新型高温透射太阳能炉的发展和应用方向

新型高温透射太阳能炉的发展和应用方向

胡

连

印

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2017年6月17日

新型高温透射太阳能炉的发展和应用方向

胡连印、赵文成、季营延、骆金华、胡胜勇、胡盛书

引 言

“对菲涅尔透镜的工艺改进”项目前后已有35年的历程，可能任何原创性的东西都要经过长久的磨难，80年前后，我们试过水透镜，1.8米直径；玻璃镜反射太阳灶，1.8米直径，二个试验基本算成功的。但水透镜装水太多，笨重，不便操作，透膜不堪一击。反射太阳灶面积小，能量小；面积大，蹬上爬下不方便，溢出的沸水、沸汤很快将反射膜破坏，试验只能终止。

对菲涅尔透镜最初只是作为学习知识介入的，后来发现菲涅尔透镜的发展也不乐观，面积做不大，就没有能量，想做大，就要有大型精密机床，这是不可想象的，失望与希望总是交替轮换地钻在脑子里，挥之不去。忽然，有一天想起来，人们用一砖一瓦可以盖起若大的房子，为什么就不能用聚光瓦盖集光透镜？从此，一发不可收！以我们的数学功底，计算是没问题的，以我们的技术功底，制造是没问题的。终于，在2003年新型专利获批，2004年发明专利获批，在盘锦市支持下，在朋友们帮助下，于2006年造出了由聚光瓦拼接搭建的大型透射式高温太阳能炉，并于当年参加第八届深圳高交会展览，由此翻开了光明的一页。

一、笔者对菲涅尔平板透镜作出4项改进，提出聚光瓦透镜的设计理念，第一代透射太阳能炉研制成功。

过去的菲涅尔平板透镜一般是整体压制或车制，为方便脱模，将所有棱镜的底面加工成与轴线相平行的柱面，这也是菲涅尔教授本人的意旨，我们经过长时期学习、思索、分析：认为这不符合光学原理，棱镜的折光路线是向焦点方向倾斜的锥面，而不是柱面。硬要做成柱面，将引起严重的遮光现象，愈往透镜边缘愈严重，在透镜焦点前形成一系列同心光环，这也是菲涅尔透镜聚焦不均匀的基本原因。其次，降低了透镜的光通量，即能量。笔者认为一定要遵从透镜的光学路线图，这一来，在透镜剖面的轴二侧的棱镜底线将形成上大底小的锥面，这是绝对干不成的。笔者办法是将整体菲涅尔平板透镜分割开来，按几何原理分成许多区块，每一区块单独加工制造，尔后拼接组合成一整体，解决了棱镜底边向焦点倾斜的加工难题，这个棱镜底面向光轴倾斜的角度是多少？理想的状态是各棱镜底面向轴倾斜的角度与该处入射光线的一次折射线相重合，可由光的折射公式精确计算。加工逾精密，焦斑光强逾均匀。对棱镜的要求精度决定了对压制模具的加工精度。整体模具不可能无限制加大，如直径Φ10m、Φ20m的透镜。其次，整体加工制作的菲涅尔薄板透镜由于其薄而轻，刚性不足，很难将其直径做大，为了获得大的太阳能功率和尽可能高的聚焦温度，必须将透镜直径做大，并且实现尽可能高的加工精度，这对模具的生产带来苛刻要求，需要大尺度高精密的加工机床，这对一般中小工厂是难企及的，生产成本也难降下来。按照笔者思路，将整体菲涅尔透镜分解成许多区块，每区块单独加工，既解决了棱镜底边向轴倾斜的难题，又解决了大型菲涅尔透镜加工制造的难题，为中小工厂生产大功率太阳能聚光器提供了解决办法，有识之士不可能不认识到这一改进的重大历史意义和巨大价值。为了获得尽可能高的聚焦比，笔者将平板菲涅尔透镜恢复为球冠面的薄板透镜（点聚焦），和柱面形薄板透镜（线聚焦），上述改进全部依完整的精密数学计算为依据。区块如何划分？以方便于机械加工为准，参考图1：球冠直径1.7米，整个球冠被分为61块，纵向上分为24等份，横向上分为4个梯级，顶层仍然是一个小圆球冠形，因其离轴近，棱镜底面倾角较小，可忽略遮光作用。第二层分12等份、第三层、第四层各分为24等份，切割的每一区块都为球面梯形，或柱面形，形状像瓦，我们取名聚光瓦，聚光瓦厚度3—6毫米、四边有加强筋，保证了聚光瓦的基本强度和刚度。所有聚光瓦的纵向切面要求通过轴线，横向切面要求通过球心，所有的聚光瓦都粘结固定于相应的球冠状或柱面状金属网格框架上，再加压条和螺丝加固，框架由不锈钢材焊接而成，形成一个坚固的刚性的大型薄板透镜，从而获得取不尽、用不竭的高温太阳能源。如图1-图5所示。

为了帮助小中企业有能力生产聚光瓦模具，笔者还设计制造出用普通车床

为了帮助中小企业有能力生产聚光瓦模具，笔者还设计制造出用普通车床加工精密球面梯形模板的机床辅助工具，和加工精密棱镜牙板的铣床辅助工具，使聚光瓦模具的生产不再困难，小微企业即可生产大型透射太阳能炉。在盘锦市政府的扶助下，笔者用26万元在微小工厂里造出直径Φ1.7米太阳能炉样机2台，直径Φ3米样机2台，直径Φ400毫米光伏聚光罩2台，弦宽3米、长8米线焦聚光器机架1台，另外加19台模具，用退休金造出Φ1.7米不锈钢样机1台，能跟踪阳光的Φ3m太阳能厨房1台，展示出生产透射太阳能炉强大的生命力，透射聚光方式自然省去了敏感的阳光反射膜，该项目急需政府给予扶助。

二、第一代透射太阳能炉的优缺点和改进方法：

1、透射太阳能炉的优点：

1）、在精湛的数学计算下，在特殊的工艺安排中，笔者依靠小微工厂帮助，在简单作坊里造出高难度、高精确度的大尺度曲面菲涅尔薄板透镜，造出了大功率、高温度、高聚焦比透射式太阳能炉，为高温太阳能炉的规模应用导出一种生产方法。

2）、透射式聚焦方式聚焦比很高，我们已经造出焦比600的样机，如果经费充足，加工设备先进，还能造出聚焦比更高的样机，聚焦比高意味着能获得更高的焦点温度。

3）、透射式聚焦方式意味着透镜在上方，炉具、灶具在下方，方便于人们的操作和使用。并且能够生产出在室内操纵的太阳能炉具，代表性的是太阳能厨房。该特征对中国北方地区尤为重要，可避开室外的风、沙、灰、尘与寒冷，创新出一种新型的太阳能装置。该装置为中国北方民众，少数民族、边防哨所、地质队、海岛官兵提供强大的生活生产新能源。该装置在北极、南极地区同样可以方便使用。

2、第一代透射太阳能炉的缺点：

1）、经过12年多的现场应用和锤炼，塑料透射式太阳能炉的缺点也曝露无遗，塑料这种透光材料长期在阳光下暴晒，又经风、沙、雨、雪、霜的摩擦毁坏，容易变型、老化、脆化，降低透光率，降低聚焦比。但是，设计良好的聚光瓦使用10年是可行的。

2）、有机玻璃这种材料，折射率较小，造出的聚光器焦矩较长，整个太阳能炉显得庞大，不利于操作、储存。尤其对于大型和超大型透射太阳能炉几乎无法生产和使用。

3、透射式太阳能炉改进方法：

1）、研制玻璃聚光瓦；为了提高透射太阳能炉的耐候性能，建议尽快安排研制较高透光率的玻璃聚光瓦，玻璃聚光瓦至少可用20～30年，玻璃聚光瓦的研制又变为耐高温的压制模具的研制。是否可选用“耐高温BC-8新型特种模具钢”，美国哈斯霍姆“HQ-40高温模具钢”，或GY模具钢或H21热作用模具钢，X25V模具钢等等特种耐温模具钢。优选其中的模具材料。玻璃聚光瓦如能研制成功，人类将获得取不尽用不竭的高温太阳能源。

2）、研制双层反扣菲涅尔聚光瓦透镜；如众所知，菲涅尔透镜一面光滑，一面为首尾相接的棱镜，沟槽密布，容易吸附灰尘，降低透光率，且清洗困难，一层菲涅尔薄板透镜强度刚度较弱，在风沙雨雪等的吹打下容易老化变形，脆裂、降低透光率、降低聚焦比，最后聚焦失效。我们设计了一种双层反扣菲涅尔聚光瓦透镜，相当于一种双层窗玻璃的结构，棱镜在内，光滑面在外，不易招尘，容易清洗，且透镜的强度、刚度、保温性能数倍增加，可贵的是该措施使透镜焦矩缩短30%～50%，使聚光器外形紧凑、玲珑，便于操作，最可贵的是该措施使大型和超大型高温太阳能聚光器的工业化应用敞开了大门，造价虽然提高了，但其工业价值却数拾倍增加，应用领域亦无限制地扩展。

三、透射太阳能炉的应用方向：

1、对于民间居民使用的中小型透射太阳能炉，满足家庭烧水、蒸煮、做饭、炒菜、取暖功能，功率在1～5KW，接光面积1.5～8m2，根据用户要求，可任意选择定制，可制成多种规格的产品，阳光跟踪采用手动跟踪，自动跟踪相结合的方式。灶具备有烧水锅、蒸煮锅、炒菜锅、烤饼锅、烧烤炉等等炊事器材。根据需要还可订制多种热能转换装置，如：制冷、制冰、发电、生产蒸汽、抽水等等功能，真正做到一机多功能多用途的目的。如图：

图6：聚光瓦 图7：太阳能蒸气发生器

图8：炒菜锅 图9：太阳能蒸煮锅组件

图10：太阳能蒸煮锅 图11：太阳能蒸气锅

2、对于大中型室内操作的可自动跟踪阳光的厨房式太阳能炉很适合边防哨所、海岛官兵、地质队、少数民族家庭、边远集体单位或农村乡镇企业，用于烧水、做饭、取暖、获取生活淡水或生产蒸汽或干燥食品和器材等等用途，功率在10～30KW左右，直径Φ4.5米的太阳能炉1台到3台即可实现目标，太阳能厨房是个新事物，在室内操纵太阳能炉，避开了室外的风沙灰尘与寒冷气候，并获得大功率高温能源，肯定会受到大众的欢迎。

3、对于大型或超大型线焦高温太阳能聚光器及其阵列，由于其面积巨大，能量惊人，可与风电能结合，制成大规模海水淡化工程，对苦咸水、污染水体净化工程，对化工厂提供巨量热水、热蒸汽工程。

对于直径5米以上以至几十米直径的点焦聚光器，因其拥有巨大的热功率，极高的聚焦温度，可为太阳能光解水制氢技术，光化学制柴油技术，太阳能熔炼技术、冶炼技术、分离技术提供强大的热能源。

4、用聚光瓦拼接搭建的大型透射太阳能聚光器其它可能的发展方向：

1）、研制可载人的太阳能飞蝶（热气球原理）。

2）、研制在空间轨道运行的太阳能聚光炮（极端聚光的大功率太阳能可将钢铁熔化，岩石爆炸）。

3）、研制太阳能聚光火箭用于空间航行。

4）、研制在月球、火星运行的穹顶式透射聚光太阳能熔炼炉，熔炼稀贵金属，制造氧气、二氧化碳、氦3等等。只有聚光瓦透镜的发明，才有利于发展上述利器。

四、高温透射太阳能炉应用效果示范图：

图12：Φ3m太阳炉一小时内做出的饭菜，6个菜1盆饭。

图13：太阳炉蒸糖包子 图14：太阳炉蒸米饭

图15：太阳炉蒸鱼 图16：太阳炉粉蒸肉

图17：太阳能炒菜锅 图18：太阳炉烤饼

图19：太阳炉烤箱 图20：烤熟的地瓜

图21： 厨房式高温太阳能炉（示意图）

厨房式高温太阳能炉应该成为太阳能热利用的一个大方向，在室内操作高温太阳能炉，避开室外风沙、灰尘与寒冷

五、结语：

各方同胞、各路朋友，你们尽管放心大胆试验、开发、利用聚光瓦透镜构成的大型太阳能高温炉，创造旷世的经济成就，我们不收专利使用费，只要国家富强，大家安居乐业，就是最大的知足。该项目是下岗职工的独立研究，纳入不了国家研究计划，也就不能得到国家政策扶助，希望国家调整那些僵化的管理制度，中国将走上繁荣富强的道路。

另借贵宝地纠正一个错误：发表于太阳能杂志2005年第一期37页一篇文章：对菲涅尔透镜的工艺改进，“塑料透射式太阳能聚光器”中一句话：“经此改进，薄板透镜透光效率比底边为柱面的棱镜至少提高70%以上”。其中百分比70%是错的，应为7%，可能已经引起不良反应，这是个常识性错误，原因是作者原稿字迹潦草，看不清，出刊时，作者未审稿，酿成此错，在此更正，向读者致歉！

联系人：胡连印 152******** 赵文成 138******** 季营延153********

2017年7月4日

本文来源：https://www.2haoxitong.net/k/doc/771f11b1d0f34693daef5ef7ba0d4a7303766c5d.html