CN1052937A - 通用聚焦式太阳能收集和利用装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供采用玻璃夹套和吸热液体制造的集 热元件、一种势能可控驱动的太阳光跟踪装置、用热 管汇集各集热装置热能以提高太阳能能量密度的技 术和一种能与各种应用装置匹配的夹套式热管工业 盐类蓄热元件以及用它们制造的各种太阳能集热和 利用装置包括太阳能开水器和太阳能炊具等。它们 具有使用方便、造价低、热效率和输出温度高、可使用 干电和应用范围广等优点，还提供了用太阳热能工作 的蒸馏装置、蒸汽喷射应用装置、海水淡化装置和净 水装置。

Description

本发明涉及聚焦式太阳能加热及应用装置、净水装置和热管。

太阳，为地球上万物生长提供光和热，使地球上出现了人类、村庄和城市。为了人类的利益，应更多更有效地利用太阳能。目前应用较多的平板式太阳能热水器夏季在阳光下闷晒一天后能提供60℃左右的热水。相比之下，用聚焦式太阳能集热装置可获得应用范围更广的高温热源。但现有的聚焦式集热装置由于跟踪装置等部件制造复杂造价昂贵而未能普及;另一方面，在其应用中又遇到太阳能能量密度低和光照强度的随机性和规律性变化等问题。事实上，在寻找理想的吸热材料和制造可广泛应用的各种高温和高效率集热元件和聚焦式太阳能利用装置方面进展还不快。有一种板翅式热管真空集热元件，以玻璃和金属相焊接来制造集热元件的真空隔热层并以此解决吸热层的防湿和抗氧化问题，它输出温度高但功率小且造价昂贵;还有一种小口径直筒式玻璃管真空集热元件，但它工作温度低并且无法适应高温热冲击和克服内外管之间较大的热应力，它的端口橡皮塞密封性也较差;有一种用工业盐类作太阳能集热装置蓄热材料的探讨，但并未解决实际应用问题;用增加单个集热装置的采光面积来提高太阳能能量密度则在制造、安装和防风等方面都遇到很大的困难。

本发明的目的之一是提供一种势能可控驱动式太阳光跟踪装置。

其解决方案为：用转动副或弧形轨道移动副约束作为负载的采光板，用一个由弹性元件或重物组成的势能蓄能机构作驱动能源并用一个按其安装位置可输出反映采光板与阳光之间相对照射角超差等信号的光电元件或控制信号估计器、一个电动释阻机构、一个控制电路及机架等部件组成一个通过对势能驱动的负载或有关传动部件提供间歇性消失的阻力来实现使采光板跟踪阳光照射角等变化的装置。

附图1为一种势能可控驱动装置的工作原理图。由图可见，当对齿条1作用一个足够大的向左的力时，齿条1将因弧形轨道移动副2的约束作逆时针方向转动并通过皮带3带动发条盘4使其顺时针转动，同时因磨擦使与发条盘4端面接触的拔杆5逆时针转动并带动常阻片6顺时针转动而与齿条1脱离，齿条1运动不受影响，负载因此置位。发条盘4也因此获得势能并蓄之以供驱动负载。以后，线圈7每一次得电，都可通过衔铁8使常阻片6向左跳过一齿，这使齿条1在发条势能驱动下开始作顺时针转动但因暂阻片9阻挡，齿条1右移不到一个齿距;线圈7失电时，暂阻片9退回。齿条1继续转动行满一个齿距后重又被常阻片6阻挡而静止。这过程可重复从而使齿条1驱动负载按控制要求动作。这里，常阻片6、暂阻片9、线圈7和衔铁8为电动释阻机构的主要部件。

附图2为一种势能可控驱动式太阳光跟踪装置框图。它可帮助设计和分析跟踪装置的特性。由图可见，其输入为阳光照射角，并可输入风力传感器提供的风力报警信号以及其它控制信号。输出为采光板转动角。带负反馈环节。这种装置也可用于太阳高度角的跟踪以及非东西向和非南北向布置的槽状抛物聚焦反射板等负载的太阳高度角和照射角的综合跟踪。

本发明的目的之二是提供以玻璃夹套为基础的集热元件、特别是使用吸热液体的集热元件。

其解决方案为：用透明玻璃、特别是无色透明玻璃一体烧结制成具有通过端口与外界连通的中空部分的密封夹套，中空部分可用于容纳被加热物体称为加热空间，夹套两壁之间抽成真空并按具有使旋转抛物面聚焦反光部件汇聚的光线具有极小入射角的球冠状外表面或具有使槽状抛物面聚焦反光部件汇聚的光线具有极小入射角的管状或柱面状外表面而分为球冠状真空隔热元件和管状真空隔热元件，元件各表面按工作状态下是否受到聚焦光线照射分为受光和非受光部位，要求受光部位各表面除腰接处外平整并具有良好的透光性、真空隔热层薄而均匀;为提高隔热效果可在其非受光部位各表面加工反光层或绝热涂层，排气封口可用于帮助固定;这些隔热元件与吸热物体适当组合构成聚焦式球冠状或管状真空集热元件;从聚焦反光部件汇聚的光穿过集热元件的真空隔热层到达吸热物体变为热能再传给被加热物体或通过热管输出;在某些情况下，直接由被加热物体或传热媒质充当吸热物体。要求集热元件的吸热物体或加热空间具有球冠状或管状或柱面状的外表面或分布形式，这些集热元件包括如下5种形式：（一）.管状隔热元件具有较大直径的加热空间和端口但不含吸热层。较大的直径较容易置入待烘干或待作其它处理的物体及有关工装夹具;（二）.隔热元件与插入其加热空间的物体直接或通过塑料缓冲接口以螺纹连接。元件为管状时不含吸热层;（三）.隔热元件通过与其连接或粘接的过渡金属管与插入其加热空间的物体相连接，包括焊接并形成封闭的集热空间，这种封闭的集热空间常配备安全阀以防过压使元件损坏或配备排气管用于抽空和灌装吸热液体。采用吸热液体时还可使用浸入吸热液体的球冠状或管状或柱面状的弹性芯网结构使在隔热元件端口较小的条件下仍保持较大的、使光线具有极小入射角的受光面积;（四）.再用一层玻璃或玻璃盘管或波纹管与隔热元件的内层玻璃组成一个封闭的空间并以此真空封装吸热液体，这封闭的空间可以封死，也可在其排气管上安装安全阀。这种双夹套或类似双夹套的集热元件仍可有容纳被加热物体的加热空间;（五）.在隔热元件由外往里数第三层表面的受光部位加工吸热涂层或镀层。元件为管状包括采用一端为自由封闭端并辅以穿过加热空间的传输管的形式时，须在其内管串接小段波纹管或盘管并采用收小的端口和可外套橡皮管的防滑接口使元件具有较强的抵抗高温热冲击和内外管应力的能力并增强接口的密封性和可靠性减小散热面积。这种管状元件的内壁也可整段变形为玻璃盘管或波纹管;插入管状隔热元件的物体以及两玻管之间可用弹簧片或垫圈帮助固定;吸热液体是指在集热元件工作温度范围吸热物体为液态，它包括金属、合金和盐类等。较重要的有炭黑染色的高沸点石油溜份及动植物油;吸热液体可分为液相传热和汽液两相传热两大类。前者工作时蒸汽压一般小于03大气压，因此蒸汽泄漏少;后者工作时蒸汽压一般不超过1个大气压，它具有丰富的内容和许多优良的传热特性。

附图3至8分别描述了本发明的6个实施例。附图3为一种直筒式真空管状集热元件正视。隔热元件1用两层玻管烧结成有两个端口的形式，具有薄而均匀的真空隔热层5。两玻管之间用金属弹簧片2帮助固定，金属弹簧片牢固、省工、不影响真空度并耐高温。弹簧片沿圆周方向不封闭可减少对受光面的遮光面积。阳光穿过元件的真空隔热层5在其加热空间的吸热物体3上变为热能。元件1也可制成一端封闭或两个端口直径不同的形式。还可串联使用以得到足够的长度。元件1与插入其加热空间的物体3可直接或通过塑料缓冲接口4以螺纹连接。缓冲接口4可看作元件1与物体3之间的垫圈，它还用于元件1串接处的密封。附图4为一种双端口涂层式管状集热元件的正视。图中真空隔热元件1由两根玻管制成有两个收小的端口的形式并采用两个可外套橡皮管的防滑接口3和4，其内管串接一小段盘管2，吸热涂层为内管外表即由外往里数第三层表面的墨迹5;其外径50mm，长2米。它可用于制造太阳能开水器;附图5是双夹套单端接口液体式管状集热元件的正视。它采用各玻管之间单端连接，另一端为不与其它管子连接的自由封闭端结构并在内夹套接口处串接一段波纹管6，其内外夹套2和1分别用于封装吸热液体3和真空隔热;待加热液体从一根穿过元件加热空间、一端用橡皮管5与集热元件直口连接，另一端插入元件底的传输管4流进加热空间再从元件弯口流出。图中虚线标出长度为L的一段因存在热交换作用称为预热段，它使进入加热空间的水预热并使已烧开的水温度降低以增加集热装置的开水供应量;附图6是一种双夹套液体式球冠状集热元件。具有薄而均匀的真空隔热层2，其内夹套由盘管3与夹套1内壁组成，加热物体从盘管8中流过;球冠状元件可用在直径最大处腰接或装入盘管及内套后收口的方法制造;附图7为一种镀层式球冠状集热元件正视。夹套1的端口与过渡金属管外螺口2粘接;热能应用装置的加热容器简称锅炉3与内螺口4连接，内外螺口4和2组成螺旋副;绝热材料5用于接口处的保温，需要时也可安置吸湿材料和排气阀;锅炉3表面加工有吸热层用于光热转换;球冠状集热元件也可在上下方各制造一个端口;附图8是一种单夹套液体式球冠状集热元件。焊于锅炉3上的板翅4与粘于夹套1上的过渡金属管2焊接形成封装吸热液体6的封闭的加热空间。板翅4上装有与集热空间连通的排气管5，需要时还可安装安全阀。在锅炉3底端焊有经模具压制成型并具有弹性的数层不锈钢或铜丝芯网7，它从隔热元件较细的端口伸入集热空间后仍可恢复球冠状，吸热液体6由毛细作用而布满芯网7经阳光照射后蒸发在加热空间内形成两相传热，两相传热具有很强的均温和热流密度变换能力，它增强了锅炉3的有效加热面积，使锅炉内的工质沸腾比较稳定并使蒸汽进一步得到加热，它还使锅炉的加热面积和部位不因阳光照射角等变动而改变;而端口较细的球冠状集热元件可固定安装以方便使用又对早晚时分聚焦反光部件汇聚的光线8从较高方位射向芯网7时仍具有极小的入射角：附图8和9中过渡金属管采用防滑插口结构9与隔热元件排气封口结合。

本发明提供的玻璃夹套真空集热元件、特别是用吸热液体的集热元件有制造方便、造价底、工作温度高（用石英玻璃时可用于冶炼金属）、应用范围广、通用性强、便于清洗和物理性能稳定等优点。

在集热元件的端口或其它地方安装根据光照强度和加热温度等变量进行控制的自动调节阀调节流量可克服干扰实现对温度的自动控制。对流体的沸点控制也可通过对压力的响应如采用单向压力阀来实现。为克服供水压力对温控阀的影响和避免玻璃夹套过压损坏，可在集热元件进水口配备减压或稳压装置如带球阀的微型水箱。附图9描述了本实用新型的一个实施例。这是一个温控阀的剖视，它可看作附图5集热元件弯口内物体的放大图。图中温控阀由阀体1、双金属片2、阀门3、弹簧片4、弹簧7以及用于调节对阀门3的预置压力的螺旋副5等部件构成，它可与集热元件弯口或输出端口用螺纹连接。图中带箭线条表示液体流动途径，水流通过阀门3上的小孔6缓慢流动使双金属片能正确感受液体加热温度并进行控制，这个温控阀的结构还使它具有单向压力阀和安全阀的功能，因此阀门3上的小孔6也可不用;为克服蒸汽波动对出水的影响，可在集热元件的加热空间内布置芯网或小石子等阻尼物体。对于管状集热元件还可取高温端略低于低温端的形式使汽泡在平衡上升过程中向低温液体放热。

本发明的目的之三是提供高聚焦比的太阳能收集和利用装置、特别是太阳能锅炉、太阳能炊具、太阳能金属冶炼设备及烘干和蒸溜设备。

其解决方案为：用太阳光跟踪装置、本实用新型提供的玻璃夹套球冠状真空集热元件或隔热元件和聚焦反光部件、特别是绕集热或隔热元件作跟踪运动的旋转抛物面聚焦反光部件等组成一种通过对太阳高度角和照射角的两维跟踪使聚焦反光部件将阳光汇聚于集热或隔热元件真空隔热层内的吸热物体变为热能再传给被加热物体或通过热管输出以实现各种加热或供热的聚焦式太阳能收集和利用装置，在某些情况下，直接由被加热物体或传热物体充当吸热物体;实现两维跟踪的方案之一是采用手动太阳高度角跟踪装置和用本实用新型提供的由光电传感器或信号估计器、控制电路、由弹性元件或重物组成的势能蓄能机构、负载运动约束机构和对势能驱动的负载或传动部件提供间歇性消失的阻力的电动释阻机构等组成的势能可控驱动式太阳光跟踪装置。

本发明的目的之四是提供一维聚焦式太阳能收集和利用装置、特别是太阳能开水器和热水器、太阳能烘干设备和棉籽处理装置。

其解决方案为：用太阳光跟踪装置、本实用新型提供的玻璃夹套管状真空集热元件或隔热元件和聚焦反光部件、特别是绕集热或隔热元件作跟踪运动的槽状抛物面聚焦反光部件等组成一种通过对阳光沿聚焦维方向的跟踪使聚焦反光部件能有效地将阳光汇聚于置于集热或隔热元件真空隔热层内的吸热物体变为热能再传给被加热物体或通过热管输出以实现各种加热或供热的一维聚焦式太阳能收集和利用装置，在某些情况下，直接由被加热物体或传热媒质充当吸热物体。这种太阳能收集和利用装置的跟踪状态可用光导纤维或光电检测装置进行观测，装置使用的聚焦反光部件可用以蒸铝薄膜复盖于网架结构支撑的基板上的方法制造以减轻重量。

槽状抛物面聚焦反光部件的阳光跟踪可利用一维聚焦形式对阳光非跟踪维的角度变化的不敏感性。这种不敏感性可概述为两点：1  槽状抛物面聚焦反光部件和管状集热元件越长，则一定量的阳光非跟踪维角度偏差对太阳能收集和利用装置的输出功率的影响就越小。根据产品最终形状或现场实测单个槽状抛物面聚焦反光部件反光面的长度L1和反光面两边直线距离即宽度W，集热元件的工作长度L2以及焦距H之间满足：

L∶W≥1.4 ……（一）或 L∶H≥3.5 ……（二）其中L＝max（L1、L2）就可认为足够长了，足够长包括元件的串联;2 聚焦装置跟踪维与非跟踪维越垂直，则一定量阳光非跟踪维角度偏差对太阳能收集和利用装置输出功率的影响就越小。这两维之间的方向夹角

如满足：

50°≤

≤130° ……（三）

就可认为是足够小了;由此得到带槽状抛物面聚焦反光部件的一维聚焦式太阳能收集和利用装置（简称一维聚焦工作装置）的两种跟踪方法：

方法一.就采光面对称中心线而言，装置为非东西向布置包括沿墙壁垂直布置、特别是面对正午时分阳光并接近为南北向的固定布置并采用由一个用于约束聚焦反光部件的转动副或弧形轨道移动副和手动齿传动部件等组成的太阳光跟踪机构或采用一个由光电传感器或信号估计器、控制电路、由弹性元件或重物组成的势能蓄能机构、负载运动约束机构和对势能驱动的负载或传动部件提供间歇性消失的阻力的电动释阻机构等组成的势能可控驱动式太阳光自动跟踪装置。

方法二.装置为东西向布置、特别是东西向水平布置并含有由一个用于约束聚焦反光部件的转动副或弧形轨道移动副和手动齿传动部件等组成的太阳高度角跟踪机构。

采用这两种跟踪方法的一维聚焦工作装置能适用于各种场合，使用和维护方便并便于防风加固。对这两种跟踪方法还可以加以变通和改进包括在方法一基础上使集热元件比反光面长出一部分或采用照射角调节机构以及在方法二基础上每季数次调整装置的倾角或调整集热元件与聚焦反光面的相对位置以增加装置的效率或供热量;对于本文提供的各种太阳能收集和利用装置也可以采用其它合适的跟踪装置;还可对其反光面的抛物曲面进行某些改动以降低装置对外界干扰如风吹摇动和跟踪误差等的敏感性或使之满足具体的聚焦特性或使之易于制造。

本发明提供的各种聚焦式太阳能收集和利用装置具有输出温度和热效率高、造价低、重量轻、结构简单和制造方便等优点。它们可制造各种形式的太阳能流体加热装置和太阳能锅炉。如采用热交换装置将已加热液体与待加热液体进行热交换来制造太阳能冷开水装置，可为食品和印染行业提供大量细菌少、硬度低的优质水;将有关装置的管状真空集热元件改为安置有二氧化钛和待处理的水、特别是连续流动的水的玻璃夹套管或玻璃管就成为太阳能净水装置，它利用阳光将水中氯化物等有机化合物氧化为像水一样简单的分子但又保留有益的矿物质以利饮用;它们还可制造太阳能热处理装置和太阳能资源回收装置如用蒸溜的方法回收日光灯管中的残留水银以免污染环境;还可将它们用于医疗保健，为关节炎等病人提供干燥温暖的环境或其它热疗服务;它们还可用于制造各种工农副产品加工装置如太阳能蔬菜水果和茶叶烘干机。鉴于人类使用的能量大部分为热能，而其中很大部分为分散使用的低品位热能，因而本文提供的各种太阳能收集和利用装置将以其低廉的造价和运行费用为人类、特别是广大的乡村提供各种取之不尽的能源和服务，并因此减少森林的采伐、植被的破坏和大气中二氧化炭含量的增加以使海平面不再升高过快、沿海城市免遭灭顶之灾、大量物种不致灭绝过快和皮肤病人数不致增长过快。

本发明的目的之五是提供一种高能量密度的太阳能集热装置。

其解决方案为：采用具有多个热端或具有多个与其串接的下级热管的热管（称作汇集热管或上级热管）汇集本文提供的各种太阳能集热装置（简称单元）的热能并利用热管的热流密度变换能力和重力热管的单向传热性质来提高能量密度。汇集热管以其具有吸热涂层或镀层并具有对聚焦反光部件汇聚的阳光具有极小入射角的球冠状或管状表面的热端或下级热管的热端插入各单元玻璃夹套隔热元件或与隔热元件内的吸热液体充分接触来汇集热能并在其冷端将热放出。这方法称为热管倍增法。它利用了本文提供的玻璃夹套真空集热元件在用热管传热时所具有的恒功率特性，即：特性1假定集热元件的光输入功率为恒定并且具有唯一的热能输出途径，则在一定范围内这传热途径热阻的增加会引起集热元件工作温度的升高从而使该传热途径的热流密度和集热元件的输出功率保持恒定。

附图11和12描述了本发明的一个实施例，它们分别为用于一维聚焦工作装置的汇集热管的正视和上视。图中局部剖显示：作为各单元1集热元件一部分的下级热管2以其弯成与汇集热管3平行并伸入汇集热管3内部的冷端4与汇集热管3进行热交换，这种结构称为上下级热管的串接（图中未画出套于下级热管外的管状隔热元件）。汇集热管1的水平倾角α可帮助工质回流;附图11及12沿对称中心线5以下部分描述了本实用新型的另一个实施例。它们分别为用于一维聚焦工作装置的汇集热管的下视和正视。它显示采光部件和集热元件可垂直布置;另外，图12中各集热元件可用带吸热层的薄壁管道沿线所示平行串联的形式工作;附图13和14描述了本实用新型的另一个实施例，它们分别为用于两维聚焦的太阳能集热装置的汇集热管的正视和上视。图中汇集热管1具有N＝4个分枝，在分枝以幅射状伸出的一端各与M＝4个作为各单元2集热元件一部分的下级热管3以上下级热管串联的形式来进行热交换。

热管倍增法具有提高能量密度效果显著、集热装置占用空间少、制造安装方便、不增加防风难度、采光面可贴墙壁和沿各种地面布置等优点。有时即使采光部件体积不大但用热管倍增法后集热部件的厚度大为减小;上下级热管串接使单个元件损坏时其它部份仍能正常工作：采用热管倍增法和集热元件并行串联的集热装置可采用各种其它合适的跟踪装置。

本发明的目的之六是提供一种用蓄热元件来提高对太阳光光照强度规律性和随机性变化的适应能力的聚焦式太阳能集热装置。

其解决方案为：用金属或夹套式热管密封包装蓄热材料、特别是混合工业盐类蓄热材料来制造蓄热元件，这方法称为并联热导法，因盐类热阻大，元件的三维尺寸长宽高至少有一维要足够小。小球状、圆棒状和圆筒状分别是三维、两维和一维尺寸较小的形式，它们可置于球冠状隔热元件的吸热液体中或焊于热管。特别是汇集热管的冷端内表面。夹套式热管是将金属包装的蓄热材料置于独立的热管内部，利用热管的均温性来帮助传热，要求其表面有足够的毛细作用并与工质接触。并联热导法克服了工业盐类作蓄热材料热阻大和难于与工作装置相匹配的缺点，具有蓄热功率大和适用范围广等优点。通过改变混合盐类的比例可狭得不同的相变温度。例：用60%N_aNO₃和40%KNO₃的粉末混合物作蓄热材料，^＊其熔点为235℃，潜热为47千卡/公斤，当其温度从300℃降至200℃时，以显热放热为潜热的74%和热一电转换效率28%计，则0.7吨这种蓄热材料在这期间放出的热量可供8瓩发电装置在夜晩继续发电的时间：

T＝47×1.74×700×28%/0.239/（8×3600）≈3（小时）……（四）

这样的蓄热系统造价占包括100m²采光面积的8瓩太阳能蓄热式发电装置总造价2万元的15%即3千元。远低于同功率逆变式电瓶蓄能系统;工作寿命长达30年。附图10描述了本实用新型的一个实施例。这是一个采用复合筒状夹套式热管蓄热元件的蓄热装置的半剖。图中，裹有绝热材料的球冠状汇集热管冷端1内，用包装蓄热材料2的夹套式热管3制成的蓄热元件4与汇集热管蒸汽通道5取同心圆一层层交替布置，汇集热管冷端1与形状和其相吻合的锅炉6之间有个间隙7，间隙7与波纹管状的密封容器8连通并灌有水银或导热油等传热液体9，通过改变容器8的轴向长度可改变其体积和调节间隙7中的传热液体9的水平高度从而改变汇集热管冷端1和锅炉6之间的传热能力以此控制装置的加热功率。从汇集热管热端来的蒸汽除了不断经冷端1放出外还可输入蓄热元件4，一旦热端蒸汽供应不足或中断，蓄热元件自动将热放出实现蓄热功能。

蓄热式以其本文提供的其它聚焦式太阳能集热装置在制造各种热功装置方面也有广泛的用途。例如用它们对热电偶吸热端供热可制造太阳能热电偶发电装置，这种发电装置无活动部件;也可以将它们和锅炉、汽轮机和发电机等组成一个由锅炉提供蒸汽并由汽轮机和发电机将蒸汽动能变为机械能再变为电能的发电装置;它们还可以和锅炉、喷射器和真空工作室或真空相变室等部件结合组成由锅炉提供蒸汽并由喷射器将蒸汽动能变为对真空工作室或真空相变室的抽吸作功的太阳能蒸汽抽空工作装置包括真空脱水、蒸溜、保鲜、洗涤和泵热装置。这些装置利用太阳能工作但其制造可用现有技术完成。

本发明的目的之七是提供一种太阳能蒸溜装置，特别是太阳能废油回收装置和太阳能家用热水蒸溜水两用装置。

其解决方案为：采用一个在其冷凝和集液部件外含有一个可通入冷凝水的冷凝夹套或具有其它热交换装置并在其上方有一个赶气阀门的可封闭的蒸溜容器、锅炉以及本文提供的各种太阳能收集和利用装置及其组合组成一个太阳能蒸溜装置。通过对蒸溜容器加热使其内部的液体变为蒸汽将蒸溜容器内的其它气体经赶气阀门赶走，然后关闭阀门在真空或低于该液体正常沸点温度的条件下进行蒸溜。这种蒸溜装置具有安全无明火和效率高等优点，它还可同时提供热水或开水。

本发明的目的之八是提供多用途太阳能收集和利用装置。

其解决方案为：用本文提供的各种太阳能收集和利用装置及其组合供热并将高温热能工作装置如热电偶发电装置、蒸汽发电装置、蒸溜装置或热泵和低温热能工作装置如开水器和热水器组合起来，利用高温热能工作装置的低温热源对其它装置供热或采用各热能利用装置交替工作的形式、这种多用途太阳能收集和利用装置具有结构紧凑、热效率高和可同时提供各种能源或服务的优点。

附图15描述了本发明的另一个实施例，这是一台太阳能废油回收装置的正视。它用单夹套液体式真空球冠状集热元件1对蒸溜容器2底部的废油3加热使其蒸发充理容器2并通过赶气阀门4向外喷出使容器内其它气体被赶走，然后关闭赶气阀门4并在冷凝夹套5中通以冷凝水，在冷却水被加热的同时，蒸溜容器内因温度下降造成饱和蒸汽压下降，废油在较低温度下蒸发并按沸点不同汇集于各个集液槽6内。装置同时提供热水。赶气阀门打开时，可从阀口插入吸液管将各溜份的油吸出。这种太阳能废油回收装置安全、节能。可用于油田、运输中转站、加油站和工厂。

附图16和17描述了本发明的另一个实施例，它们分别为采用槽状抛物面聚焦反光部件的太阳能开水器的右视和正视聚焦反光部件1用蒸铝薄膜复盖于网架结构2支撑的面积为1×2m²，厚0.5mm的镀锌板上制成。聚焦反光部件1长L1＝2米，两边直线距离即宽W＝995mm，抛物曲线焦距H＝400mm，用撑杆3与固定并保护管状集热元件4的护罩5连接，聚焦反光部件1由弧形轨道移动副6约束，通过手动齿传动部件7驱动绕元件4轴心线每周数次跟踪太阳高度角。绕元件4跟踪主要考虑进出水管道连接方便，当然也可采用其它方式作跟踪运动;手动齿传动包括用绳索牵引带动，这使安装在屋顶上的集热装置的跟踪变得很方便。这时可在聚焦反光部件1上元件4荫影处安装光导纤维或光电检测装置来观测跟踪状态;平面副15用于调整聚焦装置的方位;集热元件4按图4实施例制造，长度L2＝2.2米;集热装置满足式（一）和（二）关于足够长的要求。这台1.7m²采光面积重18公斤的太阳能开水器在平均气温和水温为5℃和正常光照条件下，每小时最大供开水量8公斤，夏季最大日供开水量50公斤。造价约96元;如利用其轴心线与太阳轨道平面垂直且穿过集热装置可动部分重心附近并从下面跨过聚焦反光部件1的叉托式转动副8、一段以这转动副8的轴心线为圆心的蜗轮9和一个由柔索牵引并与蜗轮段9相配合的蜗杆10三者组成的太阳照射角调节机构每日调节数次可减小采光板法线和阳光照射角之间的偏差，另增加日供开水量40%。开水可用内装保温瓶胆11的双重保温容器12储存，从稳压阀来的水经集热元件4加热后经塑料盘管13流入瓶胆11，瓶胆11用盖子密封并另接一根单独的出水管14，盖子上安装一个启动压力为0.02大气压的单向压力阀用于将瓶胆11中水压入出水管14或任其溢出流入保温容器12，保温容器12另有出水通道;从瓶胆11中每隔十多分钟可取出一瓶新鲜开水。

附图18描述了本发明的另一个实施例，这是一台太阳能烘干机正视图。以南北向布置，采用人工太阳照射角跟踪机构2驱动由弧形轨道移动副约束的槽状聚焦反光部件3绕管状隔热元件1轴心线转动。两段大口径玻璃夹套管状隔热元件1串联;聚焦反光部件3和隔热元件1两端不对齐以适应太阳高度角的偏差。它可用于烘干烟叶、纺织物或其它农副产品的烘干;当用金属网夹住棉籽置入隔热元件1中，它就构成一台太阳能棉籽处理装置。以40倍聚焦比将棉籽照射10～15分钟，可使棉籽快速发芽并增加每株棉花的棉桃个数和棉桃个重。

附图19描述了本发明的另一个实施例，这是一台户内蓄热式太阳能炊具的正视。其跟踪有典型意义：重物1通过变力臂滑轮组2具有驱动由弧形轨道移动副3约束的旋转抛物面聚焦反光部件4作绕球冠状集热元件5中心转动的趋势但为微动释阻机构6（图中以衔铁伸入与聚焦反光部件连接的齿条13的齿槽表示）所阻挡。每当阳光照射角顺时针转过一个角度时，光电元件7受光并使微动释阻机构6动作一次，这期间因阻力消失，重物1驱动聚焦反光部件4转动一个角度实现对阳光照射角的跟踪。每天早上，由人工输入势能并使聚焦反光部件4置位;对太阳高度角的跟踪由作为弧形轨道移动副3和基座平面副8的中间环节的手动齿传动跟踪机构9完成。基座平面副8用于调整集热装置的方位。这台炊具的加热过程也有典型意义：它用附图8所描述的集热元件5通过热管6传热并在热管冷端10处通过螺旋副调节热管冷端10与形状和其相吻合的加热容器11之间的接触传热面积来控制加热功率。在热管冷端10内表面贴近加热容器的部位焊有多个圆棒状夹套式热管蓄热元件，其内部共装有10公斤如前所述的混合盐类，这些蓄热元件可蓄300℃～200℃的热能共计1430大卡达15小时。在炊具四周可用超细玻璃棉15保温，其它有可能漏热的地方也需绝热保温。热管6为重力辅助热管，它在无光照时因单向传热性质所决定不会反向传热;其所用的加热容器11可方便地取下，需要时也可用多个加热单元即多个与加热容器配合的热管冷端。这台炊具连干电供电的跟踪装置和2.5m²面积采光部件在内，造价300元。

附图20描述了本发明的另一个实施例，这是一台太阳能蒸喷抽空式海水淡化装置的结构图。由本文提供的太阳能收集和利用装置及其组合构成的锅炉1、2、3（图中以带箭头球状物表示）将其内部的海水加热产生蒸汽并在喷射工作室4、5、6中形成真空;在冷凝夹套7内为冷凝室8内的压缩蒸汽预热并经过除气的海水在作为真空相变室的太阳能集热装置的管状集热元件的加热空间11中强迫相变成为蒸汽并被喷射室4抽至冷凝室8中冷凝为淡水，海水相变所需的热量直接由管状集热元件提供。这个水-汽-水两次相变所涉及的部分可看作一个海水淡化单元;由喷射室5和6组成的两级抽空系统通过干道9和阀门控制系统轮流对各个海水淡化单元的冷凝室和除气室10进行抽空以不断除去各冷凝室中的不凝气体并对海水进行除气处理，这部分可称为真空服务系统。真空服务系统的后级喷射装置的压缩蒸汽向大气排放。这台海水淡化装置的真空相变室包括冷凝夹套7和集热元件的加热空间。由于它利用喷射器压缩蒸汽对真空相变室加热并同时用太阳能集热装置及其组合对真空相变室加热。使热能合理分配和充分利用，又因真空相变室中蒸汽压力较高，因而其蒸溜效率很高，每m²/日可提供数十公斤淡水。它也可用于其它的脱水和蒸溜等用途。如将上述真空服务系统的除气室10改为盛放浸湿的待洗衣物的容器，它就构成真空洗涤装置;如将其除气室10改为盛放食物的容器和口袋再配上封口装置，就构成真空保鲜装置;如将其除气室10中放入待干燥物体，就构成真空干燥或脱水装置。

注：^＊参《新能源》杂志89年第8期《户内太阳灶用储热材料初探》

Claims (14)

1、用透明玻璃、特别是无色透明玻璃一体烧结制成含有可帮助固定的排气管封口的密封夹套，含有通过端口与外界连通的称为加热空间的中空部分，夹套两壁之间抽成真空并按具有使旋转抛物面聚焦反光部件汇聚的光线具有极小入射角的球冠状外表面或具有使槽状抛物面聚焦反光部件汇聚的光线具有极小入射角的管状或柱面状外表面分为球冠状真空隔热元件和管状真空隔热元件，元件各表面按工作状态下是否受到聚焦光线照射分为受光部位和非受光部位；除腰接处外受光部位各表面平整并具有良好的透光性，并含有薄而均匀的真空隔热层；非受光部位的各表面可含有反光层或绝热涂层，这些隔热元件与吸热物体适当组合构成聚焦式球冠状或管状真空集热元件，从聚焦反光部件汇聚的光线可穿过集热元件的真空隔热层到达吸热物体变为热能再传给被加热物体或通过热管输出。在某些情况下，直接由被加热物体或传热媒质充当吸热物体，其特征为：

A.含有具有球冠状或管状或柱面状的外表面或分布形式的吸热物体或加热空间。

B.管状隔热元件具有较大直径的加热空间和端口但不含有吸热层。

C.隔热元件与插入其加热空间的物体直接或通过塑料缓冲接口以螺纹连接，元件为管状时本身不含有吸热层。

D.隔热元件通过与其连接或粘接的过渡金属管与插入其加热空间的物体相连接，包括焊接以形成封闭的集热空间，这封闭的集热空间可含有安全阀或排气管并可含有浸入吸热液体的球冠状或管状或柱面状的弹性芯网结构。

E.含有用玻璃或玻璃盘管或波纹管与隔热元件内层玻璃组成的封装有或可封装吸热液体的封闭空间，这封闭空间可封死或在其排气管上含有安全阀。

F.在隔热元件由外往里数第三表面的受光部位含有吸热涂层或镀层，元件为管状包括采用一端为自由封闭端并辅以穿过加热空间的传输管的形式时，含有收小的端口和可外套橡皮管的防滑接口并且其内管串有波纹管或盘管或者整个内管变形为盘管或波纹管。

2、聚焦式太阳能收集和利用装置、特别是太阳能锅炉、太阳能炊具、太阳能金属冶炼设备及烘干和蒸溜设备，它由太阳光跟踪装置、集热或隔热元件和聚焦反光部件、特别是绕集热或隔热元件作跟踪运动的旋转抛物面聚焦反光部件等组成，通过对太阳高度角和照射角的两维跟踪使聚焦反光部件将阳光汇聚于集热或隔热部件真空隔热层内的吸热物体变为热能再传给被加热物体或通过热管输出以实现各种加热或供热，在某些情况下，直接由被加热物体或传热媒质充当吸热物体;其特征为：含有按照权利要求1的玻璃夹套球冠状真空集热元件或隔热元件。

3、一维聚焦式太阳能收集和利用装置、特别是太阳能开水器或热水器、太阳能烘干设备和太阳能棉籽处理装置，它由太阳光跟踪装置、集热或隔热元件和聚焦反光部件、特别是绕集热或隔热元件作跟踪运动的槽状抛物面聚焦反光部件等组成，通过对阳光沿聚焦维方向的跟踪使聚焦反光部件能有效地将阳光汇聚于集热或隔热元件真空隔热层内的吸热物体变为热能再传给被加热物体或通过热管输出以实现各种加热或供热，在某些情况下，直接由被加热物体或传热媒质充当吸热物体;集热元件可平行串联;其跟踪状态可用光导纤维或光电检测装置进行观察;对将液体加热至沸点的装置可在其集热元件的加热空间安置芯网等阻尼物体以防汽压变化影响正常出水并可取集热元件高温端略低于低温端的形式;进水压力过高或波动过大的场合可配备减压装置如带球阀的微型水箱;其特征为：

A.就采光面对称中心线而言，装置为非东西向布置包括沿墙壁垂直布置、特别是面对正午时阳光并接近为南北向的固定布置并含有由一个用于约束聚焦反光部件的转动副或弧形轨道移动副和手动齿传动部件等组成的太阳光跟踪机构或含有一个由光电传感器或信号估计器、控制电路、由弹性元件或重物组成的势能蓄能机构、负载运动约束机构和对势能驱动的负载或传动部件提供间歇性消失的阻力的电动释阻机构等组成的势能可控驱动式太阳光自动跟踪装置或者装置为东西向布置包括垂直布置、特别是东西向水平布置并含有由一个用于约束聚焦反光部件的转动副或弧形轨道移动副和手动齿传动部件等组成的太阳高度角跟踪机构。

B.含有按照权利要求1的玻璃夹套管状真空集热元件或隔热元件。

C.含有以蒸铝薄膜复盖于网架结构支撑的基板上的聚焦反光部件。

D.根据装置作为产品的最终形式或根据安装现场实测的单个槽状抛物面聚焦反光部件反光面的长度L1和宽度W、集热元件的工作长度L2以及聚焦反光部件焦距H之间满足：

L∶W≥1.4  或  L∶H≥3.5  其中L＝max（L1、L2）

4、按照权利要求2的太阳能收集和利用装置，其特征为：含有一个由光电传感器或信号估计器、控制电路、由弹性元件或重物组成的势能蓄能机构、负载运动约束机构和对势能驱动的负载或传动部件提供间歇性消失的阻力的电动释阻机构等组成的势能可控式太阳光照射角跟踪装置。

5、按照权利要求2或3的太阳能收集和利用装置的组合，采用汇集热管汇集各集热装置单元的热能以提高能量密度，汇集热管具有多个热端或多个与其串接的下级热管;其特征为：采用各种合适的跟踪装置;汇集热管以其具有吸热涂层或镀层并具有对聚焦反光部件汇集的阳光具有极小入射角的球冠状表面或管状表面的热端或下级热管的热端插入各单元玻璃夹套隔热元件或与各单元玻璃夹套隔热元件内的吸热液体充分接触。

6、按照权利要求2或5的太阳能收集和利用装置或其组合，利用蓄热元件来提高对太阳光光照强度规律性或随机性变化的适应能力，这些蓄热元件可置于球冠状隔热元件内的吸热液体中、也可焊于热管、特别是汇集热管冷端内表面，通过用螺旋副调节热管冷端与形状和其相吻合的锅炉之间的接触传热面积或调节充填于热管冷端与锅炉之间的传热液体的水平高度可控制装置的加热功率;其特征为：含有用金属或夹套式热管密封包装蓄热材料、特别是混合工业盐类蓄热材料制造的蓄热元件。

7、按照权利要求2或3或4的太阳能收集和利用装置，其特征为：

A.含有用于收集已加热液体的保温容器包括双重保温容器或含有将已加热液体与待加热液体进行相互换热的热交换装置。

B.含有、特别是在集热元件的端口含有自动温控阀或单向压力阀。

8、按照权利要求3中按东西向布置的太阳能收集和利用装置，其特征为：含有太阳照射角调节机构、特别是含有一个其轴心线与太阳轨道平面垂直且穿过太阳能收集和利用装置可动部分重心附近，从下面跨过聚焦反光部件的叉托式转动副、一段以这转动副轴心线为圆心的蜗轮和一个由柔蜗轮段相配合的蜗杆三者组成的太阳照射角调节机构。

9、太阳能蒸溜装置，特别是太阳能废油回收装置和太阳能家用热水和蒸溜水两用装置，它由锅炉和可封闭的蒸溜容器等部件组成，蒸溜容器的冷凝和集热部位外含有一个可通入冷凝水的冷凝夹套或含有其它热交换装置，通过对蒸溜容器加热可使其内部的液体变为蒸汽将蒸溜容器内的其它汽体赶走，然后在真空或低于沸点温度条件下进行蒸溜;其特征为：用按照权利要求2或3或4的太阳能收集和利用装置及其组合供热，并且在蒸溜容器上方有一个赶汽阀门。

10、太阳能蒸汽发电装置，它由锅炉、汽轮机和发电机等组成;其特征为：用按照权利要求2或3或4或5的太阳能收集和利用装置或其组合供热并由汽轮机和发电机将蒸汽动能变为机械能再变为电能。

11、太阳能蒸汽喷射抽空工作装置包括真空脱水、蒸溜、保鲜、洗涤和泵热装置，它由锅炉、喷射器和真空工作室或真空相变室等部件组成，其特征为：用按照权利要求2或3或4或5的太阳能收集和利用装置或其组合供热并由喷射器将蒸汽动能变为对真空工作室或相变室的抽吸作功。

12、按照权利要求11.的太阳能真空脱水、蒸溜和泵热装置、特别是太阳能海水淡化装置，其特征为：利用喷射器的压缩蒸汽对真空相变室加热或用按照权利要求2或3或4或5的太阳能收集和利用装置或其组合对真空相变室加热、特别是取真空相变室与集热元件的加热空间一体制造或连通的形式。

13、太阳能净水装置，利用阳光将水中氯化物等有机化合物氧化为像水一样简单的分子使水得到净化而又保留有益的矿物质;其特征为：用按照权利要求3的太阳能收集和利用装置但将其管状真空集热元件改为安置有二氧化钛和待处理的水、特别是连续流动的水的玻璃夹套管或玻璃管。

14、多用途太阳能收集和利用装置，它由两个以上热能工作装置组成，利用高温热能工作装置的低温热源对其它装置供热或采用各热能利用装置交替工作的形式工作，其特征为：采用按照权利要求2或3或4或5的太阳能收集和利用装置及其组合供热并含有一个高温热能工作装置如热电偶发电装置、蒸汽发电装置、蒸溜装置或热泵和一个低温热能工作装置如开水器或热水器

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