CN104296396A - 太阳能高温集热设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种太阳能高温集热设备，包括上层槽式聚光器、下层槽式聚光器、上层集热管、下层集热管以及双层集热管支架；上层集热管与下层集热管均通过双层集热管支架连接固定，上层集热管对应上层槽式聚光器设置且位于上层槽式聚光器的焦点处，下层集热管对应下层槽式聚光器设置且位于下层槽式聚光器的焦点处；上层集热管与下层集热管结构相同，均由至少一个真空集热管组成，真空集热管具有一金属直管，金属直管外套设一真空玻璃内管，真空玻璃内管外套设一真空玻璃外管，金属直管内设置工作介质，真空玻璃内管与真空玻璃外管之间为真空层。太阳能高温集热设备通过上述结构可以达到热效率高和使用寿命长等有益效果。

Description

太阳能高温集热设备
技术领域
本发明涉及一种太阳能高温集热设备，属于太阳能热利用技术领域。
背景技术
太阳能是一种分布密度较小、间歇性和空间分布都在时可发生不断变化的能源，与我们生活中熟悉的常规能源有着很大的区别，所以这就要求我们对太阳能的收集、利用提出更高的要求。目前太阳能利用最广泛应用的是太阳能热水器，但是一般它只能满足人们的口常生活要求，属于太阳能利用的低温领域范畴，但是工业应用上的高温热水及蒸汽还无法满足。为了满足人们对太阳能热利用的更高的要求，要求太阳能集热器更有效地吸收太阳辐射能，同时获得高温热能，开发新的高温太阳能技术亟待发展。
目前太阳能集热器一般有全玻璃真空管集热器、平板集热器、U型真空玻璃管集热管、热管式真空集热管。前两种集热器因结构问题使得系统不能承压、稳定性差，热效率较低。U型真空玻璃集热管是由浙江大学热工与动力系统研究所组织设计的，其目的为了解决玻璃与金属之间的焊接难题，因为热膨胀系数不同而导致的焊接与密封困难，U型真空玻璃集热管的优点是价格便宜，相对十市场上的其他类型的集热管的生产技术容易，但是U型真空玻璃集热管也有他自身的不足，因为该类型的集热管外面有两层玻璃，光能穿过玻璃的损失就会加大，另外一点就是该集热管的一段是开口的，在加热的过程中可能会形成对流，从而造成热量的损失。热管真空管集热器是在金属热管外同心套上一根全玻璃真空集热管，热管-真空管结构中的热管冷凝段是一段管子，传热尺寸很小，被加热水的需要在大容积水箱中流过热管冷凝段外表面，在管外吸热变成饱和蒸汽时的蒸发热阻非常大，即使热管内工质温度很高，也无法将热量有效的传递给被加热的水，使热效率不高。此外此种形式的热管寿命较低，如何延长使用寿命还是一个技术瓶颈。
因此有必要设计一种新的太阳能高温集热设备，以克服上述问题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术之缺陷，提供了一种热效率高、使用寿命长的太阳能高温集热设备。
本发明是这样实现的：
本发明提供一种太阳能高温集热设备，包括上层槽式聚光器、下层槽式聚光器、上层集热管、下层集热管以及双层集热管支架；所述上层集热管与所述下层集热管均通过所述双层集热管支架连接固定，所述上层集热管对应所述上层槽式聚光器设置且位于所述上层槽式聚光器的焦点处，所述下层集热管对应所述下层槽式聚光器设置且位于所述下层槽式聚光器的焦点处；其中，所述上层集热管与所述下层集热管结构相同，均由至少一个真空集热管组成，所述真空集热管具有一金属直管，所述金属直管外套设一真空玻璃内管，所述真空玻璃内管外套设一真空玻璃外管，所述金属直管内设置工作介质，所述真空玻璃内管与所述真空玻璃外管之间为真空层。
进一步地，所述金属直管、所述真空玻璃内管以及所述真空玻璃外管均同轴设置。
进一步地，所述金属直管与所述真空玻璃内管之间为真空空间，所述真空空间内设有吸气剂。
进一步地，所述真空玻璃内管以及所述真空玻璃外管均由高硼硅玻璃制成，所述真空玻璃内管以及所述真空玻璃外管与所述金属直管的连接处采用可伐合金封条密封连接。
进一步地，所述真空玻璃外管的外壁呈弧形，且与水平方向形成5°的张角。
进一步地，所述金属直管的一端设有入口法兰，另一端设有出口法兰。
进一步地，所述上层槽式聚光器与所述下层槽式聚光器的几何聚光比的比值为40。
进一步地，所述真空玻璃内管以及所述真空玻璃外管的外壁均涂有增透涂层，内壁均涂有防增透涂层。
进一步地，所述金属直管的外壁设有陶瓷选择性涂层。
进一步地，所述上层集热管与所述下层集热管均具有两个所述真空集热管，两个真空集热管通过法兰连接的方式串联连接。
本发明具有以下有益效果：
所述太阳能高温集热设备采用上层集热管和下层集热管实现集热，其成本低廉，大约为传统直通式真空玻璃管成本的10%，与U型集热管相比大大地简化了集热管的内部结构，强化了传热，优化了结构的力学性能，降低了工艺难度，提高了热效率；采用上层槽式聚光器和下层槽式聚光器的结构可在聚光器高度基本不变的前提下，几乎可2倍的缩短集热器阵列轴线方向的尺寸，可节约大量宝贵的土地资源；所述太阳能高温集热设备的上层槽式聚光器和下层槽式聚光器的结构相较于传统的槽式聚光器，不仅提高聚光比，也降低了聚光器整体所承受的风载荷，从而提高了使用寿命。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为本发明实施例提供的真空集热管的截面图；
图2为本发明实施例提供的真空集热管的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的太阳能高温集热设备的结构示意图；
图4为本发明实施例提供的太阳能高温集热设备的工作原理图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1至图4，本发明实施例提供一种太阳能高温集热设备，包括上层槽式聚光器11、下层槽式聚光器12、上层集热管14、下层集热管13以及双层集热管支架15。所述上层集热管14与所述下层集热管13均通过所述双层集热管支架15连接固定，所述上层集热管14对应所述上层槽式聚光器11设置且位于所述上层槽式聚光器11的焦点处，所述下层集热管13对应所述下层槽式聚光器12设置且位于所述下层槽式聚光器12的焦点处。所述上层槽式聚光器11与所述下层槽式聚光器12均呈凹面型，所述上层槽式聚光器11与所述下层槽式聚光器12的几何聚光比的比值为40，几何聚光比是指聚光型集热器净采光面积与接收器面积之比，或称采光面积与吸收体的面积比。
如图1至图4，其中，所述上层集热管14与所述下层集热管13结构相同，均由至少一个真空集热管100组成。所述真空集热管100具有一金属直管4，所述金属直管4外套设一真空玻璃内管3，所述真空玻璃内管3外套设一真空玻璃外管1，所述金属直管4内设置工作介质5，所述真空玻璃内管3与所述真空玻璃外管1之间为真空层2。所述金属直管4、所述真空玻璃内管3以及所述真空玻璃外管1均同轴设置，所述金属直管4与所述真空玻璃内管3之间为真空空间，所述真空空间内设有一种金属化合物的吸气剂，能够吸收渗入真空空间的氢气及其他气体分子。在本较佳实施例中，所述金属直管4为外径21mm，壁厚4mm，长2000mm的不锈钢钢管。所述金属直管4的一端设有入口法兰6，另一端设有出口法兰7，用于两个相邻设置的金属直管4连接。所述金属直管4的外壁设有陶瓷选择性涂层，辐射到金属直管4外表面的太阳光，通过涂在金属直管4外壁的涂层将太阳能转化为热能，进而加热金属管内的工作介质5，而陶瓷选择性涂层可产生对太阳直接辐射较高的吸收率和降低工作温度下的发射率，以降低二次辐射。
如图1至图4，所述真空玻璃内管3以及所述真空玻璃外管1均由高硼硅玻璃制成，为了使真空集热管100具有良好的保温效果，所述真空玻璃内管3以及所述真空玻璃外管1与所述金属直管4的连接处采用可伐合金封条8密封连接。两个玻璃管与金属直管4连接处采用可伐合金封条8密封连接，封接应力小、抗热膨胀性强、真空气密性高。其中，可伐合金指含镍29%，钴17%的硬玻璃铁基封接合金。所述真空玻璃外管1的外壁呈弧形，且与水平方向形成5°的张角，在本较佳实施例中，所述真空玻璃外管1的直径38mm、真空玻璃内管3的直径为27mm。所述真空玻璃内管3以及所述真空玻璃外管1的外壁均涂有增透涂层，内壁均涂有防增透涂层。太阳直射辐射光到达真空玻璃外管1的外表面，在玻璃管外壁增透涂层的作用下，穿过玻璃外管进入到真空层2再到达所述金属直管4。两个玻璃管的内壁涂有防增透涂层，可使由玻璃管外壁透过的光线通过防增透涂层进入玻璃管内，光线在玻璃管内的金属直管4上反射的太阳光线不会通过防增透涂层，几乎不能离开玻璃管散失到环境中。
如图1至图4，在本较佳实施例中，所述上层集热管14与所述下层集热管13均具有两个所述真空集热管100，两个真空集热管100通过法兰连接的方式串联连接，即其中一个真空集热管100的出口法兰7与相邻设置的另一个真空集热管100的入口法兰6连接。
如图1至图4，所述太阳能高温集热设备的工作原理如下：流体由真空集热管100中的金属直管4的入口端流入，在流动的过程中，真空集热管100吸收阳光，将太阳能转化为热能加热工质，流体工作介质5吸收热量后，进入下一个真空集热管100继续加热。具体为：工作介质5进入下层集热管13吸收下层槽式聚光器12收集的光线，加热后进入同层的相邻集热管，进一步加热；下层加热后，再进入上层集热管14进行加热，上层集热管14的工作原理相同。其中，同层集热管之间采用法兰连接。根据已有的研究结果表明槽式太阳能的集热效率随流量的增大而减小，且呈现递减的趋势，所以采用双层槽式聚光器（即上层槽式聚光器11与下层槽式聚光器12组成）的结构，相较于传统的槽式聚光器，其集热管的尺寸会呈倍数缩小，工作介质5流量也会随之减小，双层吸热后，总吸热效率便会高于传统槽式集热器。槽式聚光器集热效率会随进水温度的增大为减少，如果适当改变集热管尺寸以及期间工作介质5的质量流量，相对于传统槽式聚光器单个聚光比较高，双层槽式聚光器的进入下一集热器的出水温度较小，可使得经双层吸热后总吸热效率高于传统槽式集热器。
综上所述，所述太阳能高温集热设备具有以下有益效果：
1.所述太阳能高温集热设备采用上层集热管和下层集热管实现集热，其成本低廉，大约为传统直通式真空玻璃管成本的10%，与U型集热管相比大大地简化了集热管的内部结构，强化了传热，优化了结构的力学性能，降低了工艺难度，提高了热效率。
2.采用上层槽式聚光器和下层槽式聚光器的结构可在聚光器高度基本不变的前提下，几乎可2倍的缩短集热器阵列轴线方向的尺寸，可节约大量宝贵的土地资源。
3.所述太阳能高温集热设备的上层槽式聚光器和下层槽式聚光器的结构相较于传统的槽式聚光器，不仅提高聚光比，也降低了聚光器整体所承受的风载荷，从而提高了使用寿命。
4.所述真空玻璃内管以及所述真空玻璃外管与所述金属直管的连接处采用可伐合金封条密封连接，封接应力小、抗热膨胀性强、真空气密性高。
5.所述真空玻璃外管的外壁呈弧形，可避免由于真空玻璃外管的内壁和外壁之间存在一定的温差，内外线膨胀不一致而引起的真空玻璃外管碎裂问题。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种太阳能高温集热设备，其特征在于，包括上层槽式聚光器、下层槽式聚光器、上层集热管、下层集热管以及双层集热管支架；
所述上层集热管与所述下层集热管均通过所述双层集热管支架连接固定，所述上层集热管对应所述上层槽式聚光器设置且位于所述上层槽式聚光器的焦点处，所述下层集热管对应所述下层槽式聚光器设置且位于所述下层槽式聚光器的焦点处；
其中，所述上层集热管与所述下层集热管结构相同，均由至少一个真空集热管组成，所述真空集热管具有一金属直管，所述金属直管外套设一真空玻璃内管，所述真空玻璃内管外套设一真空玻璃外管，所述金属直管内设置工作介质，所述真空玻璃内管与所述真空玻璃外管之间为真空层。
2.如权利要求1所述的太阳能高温集热设备，其特征在于：所述金属直管、所述真空玻璃内管以及所述真空玻璃外管均同轴设置。
3.如权利要求1或2所述的太阳能高温集热设备，其特征在于：所述金属直管与所述真空玻璃内管之间为真空空间，所述真空空间内设有吸气剂。
4.如权利要求1或2所述的太阳能高温集热设备，其特征在于：所述真空玻璃内管以及所述真空玻璃外管均由高硼硅玻璃制成，所述真空玻璃内管以及所述真空玻璃外管与所述金属直管的连接处采用可伐合金封条密封连接。
5.如权利要求1所述的太阳能高温集热设备，其特征在于：所述真空玻璃外管的外壁呈弧形，且与水平方向形成5°的张角。
6.如权利要求1所述的太阳能高温集热设备，其特征在于：所述金属直管的一端设有入口法兰，另一端设有出口法兰。
7.如权利要求1所述的太阳能高温集热设备，其特征在于：所述上层槽式聚光器与所述下层槽式聚光器的几何聚光比的比值为40。
8.如权利要求1所述的太阳能高温集热设备，其特征在于：所述真空玻璃内管以及所述真空玻璃外管的外壁均涂有增透涂层，内壁均涂有防增透涂层。
9.如权利要求1所述的太阳能高温集热设备，其特征在于：所述金属直管的外壁设有陶瓷选择性涂层。
10.如权利要求1所述的太阳能高温集热设备，其特征在于：所述上层集热管与所述下层集热管均具有两个所述真空集热管，两个真空集热管通过法兰连接的方式串联连接。
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Granted publication date: 20160413

Pledgee: Wuhan rural commercial bank Limited by Share Ltd. Yangluo Economic Development Zone Branch

Pledgor: WUHAN BLOOMING LOW CARBON INDUSTRY CO.,LTD.

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Denomination of invention: Solar high-temperature heat collecting device

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Pledgee: Wuhan rural commercial bank Limited by Share Ltd. Yangluo Economic Development Zone Branch

Pledgor: WUHAN BLOOMING LOW CARBON INDUSTRY CO.,LTD.

Registration number: 2018420000062

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Denomination of invention: Solar high-temperature heat collecting device

Effective date of registration: 20191120

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Pledgee: Wuhan rural commercial bank Limited by Share Ltd. Yangluo Economic Development Zone Branch

Pledgor: WUHAN BLOOMING LOW CARBON INDUSTRY CO.,LTD.

Registration number: Y2019420000032

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Denomination of invention: High temperature solar collector

Effective date of registration: 20201210

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Pledgor: WUHAN BLOOMING LOW CARBON INDUSTRY Co.,Ltd.

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Date of cancellation: 20220419

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Denomination of invention: Solar high temperature collector

Effective date of registration: 20220516

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Pledgee: Wuhan rural commercial bank Limited by Share Ltd. Yangluo Economic Development Zone Branch

Pledgor: WUHAN BLOOMING LOW CARBON INDUSTRY CO.,LTD.

Registration number: Y2022420000118

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Date of cancellation: 20230412

Granted publication date: 20160413

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Pledgor: WUHAN BLOOMING LOW CARBON INDUSTRY CO.,LTD.

Registration number: Y2022420000118

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Denomination of invention: Solar high-temperature heat collection equipment

Effective date of registration: 20230414

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Pledgee: Wuhan rural commercial bank Limited by Share Ltd. Yangluo Economic Development Zone Branch

Pledgor: WUHAN BLOOMING LOW CARBON INDUSTRY CO.,LTD.

Registration number: Y2023420000160

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