CN109827344B - 一种气体膨胀驱动液体聚光式调光集热系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种气体膨胀驱动液体聚光式调光集热系统及方法，涉及太阳能应用技术领域，系统包括：集热箱体，具有至少一个采用透明材料制成的侧壁，为上底面封闭箱体，集热箱体内盛装有透明液体；聚光组件，安装连接于侧壁上，为上底面和下底面均开口的管状结构，下底面开口面积大于上底面开口面积，聚光组件的下部位于集热箱体内透明液体的液面下方，聚光组件的上部伸出集热箱体的上底面与外界连通，用于调节进入聚光组件的光线的传导光路，使光线在折射出射和全反射两者之间相互转换；以及透明液体，用于被压入或压出聚光组件以调节聚光组件的折射率。本发明具有制造成本低、聚光集热效率高的优点。

Description

一种气体膨胀驱动液体聚光式调光集热系统及方法

技术领域

本发明涉及太阳能应用技术领域，具体涉及一种气体膨胀驱动液体聚光式调光集热系统及方法。

背景技术

太阳能是地球上最丰富的可再生能源，太阳能因密度低，且受太阳高度角、方位角、气象等影响，利用率很低。

为了提高太阳能可利用率，人们应用太阳能聚光器提高太阳能辐射密度，达到对太阳能收集、利用的目的，达到集热的效果。目前聚光器主要有折射、反射、混合等类型，聚光形式主要有点聚焦和线聚焦。一些聚光器具有一套精确的自动跟踪系统、聚光面、跟踪支架和传动机械，从而实现全自动跟踪太阳能聚光集热，但是，这样的全自动跟踪聚光集热系统制造成本高，其运行成本大大高于常规能源，从而阻碍其商业化发展。另一些为免跟踪太阳能聚光器，例如CPC聚光器、复合抛物线柱面镜等反射型聚光器，其结构简单、制造成本低，但是，聚光精度低，在免跟踪条件下聚光比低，可利用性差，聚光集热效果差。

发明内容

因此，本发明实施例要解决的技术问题在于现有技术中的聚光集热系统的制造成本高、聚光集热效果差。

为此，本发明实施例的一种气体膨胀驱动液体聚光式调光集热系统，包括：

集热箱体，具有至少一个采用透明材料制成的侧壁，为上底面封闭箱体，集热箱体内盛装有透明液体，用于将太阳能收集在箱体内；

聚光组件，安装连接于侧壁上，为上底面和下底面均开口的管状结构，下底面开口面积大于上底面开口面积，聚光组件的下部位于集热箱体内透明液体的液面下方，聚光组件的上部伸出集热箱体的上底面与外界连通，用于调节进入聚光组件的光线的传导光路，使光线在折射出射和全反射两者之间相互转换；以及

透明液体，用于被压入或压出聚光组件以调节聚光组件的折射率。

优选地，侧壁上均匀排布连接有至少一个聚光组件。

优选地，所述聚光组件为梯形体，包括：

第一矩形侧壁，作为梯形体的下底面，与集热箱体的侧壁连接，采用透明材料制成，用于透射过入射光线；

第二矩形侧壁，作为梯形体的上底面，与第一矩形侧壁平行放置，采用深色吸热材料制成；以及

折反射侧壁，分别与第一矩形侧壁和第二矩形侧壁密封连接，采用透明材料制成，折反射侧壁与第一矩形侧壁之间的夹角满足以透明液体为光线传导介质时在折反射侧壁面上发生全反射的要求。

优选地，所述第一矩形侧壁的短边长度与第二矩形侧壁的短边长度的比值大于或等于3。

优选地，所述聚光组件还包括：

上侧壁，封接在聚光组件的上底面上，上侧壁上开设有至少一个小孔；以及

通气管道，一端与小孔密封连接，另一端伸出集热箱体的上底面置于外界环境中，通气管道与集热箱体的上底面密封连接。

优选地，所述透明液体包括水。

优选地，还包括：

进水管，与集热箱体连接，用于补充透明液体。

本发明实施例的一种气体膨胀驱动液体聚光式调光集热方法，包括以下步骤：

当集热箱体内的温度和气压较低时，集热箱体内的透明液体未被压进聚光组件内，外界光线透射过集热箱体的侧壁后入射进入聚光组件内；

聚光组件中的光线传导介质是空气，聚光组件内的大部分光线出射进入集热箱体内。

优选地，还包括以下步骤：

当集热箱体内的温度和气压较高时，集热箱体底部的透明液体被压进聚光组件内，外界光线透射过集热箱体的侧壁后入射进入聚光组件内；

聚光组件中的光线传导介质是透明液体，聚光组件内的大部分光线发生全反射并被聚集吸收，加热聚光组件内的透明液体。

优选地，所述聚光组件内的大部分光线发生全反射并被聚集吸收，加热聚光组件内的透明液体的步骤包括：

聚光组件内的大部分光线在折反射侧壁表面上发生全反射，之后光线聚集到聚光组件的第二矩形侧壁处；

第二矩形侧壁吸收照射到其上的光线能量，加热聚光组件内的透明液体。

本发明实施例的技术方案，具有如下优点：

1.本发明实施例提供的气体膨胀驱动液体聚光式调光集热系统，通过采用聚光组件，调节太阳光较弱和较强时的聚光集热结构，使得在太阳光较强时可集中增强吸热集热，提高了聚光集热效果。并且采用简单几何装置结构实现了自动调光集热，其结构简单，制造成本低。

2.本发明实施例提供的气体膨胀驱动液体聚光式调光集热方法，通过当集热箱体内的温度和气压较低时光线透射过聚光组件直接照射到箱体内，实现正常集热。以及通过当集热箱体内的温度和气压较高时大部分光线能量通过全反射被聚光组件的折反射侧壁吸收，实现了聚光集中吸热集热，提高了聚光集热效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式中的技术方案，下面将对具体实施方式描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例1中气体膨胀驱动液体聚光式调光集热系统的一个具体示例的立体结构示意图；

图2为本发明实施例1中气体膨胀驱动液体聚光式调光集热系统的一个具体示例的正视图；

图3为本发明实施例1中气体膨胀驱动液体聚光式调光集热系统的一个具体示例的左视图；

图4为本发明实施例1中聚光组件的一个具体示例的立体结构示意图；

图5为本发明实施例1中透明液体未压入聚光组件时光线传导示意图；

图6为本发明实施例1中透明液体压入聚光组件时光线传导示意图；

图7为本发明实施例2中气体膨胀驱动液体聚光式调光集热系统的一个具体示例的结构示意图。

附图标记：1-集热箱体，11-侧壁，2-聚光组件，21-第一矩形侧壁，22-第二矩形侧壁，23-折反射侧壁，24-上侧壁，25-通气管道，3-透明液体，4-进水管。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，本文所用的术语仅用于描述特定实施例的目的，而并非旨在限制本发明。除非上下文明确指出，否则如本文中所使用的单数形式“一”、“一个”和“该”等意图也包括复数形式。使用“包括”和/或“包含”等术语时，是意图说明存在该特征、整数、步骤、操作、元素和/或组件，而不排除一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元素、组件、和/或其他组合的存在或增加。术语“和/或”包括一个或多个相关列出项目的任何和所有组合。术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，还可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

实施例1

本实施例提供一种气体膨胀驱动液体聚光式调光集热系统，可应用于例如太阳能热水器等太阳能集热器，如图1、2和3所示，该集热系统包括：集热箱体1、聚光组件2和透明液体3。

集热箱体1具有至少一个采用透明材料制成的侧壁11，若集热箱体1为长方体形或正方体形，则侧壁11的数量可优选为四周的4个和上底面的1个，即集热箱体1能受光的各个壁均由透明材料制成。集热箱体1为上底面封闭箱体，集热箱体1内盛装有透明液体3，用于将太阳能收集在箱体内。

聚光组件2安装连接于侧壁11上，优选地，侧壁11上均匀排布连接有至少一个聚光组件2，装配聚光组件2的侧壁11可以为1个或2个以上，一般聚光组件2装配在向阳面的侧壁11上。聚光组件2为上底面和下底面均开口的管状结构，内部为可通液体的空腔式，下底面开口面积大于上底面开口面积，聚光组件2的下部位于集热箱体1内透明液体3的液面下方，聚光组件2的上部伸出集热箱体1的上底面与外界连通，这样的结构有利于集热箱体1内部压力的聚攒以可以使透明液体3被较高的压力压入聚光组件2内。聚光组件2用于调节进入聚光组件2的光线的传导光路，使光线在折射出射和全反射两者之间相互转换。

透明液体3用于被压入或压出聚光组件2以调节聚光组件2的折射率，透明液体3的量以在聚光组件2内充满透明液体3时聚光组件2的下部仍位于集热箱体1内透明液体3的液面下方为佳。优选地，透明液体3包括水。

优选地，如图4所示，聚光组件2为梯形体，包括：第一矩形侧壁21、第二矩形侧壁22和两块折反射侧壁23。

第一矩形侧壁21作为梯形体的下底面，与集热箱体1的侧壁11连接，采用透明材料制成，用于透射过入射光线。也可将集热箱体1的侧壁11等分为若干段作为聚光组件2的第一矩形侧壁21，而不另外采用材料贴装到侧壁11上，以简化结构，降低壁厚带来的光损耗。

第二矩形侧壁22作为梯形体的上底面，与第一矩形侧壁21平行放置，采用深色吸热材料制成，用于吸收照射到其上的光线的能量。第一、第二矩形侧壁21、22以长边垂直、短边水平的形式竖直放置在集热箱体1内。

折反射侧壁23分别与第一矩形侧壁21和第二矩形侧壁22密封连接，采用透明材料制成，折反射侧壁23与第一矩形侧壁21之间的夹角满足以透明液体3为光线传导介质时在折反射侧壁23面上发生全反射的要求，即第一矩形侧壁21的短边长度与第二矩形侧壁22的短边长度的比值满足聚光比大于1的要求。优选地，第一矩形侧壁21的短边长度与第二矩形侧壁22的短边长度的比值大于或等于3，提高光线在折反射侧壁23面上发生全反射的效率。

优选地，聚光组件2还包括：上侧壁24和通气管道25。

上侧壁24封接在聚光组件2的上底面上，上侧壁24上开设有至少一个小孔。通气管道25的一端与小孔密封连接，另一端伸出集热箱体1的上底面置于外界环境中，通气管道25与集热箱体1的上底面密封连接，仅通过通气管道25连通箱体的内部与外界。

优选地，如图1、2和3所示，气体膨胀驱动液体聚光式调光集热系统还包括：进水管4。进水管4与集热箱体1连接，用于补充透明液体3。由于集热箱体1内的透明液体3存在损耗，所以可将备用的透明液体3通过进水管4送入箱体1内，以弥补其损耗。

上述气体膨胀驱动液体聚光式调光集热系统的工作原理为：

由于上午和下午箱体1中空气的温度和气压较低，使得透明液体3未被压进聚光组件2内，此时光线对聚光组件2的照射如图5所示，由于聚光组件2中的介质是空气，箱体1中也有空气，所以当光线从聚光组件2内的空气介质射向箱体1中的空气时，光线在聚光组件2的折反射侧壁23上不发生全反射，光线可通过聚光组件2照射进箱体1内，进行集热。

当接近正午时，由于光照增强及环境温度的升高，使得箱体1内部的空气被加热，空气的温度和压强逐渐增大，此时由于空气压强的增大，使得箱体1底部的透明液体3被压进聚光组件2内，而聚光组件2内的空气可通过通气管道25排向外界环境中。此时光线对聚光组件2的照射情况如图6所示，由于聚光组件2中的介质为透明液体3，透明液体3相对于箱体1中的空气是光密介质，所以当光线从聚光组件2内的透明液体3射向箱体1中的空气时，光线在聚光组件2的折反射侧壁23面上发生全反射，光线被聚集到聚光组件2的第二矩形侧壁22处，光线所带能量被第二矩形侧壁22的深色吸热材料吸收并用以加热聚光组件2内的透明液体3，从而使透明液体3吸收太阳能，吸热的集中度更高，加强了对太阳能的收集、利用。

上述气体膨胀驱动液体聚光式调光集热系统，通过采用聚光组件，调节太阳光较弱和较强时的聚光集热结构，使得在太阳光较强时可集中增强吸热集热，提高了聚光集热效果。并且采用简单几何装置结构实现了自动调光集热，其结构简单，制造成本低。

实施例2

本实施例提供一种气体膨胀驱动液体聚光式调光集热系统，除了下述特征以外，其他特征均与实施例1中的相同，如图7所示。

折反射侧壁23采用抛物面，从而提高了聚光效率，进一步增强了系统集中集热的效果。

实施例3

本实施例提供一种气体膨胀驱动液体聚光式调光集热方法，应用于上述实施例1和2，包括以下步骤：

S1、当集热箱体1内的温度和气压较低时，集热箱体1内的透明液体3未被压进聚光组件2内，外界光线透射过集热箱体1的侧壁11后入射进入聚光组件2内；

S2、聚光组件2中的光线传导介质是空气，聚光组件2内的大部分光线出射进入集热箱体1内。

优选地，还包括以下步骤：

S3、当集热箱体1内的温度和气压较高时，集热箱体1底部的透明液体3被压进聚光组件2内，外界光线透射过集热箱体的侧壁11后入射进入聚光组件2内；

S4、聚光组件2中的光线传导介质是透明液体3，聚光组件2内的大部分光线发生全反射并被聚集吸收，加热聚光组件2内的透明液体3。

上述气体膨胀驱动液体聚光式调光集热方法，通过当集热箱体内的温度和气压较低时光线透射过聚光组件直接照射到箱体内，实现正常集热。以及通过当集热箱体内的温度和气压较高时大部分光线能量通过全反射被聚光组件的折反射侧壁吸收，实现了聚光集中吸热集热，提高了聚光集热效率。

优选地，上述S4的聚光组件2内的大部分光线发生全反射并被聚集吸收，加热聚光组件2内的透明液体3的步骤包括：

S41、聚光组件2内的大部分光线在折反射侧壁23表面上发生全反射，之后光线聚集到聚光组件2的第二矩形侧壁22处；

S42、第二矩形侧壁22吸收照射到其上的光线能量，加热聚光组件2内的透明液体3。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (7)

1.一种气体膨胀驱动液体聚光式调光集热系统，其特征在于，包括：

集热箱体(1)，具有至少一个采用透明材料制成的侧壁(11)，为上底面封闭箱体，集热箱体(1)内盛装有透明液体(3)，用于将太阳能收集在箱体内；

聚光组件(2)，安装连接于侧壁(11)上，为上底面和下底面均开口的管状结构，下底面开口面积大于上底面开口面积，聚光组件(2)的下部位于集热箱体(1)内透明液体(3)的液面下方，聚光组件(2)的上部伸出集热箱体(1)的上底面与外界连通，用于调节进入聚光组件(2)的光线的传导光路，使光线在折射出射和全反射两者之间相互转换；以及

透明液体(3)，用于被压入或压出聚光组件(2)以调节聚光组件(2)的折射率；

侧壁(11)上均匀排布连接有至少一个聚光组件(2)；

所述聚光组件(2)为梯形体，包括：

第一矩形侧壁(21)，作为梯形体的下底面，与集热箱体(1)的侧壁(11)连接，采用透明材料制成，用于透射过入射光线；

第二矩形侧壁(22)，作为梯形体的上底面，与第一矩形侧壁(21)平行放置，采用深色吸热材料制成；以及

折反射侧壁(23)，分别与第一矩形侧壁(21)和第二矩形侧壁(22)密封连接，采用透明材料制成，折反射侧壁(23)与第一矩形侧壁(21)之间的夹角满足以透明液体(3)为光线传导介质时在折反射侧壁(23)面上发生全反射的要求。

2.根据权利要求1所述的气体膨胀驱动液体聚光式调光集热系统，其特征在于，所述第一矩形侧壁(21)的短边长度与第二矩形侧壁(22)的短边长度的比值大于或等于3。

3.根据权利要求1所述的气体膨胀驱动液体聚光式调光集热系统，其特征在于，所述聚光组件(2)还包括：

上侧壁(24)，封接在聚光组件(2)的上底面上，上侧壁(24)上开设有至少一个小孔；以及

通气管道(25)，一端与小孔密封连接，另一端伸出集热箱体(1)的上底面置于外界环境中，通气管道(25)与集热箱体(1)的上底面密封连接。

4.根据权利要求1所述的气体膨胀驱动液体聚光式调光集热系统，其特征在于，所述透明液体(3)包括水。

5.根据权利要求1-4任一项所述的气体膨胀驱动液体聚光式调光集热系统，其特征在于，还包括：

进水管(4)，与集热箱体(1)连接，用于补充透明液体(3)。

6.一种气体膨胀驱动液体聚光式调光集热方法，其特征在于，包括以下步骤：

当集热箱体(1)内的温度和气压较低时，集热箱体(1)内的透明液体(3)未被压进聚光组件(2)内，外界光线透射过集热箱体(1)的侧壁(11)后入射进入聚光组件(2)内；

聚光组件(2)中的光线传导介质是空气，聚光组件(2)内的大部分光线出射进入集热箱体(1)内；

当集热箱体(1)内的温度和气压较高时，集热箱体(1)底部的透明液体(3)被压进聚光组件(2)内，外界光线透射过集热箱体的侧壁(11)后入射进入聚光组件(2)内；

聚光组件(2)中的光线传导介质是透明液体(3)，聚光组件(2)内的大部分光线发生全反射并被聚集吸收，加热聚光组件(2)内的透明液体(3)。

7.根据权利要求6所述的气体膨胀驱动液体聚光式调光集热方法，其特征在于，所述聚光组件(2)内的大部分光线发生全反射并被聚集吸收，加热聚光组件(2)内的透明液体(3)的步骤包括：

聚光组件(2)内的大部分光线在折反射侧壁(23)表面上发生全反射，之后光线聚集到聚光组件(2)的第二矩形侧壁(22)处；

第二矩形侧壁(22)吸收照射到其上的光线能量，加热聚光组件(2)内的透明液体(3)。

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