CN102080432A - 与建筑一体化外遮阳抛物反射镜追日太阳能集热器 - Google Patents

Abstract

与建筑一体化外遮阳抛物反射镜追日太阳能集热器，是建筑外遮阳节能与太阳能利用的结合。水平安装竖直排列的集热器遮盖建筑物除窗外大多数面积，也获得了其他太阳能无法得到最大的受照面积；单向追日的抛物反射柱镜向无真空隔层的唯一受热管反射数倍于太阳直射的光强，可于冬季获得高温；使一个单元房可有多个集热器用于热水、采暖；为地采暖提供可防冻热源。供水压力兼做反射镜追日动力，整机不使用外电源。本集热器亦可单机安装在平房、楼房窗上檐、屋顶上、立墙上，可用于目前无法使用太阳能的中间楼层。以空气为传热工质的集热器可用于冬季暖室、大棚加温，养鱼池吹氧兼加温。

Description

与建筑一体化外遮阳抛物反射镜追日太阳能集热器

(一)技术领域：

与建筑一体化外遮阳抛物反射镜追日太阳能集热器，是外遮阳建筑节能和太阳能利用领域的结合，使建筑物成为节约能源法和民用建筑节能条例的绿色建筑。同时吸收太阳能辐射加热水或采暖的低碳、环保节能技术。

(二)背景技术：

目前建筑物的外遮阳，仅有为窗户设置的遮阳罩。尚无为夏季空调节能，对建筑物整体设置的外遮阳设施。目前使用的与建筑一体化的热水器仅有平板式或受热管式，受热面小且难以扩大，冬季气温低，太阳光弱，很难产生较大的温差吸收太阳能。

(三)发明内容：

与建筑一体化外遮阳抛物反射镜追日太阳能集热器(以下简称集热器)，包含用于加热水的太阳能热水器(以下简称热水器)和用于采暖的太阳能采暖器(以下简称采暖器)。是外遮阳使建筑物节能并利用这些太阳能的设备。

1.外遮阳：

为建筑物设计的外遮阳设备。呈抛物柱镜形的反射镜水平安装、竖直排列在建筑物立墙和屋顶外侧，在建筑物向南和向西方向使用，它遮盖了除窗户外建筑物绝大多数外表面(很高的遮盖率)。夏季起到很好的隔热作用，并可将热加以利用。冬季如此大的受照面积也是其他集热器远不能相比的。

墙外型：水平安装、竖直排列在建筑物的立墙、屋顶外，遮挡住建筑物的墙面和屋顶，外遮阳抛物反射镜整齐划一，不会破坏建筑物的外檐效果而带来建筑物的新颖绿色气息，追日运动给建筑物带来运动的生气。

窗罩型：安装在上下楼层窗户之间的墙壁上，由于冬夏季太阳入射角有47度的变化，通过调整外遮阳抛物反射镜宽度、焦准距、位置，可使夏季全部挡住直射窗户的太阳光，冬季丝毫不影响太阳光对窗户的直射。

本发明的集热器除与建筑一起设计使用外，也可以单机安装使用在平房、分散的小建筑及原建筑上无法使用传统太阳能热水器的中间楼层也可安装使用。亦可对原有的建筑物进行系统改造，使其成为节能绿色建筑物。这扩大了本集热器环保节能的使用范围和价值。

2.扩大受照面积和提高太阳能的热吸收率：

太阳能利用的关键是能量稀缺的冬季，设计一种与建筑一体化的，冬季能大面积集中稀薄的太阳能产生高温用来加热水，或用来采暖的集热器是本发明的任务。

抛物反射镜是扩大受照面积(提高集热器功率)，并能将太阳光线集中产生高温(提高热吸收效率)，以使冬季可以更好利用太阳能唯一可行的方法。

本专利的反射镜为抛物柱镜，横剖面为抛物线。其光学特点是，当与抛物柱镜主光轴平面，平行的平行光线(太阳光)照射到抛物柱镜时，反射光线汇交于焦线(所有横剖面焦点的连线)，本发明的集热器只有一根受热管，就安装在抛物柱镜的焦线上。抛物反射镜具有追日功能，使反射光时刻对准受热管。受热管的受照强度因抛物柱镜的箱度和宽度是太阳直射的4到12倍，使受热管在严寒冬季的受照温度也比夏季太阳直射高出许多倍，冬季完全可以正常工作。

3.水平安装竖直排列集热器的集中控制：

以水平方式安装在建筑物的外墙上，以一定间隔延竖直方向上下排列，抛物反射镜以受热管为轴可在80度范围内竖直追日。集热器水平长度可大于窗宽，也可由两个短单元组成，如选3米。抛物反射镜的宽度可依功率、地区要求在0.5至1.2米之间选择。对应的受照面积为1.5至3.6平米。受照面积大于传统的热水器。

单机安装的集热器有自己传感对日的光电池组、换向阀、双出缸、软拉轴等。

对于竖直排列的集热器，每一列只要一个光电池组、一个置于户外地面或地下井内的换向阀、双出缸，楼房各层钢丝绳轮间用钢丝绳串联起来同步追日，减少设备、减少投资、增加可靠性。

4.与建筑一体化不冻地区的热水器：

不冻地区，唯一的无外套玻璃管及真空隔层的受热管内装水，经抛物反射镜追日加热后，经保温管道热对流，进入置于室内顶部的储水箱上部，储水箱下部经保温管道与较低部位的受热管连接，储水箱与受热管形成热对流循环。

5.与建筑一体化冻损地区的热水器：

在高寒地区冬夜零下的气温，会使水结冰冻损受热管，因此唯一的无外套玻璃管及真空隔层的受热管内不再装水。随地区最低温度的不同，可选择防冻液、导热油等，作为传热工质装入受热管内。受热管上端经保温管道和放置在储水箱内的加热盘管上端相连接，受热管下端经保温管道和加热盘管下端相连接。受热管内的传热工质被抛物反射镜加热后，和加热盘管内的传热工质形成热对流。加热盘管内的传热工质和储水箱内的水形成热交换，加热用水。由于储水箱的位置高于受热管，冬夜热重力自锁不会倒传热。由于传热工质会有较大的温度变化，故在管路中接入波纹管膨胀节(或波纹管稳压器、隔膜稳压器)以保证传热工质回路的压力稳定。

6.地热管型采暖器：

不冻地区，安装在楼房较低部位采暖器的受热管内装水与上一层地热管相连接，目的是使受热管与地热管有较好的热对流。与锅炉采暖相比，管应粗一些密一些，以增加储水量(储热量)减小热循环延程阻力。由于地采暖热堕性大，室温会较稳定。

结冰地区地热管型采暖器，使用防冻液代替水作为传热工质，防止出现冻损。管路应接有波纹管膨胀节(或波纹管稳压器、隔膜稳压器)稳定系统压力。

季节变化的控制：在光电池组控制换向阀的电路中串接一置于室内的温控开关，夏季自动关断使反射镜停止追日不再吸收太阳能，并在较低部位设一微动开关使抛物反射镜停止在接近水平的位置。对于楼房的底层，可由较高处的集热器，通过温控开关控制泵，强制对流进行采暖。

7.以空气为传热工质的采暖器：

是否结冰的地区均适用，和空调室内机相似由小风机吸入室内空气，经保温管道通入唯一的无外套玻璃管及真空隔层的受热管由抛物反射镜追日加热后，再经保温管道通入室内机，热空气在室内强制热循环采暖。和空调机一样可设辅助电加热，在连续阴天时补充采暖。本机结构简单，

本机可产生远高于气温的气流，因此安装在地面上，用于提高温室的温度和通风，用于水产养殖业，可通过烧结微孔板吹入养鱼池微小气泡，同时起到升温和增氧的作用。

8.一个单元房可同时有采暖器及热水器：

由于楼房实墙面外均可安有集热器，这会使许多楼房单元有两个或两个以上集热器，可选择抛物反射镜面积较小的作为热水器用。面积较大的或两个集热器作为采暖器用。这是其他太阳能热水器做不到的。

9.受热管的回程结构：

为了充分吸收太阳能可在受热管中间设一隔板，使工质在受热管中往返一个回程，隔板截面做成Z形，两端横边与受热管壁弹性密封。这一点对于导热油、空气等导热性差的工质较为重要。

10.防止热水器储水箱过热和采暖器换季的措施：

为了使热水器冬季有更好的效果，扩大了集热器的受照面积(功率)；会使夏季储水箱温度过高。为此在储水箱内安温控开关将其串连在光电池组的控制电路中，比如夏季储水箱温度达到80度温控开关断开(动作温度)切断光电池组的追日控制电路，使反射镜停止追日，停止吸收太阳能，当储水箱温度降低到50度时(复位温度)重新接通，反射镜继续追日对加热管进行加热。在采暖器中将此开关于室内使夏季抛物反射镜停止追日。

(四)附图说明：

附图1.单机集热器主视图。

附图2.单机集热器左视图。

附图3.集热器水、电控制系统图。

附图4.集热器在建筑物外檐的布置示意图。图中仅画了建筑物的一小部分的局部。(1)是集热器两端固定在墙壁上的支退，(2)是受热管，(3)是抛物反射镜，(4)是窗户。

图中：1的部分是墙体较宽时集热器竖直排列示意，过宽的情况可由两个集热器组成。

此排列可竖直延伸至屋顶或地面。图中2的部分是窗罩型排列示意。图中3的部分

为墙体较窄时集热器竖直排列示意。本图选作摘要附图。

附图5.北京地区【按北纬40度计】集热器的竖直间隔图。

附图6.广州地区【按北纬23.5度计】集热器的竖直间隔图。

附图7.集热器导向轮式集中控制结构图。

附图8.集热器软拉轴式集中控制结构图。

(五).具体实施方式：

本专利实施方式均使用以下原有的专利技术：

1.‘真空储热反射镜追日太阳能热水器及太阳灶’

(公开号：CN 101634497A)

权利要求：‘1.真空储热反射镜追日太阳能热水器及太阳灶，其特征是利用安装在反射镜上的竖直和水平两个光电池组提供反射镜追日的方向性电信号利用供水压力使液压缸内活塞运动从而驱动反射镜追日。’

2.‘真空储热反射镜追日太阳能热水器及太阳灶’

(公开号：CN 101634497A)

权利要求：‘4.光电池组其特征是两片相同的光电池背对背为一组，两个光电池组水平和竖直的安装在反射镜上产生识别方向的效果。’

3.‘真空储热反射镜追日太阳能热水器及太阳灶’

(公开号：CN 101634497A)

权利要求：‘6.利用软拉轴、钢丝绳轮传动反射镜追日其特征是活塞运动通过和双出活塞杆端相连接的两棵软拉轴从两侧牵动钢丝绳轮转动以传动给反射镜追日并能自锁。’

4.‘四季用单受热管抛物镜追日反射式太阳能热水器’

(申请号：201010175312.8)

权利要求：‘1.四季用单受热管抛物镜追日反射式太阳能热水器：其特征是只有一根受热管，抛物镜竖直追日向受热管反射太阳光的太阳能热水器。

5.‘四季用单受热管抛物镜追日反射式太阳能热水器。’

(申请号：201010175312.8)

权利要求：‘2.壁挂式单受热管抛物镜追日反射式太阳能热水器：其特征是将受热管和抛物镜安装在立墙面上供中间楼层使用，无需外供电。’

6.‘四季用单受热管抛物镜追日反射式太阳能热水器’

(申请号：201010175312.8)

权利要求：‘5.单向竖直追日抛物反射镜：其特征是抛物反射镜仅在竖直单方向进行追日且能满足太阳能热水器的要求。’

7.‘四季用单受热管抛物镜追日反射式太阳能热水器’

(申请号：201010175312.8).

权利要求：‘6.受热管无玻璃外套管及真空隔热层：其特征是受热管无玻璃外套管及真空隔热层。’

8.‘四季用单受热管抛物镜追日反射式太阳能热水器’

(申请号：201010175312.8).

权利要求：‘7.抛物镜追日的回转中心与其焦点和重心相重合：其特征是抛物镜追日回转中心与其焦点和重心相重合。

1)单机集热器：(见附图1、2)

左臂(35)和右臂(45)通过螺栓(31)固定在地面、屋顶或墙壁上，其悬臂端内孔通过两端固定有左绳轮(46)、右绳轮(38)的受热管(40)。两个绳轮外缘固定镜辐(42)，镜辐(42)的另一端固定抛物反射镜(41)的背筋(39)上，抛物反射镜(41)与受热管(40)一起追日旋转。抛物反射镜(41)是由两片完全相同的半镜由几个背筋(39)连结而成的，底部中间留有和受热管(40)直径相同的缝隙(图中无法表现)以减小风载。

来自储水箱的冷水经保温管道由下部的进水口(36)进入受热管(40)，接受太阳能被加热后的热水经出水口(37)、通过保温管道流至位于室内屋顶下的储水箱，受热管(40)与储水箱之间形成热对流。

抛物反射镜(41)的追日动力来自供水压力，供水压力推动双出缸(44)的双出活塞杆(33)运动。双出活塞杆(33)的左端连接两根左软拉轴(34)，两根左软拉轴(34)的另一端分别连接在左绳轮(46)和右绳轮(38)的外侧。双出活塞杆(33)的右端连接两根右软拉轴(43)，两根右软拉轴(43)的另一端分别连接在左绳轮(46)和右绳轮(38)的内侧。这样双出活塞杆(33)的移动，使两棵左软拉轴(34)和两棵右软拉轴(43)的运动方向相反，牵动左绳轮(46)和右绳轮(38)同步转动，从而通过镜辐(42)带动抛物反射镜(41)回转追日。

软拉轴可使用类似自行车或摩托车闸用钢丝绳、套管及固定调节组件(32)。四根软拉轴的八个端点，分别安装固定调节组件(32)在活塞杆及绳轮出口处，用以固定四根左、右软拉轴(34、43)的端点位置并调节其钢丝绳的张力。

光电池组(47)安装于抛物反射镜上侧外缘，并使其平面与抛物反射镜(41)的主焦对称平面平行。

2)不冻地区热水器的水路：(见附图3)

压力水由进水管(50)经过滤器(51)分四路进入系统，①做冷水源进入混水阀(52)、用水器(53)供用户使用。②进入储水箱(59)的底部，初次运行时给系统充水，在储水箱顶部的单向阀(62)排出系统内的空气，当空气排净时水浮力使其关闭。③进入受热管(55)，在受热管(55)中经太阳能加热后输入储水箱(59)上部，使水在储水箱(59)和受热管(55)间形成热循环。④经三位四通换向阀(56)的控制进入双出缸(57)推动其活塞运动，经传动使抛物反射镜追日。单向节流阀(54)可控制追日速度，防止气缚。

3).结冰地区热水器的传热回路：(见附图3虚线部分)

在高纬度地区冬夜会冻损受热管(55)，故切断受热管(55)进水口，接入虚线表示的盘管(61)的下口。受热管(55)的另一端出水口，接通盘管(61)的上口，受热管(55)与盘管(61)形成一封闭系统。系统内装的不是水而是根据工况选择的传热工质如防冻液、导热油等，受热管(55)在冬季白天受到抛物反射镜聚集的太阳光的加热，内部的工质升温向上运动，进入盘管(61)与储水箱(59)内的水进行热交换，变冷后向下运动流入下部受热管(55)形成热循环。传热工质在工作中温度变化很大，连接在管路中的波纹管膨胀节(60)(也可是波纹管或隔膜式稳压阀)为了稳定系统压力而设置的。为了防冻将双出缸(57)、换向阀(56)置于室内，墙壁打孔将拉力软轴导至室外。

4).对日传感和追日电路：(见附图3)

两块相同的光电池板背对背的放在一起成为光电池组(58)，与抛物反射镜主光轴对称平面平行的安装在抛物反射镜边缘，当抛物反射镜的主光轴平面与太阳光线不平行时，光电池组(58)必有一面受到太阳光照射产生电压，吸引三位四通换向阀(56)从自锁的中间位置向带电的一侧移动，压力水便流入双出缸(57)的一侧推动其活塞运动，从而牵动抛物反射镜追日，至抛物反射镜主光轴平面与太阳光线平行时(对日状态)，此时光电池组(58)两面均照不到太阳。三位四通换向阀(56)复位，系统自锁，不会因风载转动，而且不需要外电源。

对于热水器为了满足冬天的需要就要高功率，其结果会使夏天储水箱(59)的温度过高，所以在控制电路中串接温控开关(63)，并把温控开关(63)放在储水箱(59)的顶部，传感储水箱(59)的温度。如果所选温控开关(63)的动作温度是80度，此时电路被断开，抛物柱镜不再追日，受热管(55)仅受太阳直射不会过热。温控开关(63)的复位温度与动作温度差20--30度较宜。复位后抛物反射镜会继续追日。

对于采暖器把温控开关(63)放在室内控制夏季抛物反射镜不再追日。并接入用虚线表示的放置在接近抛物反射镜最低位置的微动开关(64)，其作用是使抛物反射镜停止的角度向下，避免夏季向室内传热。提高抛物反射镜夏季的遮阳效果。

5).竖直排列集热器抛物反射镜追日的导向轮、钢丝绳集中控制：(见附图7)

竖直排列的集热器抛物反射镜追日，可采用导向轮、钢丝绳集中控制的方式，使每一列集热器仅使用一套控制系统【包括换向阀、光电池组、双出缸】，产生简化设备、使供水压力不足的楼层实现抛物反射镜追日等优点。

换向阀【图中未画】、双出缸(72)、两个后导向轮(70)、四个前导向轮(80)均固定在控制箱(73)上，在不冻地区可置于地上或埋于地下，结冰地区需埋于地下足够深度和可靠的保温防止冻损。

双出活塞杆(71)右端固定的两棵后钢丝绳(75)经两个后导向轮(70)通向受热管(78)两端的钢丝绳轮(76)的后侧；左端固定的两棵前钢丝绳(74)经四个前导向轮(80)通向受热管(78)两端的钢丝绳轮(76)的前侧。

双出活塞杆(71)移动时，两棵前钢丝绳(74)与两棵后钢丝绳(75)反向运动，通过两个钢丝绳轮(76)带动受热管(78)和固定在其上的抛物反射镜【图中未画】追日。两个钢丝绳轮(76)和上一楼层的钢丝绳轮串联，使各楼层的抛物反射镜同步追日。

如六层砖混楼房只要一个光电池组、双出缸和换向阀就可以了。也不会因楼层高，水压低而难于驱动抛物反射镜追日。此方法较适用于宽度不大的集热器。

无论对于外墙型、窗罩型都要设固定遮阳罩(77)，用来保证下面所有的集热器得到相近的光照。排水口(79)通向下水道，排出双出缸(72)的废水。

6).竖直排列集热器抛物反射镜追日的软轴钢丝绳集中控制：(见附图8)

当集热器宽度较大时，会使上述5)竖直排列集热器抛物反射镜追日的导向轮、钢丝绳集中控制(见附图7)的箱体(85)过宽，设备过大安装不便。

因此设计了软轴钢丝绳集中控制(见附图8)。

双出缸(16)内的双出活塞杆(17)右端固定两棵前软拉轴(24)，一棵经支架及调节组件(18)、右侧前软拉轴(24)、定位组件(19)通向受热管(28)右侧钢丝绳轮(22)前侧；另一棵前软拉轴(24)由右侧的转向轮(29)做180度转向、经支架及调节组件(18)、左侧前软拉轴(24)、定位组件(19)通向受热管(28)左侧钢丝绳轮(22)的前侧。

在其左端固定的两棵后软拉轴(25)，一棵经左侧支架及调节组件(18)、左侧的后软拉轴(25)、定位组件(19)、通向受热管(28)左侧钢丝绳轮(22)后侧；另一棵经左侧的转向轮(29)做180度转向，经左侧支架及调整组件(18)、右侧的后软拉轴(25)、定位组件(19)通向受热管(28)右侧的钢丝绳轮(22)的后侧。

双出活塞杆(17)移动时两棵前软拉轴(24)和两棵后软拉轴(25)反向运动，使两个钢丝绳轮(22)同步转动，共同带动受热管(28)和固定在其上的抛物反射镜【图中未画】追日。

左右的前软拉轴(24)和后软拉轴(25)，均穿过省略线【图中双点画线】串联向上部楼层的钢丝绳轮，实现集中控制。控制箱(26)可置于地上或埋入地下，控制活塞运动的换向阀可置于箱中，对于可能出现冻损的地区控制箱(26)埋入地下要有足够的深度，面板(27)也要足够的保温，排水口(30)通入下水道。

7).抛物反射镜宽度及不同纬度地区立墙面集热器的行间距：(见附图5、6)

例：北京地区(按北纬40度计)(见附图5)。抛物反射镜的焦准距为0.15米，镜口宽度A＝0.5米，焦点距墙面B＝0.30米，附图5是按此比例画出的。墙(10)画有剖面线的部分，窗(5)为没有剖面线的部分，在冬季最小入射角为26.5度时太阳光线用细实线(7)表示，抛物反射镜的对日状态用粗实线(9)表示；在夏季最大入射角73.5度时太阳光线用虚线(6)表示，抛物反射镜的对日状态用虚线(8)表式。图中A表示抛物反射镜的宽度，B表示焦点到墙的距离，C表示下部的集热器冬季接收太阳光不受干扰的行距。

例：广州地区(按北纬23.5度计)(见附图6)。墙(15)为画有剖面线的部分，窗(11)没剖面的部分，在冬季最小入射角为43度时太阳光用细实线(12)表示，抛物反射镜的对日状态用粗实线(14)表示，夏季太阳光线垂直向下【图中未画】，抛物反射镜的对日状态用虚线(13)表示。

不同宽度的抛物反射镜在不同纬度时上下排的行距离表：

对于不同纬度地区和屋顶面的行间可距参照上述方法计算安排。

Claims (7)

1.与建筑一体化外遮阳抛物反射镜追日太阳能集热器：其特征是水平安装竖直排列在建筑物立墙面、窗上檐、屋顶若干个太阳能集热器形成对建筑物的外遮阳，也为太阳能集热器获得了空前的受照面积，抛物反射镜使受热管受到数倍于太阳直射的光强。

2.根据独立权利要求1的从属权利要求：与建筑一体化抛物反射镜追日冻损地区的太阳能热水器：其特征是受热管内装防冻液体做为传热工质，由保温管道通入储水箱内的加热盘管，经管壁与储水箱的水进行热交换后再经保温管道流向受热管，受热管与加热盘管之间形成热对流。

3.根据独立权利要求1的从属权利要求：地热管型太阳能采暖器：其特征是安装在楼房较低部位的受热管通过保温管道与上一层楼地热管相连接，经抛物反射镜对受热管加热后与地热管形成热对流，经地热管采暖，不冻地区受热管内装水，冻损地区装防冻液体。

4.根据独立权利要求1的从属权利要求：以空气为传热工质的太阳能集热器：其特征是以空气为传热工质在受热管内由抛物反射镜反射太阳光加热，用风机作为热循环的动力。

5.根据独立权利要求1的从属权利要求：终止抛物反射镜追日并停止在一定位置的措施：其特征是安装在温度采样点的温控开关并联控制抛物反射镜停位的微动开关，再串联在光电池组的追日电路中，使抛物反射镜因温度停止追日并停在一定位置。

6.根据独立权利要求1的从属权利要求：竖直排列太阳能集热器抛物反射镜追日的导向轮、钢丝绳集中控制：其特征是每一列太阳能集热器使用一个置于地面或埋于地下【冻损地区】的控制箱(73)，箱内的双出活塞杆(71)右端固定两棵后钢丝绳(75)，经两个后导向轮(70)通向受热管(78)两端两个的钢丝绳轮(76)的后侧，左端固定两棵前钢丝绳(74)经四个前导向轮(80)通向两个钢丝绳轮(76)的前侧，前钢丝绳(74)和后钢丝绳(75)运动方向相反，使受热管(78)两端两个钢丝绳轮(76)同步转动，牵动受热管和固定在其上的抛物反射镜追日，通过上下钢丝绳轮的串联实现竖直一列抛物反射镜的同步追日。

7.根据独立权利要求1的从属权利要求：竖直排列集热器抛物反射镜追日的软轴钢丝绳集中控制：其特征是每一列太阳能集热器使用一个置于地面或埋于地下【冻损地区】的控制箱(26)其内的双出活塞杆(17)一端固定两棵前软拉轴(24)通向两个钢丝绳轮(22)的前端，另一端固定两棵后软拉轴(25)通向两个钢丝绳轮(22)的后端，双出活塞杆(17)移动时两棵前软拉轴(24)和两棵后软拉轴(25)反向运动使两个钢丝绳轮(22)受热管(28)和抛物反射镜追日，通过上下钢丝绳轮的串联实现竖直一列抛物反射镜的追日。

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