CN101876492A - 一种石英热管及阵列太阳能光热转化器及方法 - Google Patents

Abstract

本发明的提供了一种适合于不同的温度的太阳能光热转化器及阵列，特别是实现太阳能的中高温的光热转换器件，以及应用于塔式以及蝶式的太阳能光热转化器件；采用将石英玻璃器件制造为热管器件的方法，实现太阳能的采集以及利用，包括至少一个由石英器件构成的热管、在石英器件的至少一部分壳体上设置有太阳能涂层，将太阳能转换为热能。采用此种技术方法可以实现对太阳能的不同温度、大规模的综合利用。

Description

一种石英热管及阵列太阳能光热转化器及方法

技术领域

本发明涉及太阳能的热利用，将太阳能转化为热能的器件，涉及利用太阳能进行供暖、热水、烹饪、发电、制冷、干燥，特别是太阳能的中高温度的利用。

背景技术

太阳能成熟的应用技术为太阳能的低温热水利用，主要采用真空玻璃管技术将太阳能转化为热能，在此种技术上，有采用将热管插入到真空玻璃管内部将热量传递到外部获得太阳能的技术，以及在真空玻璃基础上进一步的完善而开发的各种器件，其中真空玻璃管中设置有真空层进行保温，在真空层的内部设置选择性涂层对太阳能进行吸收转化，虽然真空玻璃层很好的实现了保温，选择性涂层很好的实现了太阳能的转化，但是，其转化后的热能利用起来很不经济，如采用现有的方法将水直接流入到真空玻璃管内部直接进行换热，但到了冬季就无法使用，虽然采用热管技术在冬季实现了传热，但增加了成本、降低了热能的利用率，目前这种技术应用于低温的热水应用，而无法实现太阳能的中高温的应用，如太阳能热电的应用；

现有的对太阳能的中高温度利用的太阳灶，主要采用反射板对太阳光进行反射，将太阳能直接聚焦到一个灶具上，实现对太阳能的利用，此种技术很好的达到了太阳能的中高温收集，但其热能接受方式单一，仅是采用直接在其上面放置简单的灶具，而无法进行大规模的采集和利用；同时也无法实现对太阳能进行收集以便于夜间及阴雨天应用；

现有的技术太阳能中高温的发电技术，主要是采用塔式、槽式、及蝶式，槽式太阳能是已经商业化的太阳能光热转换器件，主要采用外不为玻璃管，内部为不锈钢金属管，内部抽真空，实现太阳能的采集；但是该种吸收器价格高，只有少数的企业可以掌握其生产技术；同时蝶式太阳能与塔式太阳能应用的主要技术难题也在于光热转化太阳能转换器件，特别是塔式太阳能，主要由于光热转换器需要在600-1500度的区间进行工作，由于高温所采用的金属器件无法长时稳定的工作，因而塔式的太阳能电站就无法长期的进行工作，因而需要对高温的太阳能光热转换器件改进。

石英玻璃的光学性能有其独到之处，它既可以透过紫外光谱，是所有透紫外材料最优者，又可透过可见光和近红外光谱。用户可以根据需要，从185-3500mu波段范围内任意选择所需品种。由于石英玻璃耐高温，热膨胀系数极小，化学热稳定性好，气泡、条纹、均匀性、双折射又可与一般光学玻璃媲美，所以它是在各种亚劣场合下工作具有高稳定度光学系统的必不可少的光学材料。石英玻璃的热膨胀系数小，为5.5×10^-7/℃，只有普通玻璃的1/12-1/20。部标准规定将试样的灼烧到1200℃后急速投到冷水中，反复三次以上不允许炸裂，石英玻璃加入适量钛元素后还可做成零膨胀系数的材料，由于石英器件的众多的优势，将石英器件应用于太阳能利用，特别是中高温的太阳能光热转化，将是解决中高温太阳能采集的可行的技术方法。

随着太阳能镜技术的发展，可以采用普通的光学镜或菲涅尔光学镜对太阳能进行收集，但是，有太阳能镜技术将太阳能进行收集后，将产生很高的热流密度，采用普通的传热材料进行转换将无法实现高热流密度的热能的传递，因此，需要一种新型的技术将太阳能进行热能的转换利用，特别是太阳能的中高温度的光热转换，来实现对太阳能的中高温的应用。

发明内容

本发明的目的是提供一种石英太阳能光热转化器和石英太阳能光热转化器阵列及转化方法，采用将石英玻璃器件制造为热管器件的方法，实现太阳能的采集以及利用，使本发明的转化器适合于不同的温度的太阳能光热利用，特别是实现太阳能的中高温的光热转换器件，以及应用于塔式以及蝶式的太阳能光热转化器件，解决了现有转换器的稳定性差、成本高、结构复杂、适用范围小特别是难以在中高温中稳定的长时间的进行光热转换的问题。

本发明充分的利用石英器件的物理化学性能实现太阳能的采集，为太阳能的利用提供一种新的技术手段和方法。采用此种技术方法可以实现对太阳能的不同温度、大规模的综合利用。

具体发明内容如下：

一种石英热管及阵列太阳能光热转化器，其特征是：包括至少一个由石英器件构成的热管、在石英器件的至少一部分壳体上设置有太阳能涂层，将太阳能转换为热能。

以石英器件为壳体按照热管的生产制造技术使其成为热管，从而成为石英热管。

流体从热管的冷凝端与热管进行换热，流体为液体、气体、固液混合物、气液混合物、气液固混合物中的一种。

对于400度以下的温度，通常采用水、导热油为流体，对于高于400度的应用，可以采用各种金属、非金属、化学盐类工作介质进行传热换热；

对于低温的发电设备，采用低温有机工作介质为流体，对于中高温采用水为发电工作介质。

为了增加石英器件的高温使用强度，在石英管上烧结Al2O3、SiC；

太阳能涂层为低温、中温、高温的太阳能涂层，可以在真空或非真空环境进行工作，涂层选择下列至少一种或其组合：

A、金属、金属氧化物、金属化合物，包括银、铜、铝、Al2O3、SiC；

B、聚合物，高分子聚合物；

C、纳米材料，包括纳米氧化锌；

D、粘接剂；

E、微粒，金属及非金属的颗粒。

太阳能涂层设置在石英器件的外部壳体、内部壳体的至少一部分上。太阳能涂层设置在石英器件的外部壳体、内部壳体的至少一部分上，为了增加太阳能转化面积，在石英器件的外部设置有金属的翼片，并在翼片上设置有太阳能涂层。

根据不同的温度，可以采用不同的涂层，但是对于高温涂层如Al2O3、SiC既可以实现太阳光额度转化，同时还可以实现增加石英管的强度以及提高石英管的石英温度；可以采用不同的加工方法实现在石英材料上加工涂层，通常可以采用烧结、喷涂、溅射等不同的方式，只要可以达到目的，任何的加工方法都可以被采用。

石英器件的形状为圆柱、球形、椭圆形、多面体、扇形、以及带有凹或凸孔的圆柱、球形、椭圆形、多面体、扇形的一种或多种。

石英器件热管的至少一端设置有连接器件，用于与其他器件进行连接：

A、金属或非金属的套管；

B、内或外波纹管连接；

C、非金属器件，包括采用橡胶胶圈、密封垫、硅胶圈、软木塞。

一种石英热管阵列太阳能光热转化器，至少包含有多个石英器件构成的热管、在石英器件的至少一部分壳体上设置有太阳能涂层，多个石英器件热管组成一个阵列，实现将太阳能转换为热能。

多个石英器件热管组成的阵列可以根据需要进行不同的设计，但是通常可以选自下列一种：

A、多个石英器件热管平行排列，每个石英器件热管的蒸发端和冷凝端设置在同一侧，多个热管的冷凝端与一个流体进行换热，用于太阳能低温、中温、高温的应用；

B、有多个石英器件热管组成一个阵列，多个热管的冷凝端共同够成一个腔体，其整体购车为一个拥有多个蒸发端与一个共同的冷凝端的热管。

C、由多个石英热管进行并排排列为阵列，多个石英热管被一个分隔板进行分割，分隔板的一侧为太阳能照射及吸收部分，也是热管的蒸发端，另外一侧为多个热管的冷凝端，用于太阳能低温、中温、高温的应用，特别是用于塔式太阳能采集；

D、在每一个石英热管的冷凝端设置有一个套管，套管可以与其他的套管进行连接；多个石英热管通过套管实现连接。

可以采用任何形状实现本发明的目的，但是石英器件热管的腔体的形状为圆柱、球形、椭圆形、多面体、扇形、以及带有凹或凸孔的圆柱、球形、椭圆形、多面体、扇形的一种或多种。

根据槽式、蝶式及塔式太阳能的采集的需要，设计和采用不同的形状。

一种石英热管阵列太阳能光热转化方法，其步骤是：首先是太阳能聚光装置将太阳光照射在权利要求1-10所述的石英热管阵列太阳能光热转化器上；其次是石英器件上的太阳能涂层将太阳能转换为热能；最后是石英器件的热管将热能传递和/或交换到外部，实现太阳能的光热转化及热能最终的利用。

附图说明

图1：石英热管太阳能光热转化器

图2：带有翼片的热管太阳能光热转化器

图3：圆柱石英热管

图4：多热管并联的热管光热转化器

图5：多蒸发端一个冷凝端的太阳能光热转化器

图6：带有连接套管的太阳能光热转化器

图中标记的具体含义如下：

1：石英器件热管，2：太阳能涂层，3：热管蒸发端，4：热管冷凝端，5：带有太阳能涂层的翼片，6：胶圈，7：套管。

具体实施方式

实施例一：石英热管太阳能光热转化器

按照图1所示，将石英管(1)制造为热管，在中间部位加工有太阳能涂层(2)，热管的加工有太阳能涂层的一端为热管的蒸发端，热管的另外一端为冷凝端。对以低温100度以下的热水应用，可以采用低温太阳能涂层，流体为水；对于100-400度的中温应用，采用中温的太阳能涂层，流体为导热油；对于400度以上的高温应用，采用高温的太阳能涂层，流体为空气；对于低温的应用，可以采用非跟踪的太阳能采集，对于中温的应用，可以采用槽式线聚焦的太阳能采集，对于高温的应用，可以采用蝶式或塔式的太阳能跟踪技术；这样对于任何需要的工作温度，都可以采用双石英管实现太阳能的采集和利用。

实施例二：带有翼片的双通管太阳能光热转化器

按照图2所示，石英管为带有翼片的热管，在中间部位设置有太阳能涂层(2)，为了增加太阳能吸热的面积，在石英管的外部设置有金属翼片，在金属翼片上设置有太阳能涂层，金属翼片将太阳能转化为热能后传递到石英管。对于温100度以下的热水应用，可以采用低温太阳能涂层，流体为水；对于100-400度的中温应用，采用中温的太阳能涂层，流体为导热油；对于400度以上的高温应用，采用高温的太阳能涂层，流体为水，这样可以实现高压高温的蒸汽供应，实现高效的太阳能发电及利用；对于低温的应用，可以采用非跟踪的太阳能采集，对于中温的应用，可以采用槽式线聚焦的太阳能采集，对于高温的应用，可以采用蝶式或塔式的太阳能跟踪技术；这样对于任何需要的工作温度，都可以实现太阳能的采集和利用。

实施例三：圆柱石英热管

按照图3所示，英管器件热管为圆柱体，在圆柱体的表面设置有太阳能涂层，为热管的蒸发端，在另外一侧为热管的冷凝端；对于低温100度以下的热水应用，可以采用低温太阳能涂层，流体为水；对于100-400度的中温应用，采用中温的太阳能涂层，流体为化学盐类物质；对于400度以上的高温应用，采用高温的太阳能涂层，流体为高温化学盐，这样可以实现高压高温的蒸汽供应，实现高效的太阳能发电及利用；对于低温的应用，可以采用非跟踪的太阳能采集，对于中温的应用，可以采用槽式线聚焦的太阳能采集，对于高温的应用，可以采用蝶式或塔式的太阳能跟踪技术；这样对于任何需要的工作温度，都可以采用此光热转化器实现太阳能的采集和利用。

实施例四：多热管并联的热管光热转化器

按照图4所示，由三个石英热管并联而成，三个石英热管的冷凝端共同与一个管道连接，在管道上设置有进口(5)和出口(6)，流体从进口进入后从出口排出；对于低温100度以下的热水应用，可以采用低温太阳能涂层，流体为水；对于100-400度的中温应用，采用中温的太阳能涂层，流体为化学盐类物质；对于400度以上的高温应用，采用高温的太阳能涂层，流体为水，这样可以实现高压高温的蒸汽供应，实现高效的太阳能发电及利用；对于低温的应用，可以采用非跟踪的太阳能采集，对于中温的应用，可以采用槽式线聚焦的太阳能采集，对于高温的应用，可以采用蝶式或塔式的太阳能跟踪技术。

实施例五：多蒸发端一个冷凝端的太阳能光热转化器

按照图5所示，由三个石英管构成一个整体热管，三个石英管的壳体上设置有太阳能涂层，并同时与一个柱体进行连接，柱体为热管的冷凝端，这样构成为一个整体的热管。对于低温100度以下的热水应用，可以采用低温太阳能涂层，流体为水；对于100-400度的中温应用，采用中温的太阳能涂层，流体为化学盐类物质；对于400度以上的高温应用，采用高温的太阳能涂层，流体为水，这样可以实现高压高温的蒸汽供应，实现高效的太阳能发电及利用；对于低温的应用，可以采用非跟踪的太阳能采集，对于中温的应用，可以采用槽式线聚焦的太阳能采集，对于高温的应用，可以采用蝶式或塔式的太阳能跟踪技术。

实施例六：带有连接套管的太阳能光热转化器

按照图6所示，由三个带有套管的石英热管串联而成，每一个热管的蒸发端上设置的套管可以相互连接，在三个石英管的壳体上设置有太阳能涂层(2)；流体从套管的一端进入从另外一端流出。对于低温100度以下的热水应用，可以采用低温太阳能涂层，流体为水；对于100-400度的中温应用，采用中温的太阳能涂层，流体为化学盐类物质；对于400度以上的高温应用，采用高温的太阳能涂层，流体为水，这样可以实现高压高温的蒸汽供应，实现高效的太阳能发电及利用；对于低温的应用，可以采用非跟踪的太阳能采集，对于中温的应用，可以采用槽式线聚焦的太阳能采集，对于高温的应用，可以采用蝶式或塔式的太阳能跟踪技术。

Claims (11)

1.一种石英热管太阳能光热转化器，其特征是：包括至少一个由石英器件构成的热管、在石英器件的至少一部分壳体上设置有太阳能涂层，将太阳能转换为热能。

2.根据权利要求1所述的石英热管太阳能光热转化器，其特征是：石英器的至少一端为热管的蒸发端，其另外一端为热管的冷凝端；流体从热管的冷凝端与热管进行换热，流体为液体、气体、固液混合物、气液混合物、气液固混合物中的一种。

3.根据权利要求1所述的石英热管太阳能光热转化器，其特征是：为了增加石英器件的高温使用强度，在石英管上烧结上三氧化二铝，碳化硅。

4.根据权利要求1所述的石英热管太阳能光热转化器，其特征是：太阳能涂层为低温、中温、高温的太阳能涂层，可以在真空或非真空环境进行工作，涂层选择下列至少一种或其组合：

A、金属、金属氧化物、金属化合物；包括；银、铜、铝、三氧化二铝，碳化硅；

B、聚合物；高分子聚合物，

C、纳米材料；包括纳米氧化锌，

D、粘接剂；

F、微粒，金属及非金属的颗粒。

5.根据权利要求1所述的石英热管太阳能光热转化器，其特征是：太阳能涂层设置在石英器件的外部壳体、内部壳体的至少一部分上，为了增加太阳能转化面积，在石英器件的外部设置有金属的翼片，并在翼片上设置有太阳能涂层。

6.根据权利要求1所述的石英热管太阳能光热转化器，其特征是：石英器件的形状为圆柱、球形、椭圆形、多面体、扇形、以及带有凹或凸孔的圆柱、球形、椭圆形、多面体、扇形的一种或多种。

7.根据权利要求1所述的石英热管太阳能光热转化器，其特征是：石英器件的至少一端设置有连接器件，用于与其他器件进行连接：

A、金属或非金属的套管；

B、内或外波纹管连接；

C、非金属器件，包括采用橡胶胶圈、密封垫、硅胶圈、软木塞。

8.一种石英热管阵列太阳能光热转化器，其特征是：至少包含有多个石英器件构成的热管、在石英器件的至少一部分壳体上设置有太阳能涂层，多个石英器件热管组成一个阵列，实现将太阳能转换为热能。

9.根据权利要求8所述的石英热管阵列太阳能光热转化器，其特征是：多个石英器件热管组成的阵列选自下列一种：

A、多个石英器件热管平行排列，每个石英器件热管的蒸发端和冷凝端设置在同一侧，多个热管的冷凝端与一个流体进行换热，用于太阳能低温、中温、高温的应用；

B、有多个石英器件热管组成一个阵列，多个热管的冷凝端共同够成一个腔体，其整体购车为一个拥有多个蒸发端与一个共同的冷凝端的热管。

C、由多个石英热管进行并排排列为阵列，多个石英热管被一个分隔板进行分割，分隔板的一侧为太阳能照射及吸收部分，也是热管的蒸发端，另外一侧为多个热管的冷凝端，用于太阳能低温、中温、高温的应用，特别是用于塔式太阳能采集；

D、在每一个石英热管的冷凝端设置有一个套管，套管可以与其他的套管进行连接；多个石英热管通过套管实现连接。

10.根据权利要求9所述的石英热管阵列太阳能光热转化器，其特征是：石英器件热管的腔体的形状为圆柱、球形、椭圆形、多面体、扇形、以及带有凹或凸孔的圆柱、球形、椭圆形、多面体、扇形的一种或多种。

11.一种石英热管阵列太阳能光热转化方法，其步骤是：首先是太阳能聚光装置将太阳光照射在权利要求1-10所述的石英热管阵列太阳能光热转化器上；其次是石英器件上的太阳能涂层将太阳能转换为热能；最后是石英器件的热管将热能传递和/或交换到外部，实现太阳能的光热转化及热能最终的利用。

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