CN107228491A - 一种受热体玻璃管接收角不对称的cpc复合抛物面内聚光真空管太阳能集热器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种受热体玻璃管接收角不对称的CPC复合抛物面内聚光真空管太阳能集热器，包括集热管，集热管内设有受热管，集热管内还设有反光板，集热管设置在固定板上，固定板内部设有集水管，受热管与集水管连通；集热管与受热管之间为真空状态，反光板设置在受热管一侧，从而将反光板接收到的阳光折射到受热管上。本发明优点在于：集热管中渐开线反光板内聚光受热管，能够将太阳能转换为受热体玻璃管中水的热能，使之成为过热水，温度达到100～180℃，当过热水释放时，转化为100～180℃蒸汽，既可以为用户提供100℃开水，也可以为用户提供100～180℃的蒸汽。

Description

一种受热体玻璃管接收角不对称的CPC复合抛物面内聚光真 空管太阳能集热器

技术领域

本发明涉及太阳能采集应用技术领域，具体涉及一种受热体玻璃管接收角不对称的CPC复合抛物面内聚光真空管太阳能集热器。

背景技术

近年来，以普通全玻璃真空管为主体的太阳能热水器是太阳能光热转换低温应用(100℃以下)的成功产品，其已经在社会上大量普及，起到了节能、环保、降碳的积极作用。太阳能光热转换中温应用(100～250℃)具有广泛的市场需求和节能、环保、降碳的积极作用，例如化工、食品、纺织、餐饮、服装、医药等行业都有急切的需求。目前，这种急切的需求尚不能得到满足，只能依靠传统的煤炭燃烧、燃气燃烧或者耗电来解决。现有的普通全玻璃真空管太阳能热水器(包括热管式太阳能热水器)，由于其集热原理与结构设计上的原因，其受热体管或者板不可能在较高的工作温度下工作，在太阳能中温应用 (100～250℃)的温度范围内，集热效率很低，因而失去实用价值。面对太阳能中温应用(100～250℃)的急切需求与节能、环保、降碳的世界潮流，只有研制出聚光比较高、集热热效率比较高的新型内聚光真空管太阳能集热器，才能满足这种需求，并且符合节能、环保、降碳的世界潮流。

发明内容

本发明的目的就是要针对现有集热器在太阳能中温应用(100～250℃)的温度范围内，集热效率很低，因而失去实用价值等不足，提供一种受热体玻璃管接收角不对称的CPC复合抛物面内聚光真空管太阳能集热器，其在太阳能中温应用(100～250℃)的温度范围内，聚光比较高、集热热效率比较高，具有极大的实用价值。

为实现上述目的，本发明所涉及的一种受热体玻璃管接收角不对称的CPC 复合抛物面内聚光真空管太阳能集热器，包括集热管，所述集热管内设有受热管，所述集热管内还设有反光板，所述集热管设置在固定板上，所述固定板内部设有集水管，所述受热管与集水管连通；所述集热管与受热管之间为真空状态，所述反光板设置在受热管一侧，从而将反光板接收到的阳光折射到受热管上。

进一步地，所述反光板为接收角不对称的CPC复合抛物面。

进一步地，所述集热管内还设有用于固定受热管的固定支架。

进一步地，所述受热管表面设有吸收涂层。

更进一步地，所述反光板表面设有反光膜。

进一步地，所述集热管内还设有消气剂。

更进一步地，所述固定板内还设有保温层，所述集水管设置在保温层内。

作为优选项，所述集热管与固定板连接处还设有密封圈。

作为优选项，所述反光膜为金属反光膜。

作为优选项，所述集热管、受热管、反光板、固定支架均为玻璃材质。

本发明的优点在于：

集热管中渐开线反光板内聚光受热管，能够使太阳光通过内聚光，以较高的聚光比反射并聚光到受热管表面，被选择性吸收涂层高效率地吸收，转化为热能，在真空管特定的保温条件下，将太阳能转换为受热体玻璃管中水的热能，使之成为过热水，温度达到100～180℃，当过热水释放时，转化为100～180℃蒸汽，既可以为用户提供100℃开水(一个标准大气压下)，也可以为用户提供100～180℃的蒸汽。

附图说明

图1为本发明的内部结构示意图；

图2为本发明另一视角的内部结构示意图；

图3为受热管基础圆Φ₀的渐开线对入射光线的反射与聚光原理图；

图4为实施例中Φ_145mm受热体玻璃管接收角不对称的CPC复合抛物面内聚光真空管结构原理图。

图中：集热管1、受热管2、反光板3、固定板4、集水管5、固定支架6、吸收涂层7、反光膜8、消气剂9、保温层10、密封圈11。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细描述：

如图1～2所示的一种受热体玻璃管接收角不对称的CPC复合抛物面内聚光真空管太阳能集热器，，包括集热管1，所述集热管1内设有受热管2，所述集热管1内还设有用于固定受热管2的固定支架6。所述集热管1内还设有反光板3，所述集热管1设置在固定板4上，所述集热管1与固定板4连接处还设有密封圈11。所述固定板4内部设有集水管5，所述固定板4内还设有保温层10，所述集水管5设置在保温层10内。所述受热管2与集水管5连通；所述集热管1与受热管2之间为真空状态，所述反光板3表面设有反光膜8。所述反光膜8为金属反光膜。所述集热管1内还设有消气剂9。所述反光板3设置在受热管2一侧，从而将反光板3接收到的阳光折射到受热管2上。所述受热管2表面设有吸收涂层7。所述集热管1、受热管2、反光板3、固定支架6 均为玻璃材质。

所述反光板3为接收角不对称的CPC复合抛物面。

本发明的原理：

如图3，以X轴为AJ方向，Y轴为AK方向简历平面直角坐标系：

所述反光板3的横截面为以受热管2的Φ₀为基础圆的渐开线以及不对称接收角的抛物线组成的不对称接收角的CPC复合抛物曲线。

其中渐开线曲线的数学特性决定了渐开线上方入射的光线在渐开线上反射后必须会落到基础圆Φ₀的圆周上，实现渐开线反射与聚光到基础圆Φ₀圆周上的目的。

CPC复合抛物曲线的数学特性：

设定抛物线曲线焦点为G点，抛物线的焦距因子为GC与GC'，抛物线焦距为P＝2GC，P'＝2GC'；左接收角为θ_左＝45～60°，右接收角为θ_右＝23.5～30°。

由于左右接收角不对称，必须用两个坐标系来描述两个不同的抛物线方程式及相应的抛物线。

左上方的为坐标系W-Z坐标系，在W-Z坐标系中：

抛物线原点为C'点，抛物线接收角θ_左＝45～60°；

抛物线方程式为：

W²＝2×2GC'×Z

即：W²＝4(GC')Z

抛物线曲线为C'T'P'，其有用部分抛物线为C'T'。

右上方的为U-V坐标系，在U-V坐标系中：

抛物线原点为C点，抛物线接收角θ_右＝23.5～30°；

抛物线方程式为：

U²＝2×2GC×V

即：U²＝4(GC)V

抛物线曲线为CTP，其有用部分抛物线为CP。

左边抛物线(C'T')与右边抛物线(CT)构成了接收角不对称的两条抛物线，两条不对称的抛物线与渐开线构成了接收角不对称的CPC复合抛物曲线。

抛物线上方入射的光线在CPC复合抛物曲线上反射后必然会落到焦点G 以下的基础圆Φ₀的圆周上，从而实现了CPC复合抛物曲线的反光与聚光到基础圆Φ₀的圆周上的目的。

可见，不对称接收角的CPC复合抛物曲线中的渐开线与抛物线均能实现对上方入射的光线的反射与聚光到基础圆Φ₀的圆周上的目的，这就是不对称接收角的CPC复合抛物曲线反光与聚光的基本原理。而不对称的左接收角θ_左＝45～60°，以及右接收角θ_右＝25～30°形成的CPC复合抛物面可以在一年四季每一天中，从太阳升起，到中午正照，再到太阳逐渐下落，集热管1可接收全过程的太阳光入射，并产生集热效果，而不必定时调整集热器的倾斜角度。

依据上述聚光原理，将基础圆设计为受热管2的外径，集热管1中的反光板3为不对称接收角CPC复合抛物面，其横截面为以受热管2外径圆为基础圆的不对称接收角(θ_左与θ_右)的CPC复合抛物曲线。当太阳光入射到反光板3时，其反射光线必然会到达处于焦点G下方的受热管2外表面，被受热管2外表面的太阳能光热转换选择性吸收涂层7所吸收，将太阳能转换为热能。在受热管2中，过热水的温度可以达到100℃～250℃。当过热水被释放时，转化为100℃～230℃的蒸汽，供用户使用。

不对称接收角CPC复合抛物面内聚光真空管的特点：

1、具有比较高的聚光比：

计算表明其聚光比C＝4～5；

2、具有真空管的集热特性；

3、具有CPC复合抛物面的聚光特性；

4、受热管2表面涂覆有太阳能光热转换选择性吸收涂层，该涂层具有高吸收率和低发射率；

5、由于聚光比值较高，因而能够提高真空管的空晒温度：

在标准太阳辐射强度(Ea＝800W/m²)的照射下，该内聚光真空管的空晒温度能够达到400℃以上。

6、不对称的接收角CPC复合抛物面反光板具有高性能的反光膜：

该反光膜由金属板表面抛光和涂镀而成，反光性能优良，对入射的太阳光线进行反射与聚光。

7、不对称的接收角为：

左侧接收角θ_左＝45～60°，右侧接收角θ_右＝23.5～30°

该不对称的接收角CPC复合抛物面内聚光真空管在东西方向安装时，一天中能有效采光7～8小时，在冬季的冬至日前后，一天能够实现5～6小时的有效采光(北纬50°以南)；

8、不对称接收角的CPC复合抛物面反光板3及其上的反光膜8，便于加工成型，反光性能优良：

该反光板与反光膜加工成型后，具有优良的反光与聚光性能，能将入射的太阳光线有效地反射与聚光到受热体玻璃管表面。

另，本发明中集热管1内设有消气剂9为类似真空管中常见技术手段，不再赘述。本发明采用盲管结构达到热水上升，冷水下降的自流方式，将热水送到集水箱内。

实施例：

如图4，受热管2接收角不对称的CPC复合抛物面内聚光集热管1的主要技术参数如下：

外罩玻璃管外径D₂＝145mm，外罩玻璃管内径D₁＝138mm，外罩玻璃管壁厚δ₁＝3.5mm，反光板材料厚度δ₃＝0.5mm，反光板开口宽度TT’＝137mm，受热体玻璃管外径d₂＝29.15mm，受热体玻璃管内径d₁＝26.15mm，受热体玻璃管壁厚δ₂＝1.5mm。

渐开线方程式及相关技术参数：

基础圆直径Φ₀＝d₂＝29.15mm，基础圆半径左接收角θ_左＝52°，右接收角θ_右＝25°，截短角θ_t＝70～75°，左抛物线原点C'，右抛物线原点C，左抛物线焦距因子GC'，右抛物线焦距因子GC，左抛物线焦距 P'＝2GC'，右抛物线焦距P＝2GC。

渐开线方程式:

在x-y坐标系中,

X＝a(cost+tsint)

Y＝a(sint-tcost)

式中t为渐开线上一点对应基础圆Φ₀的圆切角(以弧度值表示)，BVC及其对称曲线BV'C'即为基础圆Φ₀渐开线中的两个实用部分。

在U-V坐标系中，抛物线方程(C点为抛物线原点)：

U²＝2PV

U²＝4(GC)V式中P＝2GC

式中GC长度可按数学计算得出，也可由计算机绘图中测量出，CT曲线即为按方程式U²＝4(GC)V绘制的右侧抛物线曲线。

在W-Z坐标系中，抛物线方程式(C'点为抛物线原点)：

W²＝2P'Z

W²＝4(GC')Z式中P'＝2GC'

式中GC'长度可按数学计算得出，也可由计算机绘图中测量出。CT'曲线即为按方程式W²＝4(GC')Z绘制的左侧抛物线曲线，T'点为截短角θt＝70～75°的截短点，TT'为截短后双抛物线之间开口宽度，也有b＝TT'＝137mm(即为抛物线开口宽度)。

曲线BVCT为右边CPC复合抛物线，其接收角为θ_右＝25°；曲线BV'C'T 为左边CPC复合抛物线，其接收角为θ_左＝52°。

该CPC复合抛物线就是接收角不对称的CPC复合抛物面的横截面曲线。 N点为复合抛物线曲线BV'C'T上的任意一点。HN为入射光线，HN在CPC 复合抛物线上的反射光线NQ必然指向抛物线焦点G下方，必然会落到基础圆Φ₀的圆周上，从而实现反射光线，在基础圆Φ₀圆周上的聚光。而基础圆Φ₀即为受热管2的外径。

CPC复合抛物面内聚光真空管太阳能集热器的基本性能参数：

1、关于聚光比C值：

式中b＝TT'＝137mm d₂＝Φ₀＝29.15mm

即得：

2、关于工作温度为140℃时集热器蒸汽生产量：

集热管1规格：Φ×δ₁×ι＝Φ145×3.5×2100(mm)；

单板集热器中的真空管排列数量N：

采取密集排列(真空管带有缩颈结构)，在2000mm宽度上，排列13根真空管，即有N＝13(根)；

单板集热器有效采光面积S：

S＝D₂×C×N＝0.145×2×13＝3.77m²

标准太阳辐射强度E_a：

E_a＝800W/m²

140℃时蒸汽的热焓值h_汽140：

h_汽140＝2676KJ/Kg

140℃时该集热器动态集热热效率μ_d140：

μ_d140＝0.4650

计算工作温度t＝140℃时集热器输出热量Q₁₄₀：

Q₁₄₀＝E_a×S×μ_d140

＝800×3.77×0.4650

＝1402.4W/板

计算单板工作温度为t＝140℃时的每小时蒸汽产量G_汽/h：

计算每小时产10Kg蒸汽(t＝140℃)需要集热板的数量n：

即53板集热器每小时可生产100℃开水(一个标准大气压下)量为：

100Kg/小时。

关键技术问题：

1、接收角不对称的CPC复合抛物面反光板3的形状与尺寸参数的计算与加工：

接收角不对称的CPC复合抛物面反光板的形状与尺寸参数是决定内聚光真空管聚光效果的关键性零部件。必须按基础圆的渐开线方程式与接收角θ_左＝52°所形成的抛物线原点C'点建立W-Z坐标系，以及W²＝4(GC')Z抛物线方程及其对应的CT'抛物线，同时按基础圆Φ₀渐开线方程式与接收角θ_右＝25°所形成的抛物线原点C点建立U-V坐标系以及抛物线方程U²＝4(GC)V及其对应的CT抛物线再按截短角进行抛物线截短处理，所得到的右复合抛物线曲线 BVCT曲线及左复合抛物线曲线BV'C'T即为不对称的CPC复合抛物面反光板 3的横截面的内廓。在将接收角不对称的CPC复合抛物线进行计算并绘图的基础上，加工制造接收角不对称的CPC复合抛物面反光板3的模具与检具，以该模具冲压加工出接收角不对称的CPC复合抛物面反光板3，并以检具对反光板3进行质量检查，以保证反光板3的加工质量。

反光板3可以用薄钢板冲压成型，再进行表面处理，也可以用抛光铝板冲压成型。

2、接收角不对称的CPC复合抛物面反光板3应具有的优良反光性能：

用薄钢板冲压成型的反光板3，表面进行镀膜处理，达到高度光洁度，获得优良反光性能。

用抛光铝板冲压成型的反光板3，本身具有高度光洁度，具有优良反光性能。

用非抛光铝板冲压成型的反光板3，再进行表面抛光处理，达到高度光洁度，具有优良反光性能。

最后，应当指出，以上实施例仅是本发明较有代表性的例子。显然，本发明不限于上述实施例，还可以有许多变形。凡依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应认为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种受热体玻璃管接收角不对称的CPC复合抛物面内聚光真空管太阳能集热器，其特征在于：包括集热管(1)，所述集热管(1)内设有受热管(2)，所述集热管(1)内还设有反光板(3)，所述集热管(1)设置在固定板(4)上，所述固定板(4)内部设有集水管(5)，所述受热管(2)与集水管(5)连通；

所述集热管(1)与受热管(2)之间为真空状态，所述反光板(3)设置在受热管(2)一侧，从而将反光板(3)接收到的阳光折射到受热管(2)上。

2.根据权利要求1所述的一种受热体玻璃管接收角不对称的CPC复合抛物面内聚光真空管太阳能集热器，其特征在于：所述反光板(3)为接收角不对称的CPC复合抛物面。

3.根据权利要求2所述的一种受热体玻璃管接收角不对称的CPC复合抛物面内聚光真空管太阳能集热器，其特征在于：所述集热管(1)内还设有用于固定受热管(2)的固定支架(6)。

4.根据权利要求3所述的一种受热体玻璃管接收角不对称的CPC复合抛物面内聚光真空管太阳能集热器，其特征在于：所述受热管(2)表面设有吸收涂层(7)。

5.根据权利要求4所述的一种受热体玻璃管接收角不对称的CPC复合抛物面内聚光真空管太阳能集热器，其特征在于：所述反光板(3)表面设有反光膜(8)。

6.根据权利要求5中所述的一种受热体玻璃管接收角不对称的CPC复合抛物面内聚光真空管太阳能集热器，其特征在于：所述集热管(1)内还设有消气剂(9)。

7.根据权利要求1～6中任意一项所述的一种受热体玻璃管接收角不对称的CPC复合抛物面内聚光真空管太阳能集热器，其特征在于：所述固定板(4)内还设有保温层(10)，所述集水管(5)设置在保温层(10)内。

8.根据权利要求7所述的一种受热体玻璃管接收角不对称的CPC复合抛物面内聚光真空管太阳能集热器，其特征在于：所述集热管(1)与固定板(4)连接处还设有密封圈(11)。

9.根据权利要求8所述的一种受热体玻璃管接收角不对称的CPC复合抛物面内聚光真空管太阳能集热器，其特征在于：所述反光膜(8)为金属反光膜。

10.根据权利要求9所述的一种受热体玻璃管接收角不对称的CPC复合抛物面内聚光真空管太阳能集热器，其特征在于：所述集热管(1)、受热管(2)、反光板(3)、固定支架(6)均为玻璃材质。