CN102135339A - 一种无阻耦合瞬热式太阳能棒 - Google Patents

Abstract

本发明一种无阻耦合瞬热式太阳能棒涉及的是以太阳能作为热源的太阳能集热核心部件，属太阳能热利用技术领域。包括星形集热芯、自锁式热导轴、闭合密衔接口、多旋流散热管、抛物面集热弧形板、杯形工质流储能器、绝热护套、密闭咬合夹嘴、真空玻璃管、工质连接管、排气口、防护底托、封头、保温层、工质进口、工质出口、工作流体、超导介质和外壳；抛物面集热弧形板通过密闭咬合夹嘴固定成一体；密闭咬合夹嘴与星形集热芯成型一体；闭合密衔接口焊接固定在星形集热芯另一头；自锁式热导轴下端设置有内八字形接口；多旋流散热管成轴向套装在杯形工质流储能器内；超导介质填装在星形集热芯内；装配好的上述组件套装在真空玻璃管内。

Description

一种无阻耦合瞬热式太阳能棒

技术领域

本发明一种无阻耦合瞬热式太阳能棒涉及的是以太阳能作为热源的太阳能集热核心部件，属太阳能热利用技术领域。

背景技术

随着材料科学与现代工业的进步，几十年来在太阳能光热利用上已经有了长足的发展。但是就目前的技术现状来看，仍然存在着热能转换率低、使用寿命短等阻碍太阳能利用的技术瓶颈，低品位发展、重复生产等问题屡见不鲜。目前市场较高品位的超导热管式真空管以其独到的结构原理和性能，得到了市场的认可并接受，但经过近些年来的实际使用，也出现了新的问题：由于其管内一端的吸热面与管外一端的冷凝头散热面的比例为100:2，所以冷凝头温度很高，若不及时带走该高温热量，则会影响其热效率；另外超导热管采用圆形抽插定型翼片，翼片与热管之间、翼片与真空管内壁之间无法达到完美的紧密结合，因此无法有效地发挥吸散热一体功能，因而将不可避免地产生缝隙，造成太阳能吸收膜吸收到的热能很大部分只能依靠空气传导，加热速率明显滞后，热转换率不能达到理想目标；其次，散热时依靠冷凝段插入工质联箱套管内，而工质联箱与真空管之间采用制式密封胶圈密封，会导致在应用中，冷凝段由于散热不及时，温度较高，长时间使用，胶圈容易变形、老化，从而破坏密封效果，导致热量流失，降低热利用率。

发明内容

本发明的目的是针对上述不足之处，提供一种无阻耦合瞬热式太阳能棒。本发明一种无阻耦合瞬热式太阳能棒是以集热芯棒为主体，以真空玻璃管及杯形工质流储能器为附件共三个构件组成，妥善解决了冷凝头快速散热及密封问题、高效吸热汽化问题、全效传热，承压及消除热膨胀等重要技术难点，极大地拓展了新型热管真空管在太阳能热利用领域的应用面，特别是可以配合CPC非成像低聚焦聚光，完全突破了太阳能中温应用领域的技术瓶颈，为节能建筑一体化和人们的日常生活生产提供了一款不可多得的太阳能热利用核心装置。

一种无阻耦合瞬热式太阳能棒是通过采用以下技术方案实现的：

一种无阻耦合瞬热式太阳能棒包括星形集热芯、自锁式热导轴、闭合密衔接口、多旋流散热管、抛物面集热弧形板、杯形工质流储能器、绝热护套、密闭咬合夹嘴、真空玻璃管、工质连接管、排气口、防护底托、封头、保温层、工质进口、工质出口、工作流体、超导介质和外壳；

抛物面集热弧形板通过密闭咬合夹嘴固定成一体；密闭咬合夹嘴与星形集热芯成型一体；星形集热芯一头用封头焊接密封，封头中心开孔，便于密封固定排气口，并进行抽真空处理；闭合密衔接口焊接固定在星形集热芯另一头；自锁式热导轴下端设置有内八字形接口；闭合密衔接口的外八字形敞口和自锁式热导轴下端的内八字形接口成活动状配合；多旋流散热管成轴向套装在杯形工质流储能器内，并与其采用环焊工艺密封焊接；杯形工质流储能器上设置有工质进口和工质出口，并采用工质连接管焊接相连；外壳与杯形工质流储能器之间安装有保温层；防护底托套装在排气口上，可起到保护作用；闭合密衔接口周向外侧采用绝热护套断热处理；超导介质填装在星形集热芯内。装配好的上述组件套装在真空玻璃管内，最终形成一个完整的无阻耦合瞬热式太阳能棒。

所述的星形集热芯采用防锈铝合金、铜、B7铜合金或不锈钢制成。在采用防锈铝合金制作时可一次性成型为具有等边多角形、并附有密闭咬合夹嘴的曲面异型管状；在采用B7铜合金、铜或不锈钢材料制作时，可通过变形，在等边多角形的每个角上直缝焊接抛物面集热弧形板。

所述的抛物面集热弧形板可采用铜、铝合金、不锈钢或其它导热快、有弹性、不易生锈的金属薄壁板材。依照真空玻璃管内径，抛物面集热弧形板可制成为具单抛物面或双抛物面的外形结构，有利于和真空玻璃管内壁形成无间隙弹性接触，以加速热吸收和热传导。

所述的抛物面集热弧形板向阳一面涂装有太阳能选择性吸收涂层，特别在配合CPC非成像低聚焦时，可有效提高热水温度。

所述的多旋流散热管是采用导热好的金属材料，如铜、B7铜合金、铝合金、不锈钢等材料，通过特种工艺在周向制作有滚旋状的翅片，并在向心一侧加工有宽度10mm-20mm，深度0.6mm-3mm的凹沟，有利于配合自锁式热导轴无缝涨接，提高传热速率；其下部制作成内八字环形圈。

所述的自锁式热导轴是采用导热好的铜、B7铜合金、铝合金等材料，通过机械加工成内壁为圆形，外壁面设置有凸台，凸台宽度为8mm-18mm、高度为0.6mm-3mm，其下端外侧为外八字状。

所述的杯形工质流储能器是采用铝合金、铜、不锈钢、B7铜合金和其它不易锈蚀的材料，制成一个倒置的杯形状，上端密封，下端敞开，周向与自锁式热导轴下方的凸边成密封焊接，并开有工质进口孔和工质出口孔。

所述的真空玻璃管是采用市售常规高硼硅玻璃3.3制成的Φ47、Φ58、Φ70、Φ100，并由玻璃内管、外管构成，内管外壁涂有太阳能选择性吸收涂层的成熟管型。

所述的真空玻璃管是采用市售常规高硼硅玻璃3.3制成的由玻璃内管、外管构成的Φ47、Φ58、 Φ70、Φ100的本色透光管型，长度为0.5m-4m不等。

所述的绝热护套是由耐高温、高耐候、高弹性功能高分子材料与中空纳米绝热材料、助剂等制备而成的复合材料。

所述的超导介质根据热管管体材质配置相应的能在低温35-50℃启动的有机、无机材料混合物，或采用市售的低温导热油及中低温环保制冷剂。

工作原理

太阳光辐射透过真空玻璃管外管，内管外壁涂装的太阳能选择性吸收涂层主动吸收并将光能转化为热能，贴附在内管内壁壁面周围的多片抛物面集热弧形板快速将热能通过密闭咬合夹嘴传导给星形集热芯，星形集热芯A形角将热能成八字形向里扩散，同步加热装填在芯棒内的超导介质，使超导介质汽化，并形成强大的喷射流，沿A形内壁面向自锁式热导轴顶端冲击，聚集了大量高温汽体的自锁式热导轴内壁向轴向、径向膨胀，径向膨胀时，外壁面凸台向多旋流散热管内壁凹面无缝胀贴，形成自锁状，封住热能，避免外泄。此时，工作流体已从工质进口进入杯形工质流储能器内，不断冲刷、吸收多旋流散热管滚旋状翅片放出的热能，达到设定温度后，从工质出口流出，进入储桶存储或直接使用。放出汽化潜热后的超导介质，冷凝成液体，在重力作用下回流到星形集热芯底部，继续吸收热能，循此往复。

当真空玻璃管采用本色透光管时，太阳光辐射透过透光管，抛物面集热弧形板向阳一面涂装的太阳能选择性吸收涂层主动吸收并将光能转化为热能，迅速通过密闭咬合夹嘴向星形集热芯传导，星形集热芯A形角将热能成八字形加热态势，大量热能快速加热星形集热芯内的超导介质，超导介质受热汽化，形成强大的喷射流，沿A形内壁面向自锁式热导轴散热端冲击。与此同时，自锁式热导轴在受热膨胀作用下，外壁面凸台向多旋流散热管内壁凹面无缝胀贴，形成自锁状，封住热能，在减轻周向膨胀量的同时，避免杯形工质流储能器与真空管之间的密封连接处产生缝隙。此时，工作流体已从工质进口进入杯形工质流储能器内，不断冲刷、吸收多旋流散热管滚旋状翅片放出的热能，达到理想温度后，从工质出口流出，进入储桶存储或直接使用。放出汽化潜热后的超导介质，冷凝成液体，在重力作用下回流到星形集热芯下部的蒸发段，继续吸收热能，循此往复。

附图说明

通过下面结合附图的详细描述，本发明前述的和其它的目的、特征和优点将变得更为清晰。其中：

图1是本发明一种无阻耦合瞬热式太阳能棒的主视图。

图2是本发明图1的一种无阻耦合瞬热式太阳能棒的A-A（断）剖视图。

图3是本发明图1的一种无阻耦合高性能太阳能集热芯棒的A-A剖视图C部放大图。

图4(a)、(b)分别是本发明图1的一种无阻耦合高性能太阳能集热芯棒的二种实施方式B-B剖视图。

图5是本发明的一种无阻耦合高性能太阳能集热芯棒的串联图。

图中序号：1、防护底托，2、排气口，3、封头，4、抛物面集热弧形板，5、真空玻璃管，6、闭合密衔接口，7、保温层，8、自锁式热导轴，9、多旋流散热管，10、杯形工质流储能器，11、超导介质，12、绝热护套，13、星形集热芯，14、密闭咬合夹嘴，15、工质连接管，16、工作流体，17、工质进口，18、工质出口，19、外壳。

具体实施方式

结合图1至图5所示，本发明一种无阻耦合瞬热式太阳能棒是采取以下技术方案实现的：

一种无阻耦合瞬热式太阳能棒包括星形集热芯13、自锁式热导轴8、闭合密衔接口6、多旋流散热管9、抛物面集热弧形板4、杯形工质流储能器10、绝热护套12、密闭咬合夹嘴14、真空玻璃管5、工质连接管15、排气口2、防护底托1、封头3、保温层7、工质进口17、工质出口18、工作流体16、超导介质11、外壳19以及必要的密封元件和固定螺钉等配件组成。

抛物面集热弧形板4通过密闭咬合夹嘴14固定成一体；密闭咬合夹嘴14与星形集热芯13成型一体；星形集热芯13一头用封头3焊接密封，封头3中心开孔，便于密封固定排气口2，并进行抽真空处理；闭合密衔接口6焊接固定在星形集热芯13另一头；自锁式热导轴8下端设置有内八字形接口；闭合密衔接口6的外八字形敞口和自锁式热导轴8下端的内八字形接口成活动状配合；多旋流散热管9成轴向套装在杯形工质流储能器10内，并与其采用环焊工艺密封焊接；杯形工质流储能器10上设置有工质进口17和工质出口18，并采用工质连接管15焊接相连；外壳19与杯形工质流储能器10之间安装有保温层7；防护底托1套装在排气口2上，可起到保护作用；闭合密衔接口6周向外侧采用绝热护套12断热处理；超导介质11填装在星形集热芯13内。装配好的上述组件套装在真空玻璃管5内，最终形成一个完整的无阻耦合瞬热式太阳能棒。

所述的星形集热芯13采用防锈铝合金、铜、B7铜合金和不锈钢制成。在采用防锈铝合金制作时可一次性成型为具有等边多角形、并附有密闭咬合夹嘴14的曲面异型管状；在采用B7铜合金、铜或不锈钢材料制作时，可通过变形，在等边多角形的每个角上直缝焊接抛物面集热弧形板4。

所述的抛物面集热弧形板4可采用铜、铝合金、不锈钢或其它导热快、有弹性、不易生锈的金属薄壁板材。依照真空玻璃管5内径，抛物面集热弧形板4可制成为具单抛物面或双抛物面的外形结构，有利于和真空玻璃管5内壁形成无间隙弹性接触，以加速热吸收和热传导。

所述的抛物面集热弧形板4向阳一面涂装有太阳能选择性吸收涂层，特别在配合CPC非成像低聚焦时，可有效提高热水温度。

所述的多旋流散热管9是采用导热好的金属材料，如铜、B7铜合金、铝合金、不锈钢等材料，通过特种工艺在周向制作有滚旋状的翅片，并在向心一侧加工有宽度10mm-20mm，深度0.6mm-3mm的凹沟，有利于配合自锁式热导轴无缝涨接，提高传热速率；其下部制作成内八字环形圈。

所述的自锁式热导轴8是采用导热好的铜、B7铜合金、铝合金等材料，通过机械加工成内壁为圆形，外壁面设置有凸台，凸台宽度为8mm-18mm，高度为0.6mm-3mm，其下端外侧为外八字状。

所述的杯形工质流储能器10是采用铝合金、铜、不锈钢、B7铜合金和其它不易锈蚀的材料，制成一个倒置的杯形状，上端密封，下端敞开，周向与自锁式热导轴8下方的凸边成密封焊接，并开有工质进口17孔和工质出口18孔。

所述的真空玻璃管5是采用市售常规高硼硅玻璃3.3制成的Φ47、Φ58, Φ70、Φ100，并由玻璃内管、外管构成，内管外壁涂有太阳能选择性吸收涂层的成熟管型。

所述的真空玻璃管5是采用市售常规高硼硅玻璃3.3制成的由玻璃内管、外管构成的Φ47、Φ58、 Φ70、Φ100的本色透光管型，长度为0.5m-4m不等。

所述绝热护套12是由耐高温、高耐候、高弹性功能高分子材料与中空纳米绝热材料、助剂等制备而成的复合材料。

所述的超导介质11根据热管管体材质配置相应的能在低温35-50℃启动的有机、无机材料混合物，或采用市售的低温导热油及中低温环保制冷剂。

本发明一种无阻耦合瞬热式太阳能棒具有明显的技术和性价优势，具体如下：

一、无阻耦合集热效果卓越，采用分裂式快速换热技术，热效超群，符合高品位、差异化发展思路。

本发明一种无阻耦合瞬热式太阳能棒彻底解决了目前国内外常规热管真空管的集热面积小、热转换慢、温度低等问题，以一种超常规、创新的理念，恰到好处地把热吸收、热传导和热利用三者紧紧联合在一起，以超越同等圆管1.3-1.6倍的速率，迅速吸收阳光辐射的能量，加热超导介质，使其吸热汽化，而后放热换热；与此同时，消除了径向膨胀量。

本发明特有技术，即星形集热芯、密闭咬合夹嘴和抛物面集热弧形板发挥了重大作用。在A形分裂式加热的作用下，使热转换率、热传导率在原来的基础上提高了15%，一举打破了目前市场上出现的50%以上的热管真空管产品，其热能靠闷晒及空气传导的做法，为未来热管真空管的大范围市场应用打下了良好的基础，也为太阳能中温应用领域的拓展提供了一款极具潜质的高性能太阳能集热芯棒。

二、自锁式热导轴创意独特，多旋流散热管功能优良

传统热管冷凝段散热是以联箱内设置的套管及热管散热头插入，作为热传导方式进行热交换的，仅靠插入段Φ15mm×70mm（长）的有限面积及有限深度散热，而且在热膨胀的作用下，往往向轴向移动，破坏密封圈密封。由于散热慢而造成大量热能滞后，局部产生高温，导致密封圈坏死，最终密封失效，热能外泄。采用自锁式热导轴，除了可充分利用常态热膨胀波，有效与多旋流散热管无缝涨接之外，还同时起到消除轴向膨胀量的作用，加上闭合密衔接口的巧妙设计，为整管的密封及一体化装配起到了重要作用。而工作流体从工作进口进入，经多旋流散热管周身滚旋式热片时，成无规则滚旋式通过连管从出口排出，带走热量，这种合理布局是目前市售热管真空管所无法企及的。

三、构思巧妙，理念新颖，结构合理，应用领域广。

热管抽真空与密封、承压能力与热膨胀、热吸收与热传导是三对矛盾体，同时又是热管制作中的核心技术，谁掌握了最佳核心技术，谁就能够制造出优秀的高性能热管产品，达到理想的光热效益。本发明一种无阻耦合瞬热式太阳能棒，通过一系列的技术创新及科技人员上千次的摸索，经采用有限元分析及通过制出的样管，已知完全可以在不同材质如铜、铝合金、不锈钢、B7铜合金等对任意一种材质配制相对应的有机、无机超导介质，工作压力可在0.8-2.3Mpa不等，工作温度覆盖80-280℃，真空度0.03-0.1。制出的高性能热管真空管传热效率可达85%-95%，当量导热系数是纯银的5000-30000倍，安全等级提高到绝对可放心的程度.配合CPC使用（低倍率聚光采用1-10倍，中倍聚光采用10-50倍），一举突破中温太阳能热管瓶颈，可以单管配合使用，也可串联多管使用，应用范围涵盖了整个中、低温领域，为节能建筑一体化提供了一款不可多得的高性能瞬热式太阳能棒，市场前景不可估量。

四、制作方便，可大批量生产，易推广应用，社会效益显著。

制作材料和专业设备容易购置和制造，可成机制规模化生产，一般员工经短期专业培训均可上岗操作。产品符合国家绿色能源、低碳理念，无论安装在阳台，还是屋顶，主体与储热箱体分离设置，视觉清新、美观。

 

市售常规热管真空管&一种无阻耦合瞬热式太阳能棒热效比

注：（1）太阳能单位面积辐射量800W/m² ，每天有效照射时长为4h；

（2）单根管管长1.2m，管内工质均为0.25KG；

（3）假设均铺设1万根管，并计算每年节能减排指标；

（4）标准煤按热值为2.93×10⁷/KG计算，锅炉效率按75%计算；

（5）以工业锅炉每燃烧1t煤，产生二氧化碳2620KG，二氧化硫8.5KG计算；

（6）按照水从15℃加热到65℃计算。

市售常规热管真空管&一种无阻耦合瞬热式太阳能棒减碳优势比

由此可见，一种无阻耦合瞬热式太阳能棒必然会创造出巨大的经济效益和社会效益，必将给太阳能光热利用带来历史性突破，开发前景广阔。

Claims (10)

1.一种无阻耦合瞬热式太阳能棒，其特征在于包括星形集热芯、自锁式热导轴、闭合密衔接口、多旋流散热管、抛物面集热弧形板、杯形工质流储能器、绝热护套、密闭咬合夹嘴、真空玻璃管、工质连接管、排气口、防护底托、封头、保温层、工质进口、工质出口、工作流体、超导介质和外壳；

抛物面集热弧形板与密闭咬合夹嘴固定成一体；密闭咬合夹嘴与星形集热芯成型一体；星形集热芯一头用封头焊接密封，封头中心开孔，便于密封固定排气口，并进行抽真空处理；闭合密衔接口焊接固定在星形集热芯另一头；自锁式热导轴下端设置有内八字形接口；闭合密衔接口的外八字形敞口和自锁式热导轴下端的内八字形接口成活动状配合；多旋流散热管成轴向套装在杯形工质流储能器内，并与其采用环焊工艺密封焊接；杯形工质流储能器上设置有工质进口和工质出口，并采用工质连接管焊接相连；外壳与杯形工质流储能器之间安装有保温层；防护底托套装在排气口上，可起到保护作用；闭合密衔接口周向外侧采用绝热护套断热处理；超导介质填装在星形集热芯内；装配好的上述组件套装在真空玻璃管内，最终形成一个完整的无阻耦合瞬热式太阳能棒。

2.根据权利要求1所述的一种无阻耦合瞬热式太阳能棒，其特征在于所述的星形集热芯采用防锈铝合金、铜、B7铜合金或不锈钢制成，在采用防锈铝合金制作时可一次性成型为具有等边多角形，并附有密闭咬合夹嘴的曲面异型管状；在采用B7铜合金、铜或不锈钢材料制作时，可通过变形，在等边多角形的每个角上直缝焊接抛物面集热弧形板。

3.根据权利要求1所述的一种无阻耦合瞬热式太阳能棒，其特征在于所述的抛物面集热弧形板采用铜、铝合金、不锈钢或其它导热快、有弹性、不易生锈的金属薄壁板材；依照真空玻璃管内径，抛物面集热弧形板可制成为具有单抛物面或双抛物面的外形结构，有利于和真空玻璃管内壁形成无间隙弹性接触，以加速热吸收和热传导。

4.根据权利要求1所述的一种无阻耦合瞬热式太阳能棒，其特征在于所述的抛物面集热弧形板向阳一面涂装有太阳能选择性吸收涂层，特别在配合CPC非成像低聚焦时，可有效提高热水温度。

5.根据权利要求1所述的一种无阻耦合瞬热式太阳能棒，其特征在于所述的多旋流散热管是采用导热好的金属材料，如铜、B7铜合金、铝合金或不锈钢材料，在周向制作有滚旋状的翅片，并在向心一侧加工有宽度10mm-20mm，深度0.6mm-3mm的凹沟，有利于配合自锁式热导轴无缝涨接，提高传热速率；其下部制作成内八字环形圈。

6.根据权利要求1所述的一种无阻耦合瞬热式太阳能棒，其特征在于所述的自锁式热导轴是采用导热好的铜、B7铜合金、铝合金等材料，通过机械加工成内壁为圆形，外壁面设置有凸台，凸台宽度为8mm-18mm、高度为0.6mm-3mm，其下端外侧为外八字状。

7.根据权利要求1所述的一种无阻耦合瞬热式太阳能棒，其特征在于所述的杯形工质流储能器是采用铝合金、铜、不锈钢、B7铜合金和其它不易锈蚀的材料，制成一个倒置的杯形状，上端密封，下端敞开，周向与自锁式热导轴下方的凸边成密封焊接，并开有工质进口孔和工质出口孔。

8.根据权利要求1所述的一种无阻耦合瞬热式太阳能棒，其特征在于所述的真空玻璃管采用高硼硅玻璃3.3制成的Φ47、Φ58、Φ70、Φ100，并由玻璃内管、外管构成，内管外壁涂有太阳能选择性吸收涂层的成熟管型；

或所述的真空玻璃管采用高硼硅玻璃3.3制成的由玻璃内管、外管构成的Φ47、Φ58、 Φ70、Φ100的本色透光管型，长度为0.5m-4m不等。

9.根据权利要求1所述的一种无阻耦合瞬热式太阳能棒，其特征在于所述的绝热护套采用耐高温、高耐候、高弹性功能的高分子材料与中空纳米绝热材料、助剂制备而成的复合材料。

10.根据权利要求1所述的一种无阻耦合瞬热式太阳能棒，其特征在于所述的超导介质根据热管管体材质配置相应的能在低温35-50℃启动的有机、无机材料混合物，或采用低温导热油及中低温环保制冷剂。

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