線平行(圖l),即與法線平 行的光線的入射角e為零；縱剖面的邊與大面的法線不平行(圖2)，即光線的 入射角e不為零；縱剖面的邊與大面的法線不平行，縱剖面的邊呈倒梯形(圖 3)，這樣的光導(dǎo)塊可將傳導(dǎo)的光線聚合。還有一種型式只有一邊向里斜，它能 將光向一邊斜引。

圖1~3中，m為PMMA的塑料，H2為加有少量Ge02的 PMMA。在n2的PMMA之外還有一層加固層，但圖中沒有畫出來(lái)；O為受光
面法線；e為入射角。
上述光導(dǎo)塊有特強(qiáng)的受光能力,能在接受角(它是最大入射角e max的兩倍， 圖3)的范圍內(nèi)的光折射進(jìn)光導(dǎo)塊，然后全反射向前(向用光方向)傳播，且
損耗近于零。e角是光導(dǎo)塊的法線與入射光線的夾角；在光導(dǎo)塊的受光面有一 個(gè)2 e max的接受角(圓錐角)，當(dāng)入射光線的入射角小于e max時(shí)，入射的光線
就能全部進(jìn)入光導(dǎo)塊。所以光導(dǎo)塊的采光效率q:
廣
100% (當(dāng)入射角0<1/2接受角) 0 (當(dāng)入射角e〉l/2接受角)
本發(fā)明的光導(dǎo)塊就是要讓太陽(yáng)光的入射角e小于1/2接受角，實(shí)現(xiàn)ioo% 的陽(yáng)光入射率(采光效率)。 二、安裝
太陽(yáng)光要避免反射，要使陽(yáng)光的入射線與光導(dǎo)體法線方向一致，即0=0
時(shí)，cos0。 =1,這時(shí)陽(yáng)光的入射率為100%。在光導(dǎo)塊條件下，只要6小于1/2
接受角時(shí)，在接受角(圓錐角)范圍內(nèi)的陽(yáng)光都能被光導(dǎo)塊接收。但入射角0 是隨太陽(yáng)高度而變化的，而太陽(yáng)高度由季節(jié)變化和日變化而引起。為了使陽(yáng)光
最大限度地進(jìn)入接受角范圍內(nèi)，這就除了設(shè)計(jì)符合光學(xué)原理的光導(dǎo)塊外，還要 研究它們的安裝。冬季太陽(yáng)的髙度角較小，冬至最小。所以在冬季，太陽(yáng)光的 利用率很低，冬至的前后利用率最低。這就是余弦效應(yīng)。冬至前后的日照時(shí)間 最短，所以這時(shí)太陽(yáng)能供給量是最少的。但冬季又是人們最需要利用太陽(yáng)能的 季節(jié)，取暖、溫室需要太陽(yáng)能，光一電、光一化學(xué)能等的轉(zhuǎn)換效率，也與太陽(yáng) 能的入射量成正比。因此，在安裝光導(dǎo)塊時(shí)，首先要根據(jù)太陽(yáng)的高度(角)最 低、日子最短的冬至來(lái)設(shè)計(jì)其法線方位角和高度角(仰角)。
太陽(yáng)高度角和方位角的計(jì)算
太陽(yáng)髙度角h的計(jì)算式
sinh-sin ￥ sin 8 + cos W cos 6 cos Q
太陽(yáng)方位角A的計(jì)算式
sinh'sin V -sin S
cosA= -~
cosh cos V
式中h——太陽(yáng)髙度角(度)； A——太陽(yáng)方位角(度)； V——當(dāng)?shù)氐乩砭暥?度)；
S——太陽(yáng)赤緯角(度)；冬至取(-23° 27')、夏至取(23° 27')、春 分、秋分取(0° )。
Q——時(shí)角(度)；Q=15t t表示偏離正午的小時(shí)數(shù)。 下面介紹朝南方向的立面(墻)的光導(dǎo)塊的排列方法
1、 先計(jì)算當(dāng)?shù)囟寥盏奶?yáng)高度角h;
2、 計(jì)算當(dāng)?shù)囟寥盏奶?yáng)日出與日落的方位角A;
3、 以光導(dǎo)塊的接受角的1/4,去除h,得整數(shù)3;得3列(附圖4，右)， 由下至上畫出各光導(dǎo)塊的法線傾角15° 、 30° 、 45° ;當(dāng)太陽(yáng)髙度角很小時(shí)， 例如沈陽(yáng)冬至的高度角只有41。 46'，這每列的光導(dǎo)塊數(shù)冬至前后只用兩塊， 相應(yīng)的行數(shù)也取兩行，上面一行在冬至以后發(fā)揮作用。
4、 畫出3行的平面圖(圖面向南，面對(duì)讀者。附圖4,左)。圖中(^的方 位角-冬至日出時(shí)的方位角；<14的方位角=冬至日落時(shí)的方位角。a" (14所 在的光導(dǎo)塊之間的其它各光導(dǎo)塊的方位角，是a i到(i4之間的遞增等差級(jí)數(shù)， 即由at加一個(gè)角度(公差)得ci2的方位角，再由(12的方位角加一個(gè)相同的
角度(公差)，得(13。圖中只有4列，當(dāng)立面很長(zhǎng)時(shí)，可有很多列，這時(shí)等差
級(jí)數(shù)的公差變小，但起點(diǎn)a i和終點(diǎn)a 4的方位角不變，即這個(gè)等差級(jí)數(shù)的首項(xiàng) 和末項(xiàng)不變。
5、上面的光導(dǎo)塊陣列適用于冬季取光。在春分以后或秋分以前，太陽(yáng)光 在正午開始從北面往南往下射，這時(shí)如還要高效地利用太陽(yáng)光，就需要安排 一排面向正北的光導(dǎo)塊陣列。
在利用光導(dǎo)塊陣列為樓房取暖時(shí)，可將圖4的光導(dǎo)塊陣列縮小到相鄰樓層 的間距和一間房屋的寬度，即塊髙等于樓層高，塊寬等于房間寬；這時(shí)每個(gè)光 導(dǎo)塊為它所在的樓面的房間供熱。而整個(gè)樓的墻面的許多光導(dǎo)塊(陣列)為它 所在的樓房供熱。
當(dāng)立面很髙時(shí)可以重復(fù)上述光導(dǎo)塊陣列；也可以行列數(shù)不變，但增大每塊 光導(dǎo)塊的高度和寬度。
三、應(yīng)用與傳導(dǎo)器件的配合
光導(dǎo)塊為節(jié)省光導(dǎo)材料一般都做成厚6mm的薄片，它絕對(duì)不能承重，故 它必定豎直安裝在框架結(jié)構(gòu)的方格內(nèi)(或安裝位置保護(hù)框)。光由接受面折射 進(jìn)光導(dǎo)塊內(nèi)，再經(jīng)塊內(nèi)的全反射到另一端射出。在射出端面根據(jù)陽(yáng)光利用方式 和位置可以有多種射出和接收方式
1、 以民用取暖為目的的輸出輸出的是圓錐體光(與接受面的的一樣)； 由普通玻璃接收。光導(dǎo)塊與普通玻璃相距20mm，構(gòu)成中空玻璃，中空玻璃是 密封的，內(nèi)充干燥空氣，并置少量干燥劑。這種中空玻璃可以安裝在門窗上(例 如將它用在舊房子的取暖上)，但光導(dǎo)塊與普通玻璃的距離要減小到5mm左 右。
2、 向附近輸送、利用熱能的，例如用于烘干木材、藥材、蔬菜等等的， 可以楔形光導(dǎo)塊將光集中成束，射向目標(biāo)物，提髙烘干效率。
3、 向輸出端下方傳送熱能的，如從房頂向北面墻傳送陽(yáng)光的，或向地面 土壤照射忙熱的，可將光導(dǎo)塊加厚且在近輸出端處，制成包層界面向下彎曲， 使光線向下，甚至通過(guò)北窗戶將陽(yáng)光投射進(jìn)北屋。
4、 在輸出端平行安裝光伏電池板模塊發(fā)電，并網(wǎng)。
5、 將相鄰幾個(gè)光導(dǎo)塊的輸出光線直接或經(jīng)光纜投向一個(gè)共同的光能轉(zhuǎn)換 裝置，提髙裝置的實(shí)際使用效率，起聚光作用(光導(dǎo)聚光)。
6、把粗塑料光纖集成光纜，使此光纜的端面與光導(dǎo)塊平行，并接受光導(dǎo) 塊輸出的光線，再由可彎曲的光纜將陽(yáng)光送往任何地點(diǎn)和任何方向。如要傳輸 的距離很長(zhǎng)，例如1000米，為減少能量損耗，光纖應(yīng)由玻璃纖維制成。
四、太陽(yáng)能立面高效采集與傳輸技術(shù)的巨大優(yōu)越性-
1、 從日出到日落全日高效采集太陽(yáng)能，是最高效率的太陽(yáng)能采集裝置， 用這種裝置能使所有光能利用設(shè)施提高生產(chǎn)率，降低產(chǎn)品成本。
2、 不需任何太陽(yáng)跟蹤裝置和反射鏡面，而能量采集效率很高，這可使光 伏發(fā)電提高生產(chǎn)率，大幅度降低成本，使光電走向市場(chǎng)化。
3、 用于取暖可利用房屋的墻面，不占用任何土地，不需特殊的墻面飾物， 即使在嚴(yán)寒地區(qū)，南墻所取的光能也足以使室內(nèi)達(dá)到25°C以上。
4、 由它可使陽(yáng)光直射土壤，在土壤貯存晴天大量熱能，供夜間、陰雨天 使用，消除太陽(yáng)能的晝夜、晴雨天波動(dòng)?；蜇寥乐猩頭l金屬管，再將陽(yáng)光照 射進(jìn)金屬管內(nèi)，使光熱貯存于地下深處，以后釋放使用。
5、 在緊伴高山陡坡建太陽(yáng)能立面采集與傳輸設(shè)施，可節(jié)省很多建設(shè)投資， 因簡(jiǎn)化了支架。
6、 用于塔式太陽(yáng)能發(fā)電，可在塔的南北建朝南和朝北的立墻，^:墻結(jié)合， 節(jié)省用地、用材，增加發(fā)電量。
7、 太陽(yáng)能的利用量，只與立面大小(長(zhǎng)度與高度)相關(guān)，不占用任何土
地(
8、光導(dǎo)塊可作為窗戶玻璃使用于舊建筑，其輸入的陽(yáng)光也足以使居室溫
9、 由于能向任意方向傳輸光線，可使建筑物陰面也可有陽(yáng)光，這將提高 其房?jī)r(jià)。
10、 可將太陽(yáng)能技術(shù)拓展到大型交通工具上，如汽車的5個(gè)面(四周與頂 棚)，若全部或部分地用光導(dǎo)塊替代，再用光纜將光引導(dǎo)到同一個(gè)光伏電池板 發(fā)電，這樣除夜晚和陰雨天外，汽車都可用太陽(yáng)能行駛和取暖，而夜晚和陰雨 天可利用晴天多余的貯于蓄電池的電能。這樣真正的太陽(yáng)能汽車時(shí)代就出現(xiàn) 了。
^JtH是光導(dǎo)塊縱剖面圖；附圖2是縱剖面邊與法線不平行的光
，g剖面圖；附圖3是有一邊向里斜的光導(dǎo)塊剖面圖；附圖4是光導(dǎo) 塊的墻面排列和縱剖面圖。 図，w」n"疋兀守
權(quán)利要求
1、 太陽(yáng)能立面髙效采集與傳輸技術(shù)是太陽(yáng)能開發(fā)的基礎(chǔ)性技術(shù)，其特點(diǎn)在于a、 以朝正南(北)立面采集陽(yáng)光；b、 聚甲基丙烯酸甲酯制造光導(dǎo)塊；c、 根據(jù)冬至日出和日落的方位角和冬至的太陽(yáng)高度角，確定光導(dǎo)塊的陣列。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述特征，光導(dǎo)塊以高折射率(n。聚甲基丙烯酸甲酯 制成扁方形，四周有包層聚甲基丙烯酸甲酯(較低直射率n2), m大于n2,再 外面有加固層。
3、 根據(jù)權(quán)利要求l所述特征，將光導(dǎo)塊安裝于立面的框架結(jié)構(gòu)內(nèi)。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述特征，將光導(dǎo)塊輸出端的尺寸可略縮小，以將輸 出光線聚集。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述特征，將光導(dǎo)塊輸出端的一個(gè)邊略彎曲，以實(shí)現(xiàn) 輸出光線的彎曲。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述特征，將光導(dǎo)塊輸出端面與塑料光纜的輸入端面 相耦合，以實(shí)現(xiàn)將光輸送到任意方向。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1所述特征，光導(dǎo)塊輸出端面與光伏電池板模塊耦合。
8、 根據(jù)權(quán)利要求1所述特征，將光導(dǎo)塊的輸出端面有距離的并行安置玻 璃，制成中空玻璃。
9、 根據(jù)權(quán)利要求1所述特征，將立面框架建在高山陡壁旁或太陽(yáng)能發(fā)電 塔南北。
10、 根據(jù)權(quán)利要求1所述特征，將光導(dǎo)塊安裝于交通工具上供電、供熱'
全文摘要
太陽(yáng)能立面高效采集與傳輸技術(shù)能將從日出到日落的陽(yáng)光100％的采集并向任意方向和地點(diǎn)方便地傳輸，從而使各種太陽(yáng)能利用裝置發(fā)揮其固有生產(chǎn)效率，成倍的提高光能轉(zhuǎn)換效率。其核心部件輸出的太陽(yáng)光可以聚集、彎曲、傳輸，可與各種用光裝置連接，它解決了太陽(yáng)能密度低、光線只能直線傳送、光量因季、日而有很大變化的缺點(diǎn)，使太陽(yáng)能有望成為能源主角。該裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本很低、功能可靠、不需維修，其最大特點(diǎn)是使太陽(yáng)能的綜合效率提高幾倍；不占用土地，采集的太陽(yáng)能量與裝置的高度與長(zhǎng)度成正比?？捎糜趬γ嫒∨桶l(fā)電，可建于高山陡坡采光供電，可用于汽車、火車等交通工具外部以供電和取暖。
文檔編號(hào)F24J2/38GK101122649SQ20061010432
公開日2008年2月13日 申請(qǐng)日期2006年8月7日 優(yōu)先權(quán)日2006年8月7日
發(fā)明者音 鐘, 鐘顯亮, 鐘顯昭 申請(qǐng)人:鐘顯亮