CN101776328B

CN101776328B - 太阳能饮水、集热装置

Info

Publication number: CN101776328B
Application number: CN2010101171413A
Authority: CN
Inventors: 许长河
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2010-02-12
Filing date: 2010-02-12
Publication date: 2011-11-09
Anticipated expiration: 2030-02-12
Also published as: CN101776328A

Abstract

本发明提供了一种太阳能饮水、集热装置，包括：支架；装设于支架的聚光器；固定于聚光器上方、可接收聚光器反射光线的真空集热管；真空集热管包括多个平行设置的真空集热直管和用于将相邻两个真空集热直管连通的U型真空弯头，U型真空弯头在相邻两个真空集热直管的两端左右间隔设置；真空集热管的入口和出口分别位于聚光器的上下两端；支架进一步包括转向机构和转向控制机构，转向机构包括垂直方向转向机构和轴向转向机构，垂直方向转向机构用于在转向控制机构的控制下调整支架及聚光器的倾斜度，轴向转向机构用于在转向控制机构的控制下使支架及聚光器沿其中心轴转动。

Description

太阳能饮水、集热装置

技术领域

本发明涉及一种太阳能装置，特别涉及一种太阳能饮水、集热装置。

背景技术

太阳能是一种无污染的清洁能源，在人类面临能源危机和环境保护两大生存课题的今天受到人们极大的重视。目前市售的利用太阳能的装置大多为太阳能热水器，其中大多是单体热水器，属于慢增温式集热，集热温度不高，特别是在冬季的实用价值较低。

目前的太阳能热水器所采用的加热方式多为通过传热介质吸收光能，并对加热管中的冷水进行加热，热水在加热管中滞留时间很长，有部分热水会长期停留在加热管中而不进行循环，长期进行加热的水会产生大量的亚硝酸盐等对人体有害的物质，因此，目前的太阳能热水器所产生的热水只能用于洗浴、供暖等生活用水，而不能供人们直接饮用。

另外，目前市售的太阳能热水器多采用固定的角度和位置，不能自动跟随太阳的移动，在大部分时间里太阳光都是倾斜地照射在集热装置上，因此，太阳能光的利用率较低。虽然在有些装置中也安装了收集太阳光的跟踪装置，但结构较为复杂，且本身消耗的能量多，也影响了太阳能集热装置的有效效率。

发明内容

为了避免上述问题，本发明提供一种具有提供直饮水、供暖等功能的太阳能饮水、集热装置。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种太阳能饮水、集热装置，包括：

支架；

装设于支架的聚光器；

固定于聚光器上方、可接收聚光器反射光线的真空集热管；

所述真空集热管包括多个平行设置的真空集热直管和用于将相邻两个真空集热直管连通的U型真空弯头，所述U型真空弯头在相邻两个真空集热直管的两端左右间隔设置；

所述真空集热管的入口和出口分别位于所述聚光器的上下两端；

所述支架进一步包括转向机构和转向控制机构，所述转向机构包括垂直方向转向机构和轴向转向机构，所述垂直方向转向机构用于在转向控制机构的控制下调整支架及聚光器的倾斜度，所述轴向转向机构用于在转向控制机构的控制下使所述支架及聚光器沿其中心轴转动。

优选地，所述真空集热直管包括具有第一直径的第一外管和具有第二直径的第一内管，所述第一外管分别在真空集热直管的两端收缩至与第一内管贴合、形成第一连接端口，所述第一外管和第一内管之间形成封闭的第一真空腔；

所述第一直径大于第二直径。

优选地，所述第一外管和第一内管由水晶制成。

优选地，所述第一内管的外表面具有不锈钢-氮化铝或不锈钢-氮化铜的金属镀膜。

优选地，所述第一真空腔内具有吸汽剂。

优选地，所述U型真空弯头包括具有第一直径的第二U型外管和具有第二直径的第二U型内管，所述第二U型内管分别在U型真空弯头的两端放大至与第二U型外管贴合、形成第二连接端口，所述第二U型外管和第二U型内管之间形成封闭的第二真空腔；

所述第一连接端口可插入至第二连接端口中，并与第二连接端口的内表面密封贴合。

优选地，所述第二U型外管和第二U型内管由不锈钢制成。

优选地，所述聚光器包括多个平行设置的抛物柱面聚光板；

每个所述真空集热直管设置在所述抛物柱面聚光板的聚焦轴线处。

优选地，所述抛物柱面聚光板的聚光轴线为平行于每个所述真空集热直管的长度方向的两条直线。

优选地，所述真空集热管的入口和出口处分别具有一旋转接头。

优选地，所述太阳能饮水、集热装置进一步包括水质净化器，所述水质净化器的出水管与所述真空集热管入口处的旋转接头连通。

优选地，所述真空集热管出口处的旋转接头与真空输送管连通，所述真空输送管包括多个首尾相连的真空输送直管；

所述真空输送直管包括具有第三直径的第三外管和具有第四直径的第三内管，所述第三内管在真空输送直管的一端放大至与第三外管贴合、形成第三连接端口，所述第三外管在真空输送直管的另一端收缩至与第三内管贴合、形成第四连接端口，所述第三外管和第三内管之间形成封闭的第三真空腔；

一个真空输送直管的第四连接端口可插入至另一个真空输送直管的第三连接端口中，并与第三连接端口的内表面密封贴合；

所述第三直径大于所述第四直径。

优选地，所述第三外管和第三内管由不锈钢制成；

所述第三内管包括一段不锈钢伸缩波纹管。

优选地，所述不锈钢伸缩波纹管的长度为所述真空输送直管长度的3％。

优选地，所述转向控制机构包括光电检测装置、控制电路和驱动装置，

所述光电检测装置包括长方体检测柱和四组分别设置于检测柱四个侧面的光敏传感器，检测柱的中心轴线垂直于所述聚光器的表面；

所述控制电路包括四个分别接受所述四组光敏传感器信号的光敏检测电路和四个分别与光敏检测电路连接的比较运算放大电路；

所述比较运算放大电路的输出可控制驱动装置以驱动所述转向机构的运动。

优选地，所述太阳能饮水、集热装置包括多个支架，

每个支架均装设有聚光器和固定于聚光器上方、可接收聚光器反射光线的真空集热管；

每个集热管的入口均并联连接至同一入水管，每个集热管的出口均并联连接至同一真空输送管；

所述真空输送管包括多个首尾相连的真空输送直管，所述真空输送直管包括具有第三直径的第三外管和具有第四直径的第三内管，所述第三内管在真空输送直管的一端放大至与第三外管贴合、形成第三连接端口，所述第三外管在真空输送直管的另一端收缩至与第三内管贴合、形成第四连接端口，所述第三外管和第三内管之间形成封闭的第三真空腔；

所述第三直径大于所述第四直径。

优选地，所述第三外管和第三内管由不锈钢制成；

所述第三内管包括一段不锈钢伸缩波纹管。

本发明的太阳能饮水、集热装置通过采用水晶制成的金属镀膜的真空集热管，能够快速有效地将光能转化为热能，且真空集热管的承压能力高，不易爆裂，经久耐用。

本发明的太阳能饮水、集热装置所采用的真空输送管，不仅膨胀系数低，而且通过采用全金属真空绝热管进行饮用水的传输，其保温性能优越，可以实现远距离传输。

本发明的太阳能饮水、集热装置通过自动跟踪器对太阳的跟踪，可以在太阳光不是垂直照射集热装置时，由光敏传感器产生阻值变化，控制电机驱动电路输出不同方向的电压驱动电机旋转，并带动聚光系统转动，直到太阳光垂直照射的位置为止。由于阳光直射，可增强太阳光的照射强度。本装置可以全天跟踪太阳8-10小时，比同样面积和结构的固定式太阳能集热装置的光能利用率增加两倍以上，提高了太阳能集热装置的热效率。

经试验证明，本发明的太阳能集热装置的加热功率可以相当于三千瓦的电加热器的加热功率，可在7～8分钟之内煮沸3.2公斤水。

本发明的太阳能光伏发电系统具有安全可靠、无噪声、低污染、无需消耗燃料和架设输电线路即可就地发电供电的优点，且建设周期短。另外，通过设置自动跟踪器对太阳的跟踪，比同样面积和结构的固定式太阳能光伏发电装置的光能利用率增加两倍以上，提高了太阳能光伏发电装置的效率。

附图说明

图1是本发明的太阳能饮水、集热装置的结构示意图。

图2是本发明的真空集热直管的截面图。

图3是本发明的U型真空弯头的截面图。

图4是本发明的聚光器的结构示意图。

图5是本发明的一个抛物柱面聚光板和对应的真空集热直管的侧视图。

图6为本发明的真空输送管的截面示意图。

图7为本发明的转向控制机构的电路结构示意图。

图8为本发明的太阳能饮水、集热装置的组装示意图。

图9为本发明的太阳能光伏发电装置的结构示意图。

具体实施方式

本发明的目的在于提供一种具有提供直饮水、供暖等功能的太阳能饮水、集热装置。

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本发明进一步详细说明。

如图1所示，本发明的太阳能饮水、集热装置包括支架101，装设于支架101的聚光器102，固定于聚光器102上方、可接收聚光器102反射光线的真空集热管103。

其中，真空集热管103包括多个平行设置的真空集热直管201和用于将相邻两个真空集热直管201连通的U型真空弯头202，U型真空弯头202在相邻两个真空集热直管201的两端左右间隔设置。

真空集热管103的入口131和出口132分别位于聚光器102的上下两端。

即，U型真空弯头202将相邻两个真空集热直管201依序首尾相连，以使真空集热管103形成一直通腔。供用户直接饮用的冷水可自真空集热管103的入口131进入真空集热管103中，通过真空集热管103的加热形成热水，并从真空集热管103的出口132引出而直接可被人饮用。

支架101进一步包括转向机构和转向控制机构，其中，转向机构包括垂直方向转向机构和轴向转向机构。

垂直方向转向机构用于在转向控制机构的控制下调整支架101及聚光器102的倾斜度。如图1所示，支架101可如现有的太阳能热水器的支架一样朝向太阳方向倾斜地放置，而垂直方向转向机构可用于在转向控制机构的控制下、调整支架101的背离地面一侧的支架高度，从而调整支架101及聚光器102的倾斜度。

轴向转向机构用于在转向控制机构的控制下使支架101及聚光器102沿其中心轴转动。

转向机构可在转向控制机构的控制下，分别通过调整支架101和聚光器102的倾斜度和旋转角度，使聚光器102始终朝向太阳光强最强的方向，从而最大限度地提高太阳光能的利用率。

由于真空集热管103随支架101和聚光器102一起可在聚光器102的平面内沿其中心轴线转动，因此，真空集热管103的入口131和出口132处分别设有旋转接头141，以通过该旋转接头141与进水管和出水管连接。优选地，旋转接头141可采用球墨合金旋转接头。

为了使真空集热管103中加热的水能够直接饮用，本发明的太阳能饮水、集热装置还包括水质净化器104，水质净化器104的出水管151与真空集热管的入口131处的旋转接头141连通。

该水质净化器104可采用现有的任意一种水质净化器，用于过滤自来水中对人体健康造成威胁的氯和重金属元素，同时吸附水中的异色、异味，确保过滤后的自来水的安全健康饮用。

本发明的这种直通式太阳能饮水、集热装置能够使饮用水在真空集热管103中快速循环，直接饮用，不会由于长期在集热管中滞留而产生对人体健康不利的重金属等物质。

图2是本发明的真空集热直管的截面图。如图2所示，真空集热直管201包括具有第一直径的第一外管211和具有第二直径的第一内管212。第一外管211分别在真空集热直管201的两端收缩至与第一内管212贴合、形成第一连接端口213，第一外管211和第一内管212之间形成封闭的第一真空腔214。

其中，第一直径大于第二直径。优选地，第一直径为52mm，第二直径为32mm。

优选地，第一外管211和第一内管212由水晶制成。由于水晶的膨胀系数极低，大约只有高硼硅玻璃的四十分之一，因此，当冷水进入真空集热直管201中时，不会由于热胀冷缩而导致真空集热直管201爆裂。且水晶具有良好的光学性能，不仅可见光透光度好，而且还可通过紫外线、红外线等不可见光，因此它的导热能力和透光度都比普通的高硼硅太阳能玻璃管高出许多。

太阳光照射至真空集热直管201表面时，可直接透过第一外管211和第一内管212而对真空集热直管201内的饮用水进行加热，且由于第一真空腔214的隔热作用，该热量不会很快地逸散。

优选地，第一内管212的外表面具有不锈钢-氮化铝或不锈钢-氮化铜的金属镀膜，其具有耐高温、保温性好的特点，从而进一步地加强导热性能。

优选地，第一真空腔214内具有吸汽剂，从而长时间地保持第一真空腔214内的真空状态。

图3是本发明的U型真空弯头的截面图。U型真空弯头202包括具有第一直径的第二U型外管221和具有第二直径的第二U型内管222。第二U型内管222分别在U型真空弯头202的两端放大至与第二U型外管221贴合、形成第二连接端口223，第二U型外管221和第二U型内管222之间形成封闭的第二真空腔224。

真空集热直管201的第一连接端口213可插入至U型真空弯头202的第二连接端口223中，并与第二连接端口223的内表面密封贴合，从而实现整个真空集热管103的密封连通。

优选地，第二U型外管221和第二U型内管222由304不锈钢制成。第二真空腔224内也可具有吸汽剂，从而长时间地保持第二真空腔224内的真空状态。

图4是本发明的聚光器的结构示意图。如图4所示，聚光器102包括多个平行设置的抛物柱面聚光板301。

图5是一个抛物柱面聚光板和对应的真空集热直管的侧视图。如图5所示，每个真空集热直管201均设置在对应的抛物柱面聚光板301的聚焦轴线处。

优选地，抛物柱面聚光板301的聚光轴线为平行于每个真空集热直管201的长度方向的两条直线312。抛物柱面聚光板301的聚光轴线的位置可通过以下公式计算得出。

X²＝2PY

其中，P为抛物线的聚焦焦点。

经过抛物柱面聚光板301的两条直线的聚焦，能够使真空集热直管201内的温度迅速上升，使采光效率由现有的25％迅速提升至50％～75％左右。

为了实现远距离传输热能，真空集热管出口132处的旋转接头141可与真空输送管161连通。图6为本发明的真空输送管的截面示意图。

如图6所示，真空输送管包括多个首尾相连的真空输送直管601。真空输送直管601包括具有第三直径的第三外管611和具有第四直径的第三内管612，第三内管612在真空输送直管601的一端放大至与第三外管611贴合、形成第三连接端口613，第三外管611在真空输送直管601的另一端收缩至与第三内管612贴合、形成第四连接端口614，第三外管611和第三内管612之间形成封闭的第三真空腔615。

一个真空输送直管601的第四连接端口614可插入至另一个真空输送直管601的第三连接端口613中，并与第三连接端口613的内表面密封贴合，从而形成密封的真空输送管161。其中，第三直径大于第四直径。

优选地，第三外管611和第三内管612由304不锈钢制成，且，第三内管612包括一段不锈钢伸缩波纹管616。

不锈钢伸缩波纹管616的伸缩率在3‰左右，其用于补偿第三内管612由于热胀冷缩而产生的长度变化，从而避免第三内管612的爆裂，保证真空输送直管601的性能。优选地，不锈钢伸缩波纹管616的长度为真空输送直管601长度的3％。

这种真空输送直管601利用其第三真空腔615的隔热作用，实现热水的远距离传递。将其组成的真空输送管161与真空集热管出口132处的旋转接头141连通，可将自真空集热管出口132流出的热水输送至室内的终端换能器上，从而实现太阳能的有效利用，减小远距离传输所带来的热量的散失。

如图1所示，转向控制机构包括光电检测装置105、控制电路和驱动装置。

其中，光电检测装置105包括长方体检测柱和四组分别设置于检测柱四个侧面的光敏传感器，检测柱的中心轴线垂直于聚光器102的表面。

图7为本发明的转向控制机构的电路结构示意图。控制电路包括四个分别接受四组光敏传感器701的信号的光敏检测电路702和四个分别与光敏检测电路702连接的比较运算放大电路703。

比较运算放大电路703的输出可控制驱动装置704以驱动转向机构的运动。该转向机构可由现有的各种能够实现转向功能的机构组成，例如旋转接头、轴承等。

利用光敏检测装置105和光敏检测电路702，能够检测出太阳光强最大的方向，并将控制信号输出至比较运算放大电路703，从而驱动转向机构的运动，使本发明的太阳能饮水、集热装置始终对准太阳焦点，把传统的太阳能光热转换效率提高了30％以上。

且这种转向控制机构机构简单，安装维护方便，造价低廉，可工厂化生产、模块化组装。

另外，本发明的太阳能饮水、集热装置还可以进行系列化组装。图8为本废液的太阳能饮水、集热装置的组装示意图。如图8所示，可将如图1所示的太阳能饮水、集热装置组合，其包括多个支架101，每个支架101均装设有聚光器102和固定于聚光器102上方、可接收聚光器102反射光线的真空集热管103。

通过将每个集热管103的入口131均并联连接至同一入水管151，每个集热管103的出口141均并联连接至同一真空输送管161。从而构成中大型供热水(汽)系统，产生的高温热水(汽)，可供纺织印染、锅炉电厂、集体单位、学校、浴池及中央空调使用。

另外，本发明还提供了一种太阳能光伏发电装置，图9为本发明的太阳能光伏发电装置的结构示意图，其包括：支架801、装设于支架801的太阳能光伏电池板802、蓄电池组、太阳能控制器和逆变器(均未示出)。

其中，转向机构包括垂直方向转向机构和轴向转向机构。

垂直方向转向机构用于在转向控制机构的控制下调整支架801及太阳能光伏电池板802的倾斜度。如图8所示，支架801可如现有的太阳能光伏发电装置的支架一样朝向太阳方向倾斜地放置，而垂直方向转向机构可用于在转向控制机构的控制下、调整支架801的背离地面一侧的支架高度，从而调整支架801及太阳能光伏电池板802的倾斜度。

轴向转向机构用于在转向控制机构的控制下使支架801及太阳能光伏电池板802沿其中心轴转动。

转向机构可在转向控制机构的控制下，分别通过调整支架801和太阳能光伏电池板802的倾斜度和旋转角度，使太阳能光伏电池板802始终朝向太阳光强最强的方向，从而最大限度地提高太阳光能的利用率。

其中，转向机构还包括分别设置于太阳能光伏电池板802两端的转向轴承803。转向轴承803可使用现有的各种能够实现转向功能的装置来实现，例如转向接头、涡轮蜗杆结构等。

优选地，本发明的太阳能光伏发电装置还包括太阳能跟踪系统，该太阳能跟踪系统与太阳能饮水、集热装置中所使用的转向控制机构的原理相同，在此不再赘述。

另外，本发明的太阳能光伏发电装置还可与本发明的太阳能饮水、集热装置一样进行组装，如图9所示，组装的太阳能光伏发电装置包括多个支架801，每个支架均装设有太阳能光伏电池板802，多个太阳能光伏电池板802均与蓄电池组并联连接，以储存电能。

以上所述，只是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明做任何形式上的限制，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围。

Claims

1.一种太阳能饮水、集热装置，包括：

支架；

装设于支架的聚光器；

固定于聚光器上方、可接收聚光器反射光线的真空集热管；

其特征在于，

2.根据权利要求1所述的太阳能饮水、集热装置，其特征在于，所述真空集热直管包括具有第一直径的第一外管和具有第二直径的第一内管，所述第一外管分别在真空集热直管的两端收缩至与第一内管贴合、形成第一连接端口，所述第一外管和第一内管之间形成封闭的第一真空腔；

所述第一直径大于第二直径。

3.根据权利要求2所述的太阳能饮水、集热装置，其特征在于，所述第一外管和第一内管由水晶制成。

4.根据权利要求2或3所述的太阳能饮水、集热装置，其特征在于，所述第一内管的外表面具有不锈钢-氮化铝或不锈钢-氮化铜的金属镀膜。

5.根据权利要求2或3所述的太阳能饮水、集热装置，其特征在于，所述第一真空腔内具有吸汽剂。

6.根据权利要求2所述的太阳能饮水、集热装置，其特征在于，所述U型真空弯头包括具有第一直径的第二U型外管和具有第二直径的第二U型内管，所述第二U型内管分别在U型真空弯头的两端放大至与第二U型外管贴合、形成第二连接端口，所述第二U型外管和第二U型内管之间形成封闭的第二真空腔；

7.根据权利要求6所述的太阳能饮水、集热装置，其特征在于，所述第二U型外管和第二U型内管由不锈钢制成。

8.根据权利要求1所述的太阳能饮水、集热装置，其特征在于，所述聚光器包括多个平行设置的抛物柱面聚光板；

9.根据权利要求8所述的太阳能饮水、集热装置，其特征在于，所述抛物柱面聚光板的聚光轴线为平行于每个所述真空集热直管的长度方向的两条直线。

10.根据权利要求1所述的太阳能饮水、集热装置，其特征在于，所述真空集热管的入口和出口处分别具有一旋转接头。

11.根据权利要求10所述的太阳能饮水、集热装置，其特征在于，所述太阳能饮水、集热装置进一步包括水质净化器，所述水质净化器的出水管与所述真空集热管入口处的旋转接头连通。

12.根据权利要求10所述的太阳能饮水、集热装置，其特征在于，所述真空集热管出口处的旋转接头与真空输送管连通，所述真空输送管包括多个首尾相连的真空输送直管；

所述第三直径大于所述第四直径。

13.根据权利要求12所述的太阳能饮水、集热装置，其特征在于，所述第三外管和第三内管由不锈钢制成；

所述第三内管包括一段不锈钢伸缩波纹管。

14.根据权利要求13所述的太阳能饮水、集热装置，其特征在于，所述不锈钢伸缩波纹管的长度为所述真空输送直管长度的3％。

15.根据权利要求1、2或3所述的太阳能饮水、集热装置，其特征在于，所述转向控制机构包括光电检测装置、控制电路和驱动装置，

16.根据权利要求1、2或3所述的太阳能饮水、集热装置，其特征在于，所述太阳能饮水、集热装置包括多个支架，

所述第三直径大于所述第四直径。

17.根据权利要求16所述的太阳能饮水、集热装置，其特征在于，所述第三外管和第三内管由不锈钢制成；

所述第三内管包括一段不锈钢伸缩波纹管。