一种列车太阳能集热系统的制作方法

文档序号:11821219阅读:242来源:国知局
一种列车太阳能集热系统的制作方法与工艺
本发明属于太阳能的热利用
技术领域
,涉及一种列车太阳能集热系统。
背景技术
:太阳能集热器的普遍使用很大程度上节约了化石能源等传统能源的使用,充分利用太阳能热能是一项符合我国可持续发展战略的技术。客运列车热水主要依靠电能加热,而列车的运行则为太阳能资源的利用提供了一种很好的途径,列车利用太阳能热水则可节约电能,符合国家节能减排的政策。目前,太阳能集热装置主要应用在建筑领域。集热器方向和倾角固定,一般宜朝向南向,倾角与当地太阳方位角有关。建筑太阳能集热系统是固定不动的,集热器的朝向和等效倾角也是一定的。而列车是运动的物体,运动方向多变,流动性强,且列车在运行过程中有加速度的变化。上述原因使得现有的太阳能集热装置不能有效利用太阳能,影响列车的正常运行。技术实现要素:针对上述客运列车运动特点和列车上应用太阳能集热器存在的问题,本发明的目的是提供一种客运列车用全方位接收太阳辐射的集热装置和热水系统,能克服列车运动过程中落石等对集热器的损坏,又能避免列车加速度变化和振动对集热器的影响,而且不影响列车正常运行。为实现上述目的,本发明所采用的技术方案如下:一种列车太阳能集热系统,包括集热装置,列车的每节车厢上均设置有多个集热装置,集热装置包括蓄热水箱和联集箱,蓄热水箱和联集箱通过水管连接,所述联集箱包括多个集热器,集热器包括多个真空管,多个真空管的下方设置有反射膜,多个真空管的上方设置有玻璃盖板,玻璃盖板的内表面为阶梯式斜面结构。进一步地,所述集热器还包括真空管支架,真空管支架包括底板和两个侧板,真空管支架为弧形结构;多个真空管在真空管支架上依次排列形成弧形结构,真空管的两端分别连接两个侧板;真空管支架的底板上设置所述的反射膜;所述玻璃盖板固设在两个侧板的上方,玻璃盖板为弧形结构;真空管支架、多个真空管依次排列形成的结构和玻璃盖板的弧度一致。具体地,所述玻璃盖板内表面上的阶梯式斜面包括多组斜面单元,每组斜面单元包括多个斜面,每个斜面与玻璃盖板在该斜面处的切线之间的夹角为34°,相邻两组斜面单元中的斜面的倾斜方向相反;每两个相邻的真空管之间的间隙的上方设置一组斜面单元。进一步地,所述每个斜面的高度为2mm,宽度为3mm。进一步地,所述反射膜上设置有多个半圆形凸起,半圆形凸起设置在所述多个真空管中的相邻两个真空管的间隙的下方。进一步地,所述集热器还包括底座,所述真空管支架固设在底座上,所述底座固设在列车车厢上;底座上表面为与所述真空管支架弧度一致的弧形结构。进一步地,所述真空管支架与底座之间通过螺旋形弹簧和橡胶软垫连接。进一步地,所述集热器还包括蓄热水箱支座和水箱出口保护箱,所述蓄热水箱支座与列车车厢固连,所述蓄热水箱放置在蓄热水箱支座上,蓄热水箱和蓄热水箱支座之间设置防滑橡胶软垫;蓄热水箱支座中部位置设置有用于固定蓄热水箱的不锈钢条。进一步地,所述半圆形凸起的直径为26mm。与现有技术相比,本发明具有以下技术效果:本发明的列车太阳能集热器大大减少了电的用量,解决了用电困难的问题,太阳能属于清洁能源,节能减排;本发明解决了运动物体上应用太阳能集热器的困难,无论列车向哪个方向运动都可以保证一定的太阳能集热量,且增加了列车的储水量;解决了列车运行过程产生的冲击力和振动对集热器的影响,而且不影响列车的正常运行。下面结合附图和具体实施方式对本发明的方案做进一步详细地解释和说明。附图说明图1为本发明的整体结构示意图;图2为本发明的俯视图;图3为真空管和玻璃盖板结构示意图;图4为真空管和真空管之间安装示意图;图5为反射膜反射光线原理图;图6为底座结构示意图;图7为蓄热水箱支座示意图;图8为集热器弧面分段示意图;图9为玻璃盖板聚光原理图;图10为玻璃盖板局部结构图。图中各标号含义:1—集热装置,2—蓄热水箱,3—联集箱,4—水管,5—集热器,5-1—真空管,5-2—反射膜,5-3—玻璃盖板,5-4—真空管支架,5-5—底座,5-6—蓄热水箱支座,5-7—水箱出口保护箱,6—底板,7—侧板,8—半圆形凸起,9—止回阀,10—不锈钢条。具体实施方式遵从上述技术方案,本发明的列车太阳能集热系统,包括集热装置1,列车的每节车厢上均设置有2个集热装置1,集热装置1包括蓄热水箱2和联集箱3,蓄热水箱2和联集箱3通过水管4连接,所述联集箱3包括3个集热器5,相邻集热器5通过水管连接,集热器5包括21个真空管5-1,21个真空管的下方设置有反射膜5-2,多个真空管5-1的上方设置有玻璃盖板5-3,玻璃盖板5-3的内表面为阶梯式斜面结构。所述水管4上设置有止回阀9,防止列车在运行过程中产生的加速度使水管内水流回流。所述联集箱3采用同程式,防止3个集热器5内的水的流量差异太大导致集热量变小。3个集热器5中相邻的集热器5的间距为0.4m,方便施工和维修。列车运行过程中启动或者刹车产生的加速度会对集热器和真空管产生冲击力,为了减少冲击力,节车厢上均设置有2个集热装置1,在车厢两端对称分布。所述集热器5还包括真空管支架5-4,真空管支架5-4用于安装多个真空管5-1,真空管支架5-4包括底板6和两个侧板7,真空管支架5-4为弧形结构;多个真空管5-1在真空管支架5-4上依次排列形成弧形结构,真空管5-1的长度方向与列车车厢的长度方向一致,真空管5-1的两端分别连接两个侧板7;真空管支架5-4的底板6上设置所述的反射膜5-2;所述玻璃盖板5-3固设在两个侧板7的上方,玻璃盖板5-3为弧形结构。玻璃盖板5-3的外表为光滑弧面,其内表面为阶梯式斜面结构。真空管支架5-4、多个真空管5-1依次排列形成的弧形结构和玻璃盖板5-3的弧度一致,由于列车在运行过程中经常会遇到隧道、电化区段的接触网、铁路信号设备等,故集热器阵列的高度一定,且集热器真空管间距一定,故圆弧半径均为1.5m,圆心角为72°。多个真空管5-1形成的弧形结构在列车车厢上的投影的宽度为1.7m,真空管的规格为Φ47×1800。上述弧形结构的设计,且真空管的长度方向与列车车厢的长度方向一致,使得列车接受的太阳辐射量受到列车运动方向变化的影响很小,且使单位列车面积的集热面积增大。当列车在东西方向运动时,太阳光线沿真空管长度方向,由于集热器为弧形,故下部真空管可接受上部真空管间隙辐射,因此集热器接收的太阳辐射受太阳高度角影响小;当列车在南北方向运动时,由于集热器具有一定倾角,可使集热效果更好,集热器南向或北向所接收的太阳辐射量相同。真空管的弧形结构的顶端与弧形结构的末端之间的连线与列车车厢平面之间的夹角,即等效倾角为17°,增大了集热器上太阳直射面积,可以更有效的接收太阳辐射能。所述玻璃盖板5-3内表面上的阶梯式斜面包括多组斜面单元,每两个相邻的真空管5-1之间的间隙的上方设置一组斜面单元。每组斜面单元包括多个斜面,每个斜面与玻璃盖板5-3在该斜面处的切线之间的夹角为34°,相邻两组斜面单元中的斜面的倾斜方向相反。照射到相邻两组斜面的光线通过斜面的折射后汇聚到真空管上,从而增加真空管5-1的集热效率。本实施例中,每组斜面单元包括7个斜面,所述每个斜面的高度H为2mm,宽度W为3mm。上述参数设置能够将太阳射线聚集在真空管5-1上,增加真空管5-1的集热效率,有效利用了真空管5-1间隙的太阳辐射。本实施例的玻璃盖板5-3的聚光计算公式如下:其中,α为斜面倾角;r为斜面中心到透镜中心O点(见图9)的距离;n为玻璃盖板的折射率,n=1.54;d为焦距,即玻璃盖板的内表面与真空管之间的距离;W为斜面的宽度;B为斜面的高度;L为斜面最高点到透镜中心的距离。根据真空管上表面到联集箱上表面距离限值,取d为10mm,为尽量降低玻璃盖板厚度且满足工艺要求,取B为2mm,计算第一个斜面的倾角α1,则L=41mm,代入方程组,应用Matlab解方程组得,tanα1=0.757,W1=2.64;取W1=3,计算第二个斜面,L=38mm,代入方程组得tanα2=0.765,W2=2.62;取W2=3,计算第三个斜面,L=35mm,代入方程组得tanα3=0.77,W3=2.59;根据计算结果,取斜面宽度为整数,故第一个斜面到第三个斜面宽度均为3mm,以此类推,可得第四个斜面、第五个斜面、第六个斜面、第七个斜面宽度W均为3mm。利用光的折射原理可得,集热器真空管间隙的光均可折射至真空管吸热面上,大大提高了真空管集热器的效率。所述反射膜5-2上设置有多个半圆形凸起8,半圆形凸起8设置在所述多个真空管5-1中的相邻两个真空管5-1的间隙的下方。所述反射膜5-2为高效反射膜,其材质为镜面铝箔,根据光的反射原理,为使真空管间隙的太阳能辐射尽可能多的反射到真空管上,经作图计算,所述半圆形凸起8的直径为26mm;当太阳射线穿过相邻两个真空管5-1的间隙垂直照射到反射膜5-2上时,照射到半圆形凸起8上的射线的大部分被反射到真空管5-1上,增加真空管5-1的集热效率。为了使真空管支架5-4固定在列车车厢上,所述集热器5还包括底座5-5,底座5-5采用不锈钢材料,所述真空管支架5-4固设在底座上,所述底座5-5通过螺栓固设在列车车厢上;底座5-5上表面为与所述真空管支架5-4弧度一致的弧形结构。列车运行过程会产生振动,包括横向振动和垂直振动,连接在车厢上的集热器和水箱也会受到振动,为防止振动损坏集热器和水箱,必须采取一些减振措施,为了减少列车冲击力对真空管5-1产生的影响,所述真空管支架5-4与底座5-5之间通过螺旋形弹簧和橡胶软垫连接,减少列车振动的传递。所述集热器5还包括8个蓄热水箱支座5-6和水箱出口保护箱5-7,所述蓄热水箱支座5-6与列车车厢固连,所述蓄热水箱2放置在6个蓄热水箱支座5-6上方,6个蓄热水箱支座5-6分布在蓄热水箱2的四个角落处以及蓄热水箱2的两侧,蓄热水箱2和蓄热水箱支座5-6之间设置防滑橡胶软垫;分布在蓄热水箱2的两侧的蓄热水箱支座5-6通过不锈钢条10连接。蓄热水箱2内部设有加筋防冲击隔板,可以减少水的晃动冲击,同时增加蓄热水箱2本身的刚度,避免因列车运行和振动使水箱变形。其中,蓄热水箱支座5-6通过螺栓与列车车厢固连,所述防滑橡胶软垫用于减少列车振动对蓄热水箱2产生的影响;所述不锈钢条10的宽度为30mm,其横跨蓄热水箱2,用于防止蓄热水箱2由蓄热水箱支座5-6上脱落。其中,水箱出口保护箱5-7,用于防止与蓄热水箱连接的阀门和水泵等在风吹雨淋日晒下损坏。下面通过实验验证本发明的集热系统的有效性:参见图10,将集热器分割为20段平面,每段平面的宽度为83mm,每段平面与水平面之间均形成一个倾角θ;以银川市夏至日为例,根据夏至日逐时太阳辐射强度则可计算出集热器每段平面上接收的太阳辐射强度。下面以集热器第1段平面为例计算其全天太阳辐射强度:第1段平面面积为0.1494m2,倾角为θ=32°;银川市纬度为38.29°,以夏至日为例,太阳赤纬δ=0°。银川市夏至日水平面太阳直射辐射强度为4177.68W/m2,水平面散射辐射强度为2819.55W/m2,JT为水平面所接受的太阳总辐射强度:集热器其他平面段日接收辐射强度见下表:平面编号平面倾角单位面积太阳辐射强度平面面积平面总太阳辐射强度°W/㎡m2W1327745.80.083*1.81157.22297596.10.083*1.81134.93257429.10.083*1.81109.94227325.30.083*1.81094.45197238.00.083*1.81081.46157144.60.083*1.81067.47127090.60.083*1.81059.3887038.30.083*1.81051.5957013.20.083*1.81047.81027000.00.083*1.81045.8则本发明的集热器左半段夏至日接收太阳辐射强度总量Q=1157.2+1134.9+1109.9+1094.4+1081.4+1067.4+1059.3+1051.5+1047.8+1045.8=10849.6。集热器总接收太阳辐射强度为2Q=21698W。本发明集热器水平面上接收太阳辐射强度总量Q′=(4177.68+2819.55)×1.6×1.8=20152W<集热器总接收太阳辐射强度2Q。说明本发明的弧面集热器接收太阳辐射强度大于水平面接收太阳辐射强度,其中水平面长为1.8m,宽1.6m。当前第1页1 2 3 
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