CN103673320A - 太阳集热装置 - Google Patents

Abstract

本发明采用相对比较简单的结构设计了太阳集热装置，该设计大大减小了热损失，使得相应的制造维护费用大大降低。在真空透明管11的内部设置了具有内部工作介质流动的集热管12，一对第1反射板13在真空透明管11的内部沿着集热管12设置。各第1反射板13设置在与集热管12长度方向垂直的截面内，从集热管12内部开始左右对称的沿着渐开线延伸布置。一对第2反射板14则设置为复合抛物面型，在真空透明管11的内部沿着各第1反射板13的开口端缘A、D连接设置。从各第2反射板14的各入射端缘B、C入射的太阳光直接或者经第1反射板13及第2反射板14一次以上反射之后到达集热管12。

Description

太阳集热装置

技术领域

本发明属于太阳能集热装置领域。

背景技术

以前的太阳集热装置，设置了平面镜太阳追踪设备（如专利文献1所述）、复合抛物面聚光（Compound Parabolic Concentrator；CPC）型反射镜，从而使太阳光集中进入集热部件（如专利文献2所述）。

本发明为了使圆筒状的放射源放射出的光能够高效地反射，研发了能够使开口部均一高效接受太阳光的渐开线形反射板（如专利文献3所述）。这种渐开线形反射板是为了高效地反射来自光源的辐射光，而不是用于聚光的目的。

【前期技术文献】

专利文献：

专利文献1：特开2010-286200号公报；

专利文献2：特许第3958032号专利公报；

专利文献3：特许第3205809号专利公报。

发明内容

【本发明所解决的问题】

专利文献1记载的具有太阳追踪设备有太阳集热装置，虽然聚光效率较高，但是太阳追踪设备结构复杂。因此，制造和安装成本较高是其主要问题。另外，相应的设备维护困难，维护费用较高。专利文献2记载的使用复合抛物面聚光型反射镜的太阳集热装置，复合抛物面聚光型反射镜的聚光范围如果是平面，则平板式的集热面内外表面附近的空气对流和辐射传热会引起相应的热损失，造成集热器整体效率的降低。专利文献2提出了为抑制热损失，可以使用微小复合抛物面反射镜实现聚光，但是相应的设计增加了加工的难度，从而使制造费用大大增加了。

本发明即着眼于解决以上的难题，提出新的太阳能集热装置设计。该设计采用相对简单的结构，以减少集热损失为目标，同时使得相应的制造费用、维护费用等大大减少。

【解决问题的技术方案】

本发明所涉及的太阳能集热器，采用内部真空的真空透明管、内部布置了真空透明管并有集热工质流动的集热管，在集热管管内部的真空透明管内部同集热管长度方向垂直的截面内设置前述的左右对称的一对渐开线型反射板，即在前述真空透明管内部，各第1反射板的对应一侧的开口端面处连接有与其组成一对的第2反射板。本设计构成的特点在于，各第2反射板处从第1反射板相对一侧端面入射的太阳光，不会再被反射回到第1反射板处。

本发明所涉及的太阳集热装置中的各第2反射板属于复合抛物面形状，从第2反射板入射端面入射的太阳光，到达第2反射板后会被一次或多次反射。各第2反射板同各第1反射板以及集热管共同构成集热部件。另外，各第1反射板中同集热管长度方面垂直的截面内，左右对称地设置了渐开线状延伸的反射板，从而使得到达各第1反射板的太阳光能够被收集起来。因此，本发明所涉及的太阳集热装置，从各第2反射板入射端面入射的太阳光，直接地或者经过各第1反射板一次以上反射之后到达集热管，相应的构成保证了较高的聚光效率和集热效果。

本发明所涉及的太阳集热装置，可以根据相应的使用地域特点，来设计第1反射板和第2反射板的尺寸，同时可以优化设计各第2反射板入射端面受光口的安装角度。该系统可以固定设置聚光设备，而不需要随季节调整。因此，本设计不需要设置复杂的太阳追踪设备，实现构成简单、聚光效率高的系统构造。另外，相应系统的制造、维护费用也可以大大降低。

另外，本发明所涉及的太阳能集热装置中，集热管和各第1反射板、第2反射板设置在真空透明管内部，而真空透明管内部是真空状态，从而可以有效地防止集热管、各第1反射板、各第2反射板和周围空气之间的热损失。在相应热损失当中热传导损失占了较大比例，于是本发明当中真空透明管和周围空气之间的热传导被有效地防止、只有相对小量的集热管、各第1反射板和各第2反射板的辐射热损失存在。另外，本发明中集热管的直径较小，从而使得集热管的辐射热损失同时被大大降低。各第1反射板组成渐开线状的分布，使得各第1反射板和集热管之间的接触面积也大大减小，从而集热管到各第1反射板的热传导损失也被限制到最小。这样，本发明所涉及的太阳能集热装置，实现了以比较简单的设计来最大限度减小热损失的目的。

本发明所涉及的太阳集热装置，集热管和各第1反射板和各第2反射板都覆盖在真空透明管上，可以防止灰尘等的附着，从而防止相应的效率故障。另外，真空透明管外侧的灰尘可以通过擦拭出去，相应的清洁和维护都较为方便。集热管中及真空透明管内封入各第1反射板及各第2反射板作为一个整体单位加工组装，在相应的安装场所根据场地和需求条件只需安装配置相应数量的集热管和真空透明管单位，从而可以减少加工和安装费用。

本发明所涉及的太阳集热装置中，各第1反射板可以根据安装地域的特点来设计制造，并且不需要像传统的CPC型反射镜那样的对称形状要求。另外，本发明所涉及的太阳集热装置中，为了控制真空透明管内部的各第1反射板及第2反射板的内侧热损失，最好在各第1反射板及第2反射板的内侧设置隔热材料。真空透明管的材料可以采用相应强度的玻璃。

本发明所涉及的太阳集热装置中集热管内部流动的工作介质可以是水、油、替代性非氟利昂制冷剂、超临界二氧化碳等。如果是使用水作为介质，通过集热管后可以直接供应热水或者产生蒸汽供清洗设备、食品工厂等利用。如果是油或者超临界二氧化碳，通过集热管后可以采用蒸汽发生装置等热源设备以供后续利用。如果希望提高热利用的效率，也可以连接蒸汽涡轮机供应发电设备。另外，通过采用小直径集热管，内部流动的工作介质也可以采用高压流体。

另外，本发明所涉及的太阳集热装置中渐开线型的反射板不仅可以反射利用太阳光辐射，也可以进行初次聚光。本发明所涉及的太阳集热装置中，有一定宽度的平面内能够有效聚光的复合抛物面型的各第2反射板，和一定宽度的平面内能够使集热管有效聚集入射光的渐开线型的各第1反射板共同构成聚光部件，实现了单独使用各件所不能达到的高效聚光性能。另外，各第1反射板和各第2反射板共同构成部件，实现了传统的平板式集热装置所难以达到的内侧零热损失的目标。即是说，传统的平板式的集热装置在平面的内外两侧都有热损失，相较而言，本发明所涉及的太阳集热装置中集热管表面的热损失发生面积减少了一半。因此，本发明所涉及的太阳集热装置，与传统的平板式集热装置相比，大大减少了热损失的发生。

本发明所涉及的太阳集热装置中，集热管如前所述为圆筒形。各第1反射板设置在与前述集热管长度方面垂直的截面内，沿着前述集热管的外表面圆周的某一点开始左右延伸，进而在各开头端部形成直线连接，连接点在前述某一点的相对一侧表面。从各开口端部入射的太阳光在各第1反射板的开头端部处被聚集。这样，各第2反射板的入射端部入射的太阳光则全部到达集热管，从而获得相应较高的激光效率，实现非常优良的集热效果。

本发明所涉及的太阳集热装置中，使用两组前述的集热管和各第1反射板、各第2反射板构成的集热器组合，各集热器在前述真空透明管的内部各个入射端面的开口处连接并置组合。这样的设置可以充分利用真空透明管的内部空间，正大太阳光集热面积从而获得更高的利用效率。

【发明的技术效果】

本发明采用相对比较简单的结构设计了太阳集热装置，该设计大大减小了热损失，使得相应的制造维护费用大大降低。

附图说明

图1为本发明太阳能集热器实施例结构设计截面示意图。

图2为说明图1所示太阳集热装置的具体设计，其中：（a）各第2反射板截面图；（b）安装设计示意截面图。

图3为图1所示太阳集热装置的光学效率及热效率示意图（采用玻璃管设计）。

图4为图1所示太阳集热装置的集热管温度和热效率变化关系示意图（采用玻璃管设计）。

图5为本发明太阳能集热装置实施例中的集热器2组并列安装示意图，其中：（a）截面图；（b）斜视图。

图6为图5所示太阳集热装置运行状态下的斜视图。

具体实施方式

以下部分结合附图说明本发明的实施例运行情况。

图1至图6显示了本发明太阳能集热装置实施例的具体设计和运行情况。

如图1所示，太阳集热装置10由真空透明管11、集热管12和构成1组的第1反射板13及构成1组的第2反射板14组成。

真空透明管11由玻璃制作成圆筒形状。真空透明管11内部为真空状态。

集热管12为圆筒形状，内部流动工作介质可以是水、油等。集热管12内部设置真空透明管11，真空透明管11沿着其长度方向设置。

各第1反射板13在真空透明管11的内部，沿着集热管12设置。各第1反射板13在与集热管12的长度方向垂直的界面内，沿着集热管12的外圆周点E开始，左右对称地以渐开线形状伸展设置。各第1反射板13在集热管12的相反一侧的开口端缘A、D处结成直线，集热管12的外圆周点E的相反一侧连接设置成型。另外，各第1反射板13在各处开头端缘A、D处入射的太阳光，直接或者经第1反射板13反射之后到达集热管12。

各第2反射板14在真空透明管11的内部沿各第1反射板13的开头端缘A、D各自连接成型。各第2反射板14设置为复合抛物面型反射镜，与第1反射板13的入射端缘B、C之间取相对较大的间隔设置。各第2反射板14可以将从各入射端缘B、C入射的太阳光，以及来自各第1反射板13开头端缘A、D处的光进行聚集。这样，太阳集热装置10中，各第2反射板14的入射端缘B、C之间入射的太阳光可以直接或者经过各第1反射板13及各第2反射板至少一次反射后到达集热管12。

本实施例的太阳集热装置10采用了以下的具体参数：首先，根据日本仙台市（北纬38.254162°、东经140.891403°）作为使用地设计。如图2所示，仙台市夏至日太阳高度为74.4664°，冬至日太阳高度为28.0169°。相应地，入射端缘B、C采用南向，各第2反射板14相应采用最适开口角度为θ_i即23.22°，仰角为51.24°。

另外，集热管12的直径设置为15mm，各第1反射板13的开头端缘A、D连接直线的长度a’为47.1mm。另外，各第2反射板14为CPC型反射镜，各第2反射板14的参数由下列式子（1）-（4）计算得到。

【系统参数1】

焦点距离：f=a′(1+sinθ_i)            （1）

开口部： $a=\frac{a^{\′}}{\sin {\mathrm{\θ}}_i}\left(2\right)$

长度：L=(a+a′)cotθ_i                  （3）

集光率： $C=\frac{a}{a^{\′}}=\frac{1}{\sin {\mathrm{\θ}}_i}---\left(4\right)$

式（1）-（4）可以计算得到个第2反射板14的焦点距离f为65.7mm，各开口端缘A、D的间隔a为119.5mm，长度L为388.3mm，CPC型反射镜设置的各第2反射板14的单体计算得到最大集光率C为2.54。

其次，本设计中的太阳集热装置10的光学效率计算如下。这里的光学效率指的是入射太阳集热装置10的太阳光中到达内部集热管12的比例。太阳光通过玻璃制的真空透明管11时会有所衰减，另外各第1反射板13和各第2反射板14处反射过程中有吸收。相应的光学效率对于太阳集热装置10的集光性能评价非常重要。太阳光透过的真空透明管11的透过率为0.95，集热管12的吸收率为0.90，各第1反射板13及各第2反射板14的反射率假定为0.90，进而得出太阳集热装置10的光学效率如图3所示。如图3，太阳光入射角度为θ_i即23.2°以下时，光学效率约为70%左右。即是说本系统能够获的较高效率，且与入射角无关。

另外，太阳集热装置10的热效率计算如下。这里热效率是指入射太阳能中被集热管12所吸收的部分所占的比例。太阳集热装置10中，集热管12设置在玻璃制的真空透明管11的内部，从而集热管12向环境的热损失只有辐射损失。因此，热效率η_thermal、光学效率η_opt可以用如下的式子来计算。

【系统参数2】

${\mathrm{\η}}_{\mathrm{thermal}}={\mathrm{\η}}_{\mathrm{opt}}-\frac{\mathrm{\ϵ\σ}(T_a^4-T_{\mathrm{amb}}^4)}{q_{\mathrm{in}}C}---\left(5\right)$

这里，式（5）右边第二项表示辐射热损失部分，ε表示放射率系数，为0.90；σ是stefan-Boltzmann常数；q_in为太阳常数；C为集光比，通过太阳集热装置10的开口面积除以集热管12的表面积获得。T_amb为环境温度，这里采用20℃。另外，T_a为集热管12的温度，这里假定太阳集热装置供应热水，以100℃计算。

式（5）计算得到的热效率结果如图3所示。从图3看出，太阳集热装置10用以产生100℃的热水时，其效率可以达到50%左右。另外，式（5）也表示了剩余的50%由于辐射散失了。进而可以通过改善集热管12的放射特性，获得大幅提高热效率的可能。从图3可知计算得到集热管12的放射率在0.9的条件下，集热管12可以以氧化铁为基础，进行表面喷涂从而获得效率的提升。

集热管12的温度和热效率的关系如图4所示。如图4所示，低温条件下太阳集热装置运行热效率较高。另一方面，高温运行条件下辐射热损失比例增大，热效率可能会降低。另外，图4也显示了本实施例中太阳集热装置10最高可实现的温度可达180℃。

这里具体说明本发明的设计效果和使用。

太阳集热装置10中，各第2反射板14为复合抛物面形状，各第2反射板14的入射端缘B、C处入射的太阳光到达各第2反射板14后经过多次反射后到达各第1反射板13及集热管12处。另外，各第1反射板13设置在集热管12与长度方向垂直的截面内，并沿着集热管12左右对称的设置为渐开线状延伸，因而可以实现将到达各第1反射板13的太阳光有效地集中到集热管处。这样，太阳集热装置10中，从各第2反射板14的入射端缘B、C处入射的太阳光直接地或者经各第1反射板13及各第2反射板14一次以上反射之后到达集热管12，实现较高的集光效率，进而获得优良的集热效率。

集热装置10可以根据安装地域的条件，确定各第1反射板13和各第2反射板13的尺寸，同时决定各第2反射板14的入射端缘B、C的受光开口角度的优化设计，进而能够实现不需要随季节变化而调节的集光装置。这样，本发明不需要太阳追踪设备等复杂装置，仅以相对比较简单的结构设计获得较高的集光效率。另外，相应系统的制造、维护费用也大大降低。

另外，太阳集热装置10中，集热管12集热管和各第1反射板13、各第2反射板14设置在真空透明管11内部，而真空透明管11内部是真空状态，从而可以有效地防止集热管12、各第1反射板13、各第2反射板14和周围空气之间的热损失。在相应热损失当中热传导损失占了较大比例，于是本发明当中真空透明管11和周围空气之间的热传导被有效地防止、只有相对小量的集热管、各第1反射板和各第2反射板的辐射热损失存在。另外，集热管12的直径较小，从而使得集热管12的辐射热损失同时被大大降低。各第1反射板13组成渐开线状的设置，使得各第1反射板13和集热管12之间的接触面积也大大减小，从而集热管12到各第1反射板13的热传导损失也被限制到最小。这样，太阳能集热装置10，实现了以比较简单的设计来最大限度减小热损失的目的。

太阳集热装置10，集热管12和各第1反射板13和各第2反射板14都覆盖在真空透明管11上，可以防止灰尘等的附着，从而防止相应的效率故障。另外，真空透明管11外侧的灰尘可以通过擦拭除去，相应的清洁和维护都较为方便。集热管12中及真空透明管11内封入各第1反射板13及各第2反射板14作为一个整体单位加工组装，在相应的安装场所根据场地和需求条件只需安装配置相应数量的集热管12和真空透明管11单位，从而可以减少加工和安装费用。

另外，太阳集热装置10中，为了控制真空透明管11内部的各第1反射板13及各第2反射板14的内侧热损失，最好在各第1反射板13及个第2反射板14的内侧设置隔热材料。

另外，如图5所示太阳集热装置10，使用两组集热管12和各第反射板13及各第2反射板14共同构成集热器20，在真空透明管11的内部从各入射端缘B、C的开口并列设置组成。这样，真空透明管11的内部空间得以有效的利用，相应集热面积增加提高了集热效率。例如，如1所示集热器20在仅有1组设置的条件下，真空透明管11中各入射端缘B、C间开口的比例减小，到达真空透明管11的太阳光只有约50%进入了入射端缘。与之对应，图6所示的集热器20有两组设置的条件下，到达真空透明管11的太阳光有80%都被聚集到集热管12中。另外，如图5（b）所示，1根集热管12在真空透明管11内部折返设置条件下各集热器20也可以运行。这种情况下，真空透明管11的一端面与真空透明管11内部的集热管20配套设置，另一端面则需要密封处理。这样，真空透明管11的密封处理得以实现的同时，整体热损失的面积也减少了。

太阳集热装置10中集热管12内部流动的工作介质可以是水、油、替代性非氟利昂制冷剂，超临界二氧化碳等。图6显示了使用非氟利昂替代性制冷剂的运行效果。如图6所示，太阳集热装置10在图5的设置条件下，采用泵51、集热管12和涡轮机52、冷凝器53组成工质循环系统。即是说，组成通过集热管12的加热后的工质，形成过热蒸汽再回到涡轮机52的基本系统构成。这样，涡轮机52连接发电机54进行发电成为可能。另外，通过涡轮机52后的过热蒸汽，进一步经过冷凝器53回到液态之后，即在此通过集热管12构成热力学循环系统。

【工业应用的可能性】

本发明所涉及的太阳集热装置，因其维护简单，不仅仅可以设置在日本的住宅、工厂的屋顶，特别是欧亚大陆中部、非洲大陆等日照丰富的地域也非常适合。另外，热力工质的封装，例如使用水的情况在一定运行压力下即可供应100℃左右的热水。另外，如果采用水以外的工作介质，如超临界二氧化碳或者油，则需要调整运行压力，相应的系统可以产生150℃左右的热源，这一情况下可以提供过热蒸汽。进一步，这里的过热蒸汽可以供应工厂或者发电利用。

【符号说明】

10  太阳集热装置

11  真空透明管

12  集热管

13  第1反射板

  A、D  开口端缘

14  第2反射板

  B、C  入射端缘

Claims (3)

1.一种太阳集热装置，包括：

内部真空的真空透明管；

设置在所述真空透明管内部、其内流动有工作介质的集热管；

设置在所述真空透明管内部、沿着所述集热管布置的一对第1反射板，该一对第1反射板设置在与所述集热管长度方向垂直的截面内，且沿着所述集热管左右对称的渐开线状伸展布置；和，

设置在所述真空透明管内部、与各第1反射板位于集热管相对侧面的开口端缘相连接的一对第2反射板，该一对第2反射板呈复合抛物面状；

从各第2反射板和各第1反射板的对侧面入射端缘入射的太阳光直接或者经第1反射板及第2反射板一次以上反射之后到达所述集热管。

2.如权利要求1所述的太阳集热装置，其特征在于：

所述集热管为圆筒形设置；

所述的一对第1反射板设置在与所述集热管长度方向垂直的截面内，从所述集热管外圆周某一点开始各自左右延伸，连接这一对第1反射板的开口端缘的直线位于与所述集热管外圆周所记点相对的一侧，来自开口端缘的入射光直接或者经各第1反射板反射后到达所述集热管；

所述的一对第2反射板在入射端缘间隔设置较大，从入射端缘入射的太阳光经各第1反射板的开口端缘聚光。

3.如权利要求1或2所述的太阳集热装置，其特征在于：

所述集热管和各第1反射板及各第2反射板构成两组集热器；

该两组集热器在各入射端缘开口处相连接，并置设置于所述真空透明管内部。

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