專利名稱：凹面鏡反射聚光鎖陽吸熱式太陽光熱能收集方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本設(shè)計方案涉及一種通過凹面鏡反射太陽光，將太陽光聚焦后，實現(xiàn)光能與熱能轉(zhuǎn)換并以熱能方式收集的一種裝置。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有凹面鏡為碟式或槽式，通過凹面鏡反射并將太陽光聚焦來實現(xiàn)太陽光的光熱能轉(zhuǎn)換來利用太陽能的裝置，都需要隨著太陽運動而轉(zhuǎn)動的機械轉(zhuǎn)動裝置，來帶動凹面鏡轉(zhuǎn)動，以使太陽光垂直照射到凹面鏡，凹面鏡將太陽光聚焦后的凹面鏡的焦點或焦線處，在凹面鏡的焦點、焦線處，放置內(nèi)部涂有耐高溫黑色復合吸光材料的太陽能真空管，利用黑色吸光材料吸收太陽光能，以將太陽光能轉(zhuǎn)換成熱能，以熱能方式收集太陽光能。在無云的晴天，太陽光線能量密度極大，類似裝置凹面鏡聚焦的焦點處太陽光斑可使吸光材料在瞬間產(chǎn)生極高的高溫，而在有云層的時因太陽光能量密度大大減小，焦點處太陽光斑產(chǎn)生溫度極低，這樣對焦點處用來吸收太陽光能的材料耐高溫、高低溫反復變化的適應(yīng)性都有極高要求。現(xiàn)有的黑色吸光復合材料成本極高，耐高溫性能不足，對高低溫反復變化的適應(yīng)性不足，壽命十分有限，成本極高。耐高溫吸熱裝置生產(chǎn)技術(shù)難度大，工藝復雜。類似裝置，大都采用較用較笨重、堅固的機械轉(zhuǎn)動系統(tǒng)，并配強度極高、重量很大的凹面鏡，才能抵抗大風，成本極高，維護不便。特別是在風沙大的地方，其機械轉(zhuǎn)動系統(tǒng)極容易磨損，縮短使用壽命，或因風沙原因發(fā)生故障，維護成本極高。在雨水較多地方，機械轉(zhuǎn)動系統(tǒng)也極容易銹蝕，增加維護成本?，F(xiàn)有類似裝置，需要改進其實現(xiàn)光能與熱能轉(zhuǎn)換的太陽光能吸收收集裝置，包括其使用的吸光材料和太陽光能的吸收方式，提高在凹面鏡焦點光斑處用來吸收太陽光能材料的耐高溫性能、對高低溫反復變化的適應(yīng)性、使用壽命、降低成本，以降低其生產(chǎn)、安裝、 維護成本，降低吸熱裝置的生產(chǎn)難度，簡化其生產(chǎn)工藝?，F(xiàn)有的通過凹面鏡反射聚焦來熱能方式收集太陽光能的裝置，需要改進其抗風系統(tǒng)，要在具備抗風能力情況下，使其跟蹤系統(tǒng)的機械轉(zhuǎn)動系統(tǒng)、凹面鏡等更加輕便、靈巧，以降低其生產(chǎn)、安裝、維護成本，減少維護工作量，提高使用壽命。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題就是通過一種新的結(jié)構(gòu)設(shè)計，改進太陽光能的吸收方式和吸收裝置，通過采用耐高溫性能好、對高低溫反復變化適應(yīng)性強、使用壽命長、成本低的太陽光能吸熱材料，以降低整個裝置的生產(chǎn)、安裝、維護成本，降低吸熱裝置生產(chǎn)難度，簡化其生產(chǎn)工藝。同時使整個裝置在減小沙塵、雨水直接影響，具備抗風能力情況下，使其機械轉(zhuǎn)動裝置、凹面鏡等更加輕便、靈巧、耐用。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明凹面鏡反射聚光鎖陽吸熱式太陽光熱能收集裝置， 主要包括抗風裝置、凹面鏡、機械轉(zhuǎn)動系統(tǒng)、吸熱裝置等幾部份。
本發(fā)明所述的太陽光熱能收集裝置外觀和結(jié)構(gòu)，如圖1、圖2所示。為了解決上述吸熱裝置耐高溫性能、簡化生產(chǎn)工藝等技術(shù)問題，本發(fā)明采用了一種通過多次反射吸收方式實現(xiàn)將太陽光能以熱能形式收集起來的方法通過凹面鏡反射聚焦后的太陽光光線，經(jīng)過平面透光鏡或經(jīng)過凸透鏡再次聚焦后，通過不透明中空腔體上的一個太陽光線射入小孔，射入不透明中空腔體的內(nèi)部，除少量光線通過原來進入的小孔被重新反射出來外，其余大部份光線被中空腔體黑色內(nèi)壁反復地反射、吸收，而每反射一次， 其能量就被吸收掉一部份，光線能量逐漸減弱，直至光線能量最終被中空腔體全部吸收后最后消失，以實現(xiàn)太陽光能與熱能的轉(zhuǎn)換和收集。本發(fā)明所述通過多次反射吸收方式實現(xiàn)將太陽光能以熱能形式收集起來的方法——太陽光線路變，如圖3所示。為了解決上述吸熱裝置耐高溫性能、簡化生產(chǎn)工藝技術(shù)問題，本發(fā)明采用了一種通過多次反射吸收方式實現(xiàn)將太陽光能以熱能形式收集起來的吸熱裝置，該吸熱裝置有球形、管狀兩種形式。球形吸熱裝置裝置是一個帶有平面透光鏡或凸透鏡，內(nèi)部已抽成真空的腔體，腔體中心是用黑色鑄鐵、黑色碳纖等耐高溫材料制作、中空的鎖陽球，鎖陽球內(nèi)壁上有大量內(nèi)凹的峰窩狀小洞一鎖陽洞，鎖陽球上有一個供太陽光線射入的射陽孔。由碟式凹面鏡對太陽光進行反射聚焦，聚焦后的太陽光線，再經(jīng)過平面透光鏡，或再經(jīng)過凸透鏡再次聚焦， 通過鎖陽球上的射陽孔射入鎖陽球內(nèi)部，除少量光線射陽孔被重新反射出來外，其余大部份光線被鎖陽球、鎖陽小洞的黑色內(nèi)壁反復地反射、吸收，直至最后消失，以實現(xiàn)太陽光能與熱能的轉(zhuǎn)換和收集。管狀吸熱裝置裝置是一個帶有平面透光鏡或凸透鏡，內(nèi)部已抽成真空的管體，管體中心是用黑色鑄鐵、黑色碳纖等耐高溫材料制作、中空的鎖陽管，鎖陽管內(nèi)壁上有大量內(nèi)凹的峰窩狀小洞一鎖陽洞，鎖陽管上有一個供太陽光線射入的射陽槽。太陽光經(jīng)槽式凹面鏡反射后，聚焦到槽式凹面鏡焦線處，再經(jīng)過平面透光鏡，或再經(jīng)過凸透鏡再次聚焦，射入鎖陽管內(nèi)，通過鎖陽管上的射陽槽射入鎖陽管內(nèi)部，除少量光線射陽孔被重新反射出來夕卜，其余大部份光線被鎖陽管、鎖陽小洞的黑色內(nèi)壁反復地反射、吸收，直至最后消失，以實現(xiàn)太陽光能與熱能的轉(zhuǎn)換和收集。球形、管狀的整個吸熱裝置還包括供熱能交換介質(zhì)流動的管道，溫度檢測傳感器，導熱、蓄熱材料，隔熱保溫層，中空隔熱腔，熱輻射反射層，熱能反射鏡等部分。裝置通過多層隔熱材料構(gòu)成的隔熱保溫層、中空隔熱腔、熱輻射反射層，以及熱能反射鏡等隔熱保溫措施，減少內(nèi)部熱能往外散失。裝置通過隔熱介質(zhì)管理層的介質(zhì)管道中流動的水、金屬鈉等介質(zhì)，與外部進行熱能交換。球形吸熱裝置側(cè)面外觀，如圖4所示。球形吸熱裝置剖面結(jié)構(gòu)，如圖5所示。球形吸熱裝置的鎖陽球結(jié)構(gòu)，如圖6所示。鎖陽球外纏繞介質(zhì)管道后形狀，如圖7所示。鎖陽球隔熱保溫層，如圖8所示。鎖陽球熱輻射反射層，如圖9所示。球形吸熱裝置的中心隔熱保溫層，如圖10所示。
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球形吸熱裝置的外殼，如圖11所示。球形吸熱裝置外殼保溫層，如圖12所示。球形吸熱裝置的平面透光鏡、凸透鏡，如圖13所示。球形吸熱裝置的熱能反射鏡，如圖14所示。球形吸熱裝置的安裝支架，如圖15所示。管狀吸熱裝置外觀，如圖16所示。圓形熱能反射鏡封閉時，太陽光線不可射入時，管狀吸熱裝置結(jié)構(gòu)，如圖17所示。圓形熱能反射鏡打開時，太陽光線可射入時，管狀吸熱裝置結(jié)構(gòu)，如圖18所示。管狀吸熱裝置鎖陽管結(jié)構(gòu)，如圖19所示。纏繞了介質(zhì)管道的鎖陽管，如圖20所示。為解決裝置抗風問題，本發(fā)明采用了一種新的抗風結(jié)構(gòu)設(shè)計方法以透明材料為外殼，構(gòu)成一個密閉空間，將凹面鏡反射聚焦收集太陽光熱能裝置放在密閉空間里中，包括凹面鏡、跟蹤機械轉(zhuǎn)動裝置、吸熱裝置等，太陽光線通過透明外殼材料照射到凹面鏡上， 由凹面鏡反射聚焦收集太陽光熱能，以靜止不動的密閉空間外殼來抗風、防沙、防雨，凹面鏡反射聚焦收集太陽光熱能裝置不再直接抗風、直接接觸沙塵和雨水。為解決裝置抗風問題，本發(fā)明采用了一種新的抗風裝置以透明材料為外殼，構(gòu)成一個密閉空間，將凹面鏡反射聚焦收集太陽光熱能裝置放在密閉空間里中，包括面鏡、機械轉(zhuǎn)動系統(tǒng)、吸熱裝置等，外殼用透明玻璃、透明塑料、透明塑料薄膜等材料制作，外形為球型、斜坡屋頂型、圓形屋頂型、半球形屋頂型、平面層頂形等形狀。外殼上有供空氣流動的小孔一一通氣孔，以使外殼內(nèi)外溫度一致，防止外殼起霧、結(jié)霜，同時又不會影響到整個裝置的抗風、防塵、防雨性能。球形、斜坡屋頂、圓形屋頂、球形屋頂、塑料薄膜大棚抗風外殼分別如圖21、圖22、 圖23、圖24、圖25所示。本發(fā)明采用現(xiàn)有裝置中類似的跟蹤太陽光的機械裝置、控制系統(tǒng)，以及熱能交換系統(tǒng)，熱能儲存系統(tǒng)等。通過本發(fā)明所采用的通過對光線反復反射來吸收其能量方法和裝置，由于吸收太陽光能的鎖陽球、鎖陽管可以采用黑色球墨鑄鐵、黑色碳纖等十分常見、價格十分便宜、耐高溫、對高低溫反復變化適應(yīng)性極強、熱傳導性極好、壽命極長的材料制作，可以適應(yīng)劇烈溫度變化，不致?lián)p壞，而且吸熱裝置體積小，更便于保溫裝置設(shè)計。使用此類吸熱材料和光能吸收方式的吸熱裝置，生產(chǎn)工藝簡單，生產(chǎn)、安裝、維護成本極低，壽命極長，便于維護。這樣，就解決了傳統(tǒng)復合吸熱材料耐高溫性能不足、對高低溫反復變化適應(yīng)性不強、壽命短、 價格高的弱點，可以大大降低吸熱裝置的生產(chǎn)、安裝、維護成本。通過本發(fā)明采用的抗風設(shè)計方法和抗風裝置，由于凹面鏡、機械裝置、吸熱裝置等都不再需要直接抗風。對凹面鏡的結(jié)構(gòu)強度要求大大降低，就可以采用不銹鋼板、輕薄鋁板、塑料電鍍反射材料等輕質(zhì)材料，結(jié)構(gòu)上配加強筋，制作凹面鏡，大大減少了凹面鏡的重量。同時，整個機械轉(zhuǎn)動系統(tǒng)就變得更加輕巧、靈活，各種轉(zhuǎn)軸的直徑、強度都可大大降低， 轉(zhuǎn)動電機的功率也大大降低，機械部份不直接接觸風沙、雨水，便于維護，減少因風沙帶來的磨損，因雨水帶來的銹蝕。這樣就降低凹面鏡和機械轉(zhuǎn)動裝置生產(chǎn)、安裝、維護成本，便于設(shè)計制造大直徑的凹面鏡，延長了使用壽命。
采用本發(fā)明的抗風設(shè)計方法和裝置，雖然用于建造抗風外殼增加了成本，但因凹面鏡、機械轉(zhuǎn)動系統(tǒng)建造、維護成本降低了，但整個裝置的綜合建設(shè)、維護成本降低了。通過本發(fā)明利用太陽光能來收集熱能，收集單位熱能所需的建設(shè)成本較低，建成后收集單位熱能所需的收集成本，即維護、運行成本十分低廉。太陽光線通過本設(shè)計方案用于抵抗風力、阻擋沙塵和雨水的密閉空間透明外殼， 通過本設(shè)計方案用于將太陽光聚焦的凹面鏡，以及通過吸熱裝置的凸透鏡都會有一定的能量損耗，如每次光能損耗在5-10%若，本設(shè)計方案所采用的整個裝置的光能與熱能轉(zhuǎn)換效率可達60% -80%，整個裝置的光能與熱轉(zhuǎn)換效率較高。通過本設(shè)計方案產(chǎn)生的高溫水蒸汽，可以較低的成本，廣泛用于生活供暖、工業(yè)供熱。本設(shè)計方案作為供暖、供熱裝置使用時，光熱轉(zhuǎn)換效率在60% _80%，轉(zhuǎn)換效率極高。本設(shè)計方案所述裝置，也可作為太陽灶的熱源，用于烹制食物。如與吸熱裝置進行熱能交換的介質(zhì)材料，采用蓄熱能力強、耐高溫、高沸點的重油等材料，通過本設(shè)計方案的吸熱裝置，將從介質(zhì)管道中流過的重油、金屬鈉等介質(zhì)加熱到700度以上，再用耐高溫真空管道，將高溫重油等介質(zhì)傳送到室內(nèi)灶臺，利用高溫重油、液態(tài)金屬鈉的熱能加熱鍋具，以烹制食物。這樣，本設(shè)計方案就可作為太陽灶的熱源使用。本設(shè)計方案所述裝置作為太陽灶熱源使用時，光熱轉(zhuǎn)換效率在60% -80%，轉(zhuǎn)換效率極高。本設(shè)計方案所述裝置，也可結(jié)合汽輪機、斯特林發(fā)電機等，以較低的成本，進行太陽能光熱發(fā)電。同時，還可利用蓄熱能力強、耐高溫、高沸點等熱交換介質(zhì)材料，結(jié)合真空隔熱技術(shù)、高蓄熱材料等，開展太陽能儲熱發(fā)電。如每平米太陽光能量密度按1.2KW計算，整個裝置光熱轉(zhuǎn)換效率按75%估算，發(fā)電系統(tǒng)的熱電轉(zhuǎn)換效率按35%計算，整個系統(tǒng)的光電轉(zhuǎn)換效率可達26 %，轉(zhuǎn)換效率較高，發(fā)電成本低。


圖1，由碟式凹面鏡構(gòu)成的凹面鏡反射聚光鎖陽吸熱式太陽光熱能收集裝置示意圖。①碟式凹面鏡②球形吸熱裝置③立柱圖2，由槽式凹面鏡構(gòu)成的凹面鏡反射聚光鎖陽吸熱式太陽光熱能收集裝置示意圖。①槽式凹面鏡②管狀吸熱裝置圖3，本發(fā)明所述的通過多次反射吸收方式實現(xiàn)將太陽光能以熱能形式收集起來的方法——太陽光線路變化示意圖。①凹面鏡②中空腔體③太陽光線射入小孔④太陽光線圖4，球形吸熱裝置外觀(側(cè)面)示意圖。
①外殼保溫層②安裝支架③介質(zhì)管道④熱能反射鏡⑤平面透光鏡、凸面鏡圖5，球形吸熱裝置結(jié)構(gòu)剖面示意圖。①鎖陽球②鎖陽洞③射陽孔④熱能交換介質(zhì)管道⑤導熱、蓄熱材料⑥鎖陽球溫度檢測傳感器⑦鎖陽球隔熱保溫層⑧鎖陽球中空隔熱腔⑨鎖陽球隔熱支架⑩鎖陽球熱輻射反射層O中心隔熱保溫層◎球形吸熱裝置中空隔熱腔 球形吸熱裝置隔熱支架0球形吸熱裝置熱輻射反射層◎外殼坊外殼保溫層G平面透光鏡、凸透鏡 熱能反射鏡◎安裝支架圖6，球形吸熱裝置的鎖陽球的結(jié)構(gòu)示意圖。①鎖陽球②鎖陽洞③射陽孔圖7，纏繞介質(zhì)管道鎖陽球示意圖。①介質(zhì)管道②鎖陽球圖8，鎖陽球隔熱保溫層示意圖。①鎖陽球隔熱支架②鎖陽球隔熱保溫層圖9，鎖陽球熱輻射反射層示意10，球形吸熱裝置的中心隔熱保溫層示意圖。①吸熱裝置隔熱支架
②中心隔熱保溫層圖11，球形吸熱裝置的外殼示意圖。①球形吸熱裝置的外殼②吸熱裝置熱輻射反射層圖12，球形吸熱裝置的外殼保溫層示意圖。圖13，球形吸熱裝置的平面透光鏡、凸透鏡示意圖。圖14，球形吸熱裝置的熱能反射鏡示意圖。圖15，球形吸熱裝置的安裝支架示意圖。圖16，管狀吸熱裝置外觀示意圖。①介質(zhì)管道②平面透光鏡、凹面鏡③圓形熱能反射鏡④外殼保溫層圖17，太陽光線不可射入時管狀吸熱裝置結(jié)構(gòu)示意圖。①鎖陽管②鎖陽洞③射陽槽④能交換介質(zhì)管道⑤鎖陽管隔熱保溫層⑥陽管中空隔熱腔⑦鎖陽管熱輻射反射層⑧中心隔熱保溫層⑨狀吸熱裝置中空隔熱腔⑩管狀吸熱裝置熱輻射反射層G 外殼◎外殼保溫層 平面透光鏡、凸透鏡0圓形熱能反射鏡圖18，太陽光線可射入時管狀吸熱裝置結(jié)構(gòu)示意圖。①鎖陽管②鎖陽洞③射陽槽④能交換介質(zhì)管道⑤鎖陽管隔熱保溫層⑥陽管中空隔熱腔⑦鎖陽管熱輻射反射層⑧中心隔熱保溫層⑨狀吸熱裝置中空隔熱腔⑩管狀吸熱裝置熱輻射反射層
G外殼◎外殼保溫層 平面透光鏡、凸透鏡0圓形熱能反射鏡圖19，管狀吸熱裝置鎖陽管結(jié)構(gòu)示意圖。①鎖陽管②鎖陽洞③射陽槽圖20，纏繞介質(zhì)管道的鎖陽管示意圖。①鎖陽管②鎖陽洞③射陽槽④介質(zhì)管道圖21，球形抗風外殼示意圖。圖22，斜坡屋頂抗風外殼示意圖。圖23，圓形屋頂抗風外殼示意圖。圖對，球形屋頂抗風外殼示意圖。圖25，塑料薄膜大棚抗風外殼示意圖。圖沈，產(chǎn)生高溫水蒸汽的外罩型凹面鏡反射聚光鎖陽吸熱式太陽光熱能收集裝置的外觀與結(jié)構(gòu)示意圖。①外殼②底座③吸熱裝置④凹面鏡⑤水平旋轉(zhuǎn)支架⑥垂直旋轉(zhuǎn)軸圖27中午凹面鏡面方向示意圖。圖觀下午凹面鏡面向西方方向示意圖。圖四為春季上午凹面鏡方向示意圖。圖30春季下午凹面鏡方向示意圖。圖31秋季上午凹面鏡方向示意圖。圖32秋季下午凹面鏡方向示意圖。
具體實施例方式本發(fā)明所采用的太陽光能的吸收裝置，為一個外觀類似花瓶的真空吸熱腔體真空吸熱球體中心是一個鎖陽球，鎖陽球是一個用使用黑色材料、壽命極長、價格極其便宜、 耐高溫性能極好、對高低溫反復變化適應(yīng)性極強的黑色鑄鐵、黑色碳纖等常見材料做成的中空腔體，鎖陽球的球體內(nèi)壁上有大量內(nèi)凹的峰窩狀小洞一鎖陽洞，鎖陽球上開有一個供太陽光線射入的射陽孔。
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鎖陽球外面，纏繞有一層供與鎖陽球進行熱能交換的水等液體介質(zhì)流動的管道一一鎖陽球熱交換介質(zhì)管道層。用絕熱材料做成隔熱介質(zhì)管道將介質(zhì)流動管道接到吸熱裝置外部，管道間空隙填充以導熱、蓄熱的鐵屑等儲熱介質(zhì)材料，同時預(yù)埋檢測鎖陽球溫度傳感器熱電偶。介質(zhì)管道層外面包裹有一層石棉、耐高溫布類的柔性隔熱材料一一鎖陽球隔熱保溫層。鎖陽球隔熱保溫層外是一個中空的一一鎖陽球隔熱保溫腔，鎖陽球隔熱保溫腔外面是鎖陽球熱輻射反射層，鎖陽球熱輻射身射層外再裹有一層石棉、耐高溫布類的柔性隔熱材料一一中心吸熱球體隔熱保溫層。在鎖陽球隔熱保溫層與鎖陽球熱輻射反射層中間， 即在鎖陽球隔熱腔中局部地方，墊有少量由隔熱材料做成的——鎖陽球隔熱聯(lián)結(jié)體，以便將中心吸熱球體隔熱保溫層、鎖陽球熱輻射反射層、鎖陽球隔熱保溫層、鎖陽球熱交換介質(zhì)管道層、鎖陽球等聯(lián)結(jié)為一個中心吸熱球體。中心吸熱球體外面為，為一個中空的——中心吸熱球體隔熱保溫腔，中心球體腔熱保溫腔的外面為太陽能吸熱裝置外殼，外殼內(nèi)壁涂有一層可反射熱輻射的材料——中心吸熱球體熱輻射反射層，太陽能吸熱裝置外殼外面包裹有一層石棉、耐高溫布類的柔性隔熱材料一一吸熱裝置隔熱保溫層。在中心吸熱球體隔熱保溫層與中心吸熱球熱輻射反射層中間，即在中心吸熱球體隔熱保溫腔中局部地方，墊有少量由隔熱材料做成的——吸熱裝置隔熱聯(lián)結(jié)體，以便將吸熱裝置隔熱保溫層、吸熱裝置外殼、中心吸熱球體熱輻射反射層、中心吸熱球體等連接成一個整體的吸熱球體。吸熱球體完全密閉并抽取其中空氣后，整個吸熱球體形成一個真空吸熱球體。真空吸熱球體瓶口有一個由透明材料制成的聚光鏡——凸透鏡。在真空吸熱球體瓶口處的凸透鏡外面，有一個真空吸熱球體熱輻射反射鏡，該反射鏡可電動控制其開啟、 關(guān)閉，其內(nèi)壁涂有可反射熱輻射的材料——真空吸熱球體執(zhí)輻射反射層。吸熱球體抽取空氣形成真空吸熱球體的主要目的，是防止吸熱球體內(nèi)部熱量通過對流方式散失。真空吸熱球外面的真空吸熱球體熱輻射反射鏡，在自動控制裝置控制下，有太陽時候開啟，以便經(jīng)凹面聚光鏡反射聚焦后的光線通過凸透鏡進入真空吸熱球體內(nèi)部。在沒有太陽時候關(guān)閉該鏡，利用該反射鏡內(nèi)壁上涂有的真空吸熱球體執(zhí)輻射反射層，將真空吸熱球體通過凸透鏡輻射出來的熱能反射回去，起保溫作用。太陽能吸熱裝置外殼外面的吸熱裝置隔熱保溫層，主要由石棉、耐高溫布類的柔性隔熱材料構(gòu)成，一是防止吸熱裝置內(nèi)部熱量往外散發(fā)，起隔熱保溫作用，二是起到保護作用，防止外力破壞吸熱裝置。太陽能吸熱裝置外殼內(nèi)壁涂有的中心吸熱球體熱輻射反射層，主要作用是將中心吸熱球體輻射出來的熱量反射回去。中心吸熱球體熱輻射反射層與中心球體間，通過吸熱裝置隔熱聯(lián)結(jié)體相連接，形成中心球體隔熱保溫腔，以通過減少二者的接觸面積，來減少熱傳導面積，以盡量減少中心球體內(nèi)熱能通過傳導方式傳遞到吸熱裝置外殼而產(chǎn)生的熱能散失。中心吸熱球體隔熱保溫層由石棉、耐高溫布類的柔性隔熱材料構(gòu)成，主要起防止中心吸熱球體內(nèi)部熱量往外散發(fā)，起隔熱保溫作用。鎖陽球熱輻射反射層，主要作用是將鎖陽球隔熱保溫層輻射出來的熱量反射回去，以減少中心熱能散失。鎖陽球隔熱保溫層與鎖陽球熱輻射反射層間，通過鎖陽球隔熱聯(lián)結(jié)體連接起來， 形成鎖陽球隔熱保溫腔，以通過減少二者的接觸面積，來減少熱傳導面積，以盡量減少中心熱能通過傳導方式傳遞到鎖陽球球熱輻射反射層而產(chǎn)生的熱能散失。鎖陽球隔熱保溫層由石棉、耐高溫布類的柔性隔熱材料構(gòu)成，主要起防止中心熱量往外散發(fā)，起隔熱保溫作用。介質(zhì)管道層的管道間空隙填充以耐高溫、熱傳導性好、儲熱能力強的儲熱介質(zhì)材質(zhì)，如耐高溫的硅膠、鐵屑等。以便于將鎖陽球的熱量迅速傳導到介質(zhì)管道層，同時充當鎖陽球收集的太陽能量存儲體，提高吸熱裝置的蓄熱能力。用導熱性極差、耐高溫的陶瓷等材料做成的隔熱介質(zhì)管道，隔熱介質(zhì)管道與鎖陽球熱交換介質(zhì)管道層的管道密閉連接起來，供熱交換的介質(zhì)通過管道流入、流出吸熱裝置內(nèi)部，即通過隔熱介質(zhì)管道將介質(zhì)管道層的管道連接到吸熱裝置外部。隔熱介質(zhì)管道與吸熱裝置外殼相連接處應(yīng)密閉連接，以便于吸熱裝置形成真空體。這樣，盡量減少中心吸熱球體熱量通過介質(zhì)管道層管道通過傳導到吸熱裝置外面，同時又不會因為鎖陽球的高溫而損壞。預(yù)埋檢測鎖陽球溫度傳感器熱電偶，供自動控制系統(tǒng)檢測溫度用。經(jīng)過凹面鏡反射聚焦后的太陽光光線，經(jīng)過真空吸熱球體瓶口處的凸透鏡，由凸透鏡再次聚焦后，再通過鎖陽球上的射陽孔，射入鎖陽球內(nèi)部。由于鎖陽球內(nèi)壁是由具有較強的吸光能力、黑色、不透明的材料構(gòu)成，鎖陽球上只有一個很小的小孔一一射陽孔可供光線通過，而射陽洞的面積與鎖陽球內(nèi)壁總表面積相比的比例極小，鎖陽球內(nèi)壁對不同射入角度光線的反射方向是完全不同的，經(jīng)過射陽孔射入鎖陽球內(nèi)的光線，除被再次反射到射陽洞內(nèi)的少量光線外，絕大部份不會被再次反射到鎖陽球外面去了，而是不斷地、反復地被鎖陽球黑色內(nèi)壁反射、吸收，而每反射一次，其能量就被吸收掉一部份，光線能量逐漸減弱，直至光線能量最終被鎖陽球全部吸收，最后消失。由于鎖陽球內(nèi)壁上的大量鎖陽小洞是內(nèi)凹的，射入鎖陽小洞的光線大部份也不能被再次反射到鎖陽小洞外面，而是通過鎖陽小洞黑色內(nèi)壁將光線不斷、反復地反射和吸收， 進一步提高光線能量吸收效率。鎖陽球吸收了太陽光能，溫度達到要求數(shù)值后，通過自動控制系統(tǒng)，打開控制冷水等介質(zhì)注入的電磁閥，冷水等從介質(zhì)管道中流過，并與鎖陽球進行能量交換，逐漸被加熱直至達到要求溫度。鎖陽球溫度降低到規(guī)定溫度后，通過自動控制系統(tǒng)，關(guān)閉控制冷水等注入的電磁閥，以便鎖陽球吸收太陽光能后的溫度，再次達到預(yù)定溫度范圍。根據(jù)鎖陽球溫度， 通過自動控制系統(tǒng)，控制單位時間內(nèi)注入冷水等流量，可以控制在單位時間內(nèi)按規(guī)定溫度上升幅度加熱的介質(zhì)容量。這樣，就實現(xiàn)了銷陽球與外部的熱能交換。凸透鏡可也可用平面透光鏡代替，如用平面鏡則不起聚焦作用，只是為形成真空的隔熱保溫腔的密閉作用。凸透鏡距凹面鏡的距離小于凹面鏡的焦距，便于凹面鏡對太陽光線再次聚焦。太陽光經(jīng)由凹面鏡反射聚焦后，在凸透鏡處形成光斑面積，小于凸透鏡的面積，以便更多太陽光線經(jīng)凸透鏡再次聚焦后射入鎖陽球。太陽光線經(jīng)由凸透鏡再次聚焦后，在射陽孔處光斑面積，小于射陽孔的面積，以利于太陽光通過射陽空射入鎖陽球。通過調(diào)整凹面鏡與凸透鏡的距離，來調(diào)整太陽光線經(jīng)凹面鏡反射聚焦后，在凸透鏡表面形成的光斑大小。通過調(diào)整凸透鏡與射陽空的距離，來調(diào)整太陽光線經(jīng)射陽孔后，照射到鎖陽球內(nèi)壁上的光斑大小。太陽光線經(jīng)過凹面鏡反射、聚焦后，由凸透鏡再次聚焦的主要作用是一是，減小鎖陽球上射陽孔的橫截面面積，以減少射入光線再通過射陽孔被反射出來，提高太陽光能收集效率。二是，由于凸透鏡對光能有一定的吸收作用，其吸熱后溫度會上上升，這樣可以擴大照射到凹面鏡上光班面積，以減少凸透鏡單位面積吸熱的太陽光能量，同時利于凸透鏡散熱，以降低對凸透鏡材料的耐高溫要求。三是，這樣可允許太陽光線經(jīng)凹面鏡反射聚集后的焦點位置，有一定范圍的誤差，同時也就降低了對太陽跟蹤系統(tǒng)的精度要求。四是，這樣一來太陽光線通過凹面鏡反射聚焦后在焦點處的光斑可以更大，即減少了對凹面鏡聚焦的精度要求，可以減少凹面制作難度，便于制作大面積的凹面鏡。第六，因外殼厚度等原因， 原來平行的太陽光線通過透明外殼后會產(chǎn)生一定角度折射，因外殼厚度等原因，所有太陽光線的折射角度不可能完全一樣，如果對凹面鏡反射聚焦的焦點處光斑要求很小，就可能會有很多光線再經(jīng)凹面鏡反射后聚集不到焦點處，而光斑面積越大，匯聚到焦點光斑處的光線就越多，光斑越大，光班處能量密度就越大，就更便于解決因太陽光線通過透明外殼的折射對聚焦的影響。在完全無云的晴天，因太陽光線能量密度極大，聚焦后投射到鎖陽球內(nèi)壁的太陽光光斑處瞬間溫度極高，而有云層時溫度較低。聚焦后的太陽光線投射到鎖陽球內(nèi)壁的光斑面積大小，與其在鎖陽球內(nèi)壁瞬間形成的局部高溫成比。只要控制聚焦后的太陽光線投射到鎖陽球內(nèi)壁的光斑面積大小，就可以控制在完全無云時聚焦后的太陽光在鎖陽球內(nèi)壁瞬間形成的局部高溫大小，而制作鎖陽球的球墨鑄鐵等吸熱材料可耐極高的高溫，對高低溫反復變化適應(yīng)性極強，熱傳導性能極好，即鎖陽球不會因為瞬間的局部高溫而損壞，也不會因為光斑處溫度高低溫反復交替變化而損壞。同時，結(jié)合控制單位時間注入的進行能量交換的冷水等介質(zhì)量，就可將鎖陽球的溫度控制到一定范圍。通過鎖陽球熱交換介質(zhì)管道層與鎖陽球進行熱能交換的介質(zhì)，可以用水，也可以用其他可流動的、耐高溫介質(zhì)材料。本發(fā)明在風力較小的地方，凹面鏡直徑較小的時，可以不使用抗風外殼。實施例下面，以具體實例說明本設(shè)計方案。本實例是一個抗風裝置為玻璃材料制作的球形玻璃外殼，凹面鏡直徑為2米的， 產(chǎn)生高溫水蒸汽的外罩型凹面鏡反射聚光鎖陽吸熱式太陽光熱能收集裝置，本實例外觀與結(jié)構(gòu)如圖沈所示。該實例的玻璃外殼直徑為2. 3米，由四部份組成玻璃頂罩、玻璃、弧形殼體、活動殼體，每部分均由8MM厚普通平板玻璃，經(jīng)過裁切、鉆孔、加熱、彎曲、鋼化、粘接成形。玻璃頂罩、玻璃、弧形殼體之間通過玻璃膠粘接成一個整體，通過帶彈性墊圈的螺紋連接件活動殼體與這幾部分相連接成一個球形抗風外殼，相連接處縫隙用透明膠帶粘接?；顒託んw可以拆卸，以便維護裝置。CN 102455062 A說明 書11/12 頁玻璃外殼上有7個直徑為25匪的通氣小孔，玻璃外殼以保持內(nèi)外溫度一致，防止玻璃外殼內(nèi)外溫度不一致，導致空氣中水蒸汽在外殼上結(jié)霜、起霧。整個玻璃外殼，固定在地表基座上。抗風外殼采用球形設(shè)計，可以減少建造抗風外殼所需的材料，節(jié)省成本。該實例凹面鏡，直徑為2米，由0. 5MM厚鋁板，模壓成形，并有增強整體結(jié)構(gòu)強度的加強筋，凹面鏡內(nèi)表面平整光滑，可有效反射太陽光。該實例的吸熱裝置的鎖陽球直徑為500MM，黑色球墨鑄鐵澆鑄、焊接成形，其內(nèi)壁最薄處厚約2-3MM，內(nèi)壁上內(nèi)凹的鎖陽洞直徑60-80MM，洞深60MM，射陽孔直徑為100MM。鎖陽球外面，纏繞二層直徑5匪的水管構(gòu)成鎖陽球熱交換介質(zhì)管道層，供與鎖陽球進行熱能交換的水流動，水從外層流進，經(jīng)內(nèi)層管理流出，水管之間的間隙由導熱性好、 蓄熱能力強的導熱硅膠材料填充。用導熱性極差、耐高溫陶瓷材料做成的隔熱介質(zhì)管道與水管密閉連接后，以將介質(zhì)管道層的水管連接到吸熱裝置外部，以減少熱量通過水管散失。 隔熱介質(zhì)管道與吸熱裝置外殼相連接處應(yīng)密閉連接，以便于吸熱裝置形成真空體。同時，在里面預(yù)埋供自動控制系統(tǒng)檢測高溫的傳感器一一兩對熱偶，以便檢測鎖陽球溫度，熱電偶連接線與水管粘合成一體后，引出到吸熱裝置外部，供與自動控制系統(tǒng)電路相連接。電偶外面再包裹一層石棉、耐高溫布材料構(gòu)成鎖陽球隔熱保溫層。用表面光滑的不銹鋼材料制作鎖陽球熱輻射反射層，其外面再包裹一層石棉、耐高溫布材料構(gòu)成一一中心吸熱球體隔熱保溫層。在鎖陽球熱輻射反射層與鎖陽球隔熱保溫層之間，墊以隔熱、耐高溫的陶瓷片一一鎖陽球隔熱聯(lián)結(jié)體，將二者連接起來構(gòu)成中心吸熱球體，同時形成中空的一一鎖陽球隔熱保溫腔。用5MM厚玻璃制作通過加熱、彎曲、焊接等工藝，制作成花瓶狀的太陽能吸熱裝置為玻璃外殼。玻璃外殼內(nèi)壁鍍銀作為中心吸熱球體熱輻射反射層。玻璃外殼外面包裹一層石棉、耐高溫布作為整個吸熱裝置隔熱保溫層。中心吸熱球體隔熱保溫層、中心吸熱球體熱輻射反射層之間，墊以隔熱、耐高溫的陶瓷片一一吸熱裝置隔熱聯(lián)結(jié)體，將二者連接起來構(gòu)成吸熱球體，同時形成中空的一一吸熱球體隔熱保溫腔。吸熱球體完全密閉并抽取其中空氣后，整個吸熱球體形成一個真空吸熱球體。用耐高溫、高透光率的玻璃，制作真空吸熱球體瓶口的凸透鏡，直徑為250MM。用不銹鋼材料制作凸透鏡外面的真空吸熱球體熱輻射反射鏡，自動控制裝置，根據(jù)光敏二極管檢測有無太陽光，控制旋轉(zhuǎn)電機轉(zhuǎn)動來帶動該反射鏡有太陽光時開啟以便太陽光線射入吸熱裝置，在無太陽光時關(guān)閉以利保溫。該反射鏡光滑、熱射能力好的內(nèi)壁作為真空吸熱球體執(zhí)輻射反射層。將直徑IOMM鋼管彎曲、焊接成直徑2. 1米的圓形結(jié)構(gòu)，作為機械轉(zhuǎn)動裝置的左右旋轉(zhuǎn)支架，左右旋轉(zhuǎn)支架通過透明抗風外殼項部與底部的軸承固定，在水平旋轉(zhuǎn)步進電機的帶動下，左右旋轉(zhuǎn)支架可沿軸心水平旋轉(zhuǎn)。用直徑IOMM的鋼管加工成機械轉(zhuǎn)動裝置的垂直旋轉(zhuǎn)軸，垂直旋轉(zhuǎn)軸通過軸承沿水平方向，固定到左右旋轉(zhuǎn)支架上，位置為圓形左右旋轉(zhuǎn)支架正中位置。凹面鏡、吸熱裝置固定到垂直旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)軸上。吸熱裝置瓶口與凹面鏡相對。將吸熱裝置裝在垂直旋轉(zhuǎn)軸與凹面鏡之間，吸熱裝置的凸透鏡距凹面鏡的距離小于凹面鏡的焦距，凹面鏡的軸心線與垂直旋轉(zhuǎn)軸相垂直、凹面鏡面對垂直旋轉(zhuǎn)軸，以減少因凹面鏡旋轉(zhuǎn)需占用的空間。在垂直旋轉(zhuǎn)步進電機的帶動下，垂直旋轉(zhuǎn)軸可沿其軸心線旋轉(zhuǎn)。固定在垂直旋轉(zhuǎn)軸上的凹面鏡、吸熱裝置，在垂直旋轉(zhuǎn)軸帶動下同步轉(zhuǎn)動。通過普通的太陽位置檢測裝置，檢測太陽位置并提供太陽位置信號給自動控制系統(tǒng)，由自動控制系統(tǒng)控制機械轉(zhuǎn)動系統(tǒng)的電機旋轉(zhuǎn)運動，以控制其左右旋轉(zhuǎn)支架、垂直旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動，以調(diào)整凹面鏡的方向。通過垂直旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動來調(diào)整凹鏡的垂直方向，使凹面鏡從日出到日落，始終正對太陽，以適應(yīng)每天中地球表面與太陽光線間角度因地球每自轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的變化。中午時凹面鏡面向天空方向，如圖27所示。下午凹面鏡面向西方向，如圖觀所示。通過左右旋轉(zhuǎn)支架的轉(zhuǎn)動來調(diào)整在凹面鏡，使凹面鏡每年中在左右方向上始終是正對太陽，以適應(yīng)每年中地球表面與太陽光線間角度因地球圍繞太陽公轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的變化。春季上午凹面鏡方向，如圖四所示。春季下午凹面鏡方向，如圖30所示。秋季上午凹面鏡方向，如圖31所示。秋季下午凹面鏡方向，如圖32所示。這樣，通過左右旋轉(zhuǎn)支架、垂直旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動，帶動凹面鏡、吸熱裝置旋轉(zhuǎn)，使凹面鏡從日出到日落，始終正對太陽，使凹面鏡軸心線在有日照時，每時、每刻都與太陽光線相平行，以保證太陽光始終垂直照射到凹面鏡上。通過透明外殼后照射到凹面鏡上的太陽光，經(jīng)凹面鏡反射、聚焦后，經(jīng)凸透鏡再次聚焦后，由射陽孔進入吸熱裝置中心的鎖陽球，再經(jīng)鎖陽球、鎖陽洞的內(nèi)壁的不斷反射、吸收，太陽光能量就不斷被鎖陽球吸收。自動控制裝置利用預(yù)埋在吸熱裝置中的溫度傳感器，檢測鎖陽球的溫度，并根據(jù)檢測到的溫度來控制冷水流入閥門的開關(guān)，控制單位時間內(nèi)流入水量的大小，以便在單位時間內(nèi)產(chǎn)生出不同產(chǎn)量、不同溫度的蒸汽。該實例裝置產(chǎn)生的水蒸汽，可用于生活供暖、工業(yè)供熱、發(fā)電。
1權(quán)利要求
1.一種通過多次反射吸收方式實現(xiàn)將太陽光能以熱能形式收集起來的方法，其特征在于通過凹面鏡反射聚焦后的太陽光光線，經(jīng)過平面鏡或經(jīng)過凸透鏡再次聚焦后，經(jīng)過不透明中空腔體上的一個小孔，射入中空腔體的內(nèi)部，除少量光線通過原來進入的小孔被重新反射出來外，其余大部份光線被中空腔體黑色內(nèi)壁反復地反射、吸收，而每反射一次，其能量就被吸收掉一部份，光線能量逐漸減弱，直至光線能量最終被中空腔體全部吸收后最后消失，以實現(xiàn)太陽光能與熱能的轉(zhuǎn)換和收集。
2.一種通過多次反射吸收方式實現(xiàn)將太陽光能以熱能形式收集起來的吸熱裝置，其特征在于吸熱裝置是一個帶有平面透光鏡或凸透鏡，內(nèi)部已抽取為真空的球形腔體，腔體中心是用黑色鑄鐵等耐高溫金屬材料制作、中空的鎖陽球，鎖陽球內(nèi)壁上有大量內(nèi)凹的峰窩狀小洞一鎖陽洞，鎖陽球上有一個供太陽光線射入的射陽孔。經(jīng)碟式凹面鏡反射聚焦后的太陽光線，再經(jīng)過平面透光鏡，或再經(jīng)過凸透鏡再次聚焦，通過鎖陽球上的射陽孔射入鎖陽球內(nèi)部，除少量光線射陽孔被重新反射出來外，其余大部份光線被鎖陽球、鎖陽小洞的黑色內(nèi)壁反復地反射、吸收，直至最后消失，以實現(xiàn)太陽光能與熱能的轉(zhuǎn)換和收集。整個裝置還包括供熱能交換介質(zhì)流動的管道，檢測溫度的傳器，導熱、蓄熱材料，隔熱保溫層，中空隔熱腔，熱輻射反射層，熱能反射鏡等部分。裝置通過介質(zhì)管道中流動介質(zhì)，與外部進行熱能交換。裝置通過多層隔熱材料構(gòu)成的隔熱保溫層、中空隔熱腔、熱輻射反射層，以及熱能反射鏡等隔熱保溫措施，減少內(nèi)部熱能往外散失。
3.—種通過多次反射吸收方式實現(xiàn)將太陽光能以熱能形式收集起來的吸熱裝置，其特征在于吸熱裝置是一個帶有平面透光鏡或凸透鏡，內(nèi)部已抽取為真空的管狀腔體，腔體中心是用黑色鑄鐵等耐高溫金屬材料制作、中空的鎖陽球，鎖陽球內(nèi)壁上有大量內(nèi)凹的峰窩狀小洞一鎖陽洞，鎖陽球上有一個供太陽光線射入的射陽槽。經(jīng)槽式凹面鏡反射聚焦后的太陽光線，再經(jīng)過平面透光鏡，或再經(jīng)過凸透鏡再次聚焦，通過鎖陽球上的射陽孔射入鎖陽球內(nèi)部，除少量光線射陽孔被重新反射出來外，其余大部份光線被鎖陽球、鎖陽小洞的黑色內(nèi)壁反復地反射、吸收，直至最后消失，以實現(xiàn)太陽光能與熱能的轉(zhuǎn)換和收集。整個裝置還包括供熱能交換介質(zhì)流動的管道，檢測溫度的傳器，導熱、蓄熱材料，隔熱保溫層，中空隔熱腔，熱輻射反射層，熱能反射鏡等部分。裝置通過介質(zhì)管道中流動介質(zhì)，與外部進行熱能交換。裝置通過多層隔熱材料構(gòu)成的隔熱保溫層、中空隔熱腔、熱輻射反射層，以及熱能反射鏡等隔熱保溫措施，減少內(nèi)部熱能往外散失。
4.一種凹面鏡反射聚焦太陽光熱能收集裝置抗風結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法，其特征在于以透明材料為外殼，構(gòu)成一個密閉空間，將凹面鏡反射聚焦收集太陽光熱能裝置放在密閉空間里中，包括凹面鏡、跟蹤太陽光機械轉(zhuǎn)動裝置、太陽光熱能吸收裝置等，太陽光線通過透明外殼材料照射到凹面鏡上，由凹面鏡反射聚焦收集太陽光熱能，以靜止不動的密閉空間外殼來抗風、防沙、防雨，凹面鏡反射聚焦收集太陽光熱能裝置不再直接抗風、直接接觸沙塵和雨水。
5.一種凹面鏡反射聚焦太陽光熱能收集裝置的抗風裝置，其特征在于以透明材料為外殼，構(gòu)成一個密閉空間，將凹面鏡反射聚焦收集太陽光熱能裝置放在密閉空間里中，外殼用透明玻璃、透明塑料、透明塑料薄膜等材料制作，外形為球型、斜坡屋頂型、圓形屋頂型、 半球形屋頂型等形狀，外殼上有供空氣流動的小孔，以使外殼內(nèi)外溫度一致，防止外殼起霧、結(jié)霜。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種通過一個以鑄鐵、碳纖等耐高溫材料制作、不透明、管狀或球形的中空腔體上面的一個小孔，將凹面鏡反射聚焦后的太陽光線導入中空腔的內(nèi)部，太陽光線再經(jīng)中空腔體內(nèi)壁多次反射、吸收方式，來實現(xiàn)太陽光能與熱能轉(zhuǎn)換，以熱能方式收集太陽光能的裝置方法和裝置，并以球型、斜坡屋頂型、圓形屋頂型、半球形屋頂型等形狀透明玻璃或塑料外殼，作為凹面鏡反射聚焦太陽光熱能收集裝置抗風體的設(shè)計方法和裝置。本發(fā)明所述裝置生產(chǎn)成本低，工藝簡單，使用壽命長，維護方便。
文檔編號F24J2/48GK102455062SQ20101053099
公開日2012年5月16日 申請日期2010年10月24日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月24日
發(fā)明者張先鋒 申請人:張先鋒