CN1143999C - 太阳能加热装置 - Google Patents

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Abstract

一种太阳能加热装置，其特征在于：在具有三个相邻的集热器(4)的条件下，位于它们下方的条镜(2)被分成两组，其中一组条镜(2)反射向中间的集热器(4)，而另一组的条镜(2)则反射向位于条镜组上方的另外两个集热器(4)之一，控制装置(21)控制着转动条镜(2)以及条镜的反射面的装置(16)以这样的方式进行转动：在上午时，位于中央的集热器(4)和其东侧的集热器(4)之间的第一组条镜(2)都反射向东侧的集热器(4)，而位于中央的集热器(4)和其西侧的集热器(4)之间的第二组条镜(2)则反射向中央的集热器(4)，当太阳已经经过了其一天中的最高位置之后、即在下午时，第一组条镜(2)将反射向中央的集热器(4)，而第二组条镜(2)将反射向中央的集热器西侧的集热器(4)。解决了现有技术中的太阳能加热装置效率低的问题。

Description

太阳能加热装置
技术领域
本发明涉及一种太阳能加热装置，其包括至少一个反射镜构件和至少三个等距排列的集热器，其中反射镜构件安装在一个构架上，并能被调整成朝向太阳，集热器平行反射镜构件延伸，用于收集由反射镜构件反射来的太阳光辐射，从而反射镜构件包括一系列近乎于平面镜的条镜，这些条镜沿集热器的纵长方向并排延伸，它们的纵长方向定位于南北向，且每个条镜在构架的安装方式都使得它们可绕各自的纵长方向进行转动，而集热器则相对固定地安装在构架上，这样各个条镜的转动轴线几乎位于同一个水平面内，由于加热装置还包括转动条镜以及条镜的反射面的装置，因而照射到所说表面上的太阳光线可被反射向集热器，加热装置还包括控制装置，来控制驱动装置根据太阳位置的变化而进行转动。
背景技术
美国专利US-A-3861379公开了一种上述类型的加热装置，但在该装置中只有一个集热器。所有的条镜都指向这一个集热器，并追踪太阳的位置一起进行转动。
当太阳靠近地平线时，对许多条镜而言，入射太阳光和射向集热器的反射线之间的夹角将大于90度，这将使聚能效率下降。
第一段中描述的那种类型的装置在法国专利FR-A-1520370和美国专利US-A-4229076中已有所公开。
这些已有的装置包括两个或多个集热器，且在每个集热器的下方都设置了一组条镜，它们可以按照太阳位置的变化进行转动。
每组条镜中的所有条镜都始终将它们的反射面朝向同一个集热器，因而该集热器也布置在这组条镜上方的正中间。
事实上，后一种装置可被看作是由两个或多个上述美国专利US-A-3861379中描述的前一种装置一个接着一个地组成的。
除非当太阳在反射镜构件的上方位于最高点时，否则对许多条镜而言，入射太阳光和射向集热器的反射线之间的夹角将大于90度，该夹角在何时变为锐角和太阳相对于这些条镜的位置变化有关并且在不同的时间点上进行。
上述夹角大于90度的那些条镜使装置的效率下降。
发明内容
本发明的目的是消除这一缺陷。
为了实现这一目的，根据本发明，在具有三个相邻的集热器的条件下，位于它们下方的条镜被分成两组，其中一组条镜反射向中间的集热器，而另一组的条镜则反射向位于条镜组上方的另外两个集热器之一，控制装置控制着驱动装置以这样的方式进行转动：在上午时，位于中间集热器和其东侧集热器之间的第一组条镜都反射向东侧的集热器，而位于中央集热器和其西侧集热器之间的第二组条镜则反射向中央集热器，当太阳已经经过了其一天中的最高位置之后、即在下午时，第一组条镜将反射向中央集热器，而第二组条镜将反射向中央集热器西侧的集热器。
事实上，可以把反射镜构件看作是两块分段半抛物线镜面，这两块镜面平行延伸，其中每块镜面中的小段都是平面镜，并设置在同一水平面内。
第一反射镜构件还可以包括一个或几个另外的扩展条镜组，并为这些条镜组每个设置一个额外的集热器。
转动条镜以及条镜的反射面的装置可同时将至少一部分数目的条镜转动相同的程度，这些条镜例如是位于两个集热器之间的所有条镜，甚至于是全部的条镜。该装置在每个条镜的至少一端设置了一个轮子，例如为一个链轮或牙轮，一个例如链或齿状带等形式的环状元件和所有这些驱动轮配合工作，装置还包括用于驱动该环状元件的驱动装置。
集热器最好能包括至少一根吸热管和至少一个反射器，该反射器最好是由两块抛物曲面镜组成的，这两个镜面对着布置在它们之中的吸热管，象一个帽子罩在吸热管的上方，用来收集反射镜构件反射来的太阳辐射线，并再将它们反射到吸热管上。
吸热管最好是一个双壁玻璃管，其内管的外壁上涂覆了一层吸热材料，且将两管间抽成真空。一根金属管从该吸热管中穿过，且在该金属管和吸热管间的空隙内塞满了钢丝棉等导热材料。
附图说明
为了更好地解释本发明的技术特征，下文参照附图描述了本发明的太阳能加热装置的两种最佳实施方式，这两个实施例只起例示的作用，在任何意义上都是非限定性的。在附图中：
图1是很简略地表示了根据本发明的加热装置的立体图；
图2是沿图1中的II-II线所作的放大的剖面图；
图3表示了图1和图2装置中的集热器的立体图，图中集热器被部分切去；
图4示意地表示了图3中的集热器的纵向剖面结构；
图5是本发明的加热装置的正视图；
图6、7和8类似于图5的示意正视图，表示了装置处于其它两个工作状态时的情形；
图9放大表示了图4中的9部分的细节结构；
图10是沿图9中的X-X线所作的剖面视图。
具体实施方式
如图1所示，本发明的太阳能加热装置包括由一组并排布置的平面条镜2组成的一个反射镜构件1，以及一个竖立在反射镜构件上方的一个集热器，这些条镜沿它们的纵长方向、或平行于纵长方向可转动地安装在一个构架3上，集热器则固定地安装在所说的构架3上。
条镜2是平面镜，并在纵长方向相互平行。
这些条镜例如是由在上表面涂有反射镀层的玻璃制成的，且最好在玻璃的底面上覆盖有一层可抵御风沙暴的保护层，例如为橡胶或塑料制成的罩层。
它们的宽度例如差不多为50cm，长度大约为3m，厚度为3mm。
每个条镜2都是可转动的。如图2所详细表示的那样，每个条镜2都通过一个夹钳5挂接在一个由铝合金型材制成的框架6上，该构件又通过夹座7固定在一个管体8上，该管体每隔三米就穿入到一个轴承9中，其中的轴承固定在水平横向销杆10上，该销杆是构架3的一个部件。
所有这些横销杆10的端部都固定在构架3的支架上、即直立型材11或12上，其距离地面的高度大约为1.5米，但这一高度是可以调节的。
在纵侧面上，在两根型材12之间，竖立了三根较短的型材11，例如可每三米设置一根短型材11。型材11的端头高出反射镜构件1一段距离，它们的端部通过纵侧面上的第一纵向型材13连接在一起，并和型材12相连接。
直立型材12显著地高于型材11，它们的端部通过横断方向上的水平型材14连接在一起。直立型材11和12的下端固定在一个混凝土基座15中。
在两个第一纵向型材13间可以跨置一个滑轮车，用来维护、清理或修理反射镜构件1，该滑轮车没有表示在图中。
转动条镜以及条镜的反射面的装置16用来根据太阳位置的变化来转动条镜2，条镜纵长处于南北方向，在一天中条镜来回转动始终指向太阳。
为了清楚起见，转动条镜以及条镜的反射面的装置16只表示在图5至图8中，该装置包括一个设置在每个管体8的一个端部上的链轮17，该链轮通过一条链条18和另一个链轮19相连接，链轮19由一个驱动机驱动，该驱动机械包括一台步进电机20。
转动条镜以及条镜的反射面的装置16还包括一个电子控制设备21，由它来根据太阳位置的变化控制步进电机20的转动，使得条镜2能跟踪太阳的运动。
理论上讲，在条镜2的纵长方向上加热装置的长度是不受限制的，其长度可达一公里长。
显然，定位在南北方向上的各个条镜2，为了能将收集到的太阳辐射反射到位于反射镜构件1正上方的唯一一个集热器4上，当太阳处于任何位置时，在它们的横断方向上倾斜角都是不相同的。其中的集热器4悬挂在横向型材14上。
按照本发明所示的实施例，链条18环绕过所有的链轮17，且转动条镜以及条镜的反射面的装置16只设置了唯一一个步进电机20，由它通过链轮19和链条18来驱动所有的链轮17，这样就能同时将所有的条镜2转动相同的角度。
每个集热器4位于反射镜构件1上方例如为反射镜构件宽度一半的高度，该高度例如为12米高。然而，该高度也可低至六米。
这些集热器4沿条镜2的纵长方向延伸。
如图3、4所详细表示的那样，集热器4包括一个金属制成、最好是钢材制成的管体22，该管体例如为6英寸(大约15厘米)长，其插入到一个吸热管，在本实施例中为玻璃双壁管23-24中。和钢制的管不同，玻璃制的管不能透过氢元素，价格较低且具有较小的直径。
玻璃双壁管23-24的外管壁23是透明的，但内管壁24的外侧却涂覆了一层黑色的吸热材料层，这些材料例如是喷涂上去的。
在端头部位，管壁23和24是闭合在一起，管壁23和24之间例如相隔大约为1mm的空隙内抽成了真空。
双壁管23-24是由耐热玻璃制成的，例如是由已知的PYREX品牌的耐热硼玻璃制成的。内侧的黑色玻璃壁24可被加热到高达300度到500度的温度，而外玻璃壁23则仍保持相对较低的温度。
该管件23-24长达4米，且为了使内管壁24可以热膨胀，在外管壁23的一个端部设置了膨胀波纹管25，其最好是由钢化玻璃制成的，并熔接在玻璃管壁23的支座部位。
为了避免内管壁24在热膨胀时，由于在膨胀波纹管上作用力而发生弯折，在所说的内管壁24上扣夹了玻璃环26，玻璃环例如可通过先加热、然后再冷却发生收缩而套在管壁24上，这就使得它们只是局部地和外管壁23接触，从而限制了热传导。
内管壁24和钢管22之间的空间保持大气压力，其内部充满了可导热量的介质27，介质例如是由铝箔包裹着的钢丝棉，铝箔的厚度例如为0.3mm，介质27紧贴着管体22和内壁24。
此外，双壁管23-24借助于所说的介质27架撑在钢管22上。
钢管的长度贯穿了条镜2的整个长度，但它的也可延伸几组条镜2的长度或整个反射镜构件的长度，甚至有一公里长。
然而，双壁管23-24的长度只有大约3米长，在集热器4中多根玻璃管23-24一根接着一根地环绕着钢管22。
在装置的端部，在两个相邻的双壁玻璃管23-24之间，钢管22通过一根悬杆28被悬挂在一个滑轮车29上，该滑轮车跨置在构架3的一个工字形的第二纵向型材30上，该结构在图4中进行了示意表示，在图9和10中有详细的表示。
工字形的第二纵向型材30悬置在水平横向型材14上，延伸到集热器4的整个长度，但每隔一段距离都要设置一个膨胀接缝31。
滑轮车29是一个U型的型材，其两个侧边上各安装了两个小轮32，这些小轮可相对转动。如图10所示，前后小轮并没有布置在同一轴线上，而是在驱动方向上相互错开一定位置，这样就使得当一个小轮正在经过一个膨胀接缝31时，滑轮车29仍能依靠其它三个小轮32平压在工字梁上。因而防止了滑轮车29在通过一个膨胀接缝31时发生摇晃。
如图9和10所详细表示的那样，悬杆28包括一个第一杆33，其一方面用螺纹旋入到一个套管34中，该套管焊接到钢管22上，并在两个相邻玻璃管23-24的端部之间由绝热材料35包裹，另一方面杆33还旋入到套筒36中。第二杆37被焊接到滑轮车29上，同时也被旋接到上述的套筒36中。这样，当转动套筒36时，杆33和37被相互拉近或相互撑远。杆33两端头上的螺纹线的方向相同，但套筒36两端头上的螺旋线的旋向相反。
集热器4还包括多个反射器38，这些反射器每个都包括两块沿长度方向固定在一起的长条反光镜，位于玻璃管23-24的上方，罩在管壁24形成的吸热管上。每个反光镜的横截面都是部分抛物线，例如为一个半抛物线。
反射器38通过一组拉杆39被悬挂在一个横断方向的型材40上，该型材固定在工字形的第二纵向型材30的底面上。
每个反射器38都将其反射面对着内管壁24，在工作中内管壁24位于反射器38的两半抛物面的焦线上。
反射器38的长度近似等于双壁玻璃管23-24的长度，集热器4具有多个这样的反射器38，它们成一直线布置在反光镜构件1的上方。
反射器38底部的开口部位要经过计算，使得反光镜构件1的所有条镜2反射来的太阳光线都能射入到该开口内，从而能射向玻璃管23-24的内管壁24，即使在它们不能直接照射到内管壁24上的条件下。
如果集热器4在反光镜构件1上方的高度为构件1宽度的一半，则该开口就可收集夹角为90度范围内的太阳光线，例如为72cm宽的范围。当集热器的位置更低一些时，范围角更大，例如可达到135度。
由于工程上的原因，条镜2的长度被限定在例如3m的范围内，但多个条镜可在纵长方向上一个挨一个地接起来，这样多个条镜2或甚至所有位于这一直线上条镜2的支撑管8就可形成一根无间断的整体管，使得用单个步进电机20就可以同时转动一组相互联结在一起的多个条镜2，或者同时转动所有的条镜。
同样构架3中的侧面的第一纵向型材13和省去膨胀接缝31的工字形的第二纵向型材30也可以横跨几组反光镜构件1而不间断。
同样的情况也适用于悬挂在工字形的第二纵向型材30上的集热器4，其长度可延伸到一公里长。
此外，几个单个的反光镜构件或者在纵长方向上一个接一个布置的反光镜构件还可以并排布置在横断方向上。
通过采用平面条镜2，而不是一块或多块整体抛物面反射镜，本发明的结构相对简单，其维护相对简单，尤其是由于设置了沿第一纵向型材13滑动的滑轮车。
在例如为沙暴的情况下，条镜可转动到使其背面的保护层对着风暴的方向。
该装置具有很高的效能。只有在清晨或黄昏时分非常短暂的时间内，条镜才在相邻的条镜上产生投影。在白天的其余时间内，几乎没有由于阴影而产生的太阳能损失。
条镜2的纵长方向被定位于南北方向。
三个上述的集热器-被悬挂在一个工字形的第二纵向型材30上，因而条镜2在横断方向上的倾斜角并不相同，它们都由同一套步进电机20驱动。
三个集热器4中之一和上述实施例中的集热器一样架设在中央部位，而其它两个则位于纵向边缘上，分别居于中央集热器4的东西两侧。
条镜2是这样进行倾斜的：使得它们的排列形状形成了两个纵长的半抛物面，该半抛物面被分段划分，且各段均为平面镜，并降低放置到同一水平面内，因而是两个半抛物面实际上是相互平行的。
组成某一半抛物面形状的条镜2反射向一个集热器4，而其它组成另一抛物面的条镜反射向另一集热器4。并且，当太阳达到其最高点时，所有的条镜2都一起转动一个角度，使得它们每个都反射向另一个集热器4，当反光镜构件1的宽度等于集热器位置高度的两倍时，且集热器4间的距离等于该高度值时，该转动角为22.5度。
在图5中，表示了当太阳位于东方地平线上时条镜2的姿态。在太阳一侧的第一组或前半边条镜2将收集到的太阳光反射向设置在东侧的集热器4上，另半边的一组条镜2反射向中央集热器4。
显然，在图5所示的最远位置处，由于当太阳的位置这样低时，条镜会被挡在前一条镜的阴影中，因而所说的反射只是理论上的。
所有条镜2在转动条镜以及条镜的反射面的装置16的驱动下持续地运动，保持其反射线朝向上述的集热器4，一直到太阳升高到图7所示的状态。当太阳位于其最高点时，在正午之前条镜2共转动了45度。
在正午时，即太阳到达其最高点时，在该实施例中，所有的条镜2都转动22.5度，转到图7所示的状态。
这样，现在第一组条镜2的反射朝向了中央集热器4，而另外的条镜2朝向了位于西侧的集热器4。
在下午期间，所有的条镜2在转动条镜以及条镜的反射面的装置16的驱动下继续同步地进行转动，直到太阳在西方落入地平线为止共转动了45度，条镜2然后定位在图8所示的姿态下，从而形成了和早上转动前的状态成镜面对称的情形。
在任何时刻，如图5到图8中的部分条镜2表示的那样，入射太阳光和反射向集热器的太阳光的夹角都小于90度，因而装置的效率非常高。
由于所有的条镜2都始终是以相同的角度进行转动，转动条镜以及条镜的反射面的装置16具有相对简单的结构，对太阳的跟踪也相对简单。
显然，如图5到图8中的虚线所示，在上述反光镜1的两侧，还可设置另外的条镜2，具体来说，是设置了一组或几组形状布置成分段半抛物面的条镜2，但为每组条镜也设置了一个另外的集热器4。
在下午时，位于东侧的其它条镜组反射向上述最东侧反射镜构件1的集热器4。与此类似，在正午之前，布置在西侧的其它条镜组将朝向上述最西侧反射镜构件1的集热器4。
由于反射镜构件被分割成了条镜2，因而可能将一个或几个条镜2完全或部分闲置，例如通过将它们单独地进行翻转使它们不再定向反射太阳光，从而可调节装置吸收的太阳能总量。
本发明在任何意义上都不应仅限于上文所描述、并表示在附图中的实施例；与此相反，在本发明的范围内，这样的太阳能加热装置可采用各种不同的形式。

Claims (19)

1.一种太阳能加热装置，其包括至少一个反射镜构件(1)和至少三个等距排列的集热器(4)，其中反射镜构件(1)安装在一个构架(3)上，并能被调整成朝向太阳，集热器(4)平行反射镜构件(1)延伸，用于收集由反射镜构件(1)反射来的太阳光辐射，反射镜构件(1)包括一系列近乎于平面镜的条镜(2)，这些条镜(2)沿集热器(4)的纵长方向并排延伸，它们的纵长方向定位于南北向，且每个条镜(2)在构架(3)的安装方式都使得它们可绕各自的纵长方向进行转动，而集热器(4)则相对固定地安装在构架(3)上，这样各个条镜(2)的转动轴线几乎位于同一个水平面内，加热装置还包括转动条镜(2)以及条镜(2)的反射面的装置(16)，因而照射到所说反射面上的太阳光线可被反射向集热器(4)，加热装置还包括控制装置(21)，来控制转动条镜(2)以及条镜(2)的反射面的装置(16)根据太阳位置的变化而进行转动，其特征在于：在具有三个相邻的集热器(4)的条件下，位于它们下方的条镜(2)被分成两组，其中一组条镜(2)反射向中间的集热器(4)，而另一组的条镜(2)则反射向位于条镜组上方的另外两个集热器(4)之一，控制装置(21)控制着转动条镜(2)以及条镜(2)的反射面的装置(16)以这样的方式进行转动：在上午时，位于中央的集热器(4)和其东侧的集热器(4)之间的第一组条镜(2)都反射向东侧的集热器(4)，而位于中央的集热器(4)和其西侧的集热器(4)之间的第二组条镜(2)则反射向中央的集热器(4)，当太阳已经经过了其一天中的最高位置之后、即在下午时，第一组条镜(2)将反射向中央的集热器(4)，而第二组条镜(2)将反射向中央的集热器西侧的集热器(4)。
2.根据权利要求1所述的加热装置，其特征在于：反射镜构件(1)由两块分段半抛物线镜面组成，这两块镜面平行延伸，其中每块镜面中的小段都是平面镜，并设置在同一水平面内。
3.根据权利要求1或2所述的加热装置，其特征在于：还用至少一个另外的组的条镜(2)来扩展反射镜构件(1)，并为这些条镜的组的每个设置一个额外的集热器(4)。
4.根据上述权利要求1所述的加热装置，其特征在于：转动条镜以及条镜的反射面的装置(16)可同时使至少一部分条镜(2)或所有条镜(2)转动相同的角度。
5.根据权利要求1或4所述的加热装置，其特征在于：转动条镜以及条镜的反射面的装置(16)可至少转动位于两个集热器(4)之间的所有条镜(2)。
6.根据权利要求5所述的加热装置，其特征在于：用于转动条镜(2)以及条镜的反射面的装置(16)在每个条镜(2)的至少一端设置了一个轮子，一个环状元件和所有这些驱动轮配合工作，转动条镜以及条镜的反射面装置(16)还包括用于驱动该环状元件的驱动装置。
7.根据上述权利要求1、4或6所述的加热装置，其特征在于：集热器(4)包括至少一根吸热管和至少一个反射器(38)，这个反射器对着布置在它们之中的吸热管，且象一个帽子罩在吸热管的上方，用来收集反射镜构件(1)反射来的太阳辐射线，并再将它们反射到吸热管上。
8.根据权利要求7所述的加热装置，其特征在于：该反射器(38)是由两块抛物镜面组成的。
9.根据权利要求7所述的加热装置，其特征在于：所述吸热管是一个玻璃双壁管(23-24)，其内管壁(24)涂敷了一层吸热材料，其外管壁是透明的，且将内管壁与外管壁间抽成真空。
10.根据权利要求9所述的加热装置，其特征在于：一根金属管(22)从该双壁管(23-24)中穿过，且在该金属管(22)和双壁管(23-24)间的空隙内塞满了导热材料。
11.根据权利要求9所述的加热装置，其特征在于：在外管壁(23)上设置了膨胀波纹管(25)。
12.根据权利要求11所述的加热装置，其特征在于：在外管壁(23)和内管壁(24)之间设置了多个环体(26)。
13.根据权利要求11所述的加热装置，其特征在于：在所说的反射镜构件(1)的上方，多根双壁管(23-24)一根接一根地套在同一根金属管(22)上，从而用这根金属管(22)来支撑这些双壁管(23-24)。
14.根据上述权利要求1、4或6所述的加热装置，其特征在于：集热器(4)包括一根金属管(22)，用于对流体进行加热，该金属管(22)每隔一段距离就通过一个滑轮车(29)悬挂在一根第二纵向型材(30)上，该第二纵向型材是构架(3)的一个部件，滑轮车跨骑在该第二纵向型材(30)上。
15.根据权利要求14所述的加热装置，其特征在于：所说的第二纵向型材(30)上设置了膨胀接缝(31)，所说的滑轮车(29)包括两个前轮和两个后轮(32)，但各对车轮并不布置在同一轴线上，而是在受驱动方向上相互错开一定距离。
16.根据权利要求14所述的加热装置，其特征在于：所说的金属管(22)是通过一根悬杆悬挂起来的，悬杆包括旋接到一个套筒(36)上的第一杆(33)和第二杆(37)，从而可通过转动套筒调节它们的相对距离。
17.根据权利要求6所述的加热装置，其特征在于：所述的轮子为链轮(17)或牙轮，所述环状元件为链(18)或齿状带的形式。
18.根据权利要求10所述的加热装置，其特征在于：所述导热材料为钢丝棉。
19.根据权利要求12所述的加热装置，其特征在于：所述环体(26)和外管壁(23)只是局部接触。
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