CN101029776B - 一种热管太阳能热能利用系统 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种利用透镜或反射镜等光学镜及热管技术在太阳能领域应用的技术方法，采用了一种特殊的跟踪方式，在对太阳进行跟踪的过程中保持使热管与地面保持相对静止，这样可以充分的发挥热管的优势进行吸热、传热、蓄热、换热，使系统具有高效的热能利用能力，同时可以保持低的制造及生产成本，本技术方法可以广泛的应用于太阳能的利用领域，为太阳能的更加广泛应用提供了一种低成本、高效能的技术方法。

Description

一种热管太阳能热能利用系统

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；

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，内部采用热管作为转换及传热部件，但是主要采用槽式的反射板来将太阳能收集，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，但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度的利用系统，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。

具体发明内容如下：

一种热管太阳能热能利用系统，至少一个光学镜和一个金属热管，光学镜将太阳光聚焦后直接照射到热管的蒸发端，经蒸发端将太阳能转化为热能后传递到冷凝端。

至少一个热能利用器件，热能利用器件与热管的冷凝端进行热能的交换，实现对太阳能的利用。

至少一个支撑跟踪支架，光学镜设置在支架上，通过移动、控制光学镜来实现对太阳的跟踪，使得光学镜将太阳能收集后将太阳光始终照射在热管的蒸发端，热管在光学镜运动过程中始终处于相对于地面或支撑跟踪支架的区域静止，热能利用器件设置在热管冷凝端或支撑跟踪支架之外。

采用下列结构之一，使得在光学镜运动时，使热管与地面相对静止或与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，热管2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，使热管2与地面或与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，热管2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；

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实现光学镜水平方向的旋转，同时利用动力设备，驱动光学镜支架实现光学镜垂直方向的旋转，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；

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。

还至少包括一个热能储存器件，将热能进行储存，热能储存器件被设置在建筑物内和/或地面以下。

用于储存热能的蓄热材料为至少下列一种：

导热油、固液相变材料、固固相变材料、金属、砂石颗粒。

热能利用器件为下列一种物质：

A、灶具；

B、制冷设备；

C、发电设备；

D、干燥器件；

E、散热器；

F、风机和盘管；

G、换热器；

H、热泵；

I、热水器。

热管冷凝端与热能利用器件或热能储存器件与热能利用器件的热能传递至少选择下列一种方式：

A、通过循环的一种流体进行传热，并设置有循环泵；

B、直接接触传热；

C、通过热管传热；

D、通过换热器件传热。

至少采用下列结构之一通过热管进行吸热、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；

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；

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。

热能利用器件设置在至少下列位置之一：

A、热管的冷凝端；

B、热能储存器件上；

C、经传热器件与热管的冷凝端连接的部位；

D、经传热器件与热能储存器件连接的部位。

光学镜为至少下列一种或其组合：

A、凹透镜；

B、凸透镜；

C、菲尼尔透镜；

D、反射膜；

E、在金属或玻璃上形成的镀层或涂层，对光进行反射；

F、菲尼尔反射镜；

G、高光洁度的金属板。

在热管的蒸发端设置有太阳光的黑体材料，来增加对太阳光的吸收能力，在其余部分由保温材料进行保温。

在热能储存器件四周、热管外部、传热器件外部设置有真空层，在真空层 外部设置有保温材料。

此种结构的换热元件的优点为：

1、可以实现对太阳能的中温度的利用，温度可以实现60-1200度太阳能热利用；

2、采用光学镜技术可以针对不同的温度，选取不同的焦距利用点，从而可以实现不同的温度利用；

3、采用热管技术可以将大热流密度的热能加以收集并传输，并可以实现对热流密度的不同的变化，从而利用热管对热能进行有效的传输；

4、采用蓄热系统，可以实现对热能的存储及在不同的时间的利用；

5、可以实现多种技术的利用。

附图说明

附图中数字标号的具体含义如下：

1：光学镜，2：热管，3：光学镜支架，4：热管蒸发端，5：凹凸型结构，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：太阳能利用设备(太阳灶)，22：热能储存器件(蓄热器)，23：热管传热系统，24：强制流体传热系统，25：制冷设备，26：强制流体换热系统，27：保温材料，28：可连接热管，30：脉冲热管，31：强制循环用泵，32：暖气片，33：汽轮机。

图示内容为：

图一：盘式热管手动跟踪系统

图二：盘式自动跟踪系统

图三：台型十字半自动跟踪系统

图四：盘式跟踪阵列

图五：立型十字自动跟踪系统

图六：立型十字自动跟踪阵列

图七：太阳能热能利用系统

图八：普通热管传热系统

图九：整体热管传热系统

图十：分离循环热管传热系统

图十一：可连接热管传热系统

图十二：脉冲热管传热系统。

具体实施方式

实施例一：盘式热管手动跟踪系统

采用直径为1.2米的菲尼尔透镜1，热管蒸发端直径为38MM的钢管，冷凝端为采用强制循环的流体换热系统，外部设有保温材料，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。

实施例二：盘式自动跟踪系统

对于盘式系统的自动跟踪系统，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，其热能利用部分直接采用对强制循环的流体进行加热，如对导热油、化学物质组成的流体或直接对空气进行加热26。

实施例三：台型十字半自动跟踪系统

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，热管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，热管的蒸发端直接成为循环热管、脉冲热管、分离循环热管等蒸发部分，或成为可连接热管的连接部分，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，此整体系统被安装在一个台上，故此被称为台型十字跟踪系统。

实施例四：盘式跟踪阵列

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，该系统通过整体热管传热方式进行传热，将在每一个设备上所吸收的太阳能直接经整体热管传热系统传输到蓄热换热器22中，利用蓄热换热器22中来进行制冷及 供暖，从而实现了太阳能的利。

实施例五：立型十字自动跟踪系统

采用透镜为太阳收集设备，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的小平台，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，太阳能利用设备为一个热管，热管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跟踪系统，热管的蒸发端直接成为循环热管、脉冲热管、分离循环热管等蒸发部分，或成为可连接热管的连接部分，或采用强制流体循环实现换热。

实施例六：立型十字自动跟踪阵列

本实施例实现采用立型十字跟踪系统的阵列跟踪，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方向使用一个动力设备完成驱动，太阳能利用设备-热管被设置在十字交叉处，三个热管组成为一个整体热管，通过整体热管传热系统23将热能传输到蓄热器中，将热能储存起来。

实施例七：太阳能热能利用系统

本实施例中，采用高温器及低温蓄热器，采用上述的太阳能收集跟踪系统或阵列对太阳能进行收集，经上述系统的传热将热能集中在蓄热器22中储存，蓄热器直接与高温的蓄热器相连，然后低温蓄热器，在高温蓄热器上设置有一个太阳灶，在太阳灶的底部设置有热管2，高温蓄热器、低温蓄热器通过一个脉冲循环热管系统换热，在低温的蓄热器，设置有暖气片，通过泵强制循环供暖，还设置有制冷系统，通过制冷系统实现夏季制冷，整个建筑系统采用太阳能实现供暖、制冷、热水、烹饪，在高温蓄热器上连接一个蒸汽锅炉，然后连接上蒸汽轮机33，就可以实现对太阳能的热发电，除此之外，还可以连接上其他可能的热能利用设备，从而可以实现对太阳能的综合利用。

实施例八：普通热管传热系统

采用三个盘式跟踪系统，采用强制流体换热器26与热管2进行换热，将热能直接交换到蓄热器22中，其中设置有强制循环用泵。

实施例九：整体热管传热系统

采用三个十字跟踪系统，采用整体热管传热系统23，即每一个跟踪系统上的热管的蒸发端4相互并联构成热管的蒸发端，组成一个整体的热管，其冷凝端设置在一个蓄热器22中，实现采用整体热管进行传热。

实施例十：分离循环热管传热系统

将三个盘式跟踪系统的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，其热管工作接介质经换热后成为液体，回流到每一个热管的蒸发部位，实现了热管的循环传热。

实施例十一：可连接热管传热系统

通过热管的可连接结构进行传热，将带有凹行孔的热管插入到三个十字跟踪系统的热管的冷凝端，其余部分成为一个整体热管，直接将热能传输到蓄热器上。

实施例十二：脉冲热管传热系统

将四个盘式结构的热管蒸发端进行串联成为一个循环的结构，选取间隔不同的部分连接段成为冷凝端，冷凝端设置在蒸汽锅炉中，直接产生蒸汽，此结构构成脉冲自震荡热管的结构。

Claims (11)

1.一种热管太阳能热能利用系统，包括光学镜、金属热管、热能利用器件、支撑跟踪支架和热能传输器件，其特征是：至少一个光学镜(1)和一个金属热管(2)，光学镜(1)将太阳光聚焦后直接照射到热管的蒸发端(4)，经蒸发端将太阳能转化为热能后传递到冷凝端；至少一个热能利用器件，热能利用器件与热管的冷凝端进行热能的交换，实现对太阳能的利用；至少一个支撑跟踪支架，光学镜(1)设置在支撑跟踪支架上，通过移动、控制光学镜来实现对太阳的跟踪，使得光学镜将太阳能收集后将太阳光始终照射在热管的蒸发端(4)，热管在光学镜运动过程中始终处于相对于地面或固定支撑跟踪支架的区域静止，热能利用器件设置在热管冷凝端或支撑跟踪支架之外；

采用下列构架使得在光学镜运动时，使热管与地面或固定支撑跟踪支架的区域保持相对静止；

在支撑跟踪支架(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)及其光学镜支架可以以轴(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，热管(2)设置在支撑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，使热管(2)与地面或固定支撑跟踪支架的区域保持相对静止。

2.根据权利要求1所述的热管太阳能热能利用系统，其特征是：还设置有太阳能跟踪设备，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；

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。

3.根据权利要求1所述的热管太阳能热能利用系统，其特征是：还至少包括一个热能储存器件(23)，将热能进行储存，热能储存器件被设置在建筑物内和/或地面以下。

4.根据权利要求3述的热管太阳能热能利用系统，其特征是：用于储存热能的蓄热材料为至少下列一种：导热油、固液相变材料、固固相变材料、金属、砂石颗粒。

5.根据权利要求1所述的热管太阳能热能利用系统，其特征是：热能利用器件为下列一种物质：

A、灶具(21)；

B、制冷设备(25)；

C、发电设备；

D、干燥器件；

E、风机和盘管；

F、换热器；

G、热泵；

H、热水器。

6.根据权利要求3所述的热管太阳能热能利用系统，其特征是：热管冷凝端与热能利用器件或热能储存器件与热能利用器件的热能传递至少选择下列一种方式：

A、通过循环的一种流体进行传热，并设置有循环泵；

B、直接接触传热；

C、通过换热器件传热。

7.根据权利要求6所述的热管太阳能热能利用系统，其特征是：热管至少采用下列结构之一进行吸热、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(28)：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(30)：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。

8.根据权利要求3所述的热管太阳能热能利用系统，其特征是：热能利用器件设置在至少下列位置之一：

A、热管的冷凝端(4)；

B、热能储存器件上；

C、经传热器件与热管的冷凝端连接的部位；

D、经传热器件与热能储存器件连接的部位。

9.根据权利要求1所述的热管太阳能热能利用系统，其特征是：光学镜为至少下列一种：

A、凹透镜；

B、凸透镜；

C、菲尼尔透镜；

D、反射膜；

E、菲尼尔反射镜；

F、高光洁度的金属板。

10.根据权利要求1所述的热管太阳能热能利用系统，其特征是：在热管的蒸发端设置有太阳光的黑体材料，来增加对太阳光的吸收能力，在其余部分由保温材料进行保温。

11.根据权利要求8所述的热管太阳能热能利用系统，其特征是：在热能储存器件四周、热管外部、传热器件外部设置有真空层，在真空层外部设置有保温材料。

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