專利名稱：太陽能開水器的制作方法
技術(shù)領域：
本實用新型涉及一種太陽能開水器。
現(xiàn)有的太陽能設備可分為兩類，一類是直射吸收式設備，如太陽能熱水器、太陽能電池等。另一類是反射聚焦式設備，如拋物面反射太陽能灶。太陽熱水器等直射吸收式設備，因不能將陽光匯集起來，所以不能形成高溫，不能將水燒開。拋物面反射聚焦式設備雖然能將陽光匯集起來形成高溫，但這種設備體積大，笨重，缺少科學合理易于操作的跟蹤裝置，而且聚焦點在拋物面上方，離地面高，操作不便，使拋物面不宜做得過大。
本實用新型的目的是提供一種太陽能開水器，尋求解決大截光面積，重量輕，折射聚光效果良好的太陽能折射聚光鏡片問題，從而開拓出利用太陽能的第三類設備——折射聚焦式太陽能設備，使聚焦點在鏡片下方，并配以科學合理，結(jié)構(gòu)簡單，易于操作的太陽跟蹤裝置。
本實用新型的目的是這樣實現(xiàn)的，總體為球殼狀的折光鏡片采用多層圓臺階式內(nèi)表面，或為直角臺階或為鈍角臺階，外表面為球面，可為單球面，可為組合球面?？傮w為柱殼狀的折光鏡片，其內(nèi)表面采用多層直臺階結(jié)構(gòu)，或為直角臺階，或為鈍角臺階，外表面為圓柱面，或為單圓柱面，或為組合圓柱面?？傮w為平板狀的折光鏡片，其一個表面為平面，另一個表面可以是相互間隔連接的窄環(huán)形球面和與平面垂直的短圓柱面，中央為圓形球面。另一個表面還可以是相互平行相互間隔連接的圓柱面和與平面垂直的窄平面，這類鏡片邊緣的部分環(huán)形球面或柱面也可為環(huán)形錐面或斜面。集光籠架可為圓錐狀可為V形槽狀，折光鏡片安裝在集光籠架的大端，包有絕熱材料受熱腔在內(nèi)部的圓桶狀受熱器安裝在集光籠架的小端，并在籠架中安裝內(nèi)表面是光滑反射面的圓錐狀或V形槽狀的集光反射器，籠架安裝在支架上部的水平轉(zhuǎn)軸上，由三角形和矩形組合而成的支架下方安裝多個觸地輪，支架下部中央的軸套套在豎直固定在地面上的地軸上，從而轉(zhuǎn)動籠架、轉(zhuǎn)動支架即可跟蹤太陽，籠架與支架間用定位片和手輪定位止動，支架與地面間用手輪的螺柱觸地定位止動。
由于采用上述方案，使鏡片變得很薄，平均厚度約有幾毫米(如3毫米以下)，使其重量大大減輕，它的重量可以是同樣截光面積平凸透鏡的2.5％以下，而且聚光效果不變。從而可以制成大面積的鏡片(大鏡片可制成多片拼裝)，集光功率可以達幾千瓦、幾十千瓦，甚至更大(每平方米陽光功率約1千瓦)。因鏡片有的將陽光匯集在一個很小的圓面積上，有的可將陽光匯集在一條窄長條形面積上，可以適合不同受熱器的需要，而且制造鏡片可用普通民用白玻璃或透明塑料，成本低廉。應用本鏡片的太陽能開水器，聚焦點在鏡片下方，跟蹤太陽裝置結(jié)構(gòu)簡單、操作方便，大約可每30分鐘調(diào)整一次。一臺截光面積2平方米的開水器，裝載5公斤水，若熱效率為60％，23分鐘即可開水，中間不需要調(diào)整設備方位。
現(xiàn)對本實用新型結(jié)合附圖，分別說明如下。


圖1為折射聚光鏡片之——臺階式單球面折射聚光鏡片示意圖。
圖2為折射聚光鏡片之二——變臺階角度式單球面折射聚光鏡片示意圖。
圖3為臺階角度計算的原理圖。
圖4為折射聚光鏡片之三——臺階式組合球面折射聚光鏡片示意圖。
圖5為組合球面設計原理圖。
圖6為折射聚光鏡片之四——臺階式柱面折射聚光鏡片示意圖。
圖7為折射聚光鏡片之五——鋸齒式球面折射聚光鏡片示意圖。
圖8為折射聚光鏡片之六——鋸齒式錐球組合面折射聚光鏡片示意圖。
圖9為折射聚光鏡片之七——鋸齒式柱面或斜面折射聚光鏡片示意圖。
圖10為實施例之一——點折射聚焦式太陽能開水器示意圖。
圖11為集光反射器原理示意圖。
圖12為受熱器結(jié)構(gòu)縱剖面示意圖。
圖13為實施例之二——線折射聚焦式太陽能開水器示意圖。
圖14為集光槽端面反光示意圖。
如
圖1所示為折射聚光鏡片之一——臺階式單球面折射聚光鏡片示意圖。它總體為球殼狀，本圖為縱剖圖，其中MO′N為以O點為球心的球面，OO′為其中中央軸線。其內(nèi)剖面由多層直角臺階組成，AA′、BB′、CC′……均為環(huán)形平面，并都跟中央軸線OO′垂直。aa′、bb′、cc′……為半徑不同的圓柱面，這些圓柱面有共同的軸線—OO′。當有平行于OO′的陽光入射時，每條光線都跟環(huán)形平面垂直，不改變方向地進入鏡片的介質(zhì)中，并在球面上發(fā)生折射，形成會聚光束。由于受球差的影響，離中央軸線越遠的光線匯集點離O′點越近，但可以在光束截面積最小的PQ面上收集光能。
此種臺階式聚光鏡片，留厚越薄，臺階高度越小重量越輕。一臺兩平方米的玻璃折射聚光鏡片，如果設計焦距為2.0米，不采用臺階式結(jié)構(gòu)時，其重量為760公斤。若采用臺階式結(jié)構(gòu)，每3毫米一個臺階，留厚2毫米，其重量約為19公斤，是原重的2.5％。
上述臺階式單球面折射聚光鏡片適應于球差影響小的大半徑球面的長焦距鏡片。對于短半徑球面短焦距鏡片，由于鏡片邊緣入射光在球面上的入射角較大，球差影響也大，光的反射損失也大，甚至發(fā)生全反射，使光能無法收集。解決這一問題有兩種方法，一種是改直角臺為鈍角臺階，從中央向外依次增大臺階環(huán)形上面的下傾角度，從而使光線在球面上的入射角減小。另一種方法是仍采用直角臺階，但鏡片下表面采用組合球面，由中央向外分段增大球面半徑，也使球面處的入射角減小。
圖2是折射聚光鏡片之二——變臺階角度式單球面折射聚光鏡片示意圖。由內(nèi)向外臺階角度依次增大，臺階的傾角可由折射定律逐一算出。圖3為臺階角度計算原理圖。
在圖3中，OF為鏡片中央軸線，α為臺階上環(huán)面與中央軸線垂線的夾角，即臺階下傾角，R為球面半徑，F(xiàn)為光線的匯集點，PQ為臺階上環(huán)面的法線，a為光線在球面上的入射角，β為折射角。當光線平行于中央軸線入射時，在此臺階的入射角亦為α，折射角為(α-b)。
在計算某一臺階的下傾角α時，首先在此臺階正下方所對應的圓弧線中央，確定球面上一點A，過A點作中央軸線的垂線AB，設AB長為X，BF長為Y，測出X和y，即可分別求得半徑OA和折射光線AF與中央軸線的夾角θ和Φ(R已知)。由圖3知，β＝θ+Φ，若鏡片材料的折射率為n，由n=SinβSinα]]>可求得角a，由θa+b和n=SinαSin(α-b)]]>可求得Sina=nSin(θ-a)n2+1-2nCos(θ-a)]]>由此式可求得該臺階的下傾角a，此臺階的鈍角值即為(90°+a)，各臺階的角度求法相同。設計時也可將臨近的幾個臺階取相同的下傾角。
圖4為折射聚光鏡片之三——臺階式組合球面折射聚光鏡片示意圖。中央CD部分為半徑是R1的球面，BC、DE部分為半徑是R2的環(huán)形球面，AB、EF部分為半徑是R3的環(huán)形球面，且R3＞R2＞R1。各球面球心都在中央軸線上。組合球面的個數(shù)可根據(jù)聚光面積大小的需要確定，由鏡片中央向外，各環(huán)形球面的寬度依次減小。
圖5為組合球面設計原理圖。設計各球面前，首先畫出中央球面MO′N折射光路圖，入射平行光線要畫得等距且盡量密些，并由折射定律計算出各條光線的折射角，根據(jù)折射角畫出各條折射會聚光線的分布，由其分布選定光線最佳匯集范圍AB(光線最佳匯集范圍應選在會聚光線分布最集中的位置，此范圍選得越小，各球面越窄)。觀察各折射光線，若發(fā)現(xiàn)C點折射光線恰通過A點，則由C點作中央軸線的垂線CD，設CD＝X，DB＝Y(jié)，測出X和Y值，并作直線CB，由X、Y值即可求出CB與中央軸線的夾角Φ。因C點對應新球面的折射角β＝Φ+θ(θ為入射角)，若鏡片材料的折射率為n，則有n=Sin(Φ+θ)Sinθ,]]>可求得Sinθ=SinΦn2+1-2nCosΦ,]]>再由R2=XSinθ]]>求得R2。然后以C為圓心以R2為半徑畫弧交中央軸線于O2點，再以O2點為圓心，以R2為半徑畫出圓弧CE與CO’N相接。再畫出CE球面折射光線分布圖，找出折射光線過A點的D點，CD即為一個組合球面。CD外側(cè)的球面求法跟此法相同。
對于長條形受熱面的太陽能設備(如真空管式鋁氮鋁膜太陽能熱水器)，可將上述圓形折射聚光鏡片變形為另一種新樣——折射聚光鏡片之四——臺階式柱面折射聚光鏡片，如圖6所示。這種鏡片總體為柱殼狀，它的軸線垂直截面可跟
圖1、圖2、圖4中的任一種相同，但內(nèi)部為多層與軸線平行的直角臺階或變角度的鈍角臺階，外部為單圓柱面或組合圓柱面。此種聚光鏡片可將平行光匯集于曲面下方一條與柱面軸線平行的狹長平面上，以利于長直受熱面的接收。用此種鏡片的太陽能熱水器，會很快將水燒開。也可設想用此種鏡片多片銜接成較長的柱面，形成較長的聚焦線，在聚焦線上設置長受熱管，讓冷水由一端流入，另一端即可流出的開水。
如果將
圖1中單球面分成由內(nèi)向外寬度依次減小的多個環(huán)形球面和中央圓形球面，并使除邊緣環(huán)形球面外的其他部分分別向上平移至圖7所示位置，即形成總體上為平板狀的折射聚光鏡片。其中受光面MO″N是與軸線00′垂直的平面。下表面a0、a1、a2……為多層環(huán)形球面，這些環(huán)形球面半徑相同，由于由邊緣向里環(huán)形球面平移量逐漸增大，所以可改善球差影響。下表面的b1、b2、b3……各面為短圓柱面，這些圓柱面和各環(huán)形球面有共同的中央軸線OO′。此鏡片沿中央軸線的剖面呈兩側(cè)對稱的鋸齒狀。垂直于受光面MO′N入射的光線在受光面上不改變方向，在各環(huán)形球面上發(fā)生折射形成匯聚光束。
如圖8所示，當圖7中外側(cè)環(huán)形球面寬度較小時，可將外側(cè)部分圓弧線兩端點用直線段連接，改外側(cè)各環(huán)形球面為圓錐面，即為折射鏡片之六——鋸齒式錐球組合面折射聚光鏡片。此鏡片各錐面的頂角由內(nèi)向外依次減小。此鏡片的聚光效果與折射鏡片之五基本相同。
如圖9所示為折射聚光鏡片之七——鋸齒式柱面或斜面聚光鏡片，它的橫截面與圖7或圖8完全相同，但a0、a1、a2……是與紙面垂直的多層圓柱面或斜面。當有垂直于受光面的陽光入射時，它可將陽光匯集于鏡片下與鏡片平行的一條直線段上。其聚光效果與折射聚光鏡片之四基本相同。
如
圖10所示為本實用新型實施例之一——點折射聚集式太陽能開水器示意圖。其中1.點折射聚光鏡片。2.錐形集光籠架。3.水平轉(zhuǎn)軸。4.集光反射器。5.支架。6.受熱器。7.定位片。8.定位手輪。9.止動手輪。10.轉(zhuǎn)軸套。11.地軸。12.螺母。13.地軸套。14.小輪。
在
圖1中，集光籠架2前端固定安裝鏡片1，后端內(nèi)部安裝集光反射器，受熱器6固定安裝在集光反射器的下口上，集光反射器的內(nèi)反射面將鏡片折射形成會聚光錐的邊緣光線以大入射角反射一次后，從底口進入受熱器6，如
圖11所示。因只反射一次且入射角大，所以光能損失很小，但能大大縮短受熱器6與鏡片1間的距離，從而減小設備的體積，集光反射器的另一作用是當鏡片不正對太陽時，它可將會聚光線反射進入受熱器，防止強光外射造成事故，并可延長跟蹤太陽調(diào)節(jié)的時間。水平轉(zhuǎn)軸3可轉(zhuǎn)動地安裝在轉(zhuǎn)軸套10內(nèi)，轉(zhuǎn)軸套10與支架5固定連接，支架5的下端三個角上有觸地小輪14，水平轉(zhuǎn)軸3作為手柄，推動手柄，可使支架5在水平地面上繞豎直固定在水平地面上的地軸11轉(zhuǎn)動，從而使鏡片軸線與太陽在同一豎直平面內(nèi)。繞水平轉(zhuǎn)軸3轉(zhuǎn)動集光籠架2，使鏡片軸線指向太陽，即可使陽光會聚在受熱器內(nèi)。有中縫孔的定位片7與集光籠架2鉸鏈，它通過縫孔套在定位手輪8的螺柱上，擰緊定位手輪8，可使集光籠架止動定位。固定安裝在支架5上的地軸套13，套在地軸11上，螺帽12擰在地軸11上端的螺紋上，它與地軸套13間留極少間隙，防止大風引起整體晃動，止動手輪9通過螺紋穿過支架5上的厚片，轉(zhuǎn)動止動手輪9，使其下端與地面頂緊，可防止大風引起的整體轉(zhuǎn)動。
在
圖12中，15.汽哨。16.受熱器蓋。17.緊固螺栓。18.保溫層。19.受熱腔。20.排水龍頭。21.玻璃片。
擰緊螺栓17可使蓋與桶體間止漏。受熱腔19安裝在桶體內(nèi)，它的受光內(nèi)腔涂有黑色吸熱膜，受熱腔口安裝有玻璃片21，防止腔內(nèi)熱空氣與外界對流，整個受熱器上包有絕熱材料層18，以提高受熱器熱效率。
在
圖13中，22.蓄水箱。23.遮光簾。24.線折射聚光鏡片。25.轉(zhuǎn)軸。26.轉(zhuǎn)軸套。27.V形集光槽。28.反光鏡片。29.定位片。30.止動手輪。31.定位手輪。32.支架。33.小輪。34.反光鏡片。35.真空管。36.地軸。37.地軸套。38.螺帽。
在
圖13中，線折射聚光鏡片24，安裝在V形集光槽26上口，V形集光槽左右兩內(nèi)側(cè)安裝反光鏡片27。它的作用與
圖10中集光反射器4相同。V形集光槽前后兩端內(nèi)側(cè)安裝反光鏡片33，它的作用是當折光鏡片24的鏡面法線在上下方向不跟太陽方向一致時，將射向集光槽前端(或后端)的折射光反射向真空管，如
圖14所示。V形集光槽底的陽光聚集線上安裝真空管34。V形集光槽中部垂直安裝轉(zhuǎn)軸25。轉(zhuǎn)輛套26固定水平安裝在支架32上端，支架32下端有四個小輪33放在水平地面上，支架32下部中央固定安裝地軸套37，地軸36垂直固定安裝在水平水泥地面上，轉(zhuǎn)軸套37套在地軸36上，地軸上端有螺紋，螺帽38擰在地軸上端，它與地軸套間留較小間隙。轉(zhuǎn)軸25一端為手柄，推動手柄，可使備整體在水平地面上繞地軸轉(zhuǎn)動，使折光鏡片24的法線與太陽在同一豎直平面內(nèi)。定位片29一端與V形集光槽鉸鏈，它中間的縫套在定位手輪31螺柱上，轉(zhuǎn)動集光槽使其鏡面法線指向太陽。擰緊定位手輪31，可使V形集光槽止動，正常工作。轉(zhuǎn)動止動手輪30，使其螺柱緊壓地面，可防止大風引起裝置整體轉(zhuǎn)動，減小螺 帽38與地軸套間的間隙可使設備整體不在大風中晃動。設備不工作時，放下遮光簾，遮住射向鏡片的陽光。蓄水箱22結(jié)構(gòu)與
圖12類似。只是將受熱腔摘除，其接口改為真空管接口。
權(quán)利要求1.一種太陽能開水器，由安裝在集光籠架一端的鏡片會聚陽光，由安裝在集光籠架另一端的受熱器接受陽光，其特征是鏡片是由透明材料制成的折射聚光鏡片，總體為球殼狀的折光鏡片，采用多層圓臺階狀的內(nèi)表面，外表面為球面，總體為柱殼狀的折光鏡片，其內(nèi)表面采用多層直臺階結(jié)構(gòu)，外表面為圓柱面，總體為平板狀的折光鏡片，其一個表面為平面，另一個表面可以是相互間隔連接的窄環(huán)形球面和與平面垂直的短圓柱面，另一個表面也可以是相互平行相互間隔連接的圓柱面和與平面垂直的窄平面，集光籠架可為圓錐狀，也可為V形槽狀，折光鏡片安裝在集光籠架的大端，包有絕熱材料受熱腔在其內(nèi)部的圓桶狀受熱器安裝在集光籠架的小端，在集光籠架中安裝內(nèi)表面是光滑反射面的圓錐狀或V形槽狀的集光反射器，集光籠架安裝在支架上部的水平轉(zhuǎn)軸上，由三角形和矩形組合而成的支架下部安裝多個觸地輪，支架下部中央的軸套套在豎直固定在地面上的地軸上，從而轉(zhuǎn)動支架、轉(zhuǎn)動集光籠架即可跟蹤太陽，集光籠架與支架間靠定位片和手輪定位止動，支架和地面間用手輪的螺柱觸地定位止動。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的太陽能開水器，其特征是折射聚光鏡片有的總體為球殼狀，其內(nèi)表面為多層圓臺階狀，或為多層直角臺階，或為由內(nèi)向外角度依次增大的鈍角臺階，外表面為球面，或為單球面，或為組合球面。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的太陽能開水器，其特征是折射聚光鏡片有的總體為柱殼狀，其內(nèi)表面為多層直臺階結(jié)構(gòu)，或為直角臺階，或為由內(nèi)向外角度依次增大的鈍角臺階，外表面為圓柱面，或為單圓柱面，或為組合圓柱面。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的太陽能開水器，其特征是折射聚光鏡片有的總體呈平板狀，其一個表面為平面，另一個表面可為很多相互間隔連接的窄環(huán)形球面和與平面垂直的短圓柱面，中央為圓形球面，靠邊緣部分的環(huán)形球面也可為短圓錐面，另一個表面還可以為相互平行相互間隔連接的窄圓柱面和與平面垂直的窄平面，其邊緣部分的圓柱面也可以為斜面，該類鏡片的過軸剖面或橫截面的下剖面線呈鋸齒狀。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的太陽能開水器，其特征是集光反射器總休上可為錐體狀，也可為V形槽狀，它的內(nèi)表面是光滑反射面。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的太陽能開水器，其特征是當折光鏡片是圓形鏡片，集光籠架總體呈錐體狀，當用方形折光鏡片，集光籠架總體為V形槽狀，集光籠架都可繞裝在支架上端的水平軸在豎直平面內(nèi)轉(zhuǎn)動。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的太陽能開水器，其特征是支架結(jié)構(gòu)整體上由多種矩形和三角形結(jié)構(gòu)組合而成，上部裝有水平軸，下部裝有多個觸地輪，下部中央裝有地軸套，地軸套可轉(zhuǎn)動地套在豎直固定在地面上的地軸上，地軸上端有螺母，支架可繞地軸水平轉(zhuǎn)動，支架下部裝有手槍，它的螺柱豎直擰在支架下部螺孔內(nèi)，轉(zhuǎn)動手輪可使螺柱壓緊地面。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的太陽能開水器，其特征在于集光籠架與支架間用定位片和手輪定位，孤形定位片中間有弧形縫孔，它一端與集光籠架鉸鏈，手輪螺柱穿過弧形縫孔擰在支架的螺孔內(nèi)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的太陽能開水器，其特征是受熱器上面有圓形蓋，蓋邊緣有緊固螺栓，受熱器為圓桶狀，圓桶下部有受熱腔裝在圓桶內(nèi)，受熱腔內(nèi)壁涂有黑色吸熱膜，受熱腔口封有玻璃片，蓋上有汽哨，桶下部有龍頭，整個受熱器包有保溫隔熱層。
專利摘要一種太陽能開水器,它由折射聚光鏡片、集光反射器、受熱器、集光籠架和支架等組成。鏡片和受熱器安裝在集光籠架的兩端,集光籠架安裝在支架的水平轉(zhuǎn)軸上,可在豎直面內(nèi)轉(zhuǎn)動,支架可繞穿過其中央固定在地面上的豎直軸在水平面內(nèi)轉(zhuǎn)動,以跟蹤太陽。折光聚光鏡片厚度為幾毫米,可會集大面積陽光,形成很大集光功率。集光反射器可減小設備“焦距”,減小設備體積,增長設備調(diào)整時間,使用中約半小時調(diào)整一次。
文檔編號F24J2/02GK2407288SQ99221920
公開日2000年11月22日 申請日期1999年8月9日 優(yōu)先權(quán)日1999年8月9日
發(fā)明者崔金巖 申請人:崔金巖