[发明专利]一种多用途太阳能收集与利用系统

说明书

技术领域

本发明为多用途太阳能收集与综合利用系统，属于太阳能技术应用领域。

背景技术

太阳能是一种永不枯竭、取之不尽的清洁能源，然而，由于其能量密度低、地区分布不均，太阳能的收集、传输和利用等技术的开发成本高，推广应用难度大。

旋转抛物线凹面聚光镜(以下简称凹面聚光镜)是太阳能收集的常用器件，它是使抛物线绕其主轴旋转所形成的凹面体，在凹面体内凹表面镀制反光材料制成的。采用凹面聚光镜方法聚焦直接利用太阳能技术有如下几个缺点：(1)由于必须在凹面聚光镜的焦点处取用能量，且只能在户外操作，使用很不方便；(2)由于必须在凹面聚光镜的焦点处取用能量，聚光面积不能制造得很大，否则使用受到影响。这样由于单个凹面镜的面积受到限制，所聚焦的总能量小，单个装置聚焦的总能量低，不利于在太阳辐射能量密度较低的地方推广应用；(3)采用在内凹面直接镀制光反射层，例如镀铝、镀镍或银等，或在其内凹面贴反射膜等方法制造凹面聚光镜，由于大气腐蚀作用，这类反射膜会逐渐被腐蚀而失去聚光作用，寿命较短。传统的家庭用平面镜等采用先在透明玻璃的一面镀制金属反射层，再在镀层上涂制防腐蚀涂层，由于这种方法没有实现与大气完全隔离，镀层易受水气侵蚀，使用寿命也有限；(4)功能单一，通常的凹面聚光镜只有太阳灶功能，利用时间短，综合效益差。若能克服上述缺点，必将极大拓展太阳能的应用领域，拓宽太阳能的应用地域。

在太阳能的传输方面，主要采用反射式输光管和全反射光纤束传输技术，从聚光镜焦点位置将聚焦的太阳光能传输到使用点。利用全反射原理实现光束的长距离传输是众所周知的成熟技术，例如在光通讯领域，以SiO₂为主要成分的光纤，工作在0.8μm-1.6μm的近红外波段，目前工艺技术所能达到的最低理论损耗在1550nm波长处为0.16dB/km(光损耗为0.2dB/km时，相当于50％光损耗)。到达地面的太阳辐射中，以红外线的能量最多，约占50-70％，可见光约占46-30％，紫外线只占4-0.1％，已经有研究结果表明，光传输介质中过渡金属杂质如Fe²⁺和OH^-等是可见光和红外光的主要吸收成分，因此，只要SiO₂材料中红外光和可见光的主要光吸收杂质含量得到控制，高能量密度的太阳光能通过类似于光纤的光传输技术是可以实现的。实用新型专利(ZL专利号02207211.X)采用菲涅耳螺纹透镜组合方法和凹面镜组合将太阳光聚焦到反射光管的入口，并通过反射光管送到使用点。公开号为CN101270921的专利，利用凹透镜、凸透镜、反光面和反光棱镜的光折射、反射原理，将它们分别设置在太阳能收集装置的光收集头、传导装置的止头集光三通、光缩节以及供能装置中的取光三通内，使收集的光能沿着设置的光道直至使用装置中。公开号为CN1847741的专利，公开了一种把大面积的太阳能分片汇聚起来的方法，反光镜反射的阳光经过凹透镜折射之后，汇聚到光束导管中，在光束导管内经过反光膜的不断反射，传输到房间内的另外一端。实用新型专利(ZL专利号200710063059.5)采用抛物面聚光与圆柱镜反射面反射的原理，实现了平行光束能量密度的转换。上述专利都涉及到光的金属膜反射。反射式输光管技术的缺点是光的传输需要通过光反射膜的多次反射才能将凹面聚光镜焦点处的光传送到使用点，反光材料的多次反射会导致大量的能量损失，例如有文献报道高质量的铝膜、银膜的一次光反射损失会大于2％。因此，这种传播方式只适用于短距离的光能传播。实用新型专利(ZL专利号200420017316.3)依据光纤通讯原理，将光纤束放在太阳能聚光装置的焦点处直接将太阳光能送入储能器。申请号为CN1955613(太阳能光纤传导聚能矩阵)的专利，由聚光器、光纤束、受光器和基座等构成，也是使多个聚光器会聚的太阳光经光纤束一一投射到同一吸收器上。上述两个专利技术利用了光在介质中的全反射原理，虽然可行，但存在光传输损耗高、收集效率高的缺点。因为当用多根光纤构成的光纤束传送太阳光能时，只有直接入射在光纤光芯上，且入射角满足光的全反射条件的光才能通过光纤传播，依据光在介质中的传输原理可知，不满足全反射条件和入射在纤维束间隙处的这部分光最终将逃逸出光导纤维，光能的传输效率较低，特别是当聚光装置性能较差时更是如此。申请号为200810046510.7的发明专利“一种光能收集与全反射光能传输系统”，利用了光在介质中的全反射传输原理，实现了太阳光的高效收集和能量密度倍增。但该技术涉及到一系列高精度光学器件的精密加工，设备投资高，加工难度大，系统制造成本高。公开号为CN1427959的发明专利公开了一种涉及耐风化耐腐蚀的、用在可见光和红外线的波长范围内的且总反射率高的反射镜。该反射镜包含一个由铝制或铝合金制反射面的反射镜体，还包含一个由厚度大于1μm的溶凝胶涂层构成的最终透明保护外层。但由于该透明溶凝胶涂层是由碳硅烷基交联无机硅氧烷聚合物，虽有耐风化性能、耐腐蚀性能和耐磨损性能特点，但由于这类物质长期在光照条件下存在辐照分解特性，决定了该种膜材料的寿命是有限的。