CN103090555B - 一种劈尖结构腔式太阳能接收器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种劈尖结构腔式太阳能接收器,属于太阳能高温热利用技术领域,它由圆筒形腔，劈尖型吸收体，圆锥形反射器几项创新设计综合而成，能够运行在聚光比达10000的碟式抛物镜太阳能系统中，在有限的换热空间内，可实现66kw的换热量，加热工质气体达到出口温度1100℃，具有紧凑、高效、低流阻的技术特点。该发明设计的提出，为提高太阳能高温热利用系统的竞争力，研发太阳能热接收器，向高温高效发展，具有十分重要的意义。

Description

一种劈尖结构腔式太阳能接收器
技术领域
本发明涉及一种劈尖结构腔式太阳能接收器，属于太阳能高温热利用技术领域。
背景技术
随着全球工业化的迅速发展，煤、石油、天然气等能源消耗量不断增长，全球性的能源危机日益严重。自从20世纪70年代产生能源危机以来，全球环境污染日趋严重，加上各个领域新型技术的迅猛发展，对可再生能源的需求度日益高涨。在可再生能源中，太阳能具有取之不尽、用之不竭、绿色环保的优越性，合理而有效地开发利用太阳能有着重大的意义。
太阳能热接收器吸收聚焦的太阳光线，将能量以热能形式传递给工作介质，驱动热机做功，可广泛应用于碟式、塔式太阳能高温热发电或光气互补联合循环发电系统，对新能源的开发和利用具有十分重要的应用意义。电厂可以采用太阳能热接收器和燃烧室并联或串联的混合方式发电，当阳光充足时，系统直接使用太阳能作为系统驱动能量，天然气用来当阳光不足时进行补燃，这种方式可以使二氧化碳排量比传统电厂降低一半，氮化物和硫化物的排量也明显降低。
而现代大多数热电转化效率能够达50%的高效动力循环系统，诸如蒸汽燃气联合循环，都需要10-30bar和1000-1500℃（目前燃气轮机入口温度最高已达1600℃），在减小二次辐射损失的情况下，将太阳辐射能转化为这种高温下的热能，接收器光口的聚光比必须达到5000-10000，能量密度4-8MW/m2，这种高聚光水平可以在抛物碟式聚光器或带二次聚光系统的定日镜场下实现。但是在现有技术中，太阳能热接收器还不能在这种工作条件下运行，使系统只能在低聚光比水平运行，限制了整个系统的效率。因而，为提高太阳能高温热利用系统的竞争力，研发太阳能热接收器，向高温高效发展，具有十分重要的意义。
空气对热辐射来说可以看成是透明介质，汇聚的太阳能不可能被空气直接吸收，需要中间换热物体。太阳光线通过聚光系统集聚后并照射到中间换热物体时，只具有表面特性，由于光线聚集的焦斑很小，直接受热的固体表面积也很小，无法满足与空气换热的面积要求。
发明内容
本发明的目的是为了实现高温高效太阳能集热，提出了一种新型腔式太阳能接收器，设计了劈尖型吸收体结构，能够运行在聚光比达10000的碟式抛物镜太阳能系统中，在有限的换热空间内，实现66kw的换热量，加热工质气体达到出口温度1100℃，具有紧凑、高效、低流阻的技术特点。
一种劈尖结构腔式太阳能接收器，包括腔体外壁、吸收体、集气腔和反射器；
腔体外壁（1）上部为开口圆锥形，下部为圆筒形，圆锥形顶端设有进气口，进气口连接进气管路，圆筒形底端设有环形集气腔，集气腔上设有出气口，出气口连接出气管路，环形集气腔还设有环形底部，用于固定连接吸收体；
吸收体包括若干个劈尖结构，一个劈尖为两平板对焊而组成的三角形结构，将若干个劈尖结构中三角边依次相连，组成波折状的环筒，各劈尖内侧棱线紧贴腔体外壁，吸收体底部与集气腔的环形底部固定连接，劈尖面向腔体外壁的一面设为内侧，面向圆筒形中心线的一面设为外侧，劈尖内侧与腔体外壁之间形成通气管道，吸收体的顶端固定连接反射器；
反射器为圆锥形，底圆四周设有三角形体，数量与劈尖一致，三角形体与吸收体劈尖的三角形空槽凸凹结合，固定连接，反射器圆锥顶部面向进气口，劈尖外侧和反射器之间形成腔体，腔体下端为进光口。
本发明的优点在于：
（1）本发明实现了高温高效太阳能集热，能够运行在聚光比达10000的碟式抛物镜太阳能系统中，在有限的换热空间内，实现66kw的换热量；
（2）本发明有效利用了太阳光聚焦后的立体空间，圆筒型接收器形成一个黑体腔，漏光小，有效提高对太阳辐射的吸收；
（3）本发明所述的接收器腔体顶部与劈尖相连有圆锥状反射器，使直射至腔体顶部的太阳光线可反射至气流主流流经的吸收体壁面，有效提高对太阳辐射的吸收；
（4）本发明所述的接收器加热工质气体由顶部进气，首先冲击圆锥反射器的凸面，增强了换热效果，有效利用了直射至腔体顶部的太阳能能量；同时圆锥反射器具有导流作用，降低了流阻。
（5）本发明设计的劈尖折面结构大大增加了换热面积，使不到0.1m3的空间内布下14.5m2的换热面积，在太阳聚焦后有限的空间内，实现高能量密度的大功率换热；
（6）本发明太阳能热接收器流动阻力低，是相同换热量下，是盘管型换热器流阻的两到三千分之一，实现了紧凑、高效、低流阻的换热要求。
附图说明
图1是本发明接收器的主视图；
图2是本发明图1的A-A剖面图；
图3是本发明接收器的反射器的正视；
图4是本发明接收器的反射器的俯视图。
图中：
1-腔体外壁  2-吸收体      3-集气腔
4-反射器    5-进气口      6-出气口
7-腔体      8-进光口
具体实施方式
下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
本发明是一种劈尖结构腔式太阳能接收器，如图1所示，包括腔体外壁1、吸收体2、集气腔3和反射器4。
腔体外壁1上部为开口圆锥形，下部为圆筒形，圆锥形顶端设有进气口5，进气口5连接进气管路，圆筒形底端设有环形集气腔3，环形集气腔3上设有出气口6，还设有环形底部，用于固定连接吸收体2，出气口6连接出气管路，出气管路将被加热的空气导向热机做功，腔体外壁1的外侧设有绝热材料，降低散热损失，腔体外壁1用于固定和支撑内部的吸收体2。
如图2所示，吸收体2包括若干个劈尖结构，一个劈尖为将两平板对焊而组成的三角形结构，将若干个劈尖结构中三角边依次相连，组成波折状的环筒，各劈尖内侧棱线（两个平板对焊处即“尖”）紧贴腔体外壁1，吸收体2底部与集气腔3的环形底部紧紧相连，接触处选用焊接，劈尖面向腔体外壁1的一面设为内侧，面向圆筒形中心线的一面设为外侧，劈尖内侧与腔体外壁1之间形成通气管道，吸收体2的顶端固定连接反射器4。
如图3和图4所示，反射器4为圆锥形，底圆四周设有三角形体，数量与劈尖一致，三角形体与吸收体2劈尖的三角形空槽凸凹结合，接缝处焊接封严，反射器4圆锥顶部面向进气口8，劈尖外侧和反射器4之间形成腔体7，腔体7下端为进光口8。
吸收体2的劈尖可以采用耐高温合金材料，劈尖外侧设有太阳光谱吸收涂层。劈尖的数量与具体尺寸通过所需实现的换热量及工质进出口温度，根据能量守恒及换热公式确定。本发明中，经设计计算，吸收体2由136个劈尖组成，在筒高约0.6m，直径0.5m的空间内，以空气为介质，能够实现66kw的换热量。
如图3所示，反射器4为圆锥形反射器，反射器4采用对太阳光谱具有高反射的材料或者面向进光口8一面涂有高反射涂层。
本发明接收器工作实施可以从光侧与气侧两方面分别来描述。
从光侧方面，聚光镜接收的太阳能，汇聚成焦斑能量，全部通过进光口8进入腔体7，一部分光照射到吸收体2的劈尖结构上，劈尖外侧吸收辐射能并将其转化为热能，壁面温度升高；同时一部分光直射在反射器4上，小部分光被反射器4吸收，反射器4温度升高，大部分光经由反射器4反射到劈尖的外侧，使劈尖外侧吸收尽可能多的太阳辐射。
从气侧方面，工质气体通过腔体外壁1上的进气管进入，首先冲击反射器4的凸面，带走反射器4上吸收的热能，进而流向劈尖组成的通气管道，气体与劈尖外侧壁面对流换热，带走劈尖外侧壁面的热量，进入腔体外壁1下端的集气腔3，在集气腔3汇集成高温气体，通过出气口，排向热机驱动做功。
本发明的一种劈尖结构腔式太阳能接收器，属于太阳能高温热利用技术领域，能够运行在聚光比达10000的碟式抛物镜太阳能系统中，在有限的换热空间内，可实现66kw的换热量，加热工质气体达到出口温度1100℃，具有紧凑、高效、低流阻的技术特点。本发明的提出，为提高太阳能高温热利用系统的竞争力，研发太阳能热接收器，向高温高效发展，具有十分重要的意义。

Claims (8)

1.一种劈尖结构腔式太阳能接收器，包括腔体外壁(1)、吸收体(2)、环形集气腔(3)和反射器(4)；
腔体外壁(1)上部为开口圆锥形，下部为圆筒形，圆锥形顶端设有进气口(5)，进气口(5)连接进气管路，圆筒形底端设有环形集气腔(3)，环形集气腔(3)上设有出气口(6)，出气口(6)连接出气管路，环形集气腔(3)还设有环形底部，用于固定连接吸收体(2)；
吸收体(2)包括若干个劈尖结构，一个劈尖为将两平板对焊而组成的三角形结构，将若干个劈尖结构中三角边依次相连，组成波折状的环筒，各劈尖内侧棱线紧贴腔体外壁(1)，吸收体(2)底部与环形集气腔(3)的环形底部固定连接，劈尖面向腔体外壁(1)的一面设为劈尖内侧，面向圆筒形中心线的一面设为劈尖外侧，劈尖内侧与腔体外壁(1)之间形成通气管道，吸收体(2)的顶端固定连接反射器(4)；
反射器(4)为圆锥形，底圆四周设有三角形体，数量与劈尖一致，三角形体与吸收体(2)劈尖的三角形空槽凸凹结合，固定连接，反射器(4)圆锥顶部面向进气口(5)，劈尖外侧和反射器(4)之间形成腔体(7)，腔体(7)下端为进光口(8)。
2.根据权利要求1所述的一种劈尖结构腔式太阳能接收器，吸收体(2)与反射器(4)之间为密封焊接。
3.根据权利要求1所述的一种劈尖结构腔式太阳能接收器，吸收体(2)底部与环形集气腔(3)的环形底部之间为密封焊接。
4.根据权利要求1所述的一种劈尖结构腔式太阳能接收器，腔体外壁(1)的劈尖外侧设有绝热材料。
5.根据权利要求1所述的一种劈尖结构腔式太阳能接收器，吸收体(2)的劈尖采用耐高温合金材料。
6.根据权利要求1所述的一种劈尖结构腔式太阳能接收器，吸收体(2)劈尖外侧设有太阳光谱吸收涂层.
7.根据权利要求1所述的一种劈尖结构腔式太阳能接收器，吸收体(2)由136个劈尖组成，腔体外壁(1)筒高0.6m，直径0.5m的空间内，以空气为介质。
8.根据权利要求1所述的一种劈尖结构腔式太阳能接收器，反射器(4)采用对太阳光谱具有高反射的材料或者面向进光口(8)一面涂有高反射涂层。
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