CN105241088B - 太阳自动跟踪系统及带跟踪聚光的太阳能吸附制冷装置 - Google Patents

太阳自动跟踪系统及带跟踪聚光的太阳能吸附制冷装置 Download PDF

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Abstract

太阳自动跟踪系统及带跟踪聚光的太阳能吸附制冷装置，属于吸附制冷和太阳能利用技术领域。该装置采取基于南北倾斜式的抛物槽式太阳能集热器的太阳自动跟踪系统，通过抛物槽的自动转动，将太阳光照实时地汇集到集热管吸附床上。集热的目的在于为吸附制冷系统提供充足的驱动热量。本太阳跟踪系统采用蜗杆传动箱结构方式，通过蜗杆传动箱手动/自动控制抛物槽转轴的转动来实现对太阳位置的跟踪。同时可以定期手动微调抛物槽集热器的转轴与地面的夹角，使太阳光线尽可能地垂直照射抛物槽集热器。该装置聚光效率高，能够快速达到系统脱附所需的温度。另外，冷却方式采用循环水冷却，能够使脱附后的吸附床快速冷却，有利于缩短循环时间，提高制冷效率。

Description

太阳自动跟踪系统及带跟踪聚光的太阳能吸附制冷装置
技术领域
本发明涉及一种自动聚焦抛物槽式太阳能集热管吸附床装置，通过抛物槽的自动跟踪转动，将太阳光照实时地汇集到集热管上，为吸附制冷系统提供充足的驱动热量。该装置属于吸附制冷和太阳能利用技术领域。
背景技术
随着能源和环境问题与社会经济发展的矛盾日益突出，新能源和可再生能源经过多年的发展已经在世界能源结构中占据一席之地，并且受到各国政府的广泛重视。太阳辐射能是迄今为止世界上最大和最丰富的永久性清洁能源。我国太阳能丰富和较丰富的地区占我国领土总面积的三分之二以上，太阳能每年辐射到我国领土上的总量相当于17000亿吨标准煤。许多国家的能源政策都提出利用新能源或者可再生能源的环境友好型系统代替传统的制冷系统。吸附式制冷因采用无氟利昂的制冷剂，能够直接由太阳能和工业余热等低品位能源驱动，是一种环境友好的制冷技术，具有广阔的发展前景。
吸附床是太阳能吸附式制冷系统的主要部件，吸附床单位时间内的吸热量或散热量对系统的脱附及吸附过程起着重要影响。一方面，在脱附过程中应提高吸附床的吸热量，另一方面，在吸附过程中应提高吸附床的散热量。这对于提高太阳能吸附式制冷系统的性能意义重大。
目前，国内外以太阳能为驱动热源的吸附式制冷系统的研究已取得阶段性成果，但与商业化运行还有一段距离。其主要原因是其制冷周期过长，制冷系数低，成本过高。
发明内容
针对吸附制冷系统吸附床集热效率低，脱附困难而导致循环周期长的问题，本发明旨在提出一种自动聚焦抛物槽式太阳能集热管吸附床一体化装置，该装置组成的吸附制冷系统集热效率高，操作方便，能够满足脱附过程所需的热量供应，从而缩短制冷循环时间。
本发明采取抛物槽式的太阳自动跟踪系统，通过抛物槽的自动转动，将太阳光照实时地汇集到集热管吸附床上，以保证为吸附制冷系统提供充足的热量。
为此本发明提出了基于南北放置的太阳自动跟踪系统。如图1所示，太阳自动跟踪系统主要由抛物槽集热器(1)、丝杠(2)、丝杠螺母(4)、抛物槽转轴(5)、手动轮、蜗杆传动箱(9)和电机装置(10)组成；抛物槽集热器(1)中的抛物槽转轴(5)南北方向、上下倾斜布置，使得抛物槽集热器(1)每天自东向西跟踪太阳转动。另外，依照太阳高度角随季节的变化适当地调整丝杠螺母(4)的高度，以保证太阳光线最大限度地垂直于抛物槽转轴(5)。
抛物槽转轴(5)的一端与蜗杆传动箱(9)连接；
本太阳自动跟踪系统的设计方案中采用蜗杆传动箱结构方式。蜗杆传动箱内部结构如图2所示，包括第一手动轮(6)、手动/自动转换把手(13)、蜗杆(14)、蜗轮轴(15)、导线(16)、限位挡块(17)、硬限位及行程开关座(18)、主动齿轮(19a)、被动齿轮(19b)，主动齿轮(19a)依次与箱体外部电机装置(10)中的减速器(12)和步进电机(11)连接；通过蜗杆的转动实现对太阳位置的跟踪。系统选用单级普通圆柱蜗杆传动，蜗杆上置，传动比为1:50。蜗杆(14)一端连接第一手动轮(6)，另一端连接被动齿轮(19b)，该被动齿轮与手动/自动转换把手(13)相连；蜗杆(14)中间部位有一段丝杠，丝杠与蜗轮轴(15)上的齿轮啮合，蜗轮轴上设置限位挡块(17)，限位挡块(17)左右两端分别设置一个硬限位及行程开关座(18)，涡轮轴输出端外部同轴固定连接抛物槽转轴(5)；当将手动/自动转换把手(13)扳到手动档时，从动齿轮(19b)和减速器(12)输出端的主动齿轮(19a)脱开啮合，再通过转动第一手动轮(6)就可实现抛物槽转动的手动控制；当将手动/自动转换把手扳到自动档时，从动齿轮(19b)和减速器(12)输出端的主动齿轮(19a)进入啮合，通过单片机控制步进电机转动，就实现抛物槽转动的自动控制模式。螺杠装置可实现反向自锁，硬限位及行程开关用于控制抛物槽转轴正反向转动时的限位。每个硬限位及行程开关座均通过导线与控制系统连接，控制系统用于控制抛物槽转轴(5)的转动，当限位挡块(17)接触左右任意一个硬限位及行程开关座(18)时，系统将自动报警，抛物槽集热器立即停止转动。
如图3所示，抛物槽转轴(5)的另一端，第二手动轮(6’)连接金属丝杠(2)，金属丝杠(2)与丝杠螺母(4)啮合，丝杠螺母(4)通过内部安装有深沟球轴承的上轴套(20)与抛物槽转轴(5)连接；当转动第二手动轮(6’)使丝杠螺母在金属杆上下移动时，就会带动抛物槽转轴上下移动，从而调节抛物槽转轴与地面的夹角达到所需的角度。
基于上述太阳自动跟踪系统的太阳能吸附制冷装置，其特征在于，在抛物槽转轴(5)上设有吸附床支撑架(3)，真空管吸附床(21)通过吸附床支撑架(3)置于抛物槽集热器(1)的聚焦线上，真空管吸附床(21)的真空管分别通过管路与冷凝器(25)和蒸发器(27)连接；
真空管吸附床(21)内部管路依次通过管路与循环水泵(29)、水箱(30)连通并形成循环水路(28)；
首先手动调节抛物槽集热器(1)的方位，并通过第二手动轮(6)微调抛物槽集热器的转轴与地面的夹角，以使太阳光线能够垂直照射抛物槽集热器。过程开始时，冷凝器(25)和蒸发器(27)的管路全部呈关闭状态，真空管吸附床(21)内充满了已经吸附饱和的吸附剂；呈密闭状态的真空吸附床在抛物槽集热器(1)的加热作用下温度快速升高，导致制冷剂获得能量从吸附剂表面脱附，同时床内压力升高；当压力达到冷凝温度对应的饱和压力时，打开冷凝器(25)管路，制冷剂蒸汽通过管路进入冷凝器(25)冷凝；当真空吸附床(21)内压力与冷凝器(25)中压力相等时，关闭冷凝器(25)管路，脱附过程结束。
脱附过程完成后对真空吸附床(21)用遮阳布进行遮阳处理，同时打开循环水路(28)对吸附床进行强制水冷，导致吸附床(21)内温度和压力降低；当压力下降至蒸发温度对应的饱和压力时，打开蒸发器(27)管路，蒸发器(27)内的制冷剂液体将大量地蒸发吸热，致使蒸发器(27)外的水箱(26)内的水温下降，产生制冷效果；蒸发出来的制冷剂蒸汽逐渐进入真空吸附床(21)被吸附，当真空吸附床(21)内压力与蒸发器(27)内压力相等时，关闭蒸发器(27)管路，吸附过程结束，开始下一个脱附过程。
由于按照天文公式计算出的正午时分的太阳高度角每天最大变化量不到1度，因此可以定期通过手动轮微调抛物槽集热器的转轴与地面的夹角，以使太阳光线尽可能地垂直照射抛物槽集热器。通过分析可知，抛物槽集热器的南北转轴与地面的夹角等于当地纬度角减去赤纬角。
本系统采用的太阳自动跟踪系统抛物槽转轴南北方向倾斜布置，倾角根据不同季节进行调整。此外，根据太阳方位角的变化使抛物槽集热器绕南北转轴自东向西转动跟踪太阳，将太阳光照实时地汇集到集热管吸附床上，使吸附床快速升温并保持较高的温度，从而达到使系统尽快脱附的目的，进而缩短制冷循环时间。定期通过手动转动的手轮来微调抛物槽集热器的转轴与地面的夹角，以适应某季节的太阳高度角，使太阳光线尽可能地垂直照射抛物槽集热器。循环水路能快速冷却脱附完成后的吸附床，使系统尽快进入吸附阶段，水冷的冷却效果明显，由此缩短制冷循环时间，提高制冷效率。
附图说明
图1太阳能自动跟踪系统整体结构示意图；
图2蜗杆传动箱内部结构示意图；
图3抛物槽倾角调节结构示意图；
图4太阳能固体吸附式制冷系统图；
图5抛物槽聚光对吸附床内平均温度的影响；
图6水冷和风冷对吸附床冷却速度的影响对比图；
图中，1.抛物槽集热器，2.丝杠，3.吸附床支撑架，4.丝杠螺母，5.抛物槽转轴，6.第一手动轮，6’第二手动轮，7.支架，8.脚轮，9.蜗杆传动箱，10.电机装置，11.步进电机，12.减速器，13.手动/自动转换把手，14.蜗杆，15.蜗轮轴，16.导线(连接控制系统)，17.限位挡块，18.硬限位及行程开关座，19a.主动齿轮，19b.被动齿轮，20.上轴套(内安装有深沟球轴承)，21.真空吸附床，22.压力传感器(测吸附床内压力)，23.压力传感器(测蒸发/冷凝器压力)，24.真空泵(对系统抽真空处理)，25.冷凝器，26.绝热水箱，27.蒸发器，28.循环水路，29.循环水泵，30.水箱，a、b、c、d.阀门
具体实施方式
下面结合实例及附图对本发明做进一步说明，但并不限于以下实施例。
实施例1
太阳能自动跟踪系统整体结构示意图见图1
蜗杆传动箱内部结构示意图见图2；抛物槽倾角调节结构示意图见图3；太阳能固体吸附式制冷系统图见图4。
太阳能吸附式制冷的原理为以某种具有多孔性的固体作为吸附剂，某种容易凝结的气体作为制冷剂，形成吸附制冷工质对。在固体吸附剂发生吸附的同时，液态制冷剂不断地蒸发成可供吸附的气体，蒸发过程从外界吸热实现制冷。吸附饱和后利用太阳能加热使其解吸。本专利即为一种太阳能驱动的吸附式制冷系统。该系统通过抛物槽集热器将太阳光汇聚在焦线上，在焦线上安装太阳能真空管吸附床，它能够有效地吸收聚焦后的太阳能。吸附床的冷却方式采用循环水冷却，与空气冷却方式相比，它有利于缩短循环时间，提高制冷效率。
实验开始前，首先手动调节抛物槽集热器(1)的方位，并通过手动轮(6)微调抛物槽集热器的转轴与地面的夹角，以使太阳光线能够垂直照射抛物槽集热器。过程开始时，阀门a、b、c、d全部呈关闭状态，吸附床(21)内充满了已经吸附饱和的吸附剂。床内部布置9个温度测点以测量吸附床内温度。呈密闭状态的吸附床在跟踪式聚光器的加热作用下温度快速升高，导致制冷剂获得能量从吸附剂表面脱附，同时床内压力升高。当压力达到冷凝温度对应的饱和压力时，打开阀门a、c，制冷剂蒸汽通过管路进入冷凝器(25)冷凝。当吸附床(21)内压力与冷凝器(25)中压力相等时，关闭阀门a、c，脱附过程结束。
脱附过程完成后对吸附床(21)用遮阳布进行遮阳处理，同时打开连接冷却铜管的循环水路(28)对吸附床进行强制水冷，导致吸附床(21)内温度和压力降低。当压力下降至蒸发温度对应的饱和压力时，打开阀门a、b，蒸发器(27)内的制冷剂液体将大量地蒸发吸热，致使水箱(26)内的水温下降，产生制冷效果。蒸发出来的制冷剂蒸汽逐渐进入吸附床(21)被吸附，当吸附床(21)内压力与蒸发器(27)内压力相等时，关闭阀门a、b，吸附过程结束，开始下一个脱附过程。
图5对比了有无抛物槽聚光情况下吸附床内平均温度随时间的变化曲线。由图可得，在起始温度相同的情况下，太阳照射时间同为1000s作对比，尽管无抛物槽情况下太阳辐射强度较高(930-950W/m2)，有抛物槽情况下太阳辐射强度较低(770-820W/m2)，但是温升幅度后者明显高于前者。可见抛物槽具有很好的聚光效果，能够使系统快速达到脱附所需的温度，这样就有利于缩短吸附制冷循环时间。
采用水循环的冷却方式来对吸附床进行快速冷却，是本专利装置的另一特色。由于水的对流换热能力大大高于空气的换热能力，因此冷却速度得以明显改善，见附图6。在30min内水冷引起吸附床内4号测点的温度下降速率非常明显，从初始的126℃左右快速下降到70℃以下。

Claims (6)

1.基于南北放置的太阳自动跟踪系统，其特征在于，太阳自动跟踪系统主要由抛物槽集热器(1)、丝杠(2)、丝杠螺母(4)、抛物槽转轴(5)、手动轮、蜗杆传动箱(9)和电机装置(10)组成；抛物槽集热器(1)中的抛物槽转轴(5)南北方向、上下倾斜布置，使得抛物槽集热器(1)每天自东向西跟踪太阳转动；抛物槽转轴(5)的一端与蜗杆传动箱(9)连接；
蜗杆传动箱包括第一手动轮(6)、手动/自动转换把手(13)、蜗杆(14)、蜗轮轴(15)、导线(16)、限位挡块(17)、硬限位及行程开关座(18)、主动齿轮(19a)、被动齿轮(19b)，主动齿轮(19a)依次与箱体外部电机装置(10)中的减速器(12)和步进电机(11)连接；通过蜗杆的转动实现对太阳位置的跟踪；蜗杆(14)一端连接第一手动轮(6)，另一端连接被动齿轮(19b)，该被动齿轮与手动/自动转换把手(13)相连；蜗杆(14)中间部位有一段丝杠，丝杠与蜗轮轴(15)上的齿轮啮合，蜗轮轴上设置限位挡块(17)，限位挡块(17)左右两端分别设置一个硬限位及行程开关座(18)，涡轮轴输出端外部同轴固定连接抛物槽转轴(5)；当将手动/自动转换把手(13)扳到手动档时，从动齿轮(19b)和减速器(12)输出端的主动齿轮(19a)脱开啮合，再通过转动第一手动轮(6)就可实现抛物槽转动的手动控制；当将手动/自动转换把手扳到自动档时，从动齿轮(19b)和减速器(12)输出端的主动齿轮(19a)进入啮合，通过单片机控制步进电机转动，就实现抛物槽转动的自动控制模式；每个硬限位及行程开关座均通过导线与控制系统连接，控制系统用于控制抛物槽转轴(5)的转动，当限位挡块(17)接触左右任意一个硬限位及行程开关座(18)时，系统将自动报警，抛物槽集热器立即停止转动；
抛物槽转轴(5)的另一端，第二手动轮(6’)连接金属丝杠(2)，金属丝杠(2)与丝杠螺母(4)啮合，丝杠螺母(4)通过内部安装有深沟球轴承的上轴套(20)与抛物槽转轴(5)连接；当转动第二手动轮(6’)使丝杠螺母在金属杆上下移动时，就会带动抛物槽转轴上下移动，从而调节抛物槽转轴与地面的夹角达到所需的角度。
2.按照权利要求1所述的基于南北放置的太阳自动跟踪系统，其特征在于，依照太阳高度角随季节的变化适当地调整丝杠螺母(4)的高度，以保证太阳光线最大限度地垂直于抛物槽转轴(5)。
3.按照权利要求1所述的基于南北放置的太阳自动跟踪系统，其特征在于，太系统选用单级普通圆柱蜗杆传动，蜗杆上置，传动比为1:50。
4.按照权利要求1所述的基于南北放置的太阳自动跟踪系统，其特征在于，抛物槽集热器南北放置的抛物槽转轴(5)与地面的夹角等于当地纬度角减去赤纬角。
5.基于权利要求1-4任一项所述的太阳自动跟踪系统的太阳能吸附制冷装置，其特征在于，在抛物槽转轴(5)上设有吸附床支撑架(3)，真空管吸附床(21)通过吸附床支撑架(3)置于抛物槽集热器(1)的聚焦线上，真空管吸附床(21)的真空管分别通过管路与冷凝器(25)和蒸发器(27)连接；真空管吸附床(21)内部管路依次通过管路与循环水泵(29)、水箱(30)连通并形成循环水路(28)。
6.权利要求5所述的太阳能吸附制冷装置的运行方法，其特征在于；首先手动调节抛物槽集热器(1)的方位，并通过第二手动轮(6)微调抛物槽集热器的转轴与地面的夹角，以使太阳光线能够垂直照射抛物槽集热器；过程开始时，冷凝器(25)和蒸发器(27)的管路全部呈关闭状态，真空管吸附床(21)内充满了已经吸附饱和的吸附剂；呈密闭状态的真空吸附床在抛物槽集热器(1)的加热作用下温度快速升高，导致制冷剂获得能量从吸附剂表面脱附，同时床内压力升高；当压力达到冷凝温度对应的饱和压力时，打开冷凝器(25)管路，制冷剂蒸汽通过管路进入冷凝器(25)冷凝；当真空吸附床(21)内压力与冷凝器(25)中压力相等时，关闭冷凝器(25)管路，脱附过程结束；
脱附过程完成后对真空吸附床(21)用遮阳布进行遮阳处理，同时打开循环水路(28)对吸附床进行强制水冷，导致吸附床(21)内温度和压力降低；当压力下降至蒸发温度对应的饱和压力时，打开蒸发器(27)管路，蒸发器(27)内的制冷剂液体将大量地蒸发吸热，致使蒸发器(27)外的水箱(26)内的水温下降，产生制冷效果；蒸发出来的制冷剂蒸汽逐渐进入真空吸附床(21)被吸附，当真空吸附床(21)内压力与蒸发器(27)内压力相等时，关闭蒸发器(27)管路，吸附过程结束，开始下一个脱附过程。
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