专利名称：凹面镜反射聚光锁阳吸热式太阳光热能收集方法和装置的制作方法
技术领域：
本设计方案涉及一种通过凹面镜反射太阳光，将太阳光聚焦后，实现光能与热能转换并以热能方式收集的一种装置。
背景技术：
现有凹面镜为碟式或槽式，通过凹面镜反射并将太阳光聚焦来实现太阳光的光热能转换来利用太阳能的装置，都需要随着太阳运动而转动的机械转动装置，来带动凹面镜转动，以使太阳光垂直照射到凹面镜，凹面镜将太阳光聚焦后的凹面镜的焦点或焦线处，在凹面镜的焦点、焦线处，放置内部涂有耐高温黑色复合吸光材料的太阳能真空管，利用黑色吸光材料吸收太阳光能，以将太阳光能转换成热能，以热能方式收集太阳光能。在无云的晴天，太阳光线能量密度极大，类似装置凹面镜聚焦的焦点处太阳光斑可使吸光材料在瞬间产生极高的高温，而在有云层的时因太阳光能量密度大大减小，焦点处太阳光斑产生温度极低，这样对焦点处用来吸收太阳光能的材料耐高温、高低温反复变化的适应性都有极高要求。现有的黑色吸光复合材料成本极高，耐高温性能不足，对高低温反复变化的适应性不足，寿命十分有限，成本极高。耐高温吸热装置生产技术难度大，工艺复杂。类似装置，大都采用较用较笨重、坚固的机械转动系统，并配强度极高、重量很大的凹面镜，才能抵抗大风，成本极高，维护不便。特别是在风沙大的地方，其机械转动系统极容易磨损，缩短使用寿命，或因风沙原因发生故障，维护成本极高。在雨水较多地方，机械转动系统也极容易锈蚀，增加维护成本。现有类似装置，需要改进其实现光能与热能转换的太阳光能吸收收集装置，包括其使用的吸光材料和太阳光能的吸收方式，提高在凹面镜焦点光斑处用来吸收太阳光能材料的耐高温性能、对高低温反复变化的适应性、使用寿命、降低成本，以降低其生产、安装、 维护成本，降低吸热装置的生产难度，简化其生产工艺。现有的通过凹面镜反射聚焦来热能方式收集太阳光能的装置，需要改进其抗风系统，要在具备抗风能力情况下，使其跟踪系统的机械转动系统、凹面镜等更加轻便、灵巧，以降低其生产、安装、维护成本，减少维护工作量，提高使用寿命。
发明内容
本发明要解决的技术问题就是通过一种新的结构设计，改进太阳光能的吸收方式和吸收装置，通过采用耐高温性能好、对高低温反复变化适应性强、使用寿命长、成本低的太阳光能吸热材料，以降低整个装置的生产、安装、维护成本，降低吸热装置生产难度，简化其生产工艺。同时使整个装置在减小沙尘、雨水直接影响，具备抗风能力情况下，使其机械转动装置、凹面镜等更加轻便、灵巧、耐用。为解决上述技术问题，本发明凹面镜反射聚光锁阳吸热式太阳光热能收集装置， 主要包括抗风装置、凹面镜、机械转动系统、吸热装置等几部份。
本发明所述的太阳光热能收集装置外观和结构，如图1、图2所示。为了解决上述吸热装置耐高温性能、简化生产工艺等技术问题，本发明采用了一种通过多次反射吸收方式实现将太阳光能以热能形式收集起来的方法通过凹面镜反射聚焦后的太阳光光线，经过平面透光镜或经过凸透镜再次聚焦后，通过不透明中空腔体上的一个太阳光线射入小孔，射入不透明中空腔体的内部，除少量光线通过原来进入的小孔被重新反射出来外，其余大部份光线被中空腔体黑色内壁反复地反射、吸收，而每反射一次， 其能量就被吸收掉一部份，光线能量逐渐减弱，直至光线能量最终被中空腔体全部吸收后最后消失，以实现太阳光能与热能的转换和收集。本发明所述通过多次反射吸收方式实现将太阳光能以热能形式收集起来的方法——太阳光线路变，如图3所示。为了解决上述吸热装置耐高温性能、简化生产工艺技术问题，本发明采用了一种通过多次反射吸收方式实现将太阳光能以热能形式收集起来的吸热装置，该吸热装置有球形、管状两种形式。球形吸热装置装置是一个带有平面透光镜或凸透镜，内部已抽成真空的腔体，腔体中心是用黑色铸铁、黑色碳纤等耐高温材料制作、中空的锁阳球，锁阳球内壁上有大量内凹的峰窝状小洞一锁阳洞，锁阳球上有一个供太阳光线射入的射阳孔。由碟式凹面镜对太阳光进行反射聚焦，聚焦后的太阳光线，再经过平面透光镜，或再经过凸透镜再次聚焦， 通过锁阳球上的射阳孔射入锁阳球内部，除少量光线射阳孔被重新反射出来外，其余大部份光线被锁阳球、锁阳小洞的黑色内壁反复地反射、吸收，直至最后消失，以实现太阳光能与热能的转换和收集。管状吸热装置装置是一个带有平面透光镜或凸透镜，内部已抽成真空的管体，管体中心是用黑色铸铁、黑色碳纤等耐高温材料制作、中空的锁阳管，锁阳管内壁上有大量内凹的峰窝状小洞一锁阳洞，锁阳管上有一个供太阳光线射入的射阳槽。太阳光经槽式凹面镜反射后，聚焦到槽式凹面镜焦线处，再经过平面透光镜，或再经过凸透镜再次聚焦，射入锁阳管内，通过锁阳管上的射阳槽射入锁阳管内部，除少量光线射阳孔被重新反射出来夕卜，其余大部份光线被锁阳管、锁阳小洞的黑色内壁反复地反射、吸收，直至最后消失，以实现太阳光能与热能的转换和收集。球形、管状的整个吸热装置还包括供热能交换介质流动的管道，温度检测传感器，导热、蓄热材料，隔热保温层，中空隔热腔，热辐射反射层，热能反射镜等部分。装置通过多层隔热材料构成的隔热保温层、中空隔热腔、热辐射反射层，以及热能反射镜等隔热保温措施，减少内部热能往外散失。装置通过隔热介质管理层的介质管道中流动的水、金属钠等介质，与外部进行热能交换。球形吸热装置侧面外观，如图4所示。球形吸热装置剖面结构，如图5所示。球形吸热装置的锁阳球结构，如图6所示。锁阳球外缠绕介质管道后形状，如图7所示。锁阳球隔热保温层，如图8所示。锁阳球热辐射反射层，如图9所示。球形吸热装置的中心隔热保温层，如图10所示。
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球形吸热装置的外壳，如图11所示。球形吸热装置外壳保温层，如图12所示。球形吸热装置的平面透光镜、凸透镜，如图13所示。球形吸热装置的热能反射镜，如图14所示。球形吸热装置的安装支架，如图15所示。管状吸热装置外观，如图16所示。圆形热能反射镜封闭时，太阳光线不可射入时，管状吸热装置结构，如图17所示。圆形热能反射镜打开时，太阳光线可射入时，管状吸热装置结构，如图18所示。管状吸热装置锁阳管结构，如图19所示。缠绕了介质管道的锁阳管，如图20所示。为解决装置抗风问题，本发明采用了一种新的抗风结构设计方法以透明材料为外壳，构成一个密闭空间，将凹面镜反射聚焦收集太阳光热能装置放在密闭空间里中，包括凹面镜、跟踪机械转动装置、吸热装置等，太阳光线通过透明外壳材料照射到凹面镜上， 由凹面镜反射聚焦收集太阳光热能，以静止不动的密闭空间外壳来抗风、防沙、防雨，凹面镜反射聚焦收集太阳光热能装置不再直接抗风、直接接触沙尘和雨水。为解决装置抗风问题，本发明采用了一种新的抗风装置以透明材料为外壳，构成一个密闭空间，将凹面镜反射聚焦收集太阳光热能装置放在密闭空间里中，包括面镜、机械转动系统、吸热装置等，外壳用透明玻璃、透明塑料、透明塑料薄膜等材料制作，外形为球型、斜坡屋顶型、圆形屋顶型、半球形屋顶型、平面层顶形等形状。外壳上有供空气流动的小孔一一通气孔，以使外壳内外温度一致，防止外壳起雾、结霜，同时又不会影响到整个装置的抗风、防尘、防雨性能。球形、斜坡屋顶、圆形屋顶、球形屋顶、塑料薄膜大棚抗风外壳分别如图21、图22、 图23、图24、图25所示。本发明采用现有装置中类似的跟踪太阳光的机械装置、控制系统，以及热能交换系统，热能储存系统等。通过本发明所采用的通过对光线反复反射来吸收其能量方法和装置，由于吸收太阳光能的锁阳球、锁阳管可以采用黑色球墨铸铁、黑色碳纤等十分常见、价格十分便宜、耐高温、对高低温反复变化适应性极强、热传导性极好、寿命极长的材料制作，可以适应剧烈温度变化，不致损坏，而且吸热装置体积小，更便于保温装置设计。使用此类吸热材料和光能吸收方式的吸热装置，生产工艺简单，生产、安装、维护成本极低，寿命极长，便于维护。这样，就解决了传统复合吸热材料耐高温性能不足、对高低温反复变化适应性不强、寿命短、 价格高的弱点，可以大大降低吸热装置的生产、安装、维护成本。通过本发明采用的抗风设计方法和抗风装置，由于凹面镜、机械装置、吸热装置等都不再需要直接抗风。对凹面镜的结构强度要求大大降低，就可以采用不锈钢板、轻薄铝板、塑料电镀反射材料等轻质材料，结构上配加强筋，制作凹面镜，大大减少了凹面镜的重量。同时，整个机械转动系统就变得更加轻巧、灵活，各种转轴的直径、强度都可大大降低， 转动电机的功率也大大降低，机械部份不直接接触风沙、雨水，便于维护，减少因风沙带来的磨损，因雨水带来的锈蚀。这样就降低凹面镜和机械转动装置生产、安装、维护成本，便于设计制造大直径的凹面镜，延长了使用寿命。
采用本发明的抗风设计方法和装置，虽然用于建造抗风外壳增加了成本，但因凹面镜、机械转动系统建造、维护成本降低了，但整个装置的综合建设、维护成本降低了。通过本发明利用太阳光能来收集热能，收集单位热能所需的建设成本较低，建成后收集单位热能所需的收集成本，即维护、运行成本十分低廉。太阳光线通过本设计方案用于抵抗风力、阻挡沙尘和雨水的密闭空间透明外壳， 通过本设计方案用于将太阳光聚焦的凹面镜，以及通过吸热装置的凸透镜都会有一定的能量损耗，如每次光能损耗在5-10%若，本设计方案所采用的整个装置的光能与热能转换效率可达60% -80%，整个装置的光能与热转换效率较高。通过本设计方案产生的高温水蒸汽，可以较低的成本，广泛用于生活供暖、工业供热。本设计方案作为供暖、供热装置使用时，光热转换效率在60% _80%，转换效率极高。本设计方案所述装置，也可作为太阳灶的热源，用于烹制食物。如与吸热装置进行热能交换的介质材料，采用蓄热能力强、耐高温、高沸点的重油等材料，通过本设计方案的吸热装置，将从介质管道中流过的重油、金属钠等介质加热到700度以上，再用耐高温真空管道，将高温重油等介质传送到室内灶台，利用高温重油、液态金属钠的热能加热锅具，以烹制食物。这样，本设计方案就可作为太阳灶的热源使用。本设计方案所述装置作为太阳灶热源使用时，光热转换效率在60% -80%，转换效率极高。本设计方案所述装置，也可结合汽轮机、斯特林发电机等，以较低的成本，进行太阳能光热发电。同时，还可利用蓄热能力强、耐高温、高沸点等热交换介质材料，结合真空隔热技术、高蓄热材料等，开展太阳能储热发电。如每平米太阳光能量密度按1.2KW计算，整个装置光热转换效率按75%估算，发电系统的热电转换效率按35%计算，整个系统的光电转换效率可达26 %，转换效率较高，发电成本低。
图1，由碟式凹面镜构成的凹面镜反射聚光锁阳吸热式太阳光热能收集装置示意图。①碟式凹面镜②球形吸热装置③立柱图2，由槽式凹面镜构成的凹面镜反射聚光锁阳吸热式太阳光热能收集装置示意图。①槽式凹面镜②管状吸热装置图3，本发明所述的通过多次反射吸收方式实现将太阳光能以热能形式收集起来的方法——太阳光线路变化示意图。①凹面镜②中空腔体③太阳光线射入小孔④太阳光线图4，球形吸热装置外观(侧面)示意图。
①外壳保温层②安装支架③介质管道④热能反射镜⑤平面透光镜、凸面镜图5，球形吸热装置结构剖面示意图。①锁阳球②锁阳洞③射阳孔④热能交换介质管道⑤导热、蓄热材料⑥锁阳球温度检测传感器⑦锁阳球隔热保温层⑧锁阳球中空隔热腔⑨锁阳球隔热支架⑩锁阳球热辐射反射层O中心隔热保温层◎球形吸热装置中空隔热腔 球形吸热装置隔热支架0球形吸热装置热辐射反射层◎外壳坊外壳保温层G平面透光镜、凸透镜 热能反射镜◎安装支架图6，球形吸热装置的锁阳球的结构示意图。①锁阳球②锁阳洞③射阳孔图7，缠绕介质管道锁阳球示意图。①介质管道②锁阳球图8，锁阳球隔热保温层示意图。①锁阳球隔热支架②锁阳球隔热保温层图9，锁阳球热辐射反射层示意10，球形吸热装置的中心隔热保温层示意图。①吸热装置隔热支架
②中心隔热保温层图11，球形吸热装置的外壳示意图。①球形吸热装置的外壳②吸热装置热辐射反射层图12，球形吸热装置的外壳保温层示意图。图13，球形吸热装置的平面透光镜、凸透镜示意图。图14，球形吸热装置的热能反射镜示意图。图15，球形吸热装置的安装支架示意图。图16，管状吸热装置外观示意图。①介质管道②平面透光镜、凹面镜③圆形热能反射镜④外壳保温层图17，太阳光线不可射入时管状吸热装置结构示意图。①锁阳管②锁阳洞③射阳槽④能交换介质管道⑤锁阳管隔热保温层⑥阳管中空隔热腔⑦锁阳管热辐射反射层⑧中心隔热保温层⑨状吸热装置中空隔热腔⑩管状吸热装置热辐射反射层G 外壳◎外壳保温层 平面透光镜、凸透镜0圆形热能反射镜图18，太阳光线可射入时管状吸热装置结构示意图。①锁阳管②锁阳洞③射阳槽④能交换介质管道⑤锁阳管隔热保温层⑥阳管中空隔热腔⑦锁阳管热辐射反射层⑧中心隔热保温层⑨状吸热装置中空隔热腔⑩管状吸热装置热辐射反射层
G外壳◎外壳保温层 平面透光镜、凸透镜0圆形热能反射镜图19，管状吸热装置锁阳管结构示意图。①锁阳管②锁阳洞③射阳槽图20，缠绕介质管道的锁阳管示意图。①锁阳管②锁阳洞③射阳槽④介质管道图21，球形抗风外壳示意图。图22，斜坡屋顶抗风外壳示意图。图23，圆形屋顶抗风外壳示意图。图对，球形屋顶抗风外壳示意图。图25，塑料薄膜大棚抗风外壳示意图。图沈，产生高温水蒸汽的外罩型凹面镜反射聚光锁阳吸热式太阳光热能收集装置的外观与结构示意图。①外壳②底座③吸热装置④凹面镜⑤水平旋转支架⑥垂直旋转轴图27中午凹面镜面方向示意图。图观下午凹面镜面向西方方向示意图。图四为春季上午凹面镜方向示意图。图30春季下午凹面镜方向示意图。图31秋季上午凹面镜方向示意图。图32秋季下午凹面镜方向示意图。
具体实施例方式本发明所采用的太阳光能的吸收装置，为一个外观类似花瓶的真空吸热腔体真空吸热球体中心是一个锁阳球，锁阳球是一个用使用黑色材料、寿命极长、价格极其便宜、 耐高温性能极好、对高低温反复变化适应性极强的黑色铸铁、黑色碳纤等常见材料做成的中空腔体，锁阳球的球体内壁上有大量内凹的峰窝状小洞一锁阳洞，锁阳球上开有一个供太阳光线射入的射阳孔。
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锁阳球外面，缠绕有一层供与锁阳球进行热能交换的水等液体介质流动的管道一一锁阳球热交换介质管道层。用绝热材料做成隔热介质管道将介质流动管道接到吸热装置外部，管道间空隙填充以导热、蓄热的铁屑等储热介质材料，同时预埋检测锁阳球温度传感器热电偶。介质管道层外面包裹有一层石棉、耐高温布类的柔性隔热材料一一锁阳球隔热保温层。锁阳球隔热保温层外是一个中空的一一锁阳球隔热保温腔，锁阳球隔热保温腔外面是锁阳球热辐射反射层，锁阳球热辐射身射层外再裹有一层石棉、耐高温布类的柔性隔热材料一一中心吸热球体隔热保温层。在锁阳球隔热保温层与锁阳球热辐射反射层中间， 即在锁阳球隔热腔中局部地方，垫有少量由隔热材料做成的——锁阳球隔热联结体，以便将中心吸热球体隔热保温层、锁阳球热辐射反射层、锁阳球隔热保温层、锁阳球热交换介质管道层、锁阳球等联结为一个中心吸热球体。中心吸热球体外面为，为一个中空的——中心吸热球体隔热保温腔，中心球体腔热保温腔的外面为太阳能吸热装置外壳，外壳内壁涂有一层可反射热辐射的材料——中心吸热球体热辐射反射层，太阳能吸热装置外壳外面包裹有一层石棉、耐高温布类的柔性隔热材料一一吸热装置隔热保温层。在中心吸热球体隔热保温层与中心吸热球热辐射反射层中间，即在中心吸热球体隔热保温腔中局部地方，垫有少量由隔热材料做成的——吸热装置隔热联结体，以便将吸热装置隔热保温层、吸热装置外壳、中心吸热球体热辐射反射层、中心吸热球体等连接成一个整体的吸热球体。吸热球体完全密闭并抽取其中空气后，整个吸热球体形成一个真空吸热球体。真空吸热球体瓶口有一个由透明材料制成的聚光镜——凸透镜。在真空吸热球体瓶口处的凸透镜外面，有一个真空吸热球体热辐射反射镜，该反射镜可电动控制其开启、 关闭，其内壁涂有可反射热辐射的材料——真空吸热球体执辐射反射层。吸热球体抽取空气形成真空吸热球体的主要目的，是防止吸热球体内部热量通过对流方式散失。真空吸热球外面的真空吸热球体热辐射反射镜，在自动控制装置控制下，有太阳时候开启，以便经凹面聚光镜反射聚焦后的光线通过凸透镜进入真空吸热球体内部。在没有太阳时候关闭该镜，利用该反射镜内壁上涂有的真空吸热球体执辐射反射层，将真空吸热球体通过凸透镜辐射出来的热能反射回去，起保温作用。太阳能吸热装置外壳外面的吸热装置隔热保温层，主要由石棉、耐高温布类的柔性隔热材料构成，一是防止吸热装置内部热量往外散发，起隔热保温作用，二是起到保护作用，防止外力破坏吸热装置。太阳能吸热装置外壳内壁涂有的中心吸热球体热辐射反射层，主要作用是将中心吸热球体辐射出来的热量反射回去。中心吸热球体热辐射反射层与中心球体间，通过吸热装置隔热联结体相连接，形成中心球体隔热保温腔，以通过减少二者的接触面积，来减少热传导面积，以尽量减少中心球体内热能通过传导方式传递到吸热装置外壳而产生的热能散失。中心吸热球体隔热保温层由石棉、耐高温布类的柔性隔热材料构成，主要起防止中心吸热球体内部热量往外散发，起隔热保温作用。锁阳球热辐射反射层，主要作用是将锁阳球隔热保温层辐射出来的热量反射回去，以减少中心热能散失。锁阳球隔热保温层与锁阳球热辐射反射层间，通过锁阳球隔热联结体连接起来， 形成锁阳球隔热保温腔，以通过减少二者的接触面积，来减少热传导面积，以尽量减少中心热能通过传导方式传递到锁阳球球热辐射反射层而产生的热能散失。锁阳球隔热保温层由石棉、耐高温布类的柔性隔热材料构成，主要起防止中心热量往外散发，起隔热保温作用。介质管道层的管道间空隙填充以耐高温、热传导性好、储热能力强的储热介质材质，如耐高温的硅胶、铁屑等。以便于将锁阳球的热量迅速传导到介质管道层，同时充当锁阳球收集的太阳能量存储体，提高吸热装置的蓄热能力。用导热性极差、耐高温的陶瓷等材料做成的隔热介质管道，隔热介质管道与锁阳球热交换介质管道层的管道密闭连接起来，供热交换的介质通过管道流入、流出吸热装置内部，即通过隔热介质管道将介质管道层的管道连接到吸热装置外部。隔热介质管道与吸热装置外壳相连接处应密闭连接，以便于吸热装置形成真空体。这样，尽量减少中心吸热球体热量通过介质管道层管道通过传导到吸热装置外面，同时又不会因为锁阳球的高温而损坏。预埋检测锁阳球温度传感器热电偶，供自动控制系统检测温度用。经过凹面镜反射聚焦后的太阳光光线，经过真空吸热球体瓶口处的凸透镜，由凸透镜再次聚焦后，再通过锁阳球上的射阳孔，射入锁阳球内部。由于锁阳球内壁是由具有较强的吸光能力、黑色、不透明的材料构成，锁阳球上只有一个很小的小孔一一射阳孔可供光线通过，而射阳洞的面积与锁阳球内壁总表面积相比的比例极小，锁阳球内壁对不同射入角度光线的反射方向是完全不同的，经过射阳孔射入锁阳球内的光线，除被再次反射到射阳洞内的少量光线外，绝大部份不会被再次反射到锁阳球外面去了，而是不断地、反复地被锁阳球黑色内壁反射、吸收，而每反射一次，其能量就被吸收掉一部份，光线能量逐渐减弱，直至光线能量最终被锁阳球全部吸收，最后消失。由于锁阳球内壁上的大量锁阳小洞是内凹的，射入锁阳小洞的光线大部份也不能被再次反射到锁阳小洞外面，而是通过锁阳小洞黑色内壁将光线不断、反复地反射和吸收， 进一步提高光线能量吸收效率。锁阳球吸收了太阳光能，温度达到要求数值后，通过自动控制系统，打开控制冷水等介质注入的电磁阀，冷水等从介质管道中流过，并与锁阳球进行能量交换，逐渐被加热直至达到要求温度。锁阳球温度降低到规定温度后，通过自动控制系统，关闭控制冷水等注入的电磁阀，以便锁阳球吸收太阳光能后的温度，再次达到预定温度范围。根据锁阳球温度， 通过自动控制系统，控制单位时间内注入冷水等流量，可以控制在单位时间内按规定温度上升幅度加热的介质容量。这样，就实现了销阳球与外部的热能交换。凸透镜可也可用平面透光镜代替，如用平面镜则不起聚焦作用，只是为形成真空的隔热保温腔的密闭作用。凸透镜距凹面镜的距离小于凹面镜的焦距，便于凹面镜对太阳光线再次聚焦。太阳光经由凹面镜反射聚焦后，在凸透镜处形成光斑面积，小于凸透镜的面积，以便更多太阳光线经凸透镜再次聚焦后射入锁阳球。太阳光线经由凸透镜再次聚焦后，在射阳孔处光斑面积，小于射阳孔的面积，以利于太阳光通过射阳空射入锁阳球。通过调整凹面镜与凸透镜的距离，来调整太阳光线经凹面镜反射聚焦后，在凸透镜表面形成的光斑大小。通过调整凸透镜与射阳空的距离，来调整太阳光线经射阳孔后，照射到锁阳球内壁上的光斑大小。太阳光线经过凹面镜反射、聚焦后，由凸透镜再次聚焦的主要作用是一是，减小锁阳球上射阳孔的横截面面积，以减少射入光线再通过射阳孔被反射出来，提高太阳光能收集效率。二是，由于凸透镜对光能有一定的吸收作用，其吸热后温度会上上升，这样可以扩大照射到凹面镜上光班面积，以减少凸透镜单位面积吸热的太阳光能量，同时利于凸透镜散热，以降低对凸透镜材料的耐高温要求。三是，这样可允许太阳光线经凹面镜反射聚集后的焦点位置，有一定范围的误差，同时也就降低了对太阳跟踪系统的精度要求。四是，这样一来太阳光线通过凹面镜反射聚焦后在焦点处的光斑可以更大，即减少了对凹面镜聚焦的精度要求，可以减少凹面制作难度，便于制作大面积的凹面镜。第六，因外壳厚度等原因， 原来平行的太阳光线通过透明外壳后会产生一定角度折射，因外壳厚度等原因，所有太阳光线的折射角度不可能完全一样，如果对凹面镜反射聚焦的焦点处光斑要求很小，就可能会有很多光线再经凹面镜反射后聚集不到焦点处，而光斑面积越大，汇聚到焦点光斑处的光线就越多，光斑越大，光班处能量密度就越大，就更便于解决因太阳光线通过透明外壳的折射对聚焦的影响。在完全无云的晴天，因太阳光线能量密度极大，聚焦后投射到锁阳球内壁的太阳光光斑处瞬间温度极高，而有云层时温度较低。聚焦后的太阳光线投射到锁阳球内壁的光斑面积大小，与其在锁阳球内壁瞬间形成的局部高温成比。只要控制聚焦后的太阳光线投射到锁阳球内壁的光斑面积大小，就可以控制在完全无云时聚焦后的太阳光在锁阳球内壁瞬间形成的局部高温大小，而制作锁阳球的球墨铸铁等吸热材料可耐极高的高温，对高低温反复变化适应性极强，热传导性能极好，即锁阳球不会因为瞬间的局部高温而损坏，也不会因为光斑处温度高低温反复交替变化而损坏。同时，结合控制单位时间注入的进行能量交换的冷水等介质量，就可将锁阳球的温度控制到一定范围。通过锁阳球热交换介质管道层与锁阳球进行热能交换的介质，可以用水，也可以用其他可流动的、耐高温介质材料。本发明在风力较小的地方，凹面镜直径较小的时，可以不使用抗风外壳。实施例下面，以具体实例说明本设计方案。本实例是一个抗风装置为玻璃材料制作的球形玻璃外壳，凹面镜直径为2米的， 产生高温水蒸汽的外罩型凹面镜反射聚光锁阳吸热式太阳光热能收集装置，本实例外观与结构如图沈所示。该实例的玻璃外壳直径为2. 3米，由四部份组成玻璃顶罩、玻璃、弧形壳体、活动壳体，每部分均由8MM厚普通平板玻璃，经过裁切、钻孔、加热、弯曲、钢化、粘接成形。玻璃顶罩、玻璃、弧形壳体之间通过玻璃胶粘接成一个整体，通过带弹性垫圈的螺纹连接件活动壳体与这几部分相连接成一个球形抗风外壳，相连接处缝隙用透明胶带粘接。活动壳体可以拆卸，以便维护装置。CN 102455062 A说明 书11/12 页玻璃外壳上有7个直径为25匪的通气小孔，玻璃外壳以保持内外温度一致，防止玻璃外壳内外温度不一致，导致空气中水蒸汽在外壳上结霜、起雾。整个玻璃外壳，固定在地表基座上。抗风外壳采用球形设计，可以减少建造抗风外壳所需的材料，节省成本。该实例凹面镜，直径为2米，由0. 5MM厚铝板，模压成形，并有增强整体结构强度的加强筋，凹面镜内表面平整光滑，可有效反射太阳光。该实例的吸热装置的锁阳球直径为500MM，黑色球墨铸铁浇铸、焊接成形，其内壁最薄处厚约2-3MM，内壁上内凹的锁阳洞直径60-80MM，洞深60MM，射阳孔直径为100MM。锁阳球外面，缠绕二层直径5匪的水管构成锁阳球热交换介质管道层，供与锁阳球进行热能交换的水流动，水从外层流进，经内层管理流出，水管之间的间隙由导热性好、 蓄热能力强的导热硅胶材料填充。用导热性极差、耐高温陶瓷材料做成的隔热介质管道与水管密闭连接后，以将介质管道层的水管连接到吸热装置外部，以减少热量通过水管散失。 隔热介质管道与吸热装置外壳相连接处应密闭连接，以便于吸热装置形成真空体。同时，在里面预埋供自动控制系统检测高温的传感器一一两对热偶，以便检测锁阳球温度，热电偶连接线与水管粘合成一体后，引出到吸热装置外部，供与自动控制系统电路相连接。电偶外面再包裹一层石棉、耐高温布材料构成锁阳球隔热保温层。用表面光滑的不锈钢材料制作锁阳球热辐射反射层，其外面再包裹一层石棉、耐高温布材料构成一一中心吸热球体隔热保温层。在锁阳球热辐射反射层与锁阳球隔热保温层之间，垫以隔热、耐高温的陶瓷片一一锁阳球隔热联结体，将二者连接起来构成中心吸热球体，同时形成中空的一一锁阳球隔热保温腔。用5MM厚玻璃制作通过加热、弯曲、焊接等工艺，制作成花瓶状的太阳能吸热装置为玻璃外壳。玻璃外壳内壁镀银作为中心吸热球体热辐射反射层。玻璃外壳外面包裹一层石棉、耐高温布作为整个吸热装置隔热保温层。中心吸热球体隔热保温层、中心吸热球体热辐射反射层之间，垫以隔热、耐高温的陶瓷片一一吸热装置隔热联结体，将二者连接起来构成吸热球体，同时形成中空的一一吸热球体隔热保温腔。吸热球体完全密闭并抽取其中空气后，整个吸热球体形成一个真空吸热球体。用耐高温、高透光率的玻璃，制作真空吸热球体瓶口的凸透镜，直径为250MM。用不锈钢材料制作凸透镜外面的真空吸热球体热辐射反射镜，自动控制装置，根据光敏二极管检测有无太阳光，控制旋转电机转动来带动该反射镜有太阳光时开启以便太阳光线射入吸热装置，在无太阳光时关闭以利保温。该反射镜光滑、热射能力好的内壁作为真空吸热球体执辐射反射层。将直径IOMM钢管弯曲、焊接成直径2. 1米的圆形结构，作为机械转动装置的左右旋转支架，左右旋转支架通过透明抗风外壳项部与底部的轴承固定，在水平旋转步进电机的带动下，左右旋转支架可沿轴心水平旋转。用直径IOMM的钢管加工成机械转动装置的垂直旋转轴，垂直旋转轴通过轴承沿水平方向，固定到左右旋转支架上，位置为圆形左右旋转支架正中位置。凹面镜、吸热装置固定到垂直旋转转轴上。吸热装置瓶口与凹面镜相对。将吸热装置装在垂直旋转轴与凹面镜之间，吸热装置的凸透镜距凹面镜的距离小于凹面镜的焦距，凹面镜的轴心线与垂直旋转轴相垂直、凹面镜面对垂直旋转轴，以减少因凹面镜旋转需占用的空间。在垂直旋转步进电机的带动下，垂直旋转轴可沿其轴心线旋转。固定在垂直旋转轴上的凹面镜、吸热装置，在垂直旋转轴带动下同步转动。通过普通的太阳位置检测装置，检测太阳位置并提供太阳位置信号给自动控制系统，由自动控制系统控制机械转动系统的电机旋转运动，以控制其左右旋转支架、垂直旋转轴转动，以调整凹面镜的方向。通过垂直旋转轴转动来调整凹镜的垂直方向，使凹面镜从日出到日落，始终正对太阳，以适应每天中地球表面与太阳光线间角度因地球每自转而产生的变化。中午时凹面镜面向天空方向，如图27所示。下午凹面镜面向西方向，如图观所示。通过左右旋转支架的转动来调整在凹面镜，使凹面镜每年中在左右方向上始终是正对太阳，以适应每年中地球表面与太阳光线间角度因地球围绕太阳公转而产生的变化。春季上午凹面镜方向，如图四所示。春季下午凹面镜方向，如图30所示。秋季上午凹面镜方向，如图31所示。秋季下午凹面镜方向，如图32所示。这样，通过左右旋转支架、垂直旋转轴的转动，带动凹面镜、吸热装置旋转，使凹面镜从日出到日落，始终正对太阳，使凹面镜轴心线在有日照时，每时、每刻都与太阳光线相平行，以保证太阳光始终垂直照射到凹面镜上。通过透明外壳后照射到凹面镜上的太阳光，经凹面镜反射、聚焦后，经凸透镜再次聚焦后，由射阳孔进入吸热装置中心的锁阳球，再经锁阳球、锁阳洞的内壁的不断反射、吸收，太阳光能量就不断被锁阳球吸收。自动控制装置利用预埋在吸热装置中的温度传感器，检测锁阳球的温度，并根据检测到的温度来控制冷水流入阀门的开关，控制单位时间内流入水量的大小，以便在单位时间内产生出不同产量、不同温度的蒸汽。该实例装置产生的水蒸汽，可用于生活供暖、工业供热、发电。
1权利要求
1.一种通过多次反射吸收方式实现将太阳光能以热能形式收集起来的方法，其特征在于通过凹面镜反射聚焦后的太阳光光线，经过平面镜或经过凸透镜再次聚焦后，经过不透明中空腔体上的一个小孔，射入中空腔体的内部，除少量光线通过原来进入的小孔被重新反射出来外，其余大部份光线被中空腔体黑色内壁反复地反射、吸收，而每反射一次，其能量就被吸收掉一部份，光线能量逐渐减弱，直至光线能量最终被中空腔体全部吸收后最后消失，以实现太阳光能与热能的转换和收集。
2.一种通过多次反射吸收方式实现将太阳光能以热能形式收集起来的吸热装置，其特征在于吸热装置是一个带有平面透光镜或凸透镜，内部已抽取为真空的球形腔体，腔体中心是用黑色铸铁等耐高温金属材料制作、中空的锁阳球，锁阳球内壁上有大量内凹的峰窝状小洞一锁阳洞，锁阳球上有一个供太阳光线射入的射阳孔。经碟式凹面镜反射聚焦后的太阳光线，再经过平面透光镜，或再经过凸透镜再次聚焦，通过锁阳球上的射阳孔射入锁阳球内部，除少量光线射阳孔被重新反射出来外，其余大部份光线被锁阳球、锁阳小洞的黑色内壁反复地反射、吸收，直至最后消失，以实现太阳光能与热能的转换和收集。整个装置还包括供热能交换介质流动的管道，检测温度的传器，导热、蓄热材料，隔热保温层，中空隔热腔，热辐射反射层，热能反射镜等部分。装置通过介质管道中流动介质，与外部进行热能交换。装置通过多层隔热材料构成的隔热保温层、中空隔热腔、热辐射反射层，以及热能反射镜等隔热保温措施，减少内部热能往外散失。
3.—种通过多次反射吸收方式实现将太阳光能以热能形式收集起来的吸热装置，其特征在于吸热装置是一个带有平面透光镜或凸透镜，内部已抽取为真空的管状腔体，腔体中心是用黑色铸铁等耐高温金属材料制作、中空的锁阳球，锁阳球内壁上有大量内凹的峰窝状小洞一锁阳洞，锁阳球上有一个供太阳光线射入的射阳槽。经槽式凹面镜反射聚焦后的太阳光线，再经过平面透光镜，或再经过凸透镜再次聚焦，通过锁阳球上的射阳孔射入锁阳球内部，除少量光线射阳孔被重新反射出来外，其余大部份光线被锁阳球、锁阳小洞的黑色内壁反复地反射、吸收，直至最后消失，以实现太阳光能与热能的转换和收集。整个装置还包括供热能交换介质流动的管道，检测温度的传器，导热、蓄热材料，隔热保温层，中空隔热腔，热辐射反射层，热能反射镜等部分。装置通过介质管道中流动介质，与外部进行热能交换。装置通过多层隔热材料构成的隔热保温层、中空隔热腔、热辐射反射层，以及热能反射镜等隔热保温措施，减少内部热能往外散失。
4.一种凹面镜反射聚焦太阳光热能收集装置抗风结构的设计方法，其特征在于以透明材料为外壳，构成一个密闭空间，将凹面镜反射聚焦收集太阳光热能装置放在密闭空间里中，包括凹面镜、跟踪太阳光机械转动装置、太阳光热能吸收装置等，太阳光线通过透明外壳材料照射到凹面镜上，由凹面镜反射聚焦收集太阳光热能，以静止不动的密闭空间外壳来抗风、防沙、防雨，凹面镜反射聚焦收集太阳光热能装置不再直接抗风、直接接触沙尘和雨水。
5.一种凹面镜反射聚焦太阳光热能收集装置的抗风装置，其特征在于以透明材料为外壳，构成一个密闭空间，将凹面镜反射聚焦收集太阳光热能装置放在密闭空间里中，外壳用透明玻璃、透明塑料、透明塑料薄膜等材料制作，外形为球型、斜坡屋顶型、圆形屋顶型、 半球形屋顶型等形状，外壳上有供空气流动的小孔，以使外壳内外温度一致，防止外壳起雾、结霜。
全文摘要
本发明公开了一种通过一个以铸铁、碳纤等耐高温材料制作、不透明、管状或球形的中空腔体上面的一个小孔，将凹面镜反射聚焦后的太阳光线导入中空腔的内部，太阳光线再经中空腔体内壁多次反射、吸收方式，来实现太阳光能与热能转换，以热能方式收集太阳光能的装置方法和装置，并以球型、斜坡屋顶型、圆形屋顶型、半球形屋顶型等形状透明玻璃或塑料外壳，作为凹面镜反射聚焦太阳光热能收集装置抗风体的设计方法和装置。本发明所述装置生产成本低，工艺简单，使用寿命长，维护方便。
文档编号F24J2/48GK102455062SQ20101053099
公开日2012年5月16日 申请日期2010年10月24日 优先权日2010年10月24日
发明者张先锋 申请人:张先锋