CN108224810A - 一种可旋转的太阳能集热器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种可旋转的太阳能集热器，该集热器包括框架、圆弧式反射镜、集热板、旋转轴、框架、吸热板、导热体管道、入口、出口、蓄热槽、旋转装置、驱动轴和球形反射镜。本发明把圆弧式反射镜集中在集热器的狭窄区，把低密度的太阳能转换为很高的温度，具有扩大其使用范围的效果。并且，本发明在日出及日落时光密度变低的时段也能够维持储热功能，提高储热效率，在局限的空间下设置大范围集热装置的情况下，也能够保持光能均匀地作用在每个集热装置上，不受临近集热装置影子的影响，能够实现高效率的集热，具有构造简单、便于安装、节省成本等优点。

Description

一种可旋转的太阳能集热器

技术领域

本发明涉及太阳能技术领域，具体而言，涉及一种可旋转的太阳能集热器, 该集热器可随不同时段的太阳光线旋转角度，从而提高太阳能利用率。

背景技术

太阳能集热装置是一种吸收太阳辐射并将产生的热能传递到传热介质的装置，现有的太阳能集热器分为平板型集热器和反射镜聚光型集热器。

平板型集热器由透明盖板、吸热板、导热管、隔热层、壳体组成。阳光照射到吸热板上，其中大部分太阳辐射被吸收体吸收转变为热能，并传向流体通道中的工质，拥有热源较为稳定的优点。

但是，普通平板型集热器吸收太阳能并传向导热管，由储热介质储存热能，储热介质的温度要比集热温度高，才能不断吸收热量形成热交换，因此，冬季或日落太阳能密度较低时，几乎无法形成热交换，具有效率低下的缺点。

同时，热能随着温度的升高，其使用领域则变得更加广泛，但是一般情况下的平板型集热器可维持约40摄氏度内外的储热温度，因此，仅限用于具有低温水使用需求的地方，若想用于供暖水(暖气用水)等用途，此时为了能够有效维持其温度保持在适当温度60－80摄氏度之间，则需要使用额外的辅助热源，也是其缺点之一。若通过使用辅助热源来提升储热温度，此时集热板上热交换的均衡温度则相对变高，因此在低于热均衡温度的情况下，实际上是无法完成该热能的吸收，除夏季，春季的白天之外，其使用效率也相对来说较低。

基于反射镜盘型集热器是通过在太阳热定位装置上附着反射镜来扩大入射面积，以集光的方式来完成集热的结构，有效提高光能密度，同时能够获取较高的集热温度，相比平板型集热器其集热效率更有待进一步提升。

但是太阳能定位装置要想在指定的安装面积内获取最佳集热面积，需要以同一结构来构成，此时就需要进一步扩大规模，随着规模的扩大其有效年限内的耐风速，耐风向等能力也需要进一步升级巩固，随之也涉及到了较高的制作费用问题，相比于投资，其效率偏低下。在这种情况下,就要扩大相应构造，结构变大后要求耐久性，抗风速及风向性等方面也要坚固。这样一来会导致制造费用增加，会出现与投资金额相比，效率大幅下降的问题。依靠反射镜的碟型集热器，在太阳能定位装置上添加了反射镜，可增加阳光射入面积。因为该装置是通过收集光线来集热的，提高光能的密度，可得到很高的集热温度。因此,相比平板型集热器,集热效率更高。由于这些问题,碟型集热器一般不采用大规格的装置，而是采用小规格分拆出来的装置连接后使用，只能采用平面排列方式，那么集热器阴影影响阳光射入面积，会导致集热效率下降。

发明内容

为了有效解决上述多种问题而实施，本发明提出了一种可旋转的太阳能集热器。该太阳能集热器根据太阳的位置，使用圆弧式反射镜，在反射镜内部根据太阳的位置收集反射的光后用集热板进行集热，因为集热板的热能密度大，可以得到很高的温度。即使太阳集热装置以平面方式排列，各集热装置间不互相影响，在有限的空间内可以实现效果最大化。确保在圆弧式反射镜以及上述反射镜内，集热板的位置能够处于反射光能的集中点上，以这一原理来构筑太能热集热器，从而提升作用于集热板上的光能密度，可确保高效的高温集热温度，同时，在将多个太阳热集热装置平铺于平面，能确保各集热装置不影响周边的正常集热程序，本发明以在有限的空间内对比集热效果提升至最大化。

本发明解决所述技术问题的技术方案是，设计一种可旋转的太阳能集热器，其特征在于，该集热器包括框架(10)、圆弧式反射镜(20)、集热板 (30)、旋转轴(31)、框架(32)、吸热板(33)、导热体管道(40)、入口(41)、出口(42)、蓄热槽(50)、旋转装置(60)、驱动轴(61)和球形反射镜(70)。

所述支架(10)为栅式形态，对整个装置其支撑的作用，圆弧式反射镜(20) 固定在支架(10)上；所述圆弧式反射镜(20)的中心上设置旋转轴(31)，集热板(30)安装在旋转轴(31)上；集热板(30)的内部设置有导热体管道 (40)，导热体管道(40)两端部相连的入口(41)与出口(42)分别与蓄热槽(50)连接。

所述支架(10)为支撑全部要素的架构，包括主支架(11)和一定间距形成的圆弧式的反射镜支架(12)，支撑集热板(30)的、与反射镜支架(12) 的两端连接的集热板支撑支架(13)；圆弧式反射镜(20)是半圆筒内部形成反射面的构造；圆弧式反射镜(20)的两端设置有球形反射镜(70)。

集热器(30)包括维持集热器(30)形状的板型框架(32)，板型框架(32) 的上端通过旋转轴(31)与集热板支撑支架(13)连接，集热器(30)中间设置有导热体管道(40)，导热体管道(40)的两侧安装有黑色电镀铜板的吸热板(33)，板型框架(32)将导热体管道(40)与吸热板(33)固定成板型。

集热器(30)的旋转装置(60)根据设备结构组合，以12个小时为周期，轮流形成顺旋转和逆旋转，板型框架(32)下端长度方向安装驱动轴(61)，上述驱动轴(61)与结合减速器(62)的驱动电机(63)连接，上述驱动轴(61) 和各自滑轮钢丝(64)结合，钢丝(66)中央挂在滑轮钢丝的状态下，钢丝两端改变各自方向，通过安装在框架(10)上、集热器端部的空转轮(65)，驱动轴(61)随着驱动电机(63)的旋转而旋转时，带动固定在钢丝(66)上的集热器(30)以旋转轴(31)为中心进行旋转。

与现有技术相比，本发明有益效果在于：本发明把圆弧式反射镜集中在集热器的狭窄区，把低密度的太阳能转换为很高的温度，具有扩大其使用范围的效果。并且，本发明在日出及日落时光密度变低的时段也能够维持储热功能，提高储热效率，在局限的空间下设置大范围集热装置的情况下，也能够保持光能均匀地作用在每个集热装置上，不受临近集热装置影子的影响，能够实现高效率的集热，具有构造简单、便于安装、节省成本等优点。

附图说明

图1为本发明一种实施例的结构布局示意图。

图2为本发明一种实施例的框架结构示意图。

图3为本发明一种实施例的集热板侧面结构示意图。

图4为本发明一种实施例的集热板旋转装置结构示意图(其中，圆弧式反射镜为剖视状态)。

图5为本发明一种实施例的日出时分工作状态示意图。

图6为本发明一种实施例的正午时分工作状态示意图。

图7为本发明一种实施例的日落时分工作状态示意图。

图8为一种实施例的倾斜安装圆弧式反射镜的状态示意图。

图9为一种实施例的由多组本发明太阳能集热器并排安装构成的集热装置的状态示意图。

具体实施方式

以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述,但本发明并不限于这些实施例。

本发明提供一种可旋转的太阳能集热器，该集热器包括框架(10)、圆弧式反射镜(20)、集热板(30)、旋转轴(31)、框架(32)、吸热板(33)、导热体管道(40)、入口(41)、出口(42)、蓄热槽(50)、旋转装置(60)、驱动轴(61)和球形反射镜(70)。

所述支架(10)为栅式形态，参见图1，对整个装置其支撑的作用，圆弧式反射镜(20)固定在支架(10)上。所述圆弧式反射镜(20)的中心上设置旋转轴(31)，集热板(30)安装在旋转轴(31)上。集热板(30)的内部设置有导热体管道(40)，导热体管道(40)两端部相连的入口(41)与出口(42) 分别与蓄热槽(50)连接。

所述支架(10)为支撑全部要素的架构，如图2所示，包括主支架(11) 和一定间距形成的圆弧式的反射镜支架(12)，支撑集热板(30)的、与反射镜支架(12)的两端连接的集热板支撑支架(13)来构成。

圆弧式反射镜(20)是半圆筒内部形成的反射面的构造。

所述圆弧式反射镜上反射的光按反射角度的不同，通过反射面反射或者在反射镜外部漏掉，但是和太阳的位置一致，反射面的方向放置吸收光辐射的集热板(30)，通过反射镜反射的光会射在集热板(30)的前、后面照射吸收，把光辐射吸收到集热板(30)上。

圆弧式反射镜(20)的两端设置有球形反射镜(70)，是把圆弧式反射镜的侧面作用的光聚集后反射在集热板上，使其提高集热效果的作用。太阳和反射镜形成直角时，光的焦距脱离反射镜导致效率降低，这种情况时，两侧形成的圆弧式反射镜还是会把光聚集后作用到集热板上事其得到较高的温度。

图3及图4是集热器(30)的实施例结构示意图，集热器(30)包括维持集热器(30)形状的板型框架(32)，板型框架(32)的上端通过旋转轴(31) 与集热板支撑支架(13)连接，集热器(30)中间设置有导热体管道(40)，导热体管道(40)的两侧安装有黑色电镀铜板的吸热板(33)，板型框架(32) 将导热体管道(40)与吸热板(33)固定成板型。

一般的吸热板为单一金属板，但本发明采用的构造为根据集热器的位置，产生不同的热力，可切断来自吸热板宽度方向的热传导。即，集热器处于旋转轴一定距离的位置时光密度最高，根据半圆筒形反射镜的特点，在长度方向形成同样的光密度，因此在同吸热板内也能够形成温差导致的热传导。从而若想维持很高的储热温度，可切断集热器宽度方向的热传导，为此把宽度小的吸热板互相分隔安装在框架上形成整体的吸热板。本发明吸热板(33)为多块宽度小的吸热板互相分隔安装在板型框架(32)上的结构。

并且，在吸热板中热能量密度最高的部分是，例如吸热板的宽幅为W时，大约在轴的2/3w-4/5w位置，在这一部分集中安装导热体管道(40)，可维持很高的储热温度，导热体管道(40)各自长度方向采用回水弯构造，防止供给方面的热体逆流。

所述集热器(30)的旋转装置(60)根据设备结构组合，以12个小时为周期，形成顺旋转和逆旋转，板型框架(32)下端长度方向安装驱动轴(61)，上述驱动轴(61)与结合减速器(62)的驱动电机(63)连接，上述驱动轴(61) 和各自滑轮钢丝(64)结合，钢丝(66)中央挂在滑轮钢丝的状态下，钢丝两端改变各自方向，通过安装在框架(10)上、集热器端部的空转轮(65)，驱动轴(61)随着驱动电机(63)的旋转而旋转时，带动固定在钢丝(66)上的集热器(30)以旋转轴(31)为中心进行旋转。

上述的集热管反射镜的长度方向的轴和反射镜的中心结合，使用旋转方法反射镜内180°以内随意旋转为目的结合在一起。集热管考虑理论上的每个地区的日照，反射镜的方向与太阳的天球上的途径成直角安排，使太阳-反射镜的中心-集热板-反射面在一条直线上并考虑太阳的每时间段的高度旋转集热板，让集热的温度具有提高的效果。

旋转装置(60)让集热板(30)的旋转和太阳移动的步调一致，使反射的光更有效的集热。通常情况下，地球的自转周期设成24小时，每小时太阳的位置会移动15°，所以在日出时正方向开始每小时旋转15°，日落时归正到原位置的程序或者配合地球的自转周期每小时15°的规律，前12小时正向旋转，后12小时反向逆旋转，这样以一天为周期反复实施。

虽然上述驱动电机没有标注在图面上，但其构造是根据单独安装的控制装置来选择速度和顺逆旋转方向，可根据传感器及限位开关选择旋转运动范围。

图5至图7是关于太阳运行的移动路线与反射镜呈直角的状态下，根据太阳高度的变化，集热器也随之移动的说明。其中图5标示的是大概的日出时间段的太阳的高度和集热器的位置。集热器位于连接太阳和反射镜中心的延长线上，作用于反射镜的有效光能量通过反射镜，到达集热器的尾端。

因此，在冬季日出前后光能量密度不高的情况下，也能集中作用在集热器的狭窄区，从而能够维持很高的集热温度，使储热功能正常运行。与以往的平板型集热装置相比，储热效率明显提高并且能够维持很高的储热温度。

图6标示的是大约在中午时段的太阳高度和集热器的位置。此时太阳位于反射镜中心的正中央上空，通过反射镜入射的太阳光均匀地作用在反射镜正面，反射在各自的相关位置上，反射的光作用于集热器尾端的吸热板的两面进而转换为热能。

图7标示的是日落时段。虽然光密度变小，但通过反射镜入射的光大部分集中作用在集热器的尾端狭窄区，因此依然能够维持很高的集热温度，运行储热功能。

日落后，根据驱动电机的逆旋转，通过上述逆序使集热器回到原位置。

图8所示的是依据本发明运行的集热装置在考虑纬度及太阳运行的路径，为了达到最佳的入射面，使圆弧式的一段抬高的设计图例。把反射镜水平排列后，连续放置集热装置的情况下，由于抬高了最后一个集热装置的一端，避免临近集热装置出现影子，具有提高集热效率的优点。

图9所示的是把一系列集热装置按复数构成的实例。每个集热装置在框架及反射镜固定的状态下，根据太阳高度，仅把内部的集热器移动到热吸收的位置。跟以往的追踪太阳形态的集热装置不同，不影响旁边集热装置的集热，维持均匀的入射面，从而构成大范围的集热装置。

本发明太阳能集热装置具有一定规格长度与半径的圆弧式反射镜及为固定反射镜的框架，发射镜中间有轴旋转的集热板，集热板内部有导热管，集热板根据太阳的位置移动收集太阳光，通过导热管储存到蓄热器上的一种集热装置。

圆弧式反射镜是圆柱形镜体截断状态的构造。直角放置后，光通过反射镜的任意反射面入射进来，以反射面到连接中心的法线为基准，具有与入射角度同样的反射角度，反射后的太阳与直线作用于反射镜内狭窄空间的集热板前后面时，使均衡分布的反射光的光能集中到集热板的一个部位。

圆弧式反射镜的两端是矩形反射镜。矩形反射镜可以收集入射的光，反射到反射镜两端的光再反射到集热板上，即使阳光与圆弧式反射镜不完全是直线，也不会有收集不到的现象，也会很好的作用于集热板上，从而提高集热效率。

集热板的吸热板为了吸收太阳光，内部由铜板等构成，为了提高吸收率, 采用黑色涂层的结构,内部设有导管,吸收的热量传递到热媒介上，使热能在导管内部流动。

集热管反射镜的长度方向的轴和反射镜的中心结合，使用旋转方法反射镜内180°以内随意旋转为目的结合在一起。集热管考虑理论上的每个地区的日照，反射镜的方向与太阳的天球上的途径成直角安排，使太阳-反射镜的中心- 集热板-反射面在一条直线上并考虑太阳的每时间段的高度旋转集热板，让集热的温度具有提高的效果。

太阳的光辐射直接作用在集热板上的情况和通过反射镜反射作用的情况，集热板所加载的能量总量方面是一样的，但是光辐射能在集热板上直接作用的情况时集热板全部面积得到均一密度的光辐射导致光辐射能的集中性差，反之通过圆弧式反射镜反射的集热板加载的光辐射作用在集热板内较窄的区域，比较直接作用其密度明显提高并可以集中，所以起到集热温度被提高的效果。

让集热板的旋转和太阳移动的途径一致，使反射的光更有效的集热。通常情况下，地球的自转周期设成24小时，每小时太阳的位置会移动15°，所以在日出时正方向开始每小时旋转15°，日落时归正到原位置的程序或者配合地球的自转周期每小时15°的规律，前12小时正向旋转，后12小时反向逆旋转，以一天为周期反复实施。

导热体管为了从集热板的热能通过介质吸收，在吸热板内设置较细的管，要与吸热板形成一体。

圆弧式反射镜内设置的集热板反射的光的密度是在距离反射镜为中心有段距离的位置为最高，所以在其部位集中设置导热体管，使起到集热温度提高的效果。

蓄热槽是把吸收的太阳能储存并适当取出用在使用目的上的设备，要选择使用能量损失少的构造，感知集热板的集热温度和蓄热温度的温度差并自动让热介质循环调整的设备。

旋转方法是随着太阳的移动，旋转反射镜中射入的光辐射能可以有效的吸收的集热板的位置，在反射镜的中心上有集热板的旋转轴支撑的状态下，按如上的内容轴上加旋转动力使之机械性的旋转的集热管的构造

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

本发明未述及之处适用于现有技术。

Claims (4)

1.一种可旋转的太阳能集热器，其特征在于，该集热器包括框架（10）、 圆弧式反射镜（20）、集热板（30）、旋转轴（31）、框架（32）、吸热板（33）、 导热体管道（40）、入口（41）、出口（42）、蓄热槽（50）、旋转装置（60）、驱动轴（61）和球形反射镜（70）；

所述支架（10）为栅式形态，对整个装置其支撑的作用，圆弧式反射镜（20）固定在支架（10）上；所述圆弧式反射镜（20）的中心上设置旋转轴（31），集热板（30）安装在旋转轴（31）上；集热板（30）的内部设置有导热体管道（40），导热体管道（40）两端部相连的入口（41）与出口（42）分别与蓄热槽（50）连接；

所述支架（10）为支撑全部要素的架构，包括主支架（11）和一定间距形成的圆弧式的反射镜支架（12），支撑集热板（30）的、与反射镜支架（12）的两端连接的集热板支撑支架（13）；圆弧式反射镜（20）是半圆筒内部形成反射面的构造；圆弧式反射镜（20）的两端设置有球形反射镜（70）；

集热器（30）包括维持集热器（30）形状的板型框架（32），板型框架（32）的上端通过旋转轴（31）与集热板支撑支架（13）连接，集热器（30）中间设置有导热体管道（40），导热体管道（40）的两侧安装有黑色电镀铜板的吸热板（33），板型框架（32）将导热体管道（40）与吸热板（33）固定成板型；

集热器（30）的旋转装置（60）根据设备结构组合，以12个小时为周期，轮流形成顺旋转和逆旋转，板型框架（32）下端长度方向安装驱动轴（61），上述驱动轴（61）与结合减速器（62）的驱动电机（63）连接，上述驱动轴（61）和各自滑轮钢丝（64）结合，钢丝（66）中央挂在滑轮钢丝的状态下，钢丝两端改变各自方向，通过安装在框架（10）上、集热器端部的空转轮（65），驱动轴（61）随着驱动电机（63）的旋转而旋转时，带动固定在钢丝（66）上的集热器（30）以旋转轴（31）为中心进行旋转。

2.根据权利要求1所述的一种可旋转的太阳能集热器，其特征在于，所述吸热板（33）为多块宽度小的吸热板互相分隔安装在板型框架（32）上的结构。

3.根据权利要求1所述的一种可旋转的太阳能集热器，其特征在于，导热体管道（40）各在自长度方向采用回水弯构造。

4.根据权利要求1所述的一种可旋转的太阳能集热器，其特征在于，旋转装置（60）让集热板（30）的旋转和太阳移动的步调一致，在日出时正方向开始每小时旋转15°，日落时归正到原位置或者配合地球的自转周期每小时15°的规律，前12小时正向旋转，后12小时反向逆旋转，以一天为周期反复实施。