CN105737408B - 一种太阳能集热器系统及其发声五线谱 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种太阳能集热器及音乐五线谱系统，包括集热管、反射镜和集热板，相邻的两个集热管之间通过集热板连接，从而使多个集热管和相邻的集热板之间形成管板结构；所述集热管横截面是正方形，温差发电装置与用电装置连接，所述用电装置是音乐五线谱。本发明提供一种新的集热器及音乐五线谱系统，可以提高太阳能的热吸收能力，而且能够节约能源。

Description

一种太阳能集热器系统及其发声五线谱

技术领域

本发明属于太阳能领域，尤其涉及一种太阳能集热器系统。

背景技术

随着现代社会经济的高速发展，人类对能源的需求量越来越大。然而煤、石油、天然气等传统能源储备量不断减少、日益紧缺，造成价格的不断上涨，同时常规化石燃料造成的环境污染问题也愈加严重，这些都大大限制着社会的发展和人类生活质量的提高。太阳能热转化是一种能量转换效率和利用率高而且成本低廉、可在全社会广泛推广的太阳能利用方式。在太阳能热利用装置中，关键是要将太阳辐射能转换成热能，实现这种转换的器件称为太阳能集热器。但目前的太阳能集热器都是圆管结构，在某些情况下会导致太阳能热量无法充分吸收。

此外，五线谱识谱和记谱时音乐教育的一个难点，虽然现在有很多设备可以用于五线谱 教学，但是其多半为光电岩石用具，结构复杂，价格较贵，音符的位置及显示方式也受到限制，所以实用性不强。为了解决这些问题，本领域需要一种结构简单而且价格 便宜的发声五线谱。

发明内容

本发明旨在提供一种节能环保的太阳能集热器及包括太阳能集热器的音乐五线谱化系统。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种太阳能集热器，包括集热管、反射镜和集热板，相邻的两个集热管之间通过集热板连接，从而使多个集热管和相邻的集热板之间形成管板结构；所述集热管横截面是正方形。

作为优选，所述集热管内部设置内翅片，所述内翅片连接长方形的对角，所述内翅片将集热管内部分为多个小通道，在内翅片上设置连通孔，从而使相邻的小通道彼此连通。

作为优选，所述正方形的内边长为L，所述连通孔的半径r，所述同一翅片上相邻的连通孔圆心之间的距离为l，满足如下关系：

l/L*10=a*ln(r/L*10)+b；

其中ln是对数函数，a,b是参数，1.5<a<1.6,2.9<b<3.0;

0.34<l/L<0.38;

0.14<r/L<0.17;

30mm<L<120mm；

5mm<r<17mm。

作为优选，15mm<l<45mm。

一种太阳能音乐五线谱系统，所述系统包括集热器和温差发电装置，所述集热器与温差发电装置之间通过管路连接，所述温差发电装置与用电装置连接，所述16用电装置是音乐五线谱,所述集热器为前面提到的集热器。

作为优选，音乐五线谱包括发音模块、声音控制装置以及音乐五线谱面板，所述的发音模块与温差发电装置电连接，温差发电装置提供给发音模块电能，当音乐五线谱面板的相应部位被接触到时，相对应的声音控制装置控制发音模块，使其发出响应的声音。

作为优选，温差发电装置包括控制器，控制器根据发音模块的要求，将电能转换为适当的直流电信号，提供给发音模块。

作为优选，直流电信号为5V电信号。

作为优选，声音控制装置是接触式开关或磁控开关。

与现有技术相比较，本发明具有如下的优点：

1）提供了一种新式结构的方管集热管太阳能集热器，可以避免圆管集热器的集热盲点，提高了体阳能吸热效率。

2）通过在集热管内部开设连通孔，在保证提高换热效率的同时，减少了集热管内的流动阻力。

3) 通过集热管内的通孔的面积的规律变化，达到最优的集热效果以及流动阻力。

4）本发明通过多次试验，在保证换热量最大以及流动阻力满足要求的情况下，得到一个最优的太阳能集热器优化结果，并且通过试验进行了验证，从而证明了结果的准确性。

5）本发明提供一种太阳能音乐五线谱，结构简单，节约能源。

附图说明

图1是本发明太阳能热利用系统的示意图；

图2是本发明太阳能集热器的结构示意图；

图3是本发明集热管横截面结构示意图；

图4是本发明内翅片连通孔分布示意图；

图5是本发明内翅片连通孔错列分布示意图；

图6是本发明集热管内正方形尺寸示意图；

图7是温差发电装置结构示意图；

图8是太阳能音乐五线谱控制系统的示意图；

图9是温差发电装置与蓄热器并联系统示意图；

图10是方形管和圆管对比示意图。

附图标记如下：

1、太阳能集热器 2、热利用装置 3、反射镜 4、集热管 5、集热板 6、内翅片 7、连通孔 8、小通道箱体，9、入口管，10、箱体，11、控制器，12热管13、温差发电片，14、温差发电片散热器，15蓄电池，16用电装置，17发音模块，18音乐五线谱面板，19声音控制装置，20蓄热器，21温差发电装置，22阀门，23阀门，24温度传感器，25入口管，26出水管路，27温差发电装置进水管，28回水管路，29阀门，30温度传感器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

图1展示了一种太阳能集热器系统，所述系统包括集热器1及其热利用装置2，所述集热器1与热利用装置2之间通过管路连接。

所述集热器结构如图2所示，包括集热管4、反射镜3和集热板5，相邻的两个集热管4之间通过集热板5连接，从而使多个集热管4和相邻的集热板5之间形成管板结构；所述太阳能集热器系统包括两块管板结构，所述两块管板结构之间形成一定的夹角，所述夹角方向与反射镜的圆弧线结构弯曲的方向相对，反射镜3的焦点D位于管板结构形成的夹角之间。

作为一个改进，所述的集热管4的横截面是长方形，所述的集热板5连接长方形的角。

现有技术一般都采用圆管结构，但是在实践中发现采用圆管结构，对于两个圆管之间距离比较近时，因为两个靠近的圆弧之间的距离很小，使得两个圆管相邻的部分无法充分地吸收太阳能，如图10所述，如果从下部或者上部照射或者反射，其中的阴影部分可能无法得到光照，从而造成集热管局部吸热不均匀，容易造成集热管的损坏。而本发明通过设置集热管横截面为方管结构，克服了圆管结构的缺点，使得相邻的集热管4之间具有相对于圆管来说较多的空间，从上部照射和下部反射，使得太阳能能够反射进去，从而达到吸热均匀，从其他角度反射，相对于圆管而言，也能够达到吸收更多热量的目的。

作为优选，所述的集热管4的横截面是正方形。

传统的集热器都是将集热管直接设置在焦点上，一旦位置发生偏移，则热量就不会集热到集热管中，通过上述结构，太阳光照射在反射镜3，通过反射镜3反射到管板结构，将热量集热到管板结构中的集热管4中。通过这种结构，即使因为安装或者运行问题导致管板结构位置发生改变，则太阳能依然会集热到集热管4中，从而避免热量损失；同时因为传统的集热器都是将集热管直接设置在焦点上，造成集热管局部过热，造成集热管局部损失过大，寿命过短，甚至造成集热管内部过热，产生过热蒸汽，充满整个集热管，造成集热管内部压力过大，损坏集热管，而采取本申请的结构，既可以将热量充分的吸收，又可以将热量相对的分散，避免热量过于集中，使得整体集热管吸热均匀，延长集热管的使用寿命。

作为一个优选，反射镜3的焦点D位于两块管板结构最低端连线的中点上。通过上述设置，可以保证最大程度上吸收太阳能，避免太阳能因为焦点偏移而损失，同时还能保证板状结构尽量可能减少遮挡的照射在反射镜3上的阳光。通过实验证明，采用上述结构，太阳能吸收的效果最好。

作为优选，集热管的横截面积不相同。沿着管板结构的中部（即最高位置）向两边最低位置（即图2集热管A向B、C方向）延伸方向上，集热管的横截面积越来越大。在实验中发现，从中部向两侧延伸，吸热量逐渐升高，通过分析主要原因是因为有管板结构的阻挡，导致中部受热最少，而从中部向两边延伸，吸收热量逐渐升高。通过集热管横截面积的不断变大，可以增加下部的水流量，可以使得整个集热管中水的受热均匀，避免两侧温度过高而中间温度过低。这样也可以避免中间的集热管的材料长期在高温下容易损坏，可以保持整个集热管的温度均匀，延长使用寿命。

作为优选，沿着管板结构的中部（即最高位置）向两边最低位置（即图2集热管A向B、C方向）延伸方向上，集热管横截面面积增加的幅度逐渐变小。在实验中发现，对于吸热量，沿着管板结构的中部（即最高位置）向两边最低位置（即图2集热管A向B、C方向）延伸方向上的增幅逐渐递减，因此将管径做了如此变化，以满足相应的要求。

作为优选，最大的横截面积与最小的横截面积的比值小于1.22。

作为优选，管板结构的下壁面（与反射镜3相对的面）上设置用于强化传热的凸起，以加强对太阳能的吸收。沿着管板结构的中部（即最高位置）向两边最低位置（即图2集热管A向B、C方向）延伸方向上，集热管4的下壁面的凸起高度越来越高。在实验中发现，从中部向两侧延伸，吸热量逐渐升高，通过分析主要原因是因为有管板结构的阻挡，导致中部受热最少，而从中部向两边延伸，吸收热量逐渐升高。通过凸起高度的不断的升高，可以使得整个集热管4中水的受热均匀，避免两侧温度过高而中间温度过低。这样也可以避免中间的集热管的材料长期在高温下容易损坏，可以保持整个集热管的温度均匀，延长使用寿命。

作为优选，沿着两块管板结构的连接位置（即管板结构的中部）向两边（即图2集热管A向B、C方向）延伸，集热管4的下壁面的凸起密度越来越高。主要原因是中部受热最少，而从中部向两边延伸，吸收热量逐渐升高。通过凸起密度的不断的升高，可以使得整个集热管4中水的受热均匀，避免中间温度过低而两侧温度过高。这样也可以避免中间的集热管4的材料长期在高温下容易损坏，可以保持整个集热管的温度均匀，延长使用寿命。

作为优选，集热管4的外壁可以设置外翅片，例如可以设置直翅片或者螺旋翅片，不同集热管的外翅片高度不同，沿着两块管板结构的连接位置（即管板结构的中部）向两边（即图2集热管A向B、C方向）延伸，外翅片的高度逐渐减少。主要原因是与前面设置凸起的原因相同。

作为优选，所述集热管内部设置内翅片6，所述内翅片6连接长方形的对角，如图3所示。所述内翅片6将集热管4内部分为多个小通道8，在内翅片上设置连通孔7，从而使相邻的小通道8彼此连通。

通过设置内翅片6，将集热管4内部分为多个小通道8，进一步强化传热，但是相应的流体流动的压力增加。通过设置连通孔7，保证相邻的小通道8之间的连通，从而使得压力大的小通道内的流体可以向邻近的压力小的小通道内流动，解决冷凝端的内部各个小流道8压力不均匀以及局部压力过大的问题，从而促进了流体在换热通道内的充分流动，同时通过连通孔27的设置，也降低了集热管内部的压力，提高了换热效率，同时也提高了集热管的使用寿命。

优选的，沿着集热管4内流体的流动方向，所述连通孔7的面积不断的增加。

所述的连通孔7为圆形结构，沿着集热管4内流体的流动方向，所述圆形结构的半径不断的增加。

因为沿着集热管4内流体的流动方向，集热管4内的流体不断的吸热甚至蒸发，因此使得集热管的压力不断的增加，而且因为连通孔7的存在，使得集热管4内部的压力分配越来越均匀，因此连通孔的面积需要很大，通过设置不断的变大，从而使得在保证热管内部压力均匀和压力的情况下，通过连通孔面积的变化来增加换热面积，从而提高换热效率。

优选的，沿着集热管4内流体的流动方向，所述连通孔7的面积不断的增加的幅度不断增加。通过如此设置，也是符合流动压力的变化规律，进一步降低流动阻力的同时，提高换热效率。通过如此设置，通过是实验发现可以提高9%左右的换热效率，同时阻力基本保持不变。

优选的，沿着集热管4内流体的流动方向，连通孔7的分布数量越来越多，进一步优选，所述连通孔数量26不断的增加的幅度不断增加。

通过上述数量的分布原理与面积减少原理相同，与连通孔数量完全相同相比，通过数量分布来减少流通面积。

在实际实验中发现，连通孔7的面积不能过小，过小的话会导致流动阻力的增加，从而导致换热的减弱，连通孔7的面积不能过大，面积过大，会导致换热面积的减少，从而降低换热效果。同样，集热管4的横截面积不能过大，过大导致管板结构单位长度上分布的换热管过少，同样导致换热效果变差，集热管流动面积也不能过小，过小会导致流动阻力增加，从而导致换热效果变差。因此连通孔7与集热管横截面面积及其相邻连通孔7之间的距离必须满足一定要求。

因此，本发明是通过多个不同尺寸的集热器的上千次数值模拟以及试验数据，在满足工业要求承压情况下（10MPa以下），在实现最大换热量的情况下，总结出的最佳的集热器的尺寸优化关系。

本发明是集热管4横截面是正方形下进行的尺寸优化。

所述正方形的内边长（即正方形的外边长减去壁厚）为L，所述连通孔的半径r，所述同一翅片上相邻的连通孔之间的距离为l，满足如下关系：

l/L*10=a*ln(r/L*10)+b；

其中ln是对数函数，a,b是参数，1.5<a<1.6,2.9<b<3.0;

0.34<l/L<0.38;

0.14<r/L<0.17;

30mm<L<120mm；

5mm<r<17mm。

其中，l等于相邻连通孔7圆心之间的距离。如图4、5所示的左右相邻和上下相邻的连通孔圆心之间的距离。

进一步优选，15mm<l<45mm。

优选的，随着r/L的增加，所述的a,b增加。

作为优选，a=1.57,b=2.93。

作为优选，如图4、5所示，每个内翅片上设置多排连通孔7，如图5所示，所述多个连通孔7为错排结构。通过错排接构，可以进一步提高换热，降低压力。

作为优选，热利用装置2可以是温差发电装置，所述温差发电装置的结构如图7所示。图7展示了温差发电装置的新的实施例。

所述的温差发电装置的结构如图7所示， 所述温差发电装置包括箱体10、热管12、温差发电片13、温差发电片散热器14、控制器11和蓄电池15，箱体内设置热管12，温差发电片13的一端与热管相连，另一端与散热器25相连。

所述箱体10包括入口管9，所述入口管9与集热器1连通，用于将集热器1加热的热水进入箱体1。

作为优选，温差发电片13还通过控制器11和蓄电池15相连。

作为优选，温差发电片13还通过控制器11和用电装置16相连，以提供用电装置16所需要的电能。

作为优选，控制器11控制温差发电装置有限满足用户用电需求，控制器首先确定用户所需的电量，然后将温差发电片发出的电量再减去用电装置16的电量后，剩余的电量储存在蓄电池15中备用。

图7虽然只展示了一个温差发电片，但实际中并不局限于一个，可以设置多个以满足发电的需求。

作为优选，所述的用电装置16是音乐五线谱。图8所示为本发明的太阳能音乐五线谱的结构图，太阳能音乐五线谱包括发音模块17、声音控制装置19以及音乐五线谱面板18，所述的发音模块17与温差发电装置电连接。温差发电装置提供给发音模块17电能，当音乐五线谱面板18的相应部位被接触到时，相对应的声音控制装置19控制发音模块17，使其发出响应的声音。

温差发电装置控制器11根据发音模块17的要求，将电能转换为适当的直流电信号，提供给发音模块17。

作为优选，直流电信号为5V电信号。

发音模块17是一种电子发音装置，能够发出所有五线谱上记录的音乐声音 (例如从低八度到高八度的所有音符)。发音模块17根据声音控制装置19发出 的控制信号，判断出应该发出某一个声音。

音乐五线谱面板18上标注有所有五线谱符号，排列整齐，大小适中，以便于教学。

声音控制装置19安装在音乐五线谱面板18上相应的位置，音乐五线谱面板18上每一个五线谱符号都对应一个声音控制装置19。声音控制装置19可以是一个简单的接触式开关。当音乐五线谱面板18上的五线谱符号被接触到时，响应的接触式开关即会闭合，这样，发音模块17相应的发音电路就变成一个通路，开始工作，从而发出相应的声音。 声音控制装置19也可以是一个磁控开关，原理前面所述类似。

作为一个替代，本发明的温差发电装置向音乐五线谱供电的功能可使用各种太阳能电池组件，例如胶封单、多晶太阳能电池板来代替。

作为优选，在管板结构上设置太阳能电池板，太阳能电池板向音乐五线谱供电。

作为优选，在集热板上设置太阳能电池板。

作为优选，太阳能电池板与蓄电池相连，将太阳能转化为电能存储在蓄电池中，所述蓄电池与音乐五线谱进行连接，用于向音乐五线谱供电。

作为优选，所述太阳能电池板设置在管板结构的面向太阳光线的上部，这样，可以实现将一部分热量用于发电，一部分热量用于加热，实现加热和发电的双重需要。

如图9所示，太阳能集热器系统包括两个互相并联的蓄热器20和温差发电装置21。

如图7所示的太阳能集热器系统，所述系统包括集热器1、蓄热器20、温差发电装置21、阀门22、阀门23、阀门29、温度传感器24，所述集热器1与蓄热器20连通形成循环回路，集热器1与温差发电装置21连通形成循环回路，蓄热器20和温差发电装置21所在的管路并联，集热器1吸收太阳能，加热集热器1中的水，加热后的水通过出水管路26分别进入蓄热器20和温差发电装置21，在蓄热器20和温差发电装置21流出的水在经过回水管路28进入集热器1中进行换热。

如图9所示，阀门22设置在出水管上，用于控制进入蓄热器20和温差发电装置21的总的水量，阀门23设置在温差发电装置21所在的管路的入口管的位置，用于控制进入温差发电装置21的水的流量，阀门29设置在蓄热器20所在的管路的入口管25的位置，用于控制进入蓄热器20的水的流量，温度传感器24设置在温差发电装置21的入口的位置处，用于测量进入温差发电装置21的水的温度。所述系统还包括中央控制器，所述中央控制器与阀门22、阀门23、阀门29、温度传感器24进行数据连接。

优选的，当温度传感器24测量的温度低于一定的温度的时候，中央控制器控制阀门23加大开度，同时控制阀门29减少开度，以加大进入温差发电装置21的热水的流量来提高温差发电装置的工作能力。当温度传感器24测量的温度高于一定的温度的时候，中央控制器控制阀门23减少开度，同时控制阀门29加大开度，以减少进入温差发电装置21的热水的流量来降低温差发电装置的工作能力。通过上述的控制，可以保证温差发电装置21的发电效率基本保持恒定，避免过多或者过少，而且还能在热量有多余的情况下，将更多的热水通过蓄热器20存储起来。

当温度传感器24测量的温度降低到一定程度的时候，此时温差发电装置21的发电的能力会变差，无法满足正常的需求，这表明太阳能集热器的集热能力也出现问题，例如太阳光现不是很强，或者晚上没有太阳的时候，此时阀门22会自动关闭，阀门23和阀门29会完全打开，蓄热器和温差发电装置所在的管路形成一个循环管路，水进入蓄热器，蓄热器存储的热能对进入蓄热器中水进行加热，加热的水进入温差发电装置21中进行发电。

通过上述的运行，可以在太阳光线强的时候，在满足温差发电装置21的发电能力，即满足发电需求以后，将多余的热量通过蓄热器20进行蓄热，在太阳能集热器1供热能力不足的情况下，利用蓄热器存储的热能加热循环水，以满足温差发电装置21的需求。这样可以充分利用太阳能，避免过多的热量的浪费。

作为优选，温差发电装置21的管路上还设置辅助加热设备，温差发电装置21管路中的水在温差发电装置21之前进入流经辅助加热装置。所述辅助加热设备根据流经辅助加热装置中的水的温度自动启动加热。

优选的是，辅助加热装置可以是电加热器、热水锅炉或者其他换热器。电加热器或热水锅炉的主要作用是起到辅助加热的作用，例如当利用太阳能加热的水没有达到预定的温度，这是可以启动电加热器或热水锅炉。

所述电加热器和/或热水锅炉和/或换热器还包括控制系统，所述控制系统包括测量温度的温度传感器和中央控制器，电加热器和/或热水锅炉和/或换热器根据进入电加热器和热水锅炉和/或换热器的水的温度自动启动，对热水进行加热。下面针对电加热器进行说明。

温度传感器用于测量进入电加热器的水的温度，中央控制器用于控制电加热器的加热功率。当测量的进水温度低于温度a时，电加热器启动加热，并以功率A进行加热；当热测量的进水温度低于比温度a低的温度b时，电加热器以高于功率A的功率B进行加热；当测量的进水温度低于比温度b低的温度c时，电加热器以高于功率B的功率C进行加热；当测量的进水温度低于比温度c低的温度d时，电加热器以高于功率C的功率D进行加热；当测量的进水温度低于比温度d低的温度e时，电加热器以高于功率D的功率E进行加热。

当然，可以选择的是，为了增加测量温度的准确性，可以在电加热器的出水口处设置另一个温度传感器，通过两个温度传感器的测量的温度的平均值来计算电加热器的启动功率。

对于锅炉来说，设置自动点火装置。当测量的进入锅炉的水的温度低于一定的温度的时候，锅炉就启动点火装置进行加热。当测量的水的温度达到一定的温度的时候，则就停止进行加热。

当然，可以选择的是，为了增加测量温度的准确性，可以在锅炉的出水口处设置另一个温度传感器，通过两个温度传感器的测量的温度的平均值来计算电加热器的启动功率。

当然作为优选，可以设置一个换热器作为辅助加热设备。换热器提供热源与进入温差发电装置21的水进行换热，所述换热器根据进入换热器的水温自动提供热源进行换热。如果测量进入换热器的水的温度低于一定的温度的时候，中央控制器控制换热器提供热源加热热水。当测量的水的温度达到一定的温度的时候，则就停止提供热源。

虽然本发明已以较佳实施例披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims (5)

1.一种太阳能音乐五线谱系统，所述系统包括集热器和温差发电装置，所述集热器与温差发电装置之间通过管路连接，所述温差发电装置与用电装置连接，所述用电装置是音乐五线谱,所述集热器包括集热管、反射镜和集热板，相邻的两个集热管之间通过集热板连接，从而使多个集热管和相邻的集热板之间形成管板结构；所述集热管横截面是正方形；

所述集热管内部设置内翅片，所述内翅片连接长方形的对角，所述内翅片将集热管内部分为多个小通道，在内翅片上设置连通孔，从而使相邻的小通道彼此连通；

所述正方形的内边长为L，所述连通孔的半径r，同一翅片上相邻的连通孔圆心之间的距离为l，满足如下关系：

l/L*10＝a*ln(r/L*10)+b；

其中ln是对数函数，a,b是参数，1.5<a<1.6,2.9<b<3.0；

0.34<l/L<0.38；

0.14<r/L<0.17；

30mm<L<120mm；

5mm<r<17mm。

2.如权利要求1所述的太阳能音乐五线谱系统，音乐五线谱包括发音模块、声音控制装置以及音乐五线谱面板，所述的发音模块与温差发电装置电连接，温差发电装置提供给发音模块电能，当音乐五线谱面板的相应部位被接触到时，相对应的声音控制装置控制发音模块，使其发出响应的声音。

3.如权利要求2所述的太阳能音乐五线谱系统，温差发电装置包括控制器，控制器根据发音模块的要求，将电能转换为适当的直流电信号，提供给发音模块。

4.如权利要求3所述的太阳能音乐五线谱系统，直流电信号为5V电信号。

5.如权利要求1所述的太阳能音乐五线谱系统，声音控制装置是接触式开关或磁控开关。