CN103196241B - 一种抛物槽式太阳能集热装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种抛物槽式太阳能集热装置，该装置由抛物面反光镜和集热套管构成，集热套管由外侧组合管壁和中部吸收管构成，外侧组合管壁套装在中部吸收管上，中部吸收管的外层涂覆有选择性涂层，中部吸收管管内为导热介质，外侧组合管壁与中部吸收管之间为导热介质为空气。利用本发明，解决了传统槽式太阳能集热管导热介质单一，集热温度相对较低的问题，并降低了集热管的装置投资、制造和维护成本，提高了槽式发电的经济性，同时促进集热管内流场、温度场的均匀分布，减少了热应力，从而满足了太阳能集热装置低成本、高效率发电的要求。

Description

一种抛物槽式太阳能集热装置

技术领域

本发明涉及太阳能集热与热发电技术领域，尤其是一种抛物槽式太阳能集热装置，是一种含二次聚光、两层管壁之间非真空的槽式太阳能集热装置。

背景技术

太阳能热发电技术以聚光式集热器提供能量为主，主要分为槽式、塔式和碟式三类。相对而言，槽式太阳能热发电技术较为成熟，已有商业化电站运行。抛物槽式太阳能集热系统是槽式太阳能热发电系统的核心，集热管是集热系统的核心部件，其性能的高低直接影响着整个集热系统和热发电系统的热力性能的优劣，也影响着整个系统经济性能的好坏。

发展抛物槽式太阳能热发电技术的主要障碍是投资成本高、系统效率较低。因此提高系统关键技术部件的性能成为解决这些制约因素的主要途径之一。

抛物槽式太阳能聚光集热器主要由支架、抛物面反射镜、接收器等几个主要的部件组成。目前已有的接收器大都是直通式真空集热管。图1为现有的一种典型的抛物槽式集热器，集热器由内层金属管7和外层玻璃管8组成。太阳光照射在集热器上，较少部分的太阳光透过接收器直接被集热管内的工质吸收，另一部分照射到抛物面反射镜上，照射在抛物面反射镜上的太阳光经过反射被汇集到接收器上，被接收器内流动工质吸收，转化为内部导热工质的热能，从而实现太阳能的热利用。

目前较为理想的导热介质主要有导热油、熔盐和水。考虑到温度升高，集热管内外两层管壁的膨胀量增大，真空破坏的可能性增大，导热油成为目前应用最多的导热工质。这是因为导热油在集热管内运行温度相对较低。导热油的运行过程中，在集热管的真空区域会出现氢气，破坏选择性涂层，增加散热损失，这些氢气来自导热油的变质降解。受此影响，导热油的最高集热温度只能达到约400℃，这一温度区间也正好符合集热管保持真空的要求。熔盐可同时作为传热介质和蓄热子系统的蓄热介质，但需要安装辅助加热保温设备来保证熔盐在太阳能集热场内不出现凝固现象，所以熔盐作为换热工质所需要的运行温度较高，给传统集热管的真空保持带来了难题。水为直接传热介质减少了换热过程的散热损失，提升系统效率，出口温度也可以得到提高，但是集热器回路出口过热蒸汽参数不宜控制，集热管内温度梯度过高会带来一系列的问题，不利于真空的保持。

传统抛物槽式太阳能集热管的真空保持给太阳能热发电带来了以下问题：

首先抛物槽式太阳能热发电装置中热力循环的发电效率随着集热温度的升高而升高。而保持真空则需要控制装置的集热温度。现有的以导热油为换热工质的抛物槽式太阳能装置集热温度多为200-400℃，发电效率提升受到限制。

其次，传统真空集热管内外管壁间的真空设计对外层玻璃管壁的材质提出了很高的要求。外层管壁不仅需要有较高的太阳投射比、良好的热稳定性，还要有较低的热膨胀系数、良好的耐热冲击性能、较高的机械强度以及较好的抗化学腐蚀性。这些要求使得集热管制造难度加大，制造成本提高，装置的安装投资增大。

再次，真空集热管要求各个部件之间密封良好，对连接件的性能也提出了很高要求，并且需要增加消气剂并采取其它必要的措施来维持真空，装置的运行和维护成本也上升。

另外，传统集热管装载有导热介质的金属管周向受热不均匀。远离抛物槽反光镜的一侧相比接近一侧接收的太阳光要少。导致金属管内的传热工质温度场和流场不均匀，管子的热应力增大。

发明内容

(一)要解决的技术问题

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种抛物槽式太阳能集热装置，以解决传统槽式太阳能集热管导热介质单一，集热温度相对较低的问题；并降低集热管的装置投资、制造和维护成本，提高槽式发电的经济性；同时促进集热管内流场、温度场的均匀分布，减少热应力。从而满足太阳能集热装置低成本、高效率发电的要求。

(二)技术方案

为达到上述目的，本发明提供了一种抛物槽式太阳能集热装置，该装置由抛物面反光镜和集热套管构成，集热套管由外侧组合管壁4和中部吸收管5构成，外侧组合管壁4套装在中部吸收管5上，中部吸收管5的外层涂覆有选择性涂层，中部吸收管5管内为导热介质，外侧组合管壁4与中部吸收管5之间为导热介质为空气。所述外侧组合管壁4由玻璃壁面2和金属壁面3拼接而成。

上述方案中，所述金属壁面3安装在远离抛物面反光镜的一侧，玻璃壁面2安装在靠近抛物面反光镜一侧。所述玻璃壁面2和金属壁面3采用镶嵌或铆接等工艺拼接而成。所述金属壁面3的内壁形成太阳光的二次聚光面，金属壁面3的外侧覆盖保温材料，减少和外部环境之间的辐射和对流换热。所述由玻璃壁面2和金属壁面3拼接而成的外侧组合管壁4，其横截面采取直线、折线、弧形、矩形等或者上述几种形状的组合。

上述方案中，所述中部吸收管5为金属管，外层涂覆高吸收率与低发射率选择性涂层，吸收投射在其上的太阳光。

上述方案中，所述导热介质为导热油、水或熔盐。

上述方案中，该装置在工作时，经过抛物面反光镜反射的太阳光，一部分透过外侧组合管壁的玻璃壁面聚焦到中部吸收管上，直接透射入中部吸收管内，加热中部吸收管内的导热介质，另外较少一部分经玻璃壁面透射和被中部吸收管反射的光线照射到外侧组合管壁的金属壁面的内壁，被金属壁面的内壁反射，再次聚焦到中部吸收管上，实现二次聚光。

(三)有益效果

从上述装置和技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：

1、本发明提供的这种聚光槽式太阳能集热装置，特点是集热装置内外两层管壁之间介质为空气，不必进行抽真空设计，突破了传统真空集热管中金属与玻璃封接技术的瓶颈，提高了集热装置的集热温度，为槽式太阳能热发电系统高效运行创造了有利条件。

2、本发明提供的这种聚光槽式太阳能集热装置，外侧组合管壁不必为保持真空而进行特殊的设计、选材和加工，降低了对材料的要求，使得装置的生产成本下降，运行维护费用减少，经济性提高。

3、本发明提供的这种聚光槽式太阳能集热装置，外侧组合管壁的金属材料内表面能够将少量直接投射在其上的太阳光进行二次聚光收集，提高了装置的集热温度，同时使内层的金属管远离抛物面反光镜的一侧受热，对金属管内流场和温度场的均匀、稳定分布有一定程度的促进作用。

4、本发明提供的这种聚光槽式太阳能集热装置，突破了传统抛物槽式太阳能集热管的真空设计，集热套管两层管壁之间介质为空气，不用进行真空处理，套管的外层管壁采用组合式设计，由金属壁面和玻璃壁面组合而成。金属壁面和玻璃壁面可以做成多种符合光学原理有利于提高光学效率的形状，连接简单，两者共同形成笼罩在金属管外侧的腔体。并且组合式外壁的金属壁面内表面形成太阳光的二次聚光面，将投射在其上的太阳光再次反射到内部的金属集热管上，这种二次反射也使得内部金属管远离抛物槽的一面接收到更多的光线，一定程度上促进了集热管内部流场和温度场的稳定分布，减小了内侧金属管的热应力。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的描述。

图1为目前一种典型的传统抛物槽式集热器。

图2是依照本发明实施例的聚光槽式太阳能集热装置的示意图；

图3是图2实施例的A-A剖面图，并示出了实施例1的光照线路。

图4是图2实施例外侧组合管壁可能的形态举例，外侧组合管壁4形状不局限于图2中所示的弧形和直线的组合，也不局限于图4中所示的形状，远离抛物反光镜一侧的金属材料壁面和靠近侧的高透射率的玻璃壁面都可以采用直线、折线、弧形、矩形等或者上述几种形状的组合。

图2中1为抛物面反光镜，2是外侧组合管壁中的玻璃壁面，3是外侧组合管壁中的金属壁面，4为外侧组合管壁(2、3共同组成4)，5是中部吸收管，6是聚氨酯等保温材料。图1中7为内层金属管，8为外层玻璃管。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

如图2所示，图2是依照本发明实施例的聚光槽式太阳能集热装置的示意图，该装置由抛物面反光镜和集热套管构成，集热套管由外侧组合管壁4和中部吸收管5构成，外侧组合管壁4套装在中部吸收管5上，中部吸收管5的外层涂覆高吸收率与低发射率选择性涂层，中部吸收管5管内为导热介质(如导热油、水或者熔盐)，外侧组合管壁4与中部吸收管5之间为导热介质为空气，不必抽真空。

外侧组合管壁4由玻璃壁面2和金属壁面3拼接而成。金属壁面3安装在远离抛物面反光镜的一侧，玻璃壁面2安装在靠近抛物面反光镜一侧。玻璃壁面2和金属壁面3采用镶嵌或铆接等工艺拼接而成。金属壁面3的内壁形成太阳光的二次聚光面，金属壁面3的外侧覆盖保温材料，减少和外部环境之间的辐射和对流换热。由玻璃壁面2和金属壁面3拼接而成的外侧组合管壁4，其横截面采取直线、折线、弧形、矩形等或者上述几种形状的组合。中部吸收管5为金属管，外层涂覆高吸收率与低发射率选择性涂层，吸收投射在其上的太阳光。

该装置在工作时，经过抛物面反光镜反射的太阳光，一部分透过外侧组合管壁的玻璃壁面聚焦到中部吸收管上，直接透射入中部吸收管内，加热中部吸收管内的导热介质，另外较少一部分经玻璃壁面透射和被中部吸收管反射的光线照射到外侧组合管壁的金属壁面的内壁，被金属壁面的内壁反射，再次聚焦到中部吸收管上，实现二次聚光。

图1所示聚光槽式太阳能集热装置的光照线路图如图3所示，投射在抛物面反光镜上的绝大部分光线B经反射后成为光线D投射到中部吸收管5上，极少部分的经抛物面反光镜反射的光线C和投射在中部金属管上的光线D中的一部分，经过反射后分别以光线E、G投射到外侧组合管壁4的金属壁面3的内壁上，经过金属壁面3内壁的二次反射分别以光线F、H投射到中部吸收管5上，被中部吸收管5内部的导热介质吸收。

相比传统集热管，本发明的突破在于集热装置的外侧组合管壁与中部吸收管两层管壁之间的非真空设计和外侧组合管壁的形状设计。非真空设计解决了真空保持带来的集热温度较低的问题；突破了传统真空集热管中金属与玻璃封接这一技术瓶颈，为槽式太阳能热发电系统高效运行创造了条件。

外侧组合管壁的玻璃壁面和金属壁面可以按照光学原理，以集热效率提升为原则，独立设计成经济性好且有利于提高光学效率的形状，每一种材料的横截面上可以为直线、折线、弧形、矩形等或者上述几种形状的组合，图4中示出了外侧组合管壁一部分可能的形状，实际的组合方式很多，不局限于图2和图4中示出的例子。在外侧组合管壁中，玻璃壁面和金属壁面所占比例依据集热效率等的优化计算得出。

外侧组合管壁的金属壁面内侧能够实现对投射在其上的光线的二次聚焦，这些光线来自抛物面反光镜的反射。二次聚焦提高了集热装置的光学效率，一定程度上能够改善吸收管内传热介质流场和温度场分布不均的问题。外侧组合管壁的金属壁面部分外表面上覆盖保温材料，减少该部分与外界空气的辐射及对流换热，提高集热温度。

中部吸收管外表面涂覆高吸收率与低发射率的选择性涂层，吸收投射在其上的太阳光。传递给内部的导热工质。内部的导热工质可以为导热油、水蒸气以及熔盐等。金属管的材质应能够承受工质运行的温度区间内的高温。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种抛物槽式太阳能集热装置，其特征在于，该装置由抛物面反光镜和集热套管构成，集热套管由外侧组合管壁(4)和中部吸收管(5)构成，外侧组合管壁(4)套装在中部吸收管(5)上，中部吸收管(5)的外层涂覆有选择性涂层，中部吸收管(5)管内为导热介质，外侧组合管壁(4)与中部吸收管(5)之间的导热介质为空气；

其中，所述外侧组合管壁(4)由玻璃壁面(2)和金属壁面(3)拼接而成。

2.根据权利要求1所述的抛物槽式太阳能集热装置，其特征在于，所述金属壁面(3)安装在远离抛物面反光镜的一侧，玻璃壁面(2)安装在靠近抛物面反光镜一侧。

3.根据权利要求1所述的抛物槽式太阳能集热装置，其特征在于，所述金属壁面(3)的内壁形成太阳光的二次聚光面，金属壁面(3)的外侧覆盖保温材料，减少和外部环境之间的辐射和对流换热。

4.根据权利要求1所述的抛物槽式太阳能集热装置，其特征在于，所述由玻璃壁面(2)和金属壁面(3)拼接而成的外侧组合管壁(4)，其横截面采取矩形、圆形、弧形或者上述几种形状的组合。

5.根据权利要求1所述的抛物槽式太阳能集热装置，其特征在于，所述中部吸收管(5)为金属管，外层涂覆高吸收率与低发射率选择性涂层，吸收投射在其上的太阳光。

6.根据权利要求1所述的抛物槽式太阳能集热装置，其特征在于，所述导热介质为导热油、水或熔盐。

7.根据权利要求1所述的抛物槽式太阳能集热装置，其特征在于，该装置在工作时，经过抛物面反光镜反射的太阳光，一部分透过外侧组合管壁的玻璃壁面聚焦到中部吸收管上，直接透射入中部吸收管内，加热中部吸收管内的导热介质，另外较少一部分经玻璃壁面透射和被中部吸收管反射的光线照射到外侧组合管壁的金属壁面的内壁，被金属壁面的内壁反射，再次聚焦到中部吸收管上，实现二次聚光。