CN101793242B - 一种基于汽液两相流相变传热的太阳能动力输出装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于汽液两相流相变传热的太阳能动力输出装置，该装置中的前支撑板与后支撑板之间夹持的是能量转换组件，其上端安装有上盖板，其下端安装有U形座；上盖板上设有散热翅片；能量转换组件中的绝热连接件的两端安装有A集热管与B集热管；A集热管上安装的A夹紧套与A连杆的一端连接，A连杆的另一端连接在A飞轮上；B集热管上安装的B夹紧套与B连杆的一端连接，B连杆的另一端连接在B飞轮上。在太阳光的照射下，利用乙醚气液两相转化来改变A集热管与B集热管的重量，使得平行杆、连杆和飞轮作连续的圆周运动，最终实现机械能的输出。本发明的设计利用了气液两相流相变传热的设计理念，旨在有效利用太阳能实现机械能的输出。该装置结构简单，成本低廉，能量转化率高，适于普及推广。

Description

一种基于汽液两相流相变传热的太阳能动力输出装置

技术领域

本发明涉及一种将太阳能转换成机械能的转换装置，更特别地说，是指一种基于汽液两相流相变传热的太阳能动力输出装置。

背景技术

能源是社会发展的动力，如何更加有效的利用能源以及实现能源利用的多元化正促使各国科学家不懈探索。所述的能源可以是风能、太阳能、地热能、潮汐能、生物能等。

太阳能是一种清洁能源，有效利用太阳能可大大减小燃料给环境带来的诸如温室效应或酸雨之类的危害。对于家庭而言，室内供暖，照明若采用太阳能发电则不但可以减小火电厂的负担，而且可以减小CO₂等气体的排放。

如果太阳能设备能够普及到普通百姓家，则全年的CO₂排放量以及燃料的节省都将是很可观的。

在申请日2009年1月20日，专利号ZL 200920010254.6中公开了一种“太阳能发动机”。该发动机通过直接将太阳光聚焦加热热膨胀工质来推动活塞运动做功，实现光能转变为动能的技术问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于汽液两相流相变传热的太阳能动力输出装置，该装置利用乙醚因吸热产生的汽液两相转化，带动平行杆1A两端的上下运动实现动力输出。在太阳光的照射下，无论是A集热管11还是B集热管19的密封端吸热，都将产生管内乙醚液体的汽化导致的重量变化，同时使两端力点绕支点运动。集热管采用内壁表面涂有光谱选择性吸收涂层材料的玻璃管，可高效的将太阳能转化为热能将集热管内装有的低沸点工质加热蒸发，通过工质的汽液两相转化实现工质的位置转移，使液态工质在密封管的两端交替出现，带动两段集热管因重心沿平行杆1A交替转移而上下摆动。采用连杆将摆动传递给飞轮转化成圆周运动使机械能输出。

本发明公开了一种基于汽液两相流相变传热的太阳能动力输出装置，该装置中的能量转换组件1设置在前支撑板2与后支撑板3之间；前支撑板2与后支撑板3的上端安装有上盖板4，上盖板4的两端分别安装有结构相同的散热翅片5；前支撑板2与后支撑板3的下端安装有U形座6。

本发明中，A夹紧套13安装在A集热管11上，A集热管11的开口端111安装在绝热连接件12的一端(即开口端111与A凸台124接触)；B夹紧套14安装在B集热管19上，B集热管19的开口端191安装在绝热连接件12的另一端(即开口端191与B凸台125接触)，这样的安装构成了一个以绝热连接件12的转轴(A转轴121和B转轴122)为支点，A夹紧套13和B夹紧套14的连接部为力点的杠杆结构。

本发明中，通过绝热连接件12将A集热管11与B集热管19装配在一起形成一平行杆1A。该平行杆1A与A连杆17、B连杆18的协作，实现了两个飞轮(A飞轮15与B飞轮16)在顺时针方向上的运动。该运动的四个极限点分别记为3点位、6点位、9点位和12点位。

本发明设计的太阳能动力输出装置优点在于：

①采用光谱选择性吸收涂层吸收太阳光能，使太阳能转化为热能的速度大大提高，与采用聚光镜采集光能加热工质的方式相比，结构更加紧凑。

②选用低沸点工质汽液两相相互转化实现工质的位置转移，以此驱动绝热连接与两段集热管组成的管系统上下摆动，实现动力持续输出。

③能量转换组件采用对称结构设计，易于加工和封装。两段集热管中间由绝热连接管连接，增加了集热管两端的温差，使乙醚液体的汽化和乙醚蒸汽的液化更加迅速，提高了圆周运动的速度。

④将连杆与飞轮的连接设计成轴接方式，减少了零部件的数量，简化了结构，降低了总的生产成本，利于推广普及。

附图说明

图1是本发明太阳能动力输出装置的外部结构图。

图1A是图1的后视图。

图1B是本发明的能量转换组件的结构图。

图2是本发明两段集热管相对装配时的结构图。

图2A是本发明两段集热管相对装配时的A-A向剖面图。

图3是本发明绝热连接件的俯视图。

图3A是图3的B-B向剖面图。

图4是本发明A连杆与A夹紧套的装配分解图。

图4A是本发明B连杆与B夹紧套的装配分解图。

图5是本发明第一极限位的示意图。

图5A是本发明第二极限位的示意图。

图5B是本发明第三极限位的示意图。

图5C是本发明第四极限位的示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明。

本发明利用汽液两相流相变传热的设计理念，制作出的一种太阳能动力输出装置，该装置旨在有效利用太阳能实现机械能的输出，可以为某些设备或能源缺乏的场合提供机械功，如为发电设备提供动力。

参见图1、图1A、图1B所示，本发明设计的一种基于汽液两相流相变传热的太阳能动力输出装置由能量转换组件1、前支撑板2、后支撑板3、上盖板4、散热翅片5和U形座6组成。能量转换组件1设置在前支撑板2与后支撑板3之间；前支撑板2与后支撑板3的上端安装有上盖板4，上盖板4的两端分别安装有结构相同的散热翅片5；前支撑板2与后支撑板3的下端安装有U形座6。

所述的能量转换组件1包括有A集热管11、绝热连接件12、A夹紧套13、B夹紧套14、A飞轮15、B飞轮16、A连杆17、B连杆18和B集热管19。

在本发明中，A夹紧套13安装在A集热管11上，A集热管11的开口端111安装在绝热连接件12的一端(即开口端111与A凸台124接触)；B夹紧套14安装在B集热管19上，B集热管19的开口端191安装在绝热连接件12的另一端(即开口端191与B凸台125接触)，这样的安装构成了一个以绝热连接件12的转轴(A转轴121和B转轴122)为支点，A夹紧套13和B夹紧套14的连接部为力点的杠杆结构。

在本发明中，A集热管11、B集热管19和绝热连接件12的封装工艺为：

(a)采用在一个标准大气压的氮气环境下；

(b)将A集热管11竖直放置，并装入乙醚，乙醚存放在A空腔115里，且乙醚用量略低于A挡片113；

(c)在A集热管11的开口端111套接上绝热连接件12的一端，绝热连接件12的另一端上套接B集热管19的开口端191。

(一)集热管

参见图2、图2A所示，在本发明中，A集热管11与B集热管19的结构相同，A集热管11与B集热管19为内壁涂有光谱选择性吸收涂层的玻璃管，光谱选择性吸收涂层可以选用Co-Al₂O₃涂层，Al-Al₂O₃涂层等。

A集热管11内设有A挡片113，该A挡片113将A集热管11分成两个腔，即A空腔115和B空腔114。A挡片113设置在A集热管11总长度的2/3处，即距离A集热管11的开口端111的2/3处。

B集热管19内设有B挡片193，该B挡片193将B集热管19分成两个腔，即C空腔195和D空腔194。B挡片193设置在B集热管19总长度的2/3处，即距离B集热管19的开口端191的2/3处。

在本发明中，A空腔115中装有液态工质乙醚，通过该液体工质被太阳光照射升温后汽化成为气态，然后该气态工质被温度低的B集热管19这边冷却后转变成液态，往复对工质进行汽液两相变化，至使实现A集热管11与B集热管19管内工质(乙醚)的重量转换，最终实现两个飞轮在两个连杆的带动下作连续的圆周运动。该圆周运动输出机械力给发电设备，便能实现光能转换成电能。

(二)绝热连接件

参见图3、图3A所示，绝热连接件12的外部两端分别设有A转轴121、B转轴122，该A转轴121安装在前支撑板2上，B转轴122安装在后支撑板3上；绝热连接件12的内部为阶梯空腔123，该阶梯空腔123上设有A凸台124和B凸台125。A凸台124用于与A集热管11的开口端111密封接触，起到安装限位作用。B凸台125用于与B集热管19的开口端191密封接触，起到安装限位作用。

参见图5、图5A、图5B和图5C所示，在本发明中，通过绝热连接件12将A集热管11与B集热管19装配在一起形成一平行杆1A。该平行杆1A与A连杆17、B连杆18的协作，实现了两个飞轮(A飞轮15与B飞轮16)在顺时针方向上的运动。该运动的四个极限点分别记为3点位、6点位、9点位和12点位。

(三)夹紧套

参见图4、图4A所示，在本发明中，A夹紧套13与B夹紧套14的结构相同。

A夹紧套13的圆环安装在A集热管11上，A夹紧套13的连接端131上设有C通孔132，该C通孔132用于C转轴133穿过，C转轴133且在其内转动。

B夹紧套14的圆环安装在B集热管19上，B夹紧套14的连接端141上设有D通孔142，该D通孔142用于D转轴143穿过，D转轴143且在其内转动。

(四)飞轮

参见图1B所示，在本发明中，A飞轮15与B飞轮16的结构相同。

A飞轮15为圆盘形状，圆盘的中心开有通孔，该通孔内安装有A输出轴151；A飞轮15的圆盘体上安装有A连杆17的转轴端172。

B飞轮16为圆盘形状，圆盘的中心开有通孔，该通孔内安装有B输出轴161；B飞轮16为圆盘体上安装有B连杆18的转轴端182。

在本发明中，A飞轮15上的A输出轴151和B飞轮16上的B输出轴161用于与外部设备连接，从而实现将本发明装置产生的机械力传递给外部设备。

(五)连杆

参见图1B、图4、图4A所示，A连杆17与B连杆18的结构相同。

A连杆17的叉形连接端171上设有同轴的两个通孔，该两个通孔用于C转轴133穿过；A连杆17的转轴端172穿过A飞轮15的盘体上的通孔后与C卡环173配合，实现了A连杆17的转轴端172与A飞轮15的盘体连接。C转轴133与A卡环134的配合，实现了A连杆17的叉形连接端171与A夹紧套13的连接端131的连接。

B连杆18的叉形连接端181上设有同轴的两个通孔，该两个通孔用于D转轴143穿过；B连杆18的转轴端182穿过B飞轮16的盘体上的通孔后与D卡环183配合，实现了B连杆18的转轴端182与B飞轮16的盘体连接。D转轴143与B卡环144的配合，实现了B连杆18的叉形连接端181与B夹紧套14的连接端141的连接。

(六)支撑板

参见图1、图1A所示，在本发明中，前支撑板2与后支撑板3的结构相同，且为工字形。前支撑板2上设有用于安装绝热连接件12上的A连接轴121的A通孔2A；后支撑板3设有用于安装绝热连接件12上的B连接轴122的B通孔3A。

(七)上盖板

参见图1、图1A所示，前支撑板2与后支撑板3的上端安装有上盖板4，上盖板4的两端分别安装有结构相同的散热翅片5。

(八)散热翅片

参见图1、图1A所示，上盖板4的两端分别安装有结构相同的散热翅片5。散热翅片5用于实现对太阳能能量转换组件1中的A集热管11与B集热管19进行散热。散热翅片5选用导热性能良好的材料进行加工，如铝片、铜片、铝合金等。

(九)U形座

参见图1、图1A所示，前支撑板2与后支撑板3的下端安装有U形座6。U形座6也能实现将本发明的装置与外部的连接件进行安装。

本发明的太阳能动力输出装置的运动过程为：

参见图5、图5A、图5B和图5C所示，设两个飞轮(A飞轮15与B飞轮16)为顺时针运动，由于飞轮为圆盘结构，故引用时针信息中的3点、6点、9点和12点为A连杆17、B连杆18的极限运动位置。因此，在平行杆1A与A连杆17、B连杆18的协作下，实现了A飞轮15与B飞轮16在顺时针方向上的圆周运动。

第一极限位(B连杆18处于6点位，A连杆17处于12点位，如图5所示)：此时，B集热管19端将被太阳光照射。由于B集热管19内表面涂有吸热涂层材料，有助于太阳能转化成热能，乙醚液体(沸点为34.5℃)从涂层吸热转化为气体向上运动至A集热管11端。

第二极限位(B连杆18处于9点位，A连杆17处于3点位，如图5A所示)：由于从第一限位向第二限位转换过程中A集热管11始终在挡板和散热片的作用下(太阳光不能照射到)，A集热管11的管内温度会低于B集热管19的管内温度，因此向上运动的气体遇冷而转化为液体沉积在A集热管11端，逐渐逼近平行杆1A平行。

第三极限位(B连杆18处于12点位，A连杆17处于6点位，如图5B所示)：由于工质汽液两相转化引起的重量不均，使得以支点(绝热连接件12上的转轴)两端的力点发生了变化，逐渐使A集热管11被太阳光照射。由于A集热管11内涂有吸热涂层材料，有助于太阳能转化成热能，乙醚液体(沸点为34.5℃)从涂层吸热转化为气体向上运动至B集热管19端。

第四极限位(B连杆18处于3点位，A连杆17处于9点位，如图5C所示)：

由于从第三限位向第四限位转换过程中B集热管19在挡板和散热片的作用下(太阳光不能照射到)，B集热管19的管内温度会低于A集热管11的管内温度，因此向上运动的气体遇冷而转化为液体沉积在B集热管19端，逐渐逼近平行杆1A平行，从而实现一个圆周的运动。

在本发明中，通过A集热管11、B集热管19的管内密封端的液体在汽液两相转化引起的重量变化下，为杠杆、连杆带动飞轮作往复圆周运动创造了条件。从而也使得连续机械能的输出得以实现。

Claims (5)

1.一种基于汽液两相流相变传热的太阳能动力输出装置，其特征在于：所述的太阳能动力输出装置由能量转换组件(1)、前支撑板(2)、后支撑板(3)、上盖板(4)、散热翅片(5)和U形座(6)组成；所述的能量转换组件(1)包括有A集热管(11)、绝热连接件(12)、A夹紧套(13)、B夹紧套(14)、A飞轮(15)、B飞轮(16)、A连杆(17)、B连杆(18)和B集热管(19)；

A集热管(11)与B集热管(19)的结构相同，A集热管(11)与B集热管(19)为内壁涂有光谱选择性吸收涂层的玻璃管，光谱选择性吸收涂层选用Co-Al₂O₃涂层或者Al-Al₂O₃涂层；A集热管(11)内设有A挡片(113)，该A挡片(113)将A集热管(11)分成两个腔，即A空腔(115)和B空腔(114)；A挡片(113)设置在A集热管(11)总长度的2/3处；A空腔(115)中装有液态工质乙醚；B集热管(19)内设有B挡片(193)，该B挡片(193)将B集热管(19)分成两个腔，即C空腔(195)和D空腔(194)；B挡片(193)设置在B集热管(19)总长度的2/3处；

绝热连接件(12)的外部两端分别设有A转轴(121)、B转轴(122)，该A转轴(121)安装在前支撑板(2)上，B转轴(122)安装在后支撑板(3)上；绝热连接件(12)的内部为阶梯空腔(123)，该阶梯空腔(123)上设有A凸台(124)和B凸台(125)；A凸台(124)用于与A集热管(11)的开口端(111)密封接触，且起到安装限位作用；B凸台(125)用于与B集热管(19)的开口端(191)密封接触，且起到安装限位作用；

A夹紧套(13)与B夹紧套(14)的结构相同；A夹紧套(13)的圆环安装在A集热管(11)上，A夹紧套(13)的连接端(131)上设有C通孔(132)，该C通孔(132)用于C转轴(133)穿过，且在其内转动；B夹紧套(14)的圆环安装在B集热管(19)上，B夹紧套(14)的连接端(141)上设有D通孔(142)，该D通孔(142)用于D转轴(143)穿过，且在其内转动；

A飞轮(15)与B飞轮(16)的结构相同；A飞轮(15)为圆盘形状，圆盘的中心开有通孔，该通孔内安装有A输出轴(151)；A飞轮(15)的圆盘体上安装有A连杆(17)的转轴端(172)；B飞轮(16)为圆盘形状，圆盘的中心开有通孔，该通孔内安装有B输出轴(161)；B飞轮(16)为圆盘体上安装有B连杆(18)的转轴端(182)；

A连杆(17)与B连杆(18)的结构相同；A连杆(17)的叉形连接端(171)上设有同轴的两个通孔，该两个通孔用于C转轴(133)穿过；A连杆(17)的转轴端(172)与C卡环(173)的配合，用于与A飞轮(15)的盘体连接；C转轴(133)与A卡环(134)的配合，实现了A连杆(17)的叉形连接端(171)与A夹紧套(13)的连接端(131)的连接；B连杆(18)的叉形连接端(181)上设有同轴的两个通孔，该两个通孔用于D转轴(143)穿过；B连杆(18)的转轴端(182)与D卡环(183)的配合，用于与B飞轮(16)的盘体连接；D转轴(143)与B卡环(144)的配合，实现了B连杆(18)的叉形连接端(181)与B夹紧套(14)的连接端(141)的连接；

前支撑板(2)与后支撑板(3)的结构相同，且为工字形；前支撑板(2)上设有用于安装绝热连接件(12)上的A连接轴(121)的A通孔(2A)；后支撑板(3)设有用于安装绝热连接件(12)上的B连接轴(122)的B通孔(3A)；

能量转换组件(1)设置在前支撑板(2)与后支撑板(3)之间；

前支撑板(2)与后支撑板(3)的上端安装有上盖板(4)，上盖板(4)的两端分别安装有结构相同的散热翅片(5)；

前支撑板(2)与后支撑板(3)的下端安装有U形座(6)。

2.根据权利要求1所述的基于汽液两相流相变传热的太阳能动力输出装置，其特征在于：能量转换组件(1)是一个以绝热连接件(12)的A转轴(121)和B转轴(122)为支点，A夹紧套(13)和B夹紧套(14)的连接部为力点的杠杆结构。

3.根据权利要求1所述的基于汽液两相流相变传热的太阳能动力输出装置，其特征在于：通过绝热连接件(12)将A集热管(11)与B集热管(19)装配在一起形成一平行杆(1A)；该平行杆(1A)与A连杆(17)、B连杆(18)的协作，实现了A飞轮(15)与B飞轮(16)在顺时针方向上的连续运动；该运动的四个极限点分别记为3点位、6点位、9点位和12点位。

4.根据权利要求1所述的基于汽液两相流相变传热的太阳能动力输出装置，其特征在于：当太阳光照射在能量转换组件(1)中的A集热管(11)上时，A集热管(11)中的液体工质被太阳光照射升温后汽化成为气态，然后该气态工质被温度低的一端B集热管(19)这边冷却后转变成液态，往复对工质进行汽液两相变化，至使实现A集热管(11)与B集热管(19)管内工质的重量转换，最终实现了A飞轮(15)与B飞轮(16)在顺时针方向上的连续运动。

5.根据权利要求1所述的基于汽液两相流相变传热的太阳能动力输出装置，其特征在于A集热管(11)、B集热管(19)和绝热连接件(12)的封装工艺为：

(a)采用在一个标准大气压的氮气环境下；

(b)将A集热管(11)竖直放置，并装入乙醚，乙醚存放在A空腔(115)里，且乙醚用量略低于A挡片(113)；

(c)在A集热管(11)的开口端(111)套接上绝热连接件(12)的一端，绝热连接件(12)的另一端上套接B集热管(19)的开口端(191)。

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