CN2407288Y - 太阳能开水器 - Google Patents

Abstract

一种太阳能开水器,它由折射聚光镜片、集光反射器、受热器、集光笼架和支架等组成。镜片和受热器安装在集光笼架的两端,集光笼架安装在支架的水平转轴上,可在竖直面内转动,支架可绕穿过其中央固定在地面上的竖直轴在水平面内转动,以跟踪太阳。折光聚光镜片厚度为几毫米,可会集大面积阳光,形成很大集光功率。集光反射器可减小设备“焦距”,减小设备体积,增长设备调整时间,使用中约半小时调整一次。

Description

太阳能开水器

本实用新型涉及一种太阳能开水器。

现有的太阳能设备可分为两类，一类是直射吸收式设备，如太阳能热水器、太阳能电池等。另一类是反射聚焦式设备，如抛物面反射太阳能灶。太阳热水器等直射吸收式设备，因不能将阳光汇集起来，所以不能形成高温，不能将水烧开。抛物面反射聚焦式设备虽然能将阳光汇集起来形成高温，但这种设备体积大，笨重，缺少科学合理易于操作的跟踪装置，而且聚焦点在抛物面上方，离地面高，操作不便，使抛物面不宜做得过大。

本实用新型的目的是提供一种太阳能开水器，寻求解决大截光面积，重量轻，折射聚光效果良好的太阳能折射聚光镜片问题，从而开拓出利用太阳能的第三类设备——折射聚焦式太阳能设备，使聚焦点在镜片下方，并配以科学合理，结构简单，易于操作的太阳跟踪装置。

本实用新型的目的是这样实现的，总体为球壳状的折光镜片采用多层圆台阶式内表面，或为直角台阶或为钝角台阶，外表面为球面，可为单球面，可为组合球面。总体为柱壳状的折光镜片，其内表面采用多层直台阶结构，或为直角台阶，或为钝角台阶，外表面为圆柱面，或为单圆柱面，或为组合圆柱面。总体为平板状的折光镜片，其一个表面为平面，另一个表面可以是相互间隔连接的窄环形球面和与平面垂直的短圆柱面，中央为圆形球面。另一个表面还可以是相互平行相互间隔连接的圆柱面和与平面垂直的窄平面，这类镜片边缘的部分环形球面或柱面也可为环形锥面或斜面。集光笼架可为圆锥状可为V形槽状，折光镜片安装在集光笼架的大端，包有绝热材料受热腔在内部的圆桶状受热器安装在集光笼架的小端，并在笼架中安装内表面是光滑反射面的圆锥状或V形槽状的集光反射器，笼架安装在支架上部的水平转轴上，由三角形和矩形组合而成的支架下方安装多个触地轮，支架下部中央的轴套套在竖直固定在地面上的地轴上，从而转动笼架、转动支架即可跟踪太阳，笼架与支架间用定位片和手轮定位止动，支架与地面间用手轮的螺柱触地定位止动。

由于采用上述方案，使镜片变得很薄，平均厚度约有几毫米(如3毫米以下)，使其重量大大减轻，它的重量可以是同样截光面积平凸透镜的2.5％以下，而且聚光效果不变。从而可以制成大面积的镜片(大镜片可制成多片拼装)，集光功率可以达几千瓦、几十千瓦，甚至更大(每平方米阳光功率约1千瓦)。因镜片有的将阳光汇集在一个很小的圆面积上，有的可将阳光汇集在一条窄长条形面积上，可以适合不同受热器的需要，而且制造镜片可用普通民用白玻璃或透明塑料，成本低廉。应用本镜片的太阳能开水器，聚焦点在镜片下方，跟踪太阳装置结构简单、操作方便，大约可每30分钟调整一次。一台截光面积2平方米的开水器，装载5公斤水，若热效率为60％，23分钟即可开水，中间不需要调整设备方位。

现对本实用新型结合附图，分别说明如下。

图1为折射聚光镜片之——台阶式单球面折射聚光镜片示意图。

图2为折射聚光镜片之二——变台阶角度式单球面折射聚光镜片示意图。

图3为台阶角度计算的原理图。

图4为折射聚光镜片之三——台阶式组合球面折射聚光镜片示意图。

图5为组合球面设计原理图。

图6为折射聚光镜片之四——台阶式柱面折射聚光镜片示意图。

图7为折射聚光镜片之五——锯齿式球面折射聚光镜片示意图。

图8为折射聚光镜片之六——锯齿式锥球组合面折射聚光镜片示意图。

图9为折射聚光镜片之七——锯齿式柱面或斜面折射聚光镜片示意图。

图10为实施例之一——点折射聚焦式太阳能开水器示意图。

图11为集光反射器原理示意图。

图12为受热器结构纵剖面示意图。

图13为实施例之二——线折射聚焦式太阳能开水器示意图。

图14为集光槽端面反光示意图。

如图1所示为折射聚光镜片之一——台阶式单球面折射聚光镜片示意图。它总体为球壳状，本图为纵剖图，其中MO′N为以O点为球心的球面，OO′为其中中央轴线。其内剖面由多层直角台阶组成，AA′、BB′、CC′……均为环形平面，并都跟中央轴线OO′垂直。aa′、bb′、cc′……为半径不同的圆柱面，这些圆柱面有共同的轴线—OO′。当有平行于OO′的阳光入射时，每条光线都跟环形平面垂直，不改变方向地进入镜片的介质中，并在球面上发生折射，形成会聚光束。由于受球差的影响，离中央轴线越远的光线汇集点离O′点越近，但可以在光束截面积最小的PQ面上收集光能。

此种台阶式聚光镜片，留厚越薄，台阶高度越小重量越轻。一台两平方米的玻璃折射聚光镜片，如果设计焦距为2.0米，不采用台阶式结构时，其重量为760公斤。若采用台阶式结构，每3毫米一个台阶，留厚2毫米，其重量约为19公斤，是原重的2.5％。

上述台阶式单球面折射聚光镜片适应于球差影响小的大半径球面的长焦距镜片。对于短半径球面短焦距镜片，由于镜片边缘入射光在球面上的入射角较大，球差影响也大，光的反射损失也大，甚至发生全反射，使光能无法收集。解决这一问题有两种方法，一种是改直角台为钝角台阶，从中央向外依次增大台阶环形上面的下倾角度，从而使光线在球面上的入射角减小。另一种方法是仍采用直角台阶，但镜片下表面采用组合球面，由中央向外分段增大球面半径，也使球面处的入射角减小。

图2是折射聚光镜片之二——变台阶角度式单球面折射聚光镜片示意图。由内向外台阶角度依次增大，台阶的倾角可由折射定律逐一算出。图3为台阶角度计算原理图。

在图3中，OF为镜片中央轴线，α为台阶上环面与中央轴线垂线的夹角，即台阶下倾角，R为球面半径，F为光线的汇集点，PQ为台阶上环面的法线，a为光线在球面上的入射角，β为折射角。当光线平行于中央轴线入射时，在此台阶的入射角亦为α，折射角为(α-b)。

在计算某一台阶的下倾角α时，首先在此台阶正下方所对应的圆弧线中央，确定球面上一点A，过A点作中央轴线的垂线AB，设AB长为X，BF长为Y，测出X和y，即可分别求得半径OA和折射光线AF与中央轴线的夹角θ和Φ(R已知)。由图：3知，β＝θ+Φ，若镜片材料的折射率为n，由 $n=\frac{\mathrm{Sin\β}}{\mathrm{Sin\α}}$ 可求得角a，由θa+b和 $n=\frac{\mathrm{Sin\α}}{\mathrm{Sin}(\mathrm{\α}-b)}$ 可求得： $\mathrm{Sina}=\frac{\mathrm{nSin}(\mathrm{\θ}-a)}{\sqrt{n^2+1-2\mathrm{nCos}(\mathrm{\θ}-a)}}$

由此式可求得该台阶的下倾角a，此台阶的钝角值即为(90°+a)，各台阶的角度求法相同。设计时也可将临近的几个台阶取相同的下倾角。

图4为折射聚光镜片之三——台阶式组合球面折射聚光镜片示意图。中央CD部分为半径是R₁的球面，BC、DE部分为半径是R₂的环形球面，AB、EF部分为半径是R₃的环形球面，且R₃＞R₂＞R₁。各球面球心都在中央轴线上。组合球面的个数可根据聚光面积大小的需要确定，由镜片中央向外，各环形球面的宽度依次减小。

图5为组合球面设计原理图。设计各球面前，首先画出中央球面MO′N折射光路图，入射平行光线要画得等距且尽量密些，并由折射定律计算出各条光线的折射角，根据折射角画出各条折射会聚光线的分布，由其分布选定光线最佳汇集范围AB(光线最佳汇集范围应选在会聚光线分布最集中的位置，此范围选得越小，各球面越窄)。观察各折射光线，若发现C点折射光线恰通过A点，则由C点作中央轴线的垂线CD，设CD＝X，DB＝Y，测出X和Y值，并作直线CB，由X、Y值即可求出CB与中央轴线的夹角Φ。因C点对应新球面的折射角β＝Φ+θ(θ为入射角)，若镜片材料的折射率为n，则有： $n=\frac{\mathrm{Sin}(\mathrm{\Φ}+\mathrm{\θ})}{\mathrm{Sin\θ}},$ 可求得： $\mathrm{Sin\θ}=\frac{\mathrm{Sin\Φ}}{\sqrt{n^2+1-2\mathrm{nCos\Φ}}},$ 再由 $R_2=\frac{X}{\mathrm{Sin\θ}}$ 求得R₂。然后以C为圆心以R₂为半径画弧交中央轴线于O₂点，再以O₂点为圆心，以R₂为半径画出圆弧CE与CO’N相接。再画出CE球面折射光线分布图，找出折射光线过A点的D点，CD即为一个组合球面。CD外侧的球面求法跟此法相同。

对于长条形受热面的太阳能设备(如真空管式铝氮铝膜太阳能热水器)，可将上述圆形折射聚光镜片变形为另一种新样——折射聚光镜片之四——台阶式柱面折射聚光镜片，如图6所示。这种镜片总体为柱壳状，它的轴线垂直截面可跟图1、图2、图4中的任一种相同，但内部为多层与轴线平行的直角台阶或变角度的钝角台阶，外部为单圆柱面或组合圆柱面。此种聚光镜片可将平行光汇集于曲面下方一条与柱面轴线平行的狭长平面上，以利于长直受热面的接收。用此种镜片的太阳能热水器，会很快将水烧开。也可设想用此种镜片多片衔接成较长的柱面，形成较长的聚焦线，在聚焦线上设置长受热管，让冷水由一端流入，另一端即可流出的开水。

如果将图1中单球面分成由内向外宽度依次减小的多个环形球面和中央圆形球面，并使除边缘环形球面外的其他部分分别向上平移至图7所示位置，即形成总体上为平板状的折射聚光镜片。其中受光面MO″N是与轴线00′垂直的平面。下表面a₀、a₁、a₂……为多层环形球面，这些环形球面半径相同，由于由边缘向里环形球面平移量逐渐增大，所以可改善球差影响。下表面的b₁、b₂、b₃……各面为短圆柱面，这些圆柱面和各环形球面有共同的中央轴线OO′。此镜片沿中央轴线的剖面呈两侧对称的锯齿状。垂直于受光面MO′N入射的光线在受光面上不改变方向，在各环形球面上发生折射形成汇聚光束。

如图8所示，当图7中外侧环形球面宽度较小时，可将外侧部分圆弧线两端点用直线段连接，改外侧各环形球面为圆锥面，即为折射镜片之六——锯齿式锥球组合面折射聚光镜片。此镜片各锥面的顶角由内向外依次减小。此镜片的聚光效果与折射镜片之五基本相同。

如图9所示为折射聚光镜片之七——锯齿式柱面或斜面聚光镜片，它的横截面与图7或图8完全相同，但a₀、a₁、a₂……是与纸面垂直的多层圆柱面或斜面。当有垂直于受光面的阳光入射时，它可将阳光汇集于镜片下与镜片平行的一条直线段上。其聚光效果与折射聚光镜片之四基本相同。

如图10所示为本实用新型实施例之一——点折射聚集式太阳能开水器示意图。其中1.点折射聚光镜片。2.锥形集光笼架。3.水平转轴。4.集光反射器。5.支架。6.受热器。7.定位片。8.定位手轮。9.止动手轮。10.转轴套。11.地轴。12.螺母。13.地轴套。14.小轮。

在图1中，集光笼架2前端固定安装镜片1，后端内部安装集光反射器，受热器6固定安装在集光反射器的下口上，集光反射器的内反射面将镜片折射形成会聚光锥的边缘光线以大入射角反射一次后，从底口进入受热器6，如图11所示。因只反射一次且入射角大，所以光能损失很小，但能大大缩短受热器6与镜片1间的距离，从而减小设备的体积，集光反射器的另一作用是当镜片不正对太阳时，它可将会聚光线反射进入受热器，防止强光外射造成事故，并可延长跟踪太阳调节的时间。水平转轴3可转动地安装在转轴套10内，转轴套10与支架5固定连接，支架5的下端三个角上有触地小轮14，水平转轴3作为手柄，推动手柄，可使支架5在水平地面上绕竖直固定在水平地面上的地轴11转动，从而使镜片轴线与太阳在同一竖直平面内。绕水平转轴3转动集光笼架2，使镜片轴线指向太阳，即可使阳光会聚在受热器内。有中缝孔的定位片7与集光笼架2铰链，它通过缝孔套在定位手轮8的螺柱上，拧紧定位手轮8，可使集光笼架止动定位。固定安装在支架5上的地轴套13，套在地轴11上，螺帽12拧在地轴11上端的螺纹上，它与地轴套13间留极少间隙，防止大风引起整体晃动，止动手轮9通过螺纹穿过支架5上的厚片，转动止动手轮9，使其下端与地面顶紧，可防止大风引起的整体转动。

在图12中，15.汽哨。16.受热器盖。17.紧固螺栓。18.保温层。19.受热腔。20.排水龙头。21.玻璃片。

拧紧螺栓17可使盖与桶体间止漏。受热腔19安装在桶体内，它的受光内腔涂有黑色吸热膜，受热腔口安装有玻璃片21，防止腔内热空气与外界对流，整个受热器上包有绝热材料层18，以提高受热器热效率。

在图13中，22.蓄水箱。23.遮光帘。24.线折射聚光镜片。25.转轴。26.转轴套。27.V形集光槽。28.反光镜片。29.定位片。30.止动手轮。31.定位手轮。32.支架。33.小轮。34.反光镜片。35.真空管。36.地轴。37.地轴套。38.螺帽。

在图13中，线折射聚光镜片24，安装在V形集光槽26上口，V形集光槽左右两内侧安装反光镜片27。它的作用与图10中集光反射器4相同。V形集光槽前后两端内侧安装反光镜片33，它的作用是当折光镜片24的镜面法线在上下方向不跟太阳方向一致时，将射向集光槽前端(或后端)的折射光反射向真空管，如图14所示。V形集光槽底的阳光聚集线上安装真空管34。V形集光槽中部垂直安装转轴25。转辆套26固定水平安装在支架32上端，支架32下端有四个小轮33放在水平地面上，支架32下部中央固定安装地轴套37，地轴36垂直固定安装在水平水泥地面上，转轴套37套在地轴36上，地轴上端有螺纹，螺帽38拧在地轴上端，它与地轴套间留较小间隙。转轴25一端为手柄，推动手柄，可使备整体在水平地面上绕地轴转动，使折光镜片24的法线与太阳在同一竖直平面内。定位片29一端与V形集光槽铰链，它中间的缝套在定位手轮31螺柱上，转动集光槽使其镜面法线指向太阳。拧紧定位手轮31，可使V形集光槽止动，正常工作。转动止动手轮30，使其螺柱紧压地面，可防止大风引起装置整体转动，减小螺  帽38与地轴套间的间隙可使设备整体不在大风中晃动。设备不工作时，放下遮光帘，遮住射向镜片的阳光。蓄水箱22结构与图12类似。只是将受热腔摘除，其接口改为真空管接口。

Claims (9)

1、一种太阳能开水器，由安装在集光笼架一端的镜片会聚阳光，由安装在集光笼架另一端的受热器接受阳光，其特征是：镜片是由透明材料制成的折射聚光镜片，总体为球壳状的折光镜片，采用多层圆台阶状的内表面，外表面为球面，总体为柱壳状的折光镜片，其内表面采用多层直台阶结构，外表面为圆柱面，总体为平板状的折光镜片，其一个表面为平面，另一个表面可以是相互间隔连接的窄环形球面和与平面垂直的短圆柱面，另一个表面也可以是相互平行相互间隔连接的圆柱面和与平面垂直的窄平面，集光笼架可为圆锥状，也可为V形槽状，折光镜片安装在集光笼架的大端，包有绝热材料受热腔在其内部的圆桶状受热器安装在集光笼架的小端，在集光笼架中安装内表面是光滑反射面的圆锥状或V形槽状的集光反射器，集光笼架安装在支架上部的水平转轴上，由三角形和矩形组合而成的支架下部安装多个触地轮，支架下部中央的轴套套在竖直固定在地面上的地轴上，从而转动支架、转动集光笼架即可跟踪太阳，集光笼架与支架间靠定位片和手轮定位止动，支架和地面间用手轮的螺柱触地定位止动。

2、根据权利要求1所述的太阳能开水器，其特征是折射聚光镜片有的总体为球壳状，其内表面为多层圆台阶状，或为多层直角台阶，或为由内向外角度依次增大的钝角台阶，外表面为球面，或为单球面，或为组合球面。

3、根据权利要求1所述的太阳能开水器，其特征是折射聚光镜片有的总体为柱壳状，其内表面为多层直台阶结构，或为直角台阶，或为由内向外角度依次增大的钝角台阶，外表面为圆柱面，或为单圆柱面，或为组合圆柱面。

4、根据权利要求1所述的太阳能开水器，其特征是折射聚光镜片有的总体呈平板状，其一个表面为平面，另一个表面可为很多相互间隔连接的窄环形球面和与平面垂直的短圆柱面，中央为圆形球面，靠边缘部分的环形球面也可为短圆锥面，另一个表面还可以为相互平行相互间隔连接的窄圆柱面和与平面垂直的窄平面，其边缘部分的圆柱面也可以为斜面，该类镜片的过轴剖面或横截面的下剖面线呈锯齿状。

5、根据权利要求1所述的太阳能开水器，其特征是集光反射器总休上可为锥体状，也可为V形槽状，它的内表面是光滑反射面。

6、根据权利要求1所述的太阳能开水器，其特征是当折光镜片是圆形镜片，集光笼架总体呈锥体状，当用方形折光镜片，集光笼架总体为V形槽状，集光笼架都可绕装在支架上端的水平轴在竖直平面内转动。

7、根据权利要求1所述的太阳能开水器，其特征是支架结构整体上由多种矩形和三角形结构组合而成，上部装有水平轴，下部装有多个触地轮，下部中央装有地轴套，地轴套可转动地套在竖直固定在地面上的地轴上，地轴上端有螺母，支架可绕地轴水平转动，支架下部装有手枪，它的螺柱竖直拧在支架下部螺孔内，转动手轮可使螺柱压紧地面。

8、根据权利要求1所述的太阳能开水器，其特征在于集光笼架与支架间用定位片和手轮定位，孤形定位片中间有弧形缝孔，它一端与集光笼架铰链，手轮螺柱穿过弧形缝孔拧在支架的螺孔内。

9、根据权利要求1所述的太阳能开水器，其特征是受热器上面有圆形盖，盖边缘有紧固螺栓，受热器为圆桶状，圆桶下部有受热腔装在圆桶内，受热腔内壁涂有黑色吸热膜，受热腔口封有玻璃片，盖上有汽哨，桶下部有龙头，整个受热器包有保温隔热层。

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