CN104895750A - 脉冲供水外热式太阳能发动机 - Google Patents

Abstract

一种脉冲供水外热式太阳能发动机，在旋转抛物面聚光镜的中心安装加热室，在旋转抛物面的焦点处安装一个把入射光再次反射聚焦到加热室的小凹面反光镜，加热室通过高压软管与动力机连接，向加热室内脉冲供水的柱塞水泵与加热室连接。本发明制造简单，使用寿命长，成本价格低廉，热效率高，清洁环保，易于推广应用。

Description

脉冲供水外热式太阳能发动机

技术领域

本发明涉及机械工程中的动力设备，尤其涉及一种外热式太阳能发动机。

背景技术

当前世界能源危机日益严重，生态环境明显恶化，因此人们加大了对清洁环保再生能源的开发。集热温度高、便于农村每户单独使用的抛物面碟式太阳能热发电装置，要算是目前最有前途的可再生能源利用设备之一，但由于造价和运行成本过高等原因，抛物面碟式太阳能热发电装置未能被大范围推广应用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：解决上述现有技术存在的问题，而提供一种制造简单、使用寿命长、成本价格低廉、热效率高、清洁环保、易于推广应用的脉冲供水外热式太阳能发动机。

本发明采用的技术方案是：

一种脉冲供水外热式太阳能发动机，在旋转抛物面聚光镜的中心安装加热室，在旋转抛物面的焦点处安装一个把入射光再次反射聚焦到加热室的小凹面反光镜，加热室通过高压软管与动力机连接，向加热室内脉冲供水的柱塞水泵与加热室连接。

上述技术方案中，所述的加热室其周围和底面有保温层，上面有钢化玻璃盖板。

上述技术方案中，所述的动力机安装在立柱顶端的机架上，机架一端与旋转抛物面聚光镜铰接，机架另一端由仰角丝杆调节装置与旋转抛物面聚光镜连接，机架和立柱之间安装有水平旋转装置。

上述技术方案中，所述的柱塞水泵上安装有向加热室喷水雾的雾化喷嘴。

上述技术方案中，所述的旋转抛物面聚光镜以石棉水泥做基材，用预应力钢筋骨架做支撑，聚光镜凹面由玻璃镀银镜面分块嵌装。

上述技术方案中，所述的动力机采用气缸活塞式脉冲供水热气机，在其气缸盖的中央部位，安装有柱塞水泵，柱塞水泵通过喷嘴与加热室连接，气缸盖上还安装有高压软管，高压软管通过第一单向阀和第二单向阀与加热室连接。

上述技术方案中，所述的动力机采用气缸活塞式脉冲供水蒸汽机，在其气缸盖上安装高压进气阀，进气柱塞安装在高压进气阀中间，进气柱塞由凸轮、连杆、摇臂和弹簧控制，进气柱塞的上下移动控制高压进气口的开闭，柱塞水泵安装在脉冲供水蒸汽机内的凸轮上方，柱塞水泵通过第三单向阀与加热室连接。

上述技术方案中，所述的动力机采用气缸活塞式脉冲供水双缸热气机，所述的气缸活塞式脉冲供水双缸热气机具有工作气缸、输气气缸和工作活塞、输气活塞，其工作活塞与输气活塞相差180度相位角，输气气缸直径比工作气缸直径大，在输气气缸上安装有高压软管，高压软管通过第一输气阀门和第二输气阀门分别与第一加热室和第二加热室，在高压软管上还安装有喷嘴；工作气缸上也安装有高压软管，高压软管通过第一工作阀门和第二工作阀门分别与第一加热室和第二加热室连接。

在现有的旋转抛物面太阳能发电装置中，动力机大都安装在聚光镜的焦点上，并随着跟踪装置做大弧度摆动。这样重心很高，不但要求支撑杆有很好的强度，而且还挡住了投射到聚光镜上的部分阳光。本发明的动力机安装在立柱顶端的机架上，不但降低了重心，而且还能做聚光镜的配重铁之用。同时还无需大弧度摆动，只须自转就行了。本发明在抛物面聚光镜的焦点处安置了一个小凹面反光镜，不但大大的减轻了重量，而且还减少了遮挡太阳光的入射面积，同时还能再次反射聚焦，能把太阳光投射到较小的受热平面上。本发明的加热室安装在聚光镜中心位置，这对加热室的防风、保温都有很大的好处。本发明的旋转抛物面聚光镜采用石棉水泥做基材，用预应力钢筋骨架支撑，聚光镜凹面采用玻璃镀银镜面分块嵌成。石棉、水泥是廉价的建筑材料，并且不生锈不变形，因此能大大的降低聚光镜的造价。本发明还采用了特制的成型模具，在石棉水泥中，加入了预应力钢筋增强，这样不但提高了抛物面聚光镜的钢度，同时也降低了其钢材重量。

在现有的外燃机中，比如斯特林发动机，它们大都是闭式循环。即工质在封闭的容器中，加热端加热，产生压力推动活塞做功后废气不排走，而是流到冷却端进行冷却，然后再到加热端进行加热，产生压力后再次做功，如此循环。因工质是在封闭的容器内进行冷却，它的温度不可能很快冷却到容器外常温那么低。因此，本发明的关键技术在于每次做完功的废气全部被排到容器外，吸进来的新鲜冷空气通过加热后来做功。这样工质在加热前后的温差比普通闭式循环的外燃机要大得多。本发明的关键技术还在于在气缸盖中央，设置了一个柱塞水泵，活塞快到上止点时，其顶部的镶块将柱塞芯子向上推，柱塞水泵开始泵水，其泵水量能够根据加热室的温度高低来增减。该装置能在新鲜冷空气压入加热室的同时注入适量的水雾，带有水雾的混合冷空气在加热室内被高温加热后，能产生巨大的压力来推动活塞做功。

本发明设计的脉冲柱塞泵水装置，在气缸活塞的每一做功冲程，柱塞水泵都向加热室泵一次水，每一次做功冲程蒸发了多少水，柱塞水泵就通过调节装置自动的向加热室补进多少水，保持加热室内的水位在规定的高度。这样就极大缩小了加热室的体积，减少了加热室的水容量，自然也就缩短了开机时加热室内冷水的升温时间。只要有阳光照射，焦点的温度达到工作要求后，本发明能在几分钟之内便可把蒸汽压力升上来，机器就可以马上转动起来。而普通的锅炉容量大、装水多，每天太阳升起来后，即使焦点温度已达到工作要求，也要花费很长时间，才能把锅炉中冷水的温度升高，把蒸汽压力烧起来。然而利用太阳能不比烧常规能源，它不能连续工作。每当太阳下山，锅炉的蒸汽压力降下来后，就不能带动蒸汽机正常运转了。锅炉中的大量的沸水只能让它慢慢的冷却，而无法做功。为此，本发明加热室的体积和水容量做得很小，太阳下山后加热室中的水很快就冷却了，不像普通锅炉那样浪费大量的余热。本发明的高压进气阀，安装在汽缸盖的顶部，通过凸轮、连杆、摇臂和弹簧来控制其打开和关闭，十分方便可靠。由于加热室的体积很小，本发明动力机和加热室紧连在一起，并同时安装在旋转抛物面聚光镜立柱顶端的机架上，和跟踪太阳的聚光镜同步转动，由于动力机和加热室安装在一起，这样缩短了连接二者的蒸汽管道距离，减少了热能的损耗。

本发明的上述技术方案具有加工工艺简单，造价低廉，使用寿命长、无污染、清洁环保等优点，使用太阳能这个取之不尽用之不竭的新能源，节能降耗。本发明大部分零部件均已标准化，一般的内燃机生产厂家均有工装夹具进行生产加工。因此本发明是现有外燃机更新换代的最佳产品，是太阳能发热电技术的重要创新。

附图说明

图1为本发明实施例1结构示意图。

图2、图3为本发明实施例2热气机结构示意图。

其中，图2为气缸活塞下行做功状态图，图3为气缸活塞上升状态图。

图4、图5为本发明实施例3蒸汽机结构示意图。

其中，图4为气缸活塞下行做功状态图，图5为气缸活塞上升状态图。

图6为本发明实施例4双缸热气机结构示意图。

附图标注说明：

1-小凹面反光镜，2-旋转抛物面聚光镜，3-钢化玻璃盖板，4-加热室，5-保温层，6-动力机，7-仰角丝杆调节装置，8-水平旋转装置，9-机架，10-柱塞水泵，11-第一单向阀，12-喷嘴，13-第二单向阀，14-气缸，15-活塞，16-排气口，17-进气口，18-输气口，19-柱塞芯子，20-镶块，21-进气柱塞，22-高压进气口，23-排气阀杆，24-第三单向阀，25-输气活塞，26-进气门，27-第一加热室，28-第二加热室，29-第一输气阀门，30-第二输气阀门，31-第一工作阀门，32-第二工作阀门，33-工作活塞，34-排气门，35-输气气缸，36-工作气缸。

具体实施方式

参见图1，本发明实施例1为一种脉冲供水外热式太阳能发动机，包括小凹面反光镜1、旋转抛物面聚光镜2、钢化玻璃盖板3、加热室4、保温层5、动力机6、仰角丝杆调节装置7，水平旋转装置8和机架9。

它们的连接关系是：在旋转抛物面聚光镜2的焦点处，安装了一面小凹面反光镜1，在旋转抛物面聚光镜2的中心，安置了一个加热室4，并在其周围有保温层5，上面有钢化玻璃盖板3。动力机6安装在立柱顶端的机架9上，机架9一端由两个支点通过铰链与旋转抛物面聚光镜2铰接，另一端由仰角丝杆调节装置7与旋转抛物面聚光镜2连接。水平旋转装置8安装在机架和立柱之间。加热室4通过高压软管与动力机6连接。当平行阳光照射到旋转抛物面聚光镜2上时，阳光朝着箭头的方向经过两次反射和聚焦，透过钢化玻璃盖板3聚焦到加热室4上。加热室4周围设有保温层5，因此加热室具有极高的温度。当动力机6内的活塞向上止点移动时，气缸内的冷空气通过高压软管被压入加热室4，与此同时，柱塞水泵开始泵水，适量的高压冷水通过喷嘴呈雾状与冷空气一道被压入加热室4，混合空气在加热室4内一瞬间加热到很高的温度，并产生巨大的压力推动活塞向下止点移动做功。通过水平旋转装置8和仰角丝杆调节装置7，使旋转抛物面聚光镜2能自动跟踪太阳。

参见图2、图3，本发明的实施例2为一种气缸活塞式脉冲供水热气机。

如图2所示，活塞在高压空气的推动下开始下行做功，当活塞快到下止点时，排气口16被打开，已做完功的废气迅速从排气口16排出。此时曲柄将新冷空气从输气口18推入气缸14内，同时也挤走了在气缸内未排净的废气。当活塞到下止点后，本循环完成。在飞轮的惯性作用下，活塞开始上行。如图3所示，此时冷空气从进气口17吸入曲轴箱。随着活塞上升，活塞上部的气缸容积不断缩小，气缸内的冷空气被压缩，压强也逐步升高。当气压高于第一单向阀11弹簧压力时，被压缩后的冷空气朝着箭头的方向，通过第一单向阀11压入加热室4。由于加热室4的容积小于活塞的排量，进入加热室4的冷空气体积被压缩，具备一定的压强。当活塞快到上止点时，活塞顶部的镶块20顶着柱塞水泵10的柱塞芯子19向上移，柱塞水泵10的容积随之变小，里面的水被压出，高压冷水朝着箭头的方向通过喷嘴12呈雾状随着被压缩后的冷空气一道喷入加热室4，并均匀地分布到加热室4的各个角落。柱塞水泵10的每次泵水量，传感器可以根据加热室4的温度高低来进行调节。当活塞移至上止点后，柱塞水泵10本次泵水结束。由于聚焦的阳光已将加热室4照射到极高的温度，已经被压缩了的、并带有适量水雾的混合冷空气，在加热室4内瞬间被加热到很高的温度，其体积迅速膨胀，并产生巨大的压力，冲开如图2所示的第二单向阀13朝箭头的方向冲入气缸，推动活塞下行做功......。就这样周而复始，脉冲供水太阳能热气机便不停地运转起来。

参见图4、图5，本发明的实施例3为一种气缸活塞式脉冲供水蒸汽机。

如图4所示，气缸盖上安装有高压进气阀，活塞在高压蒸汽的推动下，向下移动做功，当活塞快到下止点时，高压进气阀内的进气柱塞21在凸轮的作用下向下移，高压进气口22被关闭。紧接着排气阀杆23也在凸轮的作用下向下移，排气门被打开。大量做完功的废蒸汽朝着箭头的方向开始从排气门排出，并通过冷凝器进行冷却。活塞到达下止点后，在飞轮惯性的作用下，活塞开始上行，如图5所示，此时柱塞水泵10在凸轮的作用下开始泵水，高压冷水朝着箭头的方向通过第三单向阀24射入加热室4。聚焦的太阳光朝着箭头的方向照射在加热室4上，使加热室4里面的水加热到很高的温度，产生巨大的压力来推动活塞做功。在传感器的作用下，柱塞水泵能够根据加热窒4内水位的高低来自动调节每次做功冲程的泵水量。随着活塞继续上升，气缸内的废气逐步被排尽。当活塞快到上止点时，排气阀杆23在弹簧的作用下向上移，排气门被关闭。活塞到达上止点后，如图4所示，进气柱塞21也在弹簧的作用下向上移，高压进气口22被打开。此时加热室4内的高压蒸汽通过高压进气口22喷入气缸，巨大的压力推动活塞向下移动做功......。就这样周而复始的循环，本气缸活塞式脉冲供水蒸汽机便可不停地运转起来。

参见图6，本发明的实施例4为一种气缸活塞式脉冲供水双缸热气机。

如图6所示，当输气活塞25向上移动时，进气门26和第二输气阀门30同时关闭，此时第一输气阀门29打开，在柱塞水泵的作用下，适量的冷水朝着箭头的方向通过喷嘴12被雾化，并与被压缩的冷空气一道通过第一输气阀门29压入第一加热室27。输气活塞25到达上止点后，第一输气阀门29关闭，进气门26打开，输气活塞25开始下行，此时新鲜冷空气开始从进气门26吸入输气气缸35。工作活塞33与输气活塞25相差180度相位角。当工作活塞33上行时，第一工作阀门31和第二工作阀门32均关闭，排气门34打开，此时已做完功的废气从排气门34排走。当工作活塞33到达上止点后，排气门34关闭，第一工作阀门31打开，此时已被第一加热室27加热到具有很高压力的混合空气。从第一加热室27通过第一工作阀门31冲入工作气缸36，推动工作活塞33下行做功。当工作活塞33到达下止点后，由于飞轮的惯性，又开始上行。此时，第一工作阀门31关闭，排气门34打开，已做完功的废气开始从排气门34排走。在工作活塞33下行做功时，输气活塞25开始上行压气，此时进气门26、第一输气阀门29均关闭，第二输气阀门30打开，在柱塞水泵的作用下，带有水雾的新鲜冷空气，通过第二输气阀门30被压入第二加热室28，进行加温，等待下一冲程使用。当输气活塞25到达上止点后，第二输气阀门30关闭，进气门26打开，随着输气活塞25下行，新鲜冷空气开始从进气门26吸入输气气缸35。与此同时工作活塞33开始上行。此时排气门34打开，做完功的废气从这里排出。当工作活塞33到达上止点后，排气门34关闭，第二工作阀门32打开，已被加热的高温高压混合气，从第二加热室28通过第二工作阀门32冲入工作气缸36，推动工作活塞33下行做功......。这样周而复始，本台脉冲供水双缸热气机便不停地运转起来。

本实施例的关键技术在于，同时采用了两个加热室，使混合冷空气在加热室内的时间可延长一倍。本实施例还设计了两个气缸，并且加大了输气气缸的直径。这样就增加了压入加热室的冷空气数量，同时又延长了加热时间，这样就能产生更大的爆发力来推动工作活塞做功。

Claims (8)

1.一种脉冲供水外热式太阳能发动机，其特征在于，在旋转抛物面聚光镜的中心安装加热室，在旋转抛物面的焦点处安装一个把入射光再次反射聚焦到加热室的小凹面反光镜，加热室通过高压软管与动力机连接，向加热室内脉冲供水的柱塞水泵与加热室连接。

2.根据权利要求1所述的脉冲供水外热式太阳能发动机，其特征在于，所述的加热室其周围和底面有保温层，上面有钢化玻璃盖板。

3.根据权利要求1所述的脉冲供水外热式太阳能发动机，其特征在于，所述的动力机安装在立柱顶端的机架上，机架一端与旋转抛物面聚光镜铰接，机架另一端由仰角丝杆调节装置与旋转抛物面聚光镜连接，机架和立柱之间安装有水平旋转装置。

4.根据权利要求1所述的脉冲供水外热式太阳能发动机，其特征在于，所述的柱塞水泵上安装有向加热室喷水雾的雾化喷嘴。

5.根据权利要求1所述的脉冲供水外热式太阳能发动机，其特征在于，所述的旋转抛物面聚光镜以石棉水泥做基材，用预应力钢筋骨架做支撑，聚光镜凹面由玻璃镀银镜面分块嵌装。

6.根据权利要求1所述的脉冲供水外热式太阳能发动机，其特征在于，所述的动力机采用气缸活塞式脉冲供水热气机，在其气缸盖的中央部位，安装有柱塞水泵，柱塞水泵通过喷嘴与加热室连接，气缸盖上还安装有高压软管，高压软管通过第一单向阀和第二单向阀与加热室连接。

7.根据权利要求1所述的脉冲供水外热式太阳能发动机，其特征在于，所述的动力机采用气缸活塞式脉冲供水蒸汽机，在其气缸盖上安装了高压进气阀，进气柱塞安装在高压进气阀中间，进气柱塞由凸轮、连杆、摇臂和弹簧控制，进气柱塞的上下移动控制高压进气口的开闭，柱塞水泵安装在脉冲供水蒸汽机内的凸轮上方，柱塞水泵通过第三单向阀与加热室连接。

8.根据权利要求1所述的脉冲供水外热式太阳能发动机，其特征在于，所述的动力机采用气缸活塞式脉冲供水双缸热气机，所述的气缸活塞式脉冲供水双缸热气机具有工作气缸、输气气缸和工作活塞、输气活塞，其工作活塞与输气活塞相差180度相位角，输气气缸直径比工作气缸直径大，在输气气缸上安装有高压软管，高压软管通过第一输气阀门和第二输气阀门分别与第一加热室和第二加热室，在高压软管上还安装有喷嘴；工作气缸上也安装有高压软管，高压软管通过第一工作阀门和第二工作阀门分别与第一加热室和第二加热室连接。