CN102102915A - U型通道组合型热管接收器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种U型通道组合型热管接收器，它包括耐高温保温层、采光孔、热管组吸热段、分隔板、漫反射圆锥体、铝合金外壳、环形套筒、热管组冷凝段、环形辐射吸收肋、外壁半封闭气流挡板、内壁半封闭气流挡板、全封闭气流挡板、气体进气口、气体出气口等。高温热管组对中呈环形均匀排布，热管组吸热段和冷凝段由分隔板隔开，热管吸热段与环形辐射吸收肋紧密接触，并连同漫反射圆锥体一起构成U型吸热腔道。热管冷凝段由环形套筒罩住，相邻热管间内置分隔板，引导气体流动轨迹呈蛇形。本发明适用于不同功率大小的碟式-斯特林太阳能热发电系统，相比以往的间接型接收器具有热流分布更均匀，传热效率更高，系统更稳定等优点。
Description
技术领域
本发明涉及热管接收器，尤其涉及一种U型通道组合型热管接收器。
背景技术
碟式-斯特林太阳能热发电是太阳能热发电技术中光电转换效率最高的一种方式，它通过旋转抛物面碟形聚光器将太阳辐射聚集到热接收器中，接收器将能量吸收后由斯特林热发动机实现太阳能到电能的转换。一般太阳能斯特林发动机的功率都相对较小，适合于分布式能源利用，也具备大规模联合并网发电的潜力。此外，它们还可以设计成燃料和太阳能聚光器联合加热系统，在没有阳光时可用矿物燃料代替太阳光持续发电。
碟式太阳能热发电系统包括聚光器、接收器、热机、支架、跟踪控制系统等主要部件。系统工作时，从聚光器反射的太阳光聚焦在热接收器上，热机的工作介质流经接收器吸收太阳光转换成的热能，使介质温度升高，即可推动热机运转，带动发电机发电。
接受器是光热转换的核心部件，碟式太阳能热发电系统的接收器有两种类型：直接接收器和间接接收器。现有的碟式-斯特林热发电系统广泛使用的是直接接受器。由于太阳辐射存在非常明显的不稳定性，再加上聚光镜本身的聚光精度问题，往往导致直接接收换热管存在严重的温度不均现象，进而导致了诸如热疲劳、氧化、使用寿命等一系列问题，同时使系统的整体运行非常不稳定。间接接收器一般使用液态金属作为中间媒介，通过液态金属的蒸发和冷凝，热量被间接地传递到斯特林机的换热管中，有国外的研究报告表明热管式接收器是21世纪头20年碟式-斯特林太阳能技术发展的核心突破点，将热管式吸收器应用于STM 4-120斯特林机的实验结果显示该系统整体的光热效率提升了超过10%，其巨大潜力令人鼓舞。目前间接接收器尚处于试验研究阶段，虽然国内外目前已经设计了若干该类型的间接接收器，但都存在一些各式各样的明显缺陷。
美国Sandia国家实验室于90年代先后设计了第一代和第二代池沸腾式间接接收器，这种池沸腾接收器结构简单，加工成本较低，适应性强，适合于在较大的倾角范围内运行，金属蒸汽直接冷凝于热机换热管，效率非常高，但工质的充装量较大，一旦发生泄漏后果不堪设想。德国航空航天中心分别设计了第一代和第二代热管接收器，但在使用一段时间后出现了局部工质泄漏。美国专利US5113659涉及了一种可蓄热的高温热管接收器。该接收器是由多根圆柱状高温热管组合而成，在其中某个热管出现问题时并不会对其他的产生严重影响，提高了接收器的可靠性。国内南京工业大学同样设计了一种组合型热管接收器。该接收器采用数根异型高温热管作传热单元，使运行效率和可靠性均有提高，但是由于所采用的U型通道进口处光线的聚光比很高，而到达腔体底面的光线聚光比较低，因此同样会存在温度不均的问题，同时热管冷凝段热管外侧采用套管形式来传热，一方面导致气体流动阻力增大，对斯特林发动机的运行产生不利的影响，另一方面套管的布置方式导致吸热腔一侧热管组的布置更稀松，又使整体传热能力明显下降。
一个性能优良的接收器应该具有热量传递均匀，传输效率高，使用寿命长等特点。热接收器性能的优劣，是决定整个系统能否优良运行的关键因素之一。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种U型通道组合型热管接收器。
本发明通过以下技术方案来实现：
U型通道组合型太阳能热管接收器包括耐高温保温层、采光孔、热管组吸热段隔板、漫反射圆锥体、铝合金外壳、环形套筒、热管组冷凝段、环形辐射吸收肋、外壁半封闭气流挡板、内壁半封闭气流挡板、全封闭气流挡板、气体进气口和气体出气口；热管组吸热段和热管组冷凝段穿过分隔板，对中呈环形均匀排布，环形辐射吸收肋与热管组吸热段接触，热管组吸热段、环形辐射吸收肋和漫反射圆锥体构成了U型吸热腔，漫反射圆锥体位于U型吸热腔底部，漫反射圆锥体的背面与分隔板相连接，热管组冷凝段外套有环形套筒，环形套筒通过螺栓连接固定在分隔板上，环形套筒与分隔板之间设有密封圈，相邻热管之间间隔设有外壁半封闭气流挡板和内壁半封闭气流挡板，外壁半封闭气流挡板与环形套筒外环相连，内壁半封闭气流挡板与环形套筒内环相连，外壁半封闭气流挡板和内壁半封闭气流挡板的宽度均为环形套筒宽度的一半，其中两热管间设有全封闭气流挡板，即与内外侧圆筒壁均相连，全封闭气流挡板两侧环形套筒外壁上沿轴向依次均匀设有多个气体进气口和多个气体出气口，整个装置外侧包覆耐高温保温层，保温层外侧包覆铝合金外壳进行固定。
所述的热管组吸热段采用两种不同的吸收涂层，光线进口侧采用吸收率低的涂层，腔底一侧采用吸收率高的涂层。所述的分隔板、环形套筒、环形辐射吸收肋外壁半封闭气流挡板、内壁半封闭气流挡板和全封闭气流挡板的材料采用耐高温合金材料1Cr18Ni9Ti，采光孔采用耐高温陶瓷材料。
本发明与现有技术相比，具有如下有益效果：
（1）采用组合型圆柱状高温热管以及弧形连接片构成吸热腔，加工制造技术均非常成熟，简化了以往吸热端的复杂结构。且单个热管可以非常方便地进行拆装，这样即使某个热管损坏，也可以迅速地进行更换，不会对其他热管的工作及系统的运行造成很大影响。
（2）热管吸热段采用两种不同的吸收涂层，避免出现一般U型腔式吸收器普遍存在的进口段热流密度过高的问题，有效地延长了系统的使用寿命，也增强了整个系统的稳定性。
（3）热管冷却段的蛇形换热气道能够有效满足高效斯特林发动机无益容积小、密封性好的要求。同时，气阻在可接受的范围内，相比以往的冷却段换热方式，换热效果更佳。
附图说明
图1是U型通道组合型热管接收器结构示意图；
图2是图1的A-A剖面示意图；
图3是图1的B-B剖面示意图；
图中：耐高温保温层1、采光孔2、热管组吸热段3、分隔板4、漫反射圆锥体5、铝合金外壳6、环形套筒7、热管组冷凝段8、环形辐射吸收肋9、外壁半封闭气流挡板10、内壁半封闭气流挡板11、全封闭气流挡板12、气体进气口13、气体出气口14。
具体实施方式
对照附图对本发明做进一步说明。
如图1、图2、图3所示，U型通道组合型太阳能热管接收器包括耐高温保温层1、采光孔2、热管组吸热段3、分隔板4、漫反射圆锥体5、铝合金外壳6、环形套筒7、热管组冷凝段8、环形辐射吸收肋9、外壁半封闭气流挡板10、内壁半封闭气流挡板11、全封闭气流挡板12、气体进气口13和气体出气口14；热管组吸热段3和热管组冷凝段8穿过分隔板，对中呈环形均匀排布，环形辐射吸收肋9与热管组吸热段3接触，热管组吸热段3、环形辐射吸收肋9和漫反射圆锥体5构成了U型吸热腔，漫反射圆锥体5位于U型吸热腔底部，漫反射圆锥体5的背面与分隔板4相连接，热管组冷凝段外套有环形套筒7，环形套筒7通过螺栓连接固定在分隔板4上，环形套筒7与分隔板4之间设有密封圈，相邻热管之间间隔设有外壁半封闭气流挡板10和内壁半封闭气流挡板11，外壁半封闭气流挡板10与环形套筒7外环相连，内壁半封闭气流挡板11与环形套筒7内环相连，外壁半封闭气流挡板10和内壁半封闭气流挡板11的宽度均为环形套筒7宽度的一半，其中两热管间设有全封闭气流挡板12，即与内外侧圆筒壁均相连，全封闭气流挡板12两侧环形套筒7外壁上沿轴向依次均匀设有多个气体进气口13和多个气体出气口14，整个装置外侧包覆耐高温保温层1，保温层外侧包覆铝合金外壳6进行固定。
所述的热管组吸热段3从光线入口到腔体底面轴向分开为均匀的两部分，分别采用两种不同的吸收涂层，光线进口侧采用吸收率低的涂层，腔底一侧采用吸收率高的涂层。热管组冷凝段8均添加环形肋片，以增强传热效果。
所述的分隔板4、环形套筒7、环形辐射吸收肋9外壁半封闭气流挡板10、内壁半封闭气流挡板11和全封闭气流挡板12的材料采用耐高温合金材料1Cr18Ni9Ti，采光孔2采用耐高温陶瓷材料。
采用环形辐射吸收肋9有三个作用：1保温层和腔体的分隔体；2吸收相邻热管间隙之间的光线辐射，并通过热传导的方式把热量传递给热管；3反射部分入射光线到热管上，使其辐射能量被热管吸收。
采光孔主要有两个作用：1聚焦光线进口；2限制腔体与外界环境的对流换热，减少热量损失。
热管组吸热段光线进口段涂覆吸收比约0.8相对较低的耐高温吸收涂层，底面段涂覆吸收比大于0.9较高的耐高温吸收涂层，以增强热流分布的均匀性。热管组冷凝段均添加环形肋片，以增强换热效果。
本发明的工作过程如下：
首先太阳光线由碟式抛物镜面进行聚焦，理论焦点即为采光孔中心点。聚焦光线经采光孔进入吸热腔，大部分入射到高温热管组吸热段以及环形辐射吸收肋内侧，小部分直接入射到漫反射圆锥体上。入射到热管和环形辐射吸收肋内侧的聚焦光线能量绝大部分被直接吸收转化为热能，少量被反射或散射，入射到吸热腔底部漫反射圆锥体上的光线大部分被漫反射，由于腔体只有一个相对很小的采光孔，因此大部分反射和散射的光线在腔体内也被再吸收，仅有少量光线从采光孔离开腔体。这样，进入采光孔的光线绝大部分被热管组吸热段所吸收并转化为热能，同时热量被传递到热管内的液态金属钠使其蒸发，蒸发后的气态金属钠在热管的冷凝段冷凝，实现热量被传输到冷凝段的管壁以及肋片上，高压斯特林工作流体从气体进口管进入环形套筒，并沿着蛇形流道流动，通过与管壁及肋片的对流换热，将热管冷却段的热量吸收，再从气体出口管流出进入斯特林机推动其运转做功。
Claims (3)
1.一种 U型通道组合型太阳能热管接收器，其特征在于包括耐高温保温层（1）、采光孔（2）、热管组吸热段（3）、分隔板（4）、漫反射圆锥体（5）、铝合金外壳（6）、环形套筒（7）、热管组冷凝段（8）、环形辐射吸收肋（9）、外壁半封闭气流挡板（10）、内壁半封闭气流挡板（11）、全封闭气流挡板（12）、气体进气口（13）和气体出气口（14）；热管组吸热段（3）和热管组冷凝段（8）穿过分隔板，对中呈环形均匀排布，环形辐射吸收肋（9）与热管组吸热段（3）接触，热管组吸热段（3）、环形辐射吸收肋（9）和漫反射圆锥体（5）构成了U型吸热腔，漫反射圆锥体（5）位于U型吸热腔底部，漫反射圆锥体（5）的背面与分隔板（4）相连接，热管组冷凝段外套有环形套筒（7），环形套筒（7）通过螺栓连接固定在分隔板（4）上，环形套筒（7）与分隔板（4）之间设有密封圈，相邻热管之间间隔设有外壁半封闭气流挡板（10）和内壁半封闭气流挡板（11），外壁半封闭气流挡板（10）与环形套筒（7）外环相连，内壁半封闭气流挡板（11）与环形套筒（7）内环相连，外壁半封闭气流挡板（10）和内壁半封闭气流挡板（11）的宽度均为环形套筒（7）宽度的一半，其中两热管间设有全封闭气流挡板（12），即与内外侧圆筒壁均相连，全封闭气流挡板（12）两侧环形套筒（7）外壁上沿轴向依次均匀设有多个气体进气口（13）和多个气体出气口（14），整个装置外侧包覆耐高温保温层（1），保温层外侧包覆铝合金外壳（6）进行固定。
2.根据权利要求1所述的一种U型通道组合型热管接收器，其特征在于所述的热管组吸热段（3）采用两种不同的吸收涂层，光线进口侧采用吸收率低的涂层，腔底一侧采用吸收率高的涂层。
3.根据权利要求1所述的一种U型通道组合型热管接收器，其特征在于所述的分隔板（4）、环形套筒（7）、环形辐射吸收肋（9）外壁半封闭气流挡板（10）、内壁半封闭气流挡板（11）和全封闭气流挡板（12）的材料采用耐高温合金材料1Cr18Ni9Ti，采光孔（2）采用耐高温陶瓷材料。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN104006547A (zh) * | 2013-02-26 | 2014-08-27 | 浙江同景科技有限公司 | 碟式太阳能热发电系统的集热器 |
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