CN106766265A - 单侧纵向涡优化流场的塔式太阳能接收器 - Google Patents

单侧纵向涡优化流场的塔式太阳能接收器 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种单侧纵向涡优化流场的塔式太阳能接收器。该塔式太阳能接收器，包括：外壳、多个吸热圆管、多个纵向涡发生器以及设置在外壳的底部的支撑件；其中外壳的一端开口设置，在外壳的另一端的内部设置有多个吸热圆管，且外壳的开口端的尺寸不小于外壳的另一端的尺寸；每个吸热圆管内部的第一侧或第二侧设置至少两个纵向涡发生器，第二侧为与第一侧相对的一侧，第一侧为吸热圆管靠近太阳光的一侧；多个吸热圆管和多个纵向涡发生器设置在支撑件上，且各吸热圆管和各纵向涡发生器竖直设置。本发明能够降低吸热圆管周向的温度梯度以及热应力分布，提高塔式太阳能接收器的可靠性，优化了塔式太阳能接收器的结构，节约了成本。

Description

单侧纵向涡优化流场的塔式太阳能接收器
技术领域
本发明涉及太阳能热利用技术领域，尤其涉及一种单侧纵向涡优化流场的塔式太阳能接收器。
背景技术
目前，在现有的塔式太阳能接收器的吸热管内，由于吸热管一侧接收经过定日镜汇聚反射的太阳光照射，另一侧不接收太阳光辐射，导致吸热管内的热流密度分布不均匀，使得吸热管周向上的热应力分布不均，造成吸热管的可靠性下降。
现有一般采用内部流场优化措施或改变外部结构的方式来对吸热管进行优化，使得吸热管内部热流密度分布均匀。采用内部流场优化措施，如采用在吸热管的全周向布置多孔介质层、微槽道、金属泡沫、多孔板等措施进行优化。采用改变外部结构，如改变吸热管材料等措施进行优化。
然而，现有技术中的吸热管结构复杂，导致制造工艺复杂，且成本较高。
发明内容
本发明提供一种单侧纵向涡优化流场的塔式太阳能接收器，以克服现有的塔式太阳能吸热管结构复杂，成本较高，可靠性较差的问题。
本发明提供一种单侧纵向涡优化流场的塔式太阳能接收器，包括：外壳、多个吸热圆管、多个纵向涡发生器以及设置在所述外壳的底部的支撑件；其中
所述外壳的一端开口设置，在所述外壳的另一端的内部设置有多个所述吸热圆管，且所述外壳的开口端的尺寸不小于所述外壳的另一端的尺寸；
每个所述吸热圆管内部的第一侧或第二侧设置至少两个纵向涡发生器，所述第二侧为与所述第一侧相对的一侧，所述第一侧为所述吸热圆管靠近太阳光的一侧；
所述多个吸热圆管和所述多个纵向涡发生器设置在所述支撑件上，且各所述吸热圆管和各所述纵向涡发生器竖直设置。
可选地，所述外壳的开口端的尺寸等于所述外壳的另一端的尺寸，多个所述吸热圆管在所述外壳的另一端呈直线状排列；或者
所述外壳的开口端的尺寸大于所述外壳的另一端的尺寸，多个所述吸热圆管在所述外壳的另一端呈弧线排列。
可选地，所述外壳的横截面的形状为梯形，所述外壳采用不锈钢材质。
可选地，所述纵向涡发生器与所述吸热圆管的长度相同。
可选地，所述纵向涡发生器为扭曲片。
可选地，所述扭曲片的横截面为矩形，所述矩形的长度大于所述矩形的宽度的2倍，所述扭曲片的扭矩大于所述矩形的长度的2倍。
可选地，所述纵向涡发生器为双斜肋管。
可选地，所述双斜肋管与所述吸热圆管内传热流体的来流方向之间的攻角β为±45°；
所述双斜肋管一侧上两个斜肋的间距小于所述双斜肋管的外径，所述斜肋的高度小于所述双斜肋管的外径的十分之一。
可选地，所述纵向涡发生器为螺旋管，所述螺旋管包括基管和环绕在所述基管上的螺旋翅片。
可选地，所述螺旋翅片的高度的2倍不大于所述基管的外径，所述螺旋管的螺距大于所述基管的外径的2倍。
本发明提供的单侧纵向涡优化流场的塔式太阳能接收器，通过外壳的一端开口设置，在外壳的另一端的内部设置有多个吸热圆管，且外壳的开口端的尺寸不小于外壳的另一端的尺寸，保证各吸热圆管能够充分吸热太阳光，同时多个吸热圆管和多个纵向涡发生器设置在支撑件上，且各吸热圆管和各纵向涡发生器竖直设置，且在每个吸热圆管内部的吸热圆管靠近太阳光的一侧或吸热圆管靠近太阳光的对侧设置至少两个纵向涡发生器，使得吸热圆管内形成多纵向涡流动结构，增强冷、热流体的充分混合，从而降低吸热圆管的周向温差。本发明能够较好地优化吸热圆管内的流场，从而改善吸热圆管内的温度场，在优化塔式太阳能接收器的结构的基础上，提高了该塔式太阳能接收器的集热效率，降低了成本。
附图说明
图1(a)为现有的塔式太阳能接收器的吸热圆管纵向周向上的太阳能流密度分布图；
图1(b)为现有的塔式太阳能接收器的吸热圆管横向周向上太阳能流密度分布图；
图1(c)为现有的塔式太阳能接收器的吸热圆管角度周向上太阳能流密度分布图；
图2为本发明提供的单侧纵向涡优化流场的塔式太阳能接收器的横剖面结构示意图；
图3为本发明提供的单侧纵向涡优化流场的塔式太阳能接收器的纵剖面结构示意图；
图4(a)为本发明提供的接收管的纵剖面结构示意图一；
图4(b)为本发明提供的接收管的纵剖面结构示意图二；
图4(c)为本发明提供的接收管的纵剖面结构示意图三；
图5(a)为本发明提供的扭曲片的结构参数的纵剖面示意图；
图5(b)为本发明提供的双斜肋管的结构参数的纵剖面示意图；
图5(c)为本发明提供的螺旋管的结构参数的纵剖面示意图。
具体实施方式
图1(a)为现有的塔式太阳能接收器的吸热圆管纵向周向上的太阳能流密度分布图，图1(b)为现有的塔式太阳能接收器的吸热圆管横向周向上太阳能流密度分布图，图1(c)为现有的塔式太阳能接收器的吸热圆管角度周向上太阳能流密度分布图，如图1(a)-(c)所示，其中，横坐标Y为吸热管周向位置或角度，纵坐标X为对应的周向位置处吸热管表面的太阳能密度强度(W/m2)，图1(c)中箭头所指的方向为定日镜聚集形成的光斑的射入方向。现有的塔式太阳能接收器的吸热管一侧接收太阳光，使得正对太阳光的吸热管的一侧接收高热流密度太阳能，背对太阳光的一侧接收低热流密度太阳能，进而使得吸热管的热流密度分布不均匀，吸热管的周向上温度梯度较大，造成吸热管周向上热应力分布不均，导致该塔式太阳能接收器可靠性下降。这样，在高热流密度分布不均匀、交变热荷载的条件下，接收管的周向温差过大，会出现塔式太阳能接收器的可靠性下降甚至失效等情况，在很大程度上制约了塔式太阳能技术的发展。在此背景下，本发明提供的单侧纵向涡优化流场的塔式太阳能接收器能够合理优化流场，降低吸热管周向温度梯度以及热应力分布，提高塔式太阳能接收器的可靠性。
图2本发明提供的单侧纵向涡优化流场的塔式太阳能接收器的横剖面结构示意图，图3本发明提供的单侧纵向涡优化流场的塔式太阳能接收器的纵剖面结构示意图，其中，图2中箭头所指的方向为定日镜聚集形成的光斑的射入方向。本实施例的单侧纵向涡优化流场的塔式太阳能接收器包括：外壳、多个吸热圆管、多个纵向涡发生器以及设置在外壳的底部的支撑件；其中外壳的一端开口设置，在外壳的另一端的内部设置有多个吸热圆管，且外壳的开口端的尺寸不小于外壳的另一端的尺寸；每个吸热圆管内部的第一侧或第二侧设置至少两个纵向涡发生器，第二侧为与第一侧相对的一侧，第一侧为吸热圆管靠近太阳光的一侧；多个吸热圆管和多个纵向涡发生器设置在支撑件上，且各吸热圆管和各纵向涡发生器竖直设置。在本实施例中，为了便于说明，在一个吸热圆管内放置两个纵向涡发生器来进行详细的说明，如图2和图3所示。
具体地，本实施例单侧纵向涡优化流场的塔式太阳能接收器中，外壳的一端开口设置，太阳光可从外壳的开口端射入，且外壳另一端的内部放置有吸热圆管，即外壳围绕着多个吸热圆管外放置。同时，外壳的开口端的尺寸大于或等于外壳的另一端的尺寸，以使太阳光能够射入更多，便于吸热圆管能够吸收更多的太阳光。外壳的两侧可以采用弧线或是直线，只需保证吸热圆管能够放置在外壳内即可。本实施例对外壳的横截面的形状不做限定，只要可以保证外壳的开口端的尺寸大于或等于外壳的另一端的尺寸即可。可选地，外壳的横截面的形状为梯形，以便于集中更多的吸热圆管，使得多个吸热圆管能够在固定的位置上吸收太阳光。该外壳可采用不锈钢材质。
具体地，吸热圆管的外表面涂敷有高吸收率、低反射率的耐高温选择性吸收太阳光涂层。太阳光通过定日镜聚焦形成的光斑直接照射在吸热圆管的外壁上，以辐射方式使得吸热圆管的壁温升高，且工作流质。如水、油等，从吸热管内部流过而获得热能，进而可将工作流质的热能作为高温热源，加以利用。
进一步地，可在每个吸热圆管内部的第一侧或第二侧设置至少两个纵向涡发生器，其中，第二侧为与第一侧相对的一侧，第一侧为吸热圆管靠近太阳光的一侧。即在每个吸热圆管的内部的靠近太阳管的一侧可设置有至少两个纵向涡发生器，或者在每个吸热圆管的内部的靠近太阳管的对侧可设置有至少两个纵向涡发生器。如图1(a)-(c)所示，可看出在吸热圆管的第一侧热流密度最大，对应地，第二侧热流密度最小，将纵向涡发生器放置在第一侧或第二侧，可使得吸热圆管内部形成多纵向涡的流动结构，而多纵向涡的流动结构会增强吸热圆管的两个半周内冷、热流体的混合效果，使得热量能够从高温流体传递到低温流体，从而能够有效降低吸热圆管的周向温差。本实施例对纵向涡发生器的具体设置位置和实际个数不做限定，只需保证吸热圆管内的冷、热流体能够充分混合即可。
具体地，支撑件设置在外壳的底部，多个吸热圆管和多个纵向涡发生器由支撑件进行固定并支撑，以使每个吸热圆管和每个纵向涡发生器都能够竖直放置，还使得至少两个纵向涡发生器在每个吸热圆管内能够竖直放置，且不与吸热圆管直接接触。
本实施例单侧纵向涡优化流场的塔式太阳能接收器的具体工作过程是：太阳光经由定日镜过聚焦形成光斑，直接投射在吸热圆管的外侧壁上，吸热圆管便进行吸热。无论是纵向涡发生器设置在吸热管的第一侧还是第二侧，即在吸热管内靠近太阳光的一侧还是在吸热管圆内靠近太阳光的对侧，此时，纵向涡发生器都能够在吸热圆管内部形成多纵向涡的流动结构，使得吸热圆管内的冷流体和热流体之间充分混合，进而降低吸热圆管的温差。接着，向吸热圆管通入工作流质，通过对流换热的方式，工作流质便能够吸收热量，且将太阳能转化为热能，使得在吸热圆管内部的工作流质的热能能够吸收得更加均匀，便可将工作流质作为高温热源进行利用。
本实施例提供的单侧纵向涡优化流场的塔式太阳能接收器，通过外壳的一端开口设置，在外壳的另一端的内部设置有多个吸热圆管，且外壳的开口端的尺寸不小于外壳的另一端的尺寸，保证各吸热圆管能够充分吸热太阳光，同时多个吸热圆管和多个纵向涡发生器设置在支撑件上，且各吸热圆管和各纵向涡发生器竖直设置，且在每个吸热圆管内部的吸热圆管靠近太阳光的一侧或吸热圆管靠近太阳光的对侧设置至少两个纵向涡发生器，使得吸热圆管内形成多纵向涡流动结构，增强冷、热流体的充分混合，从而降低吸热圆管的周向温差。本实施例能够较好地优化吸热圆管内的流场，从而改善吸热圆管内的温度场，在优化塔式太阳能接收器的结构的基础上，提高了该塔式太阳能接收器的集热效率，降低了成本。
在上述实施例的基础上，继续结合图2和图3，对本实施例单侧纵向涡优化流场的塔式太阳能接收器的具体结构进行详细的说明。
首先，对本实施例中外壳与吸热圆管的具体位置进行详细的说明。
可选地，外壳的开口端的尺寸等于外壳的另一端的尺寸，多个吸热圆管在外壳的另一端呈直线状排列；或者外壳的开口端的尺寸大于外壳的另一端的尺寸，多个吸热圆管在外壳的另一端呈弧线排列。
具体地，若外壳的开口端的尺寸等于外壳的另一端的尺寸，则多个吸热圆管的排列方式为呈直线排列；若外壳的开口端的的尺寸大于外壳的另一端的尺寸，则多个吸热圆管的排列方式为弧线排列。无论上述哪种方式，在外壳内吸热圆管都只有一排，不存在相互遮挡的现象，保证了吸热圆管吸收太阳光的效率。
其次，在本实施例单侧纵向涡优化流场的塔式太阳能接收器中，纵向涡发生器与吸热圆管的长度相同，能够有效保证在吸热圆管内部形成的多纵向涡的流动结构，使得吸热圆管内的冷流体和热流体之间更加充分的混合，进而增强降低吸热圆管的温差的效果。
图4(a)为本发明提供的接收管的结构示意图一，图4(b)为本发明提供的接收管的结构示意图二，图4(c)为本发明提供的接收管的结构示意图三，图5(a)为本发明提供的扭曲片的结构参数的纵剖面示意图，图5(b)为本发明提供的双斜肋管的结构参数的纵剖面示意图，图5(c)为本发明提供的螺旋管的结构参数的纵剖面示意图。接下来，本实施例中的纵向涡发生器的实现形式可有多种元件进行设置，在图5(a)-(c)中，δ为吸热管壁厚，D为不锈钢吸热管当量内径。
可选地，如图4(a)所示，纵向涡发生器为扭曲片。
具体地，本实施例中可对设置扭曲片的实际参数进行设置和调节，如图5(a)所示，扭曲片的横截面为矩形，矩形的长度d大于矩形的宽度w的2倍，扭曲片的扭矩s大于矩形的长度d的2倍，使得扭曲片能够更好使得吸热圆管内形成多纵向涡流动结构，多纵向涡流动结构会充分的增强两个半周内冷热流体的混合，热量会从高温流体传递到低温流体，从而降低吸热管周向温差。
可选地，如图4(b)所示，纵向涡发生器为双斜肋管。
具体地，本实施例中可对设置双斜肋管的实际参数进行设置和调节，如图5(b)所示，双斜肋管与吸热圆管内传热流体的来流方向之间的攻角β为±45°，双斜肋管一侧上两个斜肋的间距s小于双斜肋管的外径L，斜肋的高度h小于双斜肋管的外径L的十分之一，使得双斜肋管能够更好使得吸热圆管内形成多纵向涡流动结构，多纵向涡流动结构会充分的增强两个半周内冷热流体的混合，热量会从高温流体传递到低温流体，从而降低吸热管周向温差。
可选地，如图4(c)所示，纵向涡发生器为螺旋管，螺旋管包括基管和环绕在基管上的螺旋翅片。
具体地，本实施例中可对设置螺旋管的实际参数进行设置和调节，如图5(c)所示，螺旋翅片的高度g的2倍不大于基管的外径N，螺旋管的螺距S大于基管的外径N的2倍，使得螺旋管能够更好使得吸热圆管内形成多纵向涡流动结构，多纵向涡流动结构会充分的增强两个半周内冷热流体的混合，热量会从高温流体传递到低温流体，从而降低吸热管周向温差。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种单侧纵向涡优化流场的塔式太阳能接收器，其特征在于，包括外壳、多个吸热圆管、多个纵向涡发生器以及设置在所述外壳的底部的支撑件；其中
所述外壳的一端开口设置，在所述外壳的另一端的内部设置有多个所述吸热圆管，且所述外壳的开口端的尺寸不小于所述外壳的另一端的尺寸；
每个所述吸热圆管内部的第一侧或第二侧设置至少两个纵向涡发生器，所述第二侧为与所述第一侧相对的一侧，所述第一侧为所述吸热圆管靠近太阳光的一侧；
所述多个吸热圆管和所述多个纵向涡发生器设置在所述支撑件上，且各所述吸热圆管和各所述纵向涡发生器竖直设置。
2.根据权利要求1所述的塔式太阳能接收器，其特征在于，所述外壳的开口端的尺寸等于所述外壳的另一端的尺寸，多个所述吸热圆管在所述外壳的另一端呈直线状排列；或者
所述外壳的开口端的尺寸大于所述外壳的另一端的尺寸，多个所述吸热圆管在所述外壳的另一端呈弧线排列。
3.根据权利要求1所述的塔式太阳能接收器，其特征在于，所述外壳的横截面的形状为梯形，所述外壳采用不锈钢材质。
4.根据权利要求1所述的塔式太阳能接收器，其特征在于，所述纵向涡发生器与所述吸热圆管的长度相同。
5.根据权利要求1-4任一项所述的塔式太阳能接收器，其特征在于，所述纵向涡发生器为扭曲片。
6.根据权利要求5所述的塔式太阳能接收器，其特征在于，所述扭曲片的横截面为矩形，所述矩形的长度大于所述矩形的宽度的2倍，所述扭曲片的扭矩大于所述矩形的长度的2倍。
7.根据权利要求1-4任一项所述的塔式太阳能接收器，其特征在于，所述纵向涡发生器为双斜肋管。
8.根据权利要求7所述的塔式太阳能接收器，其特征在于，所述双斜肋管与所述吸热圆管内传热流体的来流方向之间的攻角β为±45°；
所述双斜肋管一侧上两个斜肋的间距小于所述双斜肋管的外径，所述斜肋的高度小于所述双斜肋管的外径的十分之一。
9.根据权利要求1-4任一项所述的塔式太阳能接收器，其特征在于，所述纵向涡发生器为螺旋管，所述螺旋管包括基管和环绕在所述基管上的螺旋翅片。
10.根据权利要求9所述的塔式太阳能接收器，其特征在于，所述螺旋翅片的高度的2倍不大于所述基管的外径，所述螺旋管的螺距大于所述基管的外径的2倍。
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