CN1529102A - 万能太阳机 - Google Patents

Abstract

万能太阳机是一种太阳能光热利用装置，它主要是由自动跟踪装置及可调焦的平面聚光镜组成，它能提供一个始终照在被指定的位置、光强可调的光斑。配上辅助设置，便可一机多用，如将阳光照进被前排高楼挡住光线的房间，同时可产生任意调温的热水，还有不论白天晚上均能在室内做饭的太阳灶，以及太阳能空调，它能进行光磁发电并同时制取氢气，还能大大提高光电池效率等等。因此，它有功能多、利用率高等优异性能。

Description

万能太阳机

本发明属太阳能光热利用范畴。

常规能源日渐枯竭，并且污染严重。太阳能作为取之不尽，用之不竭的无污染能源，正在被人们逐步重视起来。各种利用太阳能的装置也越来越多。但是，由于种种原因，这些装置要么功能单一，达不到使用者的要求，要么造价太高，而无法达到民用。比如，使用最多的太阳能热水器，由于太阳光的密度低，而只能产生低温，特别是北方地区，一年只能使用三季，冬天则无法使用。有些装置，配有复杂的聚光跟踪系统，但由于造价太高而无法普及。再比如阳光进屋，即冬天，一、二楼的阳光被前排高大的楼房档住，怎样使阳光照射在这被挡住的房间呢？到目前为止，还没有有效的装置面市。还有太阳能电池，使用方便，无污染，但就是造价太高。怎样提高效率，相对降低成本也是目前没有解决的问题。当然还有许多需要太阳能而目前还没有有效装置的领域。

本发明的目的就是用一种使用方便、造价低廉的装置。同时解决以上各种装置所存在的问题，并开拓新的太阳能应用领域。它有如下功能：

阳光进屋冬天，由于太阳低，一二层楼住户的阳光被前排高大的楼房挡住。本发明通过楼顶的聚光器和楼前象路灯一样大小的反光器，将阳光均匀地照射住户的房间，如需要，阳光又会转向另一个房间照晒，当房间不需要阳光时，反光器的反光面向下翻转，露出装在其背后的受热器，原会聚到反光器上的光斑，便照射在受热器上，它可将水加热到用户需要的任何温度，直到开水甚至蒸汽。

将光斑会聚到带储热装置的太阳灶的受热器上，白天晚上甚至阴天下雨，都可以利用太阳灶在厨房里煎炒烹炸。

夏天，将光斑会聚到太阳能空调的蒸发器上，房间里便可制冷降温，因为它能为空调提供足够的热动力。

它可数倍地提高光电池的效率，从而相对地降低了光电池的成本，对无电区太阳能光伏发电的普及有重要意义。

由于会聚光斑可以产生高温，因此可以进行光热发电，特别适用于西部无电区的中小型发电站。

光磁发电与制氢同时进行，可提高效率，节约成本，另外，在淡化海水，污水处理，烘干设备等领域都能应用。

以上各领域太阳能的利用无外乎使太阳能产生高温，中温或低温，并且热点可固定不动，可随需要调动，因此本发明要提供一个始终固定在一个被指定位置的(定日)、光距离可远可近的(变焦)、光强可大可小的(会聚比可变)光斑。有了这样一个随意控制的光斑，配上辅助设置，便可使太阳能在各个领域都能得到充分利用。

具体实施方案：

可调焦距及光斑大小的平面聚光镜

在一矩形框内置若干竖轴，每竖轴上置若干支架，支架横轴上装有反射镜，由于竖轴上的支架有一定高度，使安装在支架横轴上的反射镜可在一定范围内作俯仰角的变动，各反射镜又可在竖轴上随竖轴的转动而作方位角的变动。为精确起见，竖轴的轴头与竖轴不在一条直线上，而象一张弓，轴头与弦在一条直线，而装在竖轴上支架的顶端都在弦线上，因此，各反射镜面随竖轴不论怎样转动，镜面中心都在旋转角的顶点。竖轴上各反射镜的俯仰角可调，可根据需要，将各反射镜反射光斑调在一起，固定后，各竖轴上的反射镜在俯仰角的转动上都有联动装置，而各竖轴之间的这种装置也是通过联动装置连接的，因此，各竖轴上的反射镜，都可以在俯仰角上同步变动。另各竖轴的方位角可调，调好固定后，用各竖轴方位转动的联动装置连接，因此，各竖轴上的反射镜在方位角上均可同步变动。

自动跟踪系统

跟踪太阳可分方位跟踪(即从东至西)和太阳高度的跟踪(俯仰)。先说太阳高低的跟踪，采用双光电装置，形成跟踪器的上下两侧，当太阳垂直跟踪器时，光电装置不导通，跟踪器对准太阳，不运动。当太阳高时，照在跟踪器上方的光电装置，并使其导通，使俯仰电机转动，带动跟踪器向上转动，直到与阳光垂直方停，当太阳较跟踪器低而照在下面的光电装置时，下面的光电装置导通，使俯仰电机转动，带动跟踪器向下转动，直至与太阳垂直方停。这样，就达到了在高度上跟踪太阳。太阳方位上的跟踪与太阳高度上的跟踪一样，只不过双光电装置分别装在跟踪器左右两侧，当太阳在跟踪器左边时，左边的光电装置导通，使方位电机带动跟踪器向左旋转，直至与太阳垂直方停，当太阳在跟踪器右边，阳光使右边的光电装置导通，使方位电机带动跟踪器的向右旋转，直至与太阳垂直方停。这样，两组相同的双光电装置分别装在跟踪器的上下、左右，通过俯仰及方位上的两个电机带动，便完成了对太阳的全方位跟踪。

但是，由于大气层缘故，太阳光强的变化是很复杂的，早晚的直线光较弱，中午的直射光较强，有时中午的散射光比早晚的直射光还强，如果早晚较弱的直射光能使光电装置导通，那中午前后的散射光有时也能使光电装置导通。此时，跟踪器垂直太阳也被导通，不垂直太阳也被导通，跟踪器将变得无所适从。因此，就谈不上准确度。要想跟踪准确，必须去掉散射光的干扰。如果去掉散射光的干扰，问题就简单了。在跟踪器未对准太阳时，不论直射光强弱(只要带阴影)，都可使光电装置导通，使跟踪器转动去跟踪太阳，当与阳光垂直后，不论光线强弱，都不能使光电装置导通，从而达到跟踪准确。怎样去掉散射光呢？如果光电装置的光敏元件装在一个细长管的底部，只有直射光可达底部，而散射光在细管中途便被管壁吸收了，无法达到底部。这样，散射光被去掉了，但跟踪器却无法跟踪。因为很细的长管角度很小，直射光超过这个角度便无法达到底部，若有一片乌云遮住太阳，当乌云散开时，太阳与跟踪器的角度已大于细长管的角度，此时，跟踪器便无法跟踪了。

有效的装置是这样的：光敏元件装在跟踪器上下两侧及左右两侧各自的暗盒内，当跟踪器不与阳光垂直，阳光便可通过暗盒底部的小孔照射在底部的反光镜上，而反射光便可照在暗盒内的光敏元件上，光敏元件的受光面比小孔(即反射进来的光斑)大。因此，光敏元件的受光面与小孔之间便形成了一定角度，在这个角度范围内，光线角度的变化，都可使光电装置导通，还可根据这个角度在小孔外加个遮光罩，直射光在罩内一定角度范围内射进小孔，而散射光便被罩挡在外面，其它进入小孔的散射光经反光镜反射到暗盒内各个方向吸收，真正能被反射到光敏元件上的就微不足道了。

可调平面聚光镜与跟踪器结合成万能太阳主机。可调平面聚光镜的光斑调好后，原始方位角便被固定。由于各竖轴在方位转动上有联动装置连接，所以连接后各反射镜再转动，方位角的变化角度都是一样的。根据反射定律，在反射光线不动的情况下，入射光每变动一个角度，法线(即反射镜面的垂直线)跟着变动入射光变动角度的二分之一就可以使反射光线不动了。而与反射镜面原始角度没有关系。因此，跟踪器在方位上同太阳同步转动，并且使竖轴的转速相当跟踪器转速的二分之一就可以了。同理，可调聚光镜的光斑调好后，各反射镜原始俯仰角转动上都有联动装置，各竖轴之间也有联动装置，因此各反射镜在俯仰角上都能作同步转动。而通过传动装置，使其转速相当于跟踪器俯仰角转速的二分之一即可。调试时，调整各竖轴上各反射镜的俯仰角，使光斑照在被指定位置上，同时将各竖轴方位角固定，使各镜片的光斑都迭加在一起。因此，被指定位置的远近是根据不同用户的实际情况而调节的。将所有光斑集中一点，此即最高会聚倍数。有若干镜片会聚倍数即大致是若干倍。可根据不同需要，将光斑扩大为二块反射镜的光斑、四块光斑等，而会聚倍数也就调为最高会聚倍数的二分之一、四分之一……。这样，会聚倍数即光斑的大小也是可调的。因此，万能太阳主机为我们提供了一个始终照在被指定位置上的、距离可远可近的、光强可大可小的光斑。此光斑结合不同辅助设置，便可在不同领域对太阳能进行有效地综合利用。

控制系统

由于太阳机大都固定在有阳光的楼房顶层，为了方便，控制都是全自动的，最主要的就是定时器，比如早上某时开机，运行到晚上某时关机，然后倒转至中午时位置，开动帘门，整机关闭，待到早上某时，帘门打开，继续倒转至早上某时对应角度，然后开始一天的正常跟踪运转。这一切都是固定的程序，因此可以事先在微电脑定时器上设置好。另外，可在室内设置一手动按扭，进行微调。

自洁系统

机上装有如卷闸门状门帘，由电机带动开启，门帘前部内装有长毛刷，当门帘关闭或开启时，长毛刷便对各反射镜面进行清扫，将一天的灰尘清除，并在夜间不工作时关闭，便起到防风沙灰尘、雨雪霜冻的作用。

反光器

若需要阳光进屋，除有太阳机外，还要装一反光器。反光器装在房前如路灯杆一样的杆上，由于反光器很小，同一单元的数家用户可一杆共用，并对周围环境的风、光都有没有影响。反光器由一转板经电机固定在固定架上，转板上装有反光镜，该反光镜比太阳主机上的单个反射镜稍大，(以防误差)，当太阳机的会聚光斑照在反光器上的反光镜面上时，反光器便会把矩形框各位置会聚来的光斑，按各自的光路，反射到用户的窗内。因此，用户得到的是复原的，象矩形框大小差不多面积的阳光。此时若另一个房间需要晒太阳，可按下电钮，反光器上的电机带动转板，使反光镜面对准另一个房间。

当房间不需要晒太阳时，反光镜面会自动向下翻转，露出装在其背后的热水器受热器，原会聚在反光镜上的光斑，便照射在受热器上。受热器进出水管经空心的路灯杆内经地下到房前，然后通进室内。当需要使用反光镜时，反光镜挡住吸热器，并对其起到保温作用，当不用反光镜时，反光镜便翻转下来将光斑让给吸热器。

储热装置

目前太阳灶大都是即时使用，即只有在有太阳时，在太阳光下使用，要想早晚没有太阳时做饭，就必须加一储热装置。

储热器为一带真空隔层的密闭容器。上接吸热器，接受太阳主机光斑的照射，下连散热器(太阳灶)。储热材料种类很多，固液相变材料导热复杂，液气相变材料需要容器带压，家庭以用如导热油之类的液相材料为宜。由太阳主机向吸热器提供几百度的温度(在导热油型号承受范围之内)进入储热箱，使用时由储热器进入散热器，然后再流入吸热器加温，如此往复循环，动力为热油泵。导热管为真空环形管，如暖水瓶口拉长状，但却细得多，因此造价不高。导热管外有金属管保护，中间填有保暖材料。

储热器还应用在太阳能空调上。因为有时太阳落山后，还需要空调降温，此时便可借助储热器为空调提供动力。

调温热水器

由于太阳机对热水器吸热器投射的光斑加大了阳光的密度，而使热水器能够得到较高的温度，因而可根据不同需要而对水温进行选择。

热水器由吸热器、温水箱、开水箱、温度控制阀等组成。循环动力用自来水压力。自来水经单向阀进入吸热器，吸热器的出口处有温度控制阀控制，控制阀温度调到多少度，吸热器中的水温达到后方能冲开阀门。温水阀经管道通向卫生间里的温水箱，蒸汽阀与开水阀同一管道进入厨房，在进入开水箱前可分一管道进入蒸汽灶，可供家庭蒸煮，蒸汽出口进入开水箱，若不用蒸汽，开水直接进入开水箱。开水箱与温水箱都为密闭容器。上部开有两单向阀。一为出气阀、进水时出气阀向外排气，出气阀下有一浮球，当水满时，浮球上升，堵住出口，使水不得外溢。当放水使用时，上面的进气阀向内打开进气，使水能顺利流出。

提高太阳能电池的效率

太阳能电池的电流与光强成正比关系。也就是照在电池上的光越强，电池产生的电流越高，但各种光电池适用温度都有一定范围，并且电池所产生电压与温度成反比关系。即温度越高，效率越低。根据这些，我们在光电池背面加上散热装置，太阳机就可以在光电池上投射较强光斑，从而提高光电池的效率。光电池的散热器可以和热水箱的吸热器结合在一起，将吸热器温度调至光电池适宜温度，达到这个温度，自来水便进入循环。这样，不但降低了光电池的温度，还提供了有一定温度的生活用水。

万能太阳机在其它方面的应用

太阳机不仅可供居民家庭使用，也可进行工业化应用。如光热发电，在西部无电地区，于山坡上排列太阳机矩阵，将所有光斑集中迭加在坡前的太阳能锅炉上，产生高压蒸汽发电。

光磁发电同时制取氢气

若干太阳机以不同角度将光斑会聚一点，使会聚点产生3000度以上高温，高速蒸汽从喷口通过会聚光斑进入磁场通道，蒸汽经过会聚光斑被迅速加热到3000度以上。从而使蒸汽分子电离，变成导电流体进入磁场，切割磁力线，产生电动势。这样光热直接产生电能，不需要蒸气轮机等机械能转化。因此可大大提高效率，并且，设备也相应减少。同时，被光斑加热而电离的蒸汽变成氢、氧离子，做完切割磁力线的工作后便被收集、分离、净化成为新的能源——氢气。

海水淡化及污水处理

预热池可用塑料膜搭罩，或用双层膜充气浮在预热池水面，用自然阳光预热后进入蒸发池，太阳机光斑加热导热油，经管道进入蒸发池，蒸发池上罩减压罩，以提高蒸发效率。蒸汽被从减压罩抽出、冷凝、便成了淡水。

某些特殊的污水处理，可用同法。

图面说明

在图中：1.跟踪器 2.跟踪器尾部园齿 3.齿条 4.滑块 5.带动滑块的齿轮 6.升降螺旋 7.螺母 8.传动齿轮 9.两头带齿盘的竖轴套管 10.传动齿轮 11.螺母 12.带螺旋头的连动齿条 13.扇形齿 14支架 15.反射镜 16.竖轴 17.竖轴头 18.各竖轴套管上的联动装置 19.方位轴上的齿轮 20.传动齿轮 21.竖轴头上齿轮 22.各竖轴方位上的联动装置 23.方位轴

用俯仰电机(未画出)带动螺母(7)转动，使升降螺旋(6)作上下运动，并使滑块上的齿轮(5)带动滑块(4)在方位轴(23)上作上下运动，从而带动齿条(3)上下运动。齿条(3)与跟踪器尾部园齿(2)啮合，从而带动跟踪器(1)作俯仰转动。同时，被俯仰电机带动的螺母(7)经传动齿轮(8)带动两头带齿盘的竖轴套管(9)使其经传动齿轮(10)带动螺母(11)转动，并使带螺旋头的连动齿条(12)作上下运动，其装置上的齿条与反射镜(15)后面的扇形齿(13)啮合，从而使安装在支架(14)上的反射镜(15)作俯仰转动，并根据齿数，使反射镜(15)的转速相当跟踪器(1)转速的二分之一。

另方位电机(未画出)带动方位轴上齿轮(19)使安装在方位轴(23)上的跟踪器(1)在方位上转动。方位轴上齿轮(19)经传动齿轮(20)带动竖轴头上齿轮(21)使竖轴(16)在方位上转动，并使其转速相当于方位轴(23)转速的二分之一。由于竖轴(16)的转动，安装在竖轴(16)上的反射镜(15)也作方位上转动。各竖轴方位上的联动装置(22)使各竖轴在方位上作同步转动，各竖轴套管上的联动装置(18)使各竖轴上反射镜作同步俯仰转动。

综上所述，本发明在太阳能的利用上，有着广泛的作用，它拓宽了太阳能利用的范围，如阳光进屋，光磁联合发电制氢等；提高了原有设备的功能，如提高光电池效率等；并且每每都是一机多用，如阳光进屋与可调热水器就可一机两用，再如太阳灶与太阳能空调也是同样。这样，就使太阳机的利用率提高。单一功能装置的利用率是很低的，如阳光进屋只在冬天需要，空调只在夏天需要，如果功能单一，设施要闲置大半年，对用户很不合算。一机多用，常年不停运转，方便了用户，相对降低了成本。况且本发明的实际造价就不高，如目前跟踪系统大都复杂、昂贵，有的是用计算机跟踪价格更高，而本发明只用几元钱的电子元件便能相当准确的跟踪。因此，本发明以其功能多、价格廉、用途广，利用率高等优异性能，在太阳能利用领域会有着广泛的市场。

Claims (6)

1. 一、万能太阳机，一种多功能太阳能光热利用装置，其特征是：矩形框内置若干竖轴，竖轴上置若干反射镜，所有反射镜均能在方位角和俯仰角上进行调节并且能够同步转动，其转速是阳光跟踪器转速的二分之一。
2. 二、阳光跟踪器，其特征是：两组相同的双光电装置，分别装置在跟踪器的上下、左右各自的暗盒内，当跟踪器与太阳垂直时，电路不通，当与阳光不垂直时，阳光通过装置照在暗盒内的光敏元件上，从而使电路导通。
3. 三、反光器，万能太阳机之辅助装置，其特征是：由动力装置带动的转板上装有反光镜，转板使反光镜可在方位角上变动，反光镜可向下翻转，它后面装有热水器吸热器。
4. 四、可调热水器，其特征是：由吸热器温水箱、开水箱、温度控制阀等组成，自来水经单向阀进入吸热器，吸热器出口处有可调温度控制阀，开水箱与温水箱均为密闭容器，上部有出气阀及进气阀，进水时出气阀向外排气，出气阀下有一浮球，水满时，浮球上升堵住出气口，放水时，进气阀向内打开进气。
5. 五、光磁发电同时制氢，其特征是：若干万能太阳机将光斑聚成需要长度的光柱，高压蒸气快速通过此光柱因高温而电离，使之成为高速导电流体并通过磁场，产生电动势，出来后的氢、氧离子经分离便可回收氢气。
6. 六、提高光电池效率，其特征是：将万能太阳机光斑固定照射在光伏电池上，电池背面有散热装置。