CN109520145A - 一种直通式太阳能集热管及其集热器 - Google Patents

一种直通式太阳能集热管及其集热器 Download PDF

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Abstract

一种直通式太阳能集热管及其集热器，包括直通式太阳能集热管和聚光器，直通式太阳能集热管位于聚光器的焦线上。直通式太阳能集热管的玻璃外管同轴套装在金属内管外面，在玻璃外管和金属内管之间形成环形真空封闭空间。玻璃排气封接口位于玻璃外管上的非太阳聚光侧，为了保证该集热器具有高聚光比，防止聚光溢出，金属内管为椭圆形管，其长轴与短轴之比范围为1.1倍—5倍之间，且金属内管的长轴方向指向玻璃排气封接口方向，与聚光器的开口平面垂直，从而显著降低了聚光器聚光的溢光损失，提高了系统聚光比。同时椭圆形金属内管增加了金属内管抗弯强度，提高了直通式太阳能集热管的安全性。

Description

一种直通式太阳能集热管及其集热器
技术领域
本发明涉及一种直通式太阳能集热管及集热器。
背景技术
线性聚光太阳能集热系统是目前国际上商业应用最广、成本较低的太阳能热利用设备，其采用抛物面槽式聚光器或线性菲涅尔聚光器将太阳光反射聚焦到位于其焦线的直通式太阳能集热管上加热管内流体，实现太阳能与热能的转化。直通式太阳能集热管是线性聚光太阳能集热系统中，从光到热能转化的最为关键部件，而决定光热转化效率的关键因素为聚光比，聚光比为线性聚光器的开口宽度与直通式太阳能集热管的金属内管周长之比，对于直通式太阳能集热管来说，其光热转化效率随聚光比提高而提高。
为了提高线性聚光太阳能集热系统光热转化效率和降低成本，采用更大开口的线性聚光器成为了当前线性聚光太阳能集热系统的发展趋势。由于线性聚光器开口宽度提高后，若不增加直通式太阳能集热管的金属内管直径，导致部分聚光光斑超出金属内管直径宽度，浪费太阳聚光辐射能量。而若增加直通式太阳能集热管的金属内管直径，其聚光比反而会下降，同时热损失也随金属内管直径增加而增加。同时，传统的直通式太阳能集热管在运行时，由于线性聚光器的反射聚光大多位于金属内管的底部，金属内管受热不均产生较大的弯曲变形，造成直通式太阳能集热管的玻璃外管大量损坏。因此，开发出更安全、适用于高聚光比集热器的直通式太阳能集热管及其集热器对提高线性聚光太阳能集热系统的光热转化效率和经济性具有重要的意义。
中国专利201611107912.4公开了一种“槽式太阳能高温真空集热管”，其采用复合曲面的异性管作为内吸收管，内吸收管上下表面为平面，两侧为圆弧面。该种内吸热管由于采用上下为平面的结构，减少了内吸热管辐射面积，降低热损失，但该结构容易造成内吸热管上下部分漏光，浪费了太阳聚光辐射能量，难以增加聚光比，也不能增加金属内管的抗弯曲强度。另一中国专利201110175100.4公开了“椭圆型太阳能集热管及其制造方法”，其采用椭圆型玻璃外管，一端与椭圆型端盖连接，另一端与吸热和换热件连接，尾管位于椭圆型玻璃的另一端口。该专利目的是减少玻璃外管的材料，排列时可以更紧凑，但该结构难以增加聚光比和金属内管抗弯强度，由于仅一端具有出口，也难以应用与线性聚光器上。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提出一种更安全、适用于高聚光比集热器的直通式太阳能集热管及其集热器。
本发明根据线性聚光器聚光光斑在焦点分布为上下宽左右窄的特点，采用椭圆形金属内管的方法，显著降低了线性聚光器聚光溢光损失，提高了线性聚光太阳能集热系统的聚光比。同时，由于椭圆形金属内管长轴方向始终指向太阳方向，可显著降低金属内管由于温度分布不均造成的向下弯曲的趋势，增加了金属内管抗弯强度，提高了直通式太阳能集热管的安全性。
经过光学计算，采用本发明的直通式太阳能集热管，对于6.77m开口宽度的抛物面槽式太阳能聚光器，在相同聚光比96倍情况下，椭圆形金属内管比圆形金属内管可增加吸收约15％的聚光，减少了聚光器的溢光损失。同时，由于长轴指向太阳方向，椭圆在此方向难以发生弯曲，相比圆形金属内管易于发生弯曲变形，椭圆结构明显降低了金属内管弯曲变形的发生。本发明结构简单，稍微改变传统的直通式太阳能集热管的生产设备即可生产，非常适用于更高温、更大聚光比的线性聚光太阳能集热系统，可显著提高系统光热转化效率和运行的安全性。
为了实现上述目的，本发明采取如下技术方案：
本发明直通式太阳能集热管包括金属内管、玻璃外管、外连接件、内连接件、波纹管、玻璃与金属封接件及玻璃排气封接口。金属内管的外壁涂有选择性吸收涂层。玻璃外管同轴套装在所述金属内管外面。金属内管通过外连接件与波纹管的一端连接，波纹管的另一端通过内连接件与玻璃与金属封接件一端连接，玻璃与金属封接件的另一端与玻璃外管端部进行封接，从而在玻璃外管和金属内管之间形成环形真空封闭空间。
所述玻璃排气封接口位于所述玻璃外管上，所述玻璃排气封接口位于非太阳聚光侧。
所述的金属内管为椭圆形管，且其长轴方向指向所述玻璃排气封接口方向，所述的金属内管长轴与短轴之比范围为1.1倍—5倍之间。所述的金属内管可以采用抛光不锈钢板材焊接成椭圆形管，也可以采用无缝不锈钢椭圆形管。
所述的金属内管与所述的玻璃外管之间最小间距不低于5mm。
所述的选择性吸收涂层的太阳光谱吸收率不低于90％，在400℃时其发射率不超过15％。
应用本发明直通式太阳能集热管的集热器，包括上述直通式太阳能集热管和聚光器。所述直通式太阳能集热管位于所述聚光器的焦线上，所述聚光器包括反射镜、跟踪驱动装置、支架和基座，所述跟踪驱动装置用于驱动聚光器跟踪太阳，所述支架用于支撑直通式太阳能集热管和反射镜，所述基座用于支撑聚光器。
所述的聚光器可以是抛物面槽式太阳能聚光器，所述的反射镜为抛物面形反射镜；所述的聚光器也可以线性菲涅尔太阳能聚光器，所述的反射镜为平面或微弧面形反射镜。
所述椭圆形金属内管的长轴方向垂直于聚光器的开口平面。所述的聚光器的开口宽度与所述椭圆形金属内管周长之比不低于25倍。
本发明的技术优势在于：
1)在大开口、高聚光比的线性聚光太阳能集热系统中，太阳聚光光斑易于溢出传统的圆形金属内管范围，本发明根据高聚光比集热器聚光特点，通过采用椭圆形金属内管，可实现截取更多的太阳光线，显著提高了系统聚光比。
2)采用椭圆形金属内管，在高聚光比太阳能集热系统中运行时其长轴方向始终面向太阳方向，增加了金属内管抗弯强度，显著降低金属内管由于温度分布不均造成的向下弯曲的趋势，提高了直通式太阳能集热管的安全性。
3)本发明的直通式太阳能集热管制作方法简单易行，稍微改变传统的直通式太阳能集热管的生产线设备即可生产制作，非常适用于更高温、更大聚光比的太阳能集热器集热系统，可显著提高系统光热转化效率和运行安全性。
附图说明
图1为本发明实施例1的直通式太阳能集热管的横向剖面图；
图2为本发明实施例1的直通式太阳能集热管的纵向剖面图；
图3为应用本发明直通式太阳能集热管的抛物面槽式太阳能集热器；
图4为应用本发明直通式太阳能集热管的线性菲涅尔太阳能集热器；
图中：1金属内管，2玻璃外管，3外连接件，4波纹管，5内连接件，6玻璃与金属封接件，7玻璃排气封接口，8选择性吸收涂层，9环形真空封闭空间，10直通式太阳能集热管，11聚光器，12反射镜，13跟踪驱动装置，14支架，15基座。
具体实施方式
下面结合附图和具体实时方式进一步说明本发明。
本发明的直通式太阳能集热管的实施例1如图1和图2所示，包括金属内管1、玻璃外管2、外连接件3、波纹管4、内连接件5、玻璃与金属封接件6及玻璃排气封接口7。金属内管1的外壁涂有选择性吸收涂层8，玻璃外管2同轴套装在金属内管1外面，金属内管1通过外连接件3与波纹管4的一端连接。波纹管4的另一端通过内连接件5与玻璃与金属封接件6的一端连接，玻璃与金属封接件6的另一端与玻璃外管2的端部进行封接，从而在玻璃外管2和金属内管1之间形成环形真空封闭空间9。
玻璃排气封接口7位于玻璃外管2上，为了防止线性聚光器反射的太阳光照射到玻璃排气封接口7上，玻璃排气封接口7位于非太阳聚光侧。
由于线性聚光器的聚焦光斑为上下宽左右窄的形状，因此金属内管1为椭圆形管。椭圆形金属内管1的长轴方向指向玻璃排气封接口7的方向，即金属内管1的长轴方向始终指向太阳的方向。为了增加接受更多的聚光，金属内管1长轴与短轴之比为1.5倍。
金属内管1是采用抛光不锈钢板材焊接而成的椭圆形管，由于椭圆形金属内管长轴方向始指向太阳方向，这样可降低金属内管由于温度分布不均造成的向下弯曲的趋势。为了防止金属内管1的长轴端与玻璃外管2接触，金属内管1与玻璃外管2之间间距为25mm。椭圆形金属内管1的外壁涂有的选择性吸收涂层8的太阳光谱吸收率为95％，在400℃时其发射率为10％。
应用本发明直通式太阳能集热管的抛物面槽式太阳能集热器如图3所示。该集热器包括直通式太阳能集热管10和抛物面槽式太阳能聚光器11，直通式太阳能集热管10位于抛物面槽式太阳能聚光器11的焦线上。抛物面槽式太阳能聚光器11包括抛物面形反射镜12、跟踪驱动装置13、支架14和基座15。跟踪驱动装置13用于驱动抛物面槽式太阳能聚光器11跟踪太阳，支架14用于支撑直通式太阳能集热管10和抛物面形反射镜12，基座15用于支撑抛物面槽式太阳能聚光器11。
直通式太阳能集热管10包括金属内管1、玻璃外管2、外连接件3、波纹管4、内连接件5、玻璃与金属封接件6及玻璃排气封接口7，金属内管1的外壁涂有选择性吸收涂层8，玻璃外管2同轴套装在金属内管1外面，金属内管1通过外连接件3与波纹管4的一端连接，波纹管4的另一端通过内连接件5与玻璃与金属封接件6一端连接，玻璃与金属封接件6的另一端与玻璃外管2的端部进行封接，从而在玻璃外管2和金属内管1之间形成环形真空封闭空间9。
玻璃外管2的外径为125mm，玻璃排气封接口7位于玻璃外管2上，为了防止线性聚光器反射的太阳光照射到玻璃排气封接口7上，玻璃排气封接口7位于玻璃外管1的非太阳聚光侧，因此，椭圆形金属内管1的长轴方向垂直于聚光器11的开口平面。
由于抛物面槽式太阳能聚光器的聚焦光斑为上下宽左右窄的形状，因此金属内管1为椭圆形管，长轴长为80mm，短轴长为50mm，椭圆形金属内管1的长轴方向指向玻璃排气封接口3方向。为了增加接受更多的聚光，金属内管1长轴长为80mm，短轴长为50mm，长轴与短轴之比为1.6倍。金属内管1是无缝不锈钢椭圆形管，由于椭圆形金属内管长轴方向始指向太阳方向，下面6.77m开口宽度的抛物面槽式聚光器将太阳光反射聚光到金属内管1上，在相同30倍聚光比情况下，相对于传统的圆形金属内管1，椭圆形金属内管1可以获取超过15％的太阳聚光，同时，椭圆形金属内管的长轴方向指向太阳方向，可以减少由于温度分布不均造成的向下弯曲的趋势。为了防止金属内管1的长轴端与玻璃外管2接触，金属内管1与玻璃外管2之间最小间距为22.5mm。椭圆形金属内管1上具有的选择性吸收涂层8的太阳光谱吸收率为96％，在400℃时其发射率12％。
应用本发明直通式太阳能集热管的线性菲涅尔太阳能集热器如图4所示，该集热器包括直通式太阳能集热管10和线性菲涅尔太阳能聚光器11，直通式太阳能集热管10位于线性菲涅尔太阳能聚光器11的焦线上；线性菲涅尔太阳能聚光器11包括微弧形反射镜12、跟踪驱动装置13、支架14和基座15，跟踪驱动装置13用于驱动线性菲涅尔太阳能聚光器11跟踪太阳，支架14用于支撑直通式太阳能集热管10和微弧形反射镜12，基座15用于支线性菲涅尔太阳能聚光器11。
直通式太阳能集热管包括金属内管1、玻璃外管2、外连接件3、波纹管4、内连接件5、玻璃与金属封接件6及玻璃排气封接口7，金属内管1具有选择性吸收涂层8，玻璃外管2同轴套装在金属内管1外面，金属内管1通过外连接件3与波纹管4的一端连接，波纹管4的另一端通过内连接件4与玻璃与金属封接件6一端连接，玻璃与金属封接件6的另一端与玻璃外管2端部进行封接，从而在玻璃外管2和金属内管1之间形成环形真空封闭空间9。
玻璃排气封接口7位于玻璃外管2上，为了防止线性菲涅尔太阳能聚光器11反射的太阳光照射到玻璃排气封接口7上，玻璃排气封接口7位于非太阳聚光侧，因此，椭圆形金属内管1的长轴方向垂直于聚光器11的开口平面。
玻璃外管的外径200mm，由于线性菲涅尔太阳能聚光器11的聚焦光斑为上下宽左右窄的形状，因此金属内管1为椭圆形管，椭圆形金属内管1的长轴方向指向玻璃排气封接口3方向。为了增加接受更多的聚光，金属内管1长轴长度为150mm，短轴长度为75mm，长轴与短轴之比为2倍。金属内管1是抛光不锈钢板材焊接成椭圆形管，由于椭圆形金属内管长轴方向始指向太阳方向，下面30m开口宽的线性菲涅尔太阳能聚光器11将太阳光反射聚光到金属内管1上，相对于传统的圆形金属内管1，在相同40倍聚光比情况下，椭圆形金属内管1可以获取超过20％的太阳聚光，同时，椭圆形金属内管的长轴方向指向太阳方向，可以减少由于温度分布不均造成的向下弯曲的趋势。为了防止金属内管1的长轴端与玻璃外管2接触，金属内管1与玻璃外管2之间最小间距为25mm。椭圆形金属内管1上具有的选择性吸收涂层8的太阳光谱吸收率为93％，在400℃时其发射率9％。

Claims (9)

1.一种直通式太阳能集热管，包括金属内管(1)、玻璃外管(2)、外连接件(3)、波纹管(4)、内连接件(5)、玻璃与金属封接件(6)及玻璃排气封接口(7)；金属内管(1)的外壁涂有选择性吸收涂层(8)；玻璃外管(2)同轴套装在金属内管(1)外面；金属内管(1)通过外连接件(3)与波纹管(4)的一端连接，波纹管(4)的另一端通过内连接件(5)与玻璃与金属封接件(6)的一端连接，玻璃与金属封接件(6)的另一端与玻璃外管(2)端部封接，从而在玻璃外管(2)和金属内管(1)之间形成环形真空封闭空间(9)，其特征在于：所述的玻璃排气封接口(7)位于玻璃外管(2)上，且位于非太阳聚光侧；所述的金属内管(1)为椭圆形管，金属内管(1)的长轴方向指向玻璃排气封接口(7)方向；所述的金属内管(1)长轴与短轴之比范围为1.1倍—5倍之间。
2.根据权利要求1所述的直通式太阳能集热管，其特征在于：所述的金属内管(1)为抛光不锈钢板材焊接成椭圆形管。
3.根据权利要求1所述的直通式太阳能集热管，其特征在于：所述的金属内管(1)为无缝不锈钢椭圆形管。
4.根据权利要求1所述的直通式太阳能集热管，其特征在于：所述的金属内管(1)与所述的玻璃外管(2)之间最小间距不低于5mm。
5.根据权利要求1所述的直通式太阳能集热管，其特征在于：所述的选择性吸收涂层(8)的太阳光谱吸收率不低于90％，在400℃时发射率不超过15％。
6.应用权利要求1所述直通式太阳能集热管的集热器，其特征在于：所述的集热器包括直通式太阳能集热管(10)和聚光器(11)；所述直通式太阳能集热管(10)位于聚光器(11)的焦线上；所述聚光器(11)包括反射镜(12)、跟踪驱动装置(13)、支架(14)和基座(15)；所述跟踪驱动装置(13)用于驱动聚光器(11)跟踪太阳，所述支架(14)用于支撑直通式太阳能集热管(10)和反射镜(12)，所述基座(15)用于支撑聚光器(11)；所述椭圆形金属内管(1)的长轴方向垂直于聚光器(11)的开口平面。
7.根据权利要求6所述的集热器，其特征在于：所述的聚光器(11)为抛物面槽式太阳能聚光器，所述的反射镜(12)为抛物面形反射镜。
8.根据权利要求6所述的集热器，其特征在于：所述的聚光器(11)为线性菲涅尔太阳能聚光器，所述的反射镜(12)为平面或微弧面形反射镜。
9.根据权利要求6所述的集热器，其特征在于：所述的聚光器(11)的开口宽度与所述椭圆形金属内管(1)周长之比不低于25倍。
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