CN101071001A - 球形充水式免跟踪太阳热能聚收器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种球形充水式免跟踪太阳热能聚收装置。支架上的透明球壳充满水成为水球。水箱位于水球一侧，水箱两端分别装有水位控制阀和热(沸)水阀，上部装有蒸汽阀，下部装有冷热水上下循环的三叉管。双层弧形真空吸热管固定于水球外下方并与日轨面共面，其内管内弧壁面半径及到球心的距离均等于水球聚光焦距，两管口通过保温导管分别与水箱下方三叉管连通。投射在水球上的太阳光热通过水球体折射聚光集热后，形成高温焦斑聚射在内管的内弧壁面上。当太阳移动时，因水球体聚焦半径不变，高温焦斑虽旋移，却始终聚射在内管的内弧壁面上，使内管内水体受热，水箱内的水与管内热水不断自动对流循环后变成热水，直至沸水或变成蒸汽。

Description

球形充水式免跟踪太阳热能聚收器

所属技术领域：

本发明涉及一种太阳能聚光集热装置，特别是在无需对太阳实施跟踪的情况下，利用球型充水容器使太阳光线折射聚焦集热来实现太阳热能自动聚收利用的装置。

背景技术

目前，公知的太阳能聚光集热装置，大体是利用光线的反射或折射实现热能聚收。但是，它们往往需要对太阳实施精确跟踪。由于增加了跟踪系统，既提高了制造成本，又增添了维修费用，且较难操控，所以推广应用步伐较慢，应用前景不够乐观；另有部分聚光集热装置，如“复合抛物面镜聚光集热器”(CPC)，虽然免除了对太阳的跟踪，但因聚焦比不高等原因，至今仍未得到广泛的推广应用。而在常规能源逐渐枯竭的今天，充分利用太阳能这种无公害的清洁能源，已经成为政府和广大民众的共同鉴识。事实上，在咱们祖国的大多数地区，一年四季，阳光普照，太阳为我们无偿提供了取之不尽、用之不竭的热能资源，如果仅仅因为没有方便适用的太阳热能聚收利用装置而使之白白地遗弃浪费掉，就实在令人痛惜，更愧对大自然的馈赠！因此，人们迫切需要一种能有效利用太阳能资源，于生活和生产普遍适用且简单方便的太阳热能聚收装置。

发明内容：

为了克服现有太阳热能聚收装置的不足之处，本发明提供一种方便适用的聚光集热装置，能充分利用球体特有的聚光成焦(点聚焦)且焦距不变的特性，在无需对太阳实施跟踪的情况下，使太阳热能高效聚收并能直接产生热水、沸水和蒸汽的太阳能聚光集热装置。

本发明解决其技术问题的技术方案是：

其主要由水球球壳、水球支架、水箱、水箱支架及双层弧形真空吸热管等组成。水球球壳内充满水成为水球，固定置于水球支架上。固定在水箱支架上的水箱位于水球侧面，水箱具有保温承压功能。水箱两端分别装有进水水位控制阀和热(沸)水阀，水位控制阀能自动控制水箱内的液面高度。水箱上方装有蒸汽阀，下方装有供水上下循环的三叉管与水箱相通。双层弧形真空吸热管内、外管均呈弧形半圆环体弯管状，其内管的内弧管壁面半径等于水球的聚光焦距。吸热管固定置于水球外下方的水箱支架上，其中心弧线所在平面与太阳绕径天穹的轨道平面——日轨面重合。吸热管的两个上端口通过保温导管分别与位于水箱下方三叉管的两个叉口相连通。这样，当太阳在日轨面内移动时，太阳光通过水球体折射聚光集热成高温焦斑，因焦距始终不变，故焦斑的移动轨迹只能是日轨面内半径等于焦距的圆弧曲线，而同样处于日轨面内的双层弧形真空吸热管内管所处位置正好经过该圆弧曲线，所以，高温焦斑会始终聚射在该内管的内弧管壁面上，使管内的水体受热。受热后的水体会与水箱里的水体不断地发生自动对流循环后，使之变成热水、沸水，直至产生蒸汽。

本发明的有益效益是：

一、设备结构简单，制造方便；免除了太阳跟踪系统，制造成本低。

二、不消耗其他任何能量，自动高效聚光集热；产生的热水、沸水及蒸汽可直接应用于生活、生产活动，应用范围广。

三、热能聚收几乎全系静态运作，无污染，少躁音，绿色环保；少维护维修，经济适用。

附图说明：

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明水球支架及水箱支架的整体结构示意图。

图2是本发明的整体结构及安装示意图。

图中：1、水球支架，2、矩形底座，3、水球支柱，4、圆形兜承圈，5、水箱支柱，6、水箱横拉杆，7、水箱固定套，8、水球，9、洞盖，10、注水孔，11、水箱，12、水位控制阀，13、热(沸)水阀，14、蒸汽阀，15、三叉管，16、双层弧形真空吸热管，17、内管内弧壁面，18、保温导管。

具体实施方式：

在图1中，水球支架1由下方平置的矩形底座2、侧面相对斜立的水球支柱3及上方平置的圆形兜承圈4构成。圆形兜承圈4的内径小于水球8的外径。在水球支架1的矩形底座2的一条边上方，直立两根水箱支柱5，再在水球支架1立有两根水箱支柱5的侧面的相邻两个侧面内的每两根水球支柱3的腰部，各横伸一根水箱横拉杆6与对应的水箱支柱5固定连接。水箱支柱5上端有水箱固定套7。水箱支柱5、水箱横拉杆6和水箱固定套7构成水箱支架。

在图2中，水球8呈透明球壳形，顶部开有清洗洞，清洗洞上有洞盖9。洞盖9是水球8的球壳的一部分，大小与清洗洞一致。洞盖9的上顶部有注水孔10。水箱11呈椭圆柱形，中部略向下弯凹。具有保温承压功能的水箱水平置于水箱支架的水箱支柱5上，被水箱固定套7紧固。水箱11的两端头分别装有控制进水的水位控制阀12和热(沸)水阀13。水箱11内的水面以下为储水室，水面以上为蒸汽室。水箱11的上部装有蒸汽阀14，下部弯凹处装有供水上下循环的三叉管15。双层弧形真空吸热管16的内、外管均呈弧形半圆环体弯管状，即是平放的一段圆环体沿纵向绕切成内外两部分再去掉内部的半环体后所剩下的弧形半圆环体状管状体，其横断面由半圆弧和直径(弦)构成。内管的内弧壁面17半径正好等于水球8的焦距。将此双层弧形真空吸热管16弓背朝下，固定在两根水箱横拉杆6上。两个上端口通过保温导管18分别与位于水箱8下方的三叉管15的两个叉口连接并与水箱相通。

本发明的安装及运作方式是：

将水球8置于水球支架1上方的圆形兜承圈4上，使大半个水球位于圆形兜承圈4上方，小半个水球悬吊于圆形兜承圈4的下方。让洞盖9盖紧水球8上顶部的清洗洞(不漏水)，再用水管通过洞盖9上方的注水孔10向水球8内注满清水，堵住注水孔10。调整好位于水球8下方的双层弧形真空吸热管16的位置，使其中心圆弧线所在平面与日轨面重合，并使内管内弧壁面17到水球8球心的距离等于水球8的焦距。

关闭水箱11上的热(沸)水阀13及蒸汽阀14。同时，打开水箱11上的水位控制阀12，向水箱11、双层弧形真空吸热管16及保温导管18内注水，使水箱11内的水位达到储水室的最高水位。

当太阳光线无论从天空中日轨面内任何方向平行地照射在充满水的水球8上时，都会通过水球8的聚光集热作用将太阳光及其所携带的热能聚收在水球8外面的焦点位置处，并形成高温焦斑。由于位于水球8外面的双层弧形真空吸热管16的内管内弧壁面17正好处于水球8的焦斑位置处，该管内管内弧壁面17首先被高温焦斑加热，再通过热传导等作用使位于该内管内焦斑附近的水体被加热。由于被加热后的水体比重变小，会自动通过双层弧形真空吸热管16的内管及保温导管18的上壁朝水箱11内上浮，而暂时未被加热的水箱11内的水体因比重相对较大，会沿着同样的通道的下壁下沉而形成自然的上下对流以补充上浮的水体。当温度较低的补充水体再次在高温焦斑处被加热后会再次自动上浮，其余的水体又会再次自动下沉补充。如此周而复始，就实现了冷热水的自然对流循环，使水箱11内的水体温度不断升高。

当太阳在日轨面内位置发生移转时，被水球8聚集的高温焦斑也会随之旋移。但因水球8聚焦的焦距始终不变，其高温焦斑只可能在日轨面内沿着同一条半径等于焦距的圆弧形轨道曲线旋移，而双层弧形真空吸热管16正好在此日轨面内，且其内管内弧壁面17又正好经过了这条圆弧形轨迹曲线，所以，高温焦斑虽然随太阳移转而发生着位移，但仍然聚集和辐射在双层弧形真空吸热管16的内管内弧壁面17上，并继续对自动循环于管内的水体不断地加热，从而使水箱11内的水体温度不断地增高，变成热水，或沸腾后变成开水，供人们生活之用；当沸水不被使用时，会进而生成高温高压的蒸汽，输送后可供人们炊事之用或取暖之用，也可用以驱动汽轮机发电，或带动其他机器工作，效用多多。

同时，本发明还可以多个阵列排列，让水箱各管阀串、并联连接，即可使水球获取更大受光集热面积，在无需人员操控和无需跟踪太阳的情况下，实现自动聚收更多的热能用于人们的生活和生产活动的目的。

Claims (5)

1、一种球形充水式免跟踪太阳热能聚收器，主要包括水球(8)，水球支架(1)、水箱(11)及双层弧形真空吸热管(16)等，其特征是：水球(8)位于水球支架(1)上，椭圆柱形水箱(11)水平置于水箱支架上且位于水球(8)一侧，水箱(11)中轴线与日轨面平行。双层弧形真空吸热管(16)位于水球(8)外下方，中心圆弧线所在平面与日轨面重合，两端口通过保温导管(18)分别与位于水箱(11)下方的三叉管(15)相连通。

2、根据权利要求1所述的球形充水式免跟踪太阳热能聚收器，其特征是：水球(8)外壳为透明球壳，上顶部有清洗洞，清洗洞上有洞盖(9)，洞盖(9)上顶部有注水孔(10)。

3、根据权利要求1所述的球形充水式免跟踪太阳热能聚收器，其特征是：水球支架(1)由下方的矩形底座(2)、侧面四根相对斜立的水箱支柱(5)及上部平放的圆形兜承圈(4)围合组成，圆形兜承圈(4)的直径小于水球(8)的直径。

4、根据权利要求1所述的球形充水式免跟踪太阳热能聚收器，其特征是：双层弧形真空吸热管(16)内、外管均呈弧形半圆环体弯管状，横截面均为半园弧线和直径(弦)的组合线，内管的内弧壁面(17)为半径等于水球(8)焦距的园柱曲面的一部分，内管内弧壁面(17)到水球(8)球心的距离等于水球(8)的焦距。

5、根据权利要求1所述的球形充水式免跟踪太阳热能聚收器，其特征是：水箱(11)呈椭圆柱形，中部略向下弯凹，两端分别装有水位控制阀(12)、热(沸)水阀(13)，上部装有蒸汽阀(14)，下中部装有三叉管(15)。

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