CN105258360B - 多曲面槽式太阳能集热系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多曲面槽式太阳能集热系统，属于太阳能光热发电设备。多曲面槽式太阳能集热系统是对当前槽式太阳能聚光器的改进，改进的技术方案有两点：一是根据“傍轴光线”理论，提出了用相应曲率半径的圆弧替代相应抛物线弧段，二是应用陶瓷金属化技术将陶瓷作为玻璃和金属的过渡封接介质。多曲面槽式太阳能集热系统包括：扭矩支架，旋转轴，模板固定器，钢制模板，圆弧型钢化玻璃反光镜，陶瓷封口型直通式金属－玻璃真空集热管，以及集热元件支撑杆件。该系统采用了新发明的圆弧面拟合抛物面的技术和用陶瓷金属化技术生产陶瓷封口型直通式金属－玻璃真空集热管的方法，降低了槽式太阳能集热系统的制造难度。
Description
技术领域
本发明涉及太阳能光热发电设备，尤其是涉及一种多曲面槽式太阳能集热系统。
背景技术
目前，太阳能热力发电中主要的模式有：槽式热发电、塔式热发电、蝶式发电三大系统。作为太阳能热发电的重要方向之一的槽式太阳能热发电，其发电装置是一种借助槽式聚光镜面将太阳光聚焦到集热管上，加热集热管内的换热流体，管中换热流体通过换热系统将水加热成过热蒸汽，然后用过热蒸汽来驱动汽轮发电机发电的清洁能源利用装置。槽式太阳能集热系统包括聚光器、集热管、跟踪机构三个部分。
通常，槽式太阳能聚光器中，以基材为玻璃的玻璃反光镜是由2.5－5mm厚的低铁浮法玻璃加热成型制成，该玻璃经过在精确的抛物面模具上用特制的烤炉加热，制成抛物面形状。然后在抛物面玻璃的背面镀银，并在银层上喷涂几层保护层，防止银过快氧化。而集热管，则主要使用直通式金属－玻璃真空集热管，直通式金属－玻璃真空集热管是一根表面涂有选择性吸收涂层的金属管(吸热管)，外套一根同心玻璃管，玻璃与金属管采用密封连接，玻璃管与金属管之间的环形空间抽真空以保护吸收管表面的选择性吸收层，同时降低了散热损失。
上述技术中存在以下三个问题：
一是，对于抛物面反光镜而言，其工艺采用玻璃热融技术成型，但抛物面的加工比较困难，尤其是采用钢化玻璃制造的抛物面反射镜，对钢化玻璃设备的要求较高。而制造钢化玻璃的圆柱面反射镜则是一项成熟技术，采用圆柱面反射镜替代抛物面反射镜可以大幅度地降低镜面制造成本，容易实现商业化。
二是，对于直通式金属－玻璃真空集热管而言，其制造工艺比较难以控制，国际上线聚光真空集热管的生产均采用熔封技术进行封接，这项技术的难点是：基本上是凭个人的灯工经验来决定产品质量，如果金属表面的氧化层过薄，则熔封的强度达不到要求，容易脱封；如果金属表面的氧化层过厚，虽然封接强度上达到了要求，但气密性又可能较差，容易产生漏气现象。这就是熔封技术难以形成大批量生产的原因所在，制约了槽式线聚焦系统的发展。
三是，对于现行技术中的单一抛物面镜面而言，由于曲面弧度大，迎风面较大，风载荷大，对驱动机构的动力要求也高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种采用圆弧形钢化玻璃反光镜和陶瓷封口型直通式金属－玻璃真空集热管制作的，具有卸载一定风压的多曲面槽式太阳能集热系统。
本发明的目的是这样实现的：
多曲面槽式太阳能集热系统，包括：扭矩支架，旋转轴，模板固定器，钢制模板，圆弧型钢化玻璃反光镜，陶瓷封口型直通式金属－玻璃真空集热管，以及集热元件支撑杆件。其特征是：箱式桁架结构的扭矩支架,用来抵抗强风和重力形成的扭转和弯曲，旋转轴固定在扭矩支架的两端，模板固定器安装在扭矩支架的两侧，在扭矩支架的两侧，通过固定器安装有三对钢制模板，在三对钢制模板上，安装有由不同曲率半径的圆弧形钢化玻璃反光镜，其特征在于：多曲面槽式太阳能集光镜的模板向阳的一面的曲线，是由多条圆弧构成。其数学模型是将多条共焦点，但不同焦距的抛物线划分为N个弧段，各抛物线弧段由相应曲率半径的圆弧做替代，使由不同曲率半径的圆弧拟合而成的曲线的实际焦点与理论上存在的诸抛物线的焦点基本重合，以保证将太阳光反射到集热元件上；由于反光镜处于不同焦距的抛物面上，因此，处于不同抛物线上的反光镜之间存在一定的间隙，使得聚光镜在迎风状态下可以从反光镜的间隙中卸载一定的风压。在聚光镜的焦线上，安装有陶瓷封口型直通式金属－玻璃真空集热管，其特征在于：陶瓷封口型直通式金属－玻璃真空集热管，采用工程陶瓷圆环来做过渡封接，工程陶瓷可以是氮化硅陶瓷，碳化硅陶瓷，微晶陶瓷。集热管由固定在扭矩支架上的集热元件支撑杆件支持；陶瓷封口型直通式金属－玻璃真空集热管包括一个内层不锈钢管，不锈钢管涂覆有选择性吸收层，以实现聚集太阳直接辐射能的吸收率最大，和红外波再辐射的最小；外层为高硼硅玻璃管，高硼硅玻璃管上焊接有一个用于抽真空的玻璃管嘴，在高硼硅玻璃管的两端通过玻璃焊料焊接有用工程陶瓷制成的陶瓷圆环，陶瓷圆环是金属与玻璃之间的过渡熔接介质；在陶瓷圆环上焊接着弹性金属波纹管，而弹性金属波纹管的另一端，焊接在内层不锈钢管上，弹性金属波纹管可以在吸热管升温和冷却过程中补偿内部金属管和外部玻璃之间的热胀冷缩的差异；在内层不锈钢管和陶瓷圆环之间，安置有一个用绝热材料制作的起支撑定位作用的定位环，在玻璃管与金属管之间的环形空间通过抽真空的玻璃管嘴抽成真空，以保护吸收管表面的选择性吸收层，同时降低了散热损失；在内层不锈钢管两端焊接有两个吸气剂，用以吸收抽真空后的残余的和重新释放的气体。
多曲面槽式太阳能集光镜的制作要点在于：多曲面槽式太阳能集光镜的模板向阳的一面的曲线，是由多条圆弧和若干条直线构成。其数学模型是将多条共焦点，但不同焦距的抛物线划分为N个弧段，各抛物线弧段由相应曲率半径的圆弧做替代，使由不同曲率半径的圆弧拟合而成的曲线的实际焦点与理论上存在的诸抛物线的焦点基本重合。实验证明，只要各条抛物线段划分合适，拟合在各抛物线段上的圆弧钢化玻璃反光镜，完全可以将太阳光线聚焦在理论上的抛物线焦线上。
采用陶瓷圆环来做过渡封接，是因为：陶瓷与金属的焊接比较容易，对封接材料匹配要求低，即可采用匹配封接(如可伐合金)，又可采用非匹配封接(如薄壁无氧铜)。另一方面，陶瓷与玻璃同属非金属，基本材质是二氧化硅，它们之间的封接也无需严格匹配。
本发明同现有技术相比具有如下优点：
1、采用圆弧面拟合抛物面技术和陶瓷封口型直通式金属－玻璃真空集热管，降低了槽式太阳能集热系统的制造难度，使制约槽式太阳能集热系统发展的成本控制和商业化技术有了新突破。
2、反光镜组之间留有卸风间隙，使得聚光镜的风阻大幅度降低，提高了太阳能自动跟踪系统的抗风能力。
3、以工程陶瓷圆环作为金属与玻璃的过渡熔封介质，对封接材料匹配要求低，在制造工艺上比较简单，集热管的成品率高，适合大批量生产。
4、金属与玻璃的连接要求高，运行过程中容易产生漏气问题，而陶瓷比玻璃的抗拉强度大4--5倍，热稳定性也高于玻璃，这使陶瓷封口型直通式金属－玻璃真空集热管在长期的运行过程中不易漏气，提高了集热管的使用寿命。
附图说明：
图1为实施1中多曲面槽式太阳能集热系统的立体图；
图2为实施1中多曲面槽式太阳能集热系统的前视图；
图3为实施1中多曲面槽式太阳能集热系统的右视图；
图4为实施1中陶瓷封口型直通式金属－玻璃真空集热管外膨胀型的剖面图；
图5为实施2中陶瓷封口型直通式金属－玻璃真空集热管内膨胀型的剖面图；
图6为实施4中多曲面槽式太阳能集热系统的前视图。
具体实施方式
下面结合实施例并对照附图对本发明作进一步详细说明。
实施例1：
一种多曲面槽式太阳能集热系统包括：扭矩支架1，旋转轴2，模板固定器3，钢制模板4，圆弧型钢化玻璃反光镜5，陶瓷封口型直通式金属－玻璃真空集热管6，以及集热元件支撑杆件7。其特征是：箱式桁架结构的扭矩支架1,用来抵抗强风和重力形成的扭转和弯曲，旋转轴2固定在扭矩支架1的两端，模板固定器3安装在扭矩支架1的两侧，在扭矩支架1的两侧，通过固定器3安装有三对钢制模板4，在三对钢制模板4上，安装有由不同曲率半径的圆弧形钢化玻璃反光镜5，这些反光镜的空间位置拟合在三条共焦点但不同焦距的抛物线上，以保证将太阳光反射到集热元件上；由于反光镜处于不同焦距的抛物面上，因此，处于不同抛物线上的反光镜之间存在一定的间隙，使得聚光镜在迎风状态下可以从反光镜的间隙中卸载一定的风压。在聚光镜的焦线，安装有陶瓷封口型直通式金属－玻璃真空集热管6，集热管6由固定在扭矩支架上的集热元件支撑杆件7支持；陶瓷封口型直通式金属－玻璃真空集热管6包括一个内层不锈钢管8，不锈钢管8涂覆有选择性吸收层9，以实现聚集太阳直接辐射能的吸收率最大，和红外波再辐射的最小；外层为高硼硅玻璃管10，高硼硅玻璃管10上焊接有一个用于抽真空的玻璃管嘴11，在高硼硅玻璃管10的两端通过玻璃焊料焊接有用工程陶瓷制成的陶瓷圆环12，陶瓷圆环12是金属与玻璃之间的过渡熔接介质；在陶瓷圆环12上焊接着弹性金属波纹管13，而弹性金属波纹管13的另一端，焊接在内层不锈钢管8上，弹性金属波纹管13可以在吸热管升温和冷却过程中补偿内部金属管和外部玻璃之间的热胀冷缩的差异；在内层不锈钢管8和陶瓷圆环12之间，安置有一个用绝热材料制作的起支撑定位作用的定位环14，在玻璃管与金属管之间的环形空间通过抽真空的玻璃管嘴11抽成真空15，以保护吸收管表面的选择性吸收层，同时降低了散热损失；在内层不锈钢管8两端焊接有两个吸气剂16，用以吸收抽真空后的残余的和重新释放的气体。
本实施例中，陶瓷封口型直通式金属－玻璃真空集热管采用外膨胀型真空集热管，工程陶瓷采用氮化硅陶瓷。
实施例2：
实施例2的结构与实施例1基本相同，不同之处在于：
陶瓷封口型直通式金属－玻璃真空集热管采用内膨胀型真空集热管。工程陶瓷采用碳化硅陶瓷。
实施例3：
实施例3的结构与实施例1基本相同，不同之处在于：多曲面槽式太阳能集热系统中的聚光器部分是个通用部件，还可替代传统的抛物面聚光镜，所不同的在于：在聚光镜的焦线上，安装的是直通式金属－玻璃真空集热管。
实施例4：
实施例4的结构与实施例1基本相同，不同之处在于：多曲面槽式太阳能集热系统中的钢制模板，采用一条抛物线放样，圆弧形钢化玻璃反光镜的空间位置拟合在同一条抛物线上。
陶瓷封口型直通式金属－玻璃真空集热管采用内膨胀型真空集热管。工程陶瓷采用微晶陶瓷。
上面所述的实施例仅仅是对发明的优先实施方式进行描述，并非对本发明构思和范围进行限定，在不脱离本发明设计构思前提下，本领域中工程技术人员依据本发明申请的权利要求书及说明书内容所做的简单、等效变化与修饰，均落入本发明的保护范围，本发明请求保护的技术内容，已经全部记载在权利要求书中。
Claims (2)
1.多曲面槽式太阳能集热系统，包括：扭矩支架，旋转轴，模板固定器，钢制模板，圆弧型钢化玻璃反光镜，陶瓷封口型直通式金属－玻璃真空集热管，以及集热元件支撑杆件；其特征是：箱式桁架结构的扭矩支架,用来抵抗强风和重力形成的扭转和弯曲，旋转轴固定在扭矩支架的两端，模板固定器安装在扭矩支架的两侧，在扭矩支架的两侧，通过固定器安装有三对钢制模板，在三对钢制模板上，安装有由不同曲率的圆弧型钢化玻璃反光镜，多曲面槽式太阳能集光镜的模板向阳的一面的曲线，是由多条圆弧构成；其数学模型是将多条共焦点，但不同焦距的抛物线划分为N个弧段，各抛物线弧段由相应曲率半径的圆弧做替代，使由不同曲率半径的圆弧拟合而成的曲线的实际焦点与理论上存在的诸抛物线的焦点基本重合；这些反光镜的空间位置拟合在一组共焦点但不同焦距的抛物线上，以保证将太阳光反射到集热元件上；由于反光镜处于不同焦距的抛物面上，因此，处于不同抛物线上的反光镜之间存在一定的间隙，使得聚光镜在迎风状态下可以从反光镜的间隙中卸载一定的风压；在聚光镜的焦线上，安装有陶瓷封口型直通式金属－玻璃真空集热管，集热管由固定在扭矩支架上的集热元件支撑杆件支持；陶瓷封口型直通式金属－玻璃真空集热管包括一个内层不锈钢管，不锈钢管涂覆有选择性吸收层，以实现聚集太阳直接辐射能的吸收率最大，和红外波再辐射的最小；外层为高硼硅玻璃管，高硼硅玻璃管上焊接有一个用于抽真空的玻璃管嘴，在高硼硅玻璃管的两端通过玻璃焊料焊接有用工程陶瓷制成的陶瓷圆环，陶瓷圆环是金属与玻璃之间的过渡熔接介质；在陶瓷圆环上焊接着弹性金属波纹管，而弹性金属波纹管的另一端，焊接在内层不锈钢管上，弹性金属波纹管可以在吸热管升温和冷却过程中补偿内部金属管和外部玻璃之间的热胀冷缩的差异；在内层不锈钢管和陶瓷圆环之间，安置有一个用绝热材料制作的起支撑定位作用的定位环，在玻璃管与金属管之间的环形空间通过抽真空的玻璃管嘴抽成真空，以保护吸收管表面的选择性吸 收层，同时降低了散热损失；在内层不锈钢管两端焊接有两个吸气剂，用以吸收抽真空后的残余的和重新释放的气体。
2.根据权利要求1中所述的多曲面槽式太阳能集热系统，其特征在于：所述陶瓷封口型直通式金属采用工程陶瓷圆环来做过渡封接，工程陶瓷可以是氮化硅陶瓷，碳化硅陶瓷，微晶陶瓷。
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