CN2188728Y - 聚光发电及太阳能集热装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于太阳能聚光发电及集热装置，包 括安装在支架上的集能器、安装在集能器聚焦点上的 换热器、热交换器、蓄电池。该装置能充分利用太阳 的能量，既可发电又可利用热能加热。装有太阳能自 动跟踪式集能器的本装置更可以提高太阳能的利用 率，在热交换器中装入热力自动控制装置后可以构成 无人管理的自动锅炉。

Description

本实用新型属于太阳能聚光发电及集热装置。

目前光电池的转换效率仅10－12％，利用光电池发电供给家庭照明及收看电视等仅光电池的费用已很高。要降低太阳能电机发电的成本采用聚光发电是一个途径。已有的聚    光发电装置有折射式的，聚光倍数虽可高达几百倍，但聚光器加工较困难，而且其齿槽易积尘埃、又不易清除，一旦尘埃填积时聚光效能会严重降低。还有反射式的聚光发电装置，但通常都是结构复杂，而且仅使用其电能，大量的热能未充分利用。

本实用新型的目的是要设计一种结构简单、充分利用太阳能的聚光发电及太阳能集热装置。

本实用新型设计的聚光发电及太阳能集热装置，包括安装在支架上的集能器、安装在集能器聚焦点附近的换热器、热交换器、蓄电池。换热器的朝向集能器的底面上装有光电池，换热器上部有出水口，下部有进水口，光电池与集能器支架间有绝缘件，光电池与换热器之间有导热连接件，光电池与蓄电池电连接。热交换器上有用导管与换热器进出水口连接的出进水口，进水口在热交换器的上部，出水口在热交换器的下部；热交换器上还有一对进出水口，以便往外排放热水，向内注入冷水。热交换器放置在安装架上，其底端高于换热器的顶端。

为了提高太阳能的利用率，集能器为太阳能自动跟踪式集能器。

为了实现热交换中的热水到设定温度后能自动将热水放出并补充冷水，在热交换器中装有热力自动控制装置。热力自动控制器包括上限位阀、下限位阀、热水阀、磁力阀、驱动件、温度控制单元及连接管道。

上限位阀和下限位阀是浮子式阀。热水阀包括筒形阀体、安装在阀体一端的阀塞、安装在装有阀塞端的阀体内的压簧、安置在阀体另一端侧向通孔内的压杆，压杆一端压在压簧上端，阀塞对准前方的热水出水管。磁力阀包括一端带进出水口的阀体、出口与上限位阀的进口连接的管道、由进口***阀体内在进口与阀体固定连接的轴向冷水进水管道、装在阀体另一端内的内磁体、安装在内磁体端部朝向冷水进水管道的压塞、位于内磁体端阀体外的两个极性相反的外磁体。驱动件包括在一端沿杆向安装两个外磁体的阀驱动杆、固定连接在阀驱动杆中部的驱动板、导轮对、套装在驱动杆上位于驱动板两侧的复位簧和记忆合金驱动簧。两个外磁体中，靠近导轮对的外磁体的极性与内磁体相反，内外磁体相斥，远离导轮对的外磁体的极性与内磁体的相同，内外磁体相吸。导轮对适配在驱动杆两侧的杆向凹槽内，复位簧位于安装外磁体的一端，记忆合金驱动簧在另一端，驱动板的一端与热水阀中的压杆连接，下限位阀的冷水出口端在记忆合金驱动簧的外侧。温度控制单元包括一端带导轮的控制杆、固定连接在控制杆上的控制板、安装在控制杆两端安装板上的导轮对、套装在靠近驱动件端的控制杆上的记忆合金控制簧及套装在控制板另一侧的控制杆上的复位簧，导轮对适配在控制杆两侧的轴向凹槽中，在冷水温度时，控制杆端部的压轮位于驱动件的驱动板上，记忆合金驱动簧的相转变温度应低于记忆合金控制簧的相变温度，控制杆与驱动杆大致垂直。

本实用新型设计的聚光发电及太阳能集热装置具有如下优点。

1.输出能量大。仅发电部分与平板式光电池相比，输出功率约增加30％左右。

2.降低发电成本。由于聚光后可大幅度提高能量密度，单位面积的光电池可发出更多的电力。因此每瓦电的成本也明显下降。

3.既利用太阳能的电能又充分利用其热能，因此极大地提高了太阳能的利用率，既是发电装置又是供应热、开水的无人管理的自动锅炉。

4.装置结构简单。

图1是本实用新型设计的一种聚光发电及太阳能集热装置的结构图。

图2是图1中换热器的仰视图。

图3是又一种换热器的结构图。

图4是具有自动跟踪功能的太阳能集能器的结构图。

图5是图4的俯视图。

图6是图4的侧视图。

图7是在热交换器内安装的热力自动控制装置的结构示意图。

图8是热力自动控制装置的正视图。

图9是图8的俯视图。

图10是图8的侧视图。

下面将结合附图对本实用新型的实施方式及其效果作进一步描述。

图1是本实用新型设计的一种聚光发电及太阳能集热装置的结构图。它由安装在集能器架12上的集能器1、安装在位于集能器聚焦点附近的换热器支架2上的换热器3、热交换器6，蓄电池7组成。换热器3的朝向集能器1的底面上装有光电池13，光电池13与换热器3之间有导热绝缘胶层14，使光电池与集能器支架12之间绝缘又使光电池与换热器3之间实现导热连接，光电池13与蓄电池7电连接。换热器3的上部有出水口4，下部有进水口5。热交换器的上部有进水口10，出水口11，换热器的出进水口与热交换器的进出水口分别用软管连接，换热器和热交换器中的水依靠温差循环的原理不断地循环流动。热交换器上还有一对进出水口8、9，以便向内注入冷水及排放热水。热交换器放置在安装架15上，其底端高于换热器的顶端，以便内部水的循环流动。为了减少换热器及热交换器中热水的热量损失，在***有保温层和外壳。该装置中的换热器3采用整体结构，用导热性较好的材料如铜材制成，进出水口均设在换热器3的上端面，进口管应伸入到换热器下部，光电池用导热绝缘胶固定在换热器的底面上，图2是换热器的仰视图，图中的光电池是由多块光电池串联组成的光电池组，光电池的数量视需要而定，光电池与蓄电池连接。换热器也可采用图3的组合结构，即它由多个换热器组合而成，包括多个换热器进水总管16和出口总管17及绝缘安装板18。光电池313固定连接在每个换热器的底面上，如可以用锡焊、导热胶粘接等各种导热连接方法。各个换热器的进水口和出水口均与进水总管和出口总管连接，各换热器均安装在绝缘安装板18上，以使光电池与集能器支架之间绝缘。各换热器上的光电池串联后与蓄电池电连接，根据要求选定组合的换热器的数量。绝缘安装板18再安装在集能器中的换热器支架上。这种结构的换热器由于可采用锡焊等方法将光电池导热地与换热器底面连接，因此可进一步减小光电池的面积。

上述两种装置均提高了照射到换热器的光电池上的太阳能密度，其中经光电池转换后有约10％的能量转变为电能，约90％的能量变为热能，换热器中的水既作为光电池的冷却液，又吸收其热量使水升温，通过温差循环将热水送入热交换器中，热交换器中的冷水又流入换热器中，如此不断循环流动，使水在循环中不断升温。当热交换器中的水温升到设定温度或沸腾后，可以从热交换器的热水出水口9放出，然后，从进水口8注入冷水。又重复循环。

为了提高太阳能利用率，可采用具有自动跟踪功能的太阳能集能器，这种集能器可以是现有的各种结构，也可以是图4所示的具有自动跟踪功能的太阳能集能器。它包括安装架、与安装架可转动连接的集能器主体、与集能器主体固定连接的传动轮、安置在传动轮和执行器上的传动件、安装在集能器主体上的偏转角传感器、控制器、调整偏转角的执行器。集能器主体包括一对连接件、安装在连接件相对两侧、跨接在连接件上的太阳能集能器和换热器支架。及固定安装件、安装在安装件一端的调整倾角的执行器、安装在执行器上的传动轮、安装在安装架一端的另一传动轮、安装在两个传动轮上的传动件、安装在安装架上的倾角传感器。固定安装件在另一侧与安装架可转动连接。安装架由横向托板41和与之大致垂直的、固定连接的两根支柱42和42’组成。在每根支柱的上端还固定连接一个轴座43，轴座43内有一个与轴座大致垂直的轴44，轴座和轴可以是整体结构，也可以是固定连接的组合件，也可以是可拆式连接的组合件，可拆式连接的组合件更便于安装、维修、集能器主体中的一对连接件是套置在每根轴上的轴套46，以实现安装架和集能器主体的可转动连接。为了减少轴和轴套之间的摩擦力，在它们之间可加设轴承，由压板和螺钉、螺母将它们组装成整体。在一根支柱42的轴座和轴套之间的轴上还套置一个轮盘49，轮盘49与轴套46固定连接，如焊接、粘接、螺钉连接。在安装架的横向托板41上装有调整偏转角的执行器411，它由电机和减速机构组成，轮盘49和执行器由传动件连在一起，轮盘49可以是皮带轮、齿轮、链轮等，传动件则相应的可以是、中间齿轮和链条，图中所示的轮盘49是链轮，因此传动件是链条410。在一对轴套的相对两侧上跨装有集能器48和换热器支架47。换热器424安装在换热器支架上。在集能器主体上装有偏转角传感器和控制器412，偏转角传感器的安装平面与集能器的口径平面平行并随其转动而转动。当太阳光发生偏转时，偏转角传感器就会发出偏转信号，通过控制器412向执行器411发出指令，执行器根据该指令使电机动作，带动链条410使轮盘49也随动，由于轮盘49与轴套固定连接，因此可带动与之跨接的集能器48和换热器支架47一起动作，直到太阳光的偏转角为零，偏转角传感器不发出偏转信号，执行器就停止动作。只要太阳光有偏转，集能器就会自动跟踪随动，固定安装件由横向基板414和纵向支架417组成，横向基板414和横向托板41在一侧通过支撑轴415、轴套416实现可转动连接。在纵向支架417上安装有调整倾角的执行器418，执行器418包括电机及减速机构，执行器上有滑轮420、横向托板41的端部也有滑轮421、滑轮421外套置牵引钢丝绳422、牵引钢丝绳422的一端固定在纵向支架417上，另一端固定在滑轮420上，在安装架的适当位置上安装倾角传感器419。例如可安装在安装架的轴座43上。倾角传感器的安装平面与横向托板41的平面平行。

在使用中当太阳光发生倾斜时，倾角传感器就会发出倾角信号，通过控制器向执行器418发出指令，执行器根据该指令使电机动作，滑轮卷起牵引钢丝绳或者反向松开牵引钢丝绳，由于牵引钢丝绳的一端是固定的，所以它的动作必然会拉起横向托板或放下横向托板，即改变横向托板和横向基板之间的夹角，从而使太阳能集能器能自动跟踪太阳光倾角的变化。使太阳能换能器的焦点实现定位。加设照度传感器可使装置只在日出后直到太阳落山前太阳光达到工作照度的一段时间内才工作，可进一步减少能耗。

为了实现热交换器中的水加热到设定温度后能自动排出，排放到设定高度后自动注入冷水，在热交换器中可装入热力自动控制装置。图7是装在热交换器中的热力自动控制装置的结构示意图。图8－图10是它们的结构图。它由上限位阀71、下限位阀72、热水阀73、磁力阀74、驱动件75、温度控制单元76及管道组成。

上下限位阀71、72可以是通常使用的各种结构的浮子阀。两者可以使用相同的结构，也可以使用不同的结构。图8中给出的是一种结构的浮子阀。它包括带冷水进口和出口的阀体77、装在阀体内与进水口对置的阀芯78、一端带浮子79另一端活动连接在阀体上的连杆710。连杆的中部对准阀芯的凸杆。当浮子随水位而上下浮动时，连杆可推动阀芯动作盖住或离开进水口，以关闭或打开限位阀。上限位阀应位于热水器的上部，在设定的允许最高水位的高度上。下限位阀位于热水器下部所设定允许的最低水位的高度上。下限位阀的进水口与冷水管直接连接，出水口由管道引至驱动件外。上限位阀的进水口与磁力阀阀体的出口连接。

热水阀包括筒形阀体714、安装在阀体一端的热水阀塞711，装在筒体内的压簧712，穿过阀体侧孔并压在压簧上端的压杆713，热水阀塞711前方的热水出水管741。压杆713的移动使阀塞压住或离开热水出水管口，从而关闭或打开热水阀。为了防止阀体714在动作过程中发生径向位移，可以加设限位件742。

磁力阀包括一端带进水口和出水口的长形阀体715、安装在进口上并伸入阀体内的轴向冷水进水管道716、装在阀体715另一端内的内磁体717、内磁体端部的压塞718、位于内磁体端阀体外的两个极性相反的外磁体719、720。阀体上的出水口与上限位阀的冷水进口由管道连通，内磁体717在两个外磁体的作用下可以在阀体内轴向移动，将压塞718压合在进水管道716上，或离开进水管道，从而关闭或打开磁力阀。压塞可以粘结在内磁体的表面，直接装在阀体内。为了防止磁体长期使用中产生锈蚀，也可以将内磁体和压塞组装在磁体罩中形成一整体再装在阀体中。两块极性相反的外磁体可以封装在磁体罩722内，固定安装在驱动件上。其中靠近导轮对侧的外磁体720与内磁体717的极性相反，内外磁体相斥；远离导轮对的外磁体719与内磁体717的极性相同，内外磁体相吸。

驱动件包括阀驱动杆723、固定连接在驱动杆723中部的驱动板724及驱动杆两端的挡板，套装在驱动杆上位于驱动板和挡板间的复位簧727和记忆合金驱动簧728及位于驱动杆两端的两对导轮，导轮安装在导轮架上，导轮架固定连接在安装板上，阀驱动杆723为一端带凸出件的柱状体，磁力阀中的两个极性相反的外磁体安装在驱动杆凸出件上，外侧的外磁体与内磁体相吸，内侧的与内磁体相斥。柱状体沿轴向的两侧带凹槽，两对导轮适配在凹槽中，使驱动杆只能沿杆的长度方向移动。驱动板724焊接在驱动杆的中部，其一端与热水阀中的压杆713连接。复位簧727套装在驱动板724和装有外磁体侧的挡板中间的驱动杆上，记忆合金驱动簧728套装在驱动板和另一端的挡板之间的驱动杆上。与下限位阀的出水口连接的出水管道口位于记忆合金驱动簧的外侧。驱动件可以纵向也可以水平安装。

温度控制单元由一端带导轮731的控制杆732、固定连接在控制杆732上的控制板733、安装在控制杆两端的挡板734、735及两对导轮736、737、套装在控制板732外的复位簧738和记忆合金控制簧739组成。控制杆为柱状体，与驱动件的阀驱动杆723大致垂直，端部的压轮731在冷水温度时正好压在驱动件的驱动板724上。控制杆沿轴向的两侧有凹槽，两对导轮736、737适配在凹槽中，两对导轮分别安装在导轮架上，导轮架固定安装在安装板上，控制杆只能沿杆向移动。控制板733焊接在控制杆的中部，记忆合金控制簧739套装在控制板733和带导轮731侧的挡板734之间的控制杆上，复位簧738套装在控制板733和另一端挡板735之间的控制杆上。记忆合金控制簧的相变温度高于记忆合金驱动簧的相变温度，具体的材料可根据需要控制的温度选定，例如选用相变温度约80℃的及约60℃的Cu－Zn－Al记忆合金丝分别制成记忆合金控制簧和记忆合金驱动簧，则可以在水温达到80℃时自动供应热水。驱动件和温度控制单元可以设置在热交换器的下部位置。

使用时，如开始安装本控制器的热交换器中无水时，上下限位阀71、72、均处于打开状态，记忆合金控制簧和记忆合金驱动簧全处于常态，在各复位簧的作用下，控制杆732前端的导轮731位于驱动板724上，因此热水阀73处于关闭状态，此时驱动杆723端部的外磁体719位于内磁体717的侧端，内外磁体相吸，使内磁体远离冷水进水管道716的进水口所以磁力阀也处于打开状态。此时如果打开冷水进水龙头即可从上、下限位阀中进入冷水，当热交换器中的水位达到下限位阀72的高度时，下限位阀即自动关闭，其它阀不变。当水位达到上限位阀71的高度时上限位阀即自动关闭，其它阀不变。热水器加热。当水温达到驱动件中记忆合金驱动簧的温度时，记忆合金驱动簧就应该伸长，但是由于控制杆端导轮731压在驱动板724上，所以记忆合金驱动簧无法伸长而处于储能状态。当水温达到温度控制单元中记忆合金控制簧的转变温度时，即欲控制的水的温度时，记忆合金控制簧739即伸长，推动控制板733，并带动与控制板733固定连接在一起的控制杆732杆向移动，使端部的导轮731离开驱动件上的驱动板724。此时已经储有足够能量的记忆合金驱动簧即快速伸长，一方面带动与驱动板相连的热水阀中的压杆，打开热水阀向外排放热水；另一方面将另一外磁体720推到与内磁体717适配的位置，由于外磁体720与内磁体极性相斥，所以把内磁体717推向冷水进水管716的进水口，压塞718压在进水口上使磁力阀关闭。当热水器中的热水位置低于上限位阀时，上限位阀打开，但由于磁力阀是关闭的所以上限位阀的进水口不能进冷水，所以放出的热水中决不会掺入冷水。当热交换器中的水位达到下限位阀时，下限位阀打开，从下限位阀进入冷水，冷水直冲驱动件中的记忆合金驱动簧，使其温度降到相变温度以下，记忆合金驱动簧收缩，同时又在复位簧727的作用下，将驱动板724推向记忆合金驱动簧。此时一方面带动压杆713移动而使热水阀关闭，一方面又使驱动杆723作杆向移动，使杆端的另一外磁体719与内磁体717适配，外磁体719和内磁体717极性相吸，使压塞718远离冷水进水口，从而打开磁力阀，这样上限位阀就可以上水。在上水过程中控制杆732外的记忆合金控制簧也逐渐降温，达到相变温度以下时，记忆合金控制簧收缩，又在复位簧738的作用下将控制杆732推向驱动件，其端部的压轮731又压在驱动件的驱动板724上，热水阀被可靠地关闭。所以一般情况下，驱动件和温度控制单元的安装位置应低于下限位阀的安装位置，以保证热水阀及时可靠地关闭。这样又重复了开始进冷水的状态。装这种热力自动控制器后就可以反复循环地自动上冷水，加热到设定温度后自动排放热水或开水，构成完全自动化的自动锅炉。

Claims (3)

1、一种聚光发电及太阳能集热装置，它包括光电池及与光电池连接的蓄电池，其特征是，所说的聚光发电及太阳能集热装置还包括安装在支架上的集能器、安装在集能器聚焦点附近的换热器、热交换器，所说换热器的朝向集能器的底面上装有光电池，换热器上部有出水口，下部有进水口，所说的光电池与集能器支架间有绝缘件，光电池与换热器之间有导热连接件，所说的热交换器上有用导管与换热器进出水口连接的出进水口，进水口在热交换器的上部，出水口在热交换器的下部，所说的热交换器上还有一对进出水口，所说的热交换器放置在安装架上，热交换器的底端高于换热器的顶端。

2、根据权利要求1所说的聚光发电及太阳能集热装置，其特征是所说的集能器是太阳能自动跟踪式集能器。

3、根据权利要求1或2所说的聚光发电及太阳能集热装置，其特征是所说的热交换器中装有热力自动控制装置，它包括上限位阀、下限位阀、热水阀、磁力阀、驱动件、温度控制单元及连接管道，

所说的上限位阀和下限位阀是浮子式阀，

所说的热水阀包括筒形阀体、安装在阀体一端的阀塞、安装在装有阀塞端的阀体内的压簧、安置在阀体另一端侧向通孔内的压杆，压杆一端压在压簧上端，阀塞对准前方的热水出水管，

所说的磁力阀包括一端带进出水口的阀体、出口与上限位阀的进口连接的管道、由进口***阀体内在进口与阀体固定连接的轴向冷水进水管道、装在阀体另一端内的内磁体、安装在内磁体端部朝向冷水进水管道的压塞、位于内磁体端阀体外的两个极性相反的外磁体，所说的两个外磁体安装在驱动件上，

所说的驱动件包括在一端沿杆向安装两个外磁体的阀驱动杆、固定连接在阀驱动杆中部的驱动板、导轮对、套装在驱动杆上位于驱动板两侧的复位簧和记忆合金驱动簧，所说的两个外磁体中靠近导轮对的外磁体的极性与内磁体相反，内外磁体相斥，远离导轮对的外磁体的极性与内磁体的相同，内外磁体相吸，所说的导轮对适配在驱动杆两侧的杆向凹槽内，所说的复位簧位于驱动杆的安装外磁体的一端，所说的记忆合金驱动簧在另一端，所说的驱动板的一端与热水阀中的压杆连接，所说的下限位阀的冷水出口端在记忆合金驱动簧的外侧，

所说的温度控制单元包括一端带导轮的控制杆、固定连接在控制杆上的控制板、安装在控制杆两端安装板上的导轮对、套装在靠近驱动件端的控制杆上的记忆合金控制簧及套装在控制板另一侧的控制杆上的复位簧，所说的导轮对适配在控制杆两侧的轴向凹槽中，在冷水温度时，控制杆端部的压轮位于驱动件的驱动板上，所说的记忆合金驱动簧的相变温度低于记忆合金控制簧的相变温度，所说的控制杆与驱动杆大致垂直。

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