CN100453918C - 带有真空接收器和非成像外部反射器的太阳能集热器 - Google Patents

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CN100453918C CNB2004800173876A CN200480017387A CN100453918C CN 100453918 C CN100453918 C CN 100453918C CN B2004800173876 A CNB2004800173876 A CN B2004800173876A CN 200480017387 A CN200480017387 A CN 200480017387A CN 100453918 C CN100453918 C CN 100453918C
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Abstract

一种带有外部反射器的太阳能集热器。这种太阳能集热器包括一个玻璃壳体，该玻璃壳体具有一根设置于其内部的热管，和一个设置于其外部的光线反射器。

Description

带有真空接收器和非成像外部反射器的太阳能集热器
技术领域
本发明涉及一种具有设置于外部的非成像反射器的集热器，尤其是涉及这样一种太阳能集热器，其带有一根位于真空玻璃管内部的热管，和一个设置于真空玻璃管外部的非成像反射器(nonimagingreflector)。
背景技术
在20年以前，已经认识到将选择性吸热体、能够真空绝缘和非成像聚能(利用如图9A-9C中示出的复合式抛物线聚能器型，或者说“CPC”型，光学器件)的固定式中温集热器组合来，以便具有一个接近300摄氏度的可用工作范围。通过早期的验证试验(the earlyproof-of-concept experiments)，在过去的5年中研制出了直至250摄氏度仍旧具有良好性能的商用集热器。这些集热器将所有的光学器件全部集成在真空外壳的内部。为此，我们将它们称作ICPC(集成式CPC)型集热器。对于广泛应用来说，它们的制造成本目前过高。相反，成本非常低的真空管的出现容许我们在目前考虑将它们作为用于低成本中温应用领域的备选物。人们可以将各种前述功能部件组合起来，以便将这种低成本导管(适合用作用于提供家用热水的独立型低温集热器)用作接收器，并且目前与外部非成像反射器组合起来。由于这些玻璃管最初适用于低温用途(家用热水)，所以在较高温度下使用它们时会出现一些问题，比如如何向工作流体传递足够的热量，和如何确保防止热感应管发生破裂。
因此，对于大多数高价值的应用领域来说，在高于周围环境125至150摄氏度范围中的温度下高效率工作的太阳能集热器具有很强的实用性。例如，双效冷却器(double-effect chillers)用于进行太阳能冷却的工作温度就处于所述范围中。与此同时，集热器组件将必须是低成本的，具有最低的工作和维护成本，以及长的使用寿命。CPC形式的外部反射器具有满足这些标准的潜力。真空接收器内在地具有长的使用寿命，不会受到外界环境的影响。在中国，过去十年对真空太阳能集热器的给人深刻印象的商用发展更为证实，它们可以以低成本进行制造和销售。例如，在2000年，在中国制造的全玻璃真空型太阳能管可以以3美元的OEM成本获得。由于制造规模已经扩大，所以价格不会升高。具有特殊意义的发现是，一个广角的CPC反射器将使得圆柱形太阳能管“展开”成一个接近0.2平方米的孔。因此，真空组成部件需要消耗每平方米15美元的成本。可以是总管的吸热装置大概增加了相同量的成本。非成像反射器的估计成本是每平方米20美元，该成本取决于用于高质量铝镜的材料成本。每平方米接近100美元的安装成本将是合情合理的。能够获得每平方米100美元的高效中温太阳能集热器将具有广阔的应用前景。
发明内容
一种太阳能集热系统，涉及使用了一根设置在壳体内部的热管，其中所述壳体至少部分透光，同时所述壳体最好被抽成真空。热管包括一根铜管，和环绕该热管设置的铝质换热翅片(aluminum heattransfer fins)。所述铝质换热翅片被模制成与所述真空玻璃管的内表面和所述热管最佳地热接触。这种太阳能集热器还包括一个设置于所述壳体外部的反射器组件，以便简化构造和降低制造成本。优选的是，所述反射器具有一种非成像设计。
具体地，本发明提供了一种太阳能集热器，包括：一个用于太阳能集热器的壳体，该壳体由一根真空玻璃管构成；一根设置于所述壳体内部的热管，其中，所述热管被夹持在至少两个铝质换热翅片之间，所述铝质换热翅片一起围绕所述热管的周边布置；以及一个设置于所述壳体外部的非成像光线反射器。
本发明还提供了一种制造太阳能集热器的方法，包括下述步骤：提供一个用于太阳能集热器的玻璃管壳体；将一根热管定位于所述玻璃管壳体内部；提供围绕所述热管的周边布置的换热翅片；抽出所述玻璃管壳体中的空气；以及将一个外部复合抛物面聚光集热器(XCPC)光线反射器定位在所述玻璃管壳体的外部并且联接在所述玻璃管壳体上，该外部复合抛物面聚光集热器光线反射器被设置成照射所述热管。
附图说明
图1示出了带有真空管的测试板的XCPC热模型性能(thermalmodel performance)和测定出的性能；
图2示出了针对用于中温工作范围的热管实施例的瞬间太阳能-热转换效率；
图3示出了一个商用VAC2000太阳能集热器的性能极限(performance limits)；
图4A示出了一个太阳能接收器的一部分的分解实施例，而圈4B示出了组装起来的装置的横剖面；
图5示出了一个部分组装起来的集热系统，带有处于合适位置的总管和热管；
图6示出了带有外部反射器的第一种集热器构造；
图7示出了带有外部反射器的第二种集热器构造；
图8示出了带有外部反射器的第三种集热器构造；
图9A示出了一种用于各种入射角度的CPC形状，图9B示出了0度(法线)入射，而图9C示出了30度入射；
图10A示出了在有风条件下编号为C444的集热器测试的热性能曲线；图10B示出了在无风条件下的性能；
图11A示出了在有风条件下编号为C500的集热器测试的热性能曲线；图11B示出了在无风条件下的性能；
图12A示出了在有风条件下编号为C370的集热器测试的热性能曲线；图12B示出了在无风条件下的性能。
具体实施方式
按照本发明，对太阳能集热器12(聚能器或者接收器)的两种优选组合进行描述，在一根常规的真空管13中包括有一根全玻璃真空型导管11和一根热管10(参见图4A、4B和5)。真空型导管11成本非常低，因为其由许多制造商以大批量进行制造，并且使用了成本非常低的硼硅酸盐玻璃管。良好的热传递存在着技术挑战，我们利用一种换热化合物进行了试验，来将导管11联接到总管20上，获得了令人鼓舞的结果。利用带有真空管的测试板获得的初步中温性能与利用图1中所示简单模型推算出的性能进行比较。热管真空管13(参见图4B)使用了相同的成本非常低的玻璃管。通过将热管10结合在真空管13内部，极好地实现了热传递，其中真空管13相应地被设置在全板阵列(a fully panel array)15中(参见图4A、4B和5)。图4A和4B中的热管10均包括一根铜质热管16和具有断面形状的铝质换热翅片18，同时热管10被插入央持于两个铝质翅片18之间的玻璃管14之内。翅片18被模制成与热管10和真空玻璃管14的内表面最大化接触。热管10经由中空热管10内部的换热液体向图5中示出的总管20传递热量。热管10的中空芯部为真空，从而使得即使在大约为25至30摄氏度的温度下，公知的换热化合物也将会汽化。当加热后的蒸气升高至热管10的顶端(冷凝器)时，热量在这里被传递给穿过总管20流动的水。热量的损失会导致蒸气发生冷凝，并且沿着热管10向下流回，在这里所述过程再次重复。在图2中示出了利用标准热管形式获得的初步中温性能。已知CPC型真空太阳能集热器(未示出)的性能极限值可以从图3中精确测定。在这种类型的太阳能装置中，吸热体和非成像聚能光学器件被封装在一个整体式玻璃外壳中，并且这样被称作整体式CPC或者ICPC。这种类型的商用集热器比图6至8中所示带有外部CPC反射器22的全玻璃真空类型的成本高。但是，其指示了一个用于固定式非成像太阳能集热器12的实用并且可行的性能上限。人们可以进一步将低成本全玻璃真空接收器的优点与所述热管组合起来。如图4A、4B和5中所示，热管10和吸热体翅片组件被插入双层壁的真空管14中，并且热管10被插入简单的流通式热交换总管20之内。在这里无需进行流体连接，这是热应用的主要优点之一，但是却显得足够结实以经受滞止温度。常规的但是外部设置有反射器(不带有热管10)的真空管的各种性能示例在示例I-III中示出，其中针对集热器构造的集热器测试结果在图6-8中示出。这些测试由位于瑞士伯尔尼的Solartechnik Prüfung Forschung完成。
尽管已经图示和描述了优选实施例，但是必须明白的是，在不脱离本发明的宽泛形式的条件下，本技术领域中的普通技术人员可以对此进行改变和修改。
示例
下面的非限制性示例描述了各种实施例和相关的性能测试结果。
示例1
编号为No.C444的集热器测试图6中的实施例在表1中进行了描述，并且经受了如表2中列举的各种测试。注意，针对标准值ISO9806-2和EN 12975-2是30℃/1000W/m2的情况，不存在滞止温度。热性能(测试时的流速：204l/h)在图10A和10B中示出，分别是在有风条件下和在无风条件下。
表1
Figure C20048001738700091
＊制造商信息
表2
Figure C20048001738700092
＊详细情况请联系制造商
表3A和3B分别示出了在有风条件下和在无风条件下针对效率的特征效率值(法线入射，G＝800W/m2)。表4A和4B分别示出了在有风条件下和在无风条件下的功率输出(功率单位：每个集热器的瓦特数，法线入射，波束辐射)。
表3A和3B
  基准面   吸热体   孔   总体
  η(T<sup>＊</sup><sub>m</sub>＝0.00)   0.62   0.62   0.54
  η(T<sup>＊</sup><sub>m</sub>＝0.05)   0.56   0.57   0.49
  η(T<sup>＊</sup><sub>m</sub>＝0.10)   0.50   0.51   0.44
  基准面   吸热体   孔   总体
  η(x＝0.00)   0.62   0.62   0.54
  η(x＝0.05)   0.56   0.57   0.50
  η(x＝0.10)   0.50   0.51   0.44
表4A和4B
  辐射   400W/m<sup>2</sup>   700W/m<sup>2</sup>   1000W/m<sup>2</sup>
  t<sub>m</sub>-t<sub>n</sub>＝10K   474   846   1′218
  t<sub>m</sub>-t<sub>n</sub>＝30K   429   801   1′173
  t<sub>m</sub>-t<sub>n</sub>＝50K   382   754   1′126
  辐射   400W/m<sup>2</sup>   700W/m<sup>2</sup>   1000W/m<sup>2</sup>
  t<sub>m</sub>-t<sub>n</sub>＝10K   475   847   1′219
  t<sub>m</sub>-t<sub>n</sub>＝30K   431   803   1′175
  t<sub>m</sub>-t<sub>n</sub>＝50K   385   757   1′129
表5示出了入射角度修正量(IAM)，表6示出了以帕斯卡为单位的压降(测试流体：33.3％的Ethylenglykol)，而图7示出了热容量和时间常数。
表5
  0°   10°   20°   30°   40°   50°   60°   70°   80°   90°
  K(θ)<sub>1long</sub>   1.0   0.90   0.0
  K(θ)<sub>1tans</sub>   1.0   1.01   1.0   1.01   1.01   1.05   1.16   0.0
表6
  100l/h   150l/h   250l/h   350l/h   500l/h
  20℃60℃80℃
表7
  热容量   时间常数
  16.2   202
这些测试由在Oberseestr.10CH-8640Rapperswil的HochschuleRapperswil(HSR)的SPF进行。
示例II
编号为No.C500的集热器测试(Consolar GmbH，TUBO 11CPC)图7中的实施例在表8中进行了描述，并且执行表9中的测试。注意，针对标准值ISO 9806-2和EN 12975-2是30℃/1000W/m2的情况，不存在滞止温度。热性能(测试时的流速：100l/h)在图11A和11B中示出，分别是在有风条件下和在无风条件下。
表8
Figure C20048001738700121
＊制造商信息
表9
＊详细情况请联系制造商
表10A和10B分别示出了在有风条件下和在无风条件下针对效率的特征效率值(法线入射，G＝800W/m2)。表11A和11B分别示出了在有风条件下和在无风条件下的功率输出(功率单位：每个集热器的瓦特数，法线入射，波束辐射)。
表10A和10B
  基准面   吸热体   孔   总体
  η(T<sup>＊</sup><sub>m</sub>＝0.00)   0.73   0.66   0.55
  η(T<sup>＊</sup><sub>m</sub>＝0.05)   0.66   0.59   0.49
  η(T<sup>＊</sup><sub>m</sub>＝0.10)   0.59   0.53   0.44
  基准面   吸热体   孔   总体
  η(x＝0.00)   0.73   0.66   0.55
  η(x＝0.05)   0.67   0.60   0.50
  η(x＝0.10)   0.61   0.55   0.46
表11A和11B
  辐射  400W/m<sup>2</sup>   700W/m<sup>2</sup>   1000W/m<sup>2</sup>
  t<sub>m</sub>-t<sub>n</sub>＝10K   241   431   622
  t<sub>m</sub>-t<sub>n</sub>＝30K   217   407   597
  t<sub>m</sub>-t<sub>n</sub>＝50K   192   383   573
  辐射   400W/m<sup>2</sup>   700W/m<sup>2</sup>   1000W/m<sup>2</sup>
  t<sub>m</sub>-t<sub>n</sub>＝10K   244   434   624
  t<sub>m</sub>-t<sub>n</sub>＝30K   224   414   604
  t<sub>m</sub>-t<sub>n</sub>＝50K   204   394   584
表12示出了入射角度修正量(IAM)，而表13示出了以帕斯卡为单位的压降(测试流体：33.3％的Ethylenglykol)。
表12
  0°   10°   20°   30°   40°   50°   60°   70°   80°   90°
  K(θ)<sub>1long</sub>   1.0   0.93   0.0
  K(θ)<sub>1tans</sub>   1.0   1.0   1.0   0.95   0.82   0.84   0.90   1.02   1.03   0.0
表13
  50l/h   100l/h   150l/h   175l/h   200l/h
  20℃60℃80℃   6400   13300   21400   26000   30700
示例III
编号为No.C370的集热器测试(Paradigma-Schweiz，CPC 14Star)图8中的实施例在表14中进行了描述，并且执行表15中的测试。针对标准值ISO 9806-2和EN 12975-2是30℃/1000W/m2的情况，滞止温度为269℃。集热器还通过了耐用性测试。热性能(测试时的流速：179l/h)在图12A和12B中示出，分别是在有风条件下和在无风条件下。
表14
Figure C20048001738700141
＊制造商信息
表15
Figure C20048001738700151
＊详细情况请联系制造商
表16A和16B分别示出了在有风条件下和在无风条件下针对效率的特征效率值(法线入射，G＝800W/m2)。表17A和17B分别示出了在有风条件下和在无风条件下的功率输出(功率单位：每个集热器的瓦特数，法线入射，波束辐射)。
表16A和16B
  基准面   吸热体   孔   总体
  η(T<sup>*</sup><sub>m</sub>＝0.00)   0.68   0.68   0.60
  η(T<sup>*</sup><sub>m</sub>＝0.05)   0.59   0.60   0.53
  η(T<sup>*</sup><sub>m</sub>＝0.10)   0.50   0.51   0.45
  基准面   吸热体   孔   总体
  η(x＝0.00)   0.68   0.68   0.60
  η(x＝0.05)   0.60   0.60   0.54
  η(x＝0.10)   0.52   0.52   0.46
表17A和17B
辐射  400W/m<sup>2</sup>  700W/m<sup>2</sup>   1000W/m<sup>2</sup>
t<sub>m</sub>-t<sub>n</sub>＝10K   593   1′065   1′537
t<sub>m</sub>-t<sub>n</sub>＝30K 517   989   1′461
t<sub>m</sub>-t<sub>n</sub>＝50K 437   909   1′381
  辐射  400W/m<sup>2</sup>   700W/m<sup>2</sup>   1000W/m<sup>2</sup>
  t<sub>m</sub>-t<sub>n</sub>＝10K   597   1′069   1′541
  t<sub>m</sub>-t<sub>n</sub>＝30K   528   1′000   1′472
  t<sub>m</sub>-t<sub>n</sub>＝50K   455   928   1′400
表18示出了入射角度修正量(IAM)。
表18
  0°   10°   20°   30°   40°   50°   60°   70°   80°   90°
  K(θ)<sub>1long</sub>   1.0   0.90   0.0
  K(θ)<sub>1tans</sub>   1.0   1.01   1.00   1.01   1.01   1.05   1.16   0.0

Claims (12)

1.一种太阳能集热器，包括：
一个用于太阳能集热器的壳体，该壳体由一根真空玻璃管构成；
一根设置于所述壳体内部的热管，其中，所述热管被夹持在至少两个铝质换热翅片之间，所述铝质换热翅片一起围绕所述热管的周边布置；以及
一个设置于所述壳体外部的非成像光线反射器。
2.如权利要求1中限定的太阳能集热器，其特征在于，所述热管包括一根联接到所述铝质换热翅片的铜管，所述铝质换热翅片的断面形状形成为增加与所述热管的接触。
3.如权利要求1中限定的太阳能集热器，其特征在于，所述铝质换热翅片被模制成与所述真空玻璃管的内表面和所述热管最大化接触。
4.如权利要求2中限定的太阳能集热器，其特征在于，所述热管和所述铝质换热翅片被设置在一根流通式换热总管中。
5.如权利要求1中限定的太阳能集热器，其特征在于，所述非成像光线反射器为一个外部复合抛物面聚光集热器(XCPC)。
6.如权利要求1中限定的太阳能集热器，其特征在于，所述壳体为一根全玻璃真空型导管。
7.如权利要求1中限定的太阳能集热器，其特征在于，所述热管包括一个真空的中空芯部。
8.一种制造太阳能集热器的方法，包括下述步骤：
提供一个用于太阳能集热器的玻璃管壳体；
将一根热管定位于所述玻璃管壳体内部；
提供围绕所述热管的周边布置的换热翅片；
抽出所述玻璃管壳体中的空气；以及
将一个外部复合抛物面聚光集热器(XCPC)光线反射器定位在所述玻璃管壳体的外部并且联接在所述玻璃管壳体上，该外部复合抛物面聚光集热器光线反射器被设置成照射所述热管。
9.如权利要求8中限定的方法，其特征在于，所述光线反射器为一个非成像反射器。
10.如权利要求8中限定的方法，其特征在于，所述热管包括一根联接到所述换热翅片的铜管，所述换热翅片由铝制成。
11.如权利要求10中限定的方法，其特征在于，所述热管被夹持在所述铝质换热翅片中的至少两个之间。
12.如权利要求10中限定的方法，其特征在于，所述铝质换热翅片被加工成与所述玻璃管壳体的内表面和所述热管最大化接触。
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