CN106440418A - 一种玻璃管束与多孔介质复合结构太阳能吸热器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种玻璃管束与多孔介质复合结构吸热器，包括吸热器壳体，吸热器壳体一端设有石英玻璃窗口，另一端设有工质出口；其中吸热器壳体与石英玻璃窗口连接为一体，中间形成有腔体，腔体内部沿太阳光入射方向依次设有玻璃管束和多孔介质；吸热器壳体与玻璃管束及多孔介质之间设有预热通道，预热通道一端设有第一工质入口，工质在预热通道内预热后，第二工质入口与太阳光汇合进入玻璃管束。玻璃管束由于对太阳光吸收小，对外辐射能损失小，有利于提高系统热效率。同时玻璃管束将入射太阳光传输到多孔介质，使工质分配与太阳光能流密度相匹配，而多孔介质主要将太阳辐射能转换为工质内能，有效解决现有多孔介质吸热器热效率和可靠性低的问题。

Description

一种玻璃管束与多孔介质复合结构太阳能吸热器
技术领域
本发明涉及太阳能应用技术领域，具体的说，本发明涉及一种玻璃管束与多孔介质复合结构太阳能吸热器。
背景技术
太阳能多孔吸热器由光学窗口和多孔介质吸热芯组成。聚集的太阳光束穿过光学窗口，进入多孔吸热芯被吸收，加热多孔吸热芯达到高温状态；另一方面高压工质(如空气)流过高温多孔吸热芯，被加热升温，高温高压工质从多孔吸热器出口流出，完成太阳能高温热转换过程。多孔介质由于比表面积大，吸收转换太阳辐射能，可以将太阳辐射能转换为气体介质的高温内能做功，完成太阳能光热功转换，是太阳能高温高效热转换的重要技术途径，具有广泛的应用前景。
在中华人民共和国知识产权局网站上，查到与本发明最接近的专利1项，具体信息如下：
名称：一种介质吸收系数梯度增加的太阳能吸热器
申请号：201420362482.0
发明人：戴贵龙杜晓瑞侯根福
摘要：该实用新型一种介质吸收系数梯度增加的太阳能吸热器，包括一腔体，腔体的一端连接有锥形入射面，腔体与锥形入射面的连接处设有弧状光学窗口，腔体的另一端设有空气工质出口；其中，腔体与锥形入射面连接为一体，具有容纳空气工质通过的夹层通道，夹层通道位于锥形入射面的边缘处，设有空气工质入口，夹层通道临近光学窗口内表面位置处， 设有空气工质出气孔；腔体内沿着太阳光传输方向依次顺序设有介质吸收系数梯度增加的两个以上的多孔介质吸热芯层。该实用新型有利于降低多孔吸热芯高温辐射热损失，提高效率。施加在光学窗口的高温辐射热流密度低，有利于降低光学窗口温度，降低光学窗口热应力破坏风险。
现有太阳能多孔介质换热器一般为纯多孔介质结构，太阳光基本在多孔介质表面吸收，导致热辐射损失较大；另一方面，入射太阳光的能流密度一般呈高斯分布，中心区域高，边缘区域低，多孔介质由于复杂的骨架网络结构，流动阻力比较大，工质很难有规律进入多孔介质吸热，导致进入多孔介质的工质流速分布没有与入射太阳能流密度分布匹配，导致多孔介质内部温度分布不均匀，局部过热、烧毁，影响装置的安全可靠性。现有的多孔介质吸热器方案只能解决太阳能传输或者工质换热某一方面的问题，没有将太阳能传输转换与工质换热问题统一起来。
发明内容
针对多孔介质吸热器的热传输过程特点，综合考虑太阳能传输转换与工质的强化换热，本发明提出一种玻璃管束与多孔介质复合结构太阳能吸热器，有效解决现有多孔介质吸热器热效率和可靠性差的技术问题。
本发明提供的技术方案是：一种玻璃管束与多孔介质复合结构吸热器，包括吸热器壳体，吸热器壳体一端设有石英玻璃窗口，吸热器壳体的另一端设有工质出口；其中壳体与石英玻璃窗口连接为一体，中间形成有腔体，腔体内部沿太阳光入射方向依次设有玻璃管束和多孔介质，玻璃管束的一端放置于石英玻璃窗口一侧，另一端放置于多孔介质一侧，入射的太阳光从玻璃管束一端进入玻璃管，经多次反射传输从玻璃管束玻璃管的另一端进入多孔介质；吸热器壳体与玻璃管束和多孔介质之间设有容纳工质通过 的预热通道，预热通道位于多孔介质一端处设有第一工质入口，工质在预热通道内预热后，在石英玻璃窗口处的第二工质入口与入射太阳光汇合进入玻璃管束。
进一步的，玻璃管束玻璃管的直径沿玻璃管束横截面半径方向由内向外逐渐减小。
进一步的，玻璃管束玻璃管的内径为1.0-2.0cm，壁厚为0.2-0.5cm，长度为3-5cm。
进一步的，玻璃管束为石英玻璃或高硼玻璃。
进一步的，多孔介质为碳化硅或氧化铝。
进一步的，多孔介质孔隙直径为0.1-0.5cm，厚度为10-20cm。
进一步的，吸热壳体直径为10-50cm。
本发明的有益效果是：
(1)玻璃管束壁面光滑，可将入射太阳光束通过镜反射传输到后端的多孔介质内部，完成入射太阳光的在吸热器腔内的高效传输转换；
(2)吸热器截面中心区域管束直径大，工质通道面积大，流量多，边缘区域管束直径小，流量少，与入射太阳光的高斯能流密度分布匹配，有利于降低吸热器中心区域局部高温，提高系统热效率和安全可靠性；
(3)玻璃管束对入射太阳光的吸收小，而对多孔介质的红外热辐射吸收高。同时由于玻璃管束直径较小，与工质的对流换热性能好，使玻璃管束的整体温度低，穿透石英玻璃窗口的辐射散热损失小，系统热效率高，石英玻璃窗口的冷却防护技术难度也低。
术语解释：
太阳能吸热器：指将太阳光能转换为热能的装置。
多孔材料：是一种由相互贯通或封闭的孔洞构成网络结构的材料，孔 洞的边界或表面由支柱或平板构成。
玻璃管束：指具有一定数量的玻璃管排列结合的装置。
附图说明
当结合附图考虑时，通过参照下面的详细描述，能够更完整更好的理解本发明以及容易得知其中许多伴随的优点，但此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例以其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定，其中：
图1为本发明的总体结构示意图；
图2为本发明的玻璃管束横截面示意图；
图1中1-石英玻璃窗口，2-玻璃管束，3-预热通道，4-多孔介质，5-
第一工质入口，6-工质出口，7-吸热器壳体，8-第二工质入口。
具体实施方式
以下通过实施例详细说明或描述本发明，而不是对本发明进行限制。
图1为本发明的总体结构示意图，如图1所示，图1中石英玻璃窗口的箭头表示入射的太阳光，一种玻璃管束与多孔介质复合结构吸热器包括吸热器壳体7，吸热器壳体7一端设有石英玻璃窗口1，吸热器壳体7的另一端设有工质出口6；其中吸热器壳体7与石英玻璃窗口1连接为一体，中间形成有腔体，腔体内部沿着太阳光入射方向依次设有玻璃管束2和多孔介质4，入射的太阳光从玻璃管束玻璃管的一端进入，经反射传输从玻璃管束玻璃管的另一端进入多孔介质；吸热器壳体与玻璃管束和多孔介质之间具有容纳工质通过的预热通道3，预热通道3位于多孔介质一端处设有第一工质入口5，工质在预热通道3内预热后，在石英玻璃窗口处的第 二工质入口8处与入射太阳光汇合进入玻璃管束。
如图2所示玻璃管束横截面示意图，玻璃管束的玻璃管直径不是统一的，而是沿玻璃管束横截面半径方向由内向外逐渐减小，即中心位置玻璃管直径最大，由内往外逐渐减小，这就使玻璃管束横截面中心区域工质流通面积大，边缘工质流通面积小，使工质流量与太阳光能流密度相匹配。根据太阳能热转换技术特性，玻璃管束的玻璃管内径为1.0-2.0cm，壁厚0.2-0.5cm，长度3-5cm，玻璃材质可选石英或高硼玻璃。多孔介质可选用碳化硅或氧化铝等材质，孔隙直径在0.1-0.5cm之间，厚度10-20cm之间。吸热器壳体直径由入射太阳光斑直径决定，一般在10-50cm。
本发明提供的吸热器工作流程为，入射太阳光穿过石英玻璃窗口，进入玻璃管束，被玻璃管束镜反射传输，最后进入多孔介质，被多孔介质骨架吸收，转换成高温热源。同时，低温工质从吸热器的预热通道进入吸热器汇合，随后与太阳光入射能流密度相匹配分配进入玻璃管束，吸收玻璃管束壁面热量持续预热，然后流出玻璃管束进入多孔介质，与多孔介质骨架对流换热，吸热升温，最后从工质出口流出，完成太阳辐射能到工质高温内能转换。
本发明中玻璃管束由于对太阳光吸收小，与工质对流换热性能高，所以其温度较低，对外辐射能损失小，有利于提高系统热效率。同时玻璃管束将入射太阳光传输到多孔介质，使工质分配与太阳光能流密度相匹配，而多孔介质主要强化太阳辐射能转换为工质内能，有效解决现有多孔介质吸热器热效率和可靠性低的技术问题。

Claims (7)

1.一种玻璃管束与多孔介质复合结构吸热器，其特征在于，包括吸热器壳体(7)，吸热器壳体(7)一端设有石英玻璃窗口(1)，吸热器壳体(7)的另一端设有工质出口(6)；其中吸热器壳体(7)与石英玻璃窗口(1)连接为一体，中间形成有腔体，腔体内部沿太阳光入射方向依次设有玻璃管束(2)和多孔介质(4)，玻璃管束(2)的一端放置于石英玻璃窗口(2)一侧，另一端放置于多孔介质(4)一侧；吸热器壳体(7)与玻璃管束(2)及多孔介质(4)之间设有容纳工质通过的预热通道(3)，预热通道(3)位于多孔介质(4)一端设有第一工质入口(5)，预热通道(3)位于石英玻璃窗口(1)处设有第二工质入口(8)。
2.根据权利要求1所述的一种玻璃管束与多孔介质复合结构吸热器，其特征在于，所述的玻璃管束(2)的玻璃管直径沿玻璃管束横截面的半径方向由内向外逐渐减小。
3.根据权利要求2所述的一种玻璃管束与多孔介质复合结构吸热器，其特征在于，所述的玻璃管束(2)玻璃管的内径为1.0-2.0cm，壁厚为
0.2-0.5cm，长度为3-5cm。
4.根据权利要求3所述的一种玻璃管束与多孔介质复合结构吸热器，其特征在于，所述的玻璃管束(2)为石英玻璃或高硼玻璃。
5.根据权利要求1所述的一种玻璃管束与多孔介质复合结构吸热器，其特征在于，所述的吸热器壳体(7)直径为10-50cm。
6.根据权利要求1所述的一种玻璃管束与多孔介质复合结构吸热器，其特征在于，所述的多孔介质(4)为碳化硅或氧化铝。
7.根据权利要求6所述的一种玻璃管束与多孔介质复合结构吸热器，其特征在于，所述的多孔介质(4)孔隙直径为0.1-0.5cm，厚度为10-20cm。
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