室内型太阳能高温加热装置

室内型太阳能高温加热装置

本发明涉及一种把自然太阳光经一次以上的反射、聚光再把光传输 到理想位置进行光热或其他形式换能的技术。

现已实施的太阳能应用装置存在一定缺点。自然光能流密度低，比 较难于集中，高能高温状态下使用时，由于普通聚光使用的太阳能加热 设备焦点固定，使用有诸多不便，譬如：操作者要靠近热光源操作，有 一定的危险性，反射面易污染，跟踪太阳不方便。种种缺点限制了太阳 能技术的推广应用，据此我们研究发明了该太阳能的推广应用系统。

本发明是根据光反射基本原理，把平面、抛物面、双曲面、椭球面 进行合理组合，让太阳光经过反射、聚合，再反射、再聚合等几次传播 到达指定位置进行换能或继续传播。对于能量需求较大，温度需求高的 用户，可采用多台联动、集合使用的方法以获高能高温。集能方式可采 用二次光反射，集中一点统一换能，又可采用高温介质统一传输到使用 地点的方法。

本发明大至是这样按装的，在屋顶、院落、楼南墙、阳台、窗外山 峦、沙漠。在一切可接收太阳光的无遮拦地点按装反射抛物面，同时共 焦按装双曲面、椭球面、抛物面或平面，使二次反射后的光线离开一次 反射抛物面焦点到其他合适的地点会聚，再次反射或换能。一般用户要 在抛物面镜后聚焦。这样一次反射抛物面与二次反射面相对位置固定。 跟踪太阳只需绕新焦点作球面运动就可以了，这样就很容易实现全天使 用。有些情况譬如采用抛、抛组合远距离传播时可采用一次反射面与二 次反射面分别自控的方法，一次反射抛物面跟踪太阳运动，二次反射抛物 面固定轨道指向需求地点。

本发明可采用多种组合型式，其中有：

1.抛物面、抛物机组合型

2.抛物面、双曲组合型

3.抛物面、椭球面组合型

4.平面、抛物面组合型

5.抛物面、平面组合型

6.抛物面、光导纤维组合型

光能与终端设备的组合又有多种方法，可采用光能直接转化为用户 所需求能量，也可采用中间介质再传递的方式。

上面所讲的反射面，可以是柱面，也可以是旋转面，可以是截面也 可以是斜截面，一级组合达不到目的的，可以采用多组、多种组合。 一.抛物面、抛物面组合型

发明依据：平行反射抛物面轴线的光线经抛物面反射后都经过 焦点、根据光线可逆原理经焦点发出的光线再经抛物面反射后可平行射 出，太阳光可近为平行光束。 设计路线是这样的

a.根据实际需求的功率，太阳常数，各部件的效率选择一次反射抛 物面的开口、焦距、安装形式。

b.根据我们需要的二次反射光线的能流密度，光束到达位置，计算二 次反射抛物面的开口、焦距、安装位置及结构形式，如果光束平行轴线 射向镜后，二次反射抛物面可做正抛长焦距形式。一次反射抛物面地近 顶点处应根据光束横截面积大小，作一稍大的空洞。按装二抛物面相对 共焦、共轴、使一次反射抛物面自动跟踪太阳沿光能转换装置做球面运 动，并使太阳光永远与轴线平行入射。(以后几种组合一般都采用这种 设计方案，不再一一重复)

在换能装置与一次反射抛物面相距较远时，可设计二抛物面，分别可 以运动。一次抛物面永运跟踪太阳使阳光沿轴线平行入射。二次反射抛 物面运动中保持与一次入射抛物面共焦，并指向换能地点。应用这种结 构，可用电脑控制成百、上千的体组合，同时，射向同一地点，用来 产生高温、高能，来完成发电、熔炼、甚至原子核聚变反应。 二.抛物面、椭球面组合型

此类组合的理论根据：与轴线平行的入射光线经抛物面反射后都会 经过焦点。经过椭球面一个焦点的光经椭球面反射后都会经过椭球面的 另一个焦点。由此可知，如果使抛物面与椭球面共焦，让太阳入射光与 抛物面轴线平行指向顶点，则经抛物面反射面经椭球面再次反射后经过 椭球面另一焦点。可以设计椭球面焦距，使第二焦点在合适的位置上， 可在室内，可在阳台。在此点按装换能装置，可以做成开水器、炊具、 太阳能暖气等。 三.抛物面、双曲面结合型

本组合型的原理是：与抛物面轴线平行指向抛物面的入射光线经抛 物面反射后都经过焦点。在双曲凸面镜中，另一焦点发出的光线在凸面 镜面反射后的光线以凸面镜的焦点为虚焦点反射。根据光的可逆反原理， 射向双曲凸面指向该双曲凸面焦点的光线经凸反射后都经过另一焦点。 本组合实际上是抛物凹面与双曲凸面的组合，按装两反射面相对共焦。 适当计算两焦点距离，使第二焦点在合适的位置，使抛物面跟踪太阳， 使入射光线平行轴线指向镜面，则经双曲凸面反射后在第二焦点会聚。 一般采用轴线与双曲面两焦点连线共线的方式，使第二焦点处抛物面镜 面轴线的反向延长线上。在此按装换热装置，抛物面以此为中心作球面 运动跟踪太阳，是比较方便的方式。 四.平面、抛物面组合型

此组合是经平面把阳光反射到抛物面上再反射聚焦。 五.抛物面、平面组合型

此种组合是由抛物面反射后，光线指向焦点的途中加一平面反射镜。 使光线在新的焦点会集。此组合简单易行，是实施中可以考虑的方案。 六.抛物面，光导纤维组合型

把光纤的受光端按装在抛物的焦点处。换能装置在光纤输出端，随 光纤工业的发展，这是有希望的组合方式。

本发明应用实例：

采用抛物面、旋转双曲面组合制造的家庭太阳能应用系列(开水 器、蒸气锅、炒锅、采暖器)要求终端输出不低于1.5千瓦。

整套设备计划由受光，光热转化、热能传输、用热设备五部分组成。 采用高温油料作为传导媒质。受热部分由抛物面、双曲凸面组成，按装 在楼南墙，以光电原件作传感器，通过自控装置带动微电机，达到跟踪 太阳的目的。受光转换部位采用96109859.5号专利技术——镀太阳能玻 璃真空集热器光谱选择性无剥离吸收膜，制造的能承受较高温度的真空 玻璃集热器。集热器与贮能器相连，贮能器是一个与外部绝热的不锈钢 筒。贮能筒通过输出、输入绝热管道与用热器相连通。用热器包括开水 器、炒锅、蒸气发生器、暖气。实际上是形状各异的热交换器。各用热 器之间相互并联。在回流绝热管的用热端装有热泵，整套设备内充满高 温耐热油。 具体设计计算是这样的：

∵受光设备抛物面，凸双曲面按装在南墙，转换设备按装在外墙壁， 其余透过墙装到房内，所以可采用旋转正抛与旋转正双曲结合型，如受 光设备在墙面转换设备在窗口或阳台。可采用离轴抛物面与离轴双曲面 的组合。

已知：阳光入射常数为1376±7瓦/米2，地面受光幅度大约是80％， 受热器需求功率1.5千瓦，热传递效率70％。

求：抛物面开口面积

<math> <mrow> <mo>=</mo> <mn>1.5</mn> <mo>&divide;</mo> <mn>80</mn> <mo>%</mo> <mo>&divide;</mo> <mn>70</mn> <mo>%</mo> <mo>/</mo> <mn>1.36</mn> <mo>&times;</mo> <mn>80</mn> <mo>%</mo> </mrow> </math>

根据抛物面开口半径，我们选取焦距f＝0.8米 确定抛物线方程y²＝3.2x 在开口处 y＝0.9米 已知x＝0.253 由方程y²＝3.2x 求最边缘的反射光线与轴线的交角： arctgψ＝y/(f-x)＝0.9/0.547＝1.645 查表求得ψ＝57°25′ ∵阳光并非完全平行光，所以，聚焦后形成焦斑 面积：半径 <math> <mrow> <mo>=</mo> <mn>2</mn> <mo>&times;</mo> <mn>0.8</mn> <mo>&times;</mo> <mi>tg</mi> <mn>1</mn> <msup> <mn>6</mn> <mo>&prime;</mo> </msup> <mo>/</mo> <mn>0.5388</mn> <mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>+</mo> <mn>0.5388</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </math> ＝0.12米

放置双曲凸面于焦点前0.2米处。设另一焦点在镜后轴线反向延长线 距顶点0.2米处。如需将抛物面全部反射交再反射，双曲面开口半径不应 小于 在抛物面上形成的二次反应光斑不少于R＝0.082米，我们按照R＝0.15米留 透光孔。

我们按装双曲凸面在抛物面焦点内侧20余厘米处。与抛物面共焦相 对，两焦点连线与抛物面轴线共线，球形玻璃真空集热器安放在第二焦 点处。抛物面在控制系统的作用下跟踪太阳，使太阳入射线与轴线平行 指向抛物面，太阳光经双曲凸面再反射后，透过抛物面透光孔全部射到 玻璃真空集热器，集热器内存高温油，油温升高，比重减少，从而进入 上部的贮能桶。桶内温度较低的油温又进入球形集热器，使贮能桶内温 不断上升。同时与贮能桶连接的用热器，也是受贮能桶内油温升高的影 响开始循环流动逐步升温，此时只有开水器开启，其余用热器关闭，开 水器内开水与高温油产生热交换，逐步升温直至升至100℃自动关闭。打 开保暖器与室内空气产生热交换，使室内升温。如不需要采暖，可关闭 用热器，使贮热器内油温升高贮能。当需要快速升温，如炒菜、蒸饭时， 可开启热泵使高温油迅速流动。在用热器内迅速放热、升温。如果出现 暂时云遮日的情况。由于贮能设备的存在依然不影响用热。又因为油温 较高与普通油炉、电炉相比有其长、无其短。不影响饭菜的质量。