CN103776178A - 一种高效聚光及被动防护的真空管集热器 - Google Patents

一种高效聚光及被动防护的真空管集热器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高效聚光及被动防护的真空管集热器，包括联集管、多个真空管和尾托架，每一个真空管两端设置有环形导轨，该环形导轨固定于联集管及尾托架上，在真空管外设置有聚光槽，该聚光槽两端通过斜齿轮和转轮分别与环形导轨相连接，使得聚光槽绕真空管轴心线转动，在斜齿轮上还有相啮合的螺杆。聚光槽可对斜入射的太阳光进行有效收集，不需要随时跟踪太阳位置就可以达到较高的聚光比。冬季热负荷较大时，将聚光槽旋转至真空管底部，使真空管的集热效率增加，以减少单位集热面积所使用的真空管数量；夏季热负荷较小时，将聚光槽旋转至真空管顶部，防止真空管由于过热而爆裂，且保护真空管不受异物碰撞或跌落而损坏。

Description

一种高效聚光及被动防护的真空管集热器
技术领域
本发明属于太阳能的热利用技术领域，涉及对太阳能的高效利用及设备的防护问题，特别涉及一种高效聚光及被动防护的真空管集热器。
背景技术
如今太阳能集热器的使用越来越普遍，这很大程度上节约了化石能源等传统能源的使用，充分利用太阳能热能是一项符合我国可持续发展战略的技术。
目前，在太阳能光热领域大量应用的太阳能集热器产品主要有平板式集热器和真空管集热器。平板式集热器虽然容易实和建筑结合，可承压运行，便于设计安装，但因为保温性能较差，热损失大，所以一般应用于对供热温度要求较低的热水系统中，在北方寒冷地区，冬季环境温度较低时，其热损失很大且面临被冻坏的危险，所以平板集热器不能全年运行，使其应用受到了很大的限制。而真空管集热器采用高效选择性吸收涂层和真空保温技术，集热性能好，结构简单，成本低廉，易于规模化生产，所以占据了太阳能集热工程大部分的市场份额。
但由于真空管集热器由于自身结构的影响，同样有着一些缺陷。比如真空管易破损漏水导致系统瘫痪；在夏季用户的用热量较小时，集热器不需要全部运行，这就导致了部分真空管的空晒，产生过热现象，继而损坏集热器或大大缩短其使用寿命和集热效率；同时由于真空管集热器相邻管之间存在间隙，在接受太阳光照射时，有一部分太阳光透过缝隙，其热量没有被集热器所收集。而平板太阳能集热器是一个连续的平面，整个集热器表面都可以接受太阳光。真空管集热器的单位有效集热面积低使其集热效率受到一定的限制。
综上所述，如何在克服真空管集热器易破损、易过热、单位有效集热面积低的基础上更好的利用太阳能，是本领域研究人员所共同关注的热点。
发明内容
针对上述真空管集热器自身构造的缺陷，本发明的目的在于，提供一种结构简单、使用方便、具有聚光增效及防护、防过热功能的真空管集热器。
为实现上述任务，本发明所采用如下的技术解决方案：
一种高效聚光及被动防护的真空管集热器，包括联集管、多个真空管和尾托架，其特征在于，在每一个真空管两端设置有环形导轨，该环形导轨固定于联集管及尾托架上，在真空管外设置有聚光槽，该聚光槽两端通过斜齿轮和转轮分别与环形导轨相连接，使得聚光槽绕真空管轴心线转动，在斜齿轮上还有相啮合的螺杆。
根据本发明，所述的聚光槽的形状为复合抛物面，即底部具有真空管渐开线形状，侧面具有抛物线形状。
所述环形导轨上加设有滚珠轴承。
所述的聚光槽内表面覆盖有高反射率材料。如镜面铝箔或镜面不锈钢箔；
所述的斜齿轮、转轮及环形导轨的圆心与真空管中心轴线重合。
所述的环形导轨截面形状为直角梯形，所述的斜齿轮和转轮的一侧也具有直角梯形的截面形状，嵌套于环形导轨上，绕环形导轨旋转。
所述的螺杆与多个斜齿轮相啮合，转动螺杆可控制多个聚光槽同时转动。
本发明的高效聚光及被动防护的真空管集热器，带来的技术效果是：
入射阳光在复合抛物面的聚光槽中通过反射到达真空管，复合抛物面的聚光槽可对斜入射的太阳光进行有效收集，达到最大理论聚光比，性能非常接近于理想聚光器，且该装置的运行不需要随时跟踪太阳位置，只需根据季节调节方位，结构简单，操作控制方便；冬季热负荷较大时，将聚光槽旋转至真空管底部，由于复合抛物面的聚光特性，真空管间空隙漏过的太阳光被聚集并反射至真空管吸热面，使真空管的集热效率增加，且可以减少单位集热面积所使用的真空管数量；夏季热负荷较小时，将聚光槽旋转至真空管顶部，遮挡投射到真空管上的太阳光，防止真空管由于过热而爆裂，并保护真空管不受异物碰撞或跌落而损坏。
附图说明
图1为本发明的高效聚光及被动防护的真空管集热器整体结构示意图；
图2为复合抛物面聚光槽剖面图；
图3为聚光槽一端（与尾托架连接）的局部结构示意图；
图4为聚光槽另一端（与联集管连接）局部结构示意图；
图5为聚光槽处于聚光增效状态下的示意图；
图6为聚光槽处于被动防护状态下的示意图；
图7为复合抛物面聚光槽几何参数示意图；
图中标号分别表示：1、聚光槽，2、真空管，3、斜齿轮，4、螺杆，5、联集管，6、尾托架，7、环形导轨，8、转轮。
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
具体实施方式
申请人的设计思想是，在传统的真空管集热器的每个真空管外加设复合抛物面聚光槽，该聚光槽内表面覆盖镜面铝箔或镜面不锈钢箔等具有高发射率的材料。聚光槽一个端面上连接着一个斜齿轮，另一个端面上连接着一个转轮，斜齿轮和转轮的圆心与真空管的中心轴线重合。尾托架内侧安装着一根螺杆，其与聚光槽上的斜齿轮啮合，一根螺杆可控制多个齿轮，转动该螺杆可带动一组聚光槽绕真空管旋转。
参见图1、图3和图4，本实施例给出一种高效聚光及被动防护的真空管集热器的具体结构，包括联集管5、多个真空管2和尾托架6，在每一个真空管2两端设置有环形导轨7，该环形导轨7固定于联集管5及尾托架6上，在真空管2外设置有聚光槽1，该聚光槽1两端通过斜齿轮3和转轮8分别与环形导轨7相连接，使得聚光槽1绕真空管2轴心线转动，在斜齿轮3上还有相啮合的螺杆4，该螺杆4位于尾托架6一侧。
参见图2，聚光槽1为复合抛物面形状，其截面底部具有圆形真空管2的渐开线形状，侧面为抛物线形状，渐开线与抛物线光滑连接。复合抛物面聚光器是根据边缘光学原理设计成的非成像聚光器，入射阳光在复合抛物面中经过几次反射到达真空管吸热面，流失较少，还可对斜入射的阳光进行有效收集，达到最大理论聚光比，聚光性能接近理想聚光器。
参见图3，聚光槽1与尾托架6连接的一端有一孔径稍大于真空管2外径的圆孔，斜齿轮3中心也有一同样大小的圆孔，真空管2可穿过聚光槽1端面及斜齿轮3中心的圆孔，从而承插于尾托架6上。斜齿轮3幅板上开有四个螺栓孔，对应的聚光槽1底部端面上对应位置也开有四个相同孔径的圆孔，可用螺栓将斜齿轮3与聚光槽1紧固连接。
尾托架6上也有一环形导轨7，其圆心与真空管2的轴心线重合，其截面形状为直角梯形。斜齿轮3的一端面被加工成直角梯形的截面形状，可嵌套于环形导轨7上，绕环形导轨7旋转。为了减少滑动阻力，环形导轨7上可加设滚珠轴承。
参见图4，聚光槽1与联集管5连接的结构与尾托架6连接结构相类似，只是将斜齿轮3替换成了转轮8，转轮8与聚光槽1及联集管5上环形导轨7的连接方式均相同，此处不再赘述。
参见图5，为聚光槽1处于聚光增效状态下的示意图。冬季用户的用热需求较大时，可转动螺杆4，将聚光槽1旋转至真空管下方。由于聚光槽1为复合抛物面形状，其具有理想的聚光特性。投射到聚光槽1上的太阳光经过反射可被真空管2所吸收，减少了由于真空管2间距大而引起的热损失的问题，大幅度提高了真空管2的集热效率。
参见图6，为聚光槽1处于被动防护状态下的示意图。夏季，用户的用热需求较小时，集热器不需要全部运行，可转动螺杆4，将聚光槽1旋转至真空管2上方，遮挡投射到真空管2上的太阳辐射，防止真空管2空晒过热造成的爆裂，并保护真空管2不受异物碰撞或跌落而损坏。
以下通过实例对本发明做进一步的说明。
参见图7，聚光槽1为复合抛物面几何参数示意图。由于聚光槽1不能与真空管2直接接触，而且考虑到实际施工过程中存在的安装误差，所以真空管2与聚光槽1之间必须要有一定的间距。本实施例中，真空管2基圆渐开线以中轴线左右各15°为起始点，两渐开线相交于中轴线上点A处，截去位于交点A以上部分的渐开线。则聚光槽1与真空管2之间就存在了一定的安全距离。
复合抛物面关于中轴线对称，以右半部分为例，由两部分组成，其中AB线段为真空管的渐开线，BC线段为抛物线，渐开线与抛物线光滑连接。
其中：AB线段在x′-y′坐标系中的表达式为：
Figure BDA0000455389240000051
Figure BDA0000455389240000052
其中θ为接收半角。
BC线段在x′-y′坐标系中的表达式为：
Figure BDA0000455389240000061
Figure BDA0000455389240000062
其中
Figure BDA0000455389240000063
x′-y′坐标系经过逆时针15°旋转后的坐标系x-y坐标系中，上述复合抛物面表达式可左乘一个转置矩阵的逆矩阵，即
x＝x′cos15°+y′sin15°
y＝y′cos15°-x′sin15°
DB线段与CE线段作为复合抛物面的入射限制线，入射限制线与对称轴夹角θ为接收半角。当入射光线角度小于θ时，所有光线都能被反射到真空管2吸热面上；当入射光线角度大于θ时，有一部分光线就不能被发射到真空管2吸热面上。所以接收半角θ是一个关键参数，它的大小直接决定了复合抛物面的聚光比：C＝1/sinθ。本实施例中所述的θ为75°，其对应的聚光比为1.04。

Claims (8)

1.一种高效聚光及被动防护的真空管集热器，包括联集管（5）、多个真空管（2）和尾托架（6），其特征在于，在每一个真空管（2）两端设置有环形导轨（7），该环形导轨（7）固定于联集管（5）及尾托架（6）上，在真空管（2）外设置有聚光槽（1），该聚光槽（1）两端通过斜齿轮（3）和转轮（8）分别与环形导轨（7）相连接，使得聚光槽（1）绕真空管（2）轴心线转动，在斜齿轮（3）上还有相啮合的螺杆（4）。
2.如权利要求1所述的高效聚光及被动防护的真空管集热器，其特征在于，所述的聚光槽（1）的形状为复合抛物面，即底部具有真空管渐开线形状，侧面具有抛物线形状。
3.如权利要求1所述的高效聚光及被动防护的真空管集热器，其特征在于，所述环形导轨（7）上加设有滚珠轴承。
4.如权利要求1或2所述的高效聚光及被动防护的真空管集热器，其特征在于，所述的聚光槽（1）内表面覆盖有高反射率材料。
5.如权利要求4所述的高效聚光及被动防护的真空管集热器，其特征在于，所述的高反射率材料为镜面铝箔或镜面不锈钢箔。
6.如权利要求1所述的高效聚光及被动防护的真空管集热器，其特征在于，所述的斜齿轮（3）、转轮（8）及环形导轨（7）的圆心与真空管中心轴线重合。
7.如权利要求1或6所述的高效聚光及被动防护的真空管集热器，其特征在于，所述的环形导轨（7）截面形状为直角梯形，所述的斜齿轮（3）和转轮（8）的一侧也具有直角梯形的截面形状，嵌套于环形导轨（7）上，绕环形导轨（7）旋转。
8.如权利要求1所述的高效聚光及被动防护的真空管集热器，其特征在于，所述的螺杆（4）与多个斜齿轮（3）相啮合，转动螺杆（4）控制多个聚光槽（1）同时转动。
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