CN101464064A - 一种太阳能吸热管及制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种太阳能吸热管及制造方法。太阳能吸热管包括外层玻璃管，柔性导热管及定位装置，其中柔性导热管从玻璃管内部平行于玻璃管轴线穿过，并由定位装置固定。本发明的结构和方法与已有的太阳能吸热管技术相比较具有以下优点：吸热效率高；导热管热胀冷缩的影响小，运行稳定可靠；结构和制造方法简单，成本造价低廉，安装和维修异常方便，适合大规模推广应用；导热介质的换热效果强，传热更快，杜绝了盲管中存在的混流现象。

Description

一种太阳能吸热管及制造方法

技术领域

本发明涉及太阳能热利用技术领域，具体来说是一种太阳能吸热管结构及其制造方法。

背景技术

作为一种洁净、环保的能源，长期以来人们一直致力于对太阳能的开发和利用。特别是近年来，由于油价的不断攀升和对减少碳排放的要求，各国更加努力地开展了太阳能利用方面的研究，在光热利用的推广中对太阳能吸热管的生产效率、安装的方便性、运行的可靠性和降低成本提出了更高的要求。

近年来，一些特定环境中使用太阳能吸热管技术获得了发展。图1示意了一种主要在大气环境中使用的吸热管装置。吸收管装置主要包括玻璃板101、导热管103和复合抛物面聚焦镜面105。如图1所示，太阳光从玻璃板101入射，大部分直接射入导热管103，部分未入射导热管102的太阳光经过复合抛物面聚焦镜面105再次反射至吸导热管内。所述导热管一般在空气环境中使用。导热管上方的复合抛物面背后有隔热层。吸热管周围空气被限定在一定范围内流动，减少热量散失。在大面积使用过程中，一般反射系统光线聚焦于一条较长的焦线上，在吸热管上一般采用真空镀膜方法涂镀高吸收低发射涂层。由于镀膜设备尺寸的限制，焦线上的吸热管通常为若干根有涂层吸热管连接而成，连接方式为在安装现场焊接或法兰连接，由于施工条件限制，连接质量控制较难，成本高。吸热管自常温至正常工作温度一般有300～400℃的温差，由于热胀冷缩的原因，吸热管长度会有较大变化，所以吸热管装置必须设有长度补偿机构。

图2示意了一种真空下使用的一种采用局部补偿的刚性吸热管。如图2所示，吸热管装置包括外层玻璃管201、带有吸收涂层的内层无缝导热钢管203和内外层尺寸补偿用途金属波纹管205。无缝导热钢管203和玻璃管201之间维持真空状态。内部导热管在装置端头设置冷热尺寸补偿的系统，消除工作时内导热管的热胀冷缩对真空封接的影响。每套装置一般为4米左右固定长度，使用时通常多个串接，固定于焦线上。该装置成本很高，大面积广泛推广中受到一定制约，同时大量的玻璃金属真空封接和过多的现场焊接的管路连接点也给制造成本和运行可靠性带来不利。

发明内容

本发明的目的在于解决太阳能吸热管制造成本高、安装复杂的问题，以及利用金属玻璃封接结构成本高、制造工艺复杂、扩展性差的缺陷。

为此，本发明在第一方面提出一种新型的太阳能吸热管。该太阳能吸热管包括外层玻璃管、柔性导热管及定位装置，其中柔性导热管从玻璃管内部平行于玻璃管轴线穿过，并由定位装置固定。

柔性导热管可以采用柔性波纹管结构或是由若干根柔性波纹管连接成的结构，也可以采用柔性波纹伸缩节和波纹换热管或刚性直管的连接结构。

为增加导热管的吸热效率，可以在导热管外表面镀增强太阳光吸收的高吸收低发射特性膜。

为减少未直接入射到导热管的太阳光损失，可以在玻璃管内部安装反射镜。

由于柔性导热管固定安装在玻璃管内，在纵向可能发生弯曲变形，因此可以在外层玻璃管和柔性导热管之间安装支撑架减少导热管的弯曲变形。

定位装置可以将柔性导热管固定在预拉伸状态下。预拉伸量优选大于或等于温差引起的柔性导热管热胀冷缩的长度变化量。

整个吸热管内部可以处于真空或非真空状态下。在非真空状态下时，需要在反射镜面与玻璃管之间填充高性能绝热材料，减少热量损失。在真空状态下时，外层玻璃管与导热管之间的空间连接真空抽气装置。

本发明的第二方面包括太阳能吸热管的制造方法。该方法的步骤包括：将柔性导热管盘镀或折叠镀；将柔性导热管以平行于玻璃管轴线的方式从玻璃管内部穿过；利用固定装置将柔性导热管预拉伸后固定。

本发明的结构和方法和已有的太阳能吸热管结构及制造安装方法相比较具有以下优点：

(1)由于采用了柔性导热管，本发明的太阳能吸热管吸热效率高；(2)由于本发明中采用了柔性导热管结构，厚壁，热阻小，从而减少了导热管热胀冷缩的影响，运行稳定可靠；(3)本发明结构和制造方法简单，成本造价低廉，安装和维修异常方便，适合大规模推广应用；(4)本发明中采用的波纹软管结构增强了导热介质的换热效果，传热更快，同时两端贯通式结构杜绝了盲管中存在的混流现象。

附图说明

下面将参照附图对本发明的具体实施方案进行更详细的说明，附图中：

图1是现有技术的一种吸热管装置示意图；

图2是现有技术的一种采用玻璃金属真空封接方式的刚性吸热管示意图；

图3是本发明第一实施例的吸热管的结构图；

图4是本发明第二实施例的吸热管结构示意图；

图5是本发明第三实施例的吸热管的结构示意图；

图6是柔性波纹伸缩节与直金属管连接结构的储存与运输方式；

图7是整根柔性波纹管对应的真空镀膜方式；

图8为柔性波纹伸缩节与刚性直管连接结构对应的真空镀膜方式；

图9是整根柔性波纹管的一种安装方式；

图10是本发明采用复合抛物面反射镜的吸热管截面图；

图11是未设置复合抛物面聚焦镜面装置的太阳能吸热管装置的剖面示意图；

图12是设有反射涂层的太阳能吸热管装置的剖面示意图；

图13是本发明的采用动态真空方式的太阳能吸热管示意图；

图14是本发明太阳能吸热管非真空整体内部装置的示意图；

图15是吸热管连接局部放大图；

图16是反射镜后部填充绝热材料的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行具体说明。

图3是本发明第一实施例的吸热管的结构示意图。如图3所示，吸热管包括玻璃管301和位于玻璃管301内的柔性导热管309。

玻璃管为直线型，可为一根或多根串接。

柔性导热管309具有热吸收镀层，平行于玻璃管轴线布置。柔性导热管309在玻璃管301外时可弯曲或分段折曲，送入玻璃管301内后呈直线安放，两端贯通，具有整体内补偿功能，即具有热胀冷缩的长度补偿。

柔性导热管309可采用整根柔性波纹管，也可以采用多根柔性波纹管通过例如焊接方式连接而成。柔性波纹管是指常规的波纹管。柔性波纹管也可串接至少一根刚性直管和/或波纹换热管。

采用上述结构的柔性导热管与常规刚性金属管相比，壁厚显著减小，热阻降低，材料成本也有大幅下降。

本发明所采用的波纹软管结构有助于增强导热介质的换热效果，传热更快。

为增加导热管的吸热效率，可以在导热管309外表面镀增强太阳光吸收的高吸收低发射特性膜。

定位装置307用于固定导热管309。在一个例子中，定位装置307是拉紧装置，它在外层玻璃管两端头作用于导热管309，使其处在预拉伸状态下。预拉伸量在常温状态大于或等于温差引起导热管热胀冷缩的变化量，并且需要考虑在工作压力下造成的导热管伸长量变化的影响，这样使导热管的热胀冷缩效应得到补偿，从而保证导热管两端出口在轴向上尺寸始终不变，易于系统密封和连接。在本例中，由玻璃管301为导热管309的拉伸提供反作用力；但是，普通技术人员理解，也可以采用其它的外部结构实现这一功能。

可在玻璃管301内部背离光入射的部位固定安装反射镜305，增加导热管对太阳光的吸收。反射镜305可为抛物镜面、复合抛物面或圆弧形截面。此反射镜结构可以将部分未直接射到导热管上的光线再次反射至导热管上，从而降低对系统跟踪精度的要求，也可以减少导热管的热辐射损失。其进一步的结构和细节将在下文描述。

为方便固定装置307将波纹软管拉伸固定在玻璃管301内部，波纹软管的两头焊接了金属管303。

由于柔性导热管309固定安装在玻璃管301内，在纵向可能发生弯曲变性，因此可以在外层玻璃管301和柔性导热管309之间可以安装支撑架311减少导热管309的弯曲变形。采用拉伸支撑后的波纹软管结构可以在长度上不受限制，通常可大于例如六米。

由于采用了柔性导热管结构，增加了导热管的可弯曲性，使运输更为便捷方便。此外，柔性导热管可靠性更强，接头少，不易漏气，维护方便。更为重要的是，柔性导热管传热快，采用贯通方式，克服了盲管中存在的混流现象。

图4是本发明第二实施例的吸热管结构示意图。图4不同于图3的地方在于导热管309替换为波纹(或波节)换热管408和柔性波纹伸缩节409的连接结构。柔性波纹伸缩节409是指一段柔性波纹管。虽然图中显示了两根波纹(或波节)换热管408和一根柔性波纹伸缩节409，但是，波纹(或波节)换热管408和柔性波纹伸缩节409的数量是可变的。

波纹换热管408与柔性波纹伸缩节409通过例如焊接连接。补偿波纹换热管有良好抗热胀冷缩性能。

图5是本发明第三实施例的吸热管的结构示意图。图5不同于图3的地方在于导热管309替换为柔性波纹伸缩节509与刚性直金属管503的结构。该柔性波纹伸缩节509与直金属管503通过例如焊接连接。

需要理解的是，柔性导热管还可以采用其它的组合形式，比如由柔性波纹管和柔性波纹伸缩节通过例如焊接而构成的结构。

如前文所述，柔性导热管可以在安装使用现场外的车间进行标准化的大长度尺寸规模的制造，包括焊接、热处理、检漏、镀膜等工序。其结构带来的主要特点为可以制作的很长，一般大于等于例如六米，且柔性导热管外层镀膜方便，可以整体盘镀、折叠镀；安装方便，将柔性导热管安装入玻璃管拉紧即可；柔性导热管运输方便，成盘运输，放入管内整体运输；柔性导热管可靠，接头少，不易漏气；柔性导热管维护方便，可简单抽出维修，再安装；柔性导热管传热快，贯通方式，无混流现象。下文将详细描述柔性导热管的储存、运输和安装。

图6是柔性波纹伸缩节与直金属管连接结构的储存与运输方式。如图6所示，可以将柔性波纹伸缩节609弯曲或折叠，使得原本很长的柔性波纹伸缩节609和直金属管603的组合压缩在较小的空间。使用折叠方式可以很方便对柔性导热管完成储存和运输。

图7是柔性波纹管对应的真空镀膜方式。如图7所示，柔性波纹管709螺旋盘绕在真空镀膜机719内，并且在螺旋内外布置溅射靶712，螺旋盘绕的柔性导热管整体旋转以便对柔性波纹管709进行镀膜。由此，柔性波纹管可以很方便地在真空镀膜机内完成大面积镀膜，生产成本低。

图8为柔性波纹伸缩节与刚性直管连接结构对应的真空镀膜方式。如图8所示，将柔性波纹伸缩节809和刚性直管803的连接结构按图6方式弯曲，排列在真空镀膜机819内，绕成一个圆柱面，圆柱面内、外都安放溅射靶821，圆柱面形式的柔性导管整体旋转，以便对柔性波纹伸缩节809和刚性直管803的连接结构镀膜。

图9是整根柔性波纹管的一种安装方式。如图9所示，电缆式卷轴919中缠绕着柔性波纹管909。从电缆式卷轴919中将柔性波纹管909往外层玻璃管901内送，即可完成安装。

如前文所述，为降低对跟踪控制精度要求，增加整个吸热管对太阳能热量的利用率，本发明可以在玻璃管内部固定安装反射镜。图10-12分别示意了有关情况。

图10是配有复合抛物面聚焦镜面装置的太阳能吸热管装置的剖面示意图。如图10所示，外层玻璃管1001和内层柔性导热管1003之间有一个复合抛物面聚焦镜面装置1005。内层柔性导热管1003外表面镀有强力吸收太阳光的高吸收率低发射率薄膜。复合抛物面聚焦镜面镀有纯银或高反铝等材料，以便提高再次反射的反射率，同时该结构还可以减少导热管的热辐射损失。

当外层玻璃管1001与内层柔性导热管1003之间的空间为非真空工作状态时，可在复合抛物面聚焦装置1005与外层玻璃管之间填充高性能绝热材料，以便使复合抛物面聚焦装置1005和柔性导热管1003之间局部聚集的热量与玻璃隔离开。图16是反射镜内部填充绝热材料的示意图。大部分从太阳能反射装置(未图示)入射来的太阳光都能聚集在内层柔性导热管1003上且被其吸收，部分未入射到内层柔性导热管1003内的太阳光经过复合抛物面聚焦镜面装置再次反射，然后入射到柔性导热管1003内，所有吸收的太阳热能都被导热管1003内流动的导热介质源源不断导出管外。

图11是未设置复合抛物面聚焦镜面装置的太阳能吸热管装置的剖面示意图。不同于图10的地方在于，图11没有设置复合抛物面聚焦装置。

图12是设有反射涂层的太阳能吸热管装置的剖面示意图。不同于图11的地方在于，图12在外层玻璃管1201的内壁设有反射涂层1223，可以将部分未能照射到内层柔性导热管1203的太阳反射光经反射涂层1223反射向内层柔性金属管1203，并具备减少热辐射损失的功能。

图13是本发明的采用动态真空工作方式的太阳能吸热管示意图。如图5所示，多个外层玻璃管1301通过封闭连接装置1307和1329连接在一起，并且保持真空不漏气连接。外层玻璃管1301的端头通过1307与内层柔性管1309和金属管1303的连接结构连接。内层柔性管1309在管两端拉紧装置1307的作用下在工作状态时始终保持受拉力弹性伸长的状态，且拉伸量大于或等于温差引起金属管热胀冷缩的变化量，即当柔性导热管1309受热状态时受到的热胀长度变化小于其受两端拉紧装置1307的拉力作用下的预变化量。

在外层玻璃管1301端头下方设置动态抽真空接口1315，以便通过抽真空装置保持内层导热管1309与外层玻璃管1301之间空间的动态真空状态。其中，动态真空所需的真空度保持在例如1000帕以下，最佳在10帕以下。动态真空有助于阻隔传导和对流，从而提高吸热效率。

在工作期间，抽真空装置连续或断续抽气，以保持该空间的真空度在1000Pa以下，优选在10Pa以下，减少对流及传导热损失，同时大幅降低氧气浓度，减少高温氧化影响，在大气系统中，多根吸热管可以共用一套真空抽气装置可保护吸热管及其表面的吸收镀层延缓其性能衰退，延长使用寿命。

采用复合抛物面聚焦装置1305可以进一步提高吸热效率。

在外层玻璃管1301和柔性导热管1309之间可以安装支撑架1311，以减少导热管1309的弯曲变形。

图14是本发明太阳能吸热管非真空整体内部装置的示意图。如图14所示，多个外层玻璃管1401通过固定装置1405连接。外层玻璃管1401的端头与内层柔性金属管1409和直金属管1403的连接组合通过固定装置1405连接，内层柔性管1409在管两端拉紧装置1407的作用下在工作状态时始终保持受拉力的状态，且预拉伸量大于或等于导热介质温差引起导热管热胀冷缩的变化量，即当柔性导热管1409受热状态时受到的热胀长度变化小于其受两端拉紧装置1407的拉力作用下的预拉伸长度变化量。该装置工作时处于非真空环境下，在复合抛物面聚光镜面1417内填充良好绝热材料，减少传导损失。支撑架1411同样起着减少导热管1409弯曲变形的作用。

本发明的太阳能吸热管可以实现大范围、大尺寸的安装和连接。图15是外层玻璃管之间的连接局部放大图，外层玻璃管之间通过密封结构，比如密封件1527和胶圈1525，密封后即可以实现多根串接，内层柔性导热管加工成大长度尺寸的一根，由此可大大增加单条焦线的使用长度。

显而易见，在不偏离本发明的真实精神和范围的前提下，在此描述的本发明可以有许多变化。因此，所有对于本领域技术人员来说显而易见的改变，都应包括在本权利要求书所涵盖的范围之内。本发明所要求保护的范围由所述的权利要求书进行限定。

Claims (17)

1、一种太阳能吸热管，包括外层玻璃管，柔性导热管及定位装置，其特征在于，柔性导热管从玻璃管内部平行于玻璃管轴线穿过，并由定位装置固定。

2、根据权利要求1所述的太阳能吸热管，其特征在于，柔性导热管包括柔性波纹管或柔性波纹伸缩节。

3、根据权利要求2所述的太阳能吸热管，其特征在于，柔性导热管还包括波纹换热管或刚性直管，所述波纹换热管或刚性直管与柔性波纹管或柔性波纹伸缩节相连接。

4、根据权利要求1、2或3所述的太阳能导热管，其特征在于柔性导热管外表面镀有增强吸收太阳光的高吸收低发射特性膜。

5、根据权利要求1所述的太阳能吸热管，其特征在于包括固定安装在所述玻璃管和柔性导热管之间的反射镜。

6、根据权利要求5所述的太阳能吸热管，其特征在于，所述反射镜是由复合槽式抛物面组成的反射镜面。

7、根据权利要求5所述的太阳能吸热管，其特征在于，所述反射镜由直接镀在玻璃管内壁的反射膜形成。

8、根据权利要求1所述的太阳能吸热管，其特征在于，外层玻璃管和柔性导热管之间安装支撑架，以减少导热管的弯曲变形。

9、根据权利要求1所述的太阳能吸热管，其特征在于，定位装置将柔性导热管固定在预拉伸状态下。

10、根据权利要求9所述的太阳能吸热管，其特征在于预拉伸量大于或等于温差引起柔性导热管热胀冷缩的变化量。

11、根据权利要求1所述的太阳能吸热管，其特征在于外层玻璃管之间采用密封结构进行固定连接。

12、根据权利要求5或6所述的太阳能导热管，其特征在于，当吸热管内部处于非真空中时，反射镜面与外层玻璃管之间填充绝热材料，减少反射镜面的热量损失。

13、根据权利要求1所述的太阳能吸热管，其特征在于所述吸热管内部处于真空状态，且所述太阳能吸热管包括连接在外层玻璃管与柔性导热管之间的空间的真空抽气装置。

14、根据权利要求13所述的太阳能吸热管，其特征在于，多根吸热管连接后共用一套真空抽气装置。

15、根据权利要求13所述的太阳能吸热管，其特征在于，所述真空抽气装置连续或断续工作，保持空间压强在1000Pa以下。

16、一种太阳能吸热管的制造方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

将柔性导热管盘镀或折叠镀；

将柔性导热管以平行于玻璃管轴线的方式从玻璃管内部穿过；

利用固定装置将柔性导热管预拉伸后固定。

17、根据权利要求16所述的一种太阳能吸热管的制造方法，其特征在于，还包括将盘镀或折叠镀后的柔性导热管成盘或折叠整体存储或运输的步骤。

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