CN102561612A - 与建筑一体化外遮阳抛物反射镜追日太阳能集热器 - Google Patents

Abstract

与建筑一体化外遮阳抛物反射镜追日太阳能集热器，第三种太阳能利用设备，与建筑外遮阳相结合，免去了夏季太阳直射引起空调的主要能耗。反射镜的使用以最低成本获得其它方式无法得到的受照面积，并使受热管受到数倍于太阳直射的光强，因传热速度与温差成正比，受热管的高温可大幅度提高集热器的日平均热效率，特别是冬季。是太阳能产业的新增长点。供水压力兼做反射镜的追日动力，整机不使用外电源。单机可使用在平房，楼房中间楼层的加装，窗罩式除遮阳亦可热水。多机时一套驱动***可驱动同在一行或一列的多个反射镜同步追日，降低成本，使建筑成为有领先优势的可再生能源建筑。

Description

与建筑一体化外遮阳抛物反射镜追日太阳能集热器

(一)技术领域：

与建筑一体化外遮阳抛物反射镜追日太阳能集热器，夏季外遮阳节能、冬季太阳能利用与建筑一体化上的结合，使建筑物成为符合节约能源法和民用建筑节能条例的绿色建筑。低碳、环保、节能技术。

(二)背景技术：

太阳能集热器最早使用平板式，由于效率低、成本高等诸多缺点，发展很慢。真空管式的出现以热井的特点提高了热效率，其实用价值，使太阳能利用迅速发展，成为一个巨大的产业。由于真空管式的结构，很难在建筑物的立墙上使用，而随着城市楼房的增高立墙面所占的比重越来越大，在急需解决建筑节能的今天，人们不得不返回使用平板式与建筑一体化。但是平板式的结构性缺点依然存在，特别是在冬季气温低、太阳光弱、很难产生较大的温差以吸收太阳能，而且成本较高。无论真空管式或平板式日均吸收率最高只能达到45％至55％。

夏季太阳对建筑物的直射是空调能耗的主要部分，目前尚无为夏季空调节能而设置的建筑物外遮阳设施。

(三)发明内容：

本发明的目的是在平板式、真空管式两种集热器之外，设计出第三种新的太阳能集热器，以最科学、最简单、最经济的方法扩大受照面积、聚集太阳光、提高加热管的加热温度，以较大幅度的提高太阳能集热器的日均热效率，这也是提高太阳能集热器性能的唯一途径。改善太阳能集热器冬季的性能，向北推进使用区域。并以反射镜包围整个建筑物受照面，形成外遮阳，降低建筑物夏季太阳直射引发的空调主要能耗，以本身的双性能逐步取代原有的两种集热器。

本发明的集热器可与住宅及公共建筑一起设计使用，可对原有的建筑物进行***改造使其成为节能绿色建筑。也可单机使用在原有的平房、分散的小建筑、原建筑上无法使用真空管集热器的中间楼层也可安装使用，其中‘窗罩型’可单独的安装在窗上即遮阳又热水。这方便了本集热器的市场进入，扩大了市场范围和价值。

与建筑一体化外遮阳反射镜追日太阳能集热器【以下简称集热器】，包含用于加热水的太阳能热水器【以下简称热水器】和用于采暖的太阳能采暖器【以下简称采暖器】，是外遮阳使建筑物节能并利用这些太阳能的设备。

1.基本技术特征：

太阳能是能量密度较低的能源，特别在冬季。欲获取它就要有大的受照面积，且必须将它集中起来产生高温以能吸收和传输热能。最经济的方法是使用抛物柱镜作为反射镜【以下简称反射镜】，由于抛物柱镜有将太阳光集中反射到其焦线上的光学特点，且反射镜宽度与受热管直径之比，很容易做到十倍以上。即受热管受到十倍于太阳直射的光照，由于传热速度与温差成正比，也就是说本发明受热管壁向其内液体的传热速度较传统提高十倍以上，这是本发明可以大幅提高热水器‘日平均热效率’的科学依据和基础。

使用反射镜就必须使其追日，以最简单的方法，实现反射镜追日，是本专利能以实现的关键。空间的追日可由水平、竖直两个方向合成，由于抛物柱镜的特点空间追日可以由单向追日完成，特别是在反射镜排列的情况下放弃双向追日热损失很小，而结构大大简化使发明具有实现性。反射镜横装时使用竖直单向追日，反射镜竖装时使用水平单向追日。竖直追日时可通过调整反射镜的焦准距、镜宽，使反射镜的焦线、重心线重合在回转中心线上，这样竖直追日只克服摩擦力而无需克服重力距，对于水平追日三线重合的要求，要低一些。

追日的动力取自供水压力，驱动双出缸内的活塞，双出活塞杆牵动钢丝绳经绳轮带动反射镜追日。反射镜的对日传感使用两片背对背安装在反射镜上，并与反射镜对称平面平行的光电池组。当反射镜不对日时，必有一片光电池板受照产生电压，驱动相连的电磁阀由自锁的中位换向，向双出缸一侧供水，驱动反射镜追日至对日状态。故整机不使用外电源。

2.外遮阳：

为建筑物夏季降低主要空调能耗设计的外遮阳设备，反射镜排列在建筑物屋顶及立墙受照面上，使建筑物不直接受照。且反射镜与建筑物有30厘米以上的距离，反射镜的热不会传入建筑物。反射镜在建筑物外檐可有竖装和横装两种，竖装较为美观。南墙竖装因遮阳需要，建议无间隔排列，南墙横装时冬季上下排不干扰距离C，在反射镜宽a为定值时，是纬度的函数，经计算：当北纬40度(北京地区)C＝1.12a。北纬30度(上海地区)C＝1.25a。北纬23.5度(广州地区)C＝1.37a。东西向墙建议横装，间距可参照南墙设计。

窗罩型：反射镜横装在上下楼层窗户之间的墙壁上，兼具遮阳及集热功能，由于冬、夏季太阳入射角有47度的变化，不同纬度地区，通过调整反射镜位置、宽度、焦准距可使夏季全部挡住直射窗户的太阳光，冬季丝毫不影响太阳光对窗户的直射。本机可单窗使用，也可在楼房同一列【上、下】的多个集热器同时安装使用，此时可于中间楼层设置一套驱动控制***【光电池组、换向阀、双出缸等】，由两棵钢丝绳上下串联，进行集中驱动控制，降低成本。

3.与建筑一体化不冻地区的热水器：

不冻地区受热管内装水，水被反射镜加热后经保温管道热对流，进入置于室内顶部水箱的上部，水箱下部经保温管道与受热管下部连接，水箱与受热管形成热对流循环。由于受热管与水箱高度差小不利于热对流，对于层高较小的楼房可使下一层楼房的受热管与上一层的水箱连接形成热循环回路。常见楼房的间距较小，其低层冬季常照不到太阳，可使用楼顶层的集热器，通过温控开关控制泵，强制对流向低层供热。此循环方式同样适用于以下各种热水器及采暖器。为了避免热水反流至供水管路，可于供水管口安装一单向阀。

4.与建筑一体化冻损地区的热水器：

受热管内不再装水，随地区最低温度的不同，可选择不同的防冻液作为传热工质装入受热管内，受热管上端经保温管道和放置在水箱内的换热器上端相连接，换热器下端经保温管道和受热管下端相连。受热管内的防冻液被反射镜加热后，和换热器内的防冻液形成热对流。换热器内的防冻液和水箱内的水热交换，加热用水。由于储水箱的位置高于受热管，冬夜热重力自锁不会向外倒传热。由于防冻液有较大的温度变化，故在管路中接人波纹管膨胀节(或波纹管稳压器、隔膜稳压器)以保证防冻液回路的压力稳定。

5.与建筑一体化地热管型采暖器：

不冻地区，安装在楼房较低部位的采暖器受热管内装水与上一层地热管连接，实现热对流，地热采暖热惰性大，室温会较稳定。

冻损地区地热管型采暖器，使用防冻液代替水作为传热工质，防止出现冻损。管路应接有波纹管膨胀节(或波纹管稳压器、隔膜稳压器)稳定***压力。

夏季自动停止供热：并联的温控开关和限位开关，串接在光电池组控制换向阀的电路中，夏季温控开关关断，当反射镜转到最低位置时限位开关关断，反射镜停止在最低位置不再追日，即不再向室内输送太阳能。

6.与建筑一体化热风机采暖器：

适用于机关、学校、商店等不用水，夜间也不需采暖的场合。是否结冰地区均适用，和空调室内机相似由小风机吸入室内空气，经保温管道通入受热管由反射镜加热后，再经保温管道通入室内，热空气在室内强制循环采暖。在阴天时可设电加热补充采暖。本机结构简单，造价低。本机亦可用于蔬菜温室的通风升温、水产养殖冬季池水的升温增氧。

由于空气的传热能力较差，可在受热管中间设一截面Z形的金属薄板隔层，两端与受热管壁弹性密封，冷空气在受热管内往返一个回程以增加换热。

7.夏季防止水箱过热的措施：

为了使热水器冬季有更好的效果，扩大了集热器的受照面积(功率)，这会使夏季水箱温度过高，为此在水箱内安装温控开关，将其串联在追日控制电路中，比如夏季水箱温度达到80度，温控开关断开【动作温度】切断追日控制电路，使反射镜停止追日，停止吸收太阳能，当水箱温度降低到50度时【复位温度】重新接通电路，反射镜继续追日对集热管进行加热。

8.一个单元房可同时有采暖器和热水器：

由于楼房外墙受照面均可安装集热器，这会使许多楼房单元拥有两个或更多的集热器，可选择反射镜较小的集热器作为热水器用，较大的或两个集热器作为采暖用。这是其他太阳能集热器做不到的。

9.追日联动：

追日联动是对于与建筑一体化成行或列安装的集热器，可在中间使用一套集中驱动控制***【光电池组、双出缸、电磁阀等】，实现多个反射镜的同步追日。简化结构、降低成本。

多个反射镜的同步追日可有两种方式；①绳轮串联式：使用钢丝绳对各相邻反射镜的绳轮进行串联；②同轴式：受热管安装在同一轴线上，通过反射镜端面的传动块，向相邻反射镜传动，实现同步追日。两种方式相比，同轴式安装精度要高一些且反射镜传递风载荷扭矩。

(四)附图说明：

附图1.单机集热器主视图：

附图2.单机集热器左视图：

在附图1.2.中，左臂(35)和右臂(45)通过螺栓(31)固定在立墙、屋顶或地面上，其悬臂端内孔通过两端固定有左绳轮(46)、右绳轮(38)的受热管(40)。两个绳轮外缘固定镜辐(42)，镜辐(42)的另一端固定反射镜(41)的背筋(39)上。反射镜(41)是由两片完全相同的半镜由几个背筋(39)连结而成的，底部中间留有和受热管(40)直径相同的缝隙【图中无法表现】以减小风载。

来自水箱的冷水经保温管道由下部的进水口(36)进入受热管(40)，被太阳能加热后的热水经出水口(37)、通过保温管道流至位于室内，屋顶下的水箱，受热管(40)与水箱之间形成热对流。

反射镜(41)的追日动力来自供水压力，供水压力推动双出缸(44)的双出活塞杆(33)运动。双出活塞杆(33)的左端连接两根后软拉轴(34)，它们的另一端分别连接在左绳轮(46)和右绳轮(38)的内侧。双出活塞杆(33)的右端连接两根前软拉轴(43)，它们的另一端分别连接在左绳轮(46)和右绳轮(38)的外侧。这样双出活塞杆(33)的移动，使两棵后软拉轴(34)和两棵前软拉轴(43)的运动方向相反，牵动左绳轮(46)和右绳轮(38)同步转动，从而通过镜辐(42)带动反射镜(41)回转追日。

软拉轴可使用类似自行车或摩托车闸用钢丝绳、套管及固定调节组件(32)。四根软拉轴的八个端点，分别安装固定调节组件(32)在活塞杆及绳轮出口处，用以固定四根前、后软拉轴(43、34)的端点位置并调节其钢丝绳的张力。

光电池组(47)安装于反射镜上侧外缘，并使其平面与反射镜(41)的焦线对称平面平行。塑料透明套管(48)【见图2】套在受热管(40)外，减少热散失，不抽真空。两块传动块(49)【见图2】只有在多反射镜同轴式联动才设。双出缸(44)、调整组件(32)装在置于室内的控制箱(30)内，前、后软拉轴(43、34)由墙壁孔通向室外。

附图3.集热器水、电控制***图：

供水回路：压力水由进水管(50)经过滤器(51)分四路进入***，①做冷水源进入混水阀(52)、用水器(53)供用户使用。②进入储水箱(59)的底部，初次运行时给***充水，在储水箱顶部的单向阀(62)排出***内的空气，当空气排净时水浮力使其关闭。③进入受热管(55)，在受热管(55)中经太阳能加热后输入水箱(59)上部，使水在水箱(59)和受热管(55)间形成热循环。④经三位四通换向阀(56)的控制进入双出缸(57)推动其活塞运动，经传动使反射镜追日。单向节流阀(54)可控制追日速度，防止气缚。

.结冰地区热水器的传热回路：【见附图3虚线部分】

在高纬度地区冬夜会冻损受热管(55)，故切断受热管(55)进水口，接入虚线表示的换热器【换热器可有多样，此处以盘管为例】盘管(61)的下口。受热管(55)的另一端出水口，接通盘管(61)的上口，受热管(55)与盘管(61)形成一封闭***。***内装的是根据最低温度选择的防冻液，受热管(55)在冬季白天受到反射镜聚集的太阳光的加热，内部的工质升温向上运动，进入盘管(61)与储水箱(59)内的水进行热交换，变冷后向下运动流入下部受热管(55)形成热循环。防冻液在工作中温度变化很大，连接在管路中的波纹管膨胀节(60)【也可是波纹管或隔膜式稳压阀】为了稳定***压力而设置的。为了防冻将双出缸(57)、换向阀(56)置于室内，墙壁打孔将拉力软轴导至室外。

.对日传感和追日电路：(见附图3)

两块相同的光电池板背对背的放在一起成为光电池组(58)，与反射镜主光轴对称平面平行的安装在反射镜边缘，当反射镜的主光轴平面与太阳光线不平行时，光电池组(58)必有一面受到太阳光照射产生电压，吸引三位四通换向阀(56)从自锁的中间位置向带电的一侧移动，压力水便流入双出缸(57)的一侧推动其活塞运动，从而牵动反射镜追日，至反射镜主光轴平面与太阳光线平行时(对日状态)，此时光电池组(58)两面均照不到太阳。三位四通换向阀(56)复位，***自锁，不会因风载转动，而且不需要外电源。

对于热水器为了满足冬天的需要就要高功率，其结果会使夏天水箱(59)的温度过高，所以在控制电路中串接温控开关(63)，并把温控开关(63)放在水箱(59)的顶部，传感水箱(59)的温度。如果所选温控开关(63)的动作温度是80度，此时电路被断开，抛物柱镜不再追日，受热管(55)仅受太阳直射不会过热。温控开关(63)的复位温度与动作温度差20--30度较宜。复位后反射镜会继续追日。

对于采暖器把温控开关(63)放在室内，控制夏季反射镜不再追日。并接入用虚线表示的放置在接近反射镜水平位置的微动开关(64)，其作用是使反射镜停止在需要的位置，避免夏季向室内传热。保证反射镜夏季的遮阳效果。

附图4.集热器在建筑物外檐的布置示意图：本图仅表示了建筑物一小部分的局部，图中【1】的部分为反射镜竖装的情况。【2】的部分为横装在窗上(窗罩型)，【3】的部分为反射镜横装在立墙的情况。图中(1)是反射镜支腿、(2)是受热管、(3)是反射镜、(4)是窗户、(0)是联动的钢丝绳。本图选作摘要附图。

附图5.集热器钢丝绳串联式集中驱动结构图：

无论反射镜横装或竖装，同轴式或钢丝绳串联式，均可在双出活塞杆(70)和反射镜绳轮(80)之间，使用钢丝绳、滑轮传动追日运动。此图以横装为例进行说明。

固定在双出活塞杆(70)左端的两棵钢丝绳，一棵经一个下滑轮(71)从下部固定在左侧反射镜绳轮(80)外缘，另一棵经两个下滑轮(71)从下部固定在右侧反射镜绳轮(80)的外缘。固定在双出活塞杆(70)右端的两棵钢丝绳，经两个升高滑轮(72)升高后，一棵经一个上滑轮(73)从上部固定在左侧反射镜绳轮(80)的外缘，另一棵经两个上滑轮(73)从上部固定在右侧反射镜绳轮(80)的外缘。当双出活塞杆(70)运动时，上下钢丝绳反向运动，左右同步带动绳轮(80)进而带动反射镜【图中未画】追日。上下楼层的反射镜通过四棵串联钢丝绳(76)牵动同步追日，多层集热器可使用此一套动力***，降低造价。控制箱(74)【图中用双点画示意】安装于室内，便于维修，换向阀(75)、双出缸(79)均安装在其内【为了图面清楚未画连接管路】，通过墙壁孔，将钢丝绳引出室外。在顶层集热器受照条件好可带动大负荷。

附图6.集热器软拉轴式集中驱动结构图：

当集热器较宽时可使用软拉轴传动以缩小控制箱的尺寸，无论横装或竖装同轴式钢丝绳串联式均适用，图中以反射镜竖装为例，双出缸(16)内的双出活塞杆(17)上端固定两棵前软拉轴(24、25)，前软拉轴(24)经支架及调节组件(18)、定位组件(19)通向受热管(28)上侧钢丝绳轮(22)前侧；另一棵前软拉轴(25)由上侧的转向轮(29)做180度转向、经支架及调节组件(18)、定位组件(19)通向受热管(28)下侧钢丝绳轮(22)的前侧。

双出活塞杆(17)下端固定的两棵后软拉轴(26、27)，后软拉轴(26)经下侧支架及调节组件(18)、定位组件(19)、通向受热管(28)下侧钢丝绳轮(22)后侧；另一棵后软拉轴(27)经下侧的转向轮(29)做180度转向，经下侧支架及调整组件(18)、定位组件(19)通向受热管(28)上侧的钢丝绳轮(22)的后侧。

双出活塞杆(17)移动时两棵前软拉轴(24、25)和两棵后软拉轴(26、27)反向运动，使两个钢丝绳轮(22)同步转动，共同带动受热管(28)上的反射镜【图中未画】追日。

控制箱(23)安装在室内墙面(21)【图中为墙面示意】上，上下的前软拉轴(24、25)和上下后软拉轴(26、27)，均由穿过墙面(21)的孔引出墙外。控制活塞运动的换向阀及连接管【图中未画】置于控制箱(23)中，排水口(20)为排水管通入下水道的途径。

(五)具体实施方式：

1.单机使用方式：

适用于平房、小建筑物或已有建筑的中间楼层单独使用，反射镜可竖装或横装。可用于热水或采暖。

2.窗罩式：

横装在窗上沿，夏季档住阳光射入室内，冬季丝毫不影响阳光射入室内，反射镜竖直追日，加热受热管内的水，水靠热对流进入室内的水箱保存，以备利用。单机可用于平房、楼房的单层。多层楼房使用钢丝绳上下串联，使用一套驱动***即可驱动多层反射镜同步追日。简化设备，降低成本。

3.多机横装：

反射镜横装在建筑物向阳的立墙面上，可使用绳轮串联式或同轴式进行串联，一套驱动***【光电池组、换向阀、双出缸等】可驱动多个反射镜同步追日。简化设备，降低成本。可用于热水或采暖。

4.多机竖装：

反射镜无间隔排列竖装在建筑物向南的立墙面上，有最好的遮阳效果。一套驱动***【光电池组、换向阀、双出缸等】可驱动多个反射镜同步追日。简化设备，降低成本。可用于热水或采暖。

5.冻损地区的集热器：

冻损地区的受热管内不再装水，而根据纬度不同加入不同的防冻液，水箱内加装换热器，受热管内的防冻液经反射镜加热后与换热器形成热对流，换热器内的防冻液与水箱内的水热交换，加热水箱内的水。

6.与建筑一体化地热管型采暖器：

不冻地区，安装在楼房较低部位的采暖器受热管内装水与上一层地热管连接，实现热对流，地热采暖热惰性大，室温会较稳定。

冻损地区地热管型采暖器，使用防冻液代替水作为传热工质，防止出现冻损。管路应接有波纹管膨胀节(或波纹管稳压器、隔膜稳压器)稳定***压力。

夏季自动停止供热：并联的温控开关和限位开关，串接在光电池组控制换向阀的电路中，夏季温控开关关断，当反射镜转到最低位置时限位开关关断，反射镜停止在最低位置不再追日，即不再向室内输送太阳能。

7.与建筑一体化热风机采暖器：

适用于机关、学校、商店等不用水，夜间也不需采暖的场合。是否结冰地区均适用，和空调室内机相似由小风机吸入室内空气，经保温管道通入受热管由反射镜加热后，再经保温管道通入室内，热空气在室内强制循环采暖。在阴天时可设电加热补充采暖。本机结构简单，造价低。本机亦可用于蔬菜温室的通风升温、水产养殖冬季池水的升温增氧。

Claims (8)

1.与建筑一体化外遮阳抛物反射镜追日太阳能集热器：其特征是集热器多机横、竖排列在建筑物受照墙面、屋顶、窗上檐形成对建筑物的外遮阳，也获得了空前的受照面积，反射镜集中数倍于太阳直射的光强射向唯一的受热管吸收太阳能。

2.根据独立权利要求1的从属权利要求：地热管型太阳能采暖器：其特征是安装在楼房较低部位的受热管通过保温管道与上一层楼地热管相连接，受热管内的水经反射镜加热后与地热管形成热对流，由地热管散热采暖，楼房低层由屋顶集热器通过温控开关由泵强制循环至地热管采暖，冻损地区用防冻液取代水。

3.根据独立权利要求1的从属权利要求：以空气为传热工质的太阳能采暖器：其特征是以空气为传热工质在受热管内由反射镜加热，用风机向室内排出受热管内的热空气强制对流采暖。

4.根据独立权利要求1的从属权利要求：用钢丝绳、导向轮的传动结构：其特征是控制箱(74)置于室内【见附图5】，箱内的双出活塞杆(70)左端固定两棵下钢丝绳(82)，一棵经一个下滑轮(71)转90度固定在左侧绳轮(80)的下缘，另一棵经两个下滑轮(71)的导向固定在右侧绳轮(80)的下缘，双出活塞杆(70)右端固定两棵上钢丝绳(81)经两个升高滑轮(72)升高后，一棵转90度固定在左侧绳轮(80)的上缘，另一棵经两个上滑轮(73)的导向固定在右侧绳轮(80)的上缘，双出活塞杆(70)运动时，左右侧绳轮(80)同步转动，并通过四棵串联钢丝绳(76)传动给相邻平行的反射镜。

5.根据独立权利要求1的从属权利要求：钢丝绳、软轴传动：其特征是控制制箱(23)【见附图6】置于室内，其内的双出活塞杆(17)上端固定两棵前软拉轴(24、25)，一棵(24)向上经固定调节组件(18)、定位组件(19)固定在上绳轮(22)前缘，另一棵(25)经反向滑轮(29)转180度，通过固定调节组件(18)、定位组件(19)固定在下绳轮(22)前缘。双出活塞杆(17)下端固定两棵后软拉轴(26、27)，一棵(26)向下经固定调节组件(18)定位组件(19)固定在下绳轮(22)后缘，另一棵(27)经反向滑轮(29)转180度，通过固定调节组件(18)、定位组件(19)固定在上绳轮(22)后缘，双出活塞杆(17)移动使上下绳轮(22)同步转动，并可通过串联钢丝绳传动给相邻平行的反射镜。

6.根据独立权利要求1的从属权利要求：光电池组：其特征是两片相同的光电池板背对背为一组，与反射镜对称平面平行的安装在反射镜上，识别追日方向并提供控制电磁阀的电源，通过钢丝绳串联可对多个集热器进行追日控制。

7.根据独立权利要求1的从属权利要求：单机或多机***均不使用外电源：其特征是利用供水压力驱动双出缸作为反射镜追日的动力，平行的集热器间用钢丝绳串联实现同步追日，不使用外电源。

8.根据独立权利要求1的从属权利要求：窗罩式太阳能集热器：其特征是集热器横装在窗上檐适当位置，冬季一丝不挡太阳对窗的照射，夏季全部挡住太阳对窗的直射，单机或上下串联多机使用。

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