技术领域
[0001] 本
发明涉及一种以太阳能为动
力来源的机械装置。
背景技术
[0002] 太阳能是一种洁净和可持续产生的
能源，发展太阳能科技可减少发电过中使用矿 物
燃料，从而减轻空气污染及全球暖化的问题，它资源丰富，既可免费使用，又无需运输，对 环境无任何污染。
[0003] 从全国来看，我国是太阳能资源相当丰富的国家，绝大多数地区年平均日
辐射量 在4kWh/m2以上，西藏地区最高达7kWh/m2。利用太阳能有许多优点：
[0004] 如普遍、无害、巨大、长久。
[0005] 目前在利用太阳能方面，也存在不少困难和障碍：（1)分散性：到达地球表面的太 阳辐射的总量尽管很大，但是能流
密度很低。平均说来，北回归线附近，夏季在天气较为晴 朗的情况下，正午时
太阳辐射的辐照度最大，在垂直于太阳光方向1平方米面积上接收到 的太阳能平均有1000W左右；若按全年日夜平均，则只有200W左右。而在冬季大致只有一 半，阴天一般只有1/5左右，这样的能流密度是很低的。因此，在利用太阳能时，想要得到一 定的转换功率，往往需要面积相当大的一套收集和转换设备，造价较高。（2)不
稳定性：由 于受到昼夜、
气候、季节等自然条件的限制以及影响，所以，到达某一地面的太阳辐照度既 是间断的，又是极不稳定的，这给太阳能的大规模应用增加了难度。为了使太阳能成为连 续、稳定的能源，从而最终成为能够与常规能源相竞争的替代能源，就必须很好地解决蓄能 问题，即把晴朗白天的太阳辐射能尽量贮存起来，以供夜间或阴雨天使用，但目前蓄能也是 太阳能利用中较为薄弱的环节之一。（3)效率低和成本高：目前太阳能利用的发展
水平，有 些方面在理论上是可行的，技术上也是成熟的。但有的太阳能利用装置，因为效率偏低，成 本较高，总的来说，经济性还不能与常规能源相竞争。在今后相当一段时期内，太阳能利用 的进一步发展，主要受到经济性的制约。
发明内容
[0006] 本发明的目的在于提供一种仅只利用太阳能直接转化为机械能的太阳能热机。
[0007] 本发明所述的太阳能热机由太阳热辐射能收集器和热机两部分组成，太阳热辐射 能收集器由一个多
歧管腔体和多根
真空太阳能热收集管组成，所述的多歧管腔体为中空腔 体，其外
覆盖有
绝热材料，其赤道平面上均勻设置多个向外辐射的管口，每个管口连接一根 真空太阳能热收集管，其内壁有黑色吸热涂层，多根真空太阳能热收集管与中心
位置的多 歧管腔体共同形成花瓣状结构，多歧管腔体和多根真空太阳能热收集管为一个内连通的封 闭体，其中充满易导热液体物质；热机包括两个
活塞、一个腔体和一个热交换体，所述的腔 体为圆柱形，腔体
侧壁有空气输送
阀，其两端分别固定安装
磁性方向相反的驻极磁体，在腔 体的中央固定安装有热交换体，将整个腔体分隔为两个独立腔体，在每一个腔体中各设有 一个活塞，活塞的中心有通气孔，上面安装单向空气阀，通气孔外围设有驻留磁体，在活塞
外圈还设有动磁体，所述的驻极磁体、驻留磁体和动磁体均为环状
永磁体，其内、外环为不 同的极性，同一腔体中的动磁体与驻极磁体极性一致；所述的热交换体内部为中空结构，内 部设有隔离板，通过进液管和出液管与太阳热辐射能收集器的多歧管腔体互通，在管道上 连接有
循环泵。
[0008] 在本发明中，热机包括了两个活塞、一个腔体和一个热交换体，是为了效率最大 化，如果忽略效率和成本因素，可以采用一个活塞、一个腔体和一个热交换体的简化结构， 只是去掉了一个活塞和相应部分的腔体，其余结构不变，也可达到同样目的。
[0009] 本发明原理说明：本发明所设计的装置利用了永磁材料
温度发生改变，会导致其
磁场强度发生改变的物理现象，利用本发明的装置收集太阳热辐射能产生高温，通过对活 塞装置中的永磁材料反复地加热和降温，使活塞在外部磁场的作用下产生规律机械运动， 最终将太阳热辐射
能量转换成机械能。在本发明中，利用本装置将太阳能转
化成机械能对 空气进行压缩，压缩后的空气可用于发电，或驱动其他机械装置等用途。
[0010] 本发明所设计的装置是一种运行温度低的太阳能装置，其
工作温度在130度左 右，所以不需要像有些高温太阳能设备那样，将光线进行反射和高度会聚，确保工作物质达 到700-800度，甚至更高的温度。因此在
能量收集环节，本发明提供的装置工艺简单，成本 较低。由于是直接的收集热辐射能，相关环节只有一个——真空太阳能热收集管，将辐射能 直接转化为
热能，中间无二次转换环节，所以损失的能量极少。此外，不存在聚焦反射镜，就 不需要对高反光镜面实施清洁保养，不担心镜面寿命问题；因为不存在会聚光线问题，所以 不需要对太阳进行精确
跟踪，就免除了复杂的运算设备，机械传动设备，也同时免除了这些 设备带来的能量消耗。
[0011] 在能量转换环节，本发明收集到的热能直接传递到磁性体，通过改变永磁体的温 度，将热能转化成机械运动。本发明不需要制造水
蒸汽来做二次转换，所以能量损失很小； 此外，活塞中的动磁体工作温度差较小，高温时120度左右，低温时就80度左右，能量被散 热环节消耗掉的比例很少，有更大比例的能量被用来转化成机械能。所以，本发明设计的太 阳能热机具有很高的热利用效率。
[0012] 本发明所设计的装置利用了永磁材料温度发生改变，会导致其磁场强度发生改变 的物理现象，利用本发明的装置收集太阳热辐射能产生高温，通过对活塞装置中的永磁材 料反复地加热和降温，使活塞在外部磁场的作用下产生规律机械运动，最终将太阳热辐射 能量转换成机械能。
[0013] 本发明在目前太阳能转化运用领域中，创造性的利用磁材料自身物理特性，制造 出了完全依靠太阳能量，自主持续运行的机械装置。该装置将太阳辐射的热能，以较高的转 化效率转变成为机械能，用于发电等需求。该装置结构和工艺十分简单，容易被低成本批量 制造，同时该装置完全自主运行不需要外界维护和调节，并且整体设备使用寿命很长。
[0014] 本发明设计的太阳能热机无高温部件，其中温度最高的部件是热交换体，其最高 温度也就150度左右，不需要耐高温的特种金属及复杂的加工工艺；整个装置只由几个部 件组成，造价低廉方便普及；太阳能热机实现了完全自主的运行，不需要进行调节或校准； 整个装置只有两个活塞是运动部件，其他不存在机械传动装置，因此设备一旦安装到位，即 可连续工作数十年时间免于维护；伴随太阳辐射的强度变化，设备中的活塞往复工作
频率 会自动的相应发生变化，方便地实现了实现设备的输出功率
自动调节；本发明设计的太阳能热机的工作温差不大，热量完全集中在活塞这一环节，热量转化成机械能的效率较高；设 备的最终产物压缩空气是原料广泛，无成本，不需要运输就可获取的物质，同时压缩空气又 有易储存/方便传输的特性，可以方便的用于驱动发电装置或者其他机械装置。由于本发 明的太阳热辐射能收集器安装后不存在跟踪太阳和聚焦光线问题，可以一次性安装固定， 不用再做调整。
附图说明
[0015] 图1为本发明所述的太阳能热机结构图。
[0016] 图2为本发明所述的太阳热辐射能收集器俯视图。
[0017] 图3本发明所述的太阳热辐射能收集器侧视图。
[0018] 图4为本发明所述的热机内部结构图。
[0019] 图中：1-太阳热辐射能收集器，2-热机，3-多歧管腔体，4-真空太阳能热收集管， 5-
循环泵，6-管道，7-平面反光镜，8-腔体，9-
隔热体，10-驻极磁体，11-底座，12-热交 换体，13-易导磁体，14-进液管，15-出液管，16-空气输送阀，17-动磁体，18-驻留磁体， 19-单向空气阀，20-活塞。
具体实施方式
[0020] 下面通过
实施例和附图对本发明做进一步的说明，实施例不用于限制本发明。
[0021] 本实施例所述的太阳能热机由太阳热辐射能收集器1和热机2两部分组成。
[0022] 太阳热辐射能收集器1是将太阳辐射到地面的热能进行收集的装置。太阳热辐射 能收集器1由一个多歧管腔体3和多根真空太阳能热收集管4组成。多歧管腔体是一个直 径1米左右的圆柱状腔体，其外覆盖有绝热材料，其赤道平面上均勻存在30〜50个向外辐 射的管口，每个管口连接一根2米左右长度的真空太阳能热收集管，真空太阳能热收集管 可以是目前广泛用于太阳能
热水器的真空玻璃管，其内壁有黑色吸热涂层，多根真空太阳 能热收集管与中心位置的多歧管腔体共同形成花瓣状结构。多歧管腔体3和多根真空太阳 能热收集管4共同形成一个封闭的腔体，其中充满易导热液体物质。太阳热辐射能收集器 1中的导热液体物质通过管道在小型循环泵5 (由一小
块太阳能电池驱动，功率数瓦特）的 驱动下，使导热液体物质在热交换体和太阳热辐射能收集器中实现流动循环，确保太阳热 辐射能收集器获得的能量充分传递到热交换体，使之处于较高的工作温度。
[0023] 活塞20是可以在一定范围内自由移动的带有环状永磁材料的圆柱状物体。
[0024] 活塞20的组成包括：一个较大尺寸的环状永磁体称为动磁体17 ；和较小尺寸环状 永磁体称为驻留磁体18，一个固定于活塞中央通气孔中的单向空气阀19。活塞中央的单向 空气阀，使空气只能从活塞的一端流向另一端，活塞在往复运动中实现对空气的压缩。
[0025] 腔体8是一个封闭式的圆柱形腔体，其两端分别固定安装了环状永磁体称为驻极 磁体10。这两个驻极磁体的磁性方向相反，其中一个驻极磁体为内环为N极，外环为S极， 另外一个驻极磁体则是内环为S极，外环为N极。在腔体的中央固定安装有热交换体12，将 整个腔体分隔为两个独立腔体，两个安装有动磁体的活塞分别位于这两个腔体中，活塞中 的动磁体17极性与所在腔体的驻极磁体10极性相同，存在排斥力，在常温下会推动活塞20 向靠近热交换体12的方向移动。驻极磁体的中央空腔由导热导磁金属材料填充，成为底座11，其中间留有空气通道，外部空气可以通过该通道流入腔体内部。
[0026] 腔体的腔壁与活塞精密结合，可以密闭空气的同时活塞可顺利滑动，实现对空气 的压缩。压缩后的空气由腔体侧壁的空气输送阀16输送到外部。腔体的腔壁在与热交换 体相
接触的部分为隔热体9，阻止热交换体的热量流失到腔壁外部，避免效率降低。
[0027] 热交换体12是存在于腔体内部中央的部件，为圆盘状，由易导热金属材料制作， 热交换体与腔体其他部分采用隔热材料进行连接，相互间的热交换很少。热交换体内部为 中空结构，内部设有隔离板，隔离板的作用是保证液体在其内部迂回流动。热交换体通过进 液管和出液管与太阳热辐射能收集器的腔体互通，太阳热辐射能收集器收集到的热能可以 比较充分地传递到热交换体，使其保持较高的工作温度。热交换体与动磁体、驻留磁体接触 的部分为易导磁材料，即易导磁体13，可以为活塞20上的动磁体17以及驻留磁体18提供 足够的磁作用力。
[0028] 太阳热辐射能收集器1水平安装在空旷区域的地面之上，接受太阳辐射，可以在 很短时间使腔体内部的液体达到150度以上。在太阳热辐射能收集器与地面之间安装大面 积的平面反光镜7，将提高收集器对太阳能的吸收量。
[0029] 本发明运行过程说明：
[0030] 在初始状态，太阳热辐射能收集器内部的液体逐步升温，热交换体的温度也在不 断上升中。此时两活塞由于受到驻极磁体的磁排斥力作用，被很大力量（8〜IOKG/平方厘 米）
挤压向腔体中央的热交换体两边，此时活塞受到的力有两个——两个活塞本身所带动 磁体间的吸引力，以及活塞动磁体与腔体一端固定的驻极磁体之间的排斥力（活塞动磁体 极性与腔体一端固定的驻极磁体极性相同）。
[0031] 伴随太阳热辐射能收集器内部的液体持续升温，热交换体的温度逐步上升到130 度左右，此时由于热传导作用，热交换体两边紧密挤压的活塞也被加热升温到了 130度左 右，此时活塞上的动磁体磁性逐步减弱趋向消失（磁体温度其磁性会减弱，当达到某特定 值的时候，磁性消失，永磁物质变为顺磁物质，会被其他有磁性物体吸引——这里的特定温 度被称为
居里温度），当活塞动磁体温度被提升至接近动磁体的居里温度时，活塞动磁体与 腔体两端固定的驻极磁体间的磁体排斥力逐步减小并且开始表现出吸引力，活塞有被吸引 到腔体两端的趋势。此时由于活塞中央小型驻留磁体的存在（驻留磁体的居里温度略高于 活塞动磁体的居里温度2〜3度），活塞并没有被
马上吸引到腔体两端固定的驻极磁体上， 而是继续保留在热交换体旁边原来位置，继续被加热升温。活塞动磁体的进一步升温导致 了其顺磁特性越发加强，腔体两端的驻极磁体对活塞的吸引力进一步变大；同时活塞中央 驻留磁体温度也在继续升高，接近了活塞中央驻留磁体的居里温度；当温度达到时活塞中 央驻留磁体的居里温度时，驻留磁体对热交换体的吸引力迅速减小，腔体两端固定的驻极 磁体对活塞的吸引力得以快速表现——最终打破平衡，活塞离开热交换体迅速被吸引到腔 体两端固定的驻极磁体旁，并与之紧密接触。这一动作，使空气进入到活塞与热交换体之 间，完成吸气步骤。
[0032] 高温的、已经失去磁性的活塞被吸引到腔体两端固定的驻极磁体旁与之紧密接 触，此刻活塞就开始了降温过程（腔体两端固定的驻极磁体与腔体这一部位的热传导能力 良好，动磁体携带的热量可以从驻极磁体迅速传导至腔体外壁，被散发出去），伴随温度的 逐步下降，活塞自身动磁体的磁性逐步变强，与腔体两端固定的驻极磁体之间的排斥力逐步增大，此时由于活塞中央驻留磁体的存在，活塞并没有被马上被排斥到热交换体方向，而 是继续保留在原来位置，继续被降温；当温度足够低的时候，活塞动磁体与腔体两端固定的 驻极磁体之间的排斥力大于中央驻留磁体的吸引力，活塞迅速被排斥开，向热交换体方向 移动。此时由于两活塞相互靠近，两个动磁体的极性又相反，活塞间的相互吸引力快速增 大。这样，活塞在吸引力和排斥的共同作用下，快速有力的向中心热交换体靠近，最终完全 被挤压上去，完成压缩空气的步骤。压缩空气通过腔体上的单向空气阀，沿空气输送管送到 外部设备。
[0033] 此时太阳能热机完成了 一个完整的工作循环。
[0034] 只要热交换体保持在足够高的温度，活塞与热交换体接触就会被加热，只要热交 换体的温度超过动磁体的居里温度，活塞就必然产生吸气步骤，只要腔体两端固定的驻极 磁体保持在常温状态，之后的压缩空
气动作也是必然会自动完成的。所以本发明设计的太 阳能热机不需要任何其他外界条件来激发或调整就会自动地反复完成以上步骤。当太阳辐 射能较大的时候，热交换体的温度保持在较高温度，活塞被加热的速度较快，其运行周期就 会自动缩短；相反，活塞被加热的速度较慢，其运行周期就会自动变长。所以本发明设计的 太阳能热机的输出功率会自动调节。
