专利名称：新型聚光式利用太阳能的装置的制作方法
此发明属于能源领域。
据《知识就是力量》‘96年第6期《当今世界的能源问题》一文记载“地球每年所接受的太阳能至少有6×1017千瓦时，这相当于74万亿吨标准煤的能量”。“开发利用太阳能有两个关键性问题，一是如何提高太阳能的转换效率。二是降低成本。”“美国推出的新型太阳能接收器，其热能转换率可达90％”。
据《国外科技动态》95年第4期《光电屋顶》一文介绍“阳光里蕴藏着大量待开发的能量，晴天里一块3平方英尺的面积可接受约1000瓦的太阳能”。
据《科技新时代》’96年第7期《太阳能发电住宅》中介绍“光电池的发电成本为每千瓦时30美分，而普遍美国家庭电网的电费仅为每千瓦时8美分。”“光电池板越热电压越低，利用效率也就低了。”据《科学画报》’93年第8期《超级太阳炉》中介绍根据成像原理而设计的聚光镜有两个实际问题，一是聚光度远低于理论极限，另一个是要有阳光跟踪装置，可是此装置比较笨重，安装维修又麻烦。
为了有效利用太阳能，降低发电成本，简化跟踪太阳的设备，使太阳能利用更迅速普及，特发明此装置。
此发明的主要原理是利用凹槽镜聚光聚热到真空采光集热管上，并由集热管中的传热介质(液体)将热能传出后进行有效利用。
我们都知道反射面是球面的一部分的叫做凹面镜，用球面内表面作反射面的叫做凹镜。在这里我们不用凹镜，而是用叫凹槽镜的东西。所谓凹槽镜就是沿圆柱母线把一个圆柱的侧面分为若干部分，我们用其中某一部分内表面作反射面的叫凹槽镜(如图1)圆柱体的高等于凹槽镜的长。圆柱底面的一部分圆弧叫凹槽镜的弧，弧上的弦叫凹槽镜的宽。圆柱体的底面也做凹槽镜的侧面。通过凹槽镜弧上的中心点P的母线叫凹槽镜的顶线。由顶线和圆柱圆心轴组成的平面叫主光轴面。平行于主光轴面射向凹槽镜的平行光线(如阳光)被反射后，聚成一段和凹槽镜一样长的焦线。焦线和顶线组成平行四边行的上下底边，其底角跟该光线(阳光)的倾斜角度相等。焦线到顶线的距离f(也就是平行四边形的高)等于圆柱底面半径R的一半，即f＝1/2R。
根据以上情况，我们找一个比焦线稍长的真空采光集热管，把它放在凹槽镜焦线的位置上。这样凹槽镜反射聚集的太阳光热便传到集热管内的传热介质里。但太阳并非静止不动的。它不仅在东西方向转动，而且在南北方向上也移动。对于一天中太阳的转动，只要我们控制一种方向就行了。假如我们控制凹槽镜在东西方向上跟踪太阳。这样太阳光一天中虽有南北方向移动现象，但也会始终跟凹槽镜的主光轴面平行，并聚成一段直线即焦线；并且该焦线随太阳的南北移动，也出现北南移动现象，也就是说平行四边形底角也在发生变化。但却不影响焦距。这样我们就可将按装在焦线上的真空采光集热管固定，控制凹槽镜绕集热管转动即可。这样就有利于大规模按装；跟踪系统也简化了很多。
当太阳刚升起来的时候，控制系统就得控制凹槽镜对着太阳。这种情况下，我们就必须得把凹槽镜抬高，同时得用一个力来支持凹槽镜，不让其下坠。随着太阳的升高，凹槽镜逐步下转，到中午时凹槽镜自然放落。只有这时才无需其它力来支持。到中午以后，太阳逐步西落，凹槽镜逐步升高抬起。这样我们如果要用一个力来支持凹槽镜，那么就会使控制系统多消耗能量。为此我们利用杠杆原理，在支点的上方适当的地方加上一个适当的重量，来达到和凹槽镜平衡的目的。这个支点可选择在焦点处。因此我们稍加外力克服了转动凹槽镜时的磨擦力即可达到控制的目的。这样也很有利于集中统一控制。
新型聚光式利用太阳的结构(如图2)主要分六大部分(1)凹槽镜阵列。(2)真空采光集热管系统。(3)支架及底座。(4)控制系统。(5)发电及利用系统。(6)循环系统。
(1)、凹槽镜镜阵列。它由若干个方向一致的凹槽镜组成。单个凹槽镜由金属镀层反光镜或玻璃反光镜制成。当然也可以由其它反光材料制成(如可以用泡沫塑料做底衬，上面贴上一层较硬较平顺滑的反光纸等)。凹槽镜是可动部分。在其侧面上按有两侧架。在侧架上各有一圆环带。它是以焦线为中心轴的圆环带。通过侧架上的圆环带把凹槽镜和支架连在一起，并能使得凹槽镜绕真空采光集热管转动。
(2)、真空采光集热管它由真空玻璃管和集热管及传热介质组成。其中真空玻璃管由两层玻璃组成，中间夹得是真空。为了便于按装维修、更换，玻璃管由两瓣胶结而成(如图3)。集热管由中空的金属管等管状材料连结焊接成管网系统。集热管在凹槽镜焦线处，由真空玻璃管包围。在其它地方由其它绝热材料包围。集热管内充填传热液，传热液可选用汽车上用的防冻液或其它材料。传热液由泵带动加快流动速率。真空玻璃管和集热管分别按装在支架上。
(3)、支架及基座。它们是用来支承凹槽镜和固定采光集热管的。支架由钢筋水泥杆或钢管构成，基座由水泥构成。支架按在基座上呈“八”字形。在八字形顶端是用螺栓及顶夹板将两根钢筋水泥杆连接稳固的。在顶夹板的上方，还有用来固定集热管和真空玻璃管的(如图4)零件。在距八字形支架顶端r(圆环带半径)的地方还按有两个扣件，每个扣件上有两个小轮(如图5)。此两小轮正好夹紧按在凹槽镜侧面上的圆环带。在夹轮的底根部还有两个和两小轮垂直放置的两个滑轮，其主要是用来减小凹槽镜和扣件的滑动摩擦而设置的，一个凹槽镜两边有两个支架支承，每个支架上按有两个扣件，每个扣件上按有两个夹轮，一个凹槽镜共有8个夹轮，它们一同夹紧圆环带，并使得凹槽镜只得通过圆环带的转动轨迹绕真空采光集热管转动。
(4)、控制系统。(如图6)它是用来控制凹槽镜随太阳转动的。重力平衡装置可按装在某一些凹槽镜上。无需每一个都按。但也可以选用每一个都按的。总之可视具体情况而定。对于一些地区如山区，控制系统也相应复杂一些。控制系统主要由A信息源B动力系统C传动系统等组成，其中信息源是提供信息的部分。可以由人来提供信息，也可以由按在凹槽镜顶线适应地方的感光传感器来提供信息。当太阳光线和主光轴面平行时(即焦线影射在顶线上时)感光传感器被真空采光集热管把光线挡住；当太阳再转动一小角度时，和主光轴面不平行时，就照在顶线的感光传感器，这时自动通上电源，接通动力系统中的电机。其中动力系统主要有电源、电动机、及变速齿轮等组成。一般情况下应为左右两组。传动系统是由一个传动绳和圆环带上的伸出杆及伸出杆滑轮组成。整个系统开始由人员和传感器提供信息开启电动机和变速齿轮，带动传动绳连动伸出杆，最后带动凹槽镜转动。
如果是在地理条件较好的平原，沙漠、草原、海洋等地区，无论在多少纬度。我们都可以在按装凹槽镜阵列时，让真空采光集热管和地球的地轴平行，只有这时我们才能用一个动力大一些的时钟来控制让凹槽镜每个小时转动15°角(即一个时区)，从而跟踪太阳。此种方式一般适用于小规模按装(如在房顶上或院子里)比较适合开发家用式聚光式利用太阳能装置，用来烧水，做饭、提取纯净水或冬季供暖。如果我们按装凹槽镜时，让真空采光集热管和地球的地轴垂直，那么我们就得控制凹槽镜每天转动23.4°。并且使凹槽镜每年的移动轨迹打46.67°的来回。
总之，和地轴平行放置适应于低纬度地区，和地轴垂直适应于中、高纬度地区。
(5)、发电及利用系统发电系统主要由蒸发器、汽轮机、发电机等组成，其中蒸发器主要接收传热液从集热管传来的热量。传热液流过蒸发器后再由循环泵压入真空采光集热管接收凹镜槽聚集的能量，如此循环。通过热交换将水变为蒸气，击汽轮机，带动发电机发电。如果是用来集中供热的，那么集热管流过热水器即可。如果是提纯净水的蒸发后冷却即可。此外我们可通过其它装置将热能直接转换成电能。总之可视具体情况而定。
(6)循环系统其主要由循环泵、传热液输送管、传热液回流管等组成，输送管和回流管相对较粗，外围包一层绝热材料，也可以把它们埋入地下。
以上6点谈了谈聚光式利用太阳能装置的基本结构及原理。下面再谈谈此发明的有益效果。
和现存太阳能电池相比较，用此装置进行发电，主要具有成本低的优点。还有不受温度高的影响，发出的电为交流电。如果将此装置发出来的电和现有电网并联的话，那么就能减轻太阳能受天气阴晴和昼夜变化的缺陷。并且由于此发明采用跟踪太阳装置，故一平方米的凹槽镜(长×宽)，往往可以利用地球表面1.5平方米面积的太阳光热能。和现有的太阳能热水器相比，此装置不仅能热水，而且还可以做饭、供热、提取纯净水等。并且成本较低，热利用效率较高。和现有的火电厂、核电厂相比，此装置无需燃料，也不污染环境，并且取之不尽，用之不竭。
(图1)中，直线AA′为凹槽镜的长。直线AB为凹槽镜的宽。直线PP′为凹槽镜的顶线。直线CC′为圆柱形的圆心轴。直线FF′为凹槽镜的焦线。
(图2)中(1)为凹槽镜。(2)为真空采光集热管。(3)为侧架。(4)为侧架上的圆环带。(5)为支架。(6)为基座。(7)为重力平衡物体。(8)为传动绳。(9)为伸出杆。(10)为伸出杆滑轮。(11)为电动机或电子钟。(12)转热液回流管。(13)为蒸发器。(14)为汽轮机。(15)为发电机。
(图3)中A左和A右为真空玻璃管的两外围玻璃圈，B左和B右为两内围玻璃圈。C左和C右为两真空空间。D为集热管。(图4)中(1)为绝热密封体。(2)为紧固螺栓。(3)为顶夹件主体。(4)为集热管夹子。(5)为真空玻璃管夹子。(图5)中(1)为扣件主体。(2)为夹轮。(4)为圆环带。(5)为螺栓。(6)为支架杆。(7)为滑轮(图6)中(1)为凹槽镜。(2)为圆环带。(3)为重力平衡体。(4)为传动绳。(5)为电动机或电子钟。(6)为感光传感器。(7)人工信息源。(8)为信息选择系。
此发明主要由一些便宜的材料构成，只要有资金，就可以组织一些热力学专家和机械专家根据规模进行最佳设计，来组建一座太阳能发电厂。设计好凹槽镜的长、宽和焦距后，即可和制镜厂或电镀厂定做凹槽镜。设计好真空玻璃管后和玻璃厂(或保温瓶厂)定做好玻璃管。再按设计要求购些金属管材，和一般五金厂制好凹槽镜侧架、顶夹件和扣件及夹轮(夹轮可选用自行车脚踏板，只把脚踏板改为“踏”轮即可)，再用水泥修好基座，用顶夹件按装好支架，再把侧架和凹槽镜组装好。用扣件把组装好的凹槽镜按装在支架上，再把金属管焊接或连接在顶夹件上方并固定好，再用粘结胶把两瓣真空玻璃按装在顶夹件两肩处，包围住金属集热管。在两真空玻璃之间用绝热材料嵌满。最后通过支架上的顶夹件和扣件调整好凹槽镜的位置，通过伸出杆和传动绳的连接调整好控制系统，(并在运行时也可能调整)使全部凹槽统一协调一致地跟踪太阳转动。再购好传热介质。然后参照核电站的蒸气发生器，制造建设好太阳能发电的蒸发器，购买按装好汽轮机、发电机，再修建一个变电站，就可以投入运行使用并网发电了。
权利要求
1.要求一种新型聚光式利用太阳能进行发电、集中供热、提取纯净水等的装置。其特征是人工或自动化控制的随太阳单方向转动的凹槽镜，把太阳光聚集到静止固定的真空采光集热管上，由集热管中的传热介质将其在凹槽镜采光集热管中收集的太阳热能传出后进行有效利用。
2.要求如特征1所述的凹槽镜，在凹槽镜的两侧面各按有一个以焦线为中心轴的圆环带，以便能使凹槽镜沿圆环带的运动轨迹绕真空采光集热管跟踪太阳转动。
3.要求如特征1所述的真空采光集热管，其最外围的真空玻璃管分两层玻璃，中间夹得是真空，沿玻璃管的长度又分为两瓣，由左右两瓣粘结而成，以便按装与维修。
4.要求如特征1所述的控制系统中，在其中有一辅助装置叫重力平衡装置(平衡体)，它是根据杆杠原理来平衡转动凹槽镜时，凹槽镜产生的重力而设置的。
5.要求如特征1所述的装置，还有一种控制办法，就是只要让其真空采光集热管按装得和地球的地轴平行时，我们就可以用动力大一些的时钟来控制凹槽镜每小时转动15°角(也是一个时区)从而跟踪太阳。
6.要求如特征1所述的人工或自动化控制，可以是通过控制绳来集中统一控制凹槽镜阵列转动的。
7.要求如特征1所述的凹槽镜单方向转动，是指只受按装在支架上夹轮的指控在一个固定方向内的转动。
全文摘要
此发明属于能源领域。它的主要技术特征是:利用人工或自动化控制的凹槽镜(1)随太阳单方向转动,把阳光聚集到固定静止不动的真空采光集热管上(2)由集热管里的传热介质将热能传出后进行有效利用。如可以进行发电、集中供热、提取纯净水等。此装置同时又采用了重力平衡装置(9),这样就更易于集中统一控制了。此装置主要由一些便宜的材料构成,成本低,不污染环境。如果用来发电,完全可以战胜现存的火电厂、核电厂,成为能源领域的佼佼者。
文档编号F24J2/07GK1173620SQ97112620
公开日1998年2月18日 申请日期1997年6月10日 优先权日1997年6月10日
发明者温毅 申请人:温毅