CN104729117B - 一种均匀受热的太阳能集热器系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种均匀受热的太阳能集热器系统，包括集热管、反射镜和集热板，相邻的两个集热管之间通过集热板连接，从而使多个集热管和相邻的集热板之间形成管板结构；所述两块管板结构之间形成一定的夹角，所述夹角方向与反射镜的圆弧线结构相对，反射镜的焦点位于管板结构形成的夹角之间。本发明可以保证太阳能的多次反射，保证加热的均匀，达到环保节能的效果。

Description

一种均匀受热的太阳能集热器系统

技术领域

本发明属于太阳能领域，尤其涉及一种太阳能集热器系统。

背景技术

随着现代社会经济的高速发展，人类对能源的需求量越来越大。然而煤、石油、天然气等传统能源储备量不断减少、日益紧缺，造成价格的不断上涨，同时常规化石燃料造成的环境污染问题也愈加严重，这些都大大限制着社会的发展和人类生活质量的提高。能源问题已经成为当代世界的最突出的问题之一。因而寻求新的能源，特别是无污染的清洁能源已成为现在人们研究的热点。

太阳能在吸热过程中，会产生局部过热加热不均匀的现象，造成局部过热，在集热管中过热沸腾，影响太阳能的吸收，同时减少了集热管的寿命，同时在吸热过程中，因为集热管的设置问题以及运行中使用问题，造成焦点的偏移，造成一部分太阳能没有充分利用，造成热量损失。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种新的太阳能集热器系统，从而有效的利用太阳能。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种太阳能集热器系统，包括集热管、反射镜和集热板，相邻的两个集热管之间通过集热板连接，从而使多个集热管和相邻的集热板之间形成管板结构；所述两块管板结构之间形成一定的夹角，所述夹角方向与反射镜的圆弧线结构相对，反射镜的焦点位于管板结构形成的夹角之间。

作为优选，反射镜的焦点位于两块管板结构最低端连线的中点上。

作为优选，反射镜的圆弧线直径为R，每块管板结构的长度为R1，集热管的直径为R2，同一管板结构上相邻集热管的圆心的距离为L，两块管板之间的夹角为a，则满足如下公式：

R1/R＝c*sin(a/2)^b，

0.18<R2/L<0.34，

其中c，b为系数，0.39<c<0.41,0.020<b<0.035；

0.38<R1/R<0.41，80°<＝a<＝150°，450mm<R1<750mm,1100mm<R<1800mm,

90mm<L<150mm,20mm<＝R2<50mm。

作为优选，c＝0.4002，b＝0.0275。

作为优选，随着夹角a的增加，c、b的系数逐渐变大。

一种太阳能集热器系统，包括集热管、反射镜和集热板，相邻的两个集热管之间通过集热板连接，从而使多个集热管和相邻的集热板之间形成管板结构；管板结构表面涂敷吸热层，所述吸热层从管板结构内向外依次包括过渡层、红外反射涂层、吸热涂层、减反射涂层和保护层，其中过渡层、红外反射涂层、吸热涂层、减反射涂层和保护层的厚度的分别是0.03um、0.23um、0.77um、0.15um、0.12um；所述过渡层是通过中频反应磁控溅射方法沉积金属Al、Si与N形成的化合物的过渡层；所述红外反射涂层从内向外为W、Cr、Ag三层，三层的厚度比例为9:4：7；吸热涂层从内向外依次包括Cr、Nb、Zr、NbN、Cr₂O₃五层，五层的厚度比例为9:7:4：4：5；减反射涂层从内向外依次是AlN、TiO₂、Nb₂O₅、Al₂O₃、和Si₃N₄五层，其中五层的厚度比例为3:6:8:9:2；保护层的成分与过渡层相同。

一种太阳能集热器系统，包括集热管、反射镜和集热板，相邻的两个集热管之间通过集热板连接，从而使多个集热管和相邻的集热板之间形成管板结构；集热器的集热管的材料为铜铝合金，所述铜铝合金的组分的质量百分比如下：3.9％Cr，3.6％Ag，2.6％Mn，3.25％Zr，2.3％Ce，1.5％Ti，2.36％Si，其余为Cu、Al，Cu、Al的比例为3.23:2.18。

与现有技术相比较，本发明具有如下的优点：

1)使得太阳能集热板吸热均匀，避免局部过热。

2)避免了因为焦点偏移造成的太阳能热量损失，加大了太阳能的吸收力度，提高了吸收率；

3)本发明通过多次试验，得到一个最优的太阳能集热器优化结果，并且通过试验进行了验证，从而证明了结果的准确性。

4)本发明对吸热层的材料和厚度进行精心的选择和实验，以达到最好的吸热的技术效果。

附图说明

图1是太阳能集热器系统的截面示意图

图2是太阳能集热管的结构截面示意图

图3是太阳能集热器系统的截面示意图

图4是集热管的顶部示意图

附图标记如下：

1反射镜，2集热管，3集热板，4集箱，5集箱，6集热器入水管，7集热器出口管

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

如图1所示，一种太阳能集热器系统，包括集热管2、反射镜1和集热板3，相邻的两个集热管2之间通过集热板3连接，从而使多个集热管2和相邻的集热板3之间形成管板结构；所述太阳能集热器系统包括两块管板结构，所述两块管板结构之间形成一定的夹角a，如图2所示，所述夹角方向与反射镜的圆弧线结构弯曲的方向相对，反射镜1的焦点D位于管板结构形成的夹角a之间。

传统的集热器都是将集热管直接设置在焦点上，一旦位置发生偏移，则热量就不会集热到集热管中，通过上述结构，太阳光照射在反射镜1，通过反射镜1反射到管板结构，将热量集热到管板结构中的集热管2中。通过这种结构，即使因为安装或者运行问题导致管板结构位置发生改变，则太阳能依然会集热到集热管2中，从而避免热量损失；同时因为传统的集热器都是将集热管直接设置在焦点上，造成集热管局部过热，造成集热管局部损失过大，寿命过短，甚至造成集热管内部过热，产生过热蒸汽，充满整个集热管，造成集热管内部压力过大，损坏集热管，而采取本申请的结构，既可以将热量充分的吸收，又可以将热量相对的分散，避免热量过于集中，使得整体集热管吸热均匀，延长集热管的使用寿命。

作为一个优选，反射镜1的焦点D位于两块管板结构最低端连线的中点上。通过上述设置，可以保证最大程度上吸收太阳能，避免太阳能因为焦点偏移而损失，同时还能保证板状结构尽量可能减少遮挡的照射在反射镜1上的阳光。通过实验证明，采用上述结构，太阳能吸收的效果最好。

在实践中发现，集热管2的管径不能过大，如果管径过大，则集热管2中的水不能进行充分的加热，导致加热效果很差，反之管径过小，则集热管中的水会过热，同理，对于集热管2之间的距离也满足要求，如果集热管2之间的距离过大，则集热管2中的水的体积过小，会导致水过热，同样，如果集热管2之间的距离过小，则集热管分布太密，造成集热管2内的水无法达到预定的问题，或者必须需要更多的额外的辅助加热工具；对于管板结构的长度，也满足一定要求，如果管板结构太长，则会遮挡住过多的照射到反射镜1的阳光，造成集热器吸收阳光的热量减少，造成达到理想的加热情况，如果管板结构的长度过小，则造成过多的太阳能集热到小面积的集热管上，造成集热管受热集中，而且还会造成一部分集热的太阳能直接没有集热到集热管中，而是直接反射到外部；对于夹角a，同样的原理，如果夹角过大，则在反射镜上部展开对面积过大，则会遮挡住过多的照射到反射镜1的阳光，如果夹角面积过小，则会出现一部分集热的太阳能直接没有集热到集热管中，而是直接反射到外部，造成热量的损失。因此对于管板结构的长度、集热管内径、集热管之间的距离、管板结构之间的夹角、圆弧线半径满足如下关系：

反射镜的圆弧线半径为R，每块管板结构的长度为R1，集热管的半径为R2，同一管板结构上相邻集热管的圆心的距离为L，两块管板之间的夹角为a，则满足如下公式：

R1/R＝c*sin(a/2)^b，

0.18<R2/L<0.34，

其中c，b为系数，0.39<c<0.41,0.020<b<0.035；

0.38<R1/R<0.41，80°<＝A<＝150°，450mm<R1<750mm,1100mm<R<1800mm,

90mm<L<150mm,20mm<＝R2<50mm。

作为优选，c＝0.4002，b＝0.0275。

作为优选，随着夹角a的增加，c、b的系数逐渐变大。这样更加满足实际工作的需要。

作为优选，管板结构的下壁面(与反射镜1相对的面)上设置用于强化传热的凸起，以加强对太阳能的吸收。沿着管板结构的中部(即最高位置)向两边最低位置(即图1集热管A向B、C方向)延伸方向上，集热管的下壁面的凸起高度越来越高。在实验中发现，从中部向两侧延伸，吸热量逐渐升高，通过分析主要原因是因为有管板结构的阻挡，导致中部受热最少，而从中部向两边延伸，吸收热量逐渐升高。通过凸起高度的不断的升高，可以使得整个集热管中水的受热均匀，避免两侧温度过高而中间温度过低。这样也可以避免中间的集热管的材料长期在高温下容易损坏，可以保持整个集热管的温度均匀，延长使用寿命。

作为优选，沿着两块管板结构的连接位置(即管板结构的中部)向两边(即图1集热管A向B、C方向)延伸，集热管的下壁面的凸起密度越来越高。主要原因是中部受热最少，而从中部向两边延伸，吸收热量逐渐升高。通过凸起密度的不断的升高，可以使得整个集热管中水的受热均匀，避免中间温度过低而两侧温度过高。这样也可以避免中间的集热管的材料长期在高温下容易损坏，可以保持整个集热管的温度均匀，延长使用寿命。

作为优选，集热管2的内壁可以设置翅片，例如可以设置直翅片或者螺旋翅片，不同集热管的内的翅片高度不同，沿着两块管板结构的连接位置(即管板结构的中部)向两边(即图1集热管A向B、C方向)延伸，翅片的高度逐渐减少。主要原因是与前面设置凸起的原因相同。

管板结构表面涂敷吸热层，所述吸热层从管板结构内向外依次包括过渡层、红外反射涂层、吸热涂层、减反射涂层和保护层，其中过渡层、红外反射涂层、吸热涂层、减反射涂层和保护层的厚度的分别是0.03um、0.23um、0.77um、0.15um、0.12um；所述过渡层是通过中频反应磁控溅射方法沉积金属Al、Si与N形成的化合物的过渡层；所述红外反射涂层从内向外为W、Cr、Ag三层，三层的厚度比例为9:4：7；吸热涂层从内向外依次包括Cr、Nb、Zr、NbN、Cr₂O₃五层，三层的厚度比例为9:7:4：4：5；减反射涂层从内向外依次是AlN、TiO₂、Nb₂O₅、Al₂O₃、和Si₃N₄五层，其中五层的厚度比例为3:6:8:9:2；保护层的成分与过渡层相同。

上述各层中，通过加大吸热涂层的厚度比例，减少红外反射层和减反射层的厚度，可以极大的增加了对太阳能的吸收，同时，通过调整红外反射层和减反射层的各层的材料的厚度比例，也能够实现降低对太阳光的反射的程度。

上述的尺寸比例是通过近百种不同的厚度比例试验得来的最佳的结果。通过实验，对于采用上述吸收涂层中各独立层的成分及厚度，可以使制备的吸收涂层的吸收比大于0.945，并实现0.042以下的低发射率。

对于上述涂层的制造方法，可以使用本领域经常采用的真空磁控溅射镀膜工艺制备。

对于集热器的具体结构，参见图4所示，所述的集热器包括集箱4、5，集热管2连接两个集箱4、5。当然，集箱的形状应该如图1所示，在中部呈一定的角度，与图1中的集热管相对应，图4没有展示，仅仅是示意图。所述集箱4上设置集热器入水管5、集箱5上设置加热器出水管6。作为优选，集热器入水管5和集热器出水管6设置在顶部A的最高位置处，这样可以保证集箱中的水从上部向下部流动，保证水的均匀分配。否则，上部集热管中的水分配量太少，造成局部过热。

作为优选，只在管板结构的下部设置吸热层，对于管板机构的上部，设置太阳能电池板，这样，可以实现将一部分热量用于发电，一部分热量用于加热，实现加热和发电的双重需要。

作为优选，集热器的集热管的材料为铜铝合金，所述铜铝合金的组分的质量百分比如下：3.9％Cr，3.6％Ag，2.6％Mn，3.25％Zr，2.3％Ce，1.5％Ti，2.36％Si，其余为Cu、Al，Cu、Al的比例为3.23:2.18。

铜铝合金的制造方法为：采用真空冶金熔炼，氩气保护浇注成圆坯，经过800℃均匀化处理，在630℃，采用热挤压成棒材，然后再经过556℃固溶淬火后，在220℃进行人工时效处理。合金的抗拉强度：室温≥540MPa，200℃≥420MPa，300℃≥-250MPa。

经测试，上述合金具有很高的导热系数和耐热性。

作为优选，集热器的出水管连接热利用装置，所述热利用装置为蓄热水箱，所述蓄热水箱外部设置保温层，所述保温层包括真空绝热保温板，所述真空绝热保温板包括芯材和高阻气复合膜，通过抽真空的方式用高阻气复合膜包覆芯材，形成真空绝热保温板。从水箱外壁面向外延伸的方向，所述芯材至少包括多层无机纤维层，所述多层无机纤维层是多层堆叠或者通过粘结剂多层连接，所述多层无机纤维层中的至少两层的无机纤维层的密度或成分不同。

作为优选，其中芯材包括覆盖无机纤维层表面的靠近水箱壁部的内层区和/或位于无机纤维层外部的外层区。

作为优选，内层区和/或外层区由硅酸铝纤维板、离心玻璃棉板、岩棉板、纺织纤维板、废纸浆板中的一种或多种制成。

作为优选，无机纤维层的层数为30-130层。进一步优选为50-80层。

作为优选，无机纤维的密度为10-300kg/m³。

作为优选，任意相邻两层的无机纤维层的密度或成分不相同。

作为优选，沿着内部往外，无机纤维层的密度增加。通过实验证明，密度依次增加所带来的隔热效果更好，能够达到较优化的隔热效果，能够提高10％左右的隔热效果。

作为优选，沿着内部往外，无机纤维层的密度依次增加的幅度越来越小。通过实验证明，无机纤维层的密度依次增加幅度越来越小所带来的隔热效果更好，能够达到更优的隔热效果。

作为优选，其中密度大的层和密度小的层交替放置。通过实验证明，此种放置隔热效果很好，能够提高7.3％以上的隔热效果。作为优选，密度大的层的密度为100-300kg/m³，密度小的密度为10-100kg/m³，选择此条件下的密度会达到更优的绝热效果。

作为优选，超细玻璃棉纤维板，体积密度为10kg/m³-100kg/m³，厚度为1mm-9mm。

硅酸铝纤维板体积密度为20kg/m³-200kg/m³，优选50-100m³，厚度为1mm-9mm。

离心玻璃棉板体积密度为20kg/m³-150kg/m³，优选50-100m³，厚度为2mm-25mm。

岩棉板体积密度为30kg/m3-200kg/m³，优选70-130m³，厚度为3mm-35mm。

作为优选，所述的无机纤维层是玻璃棉纤维板、硅酸铝纤维板、离心玻璃棉板、岩棉板、废纸浆、纺织纤维板中两种以上交替设置。

举例如下：

用厚度1mm硅酸铝纤维板(30kg/m³)和厚度3mm硅酸铝纤维板(50kg/m³)交替叠放直至1.2cm，得到真空绝热板芯材。

或者用厚度1mm硅酸铝纤维板(100kg/m³)和厚度2mm陶瓷纤维板(70kg/m³)交替叠放直至1.5cm，得到真空绝热板芯材。

或者用厚度1mm硅酸铝纤维板和2mm陶瓷纤维板及2mm离心玻璃棉板交替叠放直至2cm，得到真空绝热板芯材。

或者用1mm硅酸铝纤维板和3mm陶瓷纤维板、2mm岩棉板交替叠放直至3cm，得到真空绝热板芯材。

或者用1mm硅酸铝纤维板和3mm陶瓷纤维板、3mm离心玻璃棉板、3mm岩棉板交替叠放直至3cm，得到真空绝热板芯材。

虽然本发明已以较佳实施例披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims (3)

1.一种太阳能集热器系统，包括集热管、反射镜和集热板，相邻的两个集热管之间通过集热板连接，从而使多个集热管和相邻的集热板之间形成管板结构；所述管板结构为两块；两块管板结构之间形成一定的夹角，所述夹角方向与反射镜的圆弧线结构相对，反射镜的焦点位于管板结构形成的夹角之间；

反射镜的焦点位于两块管板结构最低端连线的中点上；

反射镜的圆弧线半径为R，每块管板结构的长度为R1，集热管的半径为R2，同一管板结构上相邻集热管的圆心的距离为L，两块管板结构之间的夹角为a，则满足如下公式：

R1/R＝c*sin(a/2)^b，

0.18<R2/L<0.34，

其中c，b为系数，0.39<c<0.41,0.020<b<0.035；

0.38<R1/R<0.41，80°<＝A<＝150°，450mm<R1<750mm,1100mm<R<1800mm,

90mm<L<150mm,20mm<＝R2<50mm。

2.根据权利要求1所述的太阳能集热器系统，其特征在于，c＝0.4002，b＝0.0275。

3.根据权利要求1所述的太阳能集热器系统，其特征在于，随着夹角a的增加，c、b的系数逐渐变大。