新型聚光式利用太陽能的裝置的製作方法

2023-05-19 17:24:16 3

專利名稱：新型聚光式利用太陽能的裝置的製作方法
此發明屬於能源領域。
據《知識就是力量》『96年第6期《當今世界的能源問題》一文記載「地球每年所接受的太陽能至少有6×1017千瓦時，這相當於74萬億噸標準煤的能量」。「開發利用太陽能有兩個關鍵性問題，一是如何提高太陽能的轉換效率。二是降低成本。」「美國推出的新型太陽能接收器，其熱能轉換率可達90％」。
據《國外科技動態》95年第4期《光電屋頂》一文介紹「陽光裡蘊藏著大量待開發的能量，晴天裡一塊3平方英尺的面積可接受約1000瓦的太陽能」。
據《科技新時代》』96年第7期《太陽能發電住宅》中介紹「光電池的發電成本為每千瓦時30美分，而普遍美國家庭電網的電費僅為每千瓦時8美分。」「光電池板越熱電壓越低，利用效率也就低了。」據《科學畫報》』93年第8期《超級太陽爐》中介紹根據成像原理而設計的聚光鏡有兩個實際問題，一是聚光度遠低於理論極限，另一個是要有陽光跟蹤裝置，可是此裝置比較笨重，安裝維修又麻煩。
為了有效利用太陽能，降低發電成本，簡化跟蹤太陽的設備，使太陽能利用更迅速普及，特發明此裝置。
此發明的主要原理是利用凹槽鏡聚光聚熱到真空採光集熱管上，並由集熱管中的傳熱介質(液體)將熱能傳出後進行有效利用。
我們都知道反射面是球面的一部分的叫做凹面鏡，用球面內表面作反射面的叫做凹鏡。在這裡我們不用凹鏡，而是用叫凹槽鏡的東西。所謂凹槽鏡就是沿圓柱母線把一個圓柱的側面分為若干部分，我們用其中某一部分內表面作反射面的叫凹槽鏡(如圖1)圓柱體的高等於凹槽鏡的長。圓柱底面的一部分圓弧叫凹槽鏡的弧，弧上的弦叫凹槽鏡的寬。圓柱體的底面也做凹槽鏡的側面。通過凹槽鏡弧上的中心點P的母線叫凹槽鏡的頂線。由頂線和圓柱圓心軸組成的平面叫主光軸面。平行於主光軸面射向凹槽鏡的平行光線(如陽光)被反射後，聚成一段和凹槽鏡一樣長的焦線。焦線和頂線組成平行四邊行的上下底邊，其底角跟該光線(陽光)的傾斜角度相等。焦線到頂線的距離f(也就是平行四邊形的高)等於圓柱底面半徑R的一半，即f＝1/2R。
根據以上情況，我們找一個比焦線稍長的真空採光集熱管，把它放在凹槽鏡焦線的位置上。這樣凹槽鏡反射聚集的太陽光熱便傳到集熱管內的傳熱介質裡。但太陽並非靜止不動的。它不僅在東西方向轉動，而且在南北方向上也移動。對於一天中太陽的轉動，只要我們控制一種方向就行了。假如我們控制凹槽鏡在東西方向上跟蹤太陽。這樣太陽光一天中雖有南北方向移動現象，但也會始終跟凹槽鏡的主光軸面平行，並聚成一段直線即焦線；並且該焦線隨太陽的南北移動，也出現北南移動現象，也就是說平行四邊形底角也在發生變化。但卻不影響焦距。這樣我們就可將按裝在焦線上的真空採光集熱管固定，控制凹槽鏡繞集熱管轉動即可。這樣就有利於大規模按裝；跟蹤系統也簡化了很多。
當太陽剛升起來的時候，控制系統就得控制凹槽鏡對著太陽。這種情況下，我們就必須得把凹槽鏡抬高，同時得用一個力來支持凹槽鏡，不讓其下墜。隨著太陽的升高，凹槽鏡逐步下轉，到中午時凹槽鏡自然放落。只有這時才無需其它力來支持。到中午以後，太陽逐步西落，凹槽鏡逐步升高抬起。這樣我們如果要用一個力來支持凹槽鏡，那麼就會使控制系統多消耗能量。為此我們利用槓桿原理，在支點的上方適當的地方加上一個適當的重量，來達到和凹槽鏡平衡的目的。這個支點可選擇在焦點處。因此我們稍加外力克服了轉動凹槽鏡時的磨擦力即可達到控制的目的。這樣也很有利於集中統一控制。
新型聚光式利用太陽的結構(如圖2)主要分六大部分(1)凹槽鏡陣列。(2)真空採光集熱管系統。(3)支架及底座。(4)控制系統。(5)發電及利用系統。(6)循環系統。
(1)、凹槽鏡鏡陣列。它由若干個方向一致的凹槽鏡組成。單個凹槽鏡由金屬鍍層反光鏡或玻璃反光鏡製成。當然也可以由其它反光材料製成(如可以用泡沫塑料做底襯，上面貼上一層較硬較平順滑的反光紙等)。凹槽鏡是可動部分。在其側面上按有兩側架。在側架上各有一圓環帶。它是以焦線為中心軸的圓環帶。通過側架上的圓環帶把凹槽鏡和支架連在一起，並能使得凹槽鏡繞真空採光集熱管轉動。
(2)、真空採光集熱管它由真空玻璃管和集熱管及傳熱介質組成。其中真空玻璃管由兩層玻璃組成，中間夾得是真空。為了便於按裝維修、更換，玻璃管由兩瓣膠結而成(如圖3)。集熱管由中空的金屬管等管狀材料連結焊接成管網系統。集熱管在凹槽鏡焦線處，由真空玻璃管包圍。在其它地方由其它絕熱材料包圍。集熱管內充填傳熱液，傳熱液可選用汽車上用的防凍液或其它材料。傳熱液由泵帶動加快流動速率。真空玻璃管和集熱管分別按裝在支架上。
(3)、支架及基座。它們是用來支承凹槽鏡和固定採光集熱管的。支架由鋼筋水泥杆或鋼管構成，基座由水泥構成。支架按在基座上呈「八」字形。在八字形頂端是用螺栓及頂夾板將兩根鋼筋水泥杆連接穩固的。在頂夾板的上方，還有用來固定集熱管和真空玻璃管的(如圖4)零件。在距八字形支架頂端r(圓環帶半徑)的地方還按有兩個扣件，每個扣件上有兩個小輪(如圖5)。此兩小輪正好夾緊按在凹槽鏡側面上的圓環帶。在夾輪的底根部還有兩個和兩小輪垂直放置的兩個滑輪，其主要是用來減小凹槽鏡和扣件的滑動摩擦而設置的，一個凹槽鏡兩邊有兩個支架支承，每個支架上按有兩個扣件，每個扣件上按有兩個夾輪，一個凹槽鏡共有8個夾輪，它們一同夾緊圓環帶，並使得凹槽鏡只得通過圓環帶的轉動軌跡繞真空採光集熱管轉動。
(4)、控制系統。(如圖6)它是用來控制凹槽鏡隨太陽轉動的。重力平衡裝置可按裝在某一些凹槽鏡上。無需每一個都按。但也可以選用每一個都按的。總之可視具體情況而定。對於一些地區如山區，控制系統也相應複雜一些。控制系統主要由A信息源B動力系統C傳動系統等組成，其中信息源是提供信息的部分。可以由人來提供信息，也可以由按在凹槽鏡頂線適應地方的感光傳感器來提供信息。當太陽光線和主光軸面平行時(即焦線影射在頂線上時)感光傳感器被真空採光集熱管把光線擋住；當太陽再轉動一小角度時，和主光軸面不平行時，就照在頂線的感光傳感器，這時自動通上電源，接通動力系統中的電機。其中動力系統主要有電源、電動機、及變速齒輪等組成。一般情況下應為左右兩組。傳動系統是由一個傳動繩和圓環帶上的伸出杆及伸出杆滑輪組成。整個系統開始由人員和傳感器提供信息開啟電動機和變速齒輪，帶動傳動繩連動伸出杆，最後帶動凹槽鏡轉動。
如果是在地理條件較好的平原，沙漠、草原、海洋等地區，無論在多少緯度。我們都可以在按裝凹槽鏡陣列時，讓真空採光集熱管和地球的地軸平行，只有這時我們才能用一個動力大一些的時鐘來控制讓凹槽鏡每個小時轉動15°角(即一個時區)，從而跟蹤太陽。此種方式一般適用於小規模按裝(如在房頂上或院子裡)比較適合開發家用式聚光式利用太陽能裝置，用來燒水，做飯、提取純淨水或冬季供暖。如果我們按裝凹槽鏡時，讓真空採光集熱管和地球的地軸垂直，那麼我們就得控制凹槽鏡每天轉動23.4°。並且使凹槽鏡每年的移動軌跡打46.67°的來回。
總之，和地軸平行放置適應於低緯度地區，和地軸垂直適應於中、高緯度地區。
(5)、發電及利用系統發電系統主要由蒸發器、汽輪機、發電機等組成，其中蒸發器主要接收傳熱液從集熱管傳來的熱量。傳熱液流過蒸發器後再由循環泵壓入真空採光集熱管接收凹鏡槽聚集的能量，如此循環。通過熱交換將水變為蒸氣，擊汽輪機，帶動發電機發電。如果是用來集中供熱的，那麼集熱管流過熱水器即可。如果是提純淨水的蒸發後冷卻即可。此外我們可通過其它裝置將熱能直接轉換成電能。總之可視具體情況而定。
(6)循環系統其主要由循環泵、傳熱液輸送管、傳熱液回流管等組成，輸送管和回流管相對較粗，外圍包一層絕熱材料，也可以把它們埋入地下。
以上6點談了談聚光式利用太陽能裝置的基本結構及原理。下面再談談此發明的有益效果。
和現存太陽能電池相比較，用此裝置進行發電，主要具有成本低的優點。還有不受溫度高的影響，發出的電為交流電。如果將此裝置發出來的電和現有電網並聯的話，那麼就能減輕太陽能受天氣陰晴和晝夜變化的缺陷。並且由於此發明採用跟蹤太陽裝置，故一平方米的凹槽鏡(長×寬)，往往可以利用地球表面1.5平方米麵積的太陽光熱能。和現有的太陽能熱水器相比，此裝置不僅能熱水，而且還可以做飯、供熱、提取純淨水等。並且成本較低，熱利用效率較高。和現有的火電廠、核電廠相比，此裝置無需燃料，也不汙染環境，並且取之不盡，用之不竭。


(圖1)中，直線AA′為凹槽鏡的長。直線AB為凹槽鏡的寬。直線PP′為凹槽鏡的頂線。直線CC′為圓柱形的圓心軸。直線FF′為凹槽鏡的焦線。
(圖2)中(1)為凹槽鏡。(2)為真空採光集熱管。(3)為側架。(4)為側架上的圓環帶。(5)為支架。(6)為基座。(7)為重力平衡物體。(8)為傳動繩。(9)為伸出杆。(10)為伸出杆滑輪。(11)為電動機或電子鐘。(12)轉熱液回流管。(13)為蒸發器。(14)為汽輪機。(15)為發電機。
(圖3)中A左和A右為真空玻璃管的兩外圍玻璃圈，B左和B右為兩內圍玻璃圈。C左和C右為兩真空空間。D為集熱管。(圖4)中(1)為絕熱密封體。(2)為緊固螺栓。(3)為頂夾件主體。(4)為集熱管夾子。(5)為真空玻璃管夾子。(圖5)中(1)為扣件主體。(2)為夾輪。(4)為圓環帶。(5)為螺栓。(6)為支架杆。(7)為滑輪(圖6)中(1)為凹槽鏡。(2)為圓環帶。(3)為重力平衡體。(4)為傳動繩。(5)為電動機或電子鐘。(6)為感光傳感器。(7)人工信息源。(8)為信息選擇系。
此發明主要由一些便宜的材料構成，只要有資金，就可以組織一些熱力學專家和機械專家根據規模進行最佳設計，來組建一座太陽能發電廠。設計好凹槽鏡的長、寬和焦距後，即可和制鏡廠或電鍍廠定做凹槽鏡。設計好真空玻璃管後和玻璃廠(或保溫瓶廠)定做好玻璃管。再按設計要求購些金屬管材，和一般五金廠制好凹槽鏡側架、頂夾件和扣件及夾輪(夾輪可選用自行車腳踏板，只把腳踏板改為「踏」輪即可)，再用水泥修好基座，用頂夾件按裝好支架，再把側架和凹槽鏡組裝好。用扣件把組裝好的凹槽鏡按裝在支架上，再把金屬管焊接或連接在頂夾件上方並固定好，再用粘結膠把兩瓣真空玻璃按裝在頂夾件兩肩處，包圍住金屬集熱管。在兩真空玻璃之間用絕熱材料嵌滿。最後通過支架上的頂夾件和扣件調整好凹槽鏡的位置，通過伸出杆和傳動繩的連接調整好控制系統，(並在運行時也可能調整)使全部凹槽統一協調一致地跟蹤太陽轉動。再購好傳熱介質。然後參照核電站的蒸氣發生器，製造建設好太陽能發電的蒸發器，購買按裝好汽輪機、發電機，再修建一個變電站，就可以投入運行使用併網發電了。
權利要求
1.要求一種新型聚光式利用太陽能進行發電、集中供熱、提取純淨水等的裝置。其特徵是人工或自動化控制的隨太陽單方向轉動的凹槽鏡，把太陽光聚集到靜止固定的真空採光集熱管上，由集熱管中的傳熱介質將其在凹槽鏡採光集熱管中收集的太陽熱能傳出後進行有效利用。
2.要求如特徵1所述的凹槽鏡，在凹槽鏡的兩側面各按有一個以焦線為中心軸的圓環帶，以便能使凹槽鏡沿圓環帶的運動軌跡繞真空採光集熱管跟蹤太陽轉動。
3.要求如特徵1所述的真空採光集熱管，其最外圍的真空玻璃管分兩層玻璃，中間夾得是真空，沿玻璃管的長度又分為兩瓣，由左右兩瓣粘結而成，以便按裝與維修。
4.要求如特徵1所述的控制系統中，在其中有一輔助裝置叫重力平衡裝置(平衡體)，它是根據杆槓原理來平衡轉動凹槽鏡時，凹槽鏡產生的重力而設置的。
5.要求如特徵1所述的裝置，還有一種控制辦法，就是只要讓其真空採光集熱管按裝得和地球的地軸平行時，我們就可以用動力大一些的時鐘來控制凹槽鏡每小時轉動15°角(也是一個時區)從而跟蹤太陽。
6.要求如特徵1所述的人工或自動化控制，可以是通過控制繩來集中統一控制凹槽鏡陣列轉動的。
7.要求如特徵1所述的凹槽鏡單方向轉動，是指只受按裝在支架上夾輪的指控在一個固定方向內的轉動。
全文摘要
此發明屬於能源領域。它的主要技術特徵是:利用人工或自動化控制的凹槽鏡(1)隨太陽單方向轉動,把陽光聚集到固定靜止不動的真空採光集熱管上(2)由集熱管裡的傳熱介質將熱能傳出後進行有效利用。如可以進行發電、集中供熱、提取純淨水等。此裝置同時又採用了重力平衡裝置(9),這樣就更易於集中統一控制了。此裝置主要由一些便宜的材料構成,成本低,不汙染環境。如果用來發電,完全可以戰勝現存的火電廠、核電廠,成為能源領域的佼佼者。
文檔編號F24J2/07GK1173620SQ97112620
公開日1998年2月18日 申請日期1997年6月10日 優先權日1997年6月10日
發明者溫毅 申請人:溫毅