CN101029775A - 光学镜热管太阳灶 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种太阳能热管太阳灶，采用透镜或反射镜等光学镜来产生高温的热能，采用热管技术进行热量的吸收、传递、交换，采用盘式跟踪或十字跟踪系统进行太阳能的收集，利用热管或强制流体循环传热实现热能的传递，同时可以采用多个盘式跟踪或多个十字跟踪系统，实现对太阳能的高温、大功率的高效应用，采用蓄热器进行热能的储存，从而太阳能的利用，特别是太阳能的中高温的应用，提供了切实可行的技术方法。

Description

光学镜热管太阳灶

技术领域

本发明涉及太阳能的热利用，包括利用太阳能进行供暖、热水、烹饪、发电、制冷、干燥，特别是太阳能的中高温度的利用。

背景技术

太阳能的应用技术已经成熟，主要在于太阳能的热水，采用真空玻璃管技术进行吸热后加以利用，在此种应用中，有采用将热管插入到真空玻璃管内部将热量传递到外部获得太阳能的技术，但此种技术是将热管作为真空玻璃管转化太阳能为热能后的传热部件，而不是将热管作为太阳能转化部件；在太阳能的热发电系统中，对于槽式发电系统，内部采用热管最为转换及传热部件，但是主要采用槽式的反射板来讲太阳能收集，而不是采用光学镜的原理对太阳能进行采集及利用。

现有的对太阳能的中高温度的利用的太阳灶，主要采用反射板对太阳进行反射，将太阳能直接聚焦到一个灶具上，实现对太阳能的利用，在此种技术没有办法对太阳能进行收集以便于夜间及阴雨天应用，更不可能对其进一步的其他方式的应用；除此之外，现有的技术太阳能中高温的发电技术，主要是采用塔式、槽式、及盘式，槽式系统中敬爱能够反射板制造为一个槽，在其中间采用热管进行热量的收集，但没有采用光学镜进行对太阳能的收集，在盘式系统中也没有采用热管技术。

随着光学镜技术的发展，可以采用普通的光学镜或菲涅尔光学镜对太阳能进行收集，特别是对于太阳能的中高温的利用，如果不能将太阳能进行收集聚焦，就不能实现中高温的太阳能的利用，但是，有光学镜技术将太阳能进行收集后，将产生很高的热流密度，采用普通的传热材料进行转换将无法实现高热流密度的热能的传递，因此，将光学镜技术和热管技术结合来利用太阳能，将可以实现对太阳能的中高温度的利用。

发明内容

本发明的目的就是提供一种太阳能的中高温的应用系统，采用光学镜将太阳能的热流密度增加，采用热管对高热流密度的热量进行传递，从而实现对太阳能的中高温度的利用。同时为了保持太阳能的夜间或阴天使用，设置了蓄热装置来对热能进行储存，采用了传热装置对热能进行传递，采用了多种利用装置对热能进行利用，如制冷、直接供暖及采用热泵技术供暖、烹饪、干燥、发电等，这样可以实现全方位的利用太阳能来实现能量的供给。

本发明专利是利用光学镜作为太阳能的采集部分，特别是采用菲尼尔光学镜作为太阳能的采集单元，采用热管技术作为传热转换部分，将高热流密度的热能转化为高温的液体的热能，优选导热油为传热及热能储存材料。

具体发明内容如下

光学镜热管太阳灶，含有至少一个光学镜(1)和一个热管(2)，光学镜(1)将太阳光聚焦后直接照射到热管的蒸发部位(4)，经蒸发部位将太阳能转化为热能后传递到冷凝部位，在冷凝部位设置有灶(21)、换热器件、蓄热器(22)，光学镜(1)设置在跟踪支架上，热管(2)设置在支架上，在跟踪支架跟踪太阳运动的过程中，热管与地面或支架固定部位保持相对静止；

蓄热器中设置有蓄热材料，将热能进行储存；

光学镜(1)将太阳光照射在热管的蒸发端(4)，热管冷凝端、蓄热器(22)、

太阳灶(21)台之间采用下列一种进行热能交换：

A、利用流体强制循环换热的器件；

B、热管换热器件；

C、换热器直接换热；

采用下结构之一通过利用热管进行吸热、传热、换热：

A、普通热管：其蒸发端直接进行对太阳能的接收，冷凝端与一个强制循环流动的流体进行换热；

B、整体热管：将多个光学镜对应的不同的热管的太阳能吸热部分相互并联到一个垂直的管道上，组成为整体热管的蒸发端，其共同拥有一个冷凝端，冷凝端蓄热器和/或蒸汽锅炉连接，将热能进行储存或直接用于产生蒸汽；

C、分离式循环热管：将多个光学镜对应的不同的热管的太阳能吸热部分进行串联，组成为一个共同热管的蒸发端，其共同拥有一个冷凝端，冷凝端蓄热器和/或蒸汽锅炉连接，将热能进行储存或直接用于产生蒸汽；

D、可连接热管：通过热管的可连接结构将热管进行连接，构成热管的体系；

F、脉冲热管：将热管进行串联，选取不同的连接段成为冷凝端，构成脉冲自震荡热管的结构；

采用下列结构之一，使得在光学镜运动时，使太阳灶与地面相对静止或固定跟踪支架的区域保持相对静止；

A、在跟踪支架(7)上与地面相垂直的部分上设置有一个可以沿水平方向转动的轴(6)，在轴(6)上连接有一个光学镜支架(3)，光学镜(1)设置在光学镜支架上，光学镜(1)及其支架可以以轴(6)为圆心进行水平旋转，同时，光学镜还可以以轴与光学镜支架的联结点为圆心，以光学镜支架为半径垂直旋转，太阳灶热管蒸发端(4)或热管蒸发端设置在跟踪支架上的转动轴(6)的上端或下端，在光学镜跟踪太阳转动时，使太阳灶热管蒸发端(4)或热管蒸发端与地面或固定跟踪支架的区域保持相对静止，此种结构称为转盘跟踪结构；

B、至少有一个平行轴(19)与地球自转轴平行，光学镜(1)安装在此轴上，并可以沿此平行轴与地球自转相同的角度转动，还设置有一个与平行轴相垂直的垂直轴(20)，平行轴和垂直轴相互交叉，平行轴和/或垂直轴安装在支架上，太阳灶热管蒸发端(4)或热管蒸发端在两个相互垂直轴的交点或其附近，在光学镜跟踪太阳的过程中，使得光学镜的焦点始终处于两个轴的交叉区域，此种结构成为十字跟踪结构；

光学镜将太阳光聚焦后照射到热管端，但热管可以采用三种类型，一种直接连接热管太阳灶，热管和太阳灶成为一个整体，蒸发端吸收热能后直接传递到热管的冷凝端，即使太阳灶的部分，第二种是一个热管，其冷凝端通过一个强制循环的流体将热能再传送到蓄热器或远处的太阳灶上，第三种是一个与远处的太阳造或蓄热器成为一体的热管系统，如循环热管、整体热管，通过热管来实现传热及热能利用；

对于转盘跟踪结构或十字跟踪结构，还设置有太阳能跟踪设备，太阳能跟踪设备选自下列一种：

对于盘式跟踪结构，采用的跟踪方法为：

采用动力装置，驱动转动轴(6)实现水平方向的旋转，同时利用动力设备，驱动垂直旋转，来实现对太阳能的跟踪；

对于十字跟踪结构，采用的跟踪方法为：

采用动力装置，驱动平行轴(19)转动，实现对于地球自转的跟踪，同时利用动力设备，驱动垂直轴(20)旋转，来实现对太阳能的高度变化的跟踪；

所采用的动力装置，选自下列之一：

A、机械发条、弹簧、系列孔(17)跟踪；

B、通过密闭在一个空间的物质，随着温度的增大使其压力的增大，来推动运动机构，实现跟踪，称为相变驱动装置；

上述A、B两种跟踪不需要耗费电能，成为无电驱动；

C、通过固定时间的运动，利用电能带动电机驱动齿轮机构(11)、链条机构来实现跟踪；

D、通过电或光的传感器(8、9)的信号，通过比较不同部位的太阳能转化器件的电流、电压值和/或光亮度值，由计算机或单片机来调整电机(10)的运动实现的跟踪；

上述C、D两种跟踪需要耗费电能，成为耗电驱动

热管太阳灶为至少含有一个凹和/或凸形结构(5)的热管，在凹形结构上设置有保温盖(27)，在应用时将炊具直接放置到凹孔和/或凸台上中进行烹饪，和/或将水直接加入到凹槽中，进行加热。

灶设置在蓄热材料壳体上的至少一个凹形结构，在凹形结构上设置有保温盖，在应用时将炊具直接放置到凹孔中进行烹饪，和/或将水直接加入到凹槽中，进行加热。

在凹形槽下面还设置有至少一个热管，将蓄热材料的热能传输到凹槽中；

在凹槽内设置有一个连接外部的管道，在管道的外部安装有开关，用于将液体物质直接加热后从管道外流出；

热能储存器件被设置在建筑物内(帐篷)或地面以下；

在热管、蓄热材料外部设置有保温材料，对于高温保温材料，设置有至少一层真空层，在真空层外部设置有普通保温材料；

图中说明：

1：光学镜，2：热管，3：光学镜支架，4：热管蒸发端，5：凹型结构，6：水平转动轴，7：支架，8：X方向传感器，9：Y方向传感器，10：电机，11：蜗轮、齿轮机构，12：垂直交叉轴，13：公共平台，14：共同驱动设备，15：肋片，16：热转换材料，18：配重，19：平行轴，20：垂直轴，21：太阳灶，22：蓄热设备，23：整体热管传热系统，24：强制流体传热系统，25：保温材料，26：连接外部管件，27：保温盖，28：真空保温层，29：循环热管；

下面结合图示详细说明如下：

图1：盘式热管手动太阳灶

图2：盘式热管自动跟踪太阳灶

图3：台型十字半自动跟踪太阳灶

图4：盘式阵列太阳灶

图5：立型十字自动跟踪太阳灶

图6：立型十字阵列太阳灶

图7：蓄热器及灶台

具体实施方式：

实施例一：盘式热管手动太阳灶

采用直径为1.2米的菲尼尔透镜(1)一个，热管太阳灶(21)的蒸发端为直径为38MM的热管，其冷凝端为一个凹形(5)的槽，在其周围有保温材料(25)，在其底部设置有一个连接外部的管道(26)，管道上设置有开关，以便液体流出；此太阳灶采用手动跟踪方式，旋转轴(6)做水平的旋转，调整系列孔(17)来调整高度，间断或同时的旋转轴以系列孔，来实现对太阳的跟踪，在光学镜及配重在沿轴转动过程中，热管太阳灶相对于地面静止，此种结构有效的实现了对太阳能的跟踪；

实施例二：盘式热管自动跟踪太阳灶

有自动跟踪系统的盘式太阳灶，太阳灶同样采用热管太阳灶结构，同实施例一，其跟踪系统采用在水平转动轴(6)上加工上一个弧形的齿轮，利用电机(10)来作为动力，采用蜗轮结构连接，实现对水平轴的驱动，采用在光学镜支架上安装一个弧形的齿轮，同样采用蜗轮结构连接，实现高度方向的驱动，此电极固定在轴(6)上，并与轴同时旋转；

实施例三：台型十字半自动跟踪太阳灶

台型十字半自动跟踪太阳灶，其灶的结构与实施例一相同，光学镜采用四边型的菲尼尔透镜3，将其固定在一个相互垂直的轴上12，形成一个漏斗的结构，太阳灶的热管蒸发端设置在两个轴的交叉的区域，在其蒸发端4设置有热能利用材料，在透镜上设置有四个传感器，X方向和Y方向各有两个传感器，通过比较不同方向的传感器的值来对透镜进行调整，通过齿轮机构11来实现对X方向轴调整和控制，采用电机作为驱动部件，其Y方向采用手动跟踪，此整体系统被安装在一个台上，故此被称为十字半自动跟踪太阳灶跟踪系统；

实施例四：盘式阵列太阳灶

将四个转盘型的太阳能跟踪设备组合成为一个阵列，采用直径为1.2米菲尼尔透镜，其功率可以达到1000W，四个透镜可以达到4000W，该阵列共同设置在平台13上，每行有两个转盘型跟踪器，共同采用电机10作为驱动使转盘沿水平方向旋转，在每个轴上设置有一个电机，通过蜗轮机构实现对太阳的高度跟踪，通过不断的调整水平方向及高度方向实现了太阳能的跟踪利用，该系统通过热管进行吸热，并经整体热管传热系统23，将在每一个设备上所吸收的太阳能直接经热管传热系统传输到蓄热器22中，利用蓄热器再与太阳能利用设备进行，从而实现了太阳能的利用；

实施例五：立型十字自动跟踪太阳灶

立型十字自动跟踪太阳灶，其太阳灶采用与实施例一相同的结构，采用透镜为太阳能利用设备，透镜被安装在与地球自转轴平行的平行轴(20)上，光学镜可以沿平行轴转动，在平行轴上，设置有垂直轴(20)，平行轴和垂直轴相互交叉(12)，在平行轴上设置有一个与平行轴成为一体小平台，平行轴的驱动系统安装在平台上，可以驱动平行轴转动，垂直轴的驱动装置安装在支架上，利用蜗轮杠杆结构实现对垂直轴的驱动，太阳灶热管的冷凝端被安装在交叉轴上方，在整个跟踪系统跟踪的过程中，热管保持不动，此系统被安装在一个立式的支架上，因而被称为立型十字自动跟踪太阳灶；

实施例六：立型十字阵列太阳灶

立型十字阵列太阳灶，将三个十字型跟踪系统并列设置在一个区域，光学透镜安装在平行轴(19)上，三个平行轴通过一个电机为动力设备，采用蜗轮杠杆为连接机构，实现三个光学镜被一个动力设备驱动，在高度方向上，采用一个齿轮机构，同样采用一个电机为驱动动力，将将三个光学镜的高度使用一个动力设备完成驱动，太阳灶由热管由三个蒸发端，被设置在三个十字轴交叉处，三个热管蒸发端组成为一个整体热管(23)，通过整体热管(23)将热能传输到太阳灶(21)上，实现热能的利用。

实施例七：蓄热器及灶台

蓄热器及灶台，含有连个灶台，采用一个盘式跟踪系统(图中透镜与图一项同，故省略)，其蓄热器采用导热油作为蓄热材料，其四周设置有真空保温层(28)，热管蒸发端与蓄热器中的热管冷凝端共同构成一个循环热管，通过循环热管将太阳能吸收的热能自动的传输到蓄热器中，不需要泵来传递，在不需要热量时，可以将光学镜的焦距处于热管蒸发端之外，而其，可以将蓄热器及灶具安装在室内，这样可以在室内24小时的应用太阳能，使得太阳能真正成为一个可以全天候使用的灶具，如果需要增大蓄热时间，只需要把蓄热材料增多即可。

Claims (11)

1、一种光学镜热管太阳灶，包括光学镜、热管、跟踪支撑机构、蓄热器、灶组成，其特征是：含有至少一个光学镜(1)和一个热管(2)，光学镜(1)将太阳光聚焦后直接照射到热管的蒸发部位(4)，经蒸发部位将太阳能转化为热能后传递到冷凝部位，在冷凝部位设置有灶(21)、换热器件、蓄热器(22)，光学镜(1)设置在跟踪支架上，热管(2)设置在支架上，在跟踪支架跟踪太阳运动的过程中，热管与地面或支架固定部位保持相对静止。

2、根据权利要求1所述的光学镜热管太阳灶，其特征是：蓄热器(22)中设置有蓄热材料(30)，将热能进行储存。

3、根据权利要求1所述的光学镜热管太阳灶，其特征是：光学镜(1)将太阳光照射在热管的蒸发端(4)，热管冷凝端、蓄热器(22)、太阳灶(21)台之间采用下列一种进行热能交换：

A、利用流体强制循环换热的器件；

B、热管换热器件；

C、换热器直接换热。

4、根据权利要求3所述的光学镜热管太阳灶，其特征是：采用下结构之一通过利用热管进行吸热、传热、换热：

A、普通热管：其蒸发端直接进行对太阳能的接收，冷凝端与一个强制循环流动的流体进行换热；

B、整体热管(23)：将多个光学镜对应的不同的热管的太阳能吸热部分相互并联到一个垂直的管道上，组成为整体热管的蒸发端，其共同拥有一个冷凝端；

C、分离式循环热管(29)：将多个光学镜对应的不同的热管的太阳能吸热部分进行串联，组成为一个共同热管的蒸发端，其共同拥有一个冷凝端；

D、可连接热管：通过热管的可连接结构将热管进行连接，构成热管的体系；

F、脉冲热管：将热管进行串联，选取不同的连接段成为冷凝端，构成脉冲自震荡热管的结构。

5、根据权利要求1所述的光学镜热管太阳灶，其特征是：采用下列结构之一，使得在光学镜运动时，使太阳灶与地面相对静止或固定跟踪支架的区域保持相对静止；

A、在跟踪支架(7)上与地面相垂直的部分上设置有一个可以沿水平方向转动的轴(6)，在轴(6)上连接有一个光学镜支架(3)，光学镜(1)设置在光学镜支架上，光学镜(1)及其支架可以以轴(6)为圆心进行水平旋转，同时，光学镜还可以以轴与光学镜支架的联结点为圆心，以光学镜支架为半径垂直旋转，太阳灶热管蒸发端(4)或热管的蒸发端(4)设置在跟踪支架上的转动轴(6)的上端或下端，在光学镜跟踪太阳转动时，使太阳灶热管蒸发端(4)或热管与地面或固定跟踪支架的区域保持相对静止，此种结构称为转盘跟踪结构；

B、至少有一个平行轴(19)与地球自转轴平行，光学镜(1)安装在此轴上，并可以沿此平行轴与地球自转相同的角度转动，还设置有一个与平行轴相垂直的垂直轴(20)，平行轴和垂直轴相互交叉，平行轴和/或垂直轴安装在支架上，太阳灶热管蒸发端(4)或热管蒸发端(21)设置在两个相互垂直轴的交点或其附近，在光学镜跟踪太阳的过程中，使得光学镜的焦点始终处于两个轴的交叉区域，此种结构成为十字跟踪结构。

6、根据权利要求5所述的光学镜热管太阳灶，其特征是：对于转盘跟踪结构或十字跟踪结构，还设置有太阳能跟踪设备，太阳能跟踪设备选自下列一种：

对于盘式跟踪结构，采用的跟踪方法为：

采用动力装置，驱动转动轴(6)实现水平方向的旋转，同时利用动力设备，驱动垂直旋转，来实现对太阳能的跟踪；

对于十字跟踪结构，采用的跟踪方法为：

采用动力装置，驱动平行轴(19)转动，实现对于地球自转的跟踪，同时利用动力设备，驱动垂直轴(20)旋转，来实现对太阳能的高度变化的跟踪；

所采用的动力装置，选自下列之一：

A、机械发条、弹簧、系列孔(17)跟踪；

B、通过密闭在一个空间的物质，随着温度的增大使其压力的增大，来推动运动机构，实现跟踪，称为相变驱动装置；

上述A、B两种跟踪不需要耗费电能，成为无电驱动；

C、通过固定时间的运动，利用电能带动电机驱动齿轮机构(11)、链条机构来实现跟踪；

D、通过电或光的传感器(8、9)的信号，通过比较不同部位的太阳能转化器件的电流、电压值和/或光亮度值，由计算机或单片机来调整电机(10)的运动实现的跟踪；

上述C、D两种跟踪需要耗费电能，成为耗电驱动。

7、根据权利要求1所述的光学镜热管太阳灶，其特征是：热管太阳灶为至少含有一个凹和/或凸形结构(5)的热管，在凹形结构上设置有保温盖(27)，在应用时将炊具直接放置到凹孔和/或凸台上中进行烹饪，和/或将水直接加入到凹槽中，进行加热。

8、根据权利要求7所述的光学镜热管太阳灶，其特征是：在凹形槽下面还设置有至少一个热管(2)，将蓄热材料的热能传输到凹槽中。

9、根据权利要求8所述的光学镜热管太阳灶，其特征是：在凹槽内设置有一个连接外部的管道(26)，在管道的外部安装有开关，用于将液体物质直接加热后从管道外流出。

10、根据权利要求2所述的光学镜热管太阳灶，其特征是：热能储存器件被设置在建筑物内(帐篷)或地面以下。

11、根据权利要求1所述的光学镜热管太阳灶，其特征是：在热管(2)、蓄热材料外部设置有保温材料(25)，对于高温保温材料，设置有至少一层保温真空层(28)，在真空层外部设置有普通保温材料(25)。

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