CN102425862B - 含选择性透过涂层光学窗口的顶部内凹的圆台状腔体式吸热器 - Google Patents

含选择性透过涂层光学窗口的顶部内凹的圆台状腔体式吸热器 Download PDF

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Abstract

含选择性透过涂层光学窗口的顶部内凹圆台状腔体式吸热器，本发明涉及一种太阳能吸热器。本发明为了解决圆台状腔体式吸热器顶部处的金属管难于布满整个顶部，吸热器存在吸收太阳能辐射热流死区的问题，及其存在的辐射散热损失问题。吸热器壳体上端内径小于其下端内径，吸热器壳体顶部为内凹式结构，吸热器壳体顶部呈V字型结构，吸热器顶部内凹起段盘管缠绕在吸热器壳体顶部上，吸热器侧面部分盘管的进口端与吸热器顶部内凹起段盘管的出口端连通，吸热器壳体外表面上设置有矿渣棉保温层，工作介质出口管穿设在矿渣棉保温层内，工作介质进口管穿设在矿渣棉保温层内，含选择性透过涂层光学窗口安装在吸热器壳体的采光口处。本发明用于吸收太阳能。

Description

含选择性透过涂层光学窗口的顶部内凹的圆台状腔体式吸热器
技术领域
本发明涉及一种太阳能吸热器，具体涉及一种含选择性透过涂层光学窗口的顶部内凹的圆台状腔体式吸热器，属于太阳能热利用技术领域。
背景技术
太阳能热利用是可再生能源发展的有效途径之一。太阳能热动力发电是利用聚光太阳能集热器将低热流密度的太阳辐射能收集起来并加热吸热器中的水或者通过其他传热介质加热水而产生蒸汽，驱动热力发动机，再带动发动机进行发电。国际上太阳能热动力发电聚光技术主要有三种形式：槽式、塔式和碟式。槽式太阳能热发电技术已经为成熟的商业化技术，而塔式和碟式太阳能热动力发电技术仍处于试验和示范阶段。
吸热器是太阳能热动力系统发电系统中的最主要关键部件之一。吸热器的效率高低，对整个太阳能热动力发电系统效率的高低有着重要的影响。吸热器主要由两大部分组成：吸热体(或吸热板)和透明盖层(或者透明盖板)。吸热体(或吸热板)的基本功能是吸收汇聚后的太阳辐射能，通过耦合换热的方式将汇集的太阳能转化为热能，并传递给热传工质；透明盖层(或者透明盖板)的基本功能是透过太阳辐射，使其投射在吸热体上，并减少吸热体在温度升高后向环境的散热。
因此，太阳能吸热器的效率主要由以下几个因素决定：①吸热器对能汇聚后太阳辐射的吸收能力；②吸热体对周围环境散热损失程度；③透明盖板对汇聚太阳能辐射的透过能力；④透过盖板阻止吸热体对周围环境散热的阻止程度。
圆台状腔式太阳能吸热器是一种广泛应用的太阳能吸热器。圆台状腔式太阳能吸热器由金属管盘绕而成的圆台状换热面，金属管内部走换热流体，金属管外壁面靠近腔体内部侧吸收高汇聚太阳能辐射，金属管远离腔体内部外壁面侧敷以保温层进行隔热。然而圆台状腔式太阳能吸热器腔体吸热器顶部处的金属管在实际制造、盘绕过程中很难布满整个顶部，存在吸热器吸收太阳能辐射热流的死区问题(死区面积约占顶部面积的10％)，如文献中国专利200410000650.2所示的平顶锥形腔体式吸热器就存在吸热器吸收太阳能辐射热流的死角问题。吸热器顶部处无金属管盘绕的死角越大，光学损失也就越大，吸热器的效率也就越低。此外，由于太阳能吸热器工作温度远高于环境温度，太阳能吸热器都得辐射热损失也是影响太阳能吸热器效率主要因素之一。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有的圆台状腔式太阳能吸热器顶部处的金属管难于布满整个顶部，吸热器存在吸收太阳能辐射热流死区的问题，以及吸热器存在辐射散热损失的问题，进而提供一种含选择性透过涂层光学窗口的顶部内凹的圆台状腔体式吸热器。
本发明的技术方案是：含选择性透过涂层光学窗口的顶部内凹的圆台状腔体式吸热器包括矿渣棉保温层、圆台状腔体式吸热器壳体、吸热器侧面部分盘管、工作介质出口管和工作介质进口管，所述含选择性透过涂层光学窗口的顶部内凹的圆台状腔体式吸热器还包括吸热器顶部内凹起段盘管和含选择性透过涂层光学窗口，圆台状腔体式吸热器壳体为下敞口式壳体，圆台状腔体式吸热器壳体的上端内径DC小于圆台状腔体式吸热器壳体的下端内径DA，所述圆台状腔体式吸热器壳体的顶部为内凹式结构，圆台状腔体式吸热器壳体的顶部呈V字型结构，所述吸热器侧面部分盘管缠绕在圆台状腔体式吸热器壳体侧面内壁上，所述吸热器顶部内凹起段盘管缠绕在圆台状腔体式吸热器壳体的顶部上，吸热器侧面部分盘管的进口端与吸热器顶部内凹起段盘管的出口端连通，所述圆台状腔体式吸热器壳体的外表面上设置有矿渣棉保温层，所述工作介质出口管穿设在矿渣棉保温层内，且工作介质出口管与吸热器侧面部分盘管的出口端连通，所述工作介质进口管穿设在矿渣棉保温层内，且工作介质进口管与吸热器顶部内凹起段盘管的进口端连通，所述含选择性透过涂层光学窗口安装在圆台状腔体式吸热器壳体的采光口处。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：1、本发明的吸热器壳体的顶部呈V字型结构，圆柱形腔体吸热器顶部处的盘管在缠绕过程中，不再是在同一平面处盘绕，而是向腔体内侧成V字型螺旋状盘绕，形成一种内凹起吸热面。本发明的太阳能吸热器能够解决传统腔体式吸热器顶部处金属管无法盘绕整个顶部，存在吸热器腔体吸收太阳能辐射死角的问题，光学效率的提高最高可达7.872％。2、本发明采用了光学窗口将吸热体发出的热辐射反射回到吸热气腔体内，减少了吸热器向环境散热损失。
附图说明
图1是本发明的含选择性透过涂层光学窗口的顶部内凹的圆台状腔体式吸热器的整体结构主视图；图2是本发明所诉的含选择性透过涂层光学窗口的顶部内凹的圆台状腔体式吸热器的光学效率随着顶部盘管内凹起无量纲高度h/H不同而变化曲线图(图中14表示顶部内凹式腔体吸热器光学效率曲线，8表示存在吸收太阳能辐射死角的腔体吸收器的光学效率)；图3是壁面吸收率对含选择性透过涂层光学窗口的顶部内凹的圆台状腔体式吸热器的光学效率的影响曲线对比图(图中9表示h/H＝0.875顶部内凹式腔体吸热器的壁面吸收率对光学效率的影响曲线，10表示顶部理想腔体吸收器的壁面吸收率对光学效率的影响曲线，11表示存在吸收太阳能辐射死角的腔体吸收器的壁面吸收率对光学效率的影响曲线)；图4是壁面吸收率对含选择性透过涂层光学窗口的顶部内凹的圆台状腔体式吸热器光学效率的提高影响曲线图(图中12表示h/H＝0.875顶部内凹式腔体吸热器与存在吸收太阳能辐射死角的腔体吸收器光学效率之差曲线，13表示h/H＝0.875顶部内凹式腔体吸热器与顶部理想腔体吸收器光学效率之差曲线)。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1说明本实施方式，本实施方式的含选择性透过涂层光学窗口的顶部内凹的圆台状腔体式吸热器包括矿渣棉保温层1、圆台状腔体式吸热器壳体2、吸热器侧面部分盘管3、工作介质出口管4、工作介质进口管5所述含选择性透过涂层光学窗口的顶部内凹的圆台状腔体式吸热器还包括吸热器顶部内凹起段盘管6和含选择性透过涂层光学窗口7，圆台状腔体式吸热器壳体2为下敞口式壳体，下敞口为采光口，圆台状腔体式吸热器壳体2的上端内径DC小于圆台状腔体式吸热器壳体2的下端内径DA，所述圆台状腔体式吸热器壳体2的顶部为内凹式结构，圆台状腔体式吸热器壳体2的顶部呈V字型结构，所述吸热器侧面部分盘管3缠绕在圆台状腔体式吸热器壳体2侧面内壁上，所述吸热器顶部内凹起段盘管6缠绕在圆台状腔体式吸热器壳体2的顶部上，吸热器侧面部分盘管3的进口端与吸热器顶部内凹起段盘管6的出口端连通，所述圆台状腔体式吸热器壳体2的外表面上设置有矿渣棉保温层1，所述工作介质出口管4穿设在矿渣棉保温层1内，且工作介质出口管4与吸热器侧面部分盘管3的出口端连通，所述工作介质进口管5穿设在矿渣棉保温层1内，且工作介质进口管5与吸热器顶部内凹起段盘管6的进口端连通，所述含选择性透过涂层光学窗口7安装在圆台状腔体式吸热器壳体2的采光口处。
具体实施方式二：结合图1说明本实施方式，本实施方式的含选择性透过涂层光学窗口7为含有宽带隙半导体选择性透过涂层光学窗口。如此设置，含有宽带隙半导体选择性透过涂层在太阳辐射波段内具有高透射比及低反射比，而在红外辐射波段具有低透射比和高反射比。含有宽带隙半导体选择性透过涂层的光学窗口在保持透明盖层对太阳辐射透过行的同时，将吸热体发出的热辐射反射回到吸热腔体内，从而有效的减少了吸热体向环境散热损失。其他组成和连接关系与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：结合图1说明本实施方式，本实施方式的宽带隙半导体为二氧化锡、三氧化铟或锡酸镉。如此设置，更加有效的减少了吸热器向环境散热损失。其他组成和连接关系与具体实施方式二相同。
具体实施方式四：结合图1说明本实施方式，本实施方式的圆台状腔体式吸热器壳体2的顶部凹起起高度h与圆台状腔体式吸热器壳体2的高度H之比为0.75至1。如此设置，太阳能吸热器的光学效率随着顶部盘管内凹起无量纲高度h/H不同而变化。其它组成和连接关系与具体实施方式一、二或三相同。
具体实施方式五：结合图1说明本实施方式，本实施方式的圆台状腔体式吸热器壳体2的顶部凹起高度h与圆台状腔体式吸热器壳体2的高度H之比为1。如此设置，当采用壁面吸收率为0.65，h/H＝1时，顶部内凹圆台状腔体式太阳能吸热器的光学效率为71.634％，比吸热器顶部处的金属管盘绕整个顶部的理想情况下传统无内凹起圆台状腔体式吸热器的光学效率高2.456％，比存在吸收太阳能辐射死角的传统无内凹起圆台状腔体式太阳能吸热器的光学效率高4.746％其它组成和连接关系与具体实施方式四相同。
具体实施方式六：结合图1至图4说明本实施方式，本实施方式的圆台状腔体式吸热器壳体2的顶部凹起高度h与圆台状腔体式吸热器壳体2的高度H之比为0.875。如此设置，在保持吸热器其他物性及边界一致情况下，如吸热器采用相同的金属盘管的材质及壁面吸收率、相同的保温材料和采光口侧的太阳辐射热流密度分布等，与吸热器顶部处金属管盘绕整个顶部的理想情况下传统无内凹起圆台状腔体式吸热器相比，顶部内凹圆台状腔式太阳能吸热器的光学效率有所提高。如图2所示，当采用壁面吸收率为0.65时，随着顶部盘管内凹起无量纲高度h/H的增加，顶部内凹圆台状腔体式太阳能吸热器的光学效率增大；当h/H＝0.875时，顶部内凹圆台状腔体式太阳能吸热器的光学效率达到最大值，为74.617％；比顶部处金属管盘绕整个顶部的理想情况下的传统无内凹起圆台状腔体式吸热器的光学效率(为69.178％)高5.439％，比存在吸收太阳能辐射死角的传统无内凹起圆台状腔体吸热器的光学效率(为66.888％)高7.730％；此后，随着无量纲高度h/H的增加，顶部内凹圆台状腔体式太阳能吸热器的光学效率略有降低。壁面吸收率对光学效率的影响对比曲线如图3所示。在整个壁面吸收率区间内，顶部内凹圆台状腔体式太阳能吸热器的光学效率都要比存在吸收太阳能辐射死角的传统无内凹起圆台状吸收器效率高；当避免吸收率为0.45时，顶部内凹圆台状腔体式太阳能吸热器比同条件下的存在吸收太阳能辐射死角的传统无内凹起圆台状腔体吸收器的光学效率的提高达到最大值，为7.872％(如图4所示)。其他组成和连接关系与具体实施方式四相同。
具体实施方式七：结合图1和图3说明本实施方式，本实施方式的圆台状腔体式吸热器壳体2的下端内径DA与圆台状腔体式吸热器壳体2的上端内径DC的比值(即相对开口直径DA/DC)范围是0.4至0.9。如此设置，提高了光学效率。其它组成和连接关系与具体实施方式四相同。
具体实施方式八：结合图1和图3说明本实施方式，本实施方式的圆台状腔体式吸热器壳体2的下端内径DA与圆台状腔体式吸热器壳体2的上端内径DC的比值是0.5。如此设置，当h/H＝0.875时，顶部内凹圆台状腔体式太阳能吸热器的光学效率要比其他开口直径下的顶部内凹圆台状腔体式太阳能吸热器都要高，最高差值可达6.582％。其它组成和连接关系与具体实施方式五相同。
具体实施方式九：结合图1说明本实施方式，本实施方式的圆台状腔体式吸热器壳体2的上端内径DC与圆台状腔体式吸热器壳体2的下端内径DA的比例关系DC∶DA等于2∶3。如此设置，增大了采光口及含选择性透过涂层光学窗口7的行为尺寸，便于采光，且更加有效的减少了吸热器向环境散热损失。其他组成和连接关系与具体实施方式一、二、三、五或六相同。

Claims (7)

1.一种含选择性透过涂层光学窗口的顶部内凹的圆台状腔体式吸热器，所述含选择性透过涂层光学窗口的顶部内凹的圆台状腔体式吸热器包括矿渣棉保温层（1）、圆台状腔体式吸热器壳体（2）、吸热器侧面部分盘管（3）、工作介质出口管（4）、工作介质进口管（5）；其特征在于：所述含选择性透过涂层光学窗口的顶部内凹圆台状腔体式吸热器还包括吸热器顶部内凹起段盘管（6）和含选择性透过涂层光学窗口（7），圆台状腔体式吸热器壳体（2）为下敞口式壳体，下敞口为采光口，圆台状腔体式吸热器壳体（2）的上端内径DC小于圆台状腔体式吸热器壳体（2）的下端内径DA，所述圆台状腔体式吸热器壳体（2）的顶部为内凹式结构，圆台状腔体式吸热器壳体（2）的顶部呈V字型结构，所述吸热器侧面部分盘管（3）缠绕在圆台状腔体式吸热器壳体（2）侧面内壁上，所述吸热器顶部内凹起段盘管（6）缠绕在圆台状腔体式吸热器壳体（2）的顶部上，吸热器侧面部分盘管（3）的进口端与吸热器顶部内凹起段盘管（6）的出口端连通，所述圆台状腔体式吸热器壳体（2）的外表面上设置有矿渣棉保温层（1），所述工作介质出口管（4）穿设在矿渣棉保温层（1）内，且工作介质出口管（4）与吸热器侧面部分盘管（3）的出口端连通，所述工作介质进口管（5）穿设在矿渣棉保温层（1）内，且工作介质进口管（5）与吸热器顶部内凹起段盘管（6）的进口端连通，所述含选择性透过涂层光学窗口（7）安装在圆台状腔体式吸热器壳体（2）的采光口处。
2.根据权利要求1所述的含选择性透过涂层光学窗口的顶部内凹的圆台状腔体式吸热器，其特征在于：含选择性透过涂层光学窗口（7）为含有宽带隙半导体选择性透过涂层光学窗口。
3.根据权利要求2所述的含选择性透过涂层光学窗口的顶部内凹的圆台状腔体式吸热器，其特征在于：宽带隙半导体为二氧化锡、三氧化铟或锡酸镉。
4.根据权利要求1所述的含选择性透过涂层光学窗口的顶部内凹的圆台状腔体式吸热器，其特征在于：圆台状腔体式吸热器壳体（2）的顶部凹起高度h与圆台状腔体式吸热器壳体（2）的高度H之比为0.75至1。
5.根据权利要求2所述的含选择性透过涂层光学窗口的顶部内凹的圆台状腔体式吸热器，其特征在于：圆台状腔体式吸热器壳体（2）的顶部凹起高度h与圆台状腔体式吸热器壳体（2）的高度H之比为1。
6.根据权利要求2所述的含选择性透过涂层光学窗口的顶部内凹的圆台状腔体式吸热器，其特征在于：圆台状腔体式吸热器壳体（2）的顶部凹起高度h与圆台状腔体式吸热器壳体（2）的高度H之比为0.875。
7.根据权利要求1、2、3、4、5或6所述的含选择性透过涂层光学窗口的顶部内凹的圆台状腔体式吸热器，其特征在于：圆台状腔体式吸热器壳体（2）的上端内径DC与圆台状腔体式吸热器壳体（2）的下端内径DA的比例关系DC：DA等于2：3。
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