CN101509707B - 聚光式太阳能热水器(旋转抛物镜居上位,保温水箱居下位) - Google Patents

Abstract

聚光式太阳能热水器(旋转抛物镜居上位，保温箱居下位)目前我国太阳能热水器的利用主要分为平板式和真空管式两种。这两种热水器单位面积内光热转化率都在50％左右。且只能用于低温转换。聚光式热水器聚光效率高，转化率高，但因其结构特点并不能在工业生产和居民生活中得到广泛应用。世界上的“槽式”聚光系统也因为体积庞大和复杂结构。同样不能广泛应用。旋转抛物面光转化率高，所以大家用来作为“太阳灶”来烧水，做饭。但如果是用于热水器，因为焦点处于“高位”而无法得到较好实现。而本文所述热水器则是采用抛物镜面居上位，可以自动跟踪太阳聚光，又将其焦点处的光能量反射至下面的保温热水箱内，材料简单，成本底下，光热转化效率可达90％以上。即使在允许聚光系统误差超过10％的前提下，光热转化率也达60％以上。更重要的是可以根据需要，合理调节聚光的“温度”，实现热水器由低温向中高温型热水器的转化。

Description

聚光式太阳能热水器(旋转抛物镜居上位,保温水箱居下位)

技术领域：太阳能，太阳能光热转换

背景技术：

目前我国太阳能热水器的利用主要分为平板式和真空管式两种。这两种热水器有其共同的特点，就是单位面积内光热转化率在50％左右。且只能用于低温转换。聚光式热水器聚光效率高，转化率高，但因其原有的结构特点并不能在工业生产和居民生活中得到广泛应用。世界上的“槽式”聚光系统也因为体积庞大和结构复杂同样得不到广泛运用。因为抛物面聚光系统在其焦点处聚光效率高，光热转化效率高，所以大家用来作为“太阳灶”米烧水，做饭。但如果是用于热水器，因为焦点处于“高位”而无法得到较好实现。而本文所述热水器是采用抛物镜面居上位，可以自动跟踪太阳聚光，又将其焦点处的光能量反射至下面的保温热水箱内，材料简单，成本底下，光热转化效率可达90％以上。即使在允许聚光系统误差超过10％的前提下，光热转化率也达60％以上。更重要的是可以根据需要，合理调节聚光的“温度”，实现热水器由低温向中高温型热水器的转化。

发明内容：

就是将传统中的“太阳灶”它的焦点处的光反射到热水器的保温水箱上。其中一个关键部件是“转光头”。它将“太阳灶”焦点处的阳光反射至热水箱内。

聚光式太阳能热水器(简易型)包括一下几个部分：抛物面聚光系统，太阳自动跟踪系统，焦点处阳光反射系统，保温水箱保温和它上面的高温透光系统。另外还有支架系统。

聚光式太阳能热水器根据温度需要可以将热水器归结为低温型、中温型、和高温型。根据结构特点可以分为简易型、真空设计型和焦点固定型。真空设计又分为聚光系统全封闭型和仅仅将转光系统进行的真空封闭设计型。焦点固定型主要突出聚光系统的焦点在空间部位不动，即相对于地球来说是“静止”。这相当于热发电中的“定日镜”。

但无论哪一种类型都同时遇到叫做“转光头”的反射装置。转光头的定义是这样的：和旋转抛物面聚光系统配套使用，用来改变抛物面聚光系统的光传播方向，把旋转抛物面的聚集光变为平行光，几何形也为抛物面且和聚光抛物面的焦点在空间部位重合，材料为耐高温或不耐高温但进行真空封闭设计后的运用材料，抛物面的凹面或凸面涂有或镀有反射材料或高反射材料。

转光头的焦距与聚光旋转抛物面的焦距之比反应聚光的比例。可以根据聚光的比例估算聚光处的空气温度。从而确定转光头的耐高温材料的配制。

附图说明：

此图为简易型聚光式太阳能热水器的简易直观图。图中没有支架系统和自动跟踪装置。

具体实施方式：

简易型：聚光旋转抛物面原点处留有直径2-20cm的圆孔用于透过转光头反射来的反射光。转光头(利用凸面)安装在焦点与原点之间且与聚光抛物面固定在一起。跟踪太阳光转动时转光头的反射光束透过聚光抛物镜的原点处，再射向保温水箱。保温水箱透光处安装耐高温的纯石英玻璃。虽然聚光抛物镜随太阳旋转，但在其原点处光束的规矩尺寸变化很小，缩短原点与透光石英玻璃的距离，光能就会源源不断射入保温水箱内。保温水箱内装满水，底部设计利于光吸收的“黑体”层，面粗糙些为佳，以便提高光转热的效率。石英玻璃水箱内的一面可贴上单透膜，防止光从水箱内射向水箱外。因为聚光比决定反射光束的“温度”，可以根据需要把热水器设计成中低温型。如果把透光的石英玻璃做成凸透镜，光束又重新在水箱内“聚焦”，焦点处水温度很高，会瞬时化作蒸汽，可利用为需要蒸汽的地方，比如用蒸汽“发电”。这种也就是高温型热水器。根据需要可调整聚光面积，单位空间面积内要比真空管式热水器效率提高2-4倍，可以广泛运用于居民生活和工业生产。简易型的特点是结构简单成本底下，缺点是光在空气中传播时损失了一部分能量。所以要提高效率要尽量缩短光在空气中的传播距离。旋转抛物面自动跟踪系统采用光敏极管利三级管进行光强度探测控制即可。

真空设计主要是防止光将空气加热，热的空气通过热传导将转光头烧坏。并且光在空气中损失了大批能量。最主要将转光头用纯石英玻璃在一定距离外“包裹”，距离离转光头越远石英玻璃的温度越低，但同时用的石英玻璃会越多。现实中只能根据需要测算。石英玻璃也是做成抛物面，但是与转光头的区别是“透光”，转光头是“反光”。为提高光转化效率和防止光能在空气中的流失，可以将经转光头反射的光束或“光线”在真空反光管中传输。在高精密度的运用中可以采用真空设计。其特点是转光头不历“高温”，可以做的很小，但需要精确度很高，成本较大，短期内不利于民用。

焦点固定型就是古老的太阳能利用中的“定日”问题。聚光抛物镜转动时完全可以做到聚焦和定焦。在水平范围内可以根据时间(比如时针)变化角度的一半作为聚光旋转抛物镜水平转动的角度。太阳仰角的变化每天变化很小。可以根据不同地理位置和南北回归线23.5度及一年365.25天近似计算太阳仰角的变化幅度。具体理论部分有机会时再具体求证论述。

Claims (2)

1.一种高效能聚光式太阳能热水器，包括抛物面聚光系统、太阳自动跟踪系统、焦点处的阳光反射系统、保温水箱和它上面的高温透光系统、支架系统，其特征是：保温水箱和它上面的高温透光系统位于聚光抛物面的下方，保温水箱透光处安装耐高温的纯石英玻璃，保温水箱底部具有利于光吸收的“黑体”层，聚光抛物面原点处留有直径2-20cm的圆孔用于透过转光头反射来的反射光，焦点处的阳光反射系统有一个关键部件为“转光头”，能够改变焦点处光线传播方向并把反射光束透过聚光抛物面的原点处圆孔射向保温水箱，凸面转光头安装在焦点和原点之间且与聚光抛物面固定在一起跟踪太阳光转动。

2.根据权利要求1所述的一种高效能聚光式太阳能热水器，其焦点处反射光装置为转光头，其特征是：转光头的几何形状为抛物面结构，和聚光抛物面配合使用，用来改变聚光抛物面的光传播方向，其焦点与聚光抛物面焦点在空间部位重合。