CN103080666A - 用于太阳能集热器吸热管的改进 - Google Patents

Abstract

本发明涉及改进的太阳能集热器吸热管，所述吸热管包括吸气剂系统（10），所述吸气剂系统包含采取丸剂（11、11’、11”、1”…）形式的一个或多个吸气材料，所述丸剂以单行容纳于适合的保持器中。

Description

用于太阳能集热器吸热管的改进

技术领域

本发明涉及用于太阳能集热器吸热管的改进。

背景技术

太阳能集热器正在变成日益重要的替代能量来源。在这些装置中，并且更准确地说在太阳能集热器的吸热管中，氢气的存在是有害的，原因在于氢气增加从中央管主体（排热流体在其中流动）至吸热管外侧的热传导，因此逐渐地降低其效率。在这种情况下，与存在氢气有关的问题特别重要，原因在于在中央主体中流动的流体倾向于在高温下分解，从而产生氢气。

同样地，在采用用于在更高温度下排热的不同流体类型的新一代吸热管中，与存在氢气以及由此装置性能的衰减相关的问题特别重要，原因在于在如此更高温度下，存在来自吸热机的金属部件的更高氢气气体排放。

在吸热管内还存在与高内部温度相关的其他问题，所述高内部温度使吸气材料进入与氢气容量（其与运行温度成反比）有关的不良工作状况。

为此已经研发出一些技术手段，诸如在美国专利6832608中公开的技术手段，所述美国专利6832608描述了采用滑架形式的布置，以将吸气材料定位在吸热管内且有效率地容纳于吸热管内，目的在于保护吸气材料免受太阳和集热器中达到最高温度的部分的辐射。

这种类型的布置具有一些缺陷，原因在于通常以具有标准尺寸（即10毫米）的压缩粉末的丸剂的形式采用吸气材料，这意味着为了能够将足够量的吸气材料引入吸热管内以确保装置正常运行20-30年，每一个滑架应当容纳两行丸剂，并且通常在每一个吸热管中容纳两个滑架。

这导致两个不同性质的问题，一方面装载吸气材料（其采取彼此相邻的两行吸气剂丸剂的形式）上更大的困难，而另一方面是更多数量丸剂之间以及丸剂与滑架壁之间的接触点。

这些接触点产生随后出现粉末的一些易脆性区域。来自丸剂的粉末的产生以及随后分离是需要尽可能多地减少的现象，即使当这些粉末通过适合的容纳金属网状物限制时也是如此。这些分离的粉末不仅产生美观性的问题，还产生功能性的问题（例如降低暴露于辐射的表面的透明度以及由此降低吸热管的热效率）。

发明内容

本发明的目的是减少这种现象的强度，并且在其第一个方面中，本发明包括太阳能集热器的吸热管，所述吸热管包含吸气剂系统，所述吸气剂系统包括机械支承件以及吸气材料的压缩粉末的丸剂，其中所述机械支承件包括保持器，所述保持器包括基部和两个横向轴肩，其特征在于所述吸气剂粉末丸剂具有等于或大于15毫米的直径、介于2和5之间的直径/高度比，且以单行被容纳在所述基部上的所述保持器内。

上述吸气剂系统的保持器还能够被描述为U形滑架并且这两个术语具有用于本发明目的的同等含义。

附图说明

本发明将在附图帮助下在下文中进行说明，其中：

图1A示出根据本发明的待使用于吸热管内的吸气剂系统的第一实施例的侧视图，以及和图1B示出从其上方看的视图；

图2A示出根据本发明的待使用于吸热管内的吸气剂系统的替代实施例的侧视图，以及图2B示出从其上方看的视图；

图3示出待使用于机械支承件内的弹性元件的一些可能的实施例；

图4示出待使用于吸热管内的结合有在图3中描述的弹性元件之一的吸气剂系统从其上方看的视图；

图5为待使用于吸热管内的吸气剂系统的另一个实施例的横截面图。

具体实施方式

在附图中，元件的尺寸和尺寸比率（特别是参考金属网状物开口的尺寸）不是精确的而是已被修改过的，以提高对本发明的图形表示的理解。此外，可选地呈现的一些元件（例如用于保持器/滑架的可选隔热罩或固定装置）没有描述，原因在于其对理解来说并非主要的。

通过本发明显著简化了吸气材料丸剂装载至其壳体保持器内的操作。

强调的是，相对于具有较小表面积的吸气材料丸剂来说，吸气材料丸剂表面积的增加导致其性质恶化。然而，这种恶化由前述与技术领域（即太阳能集热器吸热管）具体关联的益处得以弥补。

实际上，丸剂在保持相同高度的同时增加表面积会致使其更脆弱、并且因此更难以掌控，但是在另一方面，增加高度导致对泵浦速度的负面影响并且导致气体杂质在到达内丸剂区域时遭遇到困难。因此，在采用具有增大直径的丸剂时预见到的不利影响将不会促使本领域的技术人员采用这种解决办法。还要强调的是，在本发明中待使用的吸气丸剂通过适当压缩吸气材料的粉末而获得并且不包括粘合剂，否则的话所述粘合剂将影响计划作为每个丸剂所吸收的氢气量的材料容量。这是影响丸剂结构抗力（structure resistance）以及其在太阳能集热器应用场合中成功采用的相关约束的关键方面。

从上述相反现象的角度来说，丸剂直径和其高度之间的最佳比率介于2和5之间，并且由于完全相同的原因，对于直径大于35毫米的丸剂来说问题开始显现。

优选地，丸剂直径介于18和25毫米之间，并且其直径和其高度之间的比率介于3和4之间。通过使用装载有丸剂（其具有这样的尺寸特性）的保持器进行操作，可以通过仅使用一个保持器/滑架将足够量的吸气材料插入至吸热管内，从而能够保证20-30年的装置使用寿命。相反地，目前采用的布置设想对于每一个吸热管使用两个不同的保持器，这除了结构成本之外还有相关的定位和固定问题，所述结构成本不仅包括保持器还包括完成机械支承件的元件（即限制金属网状物、间隔物和适合的隔热罩）。

还优选的是，保持器具有比丸剂直径大1-3毫米的宽度，这通过允许丸剂在一定程度上包容于保持器内解决了与丸剂结构膨胀（其作为吸气材料吸收氢气的结果）有关的技术问题。

关于计划作为构成横向轴肩的元件的高度的保持器高度，在设想使用金属网作为用于保持器的上闭合系统的更优选实施例（诸如在图1B中的元件14）中，横向轴肩的高度比丸剂高度小0.5-1毫米。这确保网本身还作为用于吸气材料丸剂的约束元件，以限制吸气材料丸剂的往复移动以及由于粉末产生的增加使吸气材料丸剂撞击碎片的可能性。

在上闭合系统的一部分为刚性的情况下，如图2A中描述的元件23的情况，优选的是出于上述完全相同的原因和技术效果，轴肩高度比丸剂高度大1-3毫米。

在更优选的实施例中，保持器还容纳与一个或多个吸气材料丸剂直接接触的一个或多个弹性元件。

这些弹性元件的主要功能是在丸剂上施加适合的压缩力，从而推动丸剂朝向彼此。这种作用保证即使吸气剂丸剂被包容于保持器（在其最有用的表现状态中的滑架，所述滑架比吸气剂丸剂的尺寸大）中，由弹性元件施加的压缩力也防止丸剂在保持器内的移动。

施加的压力值是关键参数并且其严格地取决于并具体关联到应用场合，原因在于过度的压力值将帮助破坏丸剂结构、而非通过在保持器内约束丸剂结构移动而防止其破坏。难以确定该值，原因在于应当考虑到如下事实：氢气被吸气材料吸收导致丸剂膨胀、以及其吸收氢气导致丸剂结构的脆性增加。发明人发现，由弹性装置施加的压缩力应当介于50牛至150牛之间。该值在新近安装的吸气剂系统中被考虑和测量，因此此时吸气材料可被认为是“新鲜的”，即已经吸收了最小量的氢气。

此外，弹性元件在其与吸气材料丸剂接触的区域中应当没有尖角，以避免具有易产生粉末地点，因此弹性元件应当在这些接触点中呈现平坦的或圆形的表面。这些特性将在后文被作为“分布式接触”。

关于吸气材料，优选的是即使在高温下使用，吸气材料也仍展现良好的氢气吸收容量。

因此用于本发明的优选吸气材料是在美国专利3203901（锆-铝合金）、美国专利4306887（锆-铁合金）、英国专利2077487（锆-钒-铁合金）、美国专利5961750（锆-钴-稀土合金）中描述的那些。为了吸收氢气，特别是在高温下吸收氢气，还已知使用钇合金，正如在国际专利申请WO2007/148362，WO2007/099575、以及WO2010/105945中描述的。虽然上述吸气剂合金为优选和本发明一起使用的，但是任何氢气吸气材料可以与公开的发明想法一起使用。此外可以设想使用由多种不同的吸气材料制成的丸剂或者以不同类型的丸剂装载保持器。

在图1A和1B中示出用于太阳能集热器吸热管的吸气剂系统10的第一实施例，其中吸气材料的丸剂11、11’、11’’…在保持器的平坦基部12上对齐并且存在例如通过电焊被固定至保持器的限制金属网14。

在图1A中示出的布置中还呈现作为止动器的可选元件15，一旦丸剂被装载至保持器内则所述元件15被机械地操作。虽然图1A仅示出这种元件15中靠近保持器其中一个端部的一个，但是能够存在在第二端部处的第二止动元件15’，如图1B中所示。

金属网能够以各种方式被固定至保持器上，例如金属网可以被固定至保持器横向轴肩13、13’上、或者在其外表面上被包绕和固定至平坦基部12处。在第二种情况下，优选的固定布置提供网14的边缘的稍微重叠，并且之后进行单个电焊以将网14固定至保持器上。

如在图1A和1B中所描述的，金属网能够布置为不超过保持器的整个长度，因此保留端部自由，由此避免和用于将保持器锚定在吸热管内所需的可能装置发生干扰。

在图2A和2B中示出替代的实施例，其中，吸气剂系统20包括安放于保持器结构的基部上的吸气材料丸剂21、21’、21’’…，所述保持器结构通过盖23闭合，所述盖23包括其中布置有金属网状物22的开口。

盖23随后通过适合的锚定装置（例如未示出的索圈）被固定至保持器基部上。

在图2A中，还示出若干凸出部24，凸出部24被折叠以作为安放于保持器基部上的的吸气材料丸剂21、21’、21’’…的止动器。

这个布置具有以下优势：容许通过半成品（其上固定有其金属网状物的保持器盖）制造闭合的保持器结构，并且因此简化在本发明中使用的吸气剂系统的组装操作。

同样地在第二实施例中，在优选的实施中，保持器比丸剂直径稍宽，并且横向轴肩高度比丸剂高度稍低。同样地在这种情况下，优选的尺寸设想使用如下的保持器：所述保持器具有比丸剂直径大1-3毫米的宽度以及比丸剂高度低0.5-1毫米的横向轴肩高度。在这个实施例中，丸剂止动器24还用于在丸剂线路上施加轻微的纵向压力，因此限制其横向的移动。

关于在根据本发明的系统中使用的金属网（诸如在前述图1A、1B、2A和2B中所表示的那些）的特性，网具有孔、或更一般地为具有尺寸介于10至500微米之间的洞。优选地，金属网开口介于20至50微米之间。在开口不为圆形或大致上圆形的情况下，上述尺寸指代其最大宽度。

在图3中示出待在保持器内使用的弹性元件的可能实施例的示例。描述的元件31、32、33、34中的每一个均具有应当与吸气剂丸剂接触的部分311、312、321、322、331、332、341、342，所述部分为平坦的或圆形的因此适合于实现与吸气剂丸剂表面的分布式接触。

图4示出从保持器40（其包含这些弹性元件41中之一）上方看的视图。在图4中仅呈现保持器的盖元件，其中布置有吸气材料丸剂42、42’…。应当注意的是，一般说来，参考本发明的吸气剂系统的保持器，保持器的盖和基部确定出吸气剂系统中的在吸热管内分别指向管的外侧（盖）或指向管的内部件（基部）的部分。盖和基部因此指代几何定位而非吸气剂系统被组装的方式，正如例如在图4中描述的实施例中吸气剂丸剂被安放于准盖上。

吸气剂系统的替代实施例设想使用修改的穿孔盖，所述穿孔盖并非呈现平坦的表面、而是呈现与吸气剂丸剂相应的一系列一个或多个在网中的凹陷部，这些凹陷部还呈现圆形的或平坦的表面以实现盖和吸气剂丸剂之间的分布式接触界面。

在图5中示意性示出这个布置的横截面50，其中，压缩的吸气材料丸剂51布置于平坦保持器基部52上方、并且被网54的凹陷部53、53’（其作为穿孔盖55一部分）竖直地约束。

该布置具有以下优势：还在竖直位移方面约束丸剂。

更优选的实施例设想使用压下的穿孔盖和弹性元件以用于在所有方向上约束丸剂的位移，但是穿孔盖和弹性元件也可以被单独采用。

如上所述，由于本发明，最小化了导致丸剂结构分裂并因此导致产生粉末的现象。然而，作为吸收氢气后丸剂变脆的结果，这种现象始终存在并且具有随时间退化的性质，因而优选的是向保持器提供具有用于有效容纳粉末的特别密织纹的网状物或网。

Claims (17)

1.太阳能集热器的吸热管，所述吸热管包含吸气剂系统（10、20），所述吸气剂系统包括机械支承件以及吸气材料的压缩粉末的丸剂（11、21、51），其中所述机械支承件包括保持器，所述保持器包括基部（12）和两个横向轴肩（13、13’），其特征在于，所述吸气剂粉末丸剂（11、21）具有等于或大于15毫米的直径、介于2和5之间的直径/高度比，且以单行被容纳在所述基部（12）上的所述保持器内。

2.根据权利要求1所述的吸热管，其中吸气剂粉末丸剂（11、21、51）的直径等于或小于35毫米。

3.根据权利要求2所述的吸热管，其中所述直径介于18和25毫米之间。

4.根据权利要求1所述的吸热管，其中所述直径/高度比介于3和4之间。

5.根据权利要求1所述的吸热管，其中所述保持器还包含与所述吸气剂粉末丸剂（11、21、51）中的一个或多个接触的一个或多个弹性元件（31、32、33、34），并且所述弹性元件呈现用于接触吸气剂粉末丸剂的平坦部分或圆形部分（311、312；321、322；331、332；341、342）。

6.根据权利要求5所述的吸热管，其中所述弹性元件（31、32、33、34）在新鲜的吸气剂丸剂上施加介于50牛至150牛之间的压缩力。

7.根据上述权利要求中任一所述的吸热管，其中所述保持器被金属网部分地包绕。

8.根据权利要求7所述的吸热管，其中所述金属网具有直径介于10至500微米之间的开口。

9.根据权利要求8所述的吸热管，其中所述直径介于20至50微米之间。

10.根据上述权利要求7-9中任一所述的吸热管，其中所述金属网被固定至保持器的横向轴肩（13、13’）上。

11.根据上述权利要求7-9中任一所述的吸热管，其中所述金属网在其外侧部上被固定到保持器基部（12）。

12.根据上述权利要求7-9中任一所述的吸热管，其中所述金属网（14）部分地重叠并且在其重叠区域中在其外侧部上被固定到保持器基部（12）。

13.根据上述权利要求中任一所述的吸热管，其中所述保持器具有大于吸气剂粉末丸剂（11、21、51）的直径的宽度，并且保持器宽度和直径之间的差介于1至3毫米之间。

14.根据上述权利要求中任一所述的吸热管，其中保持器的横向轴肩（13、13’）的高度小于吸气剂粉末丸剂（11、21、51）的高度，并且轴肩（13、13’）的高度和吸气剂粉末丸剂（11、21、51）的高度之间的差介于0.5至1毫米之间。

15.根据上述权利要求1-6中任一所述的吸热管，其中所述保持器通过穿孔盖（23）闭合，所述穿孔盖具有在盖开口中的金属网（22），并且横向轴肩（13、13’）的高度比吸气剂丸剂的高度大1-3毫米。

16.根据权利要求15所述的吸热管，其中所述金属网具有直径介于10至500微米之间的开口。

17.根据权利要求15所述的吸热管，其中所述穿孔盖（55）呈现实现与吸气剂粉末丸剂（11、21、51）的分布式接触的一个或多个凹陷部（53、53’）。

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