CN103062922B - 一种具有减压和降低热应力功能的两级汇聚式太阳能聚光系统 - Google Patents

一种具有减压和降低热应力功能的两级汇聚式太阳能聚光系统 Download PDF

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Abstract

一种具有减压和降低热应力功能的两级汇聚式太阳能聚光系统，属于太阳能聚光系统与接收器技术领域。本发明为了解决现有两级汇聚式太阳能聚光系统对镜场支架强度的要求高的问题，以及管式接收器在跟踪太阳的过程存在的由于跟踪太阳运动而导致漏液的问题。二级双曲线型汇聚面和一级抛物型槽式汇聚面上下布置，一级抛物型槽式汇聚面和二级双曲线型汇聚面的表面涂有反射涂层，反射涂层为真空镀铝或抛光蒸镀薄膜银涂层，二级双曲面型汇聚面的上焦点与一级抛物型槽式汇聚面的焦点相重合，二级双曲面型汇聚面的下焦点与一级抛物型槽式汇聚面的中心点相重合，管式接收器安装在一级抛物型槽式汇聚面的中心线处。本发明用于太阳能高温转换中。

Description

一种具有减压和降低热应力功能的两级汇聚式太阳能聚光系统
技术领域
本发明涉及一种两级汇聚式太阳能聚光系统，具体涉及一种具有减压和降低热应力功能的两级汇聚式太阳能聚光系统，属于太阳能聚光系统与接收器技术领域。
背景技术
以太阳能制氢、太阳能热推进、太阳能熔覆技术等为代表的先进太阳能高温热转换技术的工作温度已达到1500K，甚至更高。单级太阳能聚光系统由于聚光比低、存在离散热斑等因素而无法满足太阳能高温热转换的需求。为实现太阳能高倍汇聚及光束传输的控制，两级太阳能聚光系统由于聚光比高、占用空间小等优点而逐渐受到了重视。两级太阳能聚光系统由一次聚集器和二次聚集器组成，二次聚集器将一次聚集器汇聚后的太阳光束进行再次汇聚以提高能流密度强度。两级太阳能聚光系统的几何聚光比为各级聚集器几何聚光比的乘积。
接收器表面能流密度的大小与聚集器的开口半径成正比关系。为达到高能流密度，汇聚面的开口直径通常可以达到3m，甚至更高。开口直径越大，汇聚面的接收面积也越大。当高速的风吹过汇聚面的时候会在镜场表面产生高的压力而提高了镜场支架强度的要求。由伯努利方程可以知道，汇聚面镜场表面受到的压力与风速成平方的关系。
由于太阳能热利用具有显著的间断性和不均匀性，导致太阳能接收器承受反复高温差的热冲击循环，接收器容易受到高热应力并引发接收器玻璃管罩破裂、接收器的热变形并最终失效。此外，在整个系统跟踪太阳的时候，管式接收器在跟踪太阳的过程还存在由于跟踪太阳运动而导致漏液等缺点。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有两级汇聚式太阳能聚光系统当高速的风吹过汇聚面时会在镜场表面产生高的压力而提高了镜场支架强度的要求的问题，以及管式接收器在跟踪太阳的过程存在的由于跟踪太阳运动而导致漏液的问题，进而提供一种具有减压和降低热应力功能的两级汇聚式太阳能聚光系统。
本发明的技术方案是：一种具有减压和降低热应力功能的两级汇聚式太阳能聚光系统包括管式接收器、一级抛物型槽式汇聚面和二级双曲线型汇聚面，二级双曲线型汇聚面和一级抛物型槽式汇聚面上下布置，一级抛物型槽式汇聚面和二级双曲线型汇聚面的表面涂有反射涂层，反射涂层为真空镀铝或抛光蒸镀薄膜银涂层，二级双曲面型汇聚面的上焦点与一级抛物型槽式汇聚面的焦点相重合，二级双曲面型汇聚面的下焦点与一级抛物型槽式汇聚面的中心点O相重合，管式接收器安装在一级抛物型槽式汇聚面的中心线处。反射涂层为真空镀铝或抛光蒸镀薄膜银涂层具有高反射率，反射率为大于0.90。
由于两级汇聚式太阳能聚光系统的一级聚集面镜场面积很大，在高速风的作用下很容易在镜场表面产生高的压力而提高了镜场支架强度的要求。因此，本发明的一级抛物型槽式汇聚面上开有多个透风圆孔，透风圆孔的面积占总镜场面积的0.1％，以达到降低风压的作用。本发明提出的含有透风圆孔的一级聚集面镜场的最大压力降低率可达到52％。
管式接收器采用非对称管式接收器，非对称管式接收器的内圆柱面的圆心与外圆柱面的圆心不在同一个位置，内圆柱面的圆心Oin相对于外圆柱面圆心Oout向下移动一定距离，移动距离为管壁厚的10％。因此，在没有增加整个管式接收器质量的情况下，非对称管式接收器上半段的壁厚比传统管式接收器上半段的壁厚有所增加。上半段的管壁厚度的增加也增大了管式接收器上半段的热容量，有利于缓解管式接收器的上半段受到的非均匀热流密度场引起的不均匀温度梯度分布。采用非对称管式接收器的最大热应力仅为传统管式接收器最大热应力的59％。
本发明与现有技术相比具有以下效果：
1、一级汇聚面采用一整块表面具有高反射率涂层(如：真空镀铝、抛光蒸镀薄膜银涂层)的抛物型槽式太阳能汇聚面，将入射的低热流密度太阳光进行第一次汇聚。二级汇聚面为表面具有高反射率涂层(如：真空镀铝、抛光蒸镀薄膜银涂层)的双曲面，其中双曲面的上焦点与一级汇聚面的焦点处相重合，双曲面的下焦点与一级汇聚面的中心点相重合。管式接收器安装在一级汇聚面的中心线处。在整个系统跟踪太阳的时候，一级抛物型槽式汇聚面、二级双曲面型汇聚面同时绕着管式接收器的中心线(即一级汇聚面的中心线处)做圆周运动运动并跟踪太阳。由于管式接收器在整个跟踪太阳的过程中保持不动，可以克服传统聚光系统中的接收器由于运动而导致漏液等缺点。
2、采用本文提出的含有透风圆孔的一级聚集面镜场，圆孔的面积占总镜场面积的0.1％，以达到降风压的作用。经过数值计算可以看出，本文提出的含有透风圆孔的一级聚集面镜场的最大风压降低率为52％。
3、管式接收器采用非对称管式接收器，非对称管式接收器的内圆柱面的圆心与外圆柱面的圆心不在同一个位置，内圆柱面的圆心相对于外圆柱面圆心向下移动一定距离，移动距离为管壁厚的10％。因此，在没有增加整个管式接收器质量的情况下，非对称管式接收器上半段的壁厚比传统管式接收器上半段的壁厚有所增加。上半段的管壁厚度的增加也增大了管式太阳能接收器的上半段的热容量，有利于缓解接收器的上半段受到的非均匀热流密度场引起的不均匀温度梯度分布的情况。经过数值计算可以看出，采用非对称管式接收器的最大热应力仅为传统管式接收器最大热应力的59％。
附图说明
图1是一种具有减压和降低热应力功能的两级汇聚式太阳能聚光系统结构示意图；
图2a是普通抛物型槽式聚集面镜场压力云图；
图2b是含有透风圆孔的抛物型槽式聚集面镜场压力云图；
图3是非对称管式太阳能接收器示意图及坐标系统；
图4是非对称管式接收器与传统管式接收器热应力对比曲线图；
图1中1为非对称管式接收器；2为一级抛物型槽式汇聚面；3为二级双曲面型汇聚面；4为透风降压圆孔；O为一级抛物型槽式汇聚面2的中心点；图3中Oin为内圆柱面的圆心；Oout为外圆柱面圆心；图4中S1为传统管式接收器热应力沿圆周角分布曲线图；S2为非对称管式接收器热应力沿圆周角分布曲线图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1说明本实施方式，本实施方式的一种具有减压和降低热应力功能的两级汇聚式太阳能聚光系统包括管式接收器1、一级抛物型槽式汇聚面2和二级双曲线型汇聚面3，二级双曲线型汇聚面3和一级抛物型槽式汇聚面2上下布置，一级抛物型槽式汇聚面2和二级双曲线型汇聚面3的表面涂有反射涂层，反射涂层为真空镀铝或抛光蒸镀薄膜银涂层，二级双曲面型汇聚面3的上焦点与一级抛物型槽式汇聚面2的焦点相重合，二级双曲面型汇聚面3的下焦点与一级抛物型槽式汇聚面2的中心点O相重合，管式接收器1安装在一级抛物型槽式汇聚面2的中心线处。反射涂层为真空镀铝或抛光蒸镀薄膜银涂层具有高反射率，反射率为大于0.90。
在整个两级汇聚式太阳能聚光系统跟踪太阳的时候，一级抛物型槽式汇聚面2、二级双曲面型汇聚面3同时绕着管式接收器1的中心线(即一级抛物型槽式汇聚面2的中心线处)做圆周运动运动并跟踪太阳。由于管式接收器在整个跟踪太阳的过程中保持不动，可以克服传统聚光系统中的接收器由于运动而导致漏液等缺点。
具体实施方式二：结合图1、图2a和图2b说明本实施方式，本实施方式的一种具有减压和降低热应力功能的两级汇聚式太阳能聚光系统由于两级汇聚式太阳能聚光系统的一级聚集面镜场面积很大，在高速风的作用下很容易在镜场表面产生高的压力而提高了镜场支架强度的要求。因此，本发明的一级抛物型槽式汇聚面2上开有多个透风圆孔4，透风圆孔4的面积占总镜场面积的0.1％，以达到降低风压的作用。如图2a和图2b所示，本发明提出的含有透风圆孔的一级聚集面镜场的最大压力降低率可达到52％。其它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3和图4说明本实施方式，本实施方式的管式接收器采用非对称管式接收器(如图3所示)，非对称管式接收器的内圆柱面的圆心与外圆柱面的圆心不在同一个位置，内圆柱面的圆心Oin相对于外圆柱面圆心Oout向下移动一定距离，移动距离为管壁厚的10％。因此，在没有增加整个管式接收器质量的情况下，非对称管式接收器上半段的壁厚比传统管式接收器上半段的壁厚有所增加。上半段的管壁厚度的增加也增大了管式接收器上半段的热容量，有利于缓解管式接收器的上半段受到的非均匀热流密度场引起的不均匀温度梯度分布。图4所示管式接收器出口端面处内壁面的热应力沿圆周角分布。由图4可以看出，采用非对称管式接收器的最大热应力仅为传统管式接收器最大热应力的59％。其它组成和连接关系与具体实施方式一或二相同。

Claims (2)

1.一种具有减压和降低热应力功能的两级汇聚式太阳能聚光系统，其特征在于：一种具有减压和降低热应力功能的两级汇聚式太阳能聚光系统包括管式接收器(1)、一级抛物型槽式汇聚面(2)和二级双曲线型汇聚面(3)，二级双曲线型汇聚面(3)和一级抛物型槽式汇聚面(2)上下布置，一级抛物型槽式汇聚面(2)和二级双曲线型汇聚面(3)的表面涂有反射涂层，反射涂层为真空镀铝或抛光蒸镀薄膜银涂层，二级双曲面型汇聚面(3)的上焦点与一级抛物型槽式汇聚面(2)的焦点相重合，二级双曲面型汇聚面(3)的下焦点与一级抛物型槽式汇聚面(2)的中心点O相重合，管式接收器(1)安装在一级抛物型槽式汇聚面(2)的中心线处；
其中，一级抛物型槽式汇聚面(2)上开有多个透风圆孔(4)，透风圆孔(4)的面积占总镜场面积的0.1％。
2.根据权利要求1所述的一种具有减压和降低热应力功能的两级汇聚式太阳能聚光系统，其特征在于：管式接收器(1)采用非对称管式接收器，内圆柱面的圆心Oin相对于外圆柱面圆心Oout向下移动一定距离，移动距离为管壁厚的10％。
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