CN103344057A - 具有均匀管式太阳能吸热器热流密度场分布的玻璃罩及聚光系统 - Google Patents

Abstract

具有均匀管式太阳能吸热器热流密度场分布的玻璃罩及聚光系统，属于太阳能聚集技术领域。本发明为了解决现有的管式太阳能吸热器表面的热流密度场分布不均匀，运行中热应力高的问题。玻璃罩本体的内壁横截面形状为圆形，外壁横截面形状为椭圆形，同一横截面处圆形与椭圆形中心重合，椭圆形长轴落在竖直轴上；具有上述均匀管式太阳能吸热器热流密度场分布玻璃罩的聚光系统包括玻璃罩本体、管式太阳能吸热器和槽式太阳能聚光器，管式太阳能吸热器设置在玻璃罩本体内，槽式太阳能聚光器设置在玻璃罩本体的下方，玻璃罩本体的中心在槽式太阳能聚光器的竖直中心线上。本发明均匀化管式太阳能吸热器的热流密度场分布，降低了管式太阳能吸热器热应力。

Description

具有均匀管式太阳能吸热器热流密度场分布的玻璃罩及聚光系统

技术领域

本发明涉及一种槽式太阳能聚光系统的管式吸热器的玻璃罩，具体涉及一种具有均匀管式太阳能吸热器热流密度场分布的玻璃罩及聚光系统，属于太阳能聚集技术领域。

背景技术

尽管开发和利用太阳能可以为人类社会提供巨大的能源，但到达地球大气层外缘的太阳热流密度较低，仅为1367W/m²左右。由于大气层中的CO₂、水蒸气、灰尘等微粒对入射太阳辐射的吸收、散射等衰减作用，到达地球表面的太阳热流密度更小。因此，必须通过聚集技术来提高能源品位以实现太阳能高温热转换。常见的聚集技术有：复合抛物面、槽式、碟式、塔式等。含有槽式聚光系统的太阳能热动力发电技术已经是成熟的商业化技术，而含有塔式聚光系统和碟式聚光系统的太阳能热动力发电技术仍处于实验和示范阶段。

由于地球表面接收到的太阳辐射强度除了受到昼夜、季节和地理纬度等规律性因素的影响外，还受到晴朗、阴云和雨雪天气等随机性因素的制约，以及集热子系统热流密度传输不均匀性的影响。因而太阳能的热利用具有显著的间断性和不均匀性，导致太阳能吸热器承受反复高温差的热冲击循环，吸热器容易受到高的热应力并引发吸热器玻璃管罩破裂以及吸热器的弯曲变形并最终失效；如：墨西哥国立大学太阳能热发电站在实验和运行中，多次发生不锈钢管式太阳能吸热器的大弯曲变形并引发玻璃罩破裂的事故，文献《当太阳辐照到达管式吸热器单侧时瞬态两相流动的铜-不锈钢复合吸热器的性能研究》中记载了上述内容[V.C.Flores,R.F.Almanza.Behavior ofCompound Wall Copper-steel Receiver with Stratified Two-phase Flow Regimenin Transient States When Solar Irradiance Is Arriving on One Side of Receiver.Solar Energy,2004,76(1-3):195–198]。

由热应力产生的机制可知，均匀化管式太阳能吸热器壁面热流密度场分布是降低管式太阳能吸热器热应力的有效手段之一，文献《轴向、切向和径向温度分布引起辐射管热应力的研究》中有公开上述内容（Ifran,M.A.,Chapman,W.C.,2009.Thermal stresses in radiant tubes due to axial,circumferential and radial temperature distributions.Applied thermal engineering29,1913–1920）。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有的管式太阳能吸热器表面的热流密度场的分布不均匀，管式太阳能吸热器运行中的热应力高，由于热应力而导致管式太阳能吸热器及玻璃罩易失效或破裂的问题，进而提供一种具有均匀管式太阳能吸热器热流密度场分布的玻璃罩及聚光系统。

本发明为了解决上述技术问题所采取的技术方案是：

发明所述均匀管式太阳能吸热器热流密度场分布的玻璃罩包括玻璃罩本体，所述玻璃罩本体为管状结构，玻璃罩本体的内壁横截面形状为圆形，玻璃罩本体的外壁横截面形状为椭圆形，所述玻璃罩本体的同一横截面处的圆形与椭圆形的中心重合，以椭圆形的中心为原点建立平面坐标系，其中o表示为原点，x表示为水平轴，y表示为竖直轴，所述椭圆形的长轴落在竖直轴上。

优选的：所述玻璃罩本体的内径为90mm，椭圆形截面在平面坐标系下的方程为：

$\frac{x^2}{{45}^2}+\frac{y^2}{{65}^2}=1$

其中，45mm为椭圆形截面的短轴，65mm为椭圆形截面的长轴。

发明所述具有均匀管式太阳能吸热器热流密度场分布玻璃罩的聚光系统包括玻璃罩本体、管式太阳能吸热器和槽式太阳能聚光器，所述管式太阳能吸热器设置在玻璃罩本体内，且管式太阳能吸热器设置在玻璃罩本体同轴设置，槽式太阳能聚光器设置在玻璃罩本体的下方，玻璃罩本体的中心在槽式太阳能聚光器焦点位置处的竖直中心线上；

所述玻璃罩本体的内壁横截面形状为圆形，玻璃罩本体的外壁横截面形状为椭圆形，所述玻璃罩本体的同一横截面处的圆形与椭圆形的中心重合；

以椭圆形的中心为原点建立平面坐标系，其中o表示为原点，x表示为水平轴，y表示为竖直轴，所述椭圆形的长轴落在竖直轴上，所述管式太阳能吸热器的外径为70mm，所述玻璃罩本体的内径为90mm，椭圆形截面在平面坐标系下的方程为：

$\frac{x^2}{{45}^2}+\frac{y^2}{{65}^2}=1$

其中，45mm为椭圆形截面的短轴，65mm为椭圆形截面的长轴。

本发明与现有技术相比具有以下效果：通过采用蒙特卡洛法编程的数值计算结果可以看出，本发明的均匀管式太阳能吸热器热流密度场分布玻璃罩及聚光系统可以将管式太阳能吸热器汇聚表面侧（下表面为汇聚表面，上表面受到来自太阳的低热流密度太阳辐射）的峰值热流由41707W/m²降低到26683W/m²，峰值热流的有效降低程度可达36%。本发明的均匀管式太阳能吸热器热流密度场分布玻璃罩有效地均匀化管式太阳能吸热器外表面的热流密度场分布，达到降低管式太阳能吸热器热应力的目的，避免了由于热应力而导致管式太阳能吸热器及玻璃罩失效或破裂事故发生。

附图说明

图1是本发明所述具有均匀管式太阳能吸热器热流密度场分布玻璃罩的聚光系统结构图（图中实心箭头表示光路径）；

图2是本发明所述均匀管式太阳能吸热器热流密度场分布的玻璃罩的结构图（图中实心箭头表示光路径）；

图3是含有不同玻璃罩的管式太阳能吸热器汇聚表面侧热流密度场对比曲线图（图中x表示沿x轴方向的坐标）；

图4是椭圆截面的不同长轴对管式太阳能吸热器汇聚表面侧热流密度场的影响曲线图（图中x表示沿x轴方向的坐标）；

图中：

1-玻璃罩本体、2-管式太阳能吸热器、3-槽式太阳能聚光器；

4-无玻璃罩的管式太阳能吸热器汇聚表面侧热流密度场分布曲线；

5-具有普通圆管形玻璃罩的管式太阳能吸热器汇聚表面侧热流密度场分布曲线；

6-具有均匀热流密度场分布玻璃罩的管式太阳能吸热器汇聚表面侧热流密度场分布曲线；

7-椭圆截面长轴为50mm管式太阳能吸热器汇聚表面侧热流密度场曲线；

8-椭圆截面长轴为55mm管式太阳能吸热器汇聚表面侧热流密度场曲线；

9-椭圆截面长轴为60mm管式太阳能吸热器汇聚表面侧热流密度场曲线；

10-椭圆截面长轴为65mm管式太阳能吸热器汇聚表面侧热流密度场曲线。

具体实施方式

下面根据附图详细阐述本发明优选的实施方式。

具体实施方式一：如图2至图4所示，本实施方式所述均匀管式太阳能吸热器热流密度场分布的玻璃罩包括玻璃罩本体1，所述玻璃罩本体1为管状结构，玻璃罩本体1的内壁横截面形状为圆形，玻璃罩本体1的外壁横截面形状为椭圆形，所述玻璃罩本体1的同一横截面处的圆形与椭圆形的中心重合，以椭圆形的中心为原点建立平面坐标系，其中o表示为原点，x表示为水平轴，y表示为竖直轴，所述椭圆形的长轴落在竖直轴上。

进一步：所述玻璃罩本体1的内径为90mm，椭圆形截面在平面坐标系下的方程为：

$\frac{x^2}{{45}^2}+\frac{y^2}{{65}^2}=1$

其中，45mm为椭圆形截面的短轴，65mm为椭圆形截面的长轴。

具体实施方式二：如图1至图4所示，本实施方式所述具有均匀管式太阳能吸热器热流密度场分布玻璃罩的聚光系统包括玻璃罩本体1、管式太阳能吸热器2和槽式太阳能聚光器3，所述管式太阳能吸热器2设置在玻璃罩本体1内，且管式太阳能吸热器2设置在玻璃罩本体1同轴设置，槽式太阳能聚光器3设置在玻璃罩本体1的下方，玻璃罩本体1的中心在槽式太阳能聚光器3焦点位置处的竖直中心线上；

所述玻璃罩本体1的内壁横截面形状为圆形，玻璃罩本体1的外壁横截面形状为椭圆形，所述玻璃罩本体1的同一横截面处的圆形与椭圆形的中心重合；

以椭圆形的中心为原点建立平面坐标系，其中o表示为原点，x表示为水平轴，y表示为竖直轴，所述椭圆形的长轴落在竖直轴上，所述管式太阳能吸热器2的外径为70mm，所述玻璃罩本体1的内径为90mm，椭圆形截面在平面坐标系下的方程为：

$\frac{x^2}{{45}^2}+\frac{y^2}{{65}^2}=1$

其中，45mm为椭圆形截面的短轴，65mm为椭圆形截面的长轴；

以管式太阳能吸热器2的中心点为原点建立笛卡尔坐标系，其中椭圆的长轴坐落在笛卡尔坐标系的z′轴上，x′表示水平长度方向轴，y′表示水平宽度方向轴，z′表示垂直方向轴。

通过优化设计玻璃罩的形状，利用优化设计后的玻璃罩对入射高汇聚太阳光折射作用而重新打散分配入射聚集辐射，本发明提出了一种具有均匀管式太阳能吸热器热流密度场分布的玻璃罩，如图1及图2所示。玻璃罩的内壁仍为圆柱形，玻璃罩的外壁采用椭圆形，其中椭圆的长轴坐落在图1所示的笛卡尔坐标系的z′轴上。本发明以墨西哥国立大学槽式太阳能聚光系统的管式吸热器为计算对象，文献《当太阳辐照到达管式吸热器单侧时瞬态两相流动的铜-不锈钢复合吸热器的性能研究》中记载了墨西哥国立大学槽式太阳能聚光系统的管式吸热器[V.C.Flores,R.F.Almanza.Behavior of CompoundWall Copper-steel Receiver with Stratified Two-phase Flow Regimen in TransientStates When Solar Irradiance Is Arriving on One Side of Receiver.Solar Energy,2004,76(1-3):195–198]；采用数值计算的方法对传统圆管形玻璃罩与本发明提出的一种具有均匀热流密度场分布的玻璃罩对热流密度场分布的影响进行对比。其中，管式太阳能吸热器2的外径为70mm；传统圆管形玻璃罩为内径为90mm，玻璃罩的厚度为1mm；本发明的玻璃罩的内截面是直径为90mm的圆形，外截面为椭圆形，椭圆形在如图2所示的平面坐标系下的方程为数值计算结果表明，本发明提出的均匀管式太阳能吸热器热流密度场分布的玻璃罩可以将管式吸热器汇聚表面侧（下表面为汇聚表面，上表面受到来自太阳的低热流密度太阳辐射）的峰值热流由41707W/m²降低到26683W/m²，峰值热流的有效降低程度达36%；随着椭圆截面长轴的增加，峰值热流不断的降低，当椭圆截面长轴由50mm增加到65mm时，峰值热流由34889W/m²降低到26683W/m²。

本实施方式只是对本专利的示例性说明，并不限定它的保护范围，本领域技术人员还可以对其局部进行改变，只要没有超出本专利的精神实质，都在本专利的保护范围内。

Claims (3)

1.均匀管式太阳能吸热器热流密度场分布的玻璃罩，它包括玻璃罩本体（1），其特征在于：所述玻璃罩本体（1）为管状结构，玻璃罩本体（1）的内壁横截面形状为圆形，玻璃罩本体（1）的外壁横截面形状为椭圆形，所述玻璃罩本体（1）的同一横截面处的圆形与椭圆形的中心重合，以椭圆形的中心为原点建立平面坐标系，其中o表示为原点，x表示为水平轴，y表示为竖直轴，所述椭圆形的长轴落在竖直轴上。

2.根据权利要求1所述的均匀管式太阳能吸热器热流密度场分布的玻璃罩，其特征在于：所述玻璃罩本体（1）的内径为90mm，椭圆形截面在平面坐标系下的方程为：

$\frac{x^2}{{45}^2}+\frac{y^2}{{65}^2}=1$

其中，45mm为椭圆形截面的短轴，65mm为椭圆形截面的长轴。

3.具有均匀管式太阳能吸热器热流密度场分布玻璃罩的聚光系统，它包括玻璃罩本体（1）管式太阳能吸热器（2）和槽式太阳能聚光器（3），其特征在于：所述管式太阳能吸热器（2）设置在玻璃罩本体（1）内，且管式太阳能吸热器（2）设置在玻璃罩本体（1）同轴设置，槽式太阳能聚光器（3）设置在玻璃罩本体（1）的下方，玻璃罩本体（1）的中心在槽式太阳能聚光器（3）焦点位置处的竖直中心线上；

所述玻璃罩本体（1）的内壁横截面形状为圆形，玻璃罩本体（1）的外壁横截面形状为椭圆形，所述玻璃罩本体（1）的同一横截面处的圆形与椭圆形的中心重合；

以椭圆形的中心为原点建立平面坐标系，其中o表示为原点，x表示为水平轴，y表示为竖直轴，所述椭圆形的长轴落在竖直轴上，所述管式太阳能吸热器（2）的外径为70mm，所述玻璃罩本体（1）的内径为90mm，椭圆形截面在平面坐标系下的方程为：

$\frac{x^2}{{45}^2}+\frac{y^2}{{65}^2}=1$

其中，45mm为椭圆形截面的短轴，65mm为椭圆形截面的长轴。

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