CN102589158A - 同轴聚光二次反射槽式太阳能自然循环集热装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种同轴聚光二次反射槽式太阳能自然循环集热装置。蒸汽换热器、冷凝水下降管、流量控制阀、冷凝回水管、集热管、蒸汽上升管、蒸汽换热器等顺次连接构成闭合回路；蒸汽上升管末端设有真空抽气孔；光带感应器置于集热管末端；集热管通过集热管支架固定在系统支撑上；冷凝回水管通过冷凝回水管支架固定在系统支撑上；二次反射镜固定在二次反射镜架上；主反射镜固定在主反射镜架上；二次反射镜架通过二次反射镜支撑架固定在主反射镜架上；转动轴承分别与系统支撑、液压传动系统相连接。本发明引入二次反射结构，将集热管与转动轴承同轴布置，解决了管道接口间转动连接存在的工质泄露问题，保证了系统长期安全稳定的运转。

Description

同轴聚光二次反射槽式太阳能自然循环集热装置

技术领域

本发明涉及太阳能集热装置，尤其涉及一种同轴聚光二次反射槽式太阳能自然循环集热装置。

背景技术

太阳能是一种清洁、可持续的能源，其利用方式主要有三种：（1）转化为电能，包括太阳能光伏发电和太阳能光热发电；（2）转化为热能。包括太阳能灶，太阳能热水器，太阳能温室，太阳能空调，海水淡化，太阳能建筑等；（3）转化为化学能，包括光合作用，能源植物，太阳能制氢等。其中太阳能热利用具有广阔的应用领域，根据太阳能热利用温度的不同又可分为高温热利用、中温热利用和低温热利用。一般认为太阳能产生的蒸汽温度在400℃以上用于发电的属于高温利用区。低于120℃，主要以热水形式加以利用的属于太阳能低温利用区。处于两者之间的就是太阳能中温利用区，而这个温度区间的蒸汽，尤其是150℃～250℃的蒸汽在工业领域有着广泛的应用。

目前国内外槽式太阳能蒸汽技术主要是传统的利用聚光加热导热油等热媒然后经过蒸汽发生器产生蒸汽的SEGS技术，以及最近几年迅猛发展的直接蒸汽发生技术 (DSG，director steam generation)。传统的SEGS蒸汽发生技术，需要导热油等热媒，这些热媒往往是矿物油，泄露对环境将会造成污染，一般的导热油在较低温度时会出现凝固现象，在冬天的时候有可能出现凝固的情况；同时，该技术的回路中需要一个高温泵，成本较高。DSG技术是目前国际上最被看好的太阳能蒸汽发生技术，该技术是利用槽式聚光器加热集热管，水从集热器的一端通往另一端，直接在集热管中产生蒸汽，再经过一个汽液分离装置获得蒸汽。这种技术取消了传统槽式太阳能蒸汽发生技术中的热媒，同时减少了换热装置，节省了成本，但是DSG技术蒸发段从入口到出口管内工质的温度相差很大，易使蒸发管扭曲变形，这对系统长时间可靠运行是一个严峻的考验；而且 DSG技术对水的要求较高，管道内结垢也是一个非常难以解决的问题。

中国专利181110004634.0提出了一种自然循环槽式太阳能集热系统，该系统依靠重力作用在一个封闭的回路中完成工质循环传热。蒸发端处于低处，工质在蒸发端吸热蒸发后上升到冷凝段，在经过充分换热冷凝成液态以后，在重力的作用下又回到蒸发端。该系统具有太阳能利用率高，不易结垢等特点。但现存三种槽式太阳能蒸汽技术中，集热管一直在随着镜架追踪太阳光转动，这对管路接口的连接可靠性要求非常高，长期运行会存在工质泄露等安全隐患。因此，在优化系统结构，实现系统长期稳定运行等方面有进一步提升的空间。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种同轴聚光二次反射槽式太阳能自然循环集热装置。

本发明通过以下技术方案来实现：

同轴聚光二次反射槽式太阳能自然循环集热装置包括蒸汽上升管连接法兰、真空抽气孔、蒸汽换热器给水入口法兰、冷凝水下降管、蒸汽上升管、集热管出口波纹连接管、流量控制阀、冷凝回水管入口波纹连接管、集热管、冷凝回水管、主反射镜、二次反射镜、二次反射镜架、光带感应器、二次反射镜支撑架、集热管入口波纹连接管、主反射镜架、集热管支架、冷凝回水管支架、转动轴承、系统支撑、液压传动系统、控制系统、蒸汽换热器、排污口、铁塔支架、给水泵、给水管道、流量计、冷凝水下降管连接法兰。蒸汽换热器、冷凝水下降管连接法兰、冷凝水下降管、流量控制阀冷凝回水管入口波纹连接管、冷凝回水管、集热管入口波纹连接管、集热管、集热管出口波纹连接管、蒸汽上升管、蒸汽上升管连接法兰、蒸汽换热器顺次连接构成闭合回路；蒸汽上升管末端设有真空抽气孔；光带感应器布置于集热管末端；集热管与转动轴承同轴布置；集热管通过集热管支架固定在系统支撑上；冷凝回水管通过冷凝回水管支架固定在系统支撑上；二次反射镜固定在二次反射镜架上；主反射镜固定在主反射镜架上；二次反射镜架通过二次反射镜支撑架固定在主反射镜架上；转动轴承分别与系统支撑、液压传动系统相连接；排污口设在蒸汽换热器的底部；给水泵与给水管道、流量计、蒸汽换热器给水入口法兰顺次连接；蒸汽换热器安装在铁塔支架上；系统由控制系统控制。

所述的二次反射镜为双曲柱面镜或拟双曲柱面镜，二次反射镜的实轴与主反射镜的对称轴在同一条直线上，二次反射镜的近焦点与主反射镜的焦点重合。所述的集热管与转动轴承同轴布置，且在主反射镜架追踪太阳光转动过程中，集热管始终保持静止不动。

本发明与现有技术相比，具有如下有益效果：

（1）太阳光线通过主反射镜反射后，再经过二次反射镜反射，将光线最终聚焦到集热管上。集热管通过集热管支架固定在系统支撑上，它的中心线和系统转动轴承的轴线重合，保证了主反射镜架180°范围内追踪太阳转动过程中，光线始终均匀落在集热管外壁上。

（2）二次反射镜面可由两块或两块以上双曲柱面镜对称布置构成，中间镂空，既能实现将抛物面反射过来的光全部聚焦到集热管上，同时又最大限度地减少遮光面积，而且减少了二次反射镜面的重量。

（3）整个系统可分为镜架部分和工质循环管路，只有镜架系统需要转动，集热管、蒸汽上升管、冷凝水管均固定不动，减少了系统中的转动结构，减轻了运转负荷，保证了集热管、蒸汽上升管以及冷凝回水管之间接口连接的可靠性，避免了长期运行存在的工质泄露等安全隐患。

（4）集热管始终处于近地面位置，拆卸方便，若出现问题很容易更换集热管；工质在一个分离式热管中循环，不存在结垢问题，大大地提高了整个系统长期运行的稳定性。

附图说明

图1 是同轴聚光二次反射槽式太阳能自然循环集热装置结构示意图；

图2是本发明的二次反射原理示意图；

图3是本发明的镜架部分的斜视结构示意图；

图中：蒸汽上升管连接法兰1、真空抽气孔2、蒸汽换热器给水入口法兰3、冷凝水下降管4、蒸汽上升管5、集热管出口波纹连接管6、流量控制阀7、冷凝回水管入口波纹连接管8、集热管9、冷凝回水管10、主反射镜11、二次反射镜12、二次反射镜架29、光带感应器13、二次反射镜支撑架30、集热管入口波纹连接管14、主反射镜架15、集热管支架16、冷凝回水管支架17、转动轴承18、系统支撑19、液压传动系统20、控制系统21、蒸汽换热器22、排污口23、铁塔支架24、给水泵25、给水管道26、流量计27、冷凝水下降管连接法兰28。

具体实施方式

对照附图对本发明作进一步说明。

如图1、图2、图3所示，同轴聚光二次反射槽式太阳能自然循环集热装置包括蒸汽上升管连接法兰1、真空抽气孔2、蒸汽换热器给水入口法兰3、冷凝水下降管4、蒸汽上升管5、集热管出口波纹连接管6、流量控制阀7、冷凝回水管入口波纹连接管8、集热管9、冷凝回水管10、主反射镜11、二次反射镜12、二次反射镜架29、光带感应器13、二次反射镜支撑架30、集热管入口波纹连接管14、主反射镜架15、集热管支架16、冷凝回水管支架17、转动轴承18、系统支撑19、液压传动系统20、控制系统21、蒸汽换热器22、排污口23、铁塔支架24、给水泵25、给水管道26、流量计27、冷凝水下降管连接法兰28。蒸汽换热器22、冷凝水下降管连接法兰28、冷凝水下降管4、流量控制阀7冷凝回水管入口波纹连接管8、冷凝回水管10、集热管入口波纹连接管14、集热管9、集热管出口波纹连接管6、蒸汽上升管5、蒸汽上升管连接法兰1、蒸汽换热器22顺次连接构成闭合回路；蒸汽上升管5末端设有真空抽气孔2；光带感应器13布置于集热管9末端；集热管9与转动轴承18同轴布置；集热管9通过集热管支架16固定在系统支撑19上；冷凝回水管10通过冷凝回水管支架17固定在系统支撑19上；二次反射镜12固定在二次反射镜架29上；主反射镜11固定在主反射镜架15上；二次反射镜架29通过二次反射镜支撑架30固定在主反射镜架15上；转动轴承18分别与系统支撑19、液压传动系统20相连接；排污口23设在蒸汽换热器22的底部；给水泵25与给水管道26、流量计27、蒸汽换热器给水入口法兰3顺次连接；蒸汽换热器22安装在铁塔支架24上；系统由控制系统21控制。

控制系统根据计算的太阳光角度向控制液压系统发出信号，驱动传动轴带动反射镜架跟踪太阳光；安装在集热管上的光带感应器能够精确反馈太阳光带位置信号，通过与控制系统连接，实时反馈系统聚光进度，实现系统聚光的适时微调，提高聚光效率。

所述的主反射镜11为抛物柱面镜，二次反射镜12为双曲柱面镜或拟双曲柱面镜，主反射镜面11的对称轴与二次反射镜面12的实轴在同一条直线上，主反射镜11的焦点与二次反射镜12的近焦点重合。太阳光线通过主反射镜11反射后，再经过二次反射镜12反射聚焦于二次反射镜12的远焦点处，集热管9位于二次反射镜面12的光带位置，使得光线均匀分布于集热管9外表面。

所述的二次反射镜面12可由两块或两块以上双曲柱面镜对称布置构成，中间镂空，既能实现将抛物面反射过来的光全部聚焦到集热管上，同时又最大限度地减少遮光面积，而且减少了二次反射镜面的重量。

所述的集热管9与转动轴承18同轴布置，并通过集热管支架16固定在系统支撑19上，在主反射镜架15追踪太阳180°范围内转动时，集热管9位置始终不动，减少了系统中的转动结构，提高了集热管、蒸汽上升管以及冷凝回水管之间接口连接的可靠性，避免了工质泄露隐患，保证了系统长期运行的稳定性。

本发明的工作过程如下：

首先控制系统根据计算的太阳光角度，控制液压系统驱动转动轴承带动反射镜架跟踪太阳光，太阳光线由主反射镜反射后，再经过二次反射镜反射后聚焦于集热管的外表面，集热管吸热后加热管内传热工质，传热工质在蒸发段加热成饱和蒸汽，在再热段加热成过热蒸汽流入蒸汽上升管，进入蒸汽换热器进行冷凝换热产生品质稳定的蒸汽，盘管内的蒸汽冷凝后流入冷凝水下降管，然后流回集热管完成整个自然循环过程。冷凝下降管和上升管之间的重力势能差值为整个系统提供循环的驱动力。同时流量控制阀根据控制系统监测的太阳辐射条件和冷凝水下降管内工质流速，调节冷凝回水管入口开度，控制集热管内工质流量，保证集热管产生稳定品质的过热蒸汽进入蒸汽换热器进行换热。

本发明通过在自然循环槽式太阳能集热系统中引入二次反射镜面结构，采用一次抛物柱面镜和二次双曲柱面镜配合布置，将太阳光经过二次镜面反射聚焦到与转动轴承同轴布置的集热管上，避免了金属软管在系统中的应用，从而减少了系统的流动阻力和散热损失；二次反射镜面可由两块或两块以上双曲柱面镜上下轴对称布置构成，中间镂空，既能实现将抛物面反射过来的光全部聚焦到集热管上，同时又最大限度地减少遮光面积，而且减少了二次反射镜面的重量，减轻了转动机构负荷；集热管固定在系统支撑上，处于近地面位置，容易拆卸更换，且解决了集热管和蒸汽上升管、冷凝回水管间转动连接问题，避免了长久运转存在的工质泄露等安全隐，保证了系统长期安全稳定的运行。同时，系统可通过大规模并联布置，降低系统成本实现商业化运行。

Claims (3)

1.一种同轴聚光二次反射槽式太阳能自然循环集热装置，其特征在于包括蒸汽上升管连接法兰（1）、真空抽气孔（2）、蒸汽换热器给水入口法兰(3)、冷凝水下降管(4)、蒸汽上升管(5)、集热管出口波纹连接管(6)、流量控制阀（7)、冷凝回水管入口波纹连接管（8）、集热管（9）、冷凝回水管（10）、主反射镜（11）、二次反射镜（12）、二次反射镜架（29）、光带感应器（13）、二次反射镜支撑架（30）、集热管入口波纹连接管（14）、主反射镜架（15）、集热管支架（16）、冷凝回水管支架（17）、转动轴承（18）、系统支撑（19）、液压传动系统（20）、控制系统（21）、蒸汽换热器（22）、排污口（23）、铁塔支架（24）、给水泵（25）、给水管道（26）、流量计（27）、冷凝水下降管连接法兰（28）；蒸汽换热器（22）、冷凝水下降管连接法兰（28）、冷凝水下降管（4）、流量控制阀（7）、冷凝回水管入口波纹连接管（8）、冷凝回水管（10）、集热管入口波纹连接管（14）、集热管（9）、集热管出口波纹连接管（6）、蒸汽上升管（5）、蒸汽上升管连接法兰（1）、蒸汽换热器（22）顺次连接成闭合回路；蒸汽上升管（5）末端设有真空抽气孔（2）；光带感应器(13)置于集热管(9)末端；集热管（9）与转动轴承（18）同轴布置；集热管（9）通过集热管支架（16）固定在系统支撑（19）上；冷凝回水管（10）通过冷凝回水管支架（17）固定在系统支撑（19）上；二次反射镜（12）固定在二次反射镜架（29）上；主反射镜（11）固定在主反射镜架（15）上；二次反射镜架（29）通过二次反射镜支撑架（30）固定在主反射镜架（15）上；转动轴承（18）分别与系统支撑（19）、液压传动系统（20）相连接；排污口（23）设在蒸汽换热器（22）的底部；给水泵（25）与给水管道（26）、流量计（27）、蒸汽换热器给水入口法兰（3）顺次连接；蒸汽换热器（22）安装在铁塔支架（24）上；系统由控制系统（21）控制。

2.根据权利要求1所述的一种同轴聚光二次反射槽式太阳能自然循环集热装置，其特征在于所述的二次反射镜（12）为双曲柱面镜或拟双曲柱面镜，二次反射镜（12）的实轴与主反射镜（11）的对称轴在同一条直线上，二次反射镜（12）的近焦点与主反射镜（11）的焦点重合。

3.根据权利要求1所述的一种同轴聚光二次反射槽式太阳能自然循环集热装置，其特征在于所述的集热管（9）与转动轴承（18）同轴布置，且在主反射镜架（15）追踪太阳光转动过程中，集热管（9）始终保持静止不动。

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