[0001] 本
发明——液介透镜聚焦式光伏发电及热利用装置：它是用廉价的普通玻璃、经
焊接制成透镜形状的壳体，在将液体(
水或水玻璃等)导光介质填充于壳体内构成的透镜(简称液介透镜)。用该透镜聚阳光于光伏
电池进行发电并同时收集太阳的
热能，为用户提供清洁、廉价、高效的
电能和热能供应的装置(技术)。
[0002] 随着我国经济的持续高速增长，工、农业生产的飞速发展，以及人们生活水平的提高，对
能源的需求也在急剧增长。但随着人类社会能源供需矛盾的加剧和化石能源造成的对环境污染的威胁，对新的二次能源的开发日益迫切。而氢能就是一种人类所期待的二次能源，氢能可以输送、储存、大规模生产和可再生利用，同时对环境友好，基本上没有污染，是理想的车载能源及生产、生活用能源。它的开发和利用受到世界各国的重视，目前世界上95％的氢是通过化石
燃料而获得。这一过程对能源危机和
温室效应没有实质性的改变。要想从根本上解决这个问题，就必需开发出不依赖
化石燃料制氢的新技术。人们都知道水(这里指
海水和
淡水)是世界上最丰富的物质之一，而利用
太阳能水电解制氢将是人类的最佳选择。因为太阳能是一种清洁的
可再生能源，对于人类而言是取之不尽，用之不竭的。
为此、本人于2008年设计了一种成本低(指综合成本和发电成本)、分解效率高、纯度高、高度节能(指高压灌装储存过程中的节能)的“太阳能水
电解制氢(
氧)装置”，最适合与具有间歇式的太阳能发电(
风力发电等)等配合使用，将它
门发出的电能，以氢能的方式储存，能发挥出最佳的效果。虽然水电解制氢在技术上已有了很大的突破，但在水的电解过程中，仍然要消耗大量的电能。因此，要想从根本上解决大规模的廉价制氢问题，关键是要解决廉价的发电技术。由于太阳的
能量密度低又具有间歇性，使得本来成本就高的现有光伏发电技术，再加上电能的储存与并网系统带来的高成本，更是
雪上加霜，失去了与常规能源竞争的优势，而得不到大规模的推广应用。
[0003] 一、本发明的目的：
[0004] 为了解决上述提出的具体问题，本发明的目的是要提供一种成本低、效率高、能对太阳的光能和热能进行综合利用的装置——液介透镜聚焦式光伏发电及热利用装置。为“太阳能水电解制氢(氧)装置”提供清洁、廉价的电能，同时为用户提供方便的热能。
[0005] 二、现有光伏发电技术所能达到的效果及其不足主要存在以下几点：
[0006] 1.效果：
[0007] 在国际市场上从2004年到2005年底，光伏电池的价格仍然超过3美元/WP(峰值瓦)，并网价格为6美元/WP，
光伏发电系统的平均发电成本为25美分/kW、h为美国常规发电的2倍，是
煤电成本的5～8倍，距离美国能源部光伏发电计划的预测，光伏发电成本至少到2030年以后才可能降低到10美分/KW、h的价格，还有很大的差距。
[0008] 2、成本与效率：
[0009] i、为实现大功率输出，
现有技术的做法是：大量使用光伏电池拼装成独立的发电单元，再由若干个独立的发电单元组成一个大的
发电厂。使用这种光伏发电方式的缺点是：土地占用量大、单元成本高，对太阳能的利用率低下，大
电流工作，有遭受
雷击的危险。
[0010] ii、使用抛物镜聚焦型或
定日镜聚焦型光伏发电系统，虽然能提高阳光的利用率，但其结构复杂、成本过高、要实现廉价的大规模工业化发电及家庭发化发电、较为困难。
[0011] iii、透镜聚焦型光伏系统，可以把光的强度浓缩几倍至几百倍，用较少量的光伏电池，能获得最大的电能(功率)输出，这是它的优点。其缺点是：大尺寸的透镜加工难度大、成本很高。而小尺寸的透镜加工难度稍小，装配难度又太大，而且成本高昂。
[0012] 综上所述，现有光伏发电技术的几种方法都有着共同的缺点：成本高、效率低，土地占用量大，都不能做到对太阳能的综合利用，在加上并网系统的价格太高，无法与常规的火电、核电、水电等能源竞争。
[0013] 三、本发明与现有光伏发电技术相比较所具有的有益效果，主要有以下几点：
[0014] 1、效果：
[0015] i、本发明与现有光伏发电技术比较，所具有的最大区别：在于本发明中使用了本人发明的“液介透镜”。才使得本发明在利用液介透镜聚光发电时，能做到每一个独立的发电单元只使用一到两
块光伏电池，最大限度地减少了使用光伏电池的数量，降低了成本。本发明在降低成本的同时，能把一块光伏电池的发电效率提高几倍到几百倍，还能同时做到对太阳热能的收集和利用，进一步提高本发明对太阳能的综合利用的水平和效果。所有这些是现有光伏发电技术所不能的。
[0016] ①由于制造液介透镜的材料是普通玻璃、其价格低廉。各透镜(三棱透镜、四棱透镜和
中轴透镜)的制造工艺简单，容易实现大规摸的工业化生产，成本很低。它在市场上的售价：每平方米(指受光面积)将不超过300元(人民币)；而1平方米(140/WP)的光伏电池在市场上的售价且在4000元以上。其价格是液介透镜的十三倍。由于液介透镜的独特作用，它能把现有光伏发电技术大量直接使用光伏电池发电产生的高成本，转化为使用液介透镜聚焦发电的低成本。从而达到了降低发电成本、提高光伏发电效率的目的，收到了好的效果。
[0017] ②液介透镜能象
光学透镜一样工作，对太阳光进行聚焦，而不会影响到对太阳热能的收集。使用该透镜聚焦发电，能减少光伏电池的使用数量，及使光伏电池的价格在10美元/WP、也是可以接受的。条件是：光伏电池要有效率高、寿命长、抗高温能力强的优点。使用液介透镜能从根本上解决现有光伏发电技术存在的结构复杂、成本高、效率低的技术难题。
[0018] ③将本发明与“太阳能水电解制氢(氧)装置”配合，组成太阳能电解水制氢(氧)系统。就可以充分利用低能量时段的太阳能，将其转换为氢能进行储存，同时节省了并网系统。使得本系统的成本进一步降低，其系统效率也得到了空前的提高。
[0019] ④由于本发明中的光伏电池是安装在主透镜的下方。因为本发明中所用的金属构件相互连接(
接触)，能将雷电引入地下。在金属构件的屏蔽作用下，可有效地防止光伏电池遭受雷击。
[0020] ii、由于本发明中的光电池要在强光下工作，需要冷却
散热。因此，本发明采用了液体冷却方式，只需将折射透镜、液介透镜以及光伏电池的冷却
散热器依次用管道连通，构成介质循环系统。这里的介质(是指水、水玻璃等可以导光和热的液体物质)既是透镜的导光介质，又是收集太阳热能的蓄热介质，同时还是光电池散热器的冷却介质。因此、只要对循环系统中、介质吸收的热量进行收集，再加以利用(如再加热发电)，能收到更好的效果。
[0021] 2、在相同规摸发电能力条件下的——成本与效率：
[0022] 以建造一座30KW、h的发电站为例：本发明加上“太阳能水电解制氢(氧)装置”的总投资将不超过4万美元，是现有光伏系统的七分之一。其发电成本为0、1元(人民币)/KW、h，将是现有光伏发电成本(25/KW、h)的十五分之一；是煤电成本的三分之一；是美国能源部光伏发电计划预测的，到2030年以后才可能降低到10美分/KW、h的近七分之一的水平(其中不包括热能的利用)。本发明与现有的火电、核电及水电技术相比较，无论从综合成本、效率，还是从资源优势以及对环境的友好程度，本发明都具有绝对的竞争力。它将为规模化及家庭化的廉价制氢提供最廉价的电能；为我国率先进入永久性的、以太阳能发电为
基础的氢能经济时代，提供强有力的物质保证与技术支持；为促进人类社会的文明与技术进步，最终构建“和谐世界”产生积极的推动作用。
[0023] 四.本发明的目的是这样实现：
[0024] 为了实现光伏发电的工业化和家庭化，本发明可分为：户外型和
屋顶型两种。由于户外型与屋顶型的聚焦方式、介质循环方式以及控制
电路完全相同，区别仅在于自动
跟踪方式的不同。以下仅对户外型进行祥细的阐述：
[0025] 下面结合
附图来详细说明本发明(户外型)的具体结构、工作原理及实现的过程：附图说明：
[0026] 图1是三棱透镜的结构图；
[0027] 图2是四棱透镜的结构图；
[0028] 图3是中轴透镜的结构图；
[0029] 图4是主透镜光学聚焦及介质循环的工作原理图；
[0030] 图5是总体构件结构图；
[0031] 图6是主透镜在纬度(高度)方向的
钢丝绳传动原理图；
[0032] 图7是自动跟踪控制电路的原理图。
[0033] 1、下面结合附图1、附图2及附图3来详细说明三棱透镜、四棱透镜及中轴透镜的具体结构及工作原理：
[0034] i、三棱透镜：它是“主透镜”的一个部分。是用廉价的普通玻璃经焊接制成的，在主透镜中它是成对出现的。其具体的制作方法是：使三棱形透镜的折射面(1)、上三
角面(2)、受光面(3)、下三角面(4)顺序连接，最后再与对接框(5)连接、经焊接就构成了带有开口的三棱透镜的壳体。
[0035] ii、四棱透镜：也是主透镜的一个部分，与三棱透镜一样，它只是主透镜的一个部件(零件)。在制作四棱透镜时必需是成对制造，它们的大小必需相等，其制作方是：折射面(6)、上四边形(8)、受光面(7)、下四边形(9)的顺序依次连接，再与对接框(10)连接后，经焊接就构成了带有两端开口的梯形透镜的壳体。
[0036] iii、中轴透镜：也是主透镜的一部分，它处于副(主)透镜的中间部分。左右折射面(17)(13)可以通过一块玻璃加热折弯而成，再将它依次与下五边形(12)、受光面(16)及上五边面(14)连接后焊接，再将折射面的上下两端分别制做进液咀(11)与排液咀(15)，就构成了一个两端成对称开口的壳体。
[0037] 2、下面结合附图4来详细说明由主透镜、折射镜构成的光学聚焦及介质循环装置的工作原理：
[0038] i、主透镜可以由一个幅透镜构成，也可以是多个副透镜组成。每层(排)的透镜称之为一个——副透镜，它是由三棱透镜(24)、四棱透镜(25)在中轴透镜(26)的两端对称装配而成。中轴透镜——又称为单位透镜。以单位透镜为基础进行扩展，。其扩展方法是：在中轴透镜的两边依次对称添加四棱透镜，最后在对称添加三棱透镜，就能得到所需要的受光面积的副透镜(主透镜)。再将副透镜按照竖直(列)方向进行
叠加，就能得到更大受光面积的“主透镜”。因此、用户就可以根据自己的实际情况进行选择。
[0039] ii、主透镜的介质进(给)排(出)系统：由三棱透镜、四棱透镜及中轴透镜构成副透镜，在由副透镜叠加而成的主透镜。这时的副(主)透镜是不能工作的，它只是一个空腔的壳体，只有将它们的壳体内充满导光介质(这里的介质是指可以导光和热的液体)时，才能正常工作。为了对本发明在工作过程中产生的热量进行有效的收集，设计了介质循环系统。它是把构成主透镜的副透镜的上下层用U形管(23)连通，将散热器(18)通过管道(19)与下折射镜(29)连通，下着折射透镜通过管道(28)与上折射透镜连通，上折射镜的排液咀(21)通过管道与最下层副透镜中的中轴透镜的进液咀(27)连通，最后通过上层副透镜的排液咀(22)与外部的换热器、
循环水泵等连通，就构成了介质循环系统。当光线垂直射向主透镜时，通过介质的折射作用，把光线聚焦成一条直线，而不是一个点；当主透镜受光面积较大时，聚焦后的直线会很长，远大于光电池的长度，这时就需要通过上下两个折射镜(20)(29)把主透镜聚焦后的直线收拢到光电池可以接受的范围。在通过调整光伏电池与主透镜的相对
位置，就能够获得与光伏电池受光面积相等的浓缩光线。
[0040] iv、由于光伏电池要在几倍到几百倍的强光下工作、
温度会很快升高，使得载流子的复合寿命缩短，将直接影响到光电池的转换效率和使用寿命。因此、光伏电池需要进行快速冷却。只要使循环系统中的介质流动起来，既不影响主透镜的聚焦效果，还能给光电池降温，同时还可以利用介质吸收的热量。真可谓一举多得，实现了最大限度对太阳能的综合利用。
[0041] 3、下面结合附图5来详细说明户外光伏系统的总体构件的结构及工作原理：
[0042] i、为了进一步降低成本、本发明采用廉价的
钢丝绳传动的方式，这种传动方式适用于组建大规模的光伏发电厂。本发明中的户外光伏发电系统：是由环形地轨构件(38)、主体构件(33)、左右定
滑轮支撑构件(36)(34)及主透镜
框架构件(35)等零部件构成。
[0043] ii、将环形地轨构件(38)用
混凝土固定在地下，它的环行轨道用于支撑主体构件(33)。主体构件是由立柱、横梁、斜拉支撑零件经焊接构成，其整体结构成矩形框架。主体构件的下方制有一个开口横向向外的槽形园环(37)、其槽内固定的钢丝绳(31)与水平
传动轴(32)一起构成水平传动装置。主体构件中立柱的正下方装有
脚轮(39)、它可以在环形地轨(38)上滚动。主体构件(33)是通过环形地轨构件中心的地轨
主轴(30)、通过
轴承、用
螺母固定。当主体构件绕主轴转动时，通过钢丝绳的牵引作用，使主体构件以地轨主轴(30)为中心，通过脚轮(39)沿环形地轨的水平面方向运动；在主体构件(33)的左右两端分别制有两个用于支撑定滑轮的支撑构件(36)(34)，主透镜的框架构件(35)通过铰轴与主体构件连接，另一端与钢丝绳连接固定。当水平传动轴(32)转动时、通过钢丝绳
牵引力的作用，使主透镜以铰轴为圆心，沿高度(纬度)方向运动。
[0044] 4、下面结合附图6来详细说明主透镜沿纬度(高度)方向运转时、钢丝绳的传动原理：
[0045] 主透镜沿纬度(高度)方向跟踪太阳，是通过钢丝绳传动装置来实现的。为了使主透镜能在任意位置高度(或仰角)都具有抗震、抗
风能力，钢丝绳传动装置采用了对称布置，分别布置在主透镜(40)的两边。由于左右两边的传动方式相同(属对称布置)，能实现同步转动。区别仅在与钢丝绳在纬度传动轴(46)上的缠绕方向相反，因此，这里只对主透镜左边的钢丝绳(42)的传动装置进行详细的阐述：钢丝绳(42)既是牵引主透镜(40)转动的动力传递者，又是主透镜的斜拉固定者。首先将钢丝绳在纬度传动轴(46)上缠绕数圈，其缠绕的钢丝绳的长度应大于主透镜由最低点运动到最高点之间钢丝长度的2倍以上，以确保钢丝绳在往复运动时不会被折断。钢丝绳的一端通过
张力导向轮(44)在主透镜(40)的左下角处固定；它的另一端通过水平导向轮(45)、垂直导向轮(43)、最后通过支撑构件顶部的定滑轮(41)，在主透镜的左上角处固定。这时就由钢丝绳构成了一个封闭的动力传动。当主透镜由最低点向最高点运动时，主透镜与水平面的夹角(即仰角)应大于零度小于九十度。由于主透镜在高度方向的运动正好与太阳的运动方向相反，也就是说：当太阳刚升起时，主透镜的仰角(高度)最大，而在中午时太阳在最高点，主透镜的仰角(高度)最小。在一个太阳工作日，主透镜的仰角将从最大变到最小，再由最小变到最大，主透镜即完成一个工作周期。在自动跟踪控制电路的作用下、主体构件能沿水平方向与太阳作同步运动，又能沿纬度(高度)方向与太阳作运动同步时，就实现了对太阳的全程跟踪。当水平传动轴与纬度(高度)传动轴同按各自预设定的方向同时转动时，它门通过各自的钢丝绳
传动系统，使主透镜在运动时，其受光面能始终正对太阳，以获得更多的能量。
[0046] 5.下面结合附图7来详细说明本发明中的自动跟踪控制电路的工作原理：
[0047] 由光伏电池(55)，给水平方向的变速直流
电机(57)、高度(纬度)方向的减速直流电机(61)、
蓄电池(47)及控制电路提供电能供应。光伏电池产生的直流电IPV，一路经熔断器(54)后直接为负载供电能。另一路在通过
二极管(53)后为蓄电池(47)充电，同时为水平方向转动的变速直流电机(57)和纬度(高度方向)的减速直流电机(61)及控制电路供电。由于它们的自动跟踪控制电路的工作原理完全相同，这里只对水平方向的自动跟踪控制电路进行详细的阐述：
[0048] i、给电机和自动跟踪控制电路的供电电源分为两路：一路由光伏电池(55)供电，另一路由(预备用)蓄电池(47)供电。
[0049] ①当光伏电池输出的峰值
电压Upv高于蓄电池的电压时、直流电流Ipv，首先通过熔断器(54)、二极管(53)、在给变速直流电机(57)及自动跟踪电路供电的同时，为蓄电池充电；
[0050] ②当光照强度较弱时，光伏电池输出的峰值电压UPV低于蓄电池的工作电压时，二极管(53)截止、这时由蓄电池给电机和自动跟踪控制电路供电。
[0051] ii、电流首先经过继电器J2(59)的常闭触点(52)，可控
硅管(51)、与继电器J1(58)的常闭触点(56)及常开触点与变速直流电机(57)连通。行程
开关(50)的常开触点与继电器J1(58)的常开触点(49)并连，在与终点行程开关的常开触点(60)与继电器J2(59)线圈串连后、接入的常开触点(50)与反转行程(49)并连后的输出端。
定时器(时钟)(48)与可控硅管(51)的控制极连通，其目的是：使自动跟踪装置能按照预先设定的时间起动。
[0052] ①当本发明开始工作时，主透镜应正对刚刚升起的太阳，处于起始位置，为最大仰角，这时的光伏电池的
输出电压UPV低于蓄电池的输出电压、二极管处于反向截止。此时由蓄电池单独供电；这时由定时器向可控硅管的控制极发出触发电压、使可控硅管(51)导通，这时的电流通过继电器j1的常闭触点(49)、使变速直流电机(57)正转，从而带动主透镜与太阳作同步运动；
[0053] ②当光伏电池工作在中午的强光时段时、输出电压为峰值Upv，其电压UPV高于蓄电池的输出电压、其供电方式：便会自动转换为光伏电池供电；
[0054] ③当主透镜继续转动、直到终点太阳落下时，又会自动转换为蓄电池供电，直到触动终点行程开关(60)闭合、给继电器J2(59)的线圈供电，使它的常闭触点(52)在瞬间断开。此时的可控硅管(51)由导通迅速变为截止，继电器的触点(52)又迅速恢复到原来的闭合状态。到此、即完成了一个太阳工作日，主透镜又回到了原来起始位置、以等待第二个工作日的到来。
[0055] 五、下面结合附图1、附图2、…、及附图7来详细说明本发明的具体装配细节：
[0056] 本发明的具体结构是：折射面(1)、上三角面(2)、受光面(3)、下三角面(4)及对接框(5)顺序构成的三棱透镜壳体；受光面(7)、上四边形(8)、折射面(6)、下四边形(9)及左边大端开口处制做的对接框(10)构成的四棱透镜壳体；左右折射面(17)(13)、折射面上制有进液咀(11)与排液咀(15)的折射面、下五边形(12)、受光面(16)、上五边形(14)构成的中轴透镜壳体；连接散热器(18)及上下折射镜(20)(29)的U字管道(19)(28)，三棱透镜(24)、四棱透镜(25)及中轴透镜(26)拼装扩展而成副透镜后、经竖方向叠加后用U字管道(23)连通而成的主透镜构成的光学聚焦系统及介质循环系统；水平传动轮(32)、主体构件(33)、左右定滑轮支撑构件(36)(34)、与主体构件(33)铰连的主透镜筐架构件(35)，套焊在主体构件下方与角轮(39)之间的槽形园环(37)、以及固定在槽内的钢丝绳(31)构成的、通过主轴(30)固定、能沿环形地轨(38)平面转动的主体构件构成的总体构件；⑥由主透镜(40)、定滑轮(41)、钢丝绳(42)、垂直导向轮(43)、张力导向轮(44)、水平导向轮(45)及传动轴(46)构成的纬度(高度)方向的跟踪装置；蓄电池(47)、光伏电池(55)、定时器(时钟)(48)、继电器J1(58)的常开触点(49)及长闭触点(56)、反转行程开关(50)、可控硅(51)、继电器J2(59)的常闭触点(52)、二极管(53)、熔断器(54)、变速直流电机(57)以及终点形成开关(60)以及由另一路控制的减速直流电机(61)等零部件装配而成。
