CN104061690B - 一种介质吸收系数梯度增加的太阳能吸热器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种介质吸收系数梯度增加的太阳能吸热器，包括一腔体，腔体的一端连接有锥形入射面，腔体与锥形入射面的连接处设有弧状光学窗口，腔体的另一端设有空气工质出口；其中，腔体与锥形入射面连接为一体，具有容纳空气工质通过的夹层通道，夹层通道位于锥形入射面的边缘处，设有空气工质入口，夹层通道临近光学窗口内表面位置处，设有空气工质出气孔；腔体内沿着太阳光传输方向依次顺序设有介质吸收系数梯度增加的两个以上的多孔介质吸热芯层。本发明有利于降低多孔吸热芯高温辐射热损失，提高效率。施加在光学窗口的高温辐射热流密度低，有利于降低光学窗口温度，降低光学窗口热应力破坏风险。

Description

一种介质吸收系数梯度增加的太阳能吸热器
技术领域
本发明涉及太阳能应用技术领域，具体的说，本发明涉及一种介质吸收系数梯度增加的太阳能吸热器。
背景技术
太阳能多孔吸热器由光学窗口和多孔吸热芯组成。聚集的太阳光束穿过光学窗口，进入多孔吸热芯被吸收，加热多孔吸热芯达到高温状态；另一方面高压工质(如空气)流过高温多孔吸热芯，被加热升温，高温高压工质从多孔吸热器出口流出，完成太阳能高温热转换过程。由于多孔吸热芯比表面积大，对工质的扰动强，因此，太阳能多孔吸热芯对流换热性能好，太阳能光热转换效率高，具有广泛应用前景。
在中华人民共和国国家知识产权局网站上，查到与本发明相关的专利2项，具体信息如下：
(1)名称：一种新型碳化硅泡沫陶瓷太阳能空气吸热器
申请号：201210126405.0
发明人：陈江东；陈俊泽
摘要：本发明涉及一种新型碳化硅泡沫陶瓷太阳能空气吸热器，它包括保温层，在所述保温层内部设有碳化硅泡沫陶瓷接收器，所述碳化硅泡沫陶瓷接收器是圆形带通孔的接收器，在所述保温层一端设有导流装置，所述导流装置与风机固定连接。本发明结构简单，制造成本低，换热时接触均匀，换热效果好。
(2)名称：一种碳化硅泡沫陶瓷太阳能空气吸热器
申请号：200710099039
发明人：王志峰,白凤武,鑫李,张劲松
摘要：一种碳化硅泡沫陶瓷太阳能空气吸热器，以碳化硅泡沫陶瓷材料作为太阳能吸收体。碳化硅泡沫陶瓷吸收体[1]外部包覆有保温层[2]，辐射热流[3]投射到硅泡沫陶瓷吸收体[1]表面或投入人工黑体空腔[9]，由碳化硅泡沫陶瓷接收体[1]接收，冷空气[4]直接从碳化硅泡沫陶瓷接收体[1]正对辐射热流[3]侧流入，经换热后获得热空气[5]；或辐射热流[3]透过石英玻璃窗[10]，冷空气[4]从碳化硅泡沫陶瓷接收体[1]正对辐射热流[3]侧或背对辐射热流[3]侧流入，经换热后获得700℃-1300℃的热空气[5]，碳化硅泡沫陶瓷接收体[1]预埋空气导流通道[8]。本发明可高效接收辐射热和高效地向空气传热，同时利用自身的显热进行储热。
目前，太阳能多孔吸热器的多孔吸热芯主要由碳化硅多孔陶瓷、耐高温金属多孔材料等比较单一的多孔材料构成。这些多孔材料的原材料对太阳光不透明，因此这些多孔吸热芯对太阳光的介质吸收系数很大[102(m-1)数量级]，绝大部分的聚集太阳光都在多孔吸热芯的太阳光入射面处被吸收，导致该处出现高温吸热芯，增加多孔吸热芯的红外辐射热损失，降低多孔吸热器的光热转换效率。
发明内容
为提高多孔吸热器的光热转换效率，本发明提出一种沿着聚集太阳光传输方向，介质吸收系数逐渐增加的梯度介质吸收系数太阳能多孔吸热器装置。这种介质吸收系数梯度增加吸热芯能够将高温吸热区布置在多孔吸热芯的后端，降低多孔吸热芯的高温红外辐射热损失。
本发明提供的技术方案是：一种介质吸收系数梯度增加的太阳能吸热器，包括一腔体，腔体的一端连接有锥形入射面，腔体与锥形入射面的连接处设有弧状光学窗口，腔体的另一端设有空气工质出口；其中，腔体与锥形入射面连接为一体，具有容纳空气工质通过的夹层通道，夹层通道位于锥形入射面的边缘处，设有空气工质入口，夹层通道临近光学窗口内表面位置处，设有空气工质出气孔；腔体内沿着太阳光传输方向依次顺序设有介质吸收系数梯度增加的两个以上的多孔介质吸热芯层。
所述的多孔介质吸热芯层为介质吸收系数为0.1～1.0m-1的多孔石英玻璃层、介质吸收系数为1.0～10.0m-1的多孔蓝宝石玻璃层、介质吸收系数为100～500m-1的多孔碳化硅陶瓷材料层。
所述的夹层通道位于腔体内的一段内设有一折流板。
所述的腔体与锥形入射面的外表面设有保温层。
所述的腔体内紧邻光学窗口的多孔介质吸热芯层预留有容纳空气工质出气孔流出的空气工质内凹面。
所述的腔体内紧邻空气工质出口的多孔介质吸热芯层预留有使空气工质集中流动至空气工质出口的半球形窝面。
本发明的有益效果是：
(1)沿着聚集太阳光传输方向，多孔吸热芯层的介质吸收系数梯度增加，吸热芯高温区位于多孔介质C区域，有利于降低多孔吸热芯高温辐射热损失，提高效率。
(2)多孔介质C的高温辐射热流沿程不断被多孔介质B和多孔介质A吸收，施加在光学窗口的高温辐射热流密度低，有利于降低光学窗口温度，降低光学窗口热应力破坏风险。
术语解释：
太阳能吸热器—指将聚集太阳光转换成高温热源的装置；
介质吸收系数—介质(如玻璃、碳化硅多孔陶瓷)对辐射能的吸收能力。介质吸收系统越大，表明辐射能在介质中传输单位距离时被吸收的份额越大。介质吸收系数的单位为m-1。
附图说明
当结合附图考虑时，通过参照下面的详细描述，能够更完整更好地理解本发明以及容易得知其中许多伴随的优点，但此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定，其中：
图1为本发明的总体结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明的总体结构示意图，如图1所示，本发明的一种介质吸收系数梯度增加的太阳能吸热器，包括一腔体1，腔体1的一端一体连接有锥形入射面2，腔体1与锥形入射面2的连接处设有弧状光学窗口3，腔体1的另一端设有空气工质出口4；其中，腔体1具有容纳空气工质通过的夹层通道5，夹层通道5位于锥形入射面2的边缘处，设有空气工质入口6，夹层通道5临近光学窗口3内表面位置处，设有空气工质出气孔7；腔体1内沿着太阳光传输方向依次顺序设有介质吸收系数梯度增加的两个以上的多孔介质吸热芯层，分别为介质吸收系数为0.1～1.0m-1的多孔石英玻璃层A、介质吸收系数为1.0～10.0m-1的多孔蓝宝石玻璃层B、介质吸收系数为100～500m-1的多孔碳化硅陶瓷材料层C。高温空气工质在多孔吸热芯内的流动方向与太阳光传输方向相同，也是从多孔介质A流向多孔介质B，然后流向多孔介质C，最后从空气工质出口4流出。如是，可保证多孔介质A的温度最低，多孔介质B的温度次之，多孔介质C的温度最高。有利于降低多孔吸热芯的高温辐射热损失，提高吸热器效率。
另外，腔体1内紧邻光学窗口3的多孔介质吸热芯层A预留有容纳空气工质出气孔7流出的空气工质内凹面8，腔体内1紧邻空气工质出口4的多孔介质吸热芯层C预留有使空气工质集中流动至空气工质出口4的半球形窝面9。
入射太阳光穿过光学窗口3进入多孔吸热芯A、B和C被吸收，加热多孔吸热芯的孔筋达到高温状态。另一方面，高压空气工质从空气工质入口6进入夹层通道5进行预热，夹层通道5位于腔体1内的一段内设有一折流板11，使得空气工质达到充分的预热后从空气工质出气孔7流出，然后注入多孔吸热芯吸热升温，最后高温高压工质从吸热器出口流出，完成太阳能高温光热转换。夹层通道5的外侧面包裹有保温层10，减少散热损失。
多孔吸热器的辐射散热损失是影响多孔吸热器热效率的决定因素，辐射散热损失与绝对温度的四次方成正比，因此，减少辐射散热损失的关键是降低多孔吸热芯的有效辐射温度。在本发明中，多孔介质B和C的辐射散热绝大部分被多孔介质A吸收(多孔介质A由石英玻璃制成，石英玻璃对太阳光的吸收比较小，但是对多孔介质B和C的红外辐射吸收较大)。因此，本发明的多孔吸热器辐射散热损失其实就是多孔介质A的辐射散热损失，由于多孔介质A的温度低，辐射散热损失较小。因此，本发明介质吸收系数梯度增加吸热器具有较高的热效率和较低的光学窗口工作温度和较高的可靠性。
以上实例的说明只是用于帮助理解本发明的核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (3)

1.一种介质吸收系数梯度增加的太阳能吸热器，其特征在于，包括一腔体，腔体的一端连接有锥形入射面，腔体与锥形入射面的连接处设有弧状光学窗口，腔体的另一端设有空气工质出口；其中，腔体与锥形入射面连接为一体，具有容纳空气工质通过的夹层通道，夹层通道位于锥形入射面的边缘处，设有空气工质入口，夹层通道临近光学窗口内表面位置处，设有空气工质出气孔；腔体内沿着太阳光传输方向依次顺序设有介质吸收系数梯度增加的两个以上的多孔介质吸热芯层，所述的多孔介质吸热芯层为介质吸收系数为0.1～1.0m-1的多孔石英玻璃层、介质吸收系数为1.0～10.0m-1的多孔蓝宝石玻璃层、介质吸收系数为100～500m-1的多孔碳化硅陶瓷材料层；腔体内紧邻光学窗口的多孔介质吸热芯层预留有容纳空气工质出气孔流出的空气工质的内凹面；腔体内紧邻空气工质出口的多孔介质吸热芯层预留有使空气工质集中流动至空气工质出口的半球形窝面。
2.根据权利要求1所述的一种介质吸收系数梯度增加的太阳能吸热器，其特征在于，所述的夹层通道位于腔体内的一段内设有一折流板。
3.根据权利要求1所述的一种介质吸收系数梯度增加的太阳能吸热器，其特征在于，所述的腔体与锥形入射面的外表面设有保温层。
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