CN1049277C - 一种梯级升温数控太阳能锅炉 - Google Patents

Abstract

一种梯级升温数控太阳能锅炉，它有支架、反射镜、真空吸热管，其特征在于：真空吸热管安装在与圆弧反射镜圆弧焦面相切的位置，反射镜为多个，每一个反射镜相应位置上有一个真空吸热管，真空吸热管相互串联，在总输入端接有数控循环泵，有机电一体化的测控方式。使用多个真空吸热管串联的方法来达到使吸热工质得到所需要的温升，热损失少，可以得到较高品位的热量输出。采用机电一体化方式，使本发明可以方便的运行于最佳状态。

Description

一种梯级升温数控太阳能锅炉

一种梯级升温数控太阳能锅炉，它是一种太阳能转换装置，可用于各种工业及民用太阳能采集装置中，如太阳能发电等设备中。

太阳能的普及利用是当今社会所急需解决的一个重要课题之一。太阳能是一种干净、无污染和对环境几乎无影响的一种很好的一次能源，而有效和大面积普及利用太阳能对我们生存的环境和资源保护都是很有效的。但是，在太阳能利用中，最难解决的有下面两个问题。问题之一是太阳光的能流密度(在单位时间里通过单位面积的太阳光所带能量)不高，一般只有每平方米1千瓦左右。在直接利用换能器吸收时，为得到较大的输出功率，就必须使用大面积的换能元件。使用水等吸热介质换能，由于换能元件表面本身与外界也在进行热交换(对流和幅射)，产生较多的热量损失，因此换能效率不高，而且得到的是较低品位的热能。问题之二是太阳在天空中的位置是随一天中时刻不同而变化的。为提高太阳光的能流密度，可以使用各种汇集装置(如反射镜等)把太阳光集中，提高能流密度。但由于太阳在天空中位置的变化，必须使用一套跟踪装置使汇集装置的输出始终保持在换能器表面。使用跟踪装置使得太阳能换能装置的结构复杂，体积庞大，而且使用中的维护等也使装置运行成本增加。

本发明的目的是发明一种梯级升温数控太阳能锅炉，不用做跟踪运动，并可输出较高温度的中品位热能。

它有支架、反射镜、真空吸热管，反射镜为圆柱面的一部分，其圆心角接近180°，支架支持反射镜使其轴线为南北方向并使轴线与水平面的夹角等于使用地纬度值，其特征在于：真空吸热管的直径为反射镜圆柱直径的三分之一到六分之一，真空吸热管的安装轴线与反射镜的轴线平行并在反射镜圆弧中点所在半径上，在该半径上真空吸热管的下外沿距反射镜圆弧中点的距离约为二分之一反射镜圆弧半径，反射镜为多个，并排排列，在每一个反射镜相应位置上有一个真空吸热管，真空吸热管相互串联，在总输入端接有数控循环泵，在总输出端接有热交换器，热交换器吸热工质输出口与数控循环泵的输入端相连，热交换器上有传热工质输入和输出口，在传热工质输出口处有输出温度传感器，在串联的真空吸热管的总输入端处装有温度传感器，在串联的真空吸热管的总输出端处装有温度传感器，有标准工业控制介面，其内插有与温度传感器相连的测量适配模块，还插有与数控循环泵的控制端相连并对其控制的控制适配模块，标准工业控制介面通过标准串行通讯接口与可和其它设备共用的中央控制计算机相连。

附图1为本发明的结构示意图。

附图2为本发明垂直剖面图。图中R为反射镜圆弧半径，r为真空吸热管3的半径，H为真空吸热管3剖面圆心到反射镜圆弧圆心的距离。

附图3为太阳光入射角度与反射镜指向间角度不大时的光线反射示意图。

附图4为太阳光入射角度与反射镜指向间角度较大时的光线反射示意图。

附图5为反射镜在指向方向分割缩进结构示意图。

本发明的工作原理如下：

在数控循环泵4的推动下，吸热工质在各真空吸热管3和热交换器5中循环。吸热工质在真空吸热管3中通过时，吸收由真空吸热管3内壁吸收到的太阳光热量，使吸热工质的温度上升。由于真空吸热管3是串联的，吸热工质在通过每一个真空吸热管3时温度都上升一些。通过多个串联，就能得到我们所需要的温升。温度上升到所需温度的吸收工质完成吸热过程后，进入到热交换器5，在那里与传热工质进行热交换，吸热工质所吸收的太阳光热量传递给传热工质，使用传热工质输出能量。

圆弧反射镜2有对于不同入射角度的光线聚焦到二分之一圆弧半径的圆弧面上的特性。本发明所采用的真空吸热管3为圆柱形。真空吸热管3的下外沿距反射镜圆弧中点的距离约为二分之一反射镜圆弧半径。它正好处在与圆弧反射镜2的焦面圆弧相切的位置。当入射阳光相对于反射镜2方向的角度不大时，其反射后阳光聚焦位置的焦面圆弧和真空吸热管3对应圆弧差不大，真空吸热管3不要求聚焦的质量，因此有一些散交是允许的，而且也是必须的。这时，散焦后的阳光还是基本全照射在真空吸热管3表面，如附图3所示。当阳光入射角大于一定角度(如附图4所示)时，只有真空吸热管3右侧的反射镜2起作用，它的阳光反射后也还是投到真空吸热管3的表面。因此不管太阳在天空中的什么位置，照射到反射镜2的阳光都被反射到真空吸热管3的表面，而真空吸热管3的表面积小于反射镜2的表面积，因而提高了真空吸热管3表面的平均能流密度。

本发明采用圆弧反射镜和圆柱形真空吸热管，把真空吸热管安装在与圆弧反射镜圆弧焦面相切的位置，使太阳在天空中任意位置所投射的照到反射镜的阳光光线被反射后基本都投射到真空吸热管的表面。由于真空吸热管的表面积小于反射射镜2的表面积，因而提高了真空吸热管3表面的平均能流密度。这可以提高转换效率，降低成本。由于反射的阳光投射到圆弧焦面处，无需转动反射镜，它没有运动部件，结构简单，无需维护。

本发明使用多个真空吸热管串联的方法来达到使吸热工质得到所需要的温升。一方面，这可以避免由于单个真空吸热管产生大温升所带来的效率下降问题。另一方面，只有少数几个真空吸热中的吸热工质热处于高温状态，热损失少，可以在较高的效率下得到较高品位(温度)的热量输出。本发明采用由中央控制计算机、标准工业控制介面和其内所插各种测量与控制适配模块对各种测量与控制元件进行测控的机电一体化方式，使本发明可以方便的运行于最佳状态。

本发明中的真空吸热管3的数目可以是两支、三支、四支，以及十几支或是几十支，它由所需达到的温升和采热面积决定。在要求温升高，采热面积大(要求输出的功率大)时，真空吸热管3的数目也应多一些，最佳值在8-16之间，过多时，制造和连接困难，过少时单个真空吸热管3的温升增加，效率降低。

采用二次循环供热的方法是为解决高温供热时吸热工质析出有害物质结垢而使工作效率降低的问题。采用二次循环，吸热工质可以采用经过特殊处理的水等成本较高的物质，使本发明能保持长时间运行。

本发明中的多个反射镜2可以多个并排放置于支架上，还可以采用如象瓦楞铁相似的形状，采用在一个整张薄板上压制出多个凹形波面，每一个波面对应一个单体反射镜2，在本发明中，各个真空吸热管3之间的连接，应尽量短，可以采用蛇形连接，两真空吸热管3的上端连接或是下端连接。在真空吸热管3之间的连接处应使用绝热材料包覆，以减少热损失。

在本发明中，真空吸热管3可以采用市场出售的标准直形真空吸热管，也可以自制，采用双层套接蛇形管，每一个直边对应一个真空吸热管，其外层为透明玻璃，内层可以是涂有吸热材料的玻璃。也可以是通过发黑处理过的铝管或铜管，在内外管之间抽真空，以避免对流散热。

本发明中，真空吸热管3的半径可以是反射镜圆弧半径的三分之一至六分之一，太大是一种浪费。还降低了聚能效率，也不能太小，太小在太阳位置偏离反射镜指向较多时，不能保证反射阳光还能绝大多数投射到真空吸热管3的表面，其最好值为四分之一。

本发明的反射镜1可以采用在指向方向分割缩进的结构形式，如附图5所示。它把圆柱面沿轴向分割成条形，在指向方向缩进，保持反射光路不变而减少了反射镜的厚度。

在本发明中，数控循环泵4为数控三端器件驱动的液体泵。数控三端器件可以使用如专利申请号为CN91101413.6的数控三端器件，也可以使用如专利号为CN91200002的数控三端器件。数控循环泵4还可以使用如专利号为CN92209705的机电一体化数控锅炉给水泵。

在本发明中，标准工业控制介面9可以选用美国ME公司(MECHATRONICEQUIPMENT INC.)的I/O 32，或是美国OPTO 22公司的PB16AH。中央控制计算机10可以选用美国OPTO 22公司的LC4控制器，也可以选用美国ME公司的PCS-1工业过程控制工作站，还可以选用普通PC计算机。适配模块11、12和13可以采用OPTO 22公司的AD3或类似的A/D转换模块。适配模块14可选用OPTO 22公司的DF3或类似的D/F转换模块。

Claims (1)

1.一种梯级升温数控太阳能锅炉，它有支架(1)、反射镜(2)、真空吸热管(3)，反射镜(2)为圆柱面的一部分，其圆心角接近180°，支架(1)支持反射镜(2)使其轴线为南北方向并使轴线与水平面的夹角等于使用地纬度值，其特征在于：真空吸热管(3)的直径为反射镜(2)圆柱直径的三分之一到六分之一，真空吸热管(3)的安装轴线与反射镜的轴线平行并在反射镜圆弧中点所在半径上，在该半径上真空吸热管(3)的下外沿距反射镜圆弧中点的距离约为二分之一反射镜圆弧半径，反射镜(2)为多个，并排排列，在每一个反射镜(2)相应位置上有一个真空吸热管(3)，真空吸热管(3)相互串联，在总输入端接有数控循环泵(4)，在总输出端接有热交换器(5)，热交换器(5)吸热工质输出口与数控循环泵(4)的输入端相连，热交换器(5)上有传热工质输入和输出口，在传热工质输出口处有输出温度传感器(6)，在串联的真空吸热管(3)的总输入端处装有温度传感器(7)，在串联的真空吸热管(3)的总输出端处装有温度传感器(8)，有标准工业控制介面(10)，其内插有与温度传感器(6)、(7)和(8)相连的测量适配模块(11)、(12)和(13)，还插有与数控循环泵(4)的控制端相连并对其控制的控制适配模块(14)，标准工业控制介面(10)通过标准串行通讯接口与可和其它设备共用的中央控制计算机(9)相连。

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