專利名稱：基于熱聲效應的自轉(zhuǎn)向式太陽能驅(qū)動的機械水泵裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種利用太陽能的機械裝置，尤其涉及一種基于熱聲效應的自轉(zhuǎn)向式太陽能驅(qū)動的機械水泵裝置。
背景技術：
進入現(xiàn)代工業(yè)化時代以來，能源供應匱乏成為了社會進一步發(fā)展的瓶頸。人們正在急切地尋求安全、無污染、儲量豐富的可替代能源，太陽能無疑是最理想的能源。目前太陽能的應用主要分為光電和集熱兩種類型，前者將光能轉(zhuǎn)換為電能；后者直接利用太陽能熱能。另一方面，水泵是工農(nóng)業(yè)以及日常生活不可缺少的流體機械設備，應用量巨大。通常的水泵都由電力驅(qū)動，若采用太陽能光電轉(zhuǎn)換獲得電力，進而驅(qū)動電機使水泵工作，這在技術上應該是成熟的方案。但是，不僅太陽能光電轉(zhuǎn)換效率低下，而且生產(chǎn)光伏電池的過程中需要消耗大量的能源，也會產(chǎn)生大量的污染物。如果從短期效應來看，它違背了太陽能作為清潔能源的初衷。因此，若能有效利用太陽能光熱，取消發(fā)電環(huán)節(jié)，直接將熱能轉(zhuǎn)換為驅(qū)動水泵工作所需的機械能，在理論上不僅有望實現(xiàn)更高的器械工作效率，而且可實現(xiàn)更徹底的太陽能清潔利用。直接將熱能轉(zhuǎn)換為機械能的技術方案可以采用基于熱聲效應(聲即壓力波)的熱機，例如，斯特林發(fā)動機屬其中一種。該類裝置因具有結(jié)構(gòu)簡單、理論轉(zhuǎn)換效率高、采用自然工質(zhì)等優(yōu)點，現(xiàn)已成為能源動力領域的研究熱點。目前國內(nèi)外已開始關注基于太陽能的熱聲裝置，其應用目標主要為熱聲制冷和熱聲發(fā)電?，F(xiàn)有技術中，中國專利申請 CN200910091166. 8 號、CN200910301042. 8 號和 CN200410006860. 2 號等公開了利用太陽能聚焦在熱聲發(fā)動機或斯特林發(fā)動機上，但它們都是以輸出電能而非機械能為目的。因此，本領域的技術人員致力于開發(fā)一種采用太陽能熱聲發(fā)動機/斯特林發(fā)動機獲取機械能后直接驅(qū)動水泵系統(tǒng)的技術方案

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于現(xiàn)有技術的上述缺陷，本發(fā)明所要解決的技術問題是提供一種直接把低品位的太陽能轉(zhuǎn)化為水泵運轉(zhuǎn)所需的機械能、無電轉(zhuǎn)化的機械水泵裝置。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種基于熱聲效應的自轉(zhuǎn)向式太陽能驅(qū)動的機械水泵裝置，包括自轉(zhuǎn)向式太陽能集熱裝置、熱聲類發(fā)動機、針對型特制水泵以及動力傳輸系統(tǒng)，其中，所述的自轉(zhuǎn)向式太陽能集熱裝置包括菲涅耳透鏡、發(fā)條牽引裝置、透鏡支架和集熱管；其中所述菲涅耳透鏡固定在所述透鏡支架上，所述透鏡支架的導軌可轉(zhuǎn)動，所述導軌為半圓形，所述導軌的中心對應所述菲涅爾透鏡的焦點；通過所述發(fā)條牽引裝置，根據(jù)在一年之中不同的季節(jié)將所述導軌的轉(zhuǎn)動面設置成不同的角度；所述集熱管為雙層真空集熱管；所述熱聲類發(fā)動機包括熱腔、散熱器、冷腔和調(diào)相機構(gòu)，所述熱腔與所述集熱管一體連接；所述針對型特制水泵包括第一、第二、第三和第四齒輪以及殼體、支架和第一皮帶輪； 所述動力傳輸系統(tǒng)包括與所述熱聲類發(fā)動機的所述調(diào)相機構(gòu)相連的第二皮帶輪、與所述第一齒輪同軸并一同轉(zhuǎn)動的所述針對型特制水泵的所述第一皮帶輪，以及在所述第一皮帶輪和所述第二皮帶輪間實現(xiàn)動力輸送的皮帶；其中，所述第一齒輪與所述第二齒輪相互嚙合； 所述第二齒輪與所述第三齒輪同軸并一同轉(zhuǎn)動；所述第三齒輪和所述第四齒輪相互嚙合并位于所述殼體內(nèi)，在所述殼體內(nèi)形成相互隔開的吸入腔和排除腔；所述殼體還具有進水管和出水管，所述進水管與所述吸入腔連通，所述出水管與所述排除腔連通；通過所述第一齒輪向所述第二齒輪傳動，從而帶動所述第三齒輪轉(zhuǎn)動；當所述第三齒輪轉(zhuǎn)動時，所述吸入腔一側(cè)的輪齒相互脫開處的齒間容積逐漸增大，壓力降低，液體在壓差作用下從所述進水管進入齒間；所述第四齒輪與所述第三齒輪嚙合而轉(zhuǎn)動，齒與齒間的液體被帶至所述排出腔； 這時所述排出腔一側(cè)的輪齒嚙合處的齒間容積逐漸縮小，而將液體通過所述出水管排出。較佳地，所述調(diào)相機構(gòu)包括第一活塞、第二活塞、第一曲柄、第二曲柄、飛輪和與所述飛輪同軸并一同轉(zhuǎn)動的所述第一皮帶輪，以共同執(zhí)行熱聲振蕩循環(huán)；第一活塞設置在所述熱腔內(nèi)；所述第二活塞設置在所述冷腔內(nèi)，并與所述冷腔的內(nèi)壁面保持良好氣密性接觸， 但可沿軸向移動；所述第一曲柄將所述第一活塞與所述第二皮帶輪連接，所述第二曲柄將所述第二活塞與所述飛輪連接，并且，所述第一曲柄的活動連桿的末端速度與所述第二曲柄的活動連桿的末端速度之間具有90°的相位差。本發(fā)明基于熱聲類發(fā)動機的具體運行原理和工作方式，具體結(jié)構(gòu)部件可有所不同。較佳地，所述熱聲類發(fā)動機為斯特林發(fā)動機、行波熱聲發(fā)動機或駐波熱聲發(fā)動機之一。較佳地，所述熱聲類發(fā)動機的所述熱腔與所述太陽能集熱裝置的所述雙層真空集熱管耦合連接成一體。進一步地，所述雙層真空集熱管由硼硅材料制成，并涂覆有選擇性吸收涂料；所述選擇性吸收涂料為鋁-氮/鋁，涂覆的工藝為凝膠-溶膠鍍膜工藝。較佳地，所述透鏡支架的導軌半徑與所述熱聲類發(fā)動機的熱端高度以及所述菲涅耳透鏡的焦距相適應。進一步地，所述菲涅耳透鏡的聚能功率與所述熱聲類發(fā)動機的設計功率相匹配，所述菲涅耳透鏡的直徑、焦距和紋距根據(jù)所述熱聲類發(fā)動機的設計功率預設； 所述發(fā)條牽弓I裝置通過兩根牽弓I線帶動，所述兩根牽弓I線纏繞在一皮帶輪上，且長度不變， 一收一放，牽引所述菲涅耳透鏡從45°到135°轉(zhuǎn)動，確保所述自轉(zhuǎn)向式太陽能集熱裝置在9點到15點的時間內(nèi)可以進行工作。本發(fā)明利用菲涅耳透鏡聚集的太陽能作為系統(tǒng)熱源，以熱聲類發(fā)動機(行波熱聲發(fā)動機、駐波熱聲發(fā)動機、斯特林發(fā)動機等)為系統(tǒng)動力源，然后通過動力傳輸機構(gòu)將發(fā)動機輸出的機械能傳遞給針對型特制水泵模塊，從而實現(xiàn)泵水功能。本發(fā)明利用太陽能光熱， 取消發(fā)電環(huán)節(jié)，直接將熱能轉(zhuǎn)換為驅(qū)動水泵工作所需的機械能，實現(xiàn)更高的器械工作效率和更徹底的太陽能清潔利用。以下將結(jié)合附圖對本發(fā)明的構(gòu)思、具體結(jié)構(gòu)及產(chǎn)生的技術效果作進一步說明，以充分地了解本發(fā)明的目的、特征和效果。


圖1是本發(fā)明的一個具體實施例的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是圖1所示實施例的自轉(zhuǎn)向機構(gòu)的原理示意圖。CN 102434423 A
說明書
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具體實施例方式如圖1所示，本發(fā)明的一個具體實施例中，包括菲涅耳透鏡1、透鏡支架2、透鏡牽引裝置3、發(fā)動機熱腔4、活塞5、散熱器6、發(fā)動機支架7、發(fā)動機冷腔8，排出器9、曲柄活動連桿10-11、傳動軸12、皮帶輪13、飛輪14、傳送帶15、皮帶輪16、水泵支架17、傳動軸18、 小齒輪19、大齒輪20、齒輪21、出水管22、傳動軸23、水泵外殼M、齒輪25、進水管沈，自轉(zhuǎn)向機構(gòu)包括轉(zhuǎn)動副27，導軌觀，牽引線四，發(fā)條裝置30，皮帶輪31，牽引線 32。如圖2所示，該自轉(zhuǎn)向機構(gòu)的工作原理是，菲涅耳透鏡1固定在透鏡支架2上，透鏡支架2的導軌具有可轉(zhuǎn)動特性，通過發(fā)條牽引透鏡裝置3實現(xiàn)轉(zhuǎn)動。發(fā)條牽引裝置3的工作原理如圖2所示，導軌觀為半圓形，導軌中心對應菲涅爾透鏡焦點，即放置集熱裝置的位置，支架上的轉(zhuǎn)動副27可根據(jù)不同季節(jié)太陽高度角的不同而調(diào)節(jié)，菲涅爾透鏡導軌可在 xoy平面內(nèi)轉(zhuǎn)動，與豎直方向的夾角可以在0°到45°之間進行變換，其轉(zhuǎn)動由發(fā)條裝置30 通過兩根牽引線四、32帶動，兩根牽引線纏繞在皮帶輪31上，且長度不變，一收一放，牽引透鏡從45°到135°轉(zhuǎn)動，確保太陽能集熱裝置在9點到15點可以進行工作。發(fā)條牽引裝置3可根據(jù)在一年之中不同的季節(jié)將導軌轉(zhuǎn)動面設置成不同的角度。熱聲轉(zhuǎn)換裝置即發(fā)動機包括吸熱部分(即熱腔)4、散熱器部分6以及常溫部分 (即冷腔)8。本發(fā)明采用的熱腔管段是雙層真空集熱管。雙層真空集熱管較常見家用太陽能熱水器的集熱裝置所采用的普通玻璃管可以減少熱量同環(huán)境的交換而造成的損失。一般的普通玻璃管，內(nèi)部溫度最大可以加熱到100 120°C左右，而換用雙層真空熱聲管后，溫度可以提升至200 250°C。涂上選擇性吸收涂料后，溫度又可得到很高的提升。本發(fā)明的熱腔集熱管中選用硼硅材料，該材料耐高溫、高壓、抗腐蝕性優(yōu)良。選擇性涂料選用鋁-氮 /鋁(A1-N/A1)，其吸收比可達0. 94，并選用凝膠-溶膠工藝進行鍍膜。通過菲涅耳透鏡采集的太陽能聚焦后照射在熱腔集熱部分4上，振蕩持續(xù)輸入熱量，熱腔4、活塞5、散熱器6、冷腔8以及排出器9組成的封閉系統(tǒng)聯(lián)合曲柄連桿10、11以及皮帶輪13、飛輪14成了斯特林循環(huán)的硬件條件，即重復執(zhí)行一個等容加熱、絕熱膨脹、等容冷卻和絕熱壓縮的基本熱力循環(huán)，工質(zhì)在發(fā)動機冷腔和熱腔往復移動，通過吸收太陽能熱量對外輸出機械功。根據(jù)相移理論，振蕩流體的壓力波與位移波之間的相位差為90°時可輸出最大有效功率。為了實現(xiàn)這個條件，兩根曲柄活動連桿10、11的兩個末端速度的相位差設計為90°。活塞5通過曲柄連桿11與皮帶輪13連接，排出器9通過曲柄連桿10與飛輪14相連。飛輪14用做初始能量輸入和能量存儲，在啟動時給輸入一個初始外力，繼而可實現(xiàn)發(fā)動機的持續(xù)運轉(zhuǎn)，通過傳動軸12帶動皮帶輪13做旋轉(zhuǎn)運動。皮帶輪13通過傳送帶15驅(qū)動皮帶輪16轉(zhuǎn)動。皮帶輪16通過傳動軸18驅(qū)動齒輪19，齒輪20與齒輪19嚙合， 齒輪21與齒輪20通過傳動軸23同軸轉(zhuǎn)動。齒輪21、齒輪25與泵缸把吸入腔與排除腔隔開，齒輪21傳動時，吸入腔側(cè)輪齒相互脫開處的齒間容積逐漸增大，壓力降低，液體在壓差作用下從進水管22進入齒間。齒輪25與齒輪21嚙合而轉(zhuǎn)動，齒與齒間的液體被帶至排出腔。這時排出腔側(cè)輪齒嚙合處的齒間容積逐漸縮小，而將液體經(jīng)出水管沈排出，從而實現(xiàn)連續(xù)泵水功能。以上詳細描述了本發(fā)明的較佳具體實施例。應當理解，本領域的普通技術無需創(chuàng)造性勞動就可以根據(jù)本發(fā)明的構(gòu)思作出諸多修改和變化。因此，凡本技術領域中技術人員依本發(fā)明的構(gòu)思在現(xiàn)有技術的基礎上通過邏輯分析、推理或者有限的實驗可以得到的技術方案，皆應在由權(quán)利要求書所確定的保護范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種基于熱聲效應的自轉(zhuǎn)向式太陽能驅(qū)動的機械水泵裝置，包括自轉(zhuǎn)向式太陽能集熱裝置、熱聲類發(fā)動機、針對型特制水泵以及動力傳輸系統(tǒng)，其中，所述的自轉(zhuǎn)向式太陽能集熱裝置包括菲涅耳透鏡、發(fā)條牽引裝置、透鏡支架和集熱管； 其中所述菲涅耳透鏡固定在所述透鏡支架上，所述透鏡支架的導軌可轉(zhuǎn)動，所述導軌為半圓形，所述導軌的中心對應所述菲涅爾透鏡的焦點；通過所述發(fā)條牽引裝置，根據(jù)在一年之中不同的季節(jié)將所述導軌的轉(zhuǎn)動面設置成不同的角度；所述集熱管為雙層真空集熱管；所述熱聲類發(fā)動機包括熱腔、散熱器、冷腔和調(diào)相機構(gòu)；所述針對型特制水泵包括第一、第二、第三和第四齒輪以及殼體、支架和第一皮帶輪； 所述動力傳輸系統(tǒng)包括與所述熱聲類發(fā)動機的所述調(diào)相機構(gòu)相連的第二皮帶輪、與所述第一齒輪同軸并一同轉(zhuǎn)動的所述針對型特制水泵的所述第一皮帶輪，以及在所述第一皮帶輪和所述第二皮帶輪間實現(xiàn)動力輸送的皮帶；其中，所述第一齒輪與所述第二齒輪相互嚙合；所述第二齒輪與所述第三齒輪同軸并一同轉(zhuǎn)動；所述第三齒輪和所述第四齒輪相互嚙合并位于所述殼體內(nèi)，在所述殼體內(nèi)形成相互隔開的吸入腔和排除腔；所述殼體還具有進水管和出水管，所述進水管與所述吸入腔連通，所述出水管與所述排除腔連通；通過所述第一齒輪向所述第二齒輪傳動，從而帶動所述第三齒輪轉(zhuǎn)動；當所述第三齒輪轉(zhuǎn)動時，所述吸入腔一側(cè)的輪齒相互脫開處的齒間容積逐漸增大，壓力降低，液體在壓差作用下從所述進水管進入齒間；所述第四齒輪與所述第三齒輪嚙合而轉(zhuǎn)動，齒與齒間的液體被帶至所述排出腔；這時所述排出腔一側(cè)的輪齒嚙合處的齒間容積逐漸縮小，而將液體通過所述出水管排出。
2.如權(quán)利要求1所述的機械水泵裝置，其特征在于，所述調(diào)相機構(gòu)包括第一活塞、第二活塞、第一曲柄、第二曲柄、飛輪和與所述飛輪同軸并一同轉(zhuǎn)動的所述第一皮帶輪，以共同執(zhí)行熱聲振蕩循環(huán)；第一活塞設置在所述熱腔內(nèi)；所述第二活塞設置在所述冷腔內(nèi)，并與所述冷腔的內(nèi)壁面保持良好氣密性接觸，但可沿軸向移動；所述第一曲柄將所述第一活塞與所述第二皮帶輪連接，所述第二曲柄將所述第二活塞與所述飛輪連接，并且，所述第一曲柄的活動連桿的末端速度與所述第二曲柄的活動連桿的末端速度之間具有90°的相位差。
3.如權(quán)利要求1所述的機械水泵裝置，其特征在于，所述熱聲類發(fā)動機為斯特林發(fā)動機、行波熱聲發(fā)動機或駐波熱聲發(fā)動機之一。
4.如權(quán)利要求1所述的機械水泵裝置，其特征在于，所述熱聲類發(fā)動機的所述熱腔與所述太陽能集熱裝置的所述雙層真空集熱管耦合為一體。
5.如權(quán)利要求4所述的機械水泵裝置，其特征在于，所述雙層真空集熱管由硼硅材料制成，并涂覆有選擇性吸收涂料。
6.如權(quán)利要求5所述的機械水泵裝置，其特征在于，所述選擇性吸收涂料為鋁-氮/ 鋁，涂覆的工藝為凝膠-溶膠鍍膜工藝。
7.如權(quán)利要求1所述的機械水泵裝置，其特征在于，所述透鏡支架的導軌半徑與所述熱聲類發(fā)動機的熱端高度以及所述菲涅耳透鏡的焦距相適應。
8.如權(quán)利要求7所述的機械水泵裝置，其特征在于，所述菲涅耳透鏡的聚能功率與所述熱聲類發(fā)動機的設計功率相匹配，所述菲涅耳透鏡的直徑、焦距和紋距根據(jù)所述熱聲類發(fā)動機的設計功率預設。
9.如權(quán)利要求9所述的機械水泵裝置，其特征在于，所述發(fā)條牽引裝置通過兩根牽引線帶動，所述兩根牽引線纏繞在一皮帶輪上，且長度不變，一收一放，牽引所述菲涅耳透鏡從45°到135°轉(zhuǎn)動，確保所述自轉(zhuǎn)向式太陽能集熱裝置在9點到15點的時間內(nèi)可以進行工作。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于熱聲效應的自轉(zhuǎn)向式太陽能驅(qū)動的機械水泵裝置，包括自轉(zhuǎn)向式太陽能集熱裝置、熱聲類發(fā)動機、針對型特制水泵以及動力傳輸系統(tǒng)，其中，自轉(zhuǎn)向式太陽能集熱裝置包括菲涅耳透鏡、發(fā)條牽引裝置、透鏡支架、雙層真空集熱管。熱聲類發(fā)動機可以是斯特林發(fā)動機、行波熱聲發(fā)動機、駐波熱聲發(fā)動機，通常由熱腔、散熱器、冷腔和調(diào)相機構(gòu)組成。針對型特制水泵包括四個齒輪及外殼、支架、皮帶輪。動力傳輸系統(tǒng)包括發(fā)動機模塊的皮帶輪、帶動水泵模塊的皮帶輪以及在皮帶輪間實現(xiàn)傳動的皮帶。本發(fā)明利用太陽能光熱，取消發(fā)電環(huán)節(jié)，直接將熱能轉(zhuǎn)換為驅(qū)動水泵工作所需的機械能，實現(xiàn)更高的器械工作效率和更徹底的太陽能清潔利用。
文檔編號F03G7/00GK102434423SQ20111021860
公開日2012年5月2日 申請日期2011年8月1日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月1日
發(fā)明者方蕾, 李駿, 王如竹, 黃永華 申請人:上海交通大學