CN104729127B - 偏心内聚光真空集热管及其集热方法 - Google Patents
偏心内聚光真空集热管及其集热方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供一种偏心内聚光真空集热管及其集热方法，集热管包括外玻璃罩管(1)、金属吸热内管(2)和聚光镜(3)；金属吸热内管(2)同轴向设置于外玻璃罩管(1)的内部，并且，金属吸热内管(2)的轴心偏离外玻璃罩管(1)的轴心；聚光镜(3)设置于外玻璃罩管(1)和金属吸热内管(2)之间形成的腔体中。阳光通过复合抛物面聚光镜的反射，在接收半角以内入射的光线全部以反射的形式送到外玻璃罩管偏心位置的金属吸热内管上，为提高光能的输入提供理论依据。通过复合抛物面聚光镜，偏心金属吸热内管不仅可以接收直射光，也接收一部分散射光，有效增加光热转换效率，提高太阳能利用率。
Description
技术领域
本发明属于集热管集热技术领域，具体涉及一种偏心内聚光真空集热管及其集热方法。
背景技术
太阳能是一种绿色可再生能源，太阳能的高效利用使人类社会进入一个节约能源减少污染的时代。根据2013年统计数据，我国太阳能热水器总产量为6600万m2，约占世界的80％以上；保有量31000万m2，占世界的60％以上。但目前太阳能热利用仍以低温热利用为主，主要用于洗浴用水的加热，极少部分用于低温干燥领域。研究太阳能中温热能的工业利用，开发太阳能中温集热产品是经济社会和技术发展的需要，是非常必要的。
在太阳能热利用领域，集热器可分为非聚光型集热器和聚光型集热器，从而对应着聚光型和非聚光型两种不同的真空集热管。
普通非聚光型太阳能集热器的全年平均集热温度大都在50℃左右，均是蓄热使用，一般满足洗浴和部分生活热水需求。而由于工业用热范围基本在80℃～250℃，因此，常规的非聚光型太阳能集热器很难满足工业用热需求。
聚光型太阳能集热器，由于可以有效提高太阳能集热系统的集热温度和储热温度，比较容易满足250℃以下的工业用热要求。
聚光型集热器又分为外聚光型集热器和内聚光型集热器两种：(1)外聚光型集热器：外聚光型集热器的聚光板暴露于空气中，容易积灰和氧化，使聚光率下降，具有一定的使用局限性；另外，外聚光型集热器必须配备太阳能跟踪装置，从而增加了集热器成本。(2)内聚光型集热器：内聚光型集热器是将聚光板部分置于真空集热管内部而不是简单暴露于空气中的集热装置，但是，目前市场上的内聚光型集热器存在边缘光线利用率低、采光角度小、聚焦小等各种缺点，仍然具有一定的使用局限性。
因此，设计一种集热效率高、成本低以及结构简单的真空集热管，具有重要意义。
发明内容
针对现有技术存在的缺陷，本发明提供一种偏心内聚光真空集热管及其集热方法，可有效解决上述问题。
本发明采用的技术方案如下：
本发明提供一种偏心内聚光真空集热管，包括：外玻璃罩管(1)、金属吸热内管(2)和聚光镜(3)；
金属吸热内管(2)同轴向设置于外玻璃罩管(1)的内部，并且，金属吸热内管(2)的轴心偏离外玻璃罩管(1)的轴心；
聚光镜(3)设置于外玻璃罩管(1)和金属吸热内管(2)之间形成的腔体中。
优选的，聚光镜(3)为复合抛物面聚光镜，包括对称的左抛物面和右抛物面、以及分别沿左抛物面和右抛物面向上形成的左渐开线和右渐开线组成；其中，左抛物面和右抛物面的相交线位于金属吸热内管(2)的正下方，并且，相交线与金属吸热内管的底部固定；左渐开线的顶部和右渐开线的顶部均与外玻璃罩管(1)的内壁接触。
优选的，真空集热管的两端，通过左支撑配合安装件和右支撑配合安装件组装；真空集热管的内部，采用弹簧卡子支撑固定聚光镜(3)。
优选的，外玻璃罩管(1)开设有与外玻璃罩管(1)内壁相通的抽真空排气嘴(11)。
优选的，还包括至少一个吸气剂；吸气剂放置于外玻璃罩管(1)和金属吸热内管(2)之间形成的腔体中，用于维持外玻璃罩管(1)和金属吸热内管(2)之间腔体的真空度。
优选的，外玻璃罩管(1)的内壁镀有增透膜；外玻璃罩管(1)的材质为高硼硅玻璃；金属吸热内管(2)为铜管、不锈钢管或铝合金管；聚光镜(3)为镜面铝材质，厚度为0.3～1.2mm；外玻璃罩管(1)的直径为金属吸热内管(2)直径的8～12倍。
优选的，金属吸热内管(2)为直通管或U型管；金属吸热内管(2)的外表面镀有吸收膜。
本发明还提供一种偏心内聚光真空集热管的集热方法，包括以下步骤：
S1，在外玻璃罩管(1)的内部同轴非同心设置金属吸热内管(2)，并在外玻璃罩管(1)和金属吸热内管(2)之间形成的腔体中设置聚光镜(3)；
S2，太阳光透过外玻璃罩管(1)后照射到聚光镜(3)，聚光镜(3)将接收半角以内入射的光线全部以反射的形式反射至位于外玻璃罩管(1)偏心位置的金属吸热内管(2)。
本发明提供的偏心内聚光真空集热管及其集热方法具有以下优点：具有集热效率高、成本低、结构简单以及不易积灰和氧化的优点，因此，是一款能够广泛应用在工业生产过程中的中高温太阳能集热产品。
附图说明
图1为本发明提供的偏心内聚光真空集热管的横截面图；
图2为本发明提供的偏心内聚光真空集热管的横截面简化图；
图3为本发明提供的偏心内聚光真空集热管的纵截面图。
具体实施方式
以下对照附图均以偏心内聚光真空集热管为例，结合具体实施方式描述，对本发明的偏心内聚光真空集热管结构作进一步说明。但本发明的实施例仅仅是对本专利的实施方式进行的描述，并非对偏心集热管产品范围进行界定，在不脱离本专利设计精神的前提下，本领域工程技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形或改进，尺寸规格的更改，均应落入本专利的权利要求书确定的保护范围之内。
针对传统的全玻璃太阳能真空集热管只能用于低温热水的不足，以及外聚光集热器的聚光板暴露于空气中，容易积灰和氧化，聚光率低下等缺点，本发明提供了一种偏心内聚光真空集热管及其集热方法，具体的，结合图1、图2和图3，偏心内聚光真空集热管包括：外玻璃罩管1、金属吸热内管2和聚光镜3；
金属吸热内管2同轴向设置于外玻璃罩管1的内部，并且，金属吸热内管2的轴心偏离外玻璃罩管1的轴心；聚光镜3设置于外玻璃罩管1和金属吸热内管2之间形成的腔体中；其中，聚光镜3聚光效果复合光学反射的设计理论，采用复合抛物面聚光镜，包括对称的左抛物面和右抛物面、以及分别沿左抛物面和右抛物面向上形成的左渐开线和右渐开线组成；其中，左抛物面和右抛物面的相交线位于金属吸热内管2的正下方，并且，相交线与金属吸热内管的底部固定；左渐开线的顶部和右渐开线的顶部均与外玻璃罩管1的内壁接触。
实际应用中，外玻璃罩管1开设有与外玻璃罩管1内壁相通的抽真空排气嘴11，在排气工艺中，通过抽真空排气嘴，将集热管内的空气抽出。集热管的管内抽真空，通过真空减少金属吸热内管得到的热量通过集热管内部气体对流和传导造成的热损失，使得热量绝大部分通过金属吸热内管内的工质传出集热管，使集热器的集热效率得到保证。
还包括至少一个吸气剂，例如，1-2个吸气剂；吸气剂放置于外玻璃罩管1和金属吸热内管2之间形成的腔体中，用于长久维持外玻璃罩管1和金属吸热内管2之间腔体的真空度。
本发明中，外玻璃罩管1的内壁镀有增透膜，增加玻璃的透光率；外玻璃罩管1的材质为高硼硅玻璃；金属吸热内管2为铜管、不锈钢管或铝合金管，外表面镀吸收膜，提高金属吸热内管对光的吸收率。聚光镜3由反射率较高的镜面铝加工，厚度为0.3～1.2mm；外玻璃罩管1的直径为金属吸热内管2直径的8～12倍，便于聚光镜的集热和聚光参数匹配。
本发明中，巧妙的在外玻璃罩管1的内部同轴非同心设置金属吸热内管2，并在外玻璃罩管1和金属吸热内管2之间形成的腔体中设置聚光镜3；太阳光透过外玻璃罩管1后照射到聚光镜3，聚光镜3将接收半角以内入射的光线全部以反射的形式反射至位于外玻璃罩管1偏心位置的金属吸热内管2，可以得到120～180℃的中温效果，集热效率也显著提高，能够广泛应用在工农业生产领域。可见，外玻璃罩管1内偏心位置的金属吸热内管不仅可以接收直射光，也接收一部分散射光，有效增加光热转换效率。
此外，真空集热管的两端，通过左支撑配合安装件和右支撑配合安装件组装；真空集热管的内部，采用弹簧卡子支撑固定聚光镜3。对于左支撑配合安装件和右支撑配合安装件的具体结构形式，本发明并不限制，凡是能够将外玻璃罩管1、金属吸热内管2和聚光镜3装配到一起的安装件，均在本发明保护范围之内，以下仅介绍一种具体的支撑配合安装件的结构形式：
参考图1-2，左支撑配合安装件和右支撑配合安装件为对称结构，均包括：偏心法兰盲板5、波纹管6、偏心法兰盲板内孔折边7和聚光镜第1固定架8；其中，偏心法兰盲板5设置有与金属吸热内管2外径配合的偏心法兰盲板内孔，金属吸热内管2从偏心法兰盲板内孔穿出；并且，偏心法兰盲板内孔的外侧设置有偏心法兰盲板内孔折边7，金属吸热内管2通过偏心法兰盲板内孔折边7与偏心法兰盲板5固定；此外，偏心法兰盲板5的外壁与波纹管6的一端密封固定，波纹管6的另一端与外玻璃罩管1的端口截面密封固定，使外玻璃罩管1和金属吸热内管2之间形成封闭腔体；偏心法兰盲板5的内壁设置两个用于支撑固定聚光镜3的聚光镜第1固定架8。通过波纹管，可缓解金属吸热内管和外玻璃罩管在纵轴和横轴方向的膨胀不匹配问题。
此外，为对聚光镜进行更为稳定的支撑固定，还包括至少一个聚光镜支撑支架4；聚光镜支撑支架4设置于聚光镜3的下方，用于支撑固定聚光镜3。参考图2，聚光镜支撑支架4由多段直线折合而成，包括：水平支撑段41、从水平支撑段41向左上方延伸的第1支撑段和从水平支撑段41向右上方延伸的第2支撑段；第1支撑段和第2支撑段相对于水平支撑段41为对称结构；其中，第1支撑段包括：首尾相接的斜下直线段42、第1斜上直线段43、第2斜上直线段44和第3斜上直线段45；其中，斜下直线段42的顶端与水平支撑段41的左端一体成形，且与聚光镜3的底壁接触；斜下直线段42的底端与第1斜上直线段43的底端一体成形，且与外玻璃罩管1的内壁接触；第1斜上直线段43的顶端和第2斜上直线段44的底端一体成形，且与聚光镜3的底壁接触；第2斜上直线段44的顶端和第3斜上直线段45的底端一体成形，且与外玻璃罩管1的内壁接触；外玻璃罩管1和聚光镜3的左上端的交点与第3斜上直线段45的顶端接触。
另外，还包括聚光镜第2固定架9；聚光镜第2固定架9固定在偏心法兰盲板5的背面，并且，位于偏心法兰盲板内孔的下方。
通过聚光镜第1固定架、聚光镜支撑支架4和聚光镜第2固定架9，实现全面对聚光镜支撑固定作用。
由此可见，本发明集热得到的偏心内聚光真空集热管不同于普通的非聚光全玻璃真空集热管，内聚光真空集热管的外玻璃罩管与金属吸热内管不同心，内外管纵轴平行，集热管内的金属吸热内管由直通管或U型管两种形式。本发明附图3以直通管为例。在真空集热管的中间设置一到两个聚光镜支撑支架，可采用金属弹簧支架，将金属吸热内管与聚光镜一起支撑，通过该种布置形式，可有效提高真空集热管的集热效率。
本发明还提供一种偏心内聚光真空集热管的集热方法，包括以下步骤：
S1，在外玻璃罩管1的内部同轴非同心设置金属吸热内管2，并在外玻璃罩管1和金属吸热内管2之间形成的腔体中设置聚光镜3；
S2，在聚光镜3的下方设置聚光镜支撑支架4，通过聚光镜支撑支架4而支撑固定聚光镜3；
S3，然后，在金属吸热内管2的左右两端分别安装支撑配合安装件；
其中，支撑配合安装件的安装方法为：
S3.1，支撑配合安装件包括偏心法兰盲板5和波纹管6；偏心法兰盲板5设置有与金属吸热内管2外径配合的偏心法兰盲板内孔，使聚光镜3穿过偏心法兰盲板5的内孔；并且，聚光镜3的端部由固定在偏心法兰盲板5背面的聚光镜第1固定架8固定；同时，通过固定在偏心法兰盲板5内孔下方的聚光镜第2固定架9确定聚光镜3的上下位置；然后，将金属吸热内管2通过偏心法兰盲板内孔折边7与偏心法兰盲板5固定；
S3.2，偏心法兰盲板5的内壁放置至少一个吸气剂；偏心法兰盲板5的外壁与波纹管6的一端密封固定，波纹管6的另一端与外玻璃罩管1的端口截面密封固定，使外玻璃罩管1和金属吸热内管2之间形成封闭腔体；
S4，在外玻璃罩管1开设有抽真空排气嘴11，在排气工艺中，通过抽真空排气嘴11，将外玻璃罩管1和金属吸热内管2之间形成的封闭腔体的空气抽出，使封闭腔体为真空状态；然后，将真空排气嘴11融化密封；通过吸气剂，维持封闭腔体的真空状态；
S5，太阳光照射到聚光镜3，聚光镜3将接收半角以内入射的光线全部以反射的形式反射至位于外玻璃罩管1偏心位置的金属吸热内管2。
本发明提供的偏心内聚光真空集热管及其集热方法，是在传统CPC集热管的基础上，利用光线追踪原理模拟计算光学效率，同时根据边缘光线原理，对聚光抛物面进行优化设计，金属吸热内管和外玻璃罩管之间呈偏心位置，阳光通过复合抛物面聚光镜的反射，在接收半角以内入射的光线全部以反射的形式送到外玻璃罩管偏心位置的金属吸热内管上，为提高光能的输入提供理论依据。通过复合抛物面聚光镜，偏心金属吸热内管不仅可以接收直射光，也接收一部分散射光，有效增加光热转换效率，提高太阳能利用率。
通过由该真空集热管组成的集热器，可以产生120～180℃的蒸汽或高压水，从而可以将太阳能广泛地应用在工业中温生产领域，提高太阳能利用率。还具有集热效率高、成本低、结构简单以及不易积灰和氧化的优点，因此，是一款能够广泛应用在工业生产过程中的中高温太阳能集热产品。
以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视本发明的保护范围。
Claims (1)
1.一种偏心内聚光真空集热管的集热方法，其特征在于，偏心内聚光真空集热管包括：外玻璃罩管(1)、金属吸热内管(2)和聚光镜(3)；
金属吸热内管(2)同轴向设置于外玻璃罩管(1)的内部，并且，金属吸热内管(2)的轴心偏离外玻璃罩管(1)的轴心；
聚光镜(3)设置于外玻璃罩管(1)和金属吸热内管(2)之间形成的腔体中；
聚光镜(3)为复合抛物面聚光镜，包括对称的左抛物面和右抛物面、以及分别沿左抛物面和右抛物面向上形成的左渐开线和右渐开线；其中，左抛物面和右抛物面的相交线位于金属吸热内管(2)的正下方，并且，相交线与金属吸热内管的底部固定；左渐开线的顶部和右渐开线的顶部均与外玻璃罩管(1)的内壁接触；
外玻璃罩管(1)开设有与外玻璃罩管(1)内壁相通的抽真空排气嘴(11)；
偏心内聚光真空集热管的集热方法包括以下步骤：
S1，在外玻璃罩管(1)的内部同轴非同心设置金属吸热内管(2)，并在外玻璃罩管(1)和金属吸热内管(2)之间形成的腔体中设置聚光镜(3)；
S2，太阳光透过外玻璃罩管(1)后照射到聚光镜(3)，聚光镜(3)将接收半角以内入射的光线全部以反射的形式反射至位于外玻璃罩管(1)偏心位置的金属吸热内管(2)；
其中，真空集热管的两端，通过左支撑配合安装件和右支撑配合安装件组装；真空集热管的内部，采用弹簧卡子支撑固定聚光镜(3)；
其中，左支撑配合安装件和右支撑配合安装件为对称结构，均包括：偏心法兰盲板(5)、波纹管(6)、偏心法兰盲板内孔折边(7)和聚光镜第1固定架(8)；其中，偏心法兰盲板(5)设置有与金属吸热内管(2)外径配合的偏心法兰盲板内孔，金属吸热内管(2)从偏心法兰盲板内孔穿出；并且，偏心法兰盲板内孔的外侧设置有偏心法兰盲板内孔折边(7)，金属吸热内管(2)通过偏心法兰盲板内孔折边(7)与偏心法兰盲板(5)固定；此外，偏心法兰盲板(5)的外壁与波纹管(6)的一端密封固定，波纹管(6)的另一端与外玻璃罩管(1)的端口截面密封固定，使外玻璃罩管(1)和金属吸热内管(2)之间形成封闭腔体；偏心法兰盲板(5)的内壁设置两个用于支撑固定聚光镜(3)的聚光镜第1固定架(8)；通过波纹管，可缓解金属吸热内管和外玻璃罩管在纵轴和横轴方向的膨胀不匹配问题；
还包括至少一个吸气剂；吸气剂放置于外玻璃罩管(1)和金属吸热内管(2)之间形成的腔体中，用于维持外玻璃罩管(1)和金属吸热内管(2)之间腔体的真空度；
其中，外玻璃罩管(1)的内壁镀有增透膜；外玻璃罩管(1)的材质为高硼硅玻璃；金属吸热内管(2)为铜管、不锈钢管或铝合金管；聚光镜(3)为镜面铝材质，厚度为0.3～1.2mm；外玻璃罩管(1)的直径为金属吸热内管(2)直径的8～12倍；
其中，金属吸热内管(2)为直通管或U型管；金属吸热内管(2)的外表面镀有吸收膜。
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