CN102434423A - 基于热声效应的自转向式太阳能驱动的机械水泵装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于热声效应的自转向式太阳能驱动的机械水泵装置，包括：自转向式太阳能集热装置、热声类发动机、针对型特制水泵以及动力传输系统，其中，自转向式太阳能集热装置包括菲涅耳透镜、发条牵引装置、透镜支架、双层真空集热管。热声类发动机可以是斯特林发动机、行波热声发动机、驻波热声发动机，通常由热腔、散热器、冷腔和调相机构组成。针对型特制水泵包括四个齿轮及外壳、支架、皮带轮。动力传输系统包括发动机模块的皮带轮、带动水泵模块的皮带轮以及在皮带轮间实现传动的皮带。本发明利用太阳能光热，取消发电环节，直接将热能转换为驱动水泵工作所需的机械能，实现更高的器械工作效率和更彻底的太阳能清洁利用。

Description

基于热声效应的自转向式太阳能驱动的机械水泵装置

技术领域

本发明涉及一种利用太阳能的机械装置，尤其涉及一种基于热声效应的自转向式太阳能驱动的机械水泵装置。

背景技术

进入现代工业化时代以来，能源供应匮乏成为了社会进一步发展的瓶颈。人们正在急切地寻求安全、无污染、储量丰富的可替代能源，太阳能无疑是最理想的能源。目前太阳能的应用主要分为光电和集热两种类型，前者将光能转换为电能；后者直接利用太阳能热能。另一方面，水泵是工农业以及日常生活不可缺少的流体机械设备，应用量巨大。

通常的水泵都由电力驱动，若采用太阳能光电转换获得电力，进而驱动电机使水泵工作，这在技术上应该是成熟的方案。但是，不仅太阳能光电转换效率低下，而且生产光伏电池的过程中需要消耗大量的能源，也会产生大量的污染物。如果从短期效应来看，它违背了太阳能作为清洁能源的初衷。因此，若能有效利用太阳能光热，取消发电环节，直接将热能转换为驱动水泵工作所需的机械能，在理论上不仅有望实现更高的器械工作效率，而且可实现更彻底的太阳能清洁利用。

直接将热能转换为机械能的技术方案可以采用基于热声效应(声即压力波)的热机，例如，斯特林发动机属其中一种。该类装置因具有结构简单、理论转换效率高、采用自然工质等优点，现已成为能源动力领域的研究热点。目前国内外已开始关注基于太阳能的热声装置，其应用目标主要为热声制冷和热声发电。现有技术中，中国专利申请CN200910091166.8号、CN200910301042.8号和CN200410006860.2号等公开了利用太阳能聚焦在热声发动机或斯特林发动机上，但它们都是以输出电能而非机械能为目的。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种采用太阳能热声发动机/斯特林发动机获取机械能后直接驱动水泵系统的技术方案

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种直接把低品位的太阳能转化为水泵运转所需的机械能、无电转化的机械水泵装置。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于热声效应的自转向式太阳能驱动的机械水泵装置，包括：自转向式太阳能集热装置、热声类发动机、针对型特制水泵以及动力传输系统，其中，所述的自转向式太阳能集热装置包括菲涅耳透镜、发条牵引装置、透镜支架和集热管；其中所述菲涅耳透镜固定在所述透镜支架上，所述透镜支架的导轨可转动，所述导轨为半圆形，所述导轨的中心对应所述菲涅尔透镜的焦点；通过所述发条牵引装置，根据在一年之中不同的季节将所述导轨的转动面设置成不同的角度；所述集热管为双层真空集热管；所述热声类发动机包括热腔、散热器、冷腔和调相机构，所述热腔与所述集热管一体连接；所述针对型特制水泵包括第一、第二、第三和第四齿轮以及壳体、支架和第一皮带轮；所述动力传输系统包括与所述热声类发动机的所述调相机构相连的第二皮带轮、与所述第一齿轮同轴并一同转动的所述针对型特制水泵的所述第一皮带轮，以及在所述第一皮带轮和所述第二皮带轮间实现动力输送的皮带；其中，所述第一齿轮与所述第二齿轮相互啮合；所述第二齿轮与所述第三齿轮同轴并一同转动；所述第三齿轮和所述第四齿轮相互啮合并位于所述壳体内，在所述壳体内形成相互隔开的吸入腔和排除腔；所述壳体还具有进水管和出水管，所述进水管与所述吸入腔连通，所述出水管与所述排除腔连通；通过所述第一齿轮向所述第二齿轮传动，从而带动所述第三齿轮转动；当所述第三齿轮转动时，所述吸入腔一侧的轮齿相互脱开处的齿间容积逐渐增大，压力降低，液体在压差作用下从所述进水管进入齿间；所述第四齿轮与所述第三齿轮啮合而转动，齿与齿间的液体被带至所述排出腔；这时所述排出腔一侧的轮齿啮合处的齿间容积逐渐缩小，而将液体通过所述出水管排出。

较佳地，所述调相机构包括第一活塞、第二活塞、第一曲柄、第二曲柄、飞轮和与所述飞轮同轴并一同转动的所述第一皮带轮，以共同执行热声振荡循环；第一活塞设置在所述热腔内；所述第二活塞设置在所述冷腔内，并与所述冷腔的内壁面保持良好气密性接触，但可沿轴向移动；所述第一曲柄将所述第一活塞与所述第二皮带轮连接，所述第二曲柄将所述第二活塞与所述飞轮连接，并且，所述第一曲柄的活动连杆的末端速度与所述第二曲柄的活动连杆的末端速度之间具有90°的相位差。本发明基于热声类发动机的具体运行原理和工作方式，具体结构部件可有所不同。

较佳地，所述热声类发动机为斯特林发动机、行波热声发动机或驻波热声发动机之一。

较佳地，所述热声类发动机的所述热腔与所述太阳能集热装置的所述双层真空集热管耦合连接成一体。进一步地，所述双层真空集热管由硼硅材料制成，并涂覆有选择性吸收涂料；所述选择性吸收涂料为铝-氮/铝，涂覆的工艺为凝胶-溶胶镀膜工艺。

较佳地，所述透镜支架的导轨半径与所述热声类发动机的热端高度以及所述菲涅耳透镜的焦距相适应。进一步地，所述菲涅耳透镜的聚能功率与所述热声类发动机的设计功率相匹配，所述菲涅耳透镜的直径、焦距和纹距根据所述热声类发动机的设计功率预设；所述发条牵引装置通过两根牵引线带动，所述两根牵引线缠绕在一皮带轮上，且长度不变，一收一放，牵引所述菲涅耳透镜从45°到135°转动，确保所述自转向式太阳能集热装置在9点到15点的时间内可以进行工作。

本发明利用菲涅耳透镜聚集的太阳能作为系统热源，以热声类发动机(行波热声发动机、驻波热声发动机、斯特林发动机等)为系统动力源，然后通过动力传输机构将发动机输出的机械能传递给针对型特制水泵模块，从而实现泵水功能。本发明利用太阳能光热，取消发电环节，直接将热能转换为驱动水泵工作所需的机械能，实现更高的器械工作效率和更彻底的太阳能清洁利用。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1是本发明的一个具体实施例的结构示意图；

图2是图1所示实施例的自转向机构的原理示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明的一个具体实施例中，包括：菲涅耳透镜1、透镜支架2、透镜牵引装置3、发动机热腔4、活塞5、散热器6、发动机支架7、发动机冷腔8，排出器9、曲柄活动连杆10-11、传动轴12、皮带轮13、飞轮14、传送带15、皮带轮16、水泵支架17、传动轴18、小齿轮19、大齿轮20、齿轮21、出水管22、传动轴23、水泵外壳24、齿轮25、进水管26，

自转向机构包括转动副27，导轨28，牵引线29，发条装置30，皮带轮31，牵引线32。

如图2所示，该自转向机构的工作原理是，菲涅耳透镜1固定在透镜支架2上，透镜支架2的导轨具有可转动特性，通过发条牵引透镜装置3实现转动。发条牵引装置3的工作原理如图2所示，导轨28为半圆形，导轨中心对应菲涅尔透镜焦点，即放置集热装置的位置，支架上的转动副27可根据不同季节太阳高度角的不同而调节，菲涅尔透镜导轨可在xoy平面内转动，与竖直方向的夹角可以在0°到45°之间进行变换，其转动由发条装置30通过两根牵引线29、32带动，两根牵引线缠绕在皮带轮31上，且长度不变，一收一放，牵引透镜从45°到135°转动，确保太阳能集热装置在9点到15点可以进行工作。发条牵引装置3可根据在一年之中不同的季节将导轨转动面设置成不同的角度。

热声转换装置即发动机包括吸热部分(即热腔)4、散热器部分6以及常温部分(即冷腔)8。本发明采用的热腔管段是双层真空集热管。双层真空集热管较常见家用太阳能热水器的集热装置所采用的普通玻璃管可以减少热量同环境的交换而造成的损失。一般的普通玻璃管，内部温度最大可以加热到100～120℃左右，而换用双层真空热声管后，温度可以提升至200～250℃。涂上选择性吸收涂料后，温度又可得到很高的提升。本发明的热腔集热管中选用硼硅材料，该材料耐高温、高压、抗腐蚀性优良。选择性涂料选用铝-氮/铝(Al-N/Al)，其吸收比可达0.94，并选用凝胶-溶胶工艺进行镀膜。

通过菲涅耳透镜采集的太阳能聚焦后照射在热腔集热部分4上，振荡持续输入热量，热腔4、活塞5、散热器6、冷腔8以及排出器9组成的封闭系统联合曲柄连杆10、11以及皮带轮13、飞轮14成了斯特林循环的硬件条件，即重复执行一个等容加热、绝热膨胀、等容冷却和绝热压缩的基本热力循环，工质在发动机冷腔和热腔往复移动，通过吸收太阳能热量对外输出机械功。根据相移理论，振荡流体的压力波与位移波之间的相位差为90°时可输出最大有效功率。为了实现这个条件，两根曲柄活动连杆10、11的两个末端速度的相位差设计为90°。活塞5通过曲柄连杆11与皮带轮13连接，排出器9通过曲柄连杆10与飞轮14相连。飞轮14用做初始能量输入和能量存储，在启动时给输入一个初始外力，继而可实现发动机的持续运转，通过传动轴12带动皮带轮13做旋转运动。皮带轮13通过传送带15驱动皮带轮16转动。皮带轮16通过传动轴18驱动齿轮19，齿轮20与齿轮19啮合，齿轮21与齿轮20通过传动轴23同轴转动。齿轮21、齿轮25与泵缸把吸入腔与排除腔隔开，齿轮21传动时，吸入腔侧轮齿相互脱开处的齿间容积逐渐增大，压力降低，液体在压差作用下从进水管22进入齿间。齿轮25与齿轮21啮合而转动，齿与齿间的液体被带至排出腔。这时排出腔侧轮齿啮合处的齿间容积逐渐缩小，而将液体经出水管26排出，从而实现连续泵水功能。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (9)

1.一种基于热声效应的自转向式太阳能驱动的机械水泵装置，包括：自转向式太阳能集热装置、热声类发动机、针对型特制水泵以及动力传输系统，其中，

所述的自转向式太阳能集热装置包括菲涅耳透镜、发条牵引装置、透镜支架和集热管；其中所述菲涅耳透镜固定在所述透镜支架上，所述透镜支架的导轨可转动，所述导轨为半圆形，所述导轨的中心对应所述菲涅尔透镜的焦点；通过所述发条牵引装置，根据在一年之中不同的季节将所述导轨的转动面设置成不同的角度；所述集热管为双层真空集热管；

所述热声类发动机包括热腔、散热器、冷腔和调相机构；

所述针对型特制水泵包括第一、第二、第三和第四齿轮以及壳体、支架和第一皮带轮；所述动力传输系统包括与所述热声类发动机的所述调相机构相连的第二皮带轮、与所述第一齿轮同轴并一同转动的所述针对型特制水泵的所述第一皮带轮，以及在所述第一皮带轮和所述第二皮带轮间实现动力输送的皮带；其中，

所述第一齿轮与所述第二齿轮相互啮合；所述第二齿轮与所述第三齿轮同轴并一同转动；所述第三齿轮和所述第四齿轮相互啮合并位于所述壳体内，在所述壳体内形成相互隔开的吸入腔和排除腔；所述壳体还具有进水管和出水管，所述进水管与所述吸入腔连通，所述出水管与所述排除腔连通；

通过所述第一齿轮向所述第二齿轮传动，从而带动所述第三齿轮转动；当所述第三齿轮转动时，所述吸入腔一侧的轮齿相互脱开处的齿间容积逐渐增大，压力降低，液体在压差作用下从所述进水管进入齿间；所述第四齿轮与所述第三齿轮啮合而转动，齿与齿间的液体被带至所述排出腔；这时所述排出腔一侧的轮齿啮合处的齿间容积逐渐缩小，而将液体通过所述出水管排出。

2.如权利要求1所述的机械水泵装置，其特征在于，

所述调相机构包括第一活塞、第二活塞、第一曲柄、第二曲柄、飞轮和与所述飞轮同轴并一同转动的所述第一皮带轮，以共同执行热声振荡循环；

第一活塞设置在所述热腔内；所述第二活塞设置在所述冷腔内，并与所述冷腔的内壁面保持良好气密性接触，但可沿轴向移动；

所述第一曲柄将所述第一活塞与所述第二皮带轮连接，所述第二曲柄将所述第二活塞与所述飞轮连接，并且，所述第一曲柄的活动连杆的末端速度与所述第二曲柄的活动连杆的末端速度之间具有90°的相位差。

3.如权利要求1所述的机械水泵装置，其特征在于，所述热声类发动机为斯特林发动机、行波热声发动机或驻波热声发动机之一。

4.如权利要求1所述的机械水泵装置，其特征在于，所述热声类发动机的所述热腔与所述太阳能集热装置的所述双层真空集热管耦合为一体。

5.如权利要求4所述的机械水泵装置，其特征在于，所述双层真空集热管由硼硅材料制成，并涂覆有选择性吸收涂料。

6.如权利要求5所述的机械水泵装置，其特征在于，所述选择性吸收涂料为铝-氮/铝，涂覆的工艺为凝胶-溶胶镀膜工艺。

7.如权利要求1所述的机械水泵装置，其特征在于，所述透镜支架的导轨半径与所述热声类发动机的热端高度以及所述菲涅耳透镜的焦距相适应。

8.如权利要求7所述的机械水泵装置，其特征在于，所述菲涅耳透镜的聚能功率与所述热声类发动机的设计功率相匹配，所述菲涅耳透镜的直径、焦距和纹距根据所述热声类发动机的设计功率预设。

9.如权利要求9所述的机械水泵装置，其特征在于，所述发条牵引装置通过两根牵引线带动，所述两根牵引线缠绕在一皮带轮上，且长度不变，一收一放，牵引所述菲涅耳透镜从45°到135°转动，确保所述自转向式太阳能集热装置在9点到15点的时间内可以进行工作。