CN102227596B

CN102227596B - 太阳能集热

Info

Publication number: CN102227596B
Application number: CN200980148156.1A
Authority: CN
Inventors: 安德鲁·劳温斯坦
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2008-10-03
Filing date: 2009-10-05
Publication date: 2014-06-25
Anticipated expiration: 2029-10-05
Also published as: AU2009298092A1; US20110303216A1; US8459250B2; CN102227596A; BRPI0920723A2; WO2010040137A1

Abstract

一种具有杜瓦型真空管的太阳能集热设备，其例如通过维持流入太阳能集热器的挥发性液体的液面，使得集热管的内圆筒的不多于80％的容量充满液体，并且对应的集流腔在热量从吸收太阳辐射的玻璃的内圆筒的表面传递到挥发性液体时收集所产生的蒸汽，结果使得太阳辐射的收集更有效。上述设备可同样用于加热吸热管中的液体，液体具有挥发性成分和不挥发性成分。当热量传递到液体时，一部分挥发性成分转化为蒸汽，使得液体中留下的不挥发性成分的浓度变大。

Description

太阳能集热

技术领域

本发明总体涉及太阳能集热。本发明更具体涉及增加管式太阳能集热设备的效率。

背景技术

应用太阳能进行加热一般需要有效吸收太阳辐射的集热器。集热器将辐射能量传递给流体，流体以热的形式将能量运送到最终应用装置。该最终应用装置可包括家庭用水或空间加热装置。有效的集热器必须吸收高百分比的入射太阳辐射，同时只有少量的吸收能量通过热传导或热辐射损失到环境。

包括两个同轴玻璃管以及位于这两个同轴玻璃管之间的真空空间的太阳能集热器通常被认为是用于吸收高百分比的入射辐射并使得由传导产生的热量损失最小化的有效构造。按这样的方式构造的太阳能集热器类似于可被用作隔热储存容器的杜瓦瓶的构造，并且有时也适当地称为杜瓦型真空管集热器。使得热辐射的损失最小化的需要已经通过在内部玻璃管的真空侧涂覆有选择性表面来解决，该选择性表面对可见光辐射具有高吸收率而对红外光辐射具有低发射率。

有关真空管太阳能集热器的主要发展努力涉及取出细长玻璃管所吸收的热能。一种从真空管太阳能集热器的细长内部玻璃管取出热能的方法是，使水或其它工作流体循环进出玻璃管的内部。循环通过玻璃管的工作流体吸收太阳能并将能量携带至能够储存能量的位置，或者投入实际使用。一种替换的方法为经由位于玻璃管内的导管（pipe）或循环管使水或工作流体循环通过细长玻璃管，使得水或其它工作流体实际上不接触玻璃管。

再一技术使用热管将吸收的太阳能传递到用作散热器的工作流体介质。散热器“储存”收集的热能和/或将能量传递到能够将储存的能量投入实际使用的位置。在这样的实施例中，热管可包括汽化器部，汽化器部吸收太阳能并引起热管中的挥发性传热流体（不是工作流体介质）汽化。蒸汽压力将蒸汽推向热管中的与工作流体介质或散热器接触的较冷的冷凝器段。

汽化器部从太阳吸收的热能从热管内的传热流体的蒸汽经由冷凝器传导至热管外的工作流体或散热器。由于热量从蒸汽传导至工作流体而使传热流体蒸汽的温度降低，导致热管中的传热流体冷凝。然后，冷凝的传热流体从冷凝器部回流到热管的吸收太阳能的汽化器部而使循环继续。

用于将热传导至杜瓦型真空管太阳能集热器之外的又一方法包括在集热器内吸收太阳能将水煮沸。由煮沸的水产生的蒸汽通过被称为汽相抽吸（vapor-phase pumping）的过程将热量传出集热器。利用汽相抽吸的太阳能集热器包括：管式吸热器，加热液体（例如水）几乎充至顶部，以在吸热器的上端提供相对小的汽相区；热水器（boiler），安装在比太阳能集热器更高的高度；管，液体从热水器通过管流入管式吸热器中，而且管延伸进入管式吸热器的内部，基本上延伸吸热器的全部长度；以及连接热水器中上部的汽相区与管式吸热器中的汽相区的管。使用汽相抽吸从真空管太阳能集热吸取热量比用热管容易，而且还避免了对机械泵的需求。

不能将管式吸热器充满而使得上半部接触液体已通常被视为缺点。汽相抽吸设备通过使内吸热圆筒充满液体或者将内吸热圆筒转换为热管而有意识地避免这样的构造。还包括另一选择，即将独立的热管或U形管插入内吸热圆筒中，并使用金属的导热鳍片将热管或U形管的汽化器热耦合到内吸热器圆筒。

然而，上述的汽相抽吸装置具有若干局限。通过顶部几乎被充满的管式吸热器的操作，管式吸热器内的热流体储存相当多的热能。这些热能中的大部分将在夜间损失到环境。此外，如果管式吸热器中的流体为水，则吸热器很可能因为水在结冰时体积膨胀而在寒冷天气因结冰损坏。如果吸热器中产生的蒸汽流向热水器而不干扰流入的液体，则必须使用伸入吸热器中的入口管。此管通常为金属管，为的是承受真空管集热器内的可能存在的滞留参数，这种管增加了太阳能集热器的成本，对例如铜之类的较昂贵的金属而言尤其如此。

发明内容

本发明的一实施例阐述了一种将液体转化为蒸汽的设备。该设备包括管式太阳能集热器，管式太阳能集热器具有：透明的外圆筒，具有一个封闭端；和同轴的内圆筒，具有一个封闭端。内圆筒包括吸收太阳辐射的表面涂层。这两个圆筒的纵轴线基本上水平，并且内圆筒在外圆筒内定向，使得两个圆筒的封闭端彼此接近，由此在这两个圆筒之间形成真空空间。该设备还包括集流腔（manifold）；该集流腔维持流入管式太阳能集热器的挥发性液体的液面，使得内圆筒的不多于80%的容量充满液体。集流腔还在热量从吸收太阳辐射的内玻璃筒传递到挥发性液体时，收集所产生的蒸汽。

根据本发明的一个方面，提供了一种用于将液体转化为蒸汽的设备，该设备包括一个或多个太阳能集热器和集流腔。其中，一个或多个太阳能集热器各自包括：透明的外圆筒，具有封闭端和开放端；内圆筒，具有封闭端和开放端，所述内圆筒与所述透明的外圆筒同轴并设置在所述透明的外圆筒内，使得所述内圆筒的封闭端的位置接近所述透明的外圆筒的封闭端，并且所述内圆筒的外表面由吸收太阳辐射以产生热量的材料制成；所述透明的外圆筒与所述内圆筒两者的纵轴线基本一致；以及封闭的真空空间，形成于所述透明的外圆筒与所述内圆筒之间。集流腔与所述一个或多个太阳能集热器接合并包括一个或多个开口，所述一个或多个开口中的每一个开口均与所述一个或多个太阳能集热器中的相应太阳能集热器的所述内圆筒的开放端连通，使得供应到所述集流腔的液体通过所述开口引入至所述内圆筒内，并且在生成的热量传递到液体时产生的蒸汽通过所述开口导引离开所述内圆筒；所述集流腔维持流入所述一个或多个太阳能集热器中的液体的液面，使得对于所述一个或多个太阳能集热器中的每一个，所述内圆筒的不多于80%的容量充满液体，并且每个内圆筒内的未填充液体的容量至少在所述内圆筒的全部长度的四分之三上延伸。

根据本发明的另一方面，提供了一种将液体转化为蒸汽的方法，该方法包括以下步骤：通过支撑一个或多个太阳能集热器的集流腔，将液体引入所述一个或多个太阳能集热器；维持引入所述一个或多个太阳能集热器的液体的液面，使得对于所述一个或多个太阳能集热器中的每一个，所述内圆筒的不多于80%的容量充满液体，并且每个内圆筒内的未填充液体的容量至少在所述内圆筒的全部长度的四分之三上延伸；以及收集在所述一个或多个太阳能集热器的所述内圆筒中产生的热量被传递到所述液体时所产生的蒸汽。其中，所述一个或多个太阳能集热器中的每一个包括：透明的外圆筒，具有封闭端和开放端；内圆筒，具有封闭端和开放端；所述内圆筒与所述透明外圆筒同轴并设置在所述透明的外圆筒内，使得所述内圆筒的封闭端的位置接近所述透明外圆筒的封闭端；所述内圆筒的外表面由吸收太阳辐射以产生热量的材料制成；所述透明的外圆筒与所述内圆筒两者的纵轴线基本一致；以及封闭的真空空间，形成于所述透明的外圆筒与所述内圆筒之间。

根据本发明的又一方案，提供了一种将液体转化为蒸汽的设备，该设备包括一个或多个太阳能集热器和集流腔。其中，一个或多个太阳能集热器各自包括：透明的玻璃的外圆筒，具有封闭端和开放端；内圆筒，具有封闭端和开放端；所述内圆筒与所述透明的玻璃的外圆筒同轴并设置在所述透明的玻璃的外圆筒内，使得所述内圆筒的封闭端的位置接近所述透明的玻璃的外圆筒的封闭端；所述内圆筒的外表面由吸收太阳辐射以产生热量的材料制成；所述透明的玻璃的外圆筒与所述内圆筒两者的纵轴线基本一致；以及封闭的真空空间，形成于所述透明的玻璃的外圆筒与所述内圆筒之间。集流腔与所述一个或多个太阳能集热器接合并包括一个或多个开口，所述一个或多个开口中的每一个开口均与所述一个或多个太阳能集热器中的相应太阳能集热器的所述内圆筒的开放端连通，使得供应到所述集流腔的液体通过所述开口引入所述内圆筒内，并在生成的热量传递到液体时产生的蒸汽通过所述开口导引离开所述内圆筒；所述集流腔维持流入所述一个或多个太阳能集热器的液体的液面，使得对于所述一个或多个太阳能集热器中的每一个，所述内圆筒的不多于80%的容量充满液体，并且每个内圆筒内的未填充液体的容量至少在所述内圆筒的全部长度的四分之三上延伸；对于所述一个或多个太阳能集热器中的每一个，所述透明的玻璃的外圆筒和所述内圆筒两者的所述开放端插入所述一个或多个开口中的相应开口中；而且所述集流腔包括用于在所述一个或多个太阳能集热器与所述集流腔之间形成液封的装置；所述集流腔还包括：一个或多个入口孔，其允许液体进入所述集流腔；和一个或多个第一出口孔，其允许蒸汽离开所述集流腔。

附图说明

图1示出各个管处于相同水平面的多管太阳能集热器的立体图。

图2示出通过图1的多管太阳能集热器的一个水平管的纵向剖面图。

图3示出包括反射背板（back plane）的图1的多管太阳能集热器的侧视图。

图4示出由三个单独的集流腔子组件组成的多管太阳能集热器的立体图。

图5是通过多管太阳能集热器的端盖和水平管的纵向剖面图，其中水平管所在平面不是水平面。

图6是水平管用于蒸发多组分液体的挥发性成分的多管太阳能集热器的立体图。

图7示出多管太阳能集热器的剖开的立体图，该多管太阳能集热器具有水平管并包括内干线；水平管用于蒸发多组分液体中的挥发性成分，内干线将多组分液体传送到所述管之一。

图8示出通过集流腔的中心平面的纵向剖面图，集流腔使用带有孔口的隔板以允许浓缩液体通过端壁配件从集流腔取出。

图9示出对应产生蒸汽的多管太阳能集热器的性能数据。

具体实施方式

大体描述具有杜瓦型真空管的太阳能集热设备。上述的管可实质上水平定向，并且与操作顶部几乎充满液体的现有技术的太阳能集热设备不同，管中部分地填充液体。作为替代，本发明的实施例中的管可仅部分地填充液体，使得液体之上的蒸汽空间延伸超过管长度的四分之三。由于管定向至接近水平并部分地填充液体，所以在管内产生的蒸汽能够离开管且与进入的液体不冲突。这样的构造（特别是管内相对少量的液体）减少夜间的热量损失，并且在管中填充的液体不足管的一半的应用中，在结冰期间膨胀的液体能够在管内减少夜间的热量损失，而不生成可能损坏管的大应力。

在此描述的本发明的实施例可将吸热管中的液体加热，该液体具有挥发性成分和不挥发性成分。当热量传递到液体时，一部分挥发性成分转化为蒸汽，使得液体中留下的不挥发性成分的浓度变大。蒸汽和浓度变大的液体均通过吸热管的开放端离开吸热管。

图1示出各个管20处于相同水平面的多管太阳能集热器10的立体图。太阳能集热器10的每个管20可具有图2的内容反映的杜瓦型真空管构造。图2示出通过图1的多管太阳能集热器10的一个水平管20的纵向剖面图。如图2所示，每个真空管20具有透明的外圆筒22和吸热的内圆筒24。

如图1所示，每个真空管20的开放端插入密封垫（grommet）36（也在图2示出）中，密封垫36适配到中枢集流腔30的侧壁31上的圆形开口32内。中枢集流腔30具有隔离层50（见图2），隔离层50用以减少损失到环境的热量。图1未示隔离层（隔离件）50，为的是能够更容易地理解太阳能集热器10的下列特征。

在图1和图2中，集流腔30具有正方形横截面，但是也可呈圆形、矩形或者与应用或相关制造成本的具体要求对应的任意其它形状。密封垫36优选由与集热器10内被加热的液体40相容的弹性体制成。密封垫36被设计成在真空管20与集流腔30之间形成液封（fluid seal）。

使用密封垫36允许更容易地替换损坏的真空管20。然而，可将密封垫36与其它装置互换，用以在集流腔30中密封真空管20。例如，集流腔30可由在真空管20插入圆形开口32时生成液封的材料制成。例如室温硫化硅橡胶（silicone RTV）之类的密封剂压条（bead）能够替换性地放在真空管20与集流腔30之间的接头周围，以达到相同的密封效果。

液体40通过入口配件35（图1）进入集流腔30，入口配件35可位于集流腔30的端壁33上。液体40的流动可控制，以使液体40只部分地填充管20。由于管20水平配置，所以液体之上的蒸汽空间44将扩大至每个管20的全部长度。虽然管20在图1和图2中示出为圆形，但是管20可设计成包括椭圆形、梨形或倒梨形的其它形状，以及可被用来最大化太阳能集热效果或优化集热器10中的流体流动的其它形状。

虽然集热器10的优选实施例可按管20水平构造来施行，但是如果将管20设置成开放端比封闭端高，则蒸汽空间44的长度可能比管20的长度短。蒸汽空间44的长度为管20的长度的一部分，能够帮助太阳能集热器10高效运行。例如，如果液体40为水，则随着管20中水（液体40）量的增加，集热器10更易被结冰损坏。随着管20中液体40的量的增加，夜间的热量损失可同样增加。

当管20设置成开放端比封闭端低时，管20内的液体40的液面可为液体40不会延伸至管20的总长。在这样的构造中，吸热的内圆筒24的表面可改良为充当芯部（wick），以使液体沿轴向朝向吸热的内圆筒24的封闭端被毛细力（capillary force）吸引，或者沿周向在吸热的内圆筒周围被毛细力吸引。此芯部可由粘合到吸热的内圆筒的粒状玻璃颗粒构成，如美国专利第4,474,170号所示。可使用能够承受高温的其它耐熔颗粒，例如砂或氧化铝颗粒。

芯部也能够是插入吸热的内圆筒24的薄的织造或非织造的玻璃纤维层。只要芯部能够被液体40浸湿，并且当暴露在真空管太阳能集热器10内可能产生的最高温度下时不退化，则其它芯部也是可能的。在一个实施例中，芯部可将液体吸到吸热的内圆筒24的较热的上部，由此改善太阳能集热器10的性能。

在太阳能集热器10的操作期间，太阳辐射穿过真空管20的透明的玻璃的外圆筒22，并照射在吸热的内圆筒24上。玻璃的外圆筒22与吸热的内圆筒24之间的容积23为真空，以消除从吸热的内圆筒传导至周围环境的热量损失。

吸热圆筒24的面向真空的表面可对太阳辐射具有高吸收率而对红外（即热）辐射具有低发射率。吸热圆筒24的吸收率和发射率可通过例如黑铬、黑镍或者镍氧化铝之类的电镀施加的选择性的涂层（galvanically appliedselective coating）来控制。可替换性地以真空工艺经由蒸汽施加氮氧化钛层。氮氧化钛涂层具有低发射率，并能够通过自由发射的（emission-free）高效能的工艺产生。

照射在吸热圆筒24上的太阳辐射转化为热能，并使吸热圆筒24的上部的温度升高。热传导、热对流以及来自吸热圆筒24的内壁的辐射的组合将热能从吸热圆筒24传递到吸热圆筒24内的液体40。如果入射的太阳辐射足够强烈，则液体40将被加热到其蒸汽压力大于环境压力的温度。在这个温度，生成的蒸汽将流动至吸热圆筒40之外并进入集流腔30。所述流动挤出圆筒中可能存在的任何空气。蒸汽通过蒸汽出口配件37离开集流腔30。蒸汽能够用作热源，用于干燥剂再生、水加热、空间加热或类似的操作。

图3示出包括反射背板的图1的多管太阳能集热器的侧视图。如图3所示，能够用设置在管20之下的反射表面52来增加每个管20所收集的太阳辐射量。在图3中，反射表面52示出为平坦的；并且未被真空管20吸收的入射太阳辐射53成为扩散辐射55，向上朝向真空管20反射。

反射表面52也可镜反射（specularly reflect）太阳辐射；表面52可因此具有合成抛物线形状。可按反射表面52的情况实施其它形状。可选地，集流腔30的多个镜像对（mirror image pair）可被散置成使得能够用于吸收太阳能的表面积的量值最大化。这样的交错或散置的管的设置将导致两个平行的集流腔和较小的实施空间要求。这样的设置可能牺牲放在集热器10的管后的镜子提供的一些反射能潜力（energy potential）。

在需要大量热能的应用中，将所有的真空管20联结到单个集流腔30可能不实际。如图4所示，其示出了由三个单独的集流腔子组件组成的多管太阳能集热器的立体图，联结套筒38能够用来首尾相连地连接两个或更多个集流腔30，以使它们如同单个集流腔那样工作。可用环面接头（toric joint）39（有时被称为机械垫圈或O型圈）来恰当密封多个集流腔30与联结套筒38。当多个集流腔连接在一起时，端壁33可只加到串联的第一个集流腔30与最后的集流腔30的外端。使用上述环面接头39来密封这样的端壁33与集流腔30。

图1和图2所示的太阳能集热器10的真空管20均位于基本相同的平坦的水平面。在真空管20均处在相同的水平面且真空管20之间的液体流动没有障碍的情况下，液体40在所有真空管20中的液面将基本相同。然而，在一些实施例中，真空管可能位于并非水平面的平面。图5就是这样的实施例，且其示出了通过多管太阳能集热器的端盖和水平管的纵向剖视图，其中水平管位于并非水平面的平面。图5所示的实施例将允许太阳能集热器10在每个管20基本水平，但是这些管不再位于同一个水平面的情况下操作。

在图5中，将调平端盖64加到每个真空管20的开放端。在图5的太阳能集热器10操作期间，液体40通过入口管66被泵送到最高的调平端盖64a中。当液体到达真空管20内的预定液面时，液体流过低坝部65。溢出的液体在重力作用下流过传输管67，并进入接下来较低的调平端盖64b。液体40的这种连续的流动持续到最低的调平端盖64c。在最低的调平端盖64c，液体40经由出口管68从太阳能集热器10流出。可使用泵（未示）将从出口管68流出的液体40重新循环到入口管66。除使用调平端盖64和液体40可能的再循环之外，图5所示的太阳能集热器10的操作基本上与图1和图2的太阳能集热器10的操作类似。

图6是多管太阳能集热器70的立体图，多管太阳能集热器70具有用于蒸发多组分液体中的挥发性成分的水平管。图6所示的太阳能集热器70用于将液体混合物部分地分成挥发性成分和不挥发性成分。太阳能集热器70能够用于去除例如氯化钙（即不挥发性成分）之类的离子盐水溶液中的水分，不过不限于这种应用。

可溶于水的其他离子盐包括氯化锂、溴化钙、溴化锂、氯化钠、硫酸钾、硫酸钠，以及那些在溶液被加热时所产生的蒸汽中只含有一种成分（即在盐水溶液的情况下的水）的溶液。具有较大比例的不挥发性成分的液体混合物将被称为浓缩液体，而具有较低比例的不挥发性成分的液体混合物被称为稀释液体。这样的稀释液体72被供应到太阳能集热器70，而浓缩液体74和蒸汽75从太阳能集热器返回。

随着不挥发性成分的浓度增加以及温度的提高，液体混合物的密度也可增加。在这种情况下，请注意以下应用，即供应到太阳能集热器70的稀释液体72被加热到充分高的温度，以确保其密度低于从太阳能集热器返回的热的浓缩液体74的密度。在这种情况下，用于稀释液体72的入口配件76可位于中枢集流腔84的前端壁82上接近真空管20中的液体的液面高度处。图6示出这样的构造。

通过出口配件78从中枢集流腔84取出浓缩液体74，出口配件78可位于后端壁83上接近中枢集流腔84的底部的高度，如图6所示。由于入口配件76和出口配件78的设置，稀释液体72将趋于在太阳能集热器70内的液体表面分布开，并以相对均匀的方式传送到每个真空管20。

随着稀释液体72被真空管20所吸收的太阳辐射加热，稀释液体72的一些挥发性成分转化为蒸汽。随着这种情况发生，稀释液体72变得浓缩，而且稀释液体72的密度增加，由此造成稀释液体72下沉到真空管20内的较低高度。在太阳能集热器70的操作期间，持续地有稀释液体流向管并有浓缩液体从管返回，稀释液体在浓缩液体之上流动。蒸汽75通过蒸汽出口配件77流出集流腔84，蒸汽出口配件77位于集流腔内的液面之上（如图6所示）。

在一些应用中，将用于稀释液体的入口配件76与用于浓缩液体的出口配件78置于集流腔84的相同端壁上可能是便利的。在这些应用中，入口配件76能够在集流腔内延伸，使得稀释液体被传送到集流腔内远离浓缩液体流出集流腔的位置的位置。这种设计可以防止稀释液体直接到达出口配件的“短路（short-circuiting）”。

在一些应用中，将稀释液体72预加热到足够高的温度以确保其浓度小于浓缩液体74是不实际的。在这些应用中，如图7所示，可将内干线（internalartery）86添加到太阳能集热器70。图7示出多管太阳能集热器的剖开的立体图，该多管太阳能集热器具有水平管并包括内干线；水平管用于蒸发多组分液体中的挥发性成分，内干线用于将多组分液体传送到所述管之一。

内干线86将稀释液体72传送到多个管20（这些管20是太阳能集热器70的一部分）中的一个真空管20a的封闭端。在这个真空管20a内的稀释液体将被加热到其密度小于浓缩液体74的密度的温度。被加热的稀释液体离开真空管20a，将随后沿充满管20的液体的表面流向其它那些真空管20。一旦稀释液体72流至其它真空管20，则在这些管20内生成蒸汽和浓缩液体的过程将与图6中描述的太阳能集热器70的操作相同。

根据供应到太阳能集热器70的稀释液体72的温度，可能有必要使用不止一个内干线86和不止一个真空管20a来进行预热。不过内干线86的数量将少于真空管20的数量；与每个真空管需要一个内干线的那些现有设计相比，这种构造仍然简单。

在图6和图7所示的太阳能集热器70中，如果出口配件78的直径大，并且浓缩液体自由地流出中枢集流腔84，则该配件的高度可设定集流腔84和真空管20内的液面。然而，在太阳能集热器70内产生的密度较大的浓缩液体将在密度较小的稀释液体下流动。由此，优选使出口配件78的位置接近中枢集流腔84的底部，因而只从集流腔取出浓缩液体。

图8示出通过集流腔的中心平面的纵向剖面图，该集流腔使用带有孔口的隔板，孔口用以允许从集流腔通过端壁配件取出浓缩液体。如图8所示，带有孔口91（该孔口接近隔板89的底部）的隔板89能够用于在中枢集流腔84的端部构成液体池93。通过孔口91流入该池93的液体将是浓缩液体。池93中的液面将与中枢集流腔84的剩余部分以及真空管20内的液面几乎相同。如果浓缩液体从出口配件78自由流出，则这个配件的高度能够用来确定池93、中枢集流腔84的剩余部分以及真空管20内的液面。

在图1至图8所示的实施例中，吸热的内圆筒24中只有下部被液体浸湿。照射在太阳能集热器上的很大一部分太阳辐射被吸热的内圆筒24的面向天空的上部吸收，吸热的内圆筒的这部分未被液体浸湿，真空管内或许也没有导热元件，所述导热元件有助于从吸热的内圆筒24的热的上部以及管内的液体40传热。

图9示出对应于产生蒸汽的多管太阳能集热器的性能数据。图9的性能数据具体对应于在图3所示的实施例的情况下实现的24管太阳能集热器。导致图9的数据的真空管的透明的外圆筒的直径为58mm，吸热的内圆筒的直径为47mm；每个管的长度为1.8m。这些管沿中枢集流腔分隔开，以使它们的轴向中心线之间的距离等于94mm。背板是位于真空管的轴向中心线以下94mm处的白色扩散反射表面。24管太阳能集热器通过进入集热器的水以及离开集热器的蒸汽工作，水接近于环境温度和压力，蒸汽则稍微过热到约105℃。

图9中以“A”标记的曲线示出当管中大约一半充满水时，有效地用于在24管太阳能集热器中产生蒸汽的太阳能，这部分太阳能表示为入射至集热器的内吸热圆筒上的不反射的太阳能的百分比。图9中以“B”标记的曲线示出当管中大约三分之一充满水时集热器的性能。

如图9所示，在加热一半满（即曲线A）的集热器的最初的三小时的时间段以及加热三分之一满（即曲线B）的集热器的最初的两个半小时的时间段之后，这两个集热器均以对应于入射至有关管的吸热的内圆筒上的不反射的太阳辐射的大约80%到100%的比率产生蒸汽。应注意，管也从背板收集被反射的辐射，所以100%的转化率并不意味着所有入射辐射都被转化成蒸汽。此外，一旦处在操作温度，这两个集热器均以大约相同的效率产生蒸汽，与充满的水平无关。

虽然以上已经描述了各种实施例，但是应理解它们只是作为示例而提出，而非限制性的。说明书并不旨在将本发明的范围限制到在此陈述的具体形式内。相比之下，本说明书旨在覆盖可包括在随附权利要求书所限定的以及本领域技术人员另外理解的、处于本发明的精神和范围内的此类替换、更改和等同方案。因此，优选实施例的界限和范围不应限于以上所述的任何示意性实施例。例如，本发明的太阳能吸热器也能用于加热例如乙二醇和水这样的多组分液体，由此产生比原始液体具有更多水分的蒸汽。在此情况下，本发明可用作蒸馏塔的热源。

Claims

1.一种用于将液体转化为蒸汽的设备，包括：

一个或多个太阳能集热器，其各自包括：

透明的外圆筒，具有封闭端和开放端；

内圆筒，具有封闭端和开放端，所述内圆筒与所述透明的外圆筒同轴并设置在所述透明的外圆筒内，使得所述内圆筒的封闭端的位置接近所述透明的外圆筒的封闭端，并且所述内圆筒的外表面由吸收太阳辐射以产生热量的材料制成；所述透明的外圆筒与所述内圆筒两者的纵轴线基本一致；以及

封闭的真空空间，形成于所述透明的外圆筒与所述内圆筒之间；以及

集流腔，与所述一个或多个太阳能集热器接合并包括一个或多个开口，所述一个或多个开口中的每一个开口均与所述一个或多个太阳能集热器中的相应太阳能集热器的所述内圆筒的开放端连通，使得供应到所述集流腔的液体通过所述开口引入至所述内圆筒内，并且在生成的热量传递到液体时产生的蒸汽通过所述开口导引离开所述内圆筒；所述集流腔维持流入所述一个或多个太阳能集热器中的液体的液面，使得对于所述一个或多个太阳能集热器中的每一个，所述内圆筒的不多于80%的容量充满液体，并且每个内圆筒内的未填充液体的容量至少在所述内圆筒的全部长度的四分之三上延伸。

2.如权利要求1所述的设备，其中对于所述一个或多个太阳能集热器中的每一个，所述透明的外圆筒和所述内圆筒两者的所述开放端插入所述一个或多个开口中的相应开口中；而且所述集流腔包括用于在所述一个或多个太阳能集热器与所述集流腔之间形成液封的装置。

3.如权利要求2所述的设备，其中用于形成液封的装置包括一个或多个密封垫。

4.如权利要求1所述的设备，其中所述集流腔还包括：一个或多个入口孔，其允许液体进入所述集流腔；和一个或多个第一出口孔，其允许蒸汽离开所述集流腔。

5.如权利要求1所述的设备，其中所述集流腔还包括用以减少损失到环境的热量的隔离件。

6.如权利要求1所述的设备，其中所述内圆筒的不多于50%的容量充满液体。

7.如权利要求1所述的设备，其中所述集流腔包括一个或多个分立的区段，所述一个或多个分立的区段中的每一个包括所述一个或多个开口中的至少一个开口。

8.如权利要求1所述的设备，其中所述一个或多个太阳能集热器的纵轴线位于相同的水平面。

9.如权利要求1所述的设备，其中沿所述内圆筒的轴向和围绕所述内圆筒的周向，所述内圆筒的内表面涂覆有通过毛细作用传送液体的材料。

10.如权利要求1所述的设备，还包括：反射表面，其设置成朝向所述一个或多个太阳能集热器反射太阳辐射。

11.如权利要求1所述的设备，其中所述一个或多个太阳能集热器的纵轴线位于与水平面成角度的平面中，所述一个或多个太阳能集热器中的每一个包括用于维持流入所述太阳能集热器的液体的液面的装置。

12.如权利要求4所述的设备，其中液体具有挥发性成分和不挥发性成分，使得当挥发性成分转化为蒸汽时，液体中的不挥发性成分的浓度增加；而且所述集流腔还包括一个或多个第二出口孔，用于使具有更高浓度的不挥发性成分的液体流出所述集流腔。

13.如权利要求12所述的设备，还包括：一个或多个内干线，其将液体从所述一个或多个入口孔传送到所述一个或多个太阳能集热器中的至少一个太阳能集热器内的内圆筒的封闭端。

14.如权利要求12所述的设备，其中所述液体是离子盐的水溶液，而且水是所述挥发性成分，所述离子盐是所述不挥发性成分。

15.如权利要求14所述的设备，其中流出所述一个或多个第二出口孔的液体具有更高浓度的不挥发性成分离子盐。

16.如权利要求1所述的设备，其中所述吸收太阳辐射的材料由包括黑铬、黑镍、镍氧化铝或者氮氧化钛的涂层构成。

17.如权利要求9所述的设备，其中所述材料包括粒状玻璃颗粒、氧化铝颗粒、或织造或非织造的玻璃纤维。

18.如权利要求1所述的设备，其中所述内圆筒由玻璃制成。

19.如权利要求1所述的设备，其中所述外圆筒由玻璃制成。

20.一种将液体转化为蒸汽的方法，包括以下步骤：

通过支撑一个或多个太阳能集热器的集流腔，将液体引入所述一个或多个太阳能集热器，所述一个或多个太阳能集热器中的每一个包括：

透明的外圆筒，具有封闭端和开放端；

内圆筒，具有封闭端和开放端；所述内圆筒与所述透明外圆筒同轴并设置在所述透明的外圆筒内，使得所述内圆筒的封闭端的位置接近所述透明外圆筒的封闭端；所述内圆筒的外表面由吸收太阳辐射以产生热量的材料制成；所述透明的外圆筒与所述内圆筒两者的纵轴线基本一致；以及

维持引入所述一个或多个太阳能集热器的液体的液面，使得对于所述一个或多个太阳能集热器中的每一个，所述内圆筒的不多于80%的容量充满液体，并且每个内圆筒内的未填充液体的容量至少在所述内圆筒的全部长度的四分之三上延伸；以及

收集在所述一个或多个太阳能集热器的所述内圆筒中产生的热量被传递到所述液体时所产生的蒸汽。

21.如权利要求20所述的方法，其中液体具有挥发性成分和不挥发性成分，使得当所述挥发性成分转化为蒸汽时，液体中的不挥发性成分的浓度增加；而且所述方法还包括：收集具有更高浓度的不挥发性成分的液体。

22.一种将液体转化为蒸汽的设备，包括：

一个或多个太阳能集热器，其各自包括：

透明的玻璃的外圆筒，具有封闭端和开放端；

内圆筒，具有封闭端和开放端；所述内圆筒与所述透明的玻璃的外圆筒同轴并设置在所述透明的玻璃的外圆筒内，使得所述内圆筒的封闭端的位置接近所述透明的玻璃的外圆筒的封闭端；所述内圆筒的外表面由吸收太阳辐射以产生热量的材料制成；所述透明的玻璃的外圆筒与所述内圆筒两者的纵轴线基本一致；以及

封闭的真空空间，形成于所述透明的玻璃的外圆筒与所述内圆筒之间；以及

集流腔，与所述一个或多个太阳能集热器接合并包括一个或多个开口，所述一个或多个开口中的每一个开口均与所述一个或多个太阳能集热器中的相应太阳能集热器的所述内圆筒的开放端连通，使得供应到所述集流腔的液体通过所述开口引入所述内圆筒内，并在生成的热量传递到液体时产生的蒸汽通过所述开口导引离开所述内圆筒；所述集流腔维持流入所述一个或多个太阳能集热器的液体的液面，使得对于所述一个或多个太阳能集热器中的每一个，所述内圆筒的不多于80%的容量充满液体，并且每个内圆筒内的未填充液体的容量至少在所述内圆筒的全部长度的四分之三上延伸；对于所述一个或多个太阳能集热器中的每一个，所述透明的玻璃的外圆筒和所述内圆筒两者的所述开放端插入所述一个或多个开口中的相应开口中；而且所述集流腔包括用于在所述一个或多个太阳能集热器与所述集流腔之间形成液封的装置；所述集流腔还包括：一个或多个入口孔，其允许液体进入所述集流腔；和一个或多个第一出口孔，其允许蒸汽离开所述集流腔。