CN104329812B - 内壁绕有u型同轴套管反应器的方形腔式集热器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了内壁绕有U型同轴套管反应器的方形腔式集热器，所述腔式集热器整体结构呈下部带开口的方形，包括方形腔体、U型同轴套管组件和镀有反光涂层的挡风板；U型同轴套管组件置于方形腔体内，且紧贴方形腔体内壁呈U型回路排列；方形腔体下部开口处设有呈无底四棱台型的挡风板，挡风板的一端位于方形腔体内，另一端位于方形腔体外，挡风板的中部与腔体无缝隙相连。本发明的结构设计使储能反应介质可以更长时间更大程度地与太阳热能发生热交换，以便最大地吸收太阳热能并将其转化成化学能。本发明结构简单，可模块化制作，具有集热效率高，热损小的特点，可用于碟式太阳能高温热利用系统中的太阳热能收集与热能转换。

Description

内壁绕有U型同轴套管反应器的方形腔式集热器

技术领域

本发明涉及一种腔式太阳能集热器，特别涉及一种应用于碟式太阳能高温热利用系统中的内壁绕有U型同轴套管反应器的方形腔式集热器。

背景技术

我国太阳热能高温利用起步较晚，还未达到普及阶段，随着社会的发展和进步，人类对于能源的需求量也越来越高。当前全球一次能源构成主要是以化石燃料为主体。然而化石燃料具有不可再生性，且使用过程中会造成环境污染，这促使人们必须寻找既可再生又不会造成环境污染的可再生能源。能源的开发和利用受到经济、技术和环境等多方面因素影响。太阳能作为风能，潮汐能，地热能等能源的基础能源，取之不尽，用之不竭，具有无限性，经济性，环保性以及更易集成的优势，这使得太阳热能的高温热利用受到了各国学者的青睐。

太阳能高温热利用是太阳能利用中的重要组成部分。众所周知，太阳能是一种低密度、间歇性、随地理分布不断变化的、与传统化石能源截然不同的可再生能源，这些特征对太阳能的收集和热利用有了更严格的要求。集热器作为一种可以高效率地将太阳能转化为热能的装置，在太阳能高温热利用方面有很多应用。其中，太阳能热发电技术是太阳能高温热利用的主要用途，其主要涉及三种形式：槽式太阳能热发电、塔式太阳能热发电和碟式太阳能热发电。相对于槽式和塔式，碟式太阳能高温热利用系统具有聚光比高、结构简单、可模块化、光热转换比高的特点。因而，在热发电领域，碟式太阳能热发电系统已经成为最重要的热发电形式之一。

碟式太阳能热发电中的腔式太阳能集热器的基本原理是利用抛物面聚焦镜对太阳光聚焦，随后将其反射到腔式集热器内，加热集热器内的传热管件，通过管壁再加热管内的传热流体。太阳热能在传递过程中同时伴随着热损失，各国学者对腔式集热器的热损失机理作过较多的实验和研究。研究表明，在腔式集热器中，热损失主要表现为以下几个方面(1)太阳光通过吸收腔口的反射损失；(2)通过集热器腔体壁的导热损失；(3)空气通过吸收腔口引起的对流损失；(4)通过吸收腔口时的热辐射损失。

对于腔式集热器来说，通过集热器腔体壁热传导而损失的热量远远小于对流损失及热辐射引起的损失。并且集热器壁温度越高，热辐射的损失会呈几何级数增大，所以如何减少这一部分损失就成为提高集热器热效率必须解决的问题。为此，人们从外形、结构以及加热方式三个方面进行研究，提出了多种形式的腔式太阳能集热器。

(1)按集热器吸热表面形状的不同，基本形式分为球形、圆柱形、圆锥形、平顶圆锥形以及在此基础上加以改造的形状，外形会对集热器上述的四个方面的热损失均会有相应的影响，并且集热器的外形也直接影响着制造工艺的难易及集热装置是否可模块化的生产。

(2)按集热器入口是否带密闭挡风板，可分为入口带挡风板和入口不带挡风板两种。集热器是否带挡风板影响着光线进入的多少及难易，入口带挡风板的集热器虽然进入光线较不带挡风板进入光线少，然而由于其与外部环境接触相对较少，会减少与外界空气产生的对流损失。

(3)按照加热方式的不同，集热器可分为直接照射型及回流型两种。直接照射型是指将热管的外表面直接处于反光镜的照射下，具有结构简单，易于实现的优点。但是由于聚集太阳光的不均匀性，使吸热管的表面易产生极大的温度梯度，对热管乃至整个集热器造成严重的破坏。采用回流型热管式的集热器，不仅可以提高整个碟式太阳能热发电系统的效率，同时也可以降低整个系统的设计难度和制造成本。因此，腔式集热器成为目前先进的碟式太阳能热发电系统中必不可少的一部分。

当今世界迫切需要光热转化效率高的转换装置，腔式集热器作为碟式太阳能高温热利用系统的核心装置，对碟式太阳能热利用、尤其是碟式太阳能热发电技术的发展作用重要。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明提供了一种内壁绕有U型同轴套管反应器的方形腔式集热器。该腔式集热器能有效地综合降低上述四方面热量损失，提高太阳光能-化学能转化效率。

本发明的目的通过如下技术方案实现。

内壁绕有U型同轴套管反应器的方形腔式集热器，所述腔式集热器整体结构呈下部带开口的方形，包括方形腔体、U型同轴套管组件和镀有反光涂层的挡风板；U型同轴套管组件置于方形腔体内，且紧贴方形腔体内壁呈U型回路排列；方形腔体下部开口处设有呈无底四棱台型的挡风板，挡风板的一端位于方形腔体内，另一端位于方形腔体外，挡风板的中部与腔体无缝隙相连。

进一步优化实施的，所述的方形腔体采用内部可填充隔热材料的双层结构，包括外壳、内壳、填充孔、螺栓和填充材料：方形腔体由上下两部分构成，通过螺栓相连，相连处使用密封圈密封；密封圈本体中部设有若干圈体通孔，供装填填充材料时，填充材料由方形腔体下部流向上部；填充孔位于外壳侧壁，填充材料通过填充孔充入，通过填充孔可定期为集热器装填填充材料，填充孔配有与装置配套的密封塞。

进一步优化实施的，所述的U型同轴套管组件由同轴套管外管、催化剂层、同轴套管内管和通孔组成，U型同轴套管内管与方形腔体外壳侧壁上部的入口管相连通，U型同轴套管外管与方形腔外壳顶部的出口管相连通，入口管和出口管从方形腔体穿过，接触处密封，催化剂层在同轴套管外管和同轴套管内管之间。

进一步优化实施的，所述的U型同轴套管组件呈重复连续的U型排布，并紧贴于方形腔体内壳内壁表面，U型同轴套管组件的排布间距为2cm～12cm，内壳壁面和与其紧贴在一起的同轴套管外管壁面具有一层用于提供太阳能的吸收效率的高吸收光率材料，以达到方形腔体内的最高壁面温度。

进一步优化实施的，工作时，待加热的储能反应介质由方形腔体侧壁处的入口管流入，经过U型同轴套管组件时被进入的太阳能加热，最后从位于方形腔体顶部的出口管流出。

进一步优化实施的，U型同轴套管组件内管中的储能反应介质可以与同轴套管内管附着的催化剂层充分接触，反应后的生成物流体，经过通孔流入同轴套管组件外管；催化剂层材料根据采用的热化学储能反应介质选用。

进一步优化实施的，挡风板内侧镀有反光涂层；下部开口处形成的面积与方形腔体内壳壁面的表面积之比为0.05～0.20，挡风板与方形腔体外壳下部外壁面间的夹角α为45°～70°，集热效果达到最佳。

进一步优化实施的，方形腔体内、外壳之间设置有支架，以增强腔体强度，确保壳层内、外壁不会变形过大，所述的支架可采用Π型支架、三角型支架或圆弧型支架中的一种。

本发明对现有技术的不足达到了以下几个方面的改善：

(1)采用无底四棱台型开口式的挡风板结构。这种结构可使太阳光能最大程度上的进入腔内，在腔式集热器开口处的挡风板会增加太阳光线通量，将部分偏离的光反射进入腔内又不至于与外界空气接触过多，大大减少了太阳能的对流热损失及热辐射。使腔内光线通量最大，热转化率最高，为反应提供更高的反应温度。

(2)内、外腔体间采用中间带有加强肋的方式。加强肋可有效防止内、外壳在变形。内、外壳层间填充隔热材料可以增大传热热阻，装置设置填充孔，可方便定期更换隔热材料，使热阻增至最大以防热量散失。

(3)采用U型同轴套管组件。U型同轴套管紧贴腔式集热器内壁缠绕并呈U型排列。U型排列使同轴套管与集热器内壳壁面接触面积增大从而降低接触热阻，为同轴套管内的热化学储能反应介质提供更高的反应温度，从而促使热化学反应进行，将更多的太阳能转变成化学能加以储存。

(4)方形腔体易于拆卸和组装，腔体分为上壳和下壳两部分，两者通过螺栓相连，相接处使用密封圈，利于清洁及更换内部组件。

附图说明

图1是实例中内壁绕有U型同轴套管反应器的方形腔式集热器的横剖面示意图。

图2是U型同轴套管组件的平面展开示意图。

图3是镀有反光涂层的挡风板的剖面图。

图4是密封圈的截面图。

图5是U型同轴套管组件的部分剖面图。

图6是Π型支架结构示意图。

图7是三角型支架结构示意图。

图8是圆弧型支架结构示意图。

图中：1.填充孔；2.内壳；3.螺栓4.U型同轴套管组件；5.入口管；6.出口管；7.圈体通孔；8.密封圈；9.镀有反光涂层的挡风板；10.填充材料；11.外壳；12.挡风板内侧；13.挡风板外侧；14.密封圈内圈；15.密封圈外圈；16.催化剂层；17.同轴套管组件外管；18同轴套管组件内管；19.通孔；20.Π型支架；21.三角型支架；22.圆弧型支架。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施作进一步详细描述，但本发明的实施不限于此，需指出的是，以下若有未特别详细说明之处，均是本领域技术人员可参照现有技术实现的。

图1～图2为本实施例的结构示意图。内壁绕有U型同轴套管反应器的方形腔式集热器，具体包括填充孔1、内壳2、螺栓3、U型同轴套管组件4、入口管5、出口管6、密封圈8及圈体通孔7、镀有反光涂层的挡风板9、填充材料10、外壳11、挡风板内侧12、挡风板外侧13、密封圈内圈14、密封圈外圈15、催化剂层16、同轴套管组件外管17、同轴套管组件内管18和通孔19。

本集热器组装方式为由内到外，从下到上。首先在下部腔体上固定镀有反光涂层的挡风板9，将按内壳2尺寸制造完成的U型同轴套管组件4固定在下腔体上，再装上半部分腔体，然后螺栓3和密封圈8将上、下两部分腔体连接在一起。最后，通过填充孔1，将填充材料10填充，以达到保温隔热效果。

工作时，储能反应介质可以与同轴套管组件组件内管18附着的催化剂层16充分接触，反应后的生成物流体，经过通孔19流入同轴套管组件外管17。催化剂可依据采用的热化学储能反应介质选用。集热器内壳2壁面和与其紧贴在一起的同轴套管组件外管17壁面会附有一层高吸收光率材料来保证太阳能的吸收效率，未被吸收的太阳光线将在腔内发生多重反射，直至被方形腔体内壁面或管件外壁面吸收，使对流热损失和热辐射大大降低。

方形腔体内、外壳之间设置有支架，如图6～图8，可以是Π型支架20、三角型支架21、圆弧型支架22等结构中的一种，以增强腔体强度，确保壳层内、外壁不会变形过大。在内部部件安装完毕后可通过螺栓3将上下腔体相连，相连处有密封圈8，通过填充孔1将中间的空气层充满隔热物质。工作时，待加储能反应介质热流体由腔体侧壁处的入口管5流入，经过U型同轴套管4时被进入的太阳能加热，最后从位于腔体顶部的出口管6流出。这样的结构能有效地降低通过壁面的导热损失。

本发明所述方形腔体下部开口处所设置的无底四棱台型挡风板9，其中部与腔体无缝隙相连，形成一个由腔体和挡风板构成的密封区域。挡风板内侧12镀有反光涂层，用于反射内部的热辐射光线，以增大光线入口通量，减少集热器的热辐射损失；同时挡风板对外界的风有很好的阻挡作用，可以减少外界风力带来的强制对流热损；且镀有反光涂层的挡风板9中部与腔体外壳11无缝连接，这样的结构能保证光线无损的进入腔体。

本发明可按比例缩放其大小生产，下面以高1m，宽1m的总体大小为例介绍：腔体为高1m，宽1m，长1m的方形外壳；方形腔体内、外壳间的间距为8cm供填充隔热材料；挡风板每块长约35cm，总面积约为0.45m²，共四块构成无底四棱台型。其中挡风板外侧13与外壳11所形成的夹角α约50°；填充孔1位于腔体侧壁底部，孔径为6cm；螺栓3位于腔体中部；入口管5位于腔体侧壁顶部，孔径为10cm；出口管6位于腔体上部中间正上方，孔径为10cm；U型同轴套管组件4的外管径为10cm，其U型同轴套管间的间距为8cm。

太阳能热化学储能最具发展前景、且实用于大规模电力生产的储能介质之一是氨(NH₃)。以NH₃分解为例作具体说明，氨基热化学蓄能的基本机理是利用下列可逆热化学反应，通过热能与化学能的转换进行太阳能转换-储存-传输-热再生过程。

$\begin{array}{cc}{\mathrm{NH}}_3+\mathrm{\ΔH}\↔\frac{1}{2}{N}_2+\frac{3}{2}{H}_2& {\mathrm{\ΔH}}_{298}^O=66.5\mathrm{kJ}/\mathrm{mol}\end{array}$

通过太阳场，NH₃在本发明U型同轴套管组件中流动，流动过程中吸收太阳热能，在高压、催化剂作用下，发生分解反应生成H₂和N₂，所吸收的太阳能也以化学能的形式储存在H₂和N₂中。氨基热分解反应所需催化剂采用三元铁-钴催化剂(如Haldors的DNK-2R型)，并将其填充在催化剂层16内。

太阳光通过碟式聚光镜聚集后，大部分光线直接经进入腔体，少部分光线经过镀有反光涂层的挡风板9反射也最终进入腔体。由于集热器内壳2壁面和与其紧贴在一起的同轴套管组件外管17壁面附有一层高吸收光率材料，因此能有效吸收太阳光线，U型同轴套管内管与方形腔外壳侧壁上部的入口管5相联通，U型同轴套管外管与方形腔外壳顶部的出口管6相连通，入口管5和出口管6从方形腔体穿过，接触处密封，催化剂层16在同轴套管外管和同轴套管内管之间，如图5所示。工作时，以氨基热化学蓄能反应为例，待加热的储能反应介质(NH₃)由腔体侧壁处的入口管5流入，U型同轴套管组件内管件中的储能反应介质可以与同轴套管内管18附着的催化剂层16(氨基热化学蓄能反应的催化剂是三元铁-钴催化剂)充分接触，经过U型同轴套管4时被进入的太阳能加热，达到温度条件后(氨基蓄能反应为500℃)，即可发生热化学反应，反应后的生成物流体(N₂和H₂)，经过通孔19流入同轴套管外管17。将热量转化为化学能储存在N₂和H₂中，达到储能效果。最后N₂和H₂从位于腔体顶部的出口管6流出。填充材料10、腔体和镀有反光涂层的挡风板9形成的封闭区域能有效的降低热辐射损失，提高腔体的综合光-热转化效率，储能密度可达到每molNH₃不小于50KJ。

如上即可较好的实现本发明并取得前述的技术效果。

Claims (2)

1.内壁绕有U型同轴套管反应器的方形腔式集热器，其特征在于，所述腔式集热器整体结构呈下部带开口的方形，包括方形腔体、U型同轴套管组件(4)和镀有反光涂层的挡风板(9)；U型同轴套管组件置于方形腔体内，且紧贴方形腔体内壁呈U型回路排列；方形腔体下部开口处设有呈无底四棱台型的挡风板(9)，挡风板(9)的一端位于方形腔体内，另一端位于方形腔体外，挡风板(9)的中部与腔体无缝隙相连；所述的方形腔体采用内部可填充隔热材料的双层结构，包括外壳(11)、内壳(2)、填充孔(1)、螺栓(3)和填充材料(10)：方形腔体由上下两部分构成，通过螺栓(3)相连，相连处使用密封圈(8)密封；密封圈本体中部设有若干个圈体通孔(7)，供装填填充材料(10)时，填充材料(10)由方形腔体下部流向上部；填充孔(1)位于外壳侧壁，填充材料(10)通过填充孔(1)充入，填充孔(1)配有密封塞；所述的U型同轴套管组件(4)由同轴套管外管(17)、催化剂层(16)、同轴套管内管(18)和通孔(19)组成，U型同轴套管内管与方形腔体外壳侧壁上部的入口管(5)相连通，U型同轴套管外管与方形腔外壳顶部的出口管(6)相连通，入口管(5)和出口管(6)从方形腔体穿过，接触处密封，催化剂层在同轴套管外管和同轴套管内管之间；所述的U型同轴套管组件(4)呈重复连续的U型排布，并紧贴于方形腔体内壳(2)内壁表面，U型同轴套管组件的排布间距为2cm~12cm，内壳(2)壁面和与其紧贴在一起的同轴套管外管(17)壁面具有一层用于提供太阳能的吸收效率的高吸收光率材料，以达到方形腔体内的最高壁面温度；工作时，待加热的储能反应介质由方形腔体侧壁处的入口管(5)流入，经过U型同轴套管组件(4)时被进入的太阳能加热，最后从位于方形腔体顶部的出口管(6)流出；挡风板内侧(12)镀有反光涂层；下部开口处形成的面积与方形腔体内壳(2)壁面的表面积之比为0.05~0.20，挡风板与方形腔体外壳(11)下部外壁面间的夹角α为50°~70°；U型同轴套管组件内管中的储能反应介质与同轴套管内管(18)附着的催化剂层(16)充分接触，反应后的生成物流体，经过通孔(19)流入同轴套管组件外管(17)；催化剂层材料根据采用的热化学储能反应介质选用。

2.根据权利要求1所述的内壁绕有U型同轴套管反应器的方形腔式集热器，其特征在于，方形腔体内、外壳之间设置有支架，所述的支架采用Π型支架(20)、三角型支架(21)或圆弧型支架(22)中的一种。