CN105042889B - 一种基于吸光沸腾的聚光加热装置及其聚光改善方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于纳米吸光沸腾的太阳能聚光加热装置及其聚光改善方法，本发明装置包括出汽口、隔热聚光器、沸腾池、吸光材料、给水口、待加热水；隔热聚光器与蒸馏池上端面密封连接；沸腾池顶端设出汽口，下端设给水口；待加热水经给水口进沸腾池；沸腾池内的待加热水上覆盖吸光材料；入射光经隔热聚光器汇聚后，投射到吸光材料；隔热聚光器包括抽气孔、平面透光镜、真空隔层、聚光透镜、疏水镀层；平面透光镜与聚光透镜密封形成真空隔层；聚光透镜表面镀疏水镀层；隔热聚光器兼具隔热和聚光两大功能，利用真空隔层防止蒸汽散热，减少冷凝；利用疏水镀层防止水滴附着，改善聚光效率并提高系统集热效率。
Description
技术领域
本发明属于太阳能聚光加热领域，涉及一种基于吸光沸腾的聚光加热装置及其聚光改善方法。
背景技术
太阳能因具有取之不尽、用之不竭、清洁无污染等优点，成为新能源领域最受关注的技术，太阳能热利用是应用最为广泛的太阳能利用方式，随着太阳能集热技术发展，在技术经济性上，太阳能热利用技术与常规能源相比具有很大竞争优势。
现有的太阳能光热转化技术主要采用的是利用聚光器将太阳光聚焦到接收器（集热管、集热腔）上，加热接收器对工质进行间接加热，最终产生高品位热能加以利用。目前，一种利用吸光纳米材料的进行吸光对局部工质进行直接加热的太阳能光热新方法受到越来越多的关注，该方法具有响应快、效率高等优点。然而，在实际利用过程中，利用该方法进行加热的过程中，由于聚光透镜如果与蒸汽直接接触，容易再聚光器表面进行冷凝，最终影响到聚光器的光学性能，降低聚光效率，降低了装置工作的稳定性和效率。
因此，如何避免蒸汽再聚光器表面进行凝结附着，改善和提高聚光器的聚光性能，对于提升吸光沸腾太阳能集热装置的可靠性和稳定性具有重要作用。
发明内容
本发明的目的在于克服上述问题，提供一种便捷高效、性能稳定的太阳能聚光加热装置和改善聚光方法。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：
一种基于吸光沸腾的聚光加热装置，包括出汽口、隔热聚光器、沸腾池、吸光材料、给水口和待加热水；隔热聚光器与蒸馏池上端面密封连接；沸腾池的顶端设有出汽口，沸腾池的下端设有给水口；待加热水经给水口进入沸腾池内；沸腾池内的待加热水上覆盖有吸光材料；
隔热聚光器包括抽气孔、平面透光镜、真空隔层、聚光透镜、疏水镀层；平面透光镜与聚光透镜密封连接，并形成真空隔层；平面透光镜上开有抽气孔；聚光透镜外表面镀有疏水镀层。
作为优选，所述的沸腾池上端面的倾斜角θ等于装置安装所在地的纬度值。
作为优选，所述的聚光透镜为凸透镜或菲涅耳透镜。
作为优选，所述的疏水镀层（12）采用疏水性的静态接触角大于120°的材料，其透光率为聚光透镜的透光率的95%以上。
作为进一步的优选，所述的聚光透镜和疏水镀层的工作温度为150℃以上。
作为优选，所述的吸光材料为吸光率大于0.9、发射率小于0.2、密度小于水的亲水纳米颗粒或多孔灰体材料。
本发明的另一目的是提供一种使用所述装置的聚光改善方法：入射光透过隔热聚光器后聚焦在吸光材料上，加热吸光材料使其升温，使吸光材料周围的水沸腾，产生蒸汽；蒸汽上升过程中，利用平面透光镜和聚光透镜之间密封形成真空隔层减少散热，防止冷凝；同时利用聚光透镜与蒸汽接触的表面镀有的疏水镀层来提高聚光透镜的防水性，防止部分冷凝水在聚光透镜表面附着汇聚；蒸汽通过出汽口排出。
本发明与现有技术相比，具有以下优点：
（1）本发明装置通过增加真空隔层，在减小隔热聚光器散热的同时，巧妙地避免了蒸汽冷凝对聚光透镜聚光特性的影响，提高了系统的稳定性和可靠性。
（2）本发明装置提出在聚光透镜与蒸汽接触的表面上镀疏水镀层，避免蒸汽冷凝后的水滴在聚光透镜上汇聚，进一步提高和保证了聚光透镜的聚光特性。
（3）本发明装置实现了隔热聚光器和沸腾池的一体化设计，结构更加紧凑，安装更加方便。
附图说明
图 1是一种基于纳米吸光沸腾的太阳能聚光加热装置结构示意图；
图2是本发明的聚光透镜为凸透镜的隔热聚光器的剖面视图；
图3是本发明的聚光透镜为菲涅尔透镜的隔热聚光器的剖面视图；
图4是本发明的沸腾池的结构示意图。
图中：出汽口1、隔热聚光器2、沸腾池3、吸光材料4、给水口5、待加热水6、入射光7、抽气孔8、平面透光镜9、真空隔层10、聚光透镜11、疏水镀层12。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
如图1所示，一种基于吸光沸腾的聚光加热装置，包括出汽口1、隔热聚光器2、沸腾池3、吸光材料4、给水口5和待加热水6；隔热聚光器2与蒸馏池3上端面密封连接；沸腾池3的顶端设有出汽口1，沸腾池3的下端设有给水口5；待加热水6经给水口5进入沸腾池3内；沸腾池3内的待加热水6上覆盖有吸光材料4；入射光7经隔热聚光器2透过并汇聚后，投射到吸光材料4；
如图2或3所示，隔热聚光器2包括抽气孔8、平面透光镜9、真空隔层10、聚光透镜11、疏水镀层12；平面透光镜9与聚光透镜11密封连接，并形成真空隔层10；平面透光镜9上开有抽气孔8；通过抽气孔8进行抽气，从而形成真空隔层10。聚光透镜11外表面镀有疏水镀层12。
所述的沸腾池3上端面的倾斜角θ的最佳值等于安装所在地的纬度值。但在实际使用过程中，实际倾斜角θ可在最佳倾斜角附近。
所述的聚光透镜11为具有高透光率的凸透镜或菲涅耳透镜。凸透镜的设置方式如图2所示，菲涅耳透镜的设置方式如图3所示。
作为优选，所述的疏水镀层12采用透光、疏水材料，其疏水性的静态接触角大于120°，其透光率为聚光透镜的透光率的95%以上。
上述的聚光透镜11和疏水镀层12的工作温度均应高于150℃，以保证装置的正常运行。
作为一种改进，所述的吸光材料4为吸光率大于0.9且发射率小于0.2且密度小于水的亲水纳米颗粒或多孔灰体材料。
本发明的具体工作过程如下：
根据本发明装置使用地的地理位置和光照特点，确定沸腾池上端面的倾斜角θ，以便获得最优太阳光投入辐射,θ的最佳值等于安装所在地的纬度值。隔热聚光器安装在沸腾池上端面，调整装置方位，使隔热聚光器面向太阳光入射方向；入射光经隔热聚光器汇聚后投射到吸光材料；吸光材料吸收太阳能后迅速升温，使周围的水迅速沸腾产生蒸汽；真空隔层减少蒸汽透过隔热聚光器向外散热，避免聚光透镜温度过低导致蒸汽冷凝；聚光透镜与蒸汽接触的表面镀有疏水镀层，即便有蒸汽液化成水滴，也不会附着在聚光透镜表面，影响聚光透镜的聚光特性；蒸汽由沸腾池上端的出汽口排出；根据沸腾池内待加热水的水位变化，外界水源经给水口及时将待加热水补入沸腾池，确保沸腾池内有充足的待加热水，同时又不溢出出汽口。
本发明装置通过增加真空隔层，在减小隔热聚光器散热的同时，巧妙地避免了蒸汽冷凝对聚光透镜聚光特性的影响，提高了系统的稳定性和可靠性。与此同时，本发明装置提出在聚光透镜与蒸汽接触的表面上镀疏水镀层，避免蒸汽冷凝后的水滴在聚光透镜上汇聚，进一步提高和保证了聚光透镜的聚光特性。本发明装置实现了隔热聚光器和沸腾池的一体化设计，结构更加紧凑，安装更加方便。
另外，基于上述装置，本发明提出了一种使用所述装置的聚光改善方法：入射光7透过隔热聚光器2后聚焦在吸光材料4上，加热吸光材料4使其快速升温，使吸光材料4周围的水快速沸腾，产生蒸汽；蒸汽上升过程中，通过出汽口1时，为了避免蒸汽在隔热聚光器2上遇冷冷凝，利用平面透光镜9和聚光透镜11之间密封形成真空隔层10减少散热，防止冷凝；为了进一步防止部分冷凝水在聚光透镜11表面附着汇聚，影响聚光透镜11的几何聚光特性，破坏聚光透镜11的聚光效果，聚光透镜11与蒸汽接触的表面镀有高透光性的疏水镀层12，在保证隔热聚光器2透光性的同时，提高聚光透镜11的防水性，即便有冷凝水也不会在聚光透镜11上附着汇聚。蒸汽通过出汽口1排出；蒸汽通过出汽口1排出。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应该涵盖在本方面的保护范围之内。 因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (7)
1.一种基于吸光沸腾的聚光加热装置，其特征在于，包括出汽口（1）、隔热聚光器（2）、沸腾池（3）、吸光材料（4）、给水口（5）和待加热水（6）；隔热聚光器（2）与沸腾池（3）上端面密封连接；沸腾池（3）的顶端设有出汽口（1），沸腾池（3）的下端设有给水口（5）；待加热水（6）经给水口（5）进入沸腾池（3）内；沸腾池（3）内的待加热水（6）上覆盖有吸光材料（4）；
隔热聚光器（2）包括抽气孔（8）、平面透光镜（9）、真空隔层（10）、聚光透镜（11）、疏水镀层（12）；平面透光镜（9）与聚光透镜（11）密封连接，并形成真空隔层（10）；平面透光镜（9）上开有抽气孔（8）；聚光透镜（11）外表面镀有疏水镀层（12）。
2.根据权利要求1所述的基于吸光沸腾的聚光加热装置，其特征在于，所述的沸腾池（3）上端面的倾斜角θ等于装置安装所在地的纬度值。
3.根据权利要求1所述的基于吸光沸腾的聚光加热装置，其特征在于，所述的聚光透镜（11）为凸透镜或菲涅耳透镜。
4.根据权利要求1所述的基于吸光沸腾的聚光加热装置，其特征在于，所述的疏水镀层（12）采用疏水性的静态接触角大于120°的材料，其透光率为聚光透镜的透光率的95%以上。
5.根据权利要求4所述的基于吸光沸腾的聚光加热装置，其特征在于，所述的聚光透镜（11）和疏水镀层（12）的工作温度为150℃以上。
6.根据权利要求1所述的基于吸光沸腾的聚光加热装置，其特征在于，所述的吸光材料（4）为吸光率大于0.9、发射率小于0.2、密度小于水的亲水纳米颗粒或多孔灰体材料。
7.一种使用如权利要求1所述装置的聚光改善方法，其特征在于：入射光（7）透过隔热聚光器（2）后聚焦在吸光材料（4）上，加热吸光材料（4）使其升温，使吸光材料（4）周围的水沸腾，产生蒸汽；蒸汽上升过程中，利用平面透光镜（9）和聚光透镜（11）之间密封形成真空隔层（10）减少散热，防止冷凝；同时利用聚光透镜（11）与蒸汽接触的表面镀有的疏水镀层（12）来提高聚光透镜（11）的防水性，防止部分冷凝水在聚光透镜（11）表面附着汇聚；蒸汽通过出汽口（1）排出。
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