CN101796353B - 聚焦太阳辐射的电子波的无线电波反射器以及使用电子波的蓄热单元 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种使用太阳辐射的电磁波的蓄热单元，尤其涉及这样的蓄热单元：其转换和存储以电磁波状态的热能形式照射到地球表面大片区域的太阳辐射的电磁波的能量，并在需要时使用所存储的热能。本发明包括对太阳辐射的电磁波进行聚焦的无线电波反射器，对收集的电磁波能进行引导的波导，用于转换和存储以另一种热能的形式沿波导传送的电磁波能的能量转换和存储单元，以及使用能量转换和存储单元中所存储的热能以供应一般应用的能量供给单元。即使无线电波反射器和能量转换和存储单元被安装成彼此离开相当远的距离，这种配置的蓄热单元通过经由波导将聚焦到无线电波反射器的电磁波状态的太阳辐射引导至能量转换和存储单元也可以将太阳辐射使用效率提高到最大值。

Description

聚焦太阳辐射的电子波的无线电波反射器以及使用电子波的蓄热单元

技术领域

本发明涉及使用太阳辐射的电磁波的蓄热单元，尤其涉及这样的蓄热单元：其转换和存储以热能形式照射到地球表面大片区域的太阳辐射的电磁波的能量，并在需要时使用所存储的热能。

背景技术

一般而言，传统技术主要借助于太阳能收集器使用太阳热量或日光为房屋收集太阳热量。所收集的热能通过相变材料(PCM)(比如水)而被提供给热设备。最近的技术进步使得可以通过用于太阳光伏发电系统的半导体来直接产生电。所产生的电通过单个家庭来使用，有时剩余的电被出售给商业电力公司。

但是，由于所收集的热量的传输中的困难，使用太阳热量的大部分传统技术实际上仅用于小规模的电力产生目的，例如为家庭供热或街道照明。换句话说，当前技术的缺点是：热量损失很大且热传输设备的安装成本太高，以致于成本效率相对于太阳热量的使用效率来说非常低。

除此之外，用于太阳光伏发电的大部分现代半导体设备的光(日光)电转换率仍然维持在大约10％，效率低下。即使转换效率可能有所改善，但是在包含在日光中的辐射能的实际使用上还存在限制，并且这因此阻碍了照射到整个地球表面的太阳热能的使用效率的提高。

发明内容

技术问题

因此，本发明的目的是提供可替选的代替能源，其可以基于适用于太阳能房屋的传统类型的太阳能供热系统和用于太阳光伏发电的半导体设备来最大化传统技术的太阳热量的使用效率，由此提高经济效率并解决由于有限数量的矿物燃料和全球变暖导致的高气价的问题。

技术方案

本发明被设计成有助于并最大化太阳热量使用效率。

因此，提供一种蓄热单元，包括：聚焦太阳辐射的无线电波反射器；波导，用于以最小的损失来引导电磁能；能量转换存储单元，用于存储所收集的电磁能；以及能量供给单元，用于提供存储的热能用于每天的生活。

有益效果

与使用太阳辐射的传统设备比较，根据本发明的使用太阳辐射的电磁波的蓄热单元在考虑该单元的安装成本时表现出非常高的太阳热量使用效率，并且对于高温蓄热有效，因此该蓄热单元具有广泛的应用范围，包括单个家庭使用：水加热、空间加热和烹调，以及需要大容量电功率的商业使用。

另外，根据本发明，虽然无线电波反射器以及能量转换和存储单元彼此远离地安装，但是太阳热量使用效率和安装成本与无线电波反射器和能量转换存储单元彼此在短距离中安装的情况相似，所以更容易使用太阳热量并产生更多的电力。

此外，根据本发明的蓄热技术存储并隔离太阳热量，因此防止了大气温度升高使得不会出现导致全球变暖的问题。

附图说明

结合附图，根据以下对给定优选实施例的描述，本发明的上述和其它目的和特征将变得明显，其中：

图1是根据本发明第一优选实施例的使用太阳辐射的电磁波的蓄热单元的示意图；

图2是根据本发明第二优选实施例的使用太阳辐射的电磁波的蓄热单元的示意图；

图3是根据本发明第三优选实施例的使用太阳辐射的电磁波的蓄热单元的示意图；

图4是无线电波反射器的详细放大图。

具体实施方式

下面将结合附图对使用太阳辐射的电磁波的蓄热单元进行详细说明。

图1是根据本发明第一优选实施例的使用太阳辐射的电磁波的蓄热单元的示意图。

根据图1，本发明的使用太阳辐射的电磁波的蓄热单元包括：聚焦引导单元，用于对太阳热量的电磁波的能量进行聚焦；能量转换和存储单元20；以及能量供给单元30。

聚焦引导单元对以电磁波的形式照射到地球表面大片区域的太阳辐射的电磁波能进行聚焦并对其进行引导。该聚焦引导单元由无线电波反射器11和波导12构成。

具体来说，一个或多个无线电波反射器11被置于太阳热量发射区中用以对太阳热量进行聚焦。优选地，无线电波反射器11具有抛物面形状(参见图4)，以便更加易于聚焦太阳热量。更加优选地，无线电波反射器11具有矩形形状，以便增加对太阳热量的聚焦面积(参见图4)。

另外，每个无线电波反射器11配备有方向控制器(未示出)，该方向控制器借助于安装在其中的光传感器来移动无线电波反射器11朝向太阳。

波导12从无线电波反射器11延伸到能量转换和存储单元20，以便对太阳辐射的电磁波的能量进行引导。波导12具有在其两端的开口121和电子喇叭122。开口121中的一个形成在每个无线电波反射器11的上部，以提供利用无线电波反射器聚焦的太阳辐射的电磁波能的入口通道，如在图中所描述的电子喇叭122用于在能量转换和存储单元20中发射电磁波能。波导12能够以无线电波的传输速度将电磁波从无线电波反射器11传送到能量转换和存储单元20中，尽管引导传输距离长，但是通过这种方式没有能量损失。

如先前所注意到的，电磁波的能量沿波导路径被引导至能量转换和存储单元20，该电磁波的能量被转换并以热能的形式被存储到能量转换和存储单元20中。能量转换和存储单元20由内部空间21、第一吸收层22、蓄热材料23、第二吸收层24、真空部25和反射外壳26构成。

具体来说，能量转换和存储单元20利用设置在插入到内部空间21中的波导12的一端的电子喇叭122来将电磁波发射到内部空间21中。之后，电磁波被第一吸收层22的介质吸收并通过放热现象被转换成热能。如此转换的热能通过传导被转移到蓄热材料23中，并以热能的形式保持在其中。这时，希望防止从能量转换和存储单元20产生的热通过波导回流。

此外，为了帮助已经通过波导12引导至能量转换和存储单元20的内部空间21中的电磁波能扩散，优选地在内部空间21中安装传播窗口(未示出)或过滤器(未示出)。

如图1所示，内部空间21由第一吸收层22包围，该第一吸收层22由用于吸收提供至其中的太阳辐射的电磁波的能量的材料形成。优选地，第一吸收层22由处于湿状态中的碳材料和耐热碳化硅(SiC)形成。而且，为了增加电磁波的吸收，第一吸收层22的壁表面具有凸向内部空间21的三角棱锥形状的部分。具有三角棱锥形凸出部的第一吸收层22形成起伏部分，该起伏部分用于扩展第一吸收层22和蓄热材料23之间的接触面积，以便将所吸收的电磁波转换成热能，并且同时利用蓄热材料23来提高热传导性。

为了减少热能的损失，能量转换和存储单元20的蓄热材料23的外侧由第二吸收层24和反射外壳26包围。具体来说，反射外壳26和第二吸收层24彼此在空间上分离预定的距离，它们之间的空隙处于真空状态，形成真空部25。真空部25提供蓄热材料23和外部环境之间的热绝缘效果。

虽然很少量的热能可以通过真空部25散放，但是这部分热能被反射外壳26反射并送回蓄热材料23。为了便于所反射的热能被吸收到蓄热材料23中，蓄热材料23的外部被覆盖第二吸收层24。优选地，第二吸收层24由特征为低湿度和低电磁辐射产生的硅胶形成。

因此，根据本发明的使用太阳辐射的电磁波的蓄热单元使用能量转换和存储单元20的蓄热材料23作为以热能形式存储电磁波的能量的介质，并提供各种形式的能量供给单元30，用以在每天的生活中充分使用所存储的热能。优选地，能量供给单元30采用热交换器的形式，其可以将保持在蓄热材料中的热转变成另一种形式的能源来使用。尤其是，热交换器型的能量供给单元30具有类似线圈的拉长的管线，其通过蓄热材料23并将电磁波能转变成各种辐射的热能，以便在真实生活中实际使用。由于这对于本发明所属的领域的普通技术人员来说是已知的，所以将不提供进一步的细节。

可选择地，热电子功率发生棒31可以穿过反射外壳26和真空部25进入能量转换和存储单元20的蓄热材料23，使得电子基于高温蓄热材料23和相对低温的外部之间的温差而从高温流向低温，以产生电流。如此产生的电流可以用于各种目的。

图2是根据本发明第二优选实施例的使用太阳辐射的电磁波的蓄热单元的示意图。该第二实施例具有与图1中所示的第一实施例的配置类似的配置，所以将省略对于相同组成部分的额外描述。

具体来说，图2示意性地示出了当无线电波反射器11和能量转换和存储单元20被安装在相对小的距离中时使用的蓄热单元。

如图所示，该实施例的蓄热单元包括多个金属透镜13和14，用以对沿多个波导12引导的以及集中到波导12’和12”中的太阳辐射的电磁波能进行合并。金属透镜13和14可以将被引导至各个波导的单独的电磁波能合并到一个波导中。

首先，本发明的蓄热单元利用无线电波反射器11将太阳辐射的电磁波的能量聚焦到各波导12中。接下来，所聚焦的电磁波能沿波导12被传送到能量转换和存储单元20中。这里，多个波导12通过金属透镜13被合并成一个波导12’，然后传送电磁波能。根据图2中所示的蓄热单元，多个波导通过金属透镜13被合并到两个波导12’中，然后这两个波导12’通过金属透镜14而被再次合并到一个波导12”中。该波导12”被插入到能量转换和存储单元20中以在其中提供电磁波能。

优选地，多个波导12的总的截面面积被设置成与波导12’的截面面积相等，并且两个波导12’的总的截面面积被设置成波导12”的截面面积。如此，位于金属透镜下游的波导具有与位于金属透镜上游的多个波导的截面面积的总和相等的截面面积，这有助于电磁波能的能流被传送到波导中。

优选地，金属透镜13和14由Al(铝)沉积的塑料材料或Al或SUS(不锈钢)金属片形成，以减小能量损失。

波导12”被插入到能量转换和存储单元20中，在该能量转换和存储单元20中，电磁波能被转换，并以热能形式存储。

图3是根据本发明第三优选实施例的使用太阳辐射的电磁波的蓄热单元的示意图。该第三实施例具有与图1中所示的第一实施例的配置类似的配置，所以将省略对于相同组成部分的额外描述。

具体来说，图3示意性地示出了当无线电波反射器11和能量转换和存储单元20被安装在彼此相对远离的距离中有用的蓄热单元。

图2示出了伸出无线电波反射器的多个波导通过金属透镜最后被合并成一个波导，而图3示出了伸出各个无线电波反射器的每个波导配备有一个金属透镜，并且这些波导通过各个透镜来结合，并顺次收集电磁波能。最后，通过一个波导收集的电磁波能流入能量转换和存储单元20中。

图4是无线电波反射器的详细放大图，其中，图4a是无线电波反射器11的示意性平面图，而图4b是沿图4a的线B-B所观看的示意性横截面图。

如图4所示，无线电波反射器11具有抛物面形状的抛物面112，该抛物面112具有朝向中心的凹入盘形状。无线电波反射器11的抛物面112用于将照射到无线电波反射器11上的太阳辐射的电磁波聚焦到波导12的开口121，用于提高电磁波的传输率。换句话说，因为与经过焦点的太阳辐射的电磁波平行照射的所有太阳辐射的电磁波被聚焦到抛物面的焦点上，所以照射到无线电波反射器11上的太阳辐射区域内的电磁波从抛物面112反射，然后流入固定在抛物面112的焦点的波导12的开口121中。

为了使多个无线电波反射器11在有限空间中的辐射最大化，优选地，抛物面112的轮廓形成矩形边111。矩形的无线电波反射器11是有利的，这是因为它与其它相邻的无线电波反射器之间形成小的气隙，所以大量的无线电波反射器可以在有限的空间中有效排列(参见图2或图3中排列的多个无线电波反射器)。

优选地，增加具有光传感器的方向控制器113，以使得无线电波反射器11和波导12的开口121绕太阳辐射的照射方向同时转动。

虽然参考某些优选实施例对本发明进行了描述，但是对于本领域技术人员来说明显的是，可以进行各种改变和修改，而不脱离以下权利要求中限定的本发明的范围。

Claims (8)

1.一种使用太阳辐射的电磁波的蓄热单元，包括：

多个无线电波反射器(11)，用于对照射的太阳辐射进行聚焦；能量转换和存储单元(20)，包括形成内部空间(21)以吸收并转换电磁波的能量的第一吸收层(22)、用于存储热能的蓄热材料(23)、包围在所述蓄热材料(23)的外部的第二吸收层(24)以及反射外壳(26)，其中在所述蓄热材料(23)和所述反射外壳(26)之间的缝隙被密封成真空状态以形成真空部(25)；

多个波导(12)，每个波导从相应的无线电波反射器(11)延伸出来，进入所述能量转换和存储单元(20)的内部空间(21)，以对聚焦到所述无线电波反射器的太阳辐射进行无能量损失的引导；以及

能量供给单元(30)，通过所述蓄热材料(23)用以对能量进行转换并提供至外部。

2.根据权利要求1所述的蓄热单元，其中，允许所述无线电波反射器(11)绕太阳辐射的照射方向转动。

3.根据权利要求1所述的蓄热单元，其中所述波导(12)具有开口(121)，该开口位于所述无线电波反射器(11)的焦点，用以通过电子喇叭(122)将太阳辐射的电磁波扩散到所述能量转换和存储单元(20)的内部空间(21)中。

4.根据权利要求1所述的蓄热单元，其中所述第一吸收层(22)具有多个凸向所述内部空间(21)的三角棱锥形状的部分。

5.根据权利要求1所述的蓄热单元，其中，借助于金属透镜(13，14)，转移到各波导(12)的所有电磁波被收集到合并的波导(12’，12”)，并被发送到所述能量转换和存储单元(20)。

6.根据权利要求1所述的蓄热单元，其中所述能量供给单元(30)采用热交换器的形式。

7.根据权利要求1所述的蓄热单元，热电子功率发生棒(31)被插入到所述能量转换和存储单元(20)的蓄热材料(23)中以产生电流。

8.根据权利要求1所述的蓄热单元，其中所述蓄热单元使用的所述无线电波反射器(11)包括抛物面形状的抛物面(112)，并将照射到所述抛物面(112)上的太阳辐射聚焦到波导(12)的开口(121)。

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