CN104075460A - 一种具有新型光学窗口的太阳能吸热器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有新型光学窗口的太阳能吸热器，包括一固定壁，固定壁一端开口，开口处设置有光学窗口，固定壁和光学窗口之间的空间成形为吸热腔，吸热腔内设置有多孔吸热芯，固定壁的底端设置有空气工质入口，固定壁的顶端设有空气工质出口，所述的光学窗口包括一上、下均开口的圆台状外壁，圆台状外壁的上端一体延伸有半椭圆球状顶部。本发明提出一种圆台与半椭球组合结构太阳能光学窗口。这种光学窗口对高压工质为凸状结构，在高压工质挤压作用下，仅承受压力作用，不承受拉力，具有优异的抗压性能；同时该光学窗口对入射太阳光束又为凹腔结构，被界面反射的太阳光束可以在凹腔内多次入射，提高太阳光束的透过率，总的界面反射损失较小。

Description

一种具有新型光学窗口的太阳能吸热器

技术领域

本发明涉及太阳能应用技术领域，具体的说，本发明涉及一种具有新型光学窗口的太阳能吸热器。

背景技术

光学窗口是太阳能容积式吸热器的重要组成部分，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。即光学窗口既要在太阳辐射下工作，又要承受高压工质的挤压作用。

石英玻璃对太阳光的透过率高，可在高温下工作(工作温度高达1000℃)，是一种理想的太阳能光学窗口材料。但是由于界面反射特性，石英玻璃对入射太阳光束有较大的界面反射损失；另一方面石英玻璃是一脆硬材料，具有优异的耐压性能，但是抗拉性能很差。

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4项，具体信息如下：

(1)名称：含内凹玻璃罩的球形腔式太阳能吸热器

申请号：201110255144.8

发明人：龙新峰；毛青松

摘要：本发明公开了含内凹玻璃罩的球形腔式太阳能吸热器，主要用于在蝶式太阳能高温热利用系统中收集太阳光并将其转化成热能。吸热器主要由换热盘管、内凹式玻璃罩、外壳、内壳、真空层、反光式挡风板、导热流体组成。

与传统的开口式和腔口带玻璃窗的腔式吸热器不同，本腔式吸热器是采用内凹玻璃罩的开口式球形吸热器，既具有开口式腔式吸热器捕获光线的能力，又具有腔口带玻璃窗的腔式吸热器低热损的特点。同时本腔式吸热器具有反光式挡风板，能增强对偏离光线的捕捉，减少内壁热辐射和外部自然风引起的对流传热损失。本腔式吸热器的内外壳间含有真空层，能有效降低通过壳体损失的热量。

(2)名称：一种基于光热吸收锥构型的高效太阳能吸热器

申请号：201310041996.6

发明人：黄国平；洪树立；夏晨；傅鑫；康剑雄

摘要：本发明涉及一种基于光热吸收锥构型的太阳能吸热器，包括密封盖、绝热管套、气流管道、吸热体、玻璃罩和吸热体紧固件，其特征是吸热体为棱台型结构，各平面可分开制造；每一平面均为光热吸收锥板，表面分布由多个尖锐棱锥，由高导热多孔疏松材料制成；玻璃罩为圆台形；所述的密封盖、吸热体、玻璃罩形成闭式容腔，空气通过密封盖的进气孔进入容腔，再经过多孔介质光热吸收锥板被加热而带走太阳能，最后沿着气流管道由吸热器出口端流出。优点：改善现有的吸热器存在吸热效率低、加工困难、内部流动损失大等问题。能够单独使用，也能通过接口互相组合使用；主要适用于太阳能热电转换系统，确保其能高效运行。

(3)名称：一种太阳能热发电站用石英玻璃管束式空气吸热器

申请号：201110049773.5

发明人：白凤武；王志峰；李鑫；徐超；王艳；常春

摘要：一种石英玻璃管束式空气吸热器，由石英玻璃管束(1)、固体吸热颗粒(2)、冷空气集箱(3)、热空气集箱(4)、冷空气入口(5)和热空气出口(6)组成，石英玻璃管束(1)由多根石英玻璃管组成，固体吸热颗粒(2)位于石英玻璃管束(1)中的石英玻璃管内部，在工作过程中保持流动。冷空气集箱(3)位于石英玻璃管束(1)的下部与石英玻璃管束(1)的下部密封连接，热空气集箱(4)位于石英玻璃管束(1)的上部与石英玻璃管束(1)的上部密封连接。冷空气入口(5)位于冷空气集箱(3)上，热空气出口(6)位于热空气集箱(4)上。本发明可获得700℃-1300℃、常压或者1MPa压力以上的高温空气，同时利用自身的显热储热。

(4)名称：一种具有光学窗口的腔体式太阳能吸热器

申请号：200910310370.4

发明人：帅永；夏新林；谈和平；张晓晨；袁远；王富强

摘要：一种具有光学窗口的腔体式太阳能吸热器，它涉及太阳能技术领域，它的目的是为了解决现有太阳能吸热器吸收的太阳能辐射热流分布不均匀，导致吸热器局部温度过高且容易发生烧穿的问题，它包括吸热器和吸热管，并且吸热管按照吸热器的内腔体形状盘在吸热器的内壁上，吸热器的内腔形状为半球形，它还包括上凸式光学玻璃体和护板，所述吸热器为空腔体，护板为环形，护板固定在吸热器入口上，上凸式光学玻璃体设置在护板上，上凸式光学玻璃体面向吸热器的入口面为凸面，背向吸热器的入口面为平面。本发明可高效接收辐射热和高效地向工作流体传热，减小吸热管壁面局部高温和热应力集中现象的发生，本发明广泛应用于太阳能吸热器领域。

目前的太阳能石英光学窗口设计以平面结构或单一曲面为主，这种石英光学窗口结构不仅界面反射损失大，而且抗压性能差。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明提出一种新型的圆台与半椭球组合结构光学窗口。这种光学窗口不仅界面反射损失小，而且具有优良的抗挤压性能。

本发明提供的技术方案是：一种具有新型光学窗口的太阳能吸热器，包括一固定壁，固定壁一端开口，开口处设置有光学窗口，固定壁和光学窗口之间的空间成形为吸热腔，吸热腔内设置有多孔吸热芯，固定壁的底端设置有空气工质入口，固定壁的顶端设有空气工质出口，所述的光学窗口包括一上、下均开口的圆台状外壁，圆台状外壁的上端一体延伸有半椭圆球状顶部；其中，所述的半椭圆球状顶部的长半轴直径等于圆台状外壁顶部的半径，其值为0.5D-L·tanβ，其中β为圆台状外壁倾斜角，L为圆台状外壁的高度，D为圆台状外壁的底部开口直径；所述的半椭圆球状顶部的短半轴直径为长半轴直径的0.4～0.6倍；所述的圆台状外壁倾斜角β＝10°～20°，圆台状外壁的高度L＝0.8D～1.5D。

所述的固定壁为碗状，固定壁的外围设有与固定壁形状相同的保温层，保温层与固定壁的外表面之间成形有预热通道，保温层的顶端设有一空气工质入口，以及一与固定壁的空气工质出口同轴的出气孔。

所述的保温层底部开口向内延伸有卡槽，所述的光学窗口底端向外延伸有裙边，裙边镶嵌入卡槽内。

本发明的有益效果是：

本发明提出一种圆台与半椭球组合结构太阳能光学窗口。这种光学窗口对高压工质为凸状结构，在高压工质挤压作用下，仅承受压力作用，不承受拉力，具有优异的抗压性能；同时该光学窗口对入射太阳光束又为凹腔结构，被界面反射的太阳光束可以在凹腔内多次入射，提高太阳光束的透过率，总的界面反射损失较小。

因此，圆台与半椭球组合结构太阳能光学窗口不仅对高压工质具有优异的抗压性能，而且对太阳光束界面反射损失小，具有良好的透过率。

术语解释：

界面反射损失：指半透明材料(如石英玻璃、半透明塑料等)对入射的太阳光由于反射而产生的能量损失。以平板石英玻璃为例，对垂直入射太阳光反射损失约8％。

太阳能容积式吸热器：指一种由光学窗口和多孔介质材料组成的吸热器，由于太阳光束能穿过光学窗口在多孔介质内部传输被吸收转换成高温热源而得名。

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，本发明的一种具有新型光学窗口的太阳能吸热器，包括一固定壁1，固定壁1一端开口，开口处设置有光学窗口2，固定壁1和光学窗口2之间的空间成形为吸热腔，吸热腔内设置有多孔吸热芯3，固定壁1的底端设置有空气工质入口4，固定壁1的顶端设有空气工质出口5，光学窗口2包括一上、下均开口的圆台状外壁21，圆台状外壁的上端一体延伸有半椭圆球状顶部22，圆台状外壁21的倾斜角β＝10°～20°，圆台状外壁21的高度L＝0.8D～1.5D，半椭圆球状顶部22的长半轴直径等于圆台状外壁顶部的半径，其值为0.5D-L·tanβ，其中β为圆台状外壁倾斜角，L为圆台状外壁的高度，D为圆台状外壁的底部开口直径；所述的半椭圆球状顶部的短半轴直径为长半轴直径的0.4～0.6倍。

固定壁1为碗状，固定壁1的外围设有与固定壁1形状相同的保温层6，保温层6与固定壁1的外表面之间成形有预热通道7，保温层6的顶端设有一空气工质入口60，以及一与固定壁1的空气工质出口5同轴的出气孔61；保温层6底部开口向内延伸有卡槽，光学窗口2的圆台状外壁21的底端向外延伸有裙边23，裙边23镶嵌入保温层6底部的卡槽内。

图1中箭头方向为空气工质的流动路线，空气工质自保温层的空气工质入口60进入预热通道7，经过预热后的空气工质流动至固定壁1底部的空气工质入口4进入固定壁1与光学窗口2的夹层腔体内，然后注入多孔吸热芯3，在冷却多孔吸热芯3孔筋的同时，吸热升温，最后从空气工质出口5、出气孔61流出，完成太阳能的光热转换过程。

目前，石英玻璃对太阳光的透过率高，是最理想的太阳能光学窗口材料。但是石英玻璃是一种脆硬材料，具有优异的抗压性能，但是对拉应力很敏感，抗拉性能很差。为完成做功，工质的压力都比较高(0.5～10MPa)，因此光学窗口的抗高压工质的挤压性能就十分重要，在设计光学窗口时，必须设计合理的几何形状，让光学窗口在工作中仅承受高压工质的压应力，避免承受拉应力。通过受力分析，该发明的圆台与半椭球结构光学窗口，在高压工质挤压作用下，仅承受压应力，没有拉应力。

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)

1.一种具有新型光学窗口的太阳能吸热器，包括一固定壁，固定壁一端开口，开口处设置有光学窗口，固定壁和光学窗口之间的空间成形为吸热腔，吸热腔内设置有多孔吸热芯，固定壁的底端设置有空气工质入口，固定壁的顶端设有空气工质出口，其特征在于，所述的光学窗口包括一上、下均开口的圆台状外壁，圆台状外壁的上端一体延伸有半椭圆球状顶部；其中，

所述的半椭圆球状顶部的长半轴直径等于圆台状外壁顶部的半径，其值为0.5D-L·tanβ，其中β为圆台状外壁倾斜角，L为圆台状外壁的高度，D为圆台状外壁的底部开口直径；所述的半椭圆球状顶部的短半轴直径为长半轴直径的0.4～0.6倍；

所述的圆台状外壁倾斜角β＝10°～20°，圆台状外壁的高度L＝0.8D～1.5D。

2.根据权利要求1所述的一种具有新型光学窗口的太阳能吸热器，其特征在于，所述的固定壁为碗状，固定壁的外围设有与固定壁形状相同的保温层，保温层与固定壁的外表面之间成形有预热通道，保温层的顶端设有一空气工质入口，以及一与固定壁的空气工质出口同轴的出气孔。

3.根据权利要求2所述的一种具有新型光学窗口的太阳能吸热器，其特征在于，所述的保温层底部开口向内延伸有卡槽，所述的光学窗口底端向外延伸有裙边，裙边镶嵌入卡槽内。