CN104676568A - 基于线聚焦太阳能集热的蒸汽发生器及蒸汽发生系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于线聚焦太阳能集热的蒸汽发生器及蒸汽发生系统，该蒸汽发生器包括腔体吸收器和反射镜列，腔体吸收器具有外壳，外壳在正对反射镜列的一面开有方形开口，外壳内设置有吸热管束，吸热管束设置成两排，该两排吸热管形成以方形开口为底边的一个等腰三角形的两个腰，相邻的吸热管相接触，由此两排吸热管构成开口正对方形开口的V形管屏，吸热管束两段均汇聚成一总管，分别作为腔体吸收器的流体入口与流体出口。该蒸汽发生器以水作为集热循环介质，利用太阳能集热以生产蒸汽，产生的蒸汽可以用于发电、制冷或生活用热。该蒸汽发生系统包括多个蒸汽发生器，多个蒸汽发生器以并联或串联或混联的方式相连接。

Description

基于线聚焦太阳能集热的蒸汽发生器及蒸汽发生系统

技术领域

本发明涉及太阳能利用领域，具体是指基于线聚焦太阳能集热的蒸汽发生器及蒸汽发生系统。

背景技术

太阳能作为取之不尽同时又是生态学上纯净的和不改变地球上燃料平衡的能源，有着能源总量大，又容易实现分散化利用的优点。但是常规的太阳能热利用只能用于低温热应用领域，比如说家用的太阳能热水器、低温热水循环系统等，工质温度低，难以满足工业热能和太阳能热发电需求，应用受到极大限制。

线聚焦腔体式吸收器是线聚焦太阳能集热器中负责吸收太阳辐射并将其转化为热能的部件，为一槽形腔体，受光面开一条形窄缝，聚焦后的太阳光线从窄缝进入腔体内部，被腔体里侧的吸热管吸收。由于条形窄缝宽度有限，腔体内部的几何形状设计考究，进入腔体的光线很难被反射出去，所以吸热管能充分吸收聚焦后的太阳光能量，这便是腔体的黑体效应。

腔体内部排布的吸热管内的流动介质最常用的是导热油，因其沸点高，不易气化。但如果要生产蒸汽，被吸收器加热后的导热油需通过换热器将热量传递给末端的水循环回路，使水汽化。这样，需增加了一套换热设备和一个循环回路；更重要的是，由于换热器换热温差的存在，需要将导热油加热至比蒸汽高出不少的温度，对集热器的设计提出了更高要求；与此同时，换热过程不可避免会有热损失。如果吸热管内的流动介质为水，吸热后直接变为蒸汽，然后供给末端使用，上述问题就不复存在。而在吸热管内直接走水，需妥善处理吸热管管内水的相变、流态、管内压力变化等问题。

从经济的角度考虑，导热油价格高昂，而水几乎不需成本；没有导热油与水的中间热交换设备，蒸汽发生系统投资成本减少。

发明内容

本发明的目的之一是提供基于线聚焦太阳能集热的蒸汽发生器，该蒸汽发生器以水作为集热循环介质，利用太阳能集热以生产蒸汽，产生的蒸汽可以用于发电、制冷、工业用热或生活用热等。

本发明的上述目的通过如下技术方案来实现的：基于线聚焦太阳能集热的蒸汽发生器，包括腔体吸收器和反射镜列，其特征在于：所述的腔体吸收器具有外壳，所述外壳在正对反射镜列的一面开有方形开口，并且在正对反射镜列的一面嵌装有玻璃盖板，玻璃盖板盖覆方形开口，所述外壳内设置有吸热管束，吸热管束设置成两排，每一排吸热管束均由多个贴紧设置的吸热管组成，该两排吸热管束形成以方形开口为底边的一个等腰三角形的两个腰，由此两排吸热管束构成开口正对方形开口的V形管屏，吸热管束两端均汇集成一总管，分别作为腔体吸收器的流体入口与出口，所述外壳在吸热管束与外壳内壁之间的区域充满保温填料，形成保温层，所述的蒸汽发生器通过吸热管束和反射镜列吸收太阳的热量，所吸收的热量供给吸热管束内的水，使水变成蒸汽以输送给末端设备。

本发明的蒸汽发生器通过吸热管和反射镜列吸收太阳的热量，腔体吸收器经聚焦的辐射热流几乎均匀地分布在腔体内壁，与真空管吸收器相比，避免了玻璃管与金属管因热膨胀系数不同导致的漏气等问题，而且工艺简单，成本较低。

本发明中，所述的玻璃盖板为超白玻璃，玻璃盖板具有活动三角板，所述外壳在开有方形开口的一边为折边，玻璃盖板嵌装在外壳的折边与活动三角板之间，通过外壳的折边与活动三角板相夹紧。增加玻璃盖板可以减小外部空气进入外壳内运动，抑制多个吸热管形成的管屏与外部的空气的对流换热。玻璃盖板采用透光率91.5％以上的高透光率的超白玻璃，保证经反射镜列反射的太阳光尽量进入腔体吸收器内。

本发明中，所述外壳的材质为钢或者不锈钢，起包裹保温层的作用。

本发明中，所述保温填料为矿渣棉或者超细玻璃棉或者微孔硅酸钙。

本发明中，所述吸热管的外表面涂覆有吸收涂层，如CuO涂层，用来最大限度的吸收太阳光谱能量。吸收涂层对短波区段太阳光的吸收率较高，而在本体的长波区段其发射率较低，从而使管屏吸收尽量多的太阳辐射短波段热流，而抑制自身向环境发射的长波段热辐射，由此减少热损失。

本发明中，所述的末端设备为发电装置或者吸收式制冷机。

本发明中，所述的反射镜列为菲涅尔反射镜场或者抛物槽式反射镜面。镜列或镜面有单轴跟踪装置跟踪太阳，最大限度地收集太阳辐照能量，并准确地聚焦到吸收器。

本发明中，所述吸热管为圆形不锈钢管，管壁厚为1mm或2mm，管壁厚为1mm的，为薄壁吸热管，壁厚为2mm的，为厚壁吸热管。

本发明中，所述吸热管的外表面沿径向还增设有肋片。

本发明中，多个吸热管形成的管屏为V形，相比于圆弧形管屏或其他形状的管屏，三角形管屏内部的受光面积大、经二次反射的漏光少，因而光学效率高，热量损失小；再加上选择性吸收涂层，腔体散热面外部有保温层，能够实现对太阳辐射能的高效收集。

所述的腔体吸收器长度在5米以内，实际使用时，多个腔体吸收器以并联或串联的方式相连接。吸收器吸热管内水的流态可能为：液态、气液参混、气态；对应地，吸热管可分为预热段、蒸发段和过热段。在预热段，水不断吸收太阳辐射能量，温度沿流向不断升高，直至饱和；在蒸发段，饱和的水继续吸收热量，部分气化，水汽并存；在过热段，吸热管内的水完全气化，且继续吸收太阳辐射热量，温度升高，变为过热蒸汽。

所述的蒸汽发生器直接产生过热蒸汽，预热段水为液态，吸热管内压力不高，为增强换热，选用薄壁不锈钢管；蒸发段管内压力大且波动剧烈，宜使用抗冲击能力强的汽包替换吸热管生产蒸汽；过热段蒸汽压力高，但较为稳定，吸热管需选用厚壁不锈钢管。

本发明的目的之二是提供基于线聚焦太阳能集热的蒸汽发生系统，该蒸汽发生系统能够利用太阳能集热以生产蒸汽。

本发明的上述目的通过如下技术方案来实现的：包含上述蒸汽发生器的蒸汽发生系统，其特征在于：所述的蒸汽发生器为多个，多个蒸汽发生器以并联或串联或混联的方式相连接。

与现有技术相比，本发明具有如下显著效果：

(1)本发明的蒸汽发生器中，通过腔体吸收器内直接产生过热蒸汽，光热转化率高；

(2)本发明腔体吸收器中，两排吸热管形成以方形开口为底边的一个等腰三角形的两个腰，两排吸热管构成开口正对方形开口的V形管屏，利用V形的管屏结构，充分吸收太阳入射光和二次反射光，大大提高光学效率；

(3)本发明只需传统的材料和制造技术便可生产，加工简单，价格相对低廉。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细说明。

图1是本发明蒸汽发生器的整体结构示意图；

图2是本发明蒸汽发生系统的使用状态参考图。

附图标记说明：

1、腔体吸收器；  2、外壳；  3、保温层；  4、方形开口；

5、吸热管；  6、吸收涂层；  7、活动三角板；  8、玻璃盖板；

9、反射镜列；  10、入射光线；  11、反射光线；  12、镜列分布水平线；

13、汽包；  14、循环水管

具体实施方式

如图1所示的基于线聚焦太阳能集热的蒸汽发生器，包括腔体吸收器1和反射镜列9，腔体吸收器1具有外壳2，外壳2的材质为不锈钢，外壳2在正对反射镜列9的一面开有方形开口4，并且在正对反射镜列9的一面嵌装有玻璃盖板8，玻璃盖板8盖覆方形开口4，外壳2内设置有吸热管束5，吸热管束5设置成两排，每一排吸热管束5均由多个贴紧设置的吸热管组成，该两排吸热管束5形成以方形开口4为底边的一个等腰三角形的两个腰，相邻的吸热管相接触，由此两排吸热管束5构成开口正对方形开口4的V形管屏，吸热管束5两端均汇集成一总管，两端汇聚成的总管分别作为腔体吸收器的流体入口与出口，用于流体的进出。反射镜列9为菲涅尔反射镜场，反射镜列9为一排一字排列的反射镜面构成，每个反射镜面朝向腔体吸收器1内吸热管束5中不同吸热管的方向不同，根据实际要求来定。

本实施例中，外壳2在吸热管束5与外壳2内壁之间的区域充满保温填料，保温填料选用超细玻璃棉，填充的保温填料形成保温层3，蒸汽发生器通过吸热管束5和反射镜列9吸收太阳的热量，所吸收的热量供给吸热管束5内的水，使水变成蒸汽以输送给诸如发电装置或者吸收式制冷机等的末端设备。腔体吸收器1中多个吸热管束5吸收的聚焦光线来自线性菲涅尔反射镜列9反射的太阳热量。反射镜列9中每个镜面与水平面的夹角均不同，距离镜列中心越远，夹角越大。反射镜列9有单轴跟踪装置跟踪太阳，最大限度地收集太阳辐照能量，并准确地聚焦到吸收器的玻璃盖板8，透过玻璃盖板8传递给吸热管束5的各吸热管。

本实施例中，吸热管束5中的吸热管为圆形不锈钢管，管壁厚为1mm，为薄壁吸热管。吸热管的外表面涂覆有吸收涂层6，吸收涂层6采用CuO涂层，用来最大限度的吸收太阳光谱能量。吸收涂层6对短波区段太阳光的吸收率较高，而在本体的长波区段其发射率较低，从而使管屏吸收尽量多的太阳辐射短波段热流，而抑制自身向环境发射的长波段热辐射，由此减少热损失。

作为本实施例的变换，吸热管的壁厚也可以做成2mm，为厚壁吸热管。

本发明中，多个吸热管形成的管屏为V形，相比于圆弧形管屏或其他形状的管屏，三角形管屏内部的受光面积大、经二次反射的漏光少，因而光学效率高，热量损失小；再加上选择性吸收涂层6以及设置的保温层3，能够实现对太阳辐射能的高效收集。

作为本实施例的变换，吸热管的外表面沿径向还可以增设有肋片，以加强传热效果。

增加玻璃盖板8可以减小外部空气进入外壳内运动，抑制多个吸热管形成的管屏与外部的空气的对流换热。玻璃盖板8为采用透光率91.5％以上的高透光率的超白玻璃，保证经反射镜列反射的太阳光尽量进入腔体吸收器内，玻璃盖板8具有活动三角板7，外壳2在开有方形开口4的一边为与外壳侧面相垂直的折边，玻璃盖板8嵌装在外壳2的折边与活动三角板7之间，通过外壳2的折边与活动三角板7相夹紧。

作为本实施例的变换，外壳2的材质也可以采用钢；保温填料可以选用矿渣棉或者超细玻璃棉或者微孔硅酸钙；反射镜列9也可以采用其他反射镜面，如抛物槽式反射镜面。

本发明基于线聚焦太阳能集热的蒸汽发生系统示意图如图2所示，包含多3腔体吸收器1以及一个汽包13和一条循环水管14，3腔体吸收器与汽包13相串联，从水进入腔体吸收器到汽包13流体入口这一段为蒸汽发生系统的预热段，汽包13所处的位置为蒸汽发生系统的蒸发段，从汽包13蒸汽出口至末尾腔体吸收器出口这一段为蒸汽发生系统的过热段。

3个腔体吸收器1的结构基本相同，差别只在于吸热管管壁厚度的不同，腔体吸收器的长度一般在5米以内。其中，预热段的腔体吸收器吸收管选用Φ12×1mm薄壁不锈钢管吸热管，过热段的腔体吸收器吸热管选用Φ12×2mm厚壁不锈钢吸热管。吸收器吸热管内水的流态可能为：液态、气液参混、气态；对应地，吸热管可分为预热段、蒸发段和过热段。在预热段，水不断吸收太阳辐射能量，温度沿流向不断升高，直至饱和；在蒸发段，饱和的水继续吸收热量，部分气化，水汽并存；在过热段，吸热管内的水完全气化，且继续吸收太阳辐射热量，温度升高，变为过热蒸汽。

通常，预热段水为液态，吸热管内压力不高，为增强换热，选用Φ12×1薄壁不锈钢管；蒸发段管内压力大且波动剧烈，宜使用抗冲击能力强的汽包13替换吸热管生产蒸汽；过热段蒸汽压力高，但较为稳定，吸热管需选用Φ12×2厚壁不锈钢管，能够承受5MPa以上的压力。汽包13具有水汽分离的作用，分离出来的液态水通过循环水管14返回预热段入口，重新进入第一蒸汽发生器中进行加热。

作为本实施例的变换，该蒸汽发生系统中包含的蒸汽发生器可以根据需要选用多个，多个蒸汽发生器以并联或串联或混联的方式相连接。

作为本实施例的变换，该蒸汽发生系统中包含多个腔体吸收器以及汽包13和循环水管14，多个腔体吸收器与汽包13相串联，从水进入腔体吸收器到汽包13流体入口这一段为蒸汽发生系统的预热段，汽包13所处的位置为蒸汽发生系统的蒸发段，从汽包13蒸汽出口至末尾腔体吸收器出口这一段为蒸汽发生系统的过热段。

多个腔体吸收器结构基本相同，差别只在于吸热管管壁厚度的不同，腔体吸收器的长度一般在5米以内。其中，预热段的腔体吸收器吸收管选用Φ12×1mm薄壁不锈钢管吸热管，过热段的腔体吸收器吸热管选用Φ12×2mm厚壁不锈钢吸热管。

本发明的上述实施例并不是对本发明保护范围的限定，本发明的实施方式不限于此，凡此种种根据本发明的上述内容，按照本领域的普通技术知识和惯用手段，在不脱离本发明上述基本技术思想前提下，对本发明上述结构做出的其它多种形式的修改、替换或变更，均应落在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.基于线聚焦太阳能集热的蒸汽发生器，包括腔体吸收器和反射镜列，其特征在于：所述的腔体吸收器具有外壳，所述外壳在正对反射镜列的一面开有方形开口，并且在正对反射镜列的一面嵌装有玻璃盖板，玻璃盖板盖覆方形开口，所述外壳内设置有吸热管束，吸热管束设置成两排，每一排吸热管束均由多个贴紧设置的吸热管组成，该两排吸热管束形成以方形开口为底边的一个等腰三角形的两个腰，由此两排吸热管束构成开口正对方形开口的V形管屏，吸热管束两端均汇集成一总管，分别作为腔体吸收器的流体入口与出口，所述外壳在吸热管束与外壳内壁之间的区域充满保温填料，形成保温层，所述的蒸汽发生器通过吸热管束和反射镜列吸收太阳的热量，所吸收的热量供给吸热管束内的水，使水变成蒸汽以输送给末端设备。

2.根据权利要求1所述的基于线聚焦太阳能集热的蒸汽发生器，其特征在于：所述的玻璃盖板为超白玻璃，玻璃盖板具有活动三角板，所述外壳在开有方形开口的一边为折边，玻璃盖板嵌装在外壳的折边与活动三角板之间，通过外壳的折边与活动三角板相夹紧。

3.根据权利要求1所述的基于线聚焦太阳能集热的蒸汽发生器，其特征在于：所述外壳的材质为钢或者不锈钢。

4.根据权利要求1所述的基于线聚焦太阳能集热的蒸汽发生器，其特征在于：所述保温填料为矿渣棉或者超细玻璃棉或者微孔硅酸钙。

5.根据权利要求1所述的基于线聚焦太阳能集热的蒸汽发生器，其特征在于：所述吸热管的外表面涂覆有吸收涂层，吸收涂层为CuO涂层，用来最大限度的吸收太阳光谱能量。

6.根据权利要求1所述的基于线聚焦太阳能集热的蒸汽发生器，其特征在于：所述的末端设备为发电装置或者吸收式制冷机。

7.根据权利要求1所述的基于线聚焦太阳能集热的蒸汽发生器，其特征在于：所述的反射镜列为菲涅尔反射镜场或者抛物槽式反射镜面。

8.根据权利要求1至7任一项所述的基于线聚焦太阳能集热的蒸汽发生器，其特征在于：所述吸热管为圆形不锈钢管，管壁厚为1mm或2mm。

9.包含权利要求1至8任一项所述的蒸汽发生器的蒸汽发生系统，其特征在于：所述的蒸汽发生器为多个，多个蒸汽发生器以并联或串联或混联的方式相连接。