CN103123175B - 一种基于光热吸收锥构型的高效太阳能吸热器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于光热吸收锥构型的太阳能吸热器，包括密封盖、绝热管套、气流管道、吸热体、玻璃罩和吸热体紧固件，其特征是吸热体为棱台型结构，各平面可分开制造；每一平面均为光热吸收锥板，表面分布由多个尖锐棱锥，由高导热多孔疏松材料制成；玻璃罩为圆台形；所述的密封盖、吸热体、玻璃罩形成闭式容腔，空气通过密封盖的进气孔进入容腔，再经过多孔介质光热吸收锥板被加热而带走太阳能，最后沿着气流管道由吸热器出口端流出。优点：改善现有的吸热器存在吸热效率低、加工困难、内部流动损失大等问题。能够单独使用，也能通过接口互相组合使用；主要适用于太阳能热电转换系统，确保其能高效运行。

Description

一种基于光热吸收锥构型的高效太阳能吸热器

技术领域

本发明属于能源及工程设备技术领域，具体涉及一种用于太阳能热电转换系统的高效太阳能吸热器。

背景技术

进入21世纪以来，能源与环境问题已经逐步成为了世界各国关注的重点，人们对于清洁无污染并且可再生的新能源技术也展开了更多的研究，太阳能因其具有无污染且取之不尽用之不竭的特点，符合人们对于新能源的需求，也符合可持续发展战略。太阳能热电转换系统正是一种利用太阳能并将其转换为电能的热电系统，在目前技术背景下其具有显著优于太阳能光伏系统的光电转换效率、较少的占地面积、较低的单位功率成本等优势。

在太阳能光热发电系统中，关键性核心技术之一就是太阳能吸热器技术。吸热器的作用是将反射镜反射、聚焦的太阳能吸收并转化为热能。由吸热器转换生成的热能便可以驱动各类热机，最终带动发电机工作。因此吸热器的性能好坏直接关系到整个系统的效率。目前我国对于吸热器的研究甚少，国外的研究相对多一些，但仍处于起步阶段，也存在着很多问题，归纳起来有以下几点：1）吸热器中很多部件采用特殊形状的几何结构且尺寸大、材料和精度要求高，造成加工困难，成本高；2）吸热器为了通过汇聚的太阳光，都存在一个相对较大的透光口，这也相对的使得较大比例的光能被反射，造成吸热器效率低，在实际测试过程中效率一般为50%～60%，甚至更低。这个问题是吸热器普遍存在最为严重的问题，也是制约太阳能光热转化系统发展的关键之一；3）吸热器内温度分布不平衡，最终会引起局部气流加温不够，或局部结构材料超温失效。

发明内容

本发明提出的是一种基于光热吸收锥构型的高效太阳能吸热器，其目的旨在克服现有太阳能吸热器存在的上述缺陷，利用基于光热吸收锥构型改善其工作性能的封闭容腔式太阳能吸热器。

本发明的技术解决方案为：其结构中吸热体为棱台型结构，各平面可分开制造；每一平面均为光热吸收锥板，表面分布由多个尖锐棱锥，由高导热多孔疏松材料制成；玻璃罩为圆台形；所述的密封盖、吸热体、玻璃罩形成闭式容腔，空气通过密封盖的进气孔进入容腔，再经过多孔介质光热吸收锥板被加热而带走太阳能，最后沿着气流管道由吸热器出口端流出，所述的吸热体紧固件位于气流管道和吸热体之间，起到固定作用；气流管道之外包裹绝热管套，绝热管道能尽量减少管内热量的外泄。

本发明的有益效果：改善现有的吸热器存在吸热效率低、加工困难、内部流动损失大等问题。能够以较大比例吸收太阳能，大幅度减少反射损失，且加工并不困难，利于大批量低成本制造；主要适用于需加热气体工作介质且加热温度较高的热电转换系统，确保其能高效运行。能够单独使用，也能通过接口互相组合使用。

附图说明

图1是基于光热吸收锥构型太阳能吸热器的结构示意图。

图2是棱台形吸热体结构示意图。

图3是吸热锥板结构图。

图4是吸热锥板底面形状示意图。

图5是吸热锥造型结构图。

图6是六棱台几何结构示例图。

图7是十二棱台几何结构示例图。

图中的1是密封盖、2是气流管道、3是绝热管套、4是A吸热锥板、5是玻璃罩、6是进气孔、7是吸热体紧固件、8是B吸热锥板、9是圆管形状排气孔，10是泄压孔、11是圆形平板玻璃、12是金属连接件。

具体实施方式

对照附图1, 其结构包括密封盖1、绝热管套3、气流管道2、吸热体、玻璃罩5和吸热体紧固件7，其中吸热体为棱台型结构，各平面可分开制造；每一平面均为光热吸收锥板，表面分布由大量的尖锐棱锥，由高导热多孔疏松材料制成；玻璃罩为5圆台形；所述的密封盖1、吸热体、玻璃罩5形成闭式容腔，空气通过密封盖1的进气孔进入容腔，再经过多孔介质光热吸收锥板被加热而带走太阳能，最后沿着气流管道2由吸热器出口端流出。所述的吸热体紧固件7位于气流管道2和吸热体之间，起到固定作用；气流管道2之外包裹绝热管套3，绝热管道能尽量减少管内热量的外泄。

所述的吸热体包括A吸热锥板4、B吸热锥板8，玻璃罩5与A吸热锥板4之间形成容腔，由密封盖1进行密封形成封闭容腔，B吸热锥板8上开有泄压孔10；玻璃罩5由圆形平板玻璃11和金属连接件12进行密封；A吸热锥板4和气流管道2之间形成气流通道， A吸热锥板4、B吸热锥板8内气流方向由图中箭头所示。吸热体紧固件7位于气流管道2和B吸热锥板8之间，起到固定作用；气流管道2之外包裹绝热管套3，绝热管道能尽量减少管内热量的外泄；所述的吸热器包括进气孔和排气孔，后者为圆管形状9，进气孔6为多个小孔结构，每个小孔内可插入进气细管，多个细管可与一个较粗的管道连接形成一个单一的进气通道；单个吸热器输出的热气流既可以直接供热电转换系统使用，也可以并联若干个吸热器供较大的热电转换系统使用。

实施时，

将吸热体设计为棱台形，棱台形吸热体和圆台型玻璃罩之间形成容腔，通过密封盖封闭，最后将吸热体、气流管道和绝热管道组合成吸热器（如图1所示）。棱台形吸热体的棱台棱数N为3到20之间，由N个板状结构组成，每块板都是底面为平面的吸热锥板，吸热锥板便于大批量制造，再经切割成型后拼装连接成棱台结构（如图2所示）。棱台一端开口以便光线射入，棱台各面及地面由平面光热吸收板构成；各平面光热吸收热板由便于大批量制造的板材切割成型，即能形成吸热体结构又能低成本生产；棱台的棱数N通常为3到20之间，因此形成N棱台。

吸热锥板为梯形平板结构（如图3所示），其长底边长度W1不应超过短底边长度W₂的8倍，即W₁≤8W₂。

底面吸热锥板如图4所示，底板底板吸热锥板起到吸热、密封和固定的作用。图中为正6边形，是配合6棱台的底面，对于N棱台吸热器，底板即是N正边形，或其它正多边形，N通常为3到20之间，因此形成的棱锥为3到20面棱台。

每个平面光热吸收锥板，在表面上都隆起成尖锐棱锥，由高导热多孔疏松材料制成，一般可设计为四棱锥（如图5所示），也可以是其他多棱锥。其隆起高度CH应比板厚度H高，具体与板厚度的相对比值由具体设定加热温度和高导热多孔疏松材料的通气率等确定。未加热的相对较冷气流由尖锥上方流入，以适当低的速度从高导热多孔疏松材料尖锥体流过，一方面气体被加热达到了吸热器的设计功能，另一方面带走热量是尖锥体保持一定的温度而不至于温度过高。尖锥的锥角较小，这可使得光线在锥体表面间多次反射，多次被吸收，最终转化为热能被气流带走，从而提升吸热效率。

棱台吸热体中装入的圆台形玻璃罩形成容腔。圆台形玻璃罩能使光线透过进入吸热器，并封闭输入吸热器的增压气流（一般压力可达到几个大气压，不超过8个大气压）且承受压力载荷。圆台形玻璃罩比国外类似功能椭球玻璃罩的形状规则很多，便于降低制造成本。

六棱台吸热体在截面1处各几何关系，其中d1为正六边形外接圆直径，d2为正六边形内切圆直径，d3为圆台截面1处直径，Scyc为吸热器开口面积，Sm为六边形包围的面积。吸热体棱台结构可采用其他棱台数，如图6所示。

吸热锥板的长度L₁可以由截面1和截面2之间的距离L决定。

圆台形玻璃罩厚度应在5mm到15mm之间，圆台高度L₂，圆台长直径为，短直径为。玻璃罩的半顶角，其取值为10°～45°。

玻璃罩与吸热锥板之间的最小距离L₃，应大于平板隆起体高度的2倍以大于3倍为宜，即L₃≥3CH。吸热锥板与气流管道之间最小的距离L₄应与L₃近似，即L₄≈L₃。如图7所示。

吸热器包括进气孔和排气孔，后者为圆管形状，进气孔为多个小孔结构，多个小孔内可插入进气细管，多个细管可与一个较粗的管道连接，形成一个单一的进气通道，使得多个吸热器可以首尾相连，供较大的热电转换系统使用。

A、B吸热锥板和玻璃罩形成容腔的上下底面的距离为L，也就是截面1和2之间的距离。通常情况下根据蝶式太阳能集热器的聚焦特性、几何光学原理；吸热器特征、吸热锥板多孔介质材料特性；机械部件效率和发电机部件效率；空气的动力与热力特性等因素可以决定玻璃罩大口直径，由此就可以计算出吸热器开口面积S_cyc。玻璃罩的半顶角θ可以由，和L₂得出，根据式（1）可以得到θ，玻璃厚度应在5mm到25mm之间。吸热锥板的长度L₁要大于W₁，即L₁≥W₁。L₁、W₁、W₂和倾角α关系如式（2）。玻璃罩与吸热锥板之间的最小距离L₃应大于平板隆起体高度的2倍，但不应该超过其5倍，即2CH≤L₃≤5CH，其中L₃=（d₂-d₃）/2,其中d₂为棱锥内切圆直径，d₃为玻璃罩截面1处直径，d₂和d₃见图6所示。吸热体与气流管道之间最小的距离L₄应与L₃近似，即L₄≈L₃。

                      （1）

                        （2）

如图6所示为六棱台截面1处各几何关系示意图，其中d₁为正六边形外接圆直径，d₂为正六边形内切圆直径，d₃为圆台截面1处直径，S_cyc为吸热器开口面积，S_m为六边形包围的面积，S₁=S_m-S_cyc。

如图7所示为12棱台截面1处各几何关系示意图，图中参数意义同图5所示，由此可以类推棱台棱数不同时吸热器结构和各几何关系。

以下进一步说明吸热器中气流的一些流动特征。

1、进气口截面1处的气流速度V₁：

一般而言对于需要输出200kW左右的发电量，空气流量为=1.1kg/s时，吸热器的开口面积S_cyc为1.2m²左右。因此玻璃罩在截面1处的的直径为1.24m。考虑到玻璃罩壁面与吸热体之间的距离要求（2CH≤L3≤5CH），结合吸热锥板的特征（以六棱台为例），可以得到截面1处棱台多边形的内切圆比较适宜的一个直径量，即d₂=1.44m，由此可以计算得到截面1处棱台多边形积S_m（边长为W1包围的面积）为1.80m²，因此图5中阴影部分面积S₁=S_m-S_cys=0.6m²。当认为气流经过吸热器进口后的流速均匀分布时，根据(表示在一定压比时的空气密度，7.0kg/m³ )计算得到截面1处的流速，V₁=0.26m/s。这个流入气流速度较低，对于一般总压为5或6个大气压的压缩空气来说，流动损失的压头降低一般会在1‰以下，损失是很小的。

2、透过多孔介质的平均流速V_av：

根据六棱台截面1处内切圆的直径d₂，可以得到吸热锥板宽边宽W₁=0.83m，根据吸热锥板的要求，得到比较合理的短边宽W₂和板长L₁，分别为0.28m和1.3m，因此可以计算出吸热锥板的表面积S₂=4.529m²。根据式子，计算得到V_av=0.0347m/s。根据该速度结合吸热器中的环境可以选择适当孔隙密度的多孔介质，以保证流经疏松锥体的损失较小。

3、吸热器出口流速V₂：

根据吸热器中已知参数，可以适当选取吸热器出口的直径=为0.2m,可以得到出口段的面积S₃=0.0314m²，根据式子计算得到吸热器出口的流速V_e=5.0m/s。这个速度的热气流输出给热功转换装置是合适的。

Claims (9)

1.基于光热吸收锥构型的太阳能吸热器，其特征是包括密封盖、绝热管套、气流管道、吸热体、玻璃罩和吸热体紧固件，其中吸热体为棱台型结构，各平面可分开制造；每一平面均为光热吸收锥板，表面分布有多个尖锐棱锥，光热吸收锥板由高导热多孔疏松材料制成；玻璃罩为圆台形；所述的密封盖、吸热体、玻璃罩形成闭式容腔，空气通过密封盖的进气孔进入容腔，再经过多孔介质光热吸收锥板被加热而带走太阳能，最后沿着气流管道由吸热器出口端流出，所述的吸热体紧固件位于气流管道和吸热体之间，起到固定作用；气流管道之外包裹绝热管套，绝热管套能尽量减少管内热量的外泄。

2.根据权利要求1所述的基于光热吸收锥构型的太阳能吸热器，其特征是所述的吸热体为棱台结构，棱台一端开口以便光线射入，棱台各面由平面光热吸收锥板构成；棱台的棱数N为3到20之间，因此形成N棱台。

3.根据权利要求1所述的基于光热吸收锥构型的太阳能吸热器，其特征是所述的吸热体包括A吸热锥板、B吸热锥板，A吸热锥板与B吸热锥板相连，A吸热锥板与玻璃罩之间形成容腔，由密封盖进行密封形成封闭容腔，B吸热锥板上开有泄压孔。

4.根据权利要求3所述的基于光热吸收锥构型的太阳能吸热器，其特征是所述的玻璃罩由圆形平板玻璃和金属连接件进行密封；A吸热锥板和气流管道之间形成气流通道。

5.根据权利要求1所述的基于光热吸收锥构型的太阳能吸热器，其特征是所述的玻璃罩为圆台形，太阳光透过圆台玻璃罩射入吸热器，空气通过密封盖的进气孔进入容腔内被加热；圆台形玻璃罩封闭输入吸热器的增压气流且承受压力载荷。

6.根据权利要求1所述的基于光热吸收锥构型的太阳能吸热器，其特征是构成棱台形吸热体侧面的吸热锥板为梯形平板结构，其长底边长度W₁不超过短底边长度W₂的8倍，即W₁≤8W₂。

7.根据权利要求2所述的基于光热吸收锥构型的太阳能吸热器，其特征是每个平面光热吸收锥板，由高导热多孔疏松材料制成，在表面上都隆起成尖锐棱锥，设计为四棱锥；未加热的相对较冷气流由尖锥上方流入，从高导热多孔疏松材料尖锥体流过，一方面气体被加热，另一方面带走热量使尖锥体保持温度而不至于温度过高；尖锥的锥角能使光线在锥体表面间多次反射，多次被吸收，最终转化为热能被气流带走，从而提升吸热效率。

8.根据权利要求4所述的基于光热吸收锥构型的太阳能吸热器，其特征是所述的圆台形玻璃罩，由圆形平板玻璃和金属连接件进行密封，玻璃罩与吸热锥板之间的最小距离L₃大于吸热平板上尖锥体高度的2倍；吸热锥板与气流管道之间的距离L₄和玻璃罩与吸热锥板之间的最小距离L₃近似，即L₄≈L₃。

9.根据权利要求5所述的基于光热吸收锥构型的太阳能吸热器，其特征是所述的圆台形玻璃罩厚度5mm-15mm；圆台高度L₂，圆台长直径为，短直径为；玻璃罩的半顶角，其取值为10°～45°。