CN102062017A - 用于太阳能碟式热发电系统的微尺度相变集热器 - Google Patents

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唐大伟
李铁
袁达忠
李志刚
杜景龙
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唐大伟
李铁
袁达忠
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Abstract

本发明是一种用于太阳能碟式热发电系统的微尺度相变集热器,它被用于太阳能碟式热发电系统,作为斯特林发动机的太阳能集热器,起到迅速传递高温热量的重要作用。该集热器的内表面为微槽结构,集热器内部工质为钠液——钠蒸汽。该集热器工作时,被封装在抽过真空的集热器腔体中的液态钠吸收聚焦后的高温太阳能,迅速在微槽群表面蒸发成为钠蒸汽,此过程吸收了大量的潜热。钠蒸汽在位于集热器冷端的斯特林发动机的吸热器管外壁冷凝,迅速释放潜热变为液态,在重力作用下沿着集热器壳体的内壁流回钠液池,完成一次相变传热过程。如此往复循环,不断的把聚焦后的太阳能迅速传递给斯特林发动机的吸热器。

Description

用于太阳能碟式热发电系统的微尺度相变集热器
技术领域
[0001] 本发明是一种用于太阳能碟式热发电系统中的斯特林发动机(以下简称斯特林 机)用的具有微尺度相变结构的集热器,它主要涉及到聚光式太阳能高温热利用与微尺度 相变传热技术的应用领域。
背景技术
[0002] 太阳能碟式热发电技术是利用碟式抛物面聚光镜收集太阳能,然后利用位于其焦 点位置附近的斯特林机作为核心动力机械,后者能够直接利用聚焦后的太阳能输出机械 功,从而带动与其输出轴相联的发电机发电。而太阳能集热器位于聚光镜与斯特林机之间, 其作用是把聚焦后的太阳能收集、传递给斯特林机的吸热器。该技术属于太阳能高温热利 用领域,是一种利用聚焦后的太阳能进行热发电的先进技术。该技术具有光电转换效率高, 使用灵活等优点,既可以单套系统独立发电,又可以联合多套系统、根据需要组成太阳能发 电站(厂)。
[0003] 太阳能集热器是太阳能斯特林机的关键部件之一,它的主要作用是把收集到的太 阳能传入斯特林机内部,加热后者中的工质。其性能的优劣直接影响到斯特林机的热效率。 一个设计优良的太阳能斯特林机的集热器应该能够尽可能多的把表面接收到的热量比较 均勻的传递给斯特林机的吸热器,而热损失尽可能的小。从加热方式上,用于太阳能碟式聚 光热发电系统的集热器又分为直接加热式和间接加热式。微尺度相变结构集热器属于后 者。前者的结构简单、加工容易,但由于无法避免光照加热的不均勻性,其吸热器寿命较短; 后者能够均勻加热,延长吸热器的使用寿命,但是加工和封装的难度较大。
发明内容
[0004] 本发明的目的在于给出一种用于太阳能碟式聚光热发电系统中,斯特林机上的具 有微尺度相变结构的集热器。该集热器表面能在高温下传递大热流密度的热量,且在集热 器热端和冷端具有很好的均温性。与传统的直接受热式的集热器相比,它不仅能够提高集 热效率,而且能够显著减小斯特林机上吸热器管壁的热应力,从而提高了斯特林机及其整 套太阳能碟式热发电系统的使用寿命。
[0005] 本发明是这样实现上述目的的:本发明——用于太阳能碟式热发电系统的微尺度 相变集热器主要由一个内表面具有微槽结构的腔体、瞳孔以及外部的耐高温保温层组成, 是一种轴对称结构。其中,腔体主要由一块内表面加工有微槽结构的不锈钢薄壁板(以下 简称为微槽板)和一个圆锥台型的不锈钢薄壁壳焊接而成。之后对封闭的腔体抽真空至其 内部只有几帕的压强即可;将液态钠充入腔体,形成一定高度的钠液池,微槽的一部分已经 浸入到钠液池中;完成充液过程后将腔体封装好。工作时,集热腔体中的微槽板外表面接受 阳光照射,热量通过不锈钢板传入腔体,其内部的液体钠在微槽板内表面微槽的毛细力作 用下浸润到整个微槽内部,吸热蒸发;在蒸汽压力的作用下,钠蒸汽流向斯特林机的吸热器 端,即该集热器的冷端,遇冷释放潜热后液化,将原本液态钠蒸发时吸收的热量传给了斯特林机内部的工质气体。微槽板的内平面纵横交错刻满矩形微槽,所刻的每一条微槽宽度小 于0. 2mm,深度为0. 5mm左右,侧壁厚0. 5mm左右;如此在微槽板的内表面形成微槽结构。集 热器的瞳孔为具有直径小于350mm、厚度不超过5mm且太阳光的平均透射率大于90%的石 英玻璃,它被嵌于集热器的受光口处,起到阻隔外界空气、抑制集热器表面对流热损失的作 用。整个壳体的外表面均勻刷涂10〜15mm厚的无机水性单组分的耐高温保温涂料形成耐 尚温保温层ο
[0006] 工作时,将本集热器安装在碟式热发电系统中的斯特林机的热头处。工作时,热管 的头部朝下斜置一定角度。经聚焦后略微发散的太阳光打在微槽板的外表面,热量通过不 锈钢板传入腔体,其内部的液体钠在微槽板内表面微槽的毛细力作用下浸润到整个微槽内 部,吸热蒸发;在蒸汽压力的作用下,钠蒸汽流向斯特林机的吸热器端,即该集热器的冷端, 遇冷释放潜热后液化,将原本液态钠蒸发时吸收的热量传给了斯特林机内部的工质气体。 整个工作过程中,集热器腔体内部呈钠的气液两相共存状态,温度在690〜760°C之间。液 态钠在重力的作用下沿着腔体壁回流到内侧角落处的钠液池中。如此完成一次相变传热过 程。该过程在集热器工作时往复循环。
[0007] 本发明的效果是:
[0008] 本发明——用于太阳能碟式热发电系统的微尺度相变集热器的外表面能够完全 吸收高热流密度的太阳热量,并将其迅速、均勻地传递给斯特林机的吸热器(即集热器的 冷端),对后者中的工质加热;壳体外部的保温涂层能够很好的起到高温下保温的作用;瞳 孔在基本不削弱入射的太阳光能量的情况下,能够有效抑制集热器旋转抛物面表面的对流 热损失。该集热器对高温热量的传导具有速度快、效率高的特点,且冷端的温度场很均勻, 整体保温效果好。
附图说明
[0009] 图1为本发明的结构示意图。
[0010] 图2为图1中A处的局部放大视图。
[0011] 图3为图1中B方向的视图。
[0012] 附图中主要标示说明:
[0013] 1 :斯特林机的主机体;2 :斯特林机的吸热器;3 :集热器腔体壁;4 :微槽板;5 :瞳 孔腔;6 :瞳孔;7 :耐高温保温涂料层。
具体实施方式
[0014] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,下面结合附图及实施例,对 本发明进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明,并不 是用于限定本发明。
[0015] 本发明的结构如图1,它主要由斯特林机的吸热器2,集热器腔体壁3,微槽板4, 瞳孔腔5,瞳孔6,耐高温保温涂料层7组成。在制造时,首先选取一定厚度的不锈钢平板, 在平板的一侧纵横交错刻满矩形微槽,所刻的每一条微槽宽度小于0. 2mm,深度为0. 5mm左 右,侧壁厚0.5mm左右;如此在微槽板的内表面形成微槽结构,完成微槽板4。将微槽板4、 集热器腔体壁3、斯特林机的吸热器2的底边焊接成一个封闭的腔体,对该封闭的腔体抽真空至其内部只有几帕的压强即可;将液态钠充入腔体,形成一定高度的钠液池,微槽的一部 分已经浸入到钠液池中;完成充液过程后将腔体封装好。在已完成钠充装的腔体上安装好 瞳孔腔5和由厚度不超过5mm的高透射率的石英玻璃做成的瞳孔6。待上述零件装齐之后, 在整个集热器腔体壁3的外表面均勻涂上一种无机水性单组分的耐高温保温涂料,形成耐 高温保温涂料层7。
[0016] 本发明工作时,如图1那样,集热器瞳孔斜向下放置,安装在太阳能碟式热发电系 统中斯特林机的主体1前端的受热部位。由碟式抛物面聚光镜聚焦后的太阳光略微发散, 由瞳孔6射入集热器,对其内部的钠进行加热。液态钠在微槽板的内表面受热蒸发成为钠 蒸汽,流向冷端——斯特林机的吸热器2,释放潜热,迅速加热斯特林机的吸热器2内部的 工质后液化。在重力作用下,液化后的钠流回钠液池,完成一次相变传热过程。如此往复不 断,对斯特林机的吸热器2内部的工质实现在高温下接近等温的均勻加热过程。
[0017] 上述仅为本发明的较佳实施例,当然,根据实际需要和进一步的探索还可以有其 他实施方式。但是,应该明确的是,基于类似上述的或者其他没有表述出的具有相同构思的 实施方式的变换,均应涵盖在本发明权利要求的保护范围之中。

Claims (7)

1. 一种用于太阳能碟式热发电系统的微尺度相变集热器,其特征在于,还包括集热器 腔体壁,所述集热器腔体壁的一端固定有集热器板,所述集热器腔体壁的另一端固定连接 至所述太阳能碟式热发电系统中的斯特林发动机的吸热器的底边;所述集热器腔体壁、所述集热器板与所述吸热器的底边形成封闭的集热器腔体,所述 集热器腔体内为真空环境并注入有液态工质;所述集热器板的内表面纵横交错设置有微槽,所述微槽的一部分浸入所述液态工质中;所述集热器板的外侧固定有瞳孔腔,所述瞳孔腔上设置有用于使光线射入的瞳孔。
2.如权利要求1所述的一种用于太阳能碟式热发电系统的微尺度相变集热器,其特征 在于,集热器腔体内部的液态工质为钠液体。
3.如权利要求1所述的一种用于太阳能碟式热发电系统的微尺度相变集热器,其特征 在于,该集热器受太阳照射的集热器板的内侧的微槽是宽度小于0. 2mm,深度为0. 5mm,侧 壁厚0. 5mm的矩形微槽。
4.如权利要求1所述的一种用于太阳能碟式热发电系统的微尺度相变集热器,其特征 在于,所述瞳孔由石英玻璃制成。
5.如权利要求1所述的一种用于太阳能碟式热发电系统的微尺度相变集热器,其特征 在于,整个集热器腔体壁的外表面均勻地涂有耐高温保温涂料。
6.如权利要求1-5中任意一项权利要求所述的一种用于太阳能碟式热发电系统的微 尺度相变集热器,其特征在于,所述集热器腔体外观为圆台型,所述集热器板位于所述集热 器腔体的大直径一端。
7.根据权利要求1所述的一种用于太阳能碟式热发电系统的微尺度相变集热器,其特 征在于,所述微尺度相变集热器为轴对称结构。
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