CN103344048B - 一种渐缩管束结构腔式太阳能接收器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种渐缩管束腔式太阳能接收器，属于太阳能高温热利用领域，依据聚光规律而特殊设计的渐缩管束吸热体使接收器接收太阳光照更加均匀，解决了现有接收器腔内能量分布不均的难题，且截头圆锥形外壳，封腔玻璃，截头圆锥形内腔形成的气道结构，使工质在接收器内流动更加均匀，从而能流匹配实现更好的集热性能，能够运行在聚光比达10000的碟式抛物镜及大型塔式聚光太阳能系统中，在有限的换热空间内实现大功率换热，可加热空气工质达到出口温度一千度以上，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，促进太阳能热接收器，向高温高效发展，具有十分重要的意义。

Description

一种渐缩管束结构腔式太阳能接收器

技术领域

本发明涉及一种渐缩管束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，传统能源的消耗量不断增长，能源紧缺、污染物排放过量等问题与日俱增，人类急需寻找新型能源解决需求矛盾。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，因而大力发展太阳能资源具有十分重要的意义。在太阳能热利用领域中，高聚光比的碟式及塔式太阳能聚光集热系统，可在聚焦的小空间内实现高能量密度换热，驱动斯特林，布雷顿等高效动力循环，具有十分可观的应用前景。

接收器作为太阳能集热的核心部件，在整个系统中具有十分重要的地位。热机入口温度越高，则热效率越高，现代大多数热电转化效率能够达50%的高效动力循环系统，都需要10-30bar和1000-1500℃（目前燃气轮机入口温度最高已达1600℃），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。

在现有的太阳能高聚光比点聚焦集热系统中采用的腔式集热器，大多由于聚光引起腔内接收的太阳能分布不均匀，加之流动不均匀，造成换热性能下降，局部过热材料破坏等严重问题。

发明内容

本发明为了实现高温高效太阳能集热，提出了一种新型渐缩管束式太阳能接收器，其结构单元简单，加工方便，能够运行在聚光比达10000的碟式抛物镜太阳能系统中，可在有限的换热空间内实现大功率换热，加热工质气体达到一千度以上高温，具有紧凑、高效、低流阻的技术特点。

本发明在研究聚光规律的基础上，提出了一种渐缩管束型腔式接收器，能够十分均匀的接收聚焦的太阳光于腔内，并且内外流道的设计使工质气体实现更加均匀的流动，有效解决了现有接收器存在的问题。在聚焦后有限的空间内，布置足够多的换热面，实现大功率换热，具有紧凑高效低流阻的技术特点，配合陶瓷材料的使用，可应用于1000℃高温太阳能集热系统中，具有十分优越的应用前景。

一种渐缩管束结构腔式太阳能接收器，包括进气口外壁、外壳、玻璃底托、透光玻璃、吸热体、吸热体支撑壁、倒流支撑、连接支撑、撑板、进气道、出气道、出气道外壁；

进气口外壁为圆筒形，外壳为中空的截头圆锥形，圆锥截面圆形直径小的一端固定连接进气口外壁，圆锥截面圆形直径大的一端固定连接玻璃底托，外壳与玻璃底托之间设有撑板，玻璃底托内设有凹槽，透光玻璃密封固定在玻璃底托的凹槽内，形成内部封闭的腔体，聚光镜聚集的太阳光通过透光玻璃打入腔体；

吸热体包括若干个渐缩管单元，渐缩管单元为下部直径大、上部直径小的小管，各个渐缩管单元的外壁与外壁对齐紧贴相连，若干个渐缩管单元围绕成环束，形成上凹下凸的带锥度的环束整体，锥度与外壳的锥度相对应，渐缩管单元形成气体通道；

吸热体的最外层紧密相连胶泥外壁；

出气道外壁位于进气口外壁内部，固定连接支撑之上，连接支撑的一侧固定连接倒流支撑，倒流支撑的一端固定连接撑板，连接支撑与倒流支撑之间形成凹槽，凹槽用于固定连接胶泥外壁；

出气道外壁内部中空处形成出风口，用于连接出气管路，出气道外壁、胶泥外壁、倒流支撑、透光玻璃围成的腔体，形成出气道；

进气口外壁与出气道外壁之间的中空部分，以及外壳与连接支撑之间的中空部分，形成进气道。

本发明的一种渐缩管束结构腔式太阳能接收器的优点在于：

（1）本发明有效利用了太阳光聚焦后的立体空间，环束吸热体中每根渐缩管的倾角与入射太阳光线角度保持相同的创新设计，使光线更好更均匀的打入吸热管内壁，解决了现有太阳能热接收器内接收能量不均匀的大问题；

（2）本发明独特的环束吸热体设计，其渐缩管单元结构简单，加工方便，现有陶瓷加工水平容易实现；

（3）本发明属于腔式太阳能接收器的一种，光利用率高，有效提高对太阳辐射的吸收；

（4）本发明实现了高温高效太阳能集热，配合陶瓷材料的使用，集热温度可达1000℃以上，能够运行在聚光比达10000的碟式抛物镜或大型塔式太阳能集热系统中，在有限的换热空间内，实现大功率换热；

（5）本发明设计的太阳能热接收器，进气道设于接收器外壁与吸热芯体之间，工质流动均匀，且对内部高温吸热壁有很好的隔热作用，可有效减少接收器外壁的散热损失，更好的提高热效率；

（6）本发明的太阳能热接收器较现有的接收器流动阻力低，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是本发明接收器的吸热体的正视图；

图4是本发明接收器的渐缩管单元的结构示意图。

图中：

1-进气口外壁                2-外壳                   3-玻璃托盘

4-透光玻璃                  5-吸热体                 6-吸热体支撑壁

7-导流支撑                  8-连接支撑               9-撑板

10-进气道                   11-出气道                12-出气道外壁

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。

本发明是一种渐缩管束结构腔式太阳能接收器，如图1和图2所示，包括进气口外壁1、外壳2、玻璃底托3、透光玻璃4、吸热体5、吸热体支撑壁6、倒流支撑7、连接支撑8、撑板9、进气道10、出气道11、出气道外壁12。

进气口外壁1为圆筒形，外壳2为中空的截头圆锥形，圆锥截面圆形直径小的一端固定连接进气口外壁1，圆锥截面圆形直径大的一端固定连接玻璃底托3，外壳2与玻璃底托3之间设有撑板9，撑板9为扇形小撑板，本发明中设有4个，均匀分布，玻璃底托3内设有凹槽，透光玻璃4密封固定在玻璃底托3的凹槽内，形成内部封闭的腔体，聚光镜聚集的太阳光通过透光玻璃4打入腔体；

如图3所示，吸热体5包括若干个渐缩管单元，渐缩管单元如图4所示，为下部直径大、上部直径小的小管，每根小管上下位置各有一个小孔，用于对齐固定，各个渐缩管单元的外壁与外壁对齐紧贴相连，用耐火胶泥粘接，若干个渐缩管单元围绕成环束，形成上凹下凸的带锥度的环束整体，锥度与外壳2的锥度相对应，根据所采用的聚光镜的边缘角，通过几何关系来确定，管与管外壁之间的间隙处，上部约1/3位置（小直径口外壁间隙）用耐火胶泥胶泥填充以固定，下部（大直径口外壁间隙）保持间隙，以使接收的太阳光更加充分，渐缩管单元形成气体通道；

吸热体5的最外层紧密相连有一定厚度的胶泥外壁6，用以固定整个吸热体5；

出气道外壁12位于进气口外壁1内部，固定连接支撑8之上，连接支撑8的一侧固定连接倒流支撑7，倒流支撑7的一端固定连接撑板9，连接支撑8与倒流支撑7之间形成凹槽，凹槽用于固定连接胶泥外壁6；

出气道外壁12内部中空处形成出风口，用于连接出气管路，出气道外壁12、胶泥外壁6、倒流支撑7、透光玻璃4围城的腔体，形成出气道11；

进气口外壁1与出气道外壁12之间的中空部分，以及外壳2与连接支撑8之间的中空部分，形成进气道10；

外壳2下部设有进气转弯倒角，如图2中B处所示，可通过在拐角部分填充胶泥，使形成圆弧倒角，减小气体转弯流动阻力；

所述吸收体5内的渐缩管单元可以采用陶瓷材料，其卓越的耐高温材料性能可使接收器运行壁面温度至1400℃-1500℃，渐缩管单元的壁厚根据加工工艺，可加工至0.5-1mm，更薄的壁厚有效减少管束底部对太阳光反射造成的损失，在必要时，渐缩管单元底部可涂太阳能光谱选择性吸收涂料，更有效利用太阳光。渐缩管单元的规格尺寸及个数，通过所需实现的换热量及工质进出口温度，根据所使用聚光镜的尺寸及换热公式确定。

本发明接收器工作过程可以从光侧与气侧两方面分别来描述：

从光侧方面，入射的平行太阳光经过聚光镜聚光，形成汇集于焦斑位置的圆锥光束，光线倾斜的角度刚好与设计的接收器外壳2截头锥形状、以及吸收体中渐缩管单元形成的渐缩通道吻合，光线透过透光玻璃4，均匀的打在渐缩管单元各管的内壁，以及未用胶泥固定的下部2/3管长度的渐缩管单元外壁，由于太阳光特有的太阳张角的作用，可使射入渐缩管单元的光线在渐缩管单元内反复折射，进而被整个渐缩管单元完全吸收。

从气侧方面，工质气体通过接收器进气道10进入腔体内，首先冲击连接支撑8外侧，带走连接支撑8壁面上一部分热量，进而沿进气道10，经转弯拐角（外壳2底部倒角处转弯），转向出气道11，进而流入吸热体5中的渐缩管单元通道内，工质气体与吸热体5中渐缩管单元壁面有效对流换热，带走渐缩管单元壁面接收的太阳热量，被加热成高温气体，通过出气道11输出，出气道11可以与热机相连，驱动热机做功。

本发明的一种新型渐缩管束式太阳能接收器，属于高温太阳能热利用领域，能够运行在聚光比达10000的碟式抛物镜及大型塔式太阳能系统中，在有限的换热空间内实现大功率换热，加热工质气体可达一千度以上高温，较现有接收器具有紧凑、高效、低流阻的技术特点。并且，现有的接收器普遍存在接收太阳光照腔内能量分布不均的问题，本发明结合聚光规律，依照光线方向创新的接收面布置，使腔内吸收体均匀接收入射的太阳光照，实现了均匀能量分布，大大提高了接收器的使用性能。并且创新的渐缩管束吸收体设计，其渐缩管结构单元简单，加工方便，现有加工水平容易实现。本发明的提出，对于提高太阳能高温热利用系统的竞争力，促进太阳能热接收器向高温高效发展具有十分重要的意义。

Claims (10)

1.一种渐缩管束结构腔式太阳能接收器，包括进气口外壁(1)、外壳(2)、玻璃底托(3)、透光玻璃(4)、吸热体(5)、胶泥外壁(6)、倒流支撑(7)、连接支撑(8)、撑板(9)、进气道(10)、出气道(11)、出气道外壁(12)；

进气口外壁(1)为圆筒形，外壳(2)为中空的截头圆锥形，圆锥截面圆形直径小的一端固定连接进气口外壁(1)，圆锥截面圆形直径大的一端固定连接玻璃底托(3)，外壳(2)与玻璃底托(3)之间设有撑板(9)，玻璃底托(3)内设有凹槽，透光玻璃(4)密封固定在玻璃底托(3)的凹槽内，形成内部封闭的腔体，聚光镜聚集的太阳光通过透光玻璃(4)打入腔体；

吸热体(5)包括若干个渐缩管单元，渐缩管单元为下部直径大、上部直径小的小管，各个渐缩管单元的外壁与外壁对齐紧贴相连，若干个渐缩管单元围绕成环束，形成上凹下凸的带锥度的环束整体，锥度与外壳的锥度相对应，渐缩管单元形成气体通道；

吸热体(5)的最外层紧密相连胶泥外壁(6)；

出气道外壁(12)位于进气口外壁(1)内部，固定连接支撑(8)之上，连接支撑(8)的一侧固定连接倒流支撑(7)，倒流支撑(7)的一端固定连接撑板(9)，连接支撑(8)与倒流支撑(7)之间形成凹槽，凹槽用于固定连接胶泥外壁(6)；

出气道外壁(12)内部中空处形成出风口，用于连接出气管路，出气道外壁(12)、胶泥外壁(6)、倒流支撑(7)、透光玻璃(4)围成腔体，形成出气道(11)；

进气口外壁(1)与出气道外壁(12)之间的中空部分，以及外壳(2)与连接支撑(8)之间的中空部分，形成进气道(10)。

2.根据权利要求1所述的一种渐缩管束结构腔式太阳能接收器，所述的吸热体(5)的渐缩管单元的尺寸及所围成环束整体的锥度依据聚光光线角度而设计，由所使用的聚光镜尺寸来唯一确定。

3.根据权利要求1所述的一种渐缩管束结构腔式太阳能接收器，所述的撑板(9)为扇形小撑板，设有4个，均匀分布。

4.根据权利要求1所述的一种渐缩管束结构腔式太阳能接收器，所述的渐缩管单元上下位置各有一个小孔，用于对齐固定。

5.根据权利要求1所述的一种渐缩管束结构腔式太阳能接收器，所述的渐缩管单元的外壁与外壁之间采用耐火胶泥对齐紧贴相连。

6.根据权利要求1所述的一种渐缩管束结构腔式太阳能接收器，所述的渐缩管单元管与管外壁之间的间隙处，上部小直径口外壁间隙约1/3位置，用耐火胶泥胶泥填充固定，下部大直径口外壁间隙处保持间隙。

7.根据权利要求1所述的一种渐缩管束结构腔式太阳能接收器，所述的外壳(2)下部设有进气转弯倒角。

8.根据权利要求1所述的一种渐缩管束结构腔式太阳能接收器，所述吸热体(5)内的渐缩管单元,根据使用温度情况，采用金属或陶瓷材料。

9.根据权利要求1或者7所述的一种渐缩管束结构腔式太阳能接收器，所述吸热体(5)内的渐缩管单元壁厚为0.5-1mm。

10.根据权利要求1或者7所述的一种渐缩管束结构腔式太阳能接收器，所述吸热体(5)内的渐缩管单元底部涂有太阳能光谱选择性吸收涂料。