CN102269394B - 横置真空集热管太阳能产蒸汽的方法和装置 - Google Patents

Abstract

横置真空集热管太阳能产蒸汽的方法。按此方法制造的横置真空集热管太阳能产蒸汽装置，由联集器件和集热管组成，其特征在于集热管平放；含有与联集器件或者集热管连通的多水位挡水器件，集热管内的水位状态随多水位挡水器件状态的改变而改变。本发明的有益效果：集热管水平安装，沿轴心线分布的各部分工况一致性好。内玻璃管从受热区域到存水部分传热距离短。可用玻璃传热而不用毛细材料，不存在毛细吸液材料结垢问题。挡水器件能在联集器件轴心线倾角安装时使各集热管内水位状态保持一致。采用微机控制系统，可实现各种复杂的功能，大幅度提高两相流换热集热装置的性能，并可与生产工艺无缝衔接。结合附图给出一个实施例。

Description

横置真空集热管太阳能产蒸汽的方法和装置

技术领域

 本发明涉及横置真空集热管太阳能产蒸汽的方法和装置。

背景技术

现有的真空集热管集热温度高、热损小、产业化程度高，用其制造的插管式热水器可在冬季提供50℃以上生活热水。但总的来说，真空集热管的应用产品还不够丰富发达。

中国专利申请200910019948.0，披露了一种太阳能蒸馏海水淡化及原水净化工艺：原水通过冷凝管、进水阀进入集热管；集热管进水端高；其内玻管内壁置有毛细吸液膜。阳光使集热管内原水蒸发，蒸汽上升至冷凝室冷凝成水。该申请的技术方案存在的问题是：采用倾角布置集热管导致集热管沿轴心线各部分的工况严重不一致、集热管内的水取出不方便；采用贯通的玻璃真空集热管，其内玻璃管与罩玻璃管温度相差100℃时两者长度不一致，由此产生的应力使集热管工况严重劣化。一旦空晒或者部分空晒，贯通集热管极易损坏。此外，该申请的进水始终需要利用浮阀结构的进水阀进行调节。一旦进水阀关闭而太阳光照强度增强，毛细吸液膜难以及时将集热管下端（不是集热管内部下侧）数百毫米以下的原水吸上，集热管上部空晒，使进水阀不能打开、装置的产能放空，并大大增加集热管破损的可能；而在集热管温度很高时一旦进水阀打开突进冷水则贯通集热管极容易破损。根据经验，贯通集热管在上述工作模式下，其历经100个晴天的完好生存率不到10%。此外，该申请的毛细吸液膜会很快因结垢而失效。

中国专利申请201010216323.6，披露了一种便携式太阳能全玻璃真空集热管承压海水蒸馏淡化器：折叠式简化CPC聚光板安装在折叠支架的斜梁上表面，真空集热管插放在折叠支架两端的集热管支撑板中，冷凝管安装在折叠支架的斜梁下表面，集热管中心线与折叠式简化CPC板聚光中心线重合；在集热管中设置内管和外置冷凝管，内管含有金属丝网层。该申请的技术方案存在的问题是：内管和冷凝管造价不菲；其集热管充装海水的方法可能不适合工业化生产淡水；也没有给出处理金属丝网层结垢堵塞的解决方案；从说明书附图判断：集热管正对太阳其倾角可能有40度，这将导致集热管各部分工况的严重不一致。采用长度1.8米的真空集热管且安装倾角30度以上，内管中若海水少于一半则其上面0.9米长0.45米垂直高度的部分则会因毛细作用的限制而出现干涸，使相当一部分的产能放空；若内管充装过多或者集热管倾角接近水平，则未经除气的海水沸腾时会冲进冷凝管使蒸馏水中混入浓缩的海水，令蒸馏器的工作失去意义。

发明内容

本发明的目的是要提供横置真空集热管太阳能产蒸汽的方法和装置。

本发明解决其技术问题所采取的方法：用联集器件和与联集器件密封连接的真空集热管组成一台横置真空集热管太阳能产蒸汽装置，联集器件包括与集热管罩玻璃管插入连接的联集盒，和通过连接驳管与集热管内玻璃管或者罩玻璃管连接的联集母管。真空集热管包括全玻璃真空集热管、内玻璃管带翅板吸收体的真空集热管。集热管两端的水平误差小于正负35毫米，实际安装时，集热管越接近水平越好。集热管可配置一维聚光装置。联集盒配置与外界连接的上下水驳管和蒸汽管道。采用与联集器件或者集热管连通的多水位挡水器件，令集热管内的水位状态随多水位挡水器件状态的改变而改变。清晨，根据传感器提供的天气情况或者根据对天气的估计确定上水方案，首次上水可以先上低于集热管最大日产蒸汽量的原水，以后根据实际情况再次上水；傍晚，将集热管内浓缩原水撤下。

本发明按照上述方法解决其技术问题采取的技术方案：用联集器件和与联集器件密封连接的真空集热管，组成一台横置真空集热管太阳能产蒸汽装置。联集器件包括与集热管罩玻璃管插入连接的联集盒和通过连接驳管与集热管内玻璃管或者罩玻璃管连接的联集母管。真空集热管包括全玻璃真空集热管、内玻璃管带翅板吸收体的真空集热管。联集盒含有与外界连接的进出水驳管和蒸汽输出管道。令真空集热管两端的水平误差小于正负35毫米；采用与联集器件或者集热管连通的多水位挡水器件，令集热管内的水位状态随多水位挡水器件状态的改变而改变。

还可以采用与集热管聚光连接的低倍数一维聚光装置，所述一维聚光装置包括反射聚光器件和透镜聚光器件；聚光装置的受光区域面积与集热管的吸收膜接收反射光的面积之比不超过11。首选聚光装置的受光区域面积与集热管的吸收膜接收反射光的面积之比为4倍左右。

还可以令联集器件轴心线带水平倾角安装；在联集器件内设置一个多水位梯级水坝，令多水位梯级水坝的每一梯级与一支或者处于同一水平位置的一对集热管连通。多水位梯级水坝的每个坝面下部均含有溢流界面和一个以上可控水阀；集热管的水位状态随这些可控水阀状态的改变而改变。溢流界面是指水坝坝面、溢气口及挡水物体的溢流表面。

还可以采用多阀联动的电动组阀，所述电动组阀的各个阀门分别安装在多水位梯级水坝的各个水坝上，并通过与电磁阀驱动机构连接的联杆连接而同步启闭；所述电磁阀驱动机构与微机控制系统电气连接。

还可以令联集器件轴心线水平安装；在联集器件内设置一个多水位挡水器件，多水位挡水器件的下部含有溢水口和一个以上可控水阀；集热管的水位状态随可控水阀状态的改变而改变。顺便声明：本文的“一个以上”包括一个。

还可以采用一个可关断溢气管。

还可以采用含有与微机控制系统电气连接、与联集器件内部空间传热连接或者水位连接的水温水位传感器；并含有与微机控制系统电气连接的产蒸汽装置冷凝水计量装置；微机系统软件含有根据产蒸汽量计算集热管内海水含盐量的程序。

本发明的有益效果：集热管水平安装，沿轴心线分布的各部分工况一致性好。产蒸汽装置的集热管内可以不充装大量的水，因此可采用内玻璃管直径较小的集热管。对内径34毫米的内玻璃管，管内平均水位17毫米时，内玻璃管管壁从上方受热区域到存水部分的传热距离平均不到20毫米。由于其热流密度仅为0.04瓦/平方厘米，即使不用毛细吸液材料，仅依靠内玻璃管进行传热工作效率也不会明显降低。还可采用内玻璃管内径更小的集热管。集热管配置4倍反射聚光的聚光装置，光汇聚于集热管底部有水的区域，不需要毛细材料送水。在集热管内部蒸汽压力等于1.2个大气压时，扣除传输气压降，仍可使加热负载的温度达到水的沸点100℃以上。这时集热管内由于蒸汽密度大，其上部的热能有较大一部分可依靠蒸汽传热，对内玻璃管的传热要求会进一步降低。不用毛细材料，避免了毛细材料结垢问题。对于内玻璃管的结垢，可以适当利用其毛细作用来提水。在气温降低至1℃的晴夜，集热管内部的温度可以降低至冰点以下，这时水垢会被冰胀破掉落而集热管不受损坏。在这些日子，水垢不是问题。其他季节则可以采取各种减少垢除垢的措施。首次上水先上低于集热管最大日产蒸汽量的原水，以后根据实际情况再次上水。可以减小热沉早出蒸汽、可以适应天气变化在二分之一晴天傍晚收获高浓度的浓缩液。采用多水位挡水器件，低水位方便撤水、高水位可使各集热管的上水过程同步。联集器件内置挡水器件能在联集器件倾角安装时使各集热管内水位状态保持一致。采用聚光，可以减少集热管用量并提高集热管所产蒸汽的温度与压力。聚光装置的受光区域面积与集热管的吸收膜接收反射光的面积之比取4倍，对跟踪的要求低，一个月手动跟踪一次也可以满足要求。采用可关断溢气管，既满足上水时的排气，又可以减少蒸汽损失并可令蒸汽压力高于大气压。采用微机控制系统，可实现各种复杂的功能，大幅度提高产蒸汽装置的性能，并可与生产工艺无缝衔接。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是一台横置真空集热管太阳能产蒸汽装置结构示意图。

图2是图1太阳能产蒸汽装置的联集器件横截面剖视。

图中1.集热管；2.联集母管；3.驳管；4、5.组阀；6.水坝；7、8.联杆；9.溢流口；10.传感器；11.蒸汽管道；12.调节阀；13.第二级蒸馏器；14.第三级蒸馏器；15.预热装置。

具体实施方式

图1和图2共同给出本发明的一个实施例。图1和图2中，内玻璃管带金属翅板吸收体的真空集热管1与联集母管2两侧的驳管3用密封圈连接，组成一台横置真空集热管太阳能产蒸汽装置。集热管1的内玻璃管直径25毫米；其罩玻璃管在端口处缩颈并与内玻璃管融封。内玻璃管包裹金属的真空集热管，可以利用金属从集热管受热的顶部向下面的存水部位传热，免用毛细吸液材料，不存在毛细吸液材料结垢的问题。内玻璃管带翅板的集热管内径设计自由度大。集热管1水平布置；联集母管2带有罩壳和绝热材料，其轴心线带水平倾角以确保聚光反射装置跟踪太阳高度角变化。为简洁起见，图中未画出聚光反射装置。采用两个多阀联动的电动组阀高位组阀4和低位组阀5。电动组阀4、5的各个阀门分别安装在多水位梯级水坝的各个水坝6上，并分别通过与电磁阀驱动机构连接的联杆7、8连接而可以同步启闭。所述电磁阀驱动机构与微机控制系统电气连接。梯级水坝6上还设置有溢流口9。联集母管2内的水温水位传感器10与微机控制系统主机电气连接。

图1和图2实施例工作前要先上水。上水时，微机控制系统通过电动驱动机构关闭低位组阀5、开启高位组阀4，从联集母管2高端通过管道阀门接入原水。联集母管2多水位梯级水坝的最上级水坝6内的水位逐渐上升，水位达到其打开的高位组阀4高度时会流入下一级水坝6围起的空间以及与其连通的集热管1内，这样从上到下逐级上水。当安装在末级水坝6处的水位传感器10检测到其所在空间进水达到设定低水位时，关断高位组阀4。这时，最上级水坝6里边的水位逐渐升高直至漫过所在水坝6的溢流口9，流入下一级水坝6围起的空间以及与其连通的集热管1内，这样从上到下逐级抬高水位。当水位传感器10检测到进水达到设定高水位时，关断进水，上水过程结束。

图1和图2实施例中，不用高位组阀4或者从下到上也能实现正常上水。但采用高位组阀4可以使各级集热管1提早进水，即实现各集热管1的同步上水，避免后面的集热管1在聚光状态等待时间过长工况劣化。采用高位组阀4还可以使各级集热管1只上水到设定的低水位，使产蒸汽装置的上水方案有多一种选择。

配置聚光装置的真空集热管，即使在冬季太阳辐射强度只有500瓦/平方米条件下，也能稳定地用含盐量19%的盐水产生2个大气压的蒸汽。通过控制串接于蒸汽管道11与微机控制系统电气连接的调节阀12，可以调节太阳能产蒸汽装置的水蒸气输出压力。太阳能蒸馏装置可以采用多模式工作：太阳弱时采用双效或者单效蒸馏模式；太阳强时采用三效蒸馏模式。三效蒸馏模式可以是这样的：太阳光使集热管1内的水受热蒸发。在集热管1内产生的水蒸气在压差作用下通过蒸汽管道11进入第二级蒸馏器13。第二级蒸馏器13产生的约100℃水蒸气进入第三级蒸馏器14。第三级蒸馏器14采用低压蒸馏，所产生的约75至85℃水蒸气进入原水预热装置15内预热原水及作其它用途。原水在预热的同时采用真空泵真空除气。

微机控制系统根据太阳能产蒸汽装置蒸馏水的产量，推算出集热管1内海水的浓缩度和集热管1内浓缩液的存量，并适时进行再次上水。到晚间，打开低位组阀5将集热管1内的浓缩液收下。

图1和图2实施例的集热管1开口端无阻挡，加上联集母管2在冬夜的降温慢于集热管1，可获得集热管1内顺序冻结的效果，使结冰对集热管1影响减小到最低程度。

Claims (2)

1.横置真空集热管太阳能产蒸汽的方法：用联集器件和与联集器件密封连接的真空集热管组成一台横置真空集热管太阳能产蒸汽装置，联集器件包括与集热管罩玻璃管插入连接的联集盒，和通过连接驳管与集热管内玻璃管或者罩玻璃管连接的联集母管；真空集热管包括全玻璃真空集热管、内玻璃管带翅板吸收体的真空集热管；集热管两端的水平误差小于正负35毫米；集热管可配置一维聚光装置；联集盒配置与外界连接的上下水驳管和蒸汽管道；采用与联集器件或者集热管连通的多水位挡水器件，令集热管内的水位状态随多水位挡水器件状态的改变而改变；清晨，根据传感器提供的天气情况或者根据对天气的估计确定上水方案，首次上水可以先上低于集热管最大日产蒸汽量的原水，以后根据实际情况再次上水；傍晚，将集热管内浓缩原水撤下。

2.按照权利要求1所述方法制造的横置真空集热管太阳能产蒸汽装置，由联集器件和与联集器件密封连接的真空集热管组成，联集器件包括与集热管罩玻璃管插入连接的联集盒和通过连接驳管与集热管内玻璃管或者罩玻璃管连接的联集母管；真空集热管包括全玻璃真空集热管、内玻璃管带翅板吸收体的真空集热管；联集盒含有与外界连接的进出水驳管和蒸汽输出管道，其特征在于真空集热管两端的水平误差小于正负35毫米；含有与联集器件或者集热管连通的多水位挡水器件，集热管内的水位状态随多水位挡水器件状态的改变而改变。

3. 按照权利要求2所述的产蒸汽装置，其特征在于含有与集热管聚光连接的低倍数一维聚光装置，所述一维聚光装置包括反射聚光器件和透镜聚光器件；聚光装置的受光区域面积与集热管的吸收膜接收反射光的面积之比不超过11。

4. 按照权利要求2或者3所述的产蒸汽装置，其特征在于联集器件轴心线带水平倾角安装；联集器件内含有一个多水位梯级水坝，多水位梯级水坝的每一梯级与一支或者处于同一水平位置的一对集热管连通；多水位梯级水坝的每个坝面下部均含有溢水口和一个以上可控水阀；集热管的水位状态随这些可控水阀状态的改变而改变。

5. 按照权利要求2或者3所述的产蒸汽装置，其特征在于含有多阀联动的电动组阀，所述电动组阀的各个阀门分别安装在多水位梯级水坝的各个水坝上，并通过与电磁阀驱动机构连接的联杆连接而同步启闭；所述电磁阀驱动机构与微机控制系统电气连接。

6. 按照权利要求2或者3所述的产蒸汽装置，其特征在于联集器件轴心线水平安装；联集器件内含有一个多水位挡水器件，多水位挡水器件的下部含有溢流界面和一个以上可控水阀；集热管的水位状态随可控水阀状态的改变而改变。

7. 按照权利要求2或者3所述的产蒸汽装置，其特征在于含有一个可关断溢气管。

8. 按照权利要求2或者3所述的产蒸汽装置，其特征在于含有与微机控制系统电气连接、与联集器件内部空间传热连接或者水位连接的水温水位传感器；还含有与微机控制系统电气连接的产蒸汽装置冷凝水计量装置；微机系统软件含有根据产蒸汽量计算集热管内海水含盐量的程序。

Images