CN109855314A - 一种导光结构太阳能吸热器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种导光结构太阳能吸热器，包括圆筒状壳体，壳体内设有多孔介质，壳体外设有与壳体内部连通的工质入口、工质出口，所述壳体前端开口并设有石英窗口，石英窗口与所述多孔介质间设有导光结构，导光结构将入射太阳光导入多孔介质内部。本发明将聚集太阳光的吸收区域由多孔介质表面转移到多孔介质内部，降低多孔介质表面温度，减小红外热辐射损失，改善石英玻璃工作热环境。

Description

一种导光结构太阳能吸热器

技术领域

本发明涉及太阳能应用技术领域，尤其涉及一种导光结构太阳能吸热器。

背景技术

现有的太阳能吸热器工作方式主要有表面式吸热器和容积式吸热器两种。表面式吸热器（如盘管式吸热器）结构简单，可靠性好，已经有工程应用。容积式吸热器主要由石英玻璃和多孔介质吸热芯组成，具有对流换热效率高，结构质量轻等优点。然而现有的容积式吸热器，常用骨架不透明的陶瓷或金属多孔介质，衰减系数大，聚集太阳光主要在多孔介质表面附近被吸收，导致多孔介质表面温度高，对石英玻璃的热辐射载荷大，这样不仅穿过石英玻璃的红外热辐射损失大，还影响石英玻璃的热稳定性能。如：

1）一种新型高效的太阳能多孔介质吸热器

申请号：201710390965X

摘要： 本发明涉及一种新型高效的太阳能多孔介质吸热器，包括保温层、多孔介质材料吸热芯、导流通道、导流装置。其特征在于：多孔介质的类型可根据吸热器工作要求进行选取，多孔介质结构参数和表面辐射特性参数有一项或者多项随深度进行改变，且相应参数的改变形式可以为梯度变化或渐变。本发明通过改变多孔介质结构参数和表面辐射特性参数对其光吸收、传热、流动特征进行调控，进而改变吸热器温度分布和流动特征，使得最高温度点发生在吸热器内部，避免表面温度过高，有利于降低辐射损失，提高流动稳定性。

2）一种多孔介质太阳能吸热器及其设计方法

申请号：2017100442689

摘要： 本发明公开了一种应用于太阳能利用技术领域的多孔介质太阳能吸热器及其设计方法；多孔介质太阳能吸热器具有渐变的多孔介质骨架结构，沿太阳辐射入射方向，多孔介质前端孔隙率或孔径大于后端孔隙率或孔径，孔隙率或孔径从前到后逐渐减小，不存在突变，且减小的速率在前端较慢，后端较快。其具有辐射热损失小，能量利用率高，吸热器内部能流密度分布均匀等优势，保证了吸热器长期安全、稳定、高效的运行；本发明同时提出了一种耦合模型构建、性能评估、智能优化的新型多孔介质吸热器的设计方法，具有高效性和通用性，可用于设计结构要求不同、优化目标不同的新型多孔介质吸热器。

3）一种碳化硅泡沫陶瓷太阳能空气吸热器

申请号：2007100990393

摘要： 一种碳化硅泡沫陶瓷太阳能空气吸热器，以碳化硅泡沫陶瓷材料作为太阳能吸收体。碳化硅泡沫陶瓷吸收体[1]外部包覆有保温层[2]，辐射热流[3]投射到硅泡沫陶瓷吸收体[1]表面或投入人工黑体空腔[9]，由碳化硅泡沫陶瓷接收体[1]接收，冷空气[4]直接从碳化硅泡沫陶瓷接收体[1]正对辐射热流[3]侧流入，经换热后获得热空气[5]；或辐射热流[3]透过石英玻璃窗[10]，冷空气[4]从碳化硅泡沫陶瓷接收体[1]正对辐射热流[3]侧或背对辐射热流[3]侧流入，经换热后获得700℃－1300℃的热空气[5]，碳化硅泡沫陶瓷接收体[1]预埋空气导流通道[8]。本发明可高效接收辐射热和高效地向空气传热，同时利用自身的显热进行储热。

4）一种太阳能热发电站用承压式空气吸热器

申请号：2008101154637

摘要： 一种太阳能热发电站用承压式空气吸热器，由碳化硅泡沫陶瓷吸热体(2)、承压空气腔(3)、空气流道(4)及保温层(7)组成。碳化硅泡沫陶瓷吸热体(2)与承压空气腔(3)外壁面一体成型或紧密接触。承压空气腔(3)由致密碳化硅陶瓷制成，内填充碳化硅泡沫陶瓷。空气流道(4)由承压空气腔(3)的内壁面与承压空气腔(3)内填满的碳化硅泡沫陶瓷空隙组成，碳化硅泡沫陶瓷与承压空气腔(3)内壁面一体成型或紧密接触。碳化硅泡沫陶瓷吸热体(2)部分外表面，以及承压空气腔(3)未连接碳化硅泡沫陶瓷吸热体(2)的外表面包覆有保温层(7)。本发明可获得温度范围为700℃－1300℃、1MPa压力以上的高压、高温空气，同时利用自身的显热储热。

5）一种高温太阳能空气加热装置

申请号：201410198277X

摘要： 一种高温太阳能空气加热装置，它涉及一种空气加热装置。本发明为解决太阳能吸热器的换热效率低，导致太阳能的高温热利用受到限制的问题。三层直径不等的圆筒同轴设置，位于最外层的圆筒的外壁上加工有两个进气孔，三层直径不等的圆筒之间形成两个环形腔室，所述两个环形腔室相互连通，位于最内层的圆筒壁上沿轴向依次加工有三圈通孔；三个内径一致的圆环形陶瓷吸热芯、圆柱形多孔陶瓷吸热芯和三个内径依次渐缩的圆环形陶瓷吸热芯沿吸热器壳体的长度方向依次内嵌在吸热器壳体内，最内层圆筒壁上的三圈通孔与三个内径一致的圆环形陶瓷吸热芯对应设置，三个内径依次渐缩的圆环形陶瓷吸热芯由内向外内径依次渐缩设置。本发明用于太阳能空气加热。

6）一种吸热体转动的容积式空气吸热器

申请号：2014104950022

摘要： 一种吸热体转动的容积式空气吸热器，其吸热器件由多根转动的吸热棒(1)组成。吸热棒(1)由多个吸热筒(11)和转动轴(12)组成。吸热筒(11)为中空的同心圆柱形筒体，由碳化硅泡沫陶瓷一体成型制成。吸热筒(11)的内壁加工有卡槽(13)。转动轴(12)为圆柱体，转动轴(12)的外部有凸起(14)，卡槽(13)和凸起(14)紧密配合。转动轴(12)由致密耐高温陶瓷或耐热合金钢一体成型。转动轴(12)的轴线与吸热筒(11)的轴线重合，吸热筒(11)套在转动轴(12)的外部。本发明可获得温度范围为700℃-1300℃、常压或者1MPa压力以上的高温空气，同时利用自身的显热储热，可用于腔体式非承压和非承压空气吸热器，也可以用于外置圆柱式非承压空气吸热器。

7）一种介质吸收系数梯度增加的太阳能吸热器

申请号：2014103093120

摘要： 本发明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。本发明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。

8）一种玻璃管束与多孔介质复合结构太阳能吸热器

申请号：2016111166156

摘要： 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。

太阳辐射能转换为工质内能涉及聚集太阳光在多孔介质内部传输吸收、多孔介质强化换热、多孔介质固体骨架导热、光学窗口热辐射散热损失等过程，控制因素多，机理复杂，上述发明专利仅考虑其中1个或2个因素，导致容积式太阳能吸热器热效率与性能降低。

发明内容

本发明的目的是提供一种导光结构太阳能吸热器，将聚集太阳光的吸收区域由多孔介质表面转移到多孔介质内部，降低多孔介质表面温度，减小红外热辐射损失，改善了工质传热效果。

为实现上述发明目的，本发明的技术方案是：一种导光结构太阳能吸热器，包括圆筒状壳体，壳体内设有多孔介质，壳体外设有与壳体内部连通的工质入口、工质出口，所述壳体前端开口并设有石英窗口，石英窗口与所述多孔介质间设有导光结构，导光结构将入射太阳光导入多孔介质内部。

进一步的，所述导光结构包括若干汇光筒，汇光筒分布在所述石英窗口与所述多孔介质间，汇光筒大口径一端正对石英窗口，小口径一端连接有导光筒，导光筒末端伸入所述多孔介质内部；所述汇光筒和导光筒内壁均为反光面，导光筒末端为透光面。

进一步的，所述汇光筒临近石英窗口一端为正六边形，且边长为石英窗口半径的0.3-0.5倍，长度为石英窗口半径的0.1-0.2倍。

进一步的，所述导光筒为圆筒状，导光筒长度为所述正六边形边长的1-2倍，且其半径为所述正六边形边长的0.5-0.8倍。

进一步的，所述多孔介质包括前段多孔介质和后段多孔介质，后段多孔介质设置在壳体后端，前段多孔介质设置在壳体前端，前段多孔介质和后段多孔介质的间隙为1-3cm；所述汇光筒收拢端伸入前段多孔介质内部并与所述导光筒连接，导光筒末端伸入后段多孔介质内部。

进一步的，所述导光结构还包括若干支路，支路一端与所述导光筒侧壁连通其末端向外发散，支路侧壁为反光面，支路末端为透光面。

进一步的，所述导光结构包括汇光壁，汇光壁设置在石英窗口与多孔介质间，汇光壁中部内凹形成凹腔，凹腔的凹面正对所述石英窗口，凹腔的背面设有若干导光锥筒，导光锥筒大口径一端与凹腔内部连通，小口径一端伸入多孔介质内部；所述导光锥筒的稍端均在同一抛物面上，该抛物面的交点与聚焦太阳光斑的中心点重合；所述汇光壁和所述导光锥筒内壁均为反光面，所述导光锥筒末端为透光面。

进一步的，所述导光结构包括中心导光结构，以及多层沿中心导光结构周向均匀分布的外围导光结构；中心导光结构包括喇叭状中心汇光筒，中心汇光筒大口径一端正对所述石英窗口中心区域，小口径一端连接有中心导光筒，中心导光筒沿壳体轴线方向设置，且其末端伸入多孔介质内部，中心导光筒侧壁设有若干筒状中心枝干，中心枝干一端与中心导光筒内部连通，中心枝干另一端斜向壳体后端延伸且向壳体侧壁方向弯曲；外围导光结构包括沿中心汇光筒周向均匀布置的外围汇光筒，外围汇光筒为喇叭状，外围汇光筒口径小于中心汇光筒且向外围逐层减小，外围汇光筒末端连接有外围导光筒，外围导光筒平行于所述中心导光筒且末端伸入多孔介质内部，外围导光筒筒径小于中心导光筒且向外围逐层减小；中心汇光筒、中心导光筒、中心枝干、外围汇光筒、外围导光筒侧壁均为反光面，中心导光筒、中心枝干、外围导光筒末端均为透光面。

进一步的，所述中心枝干沿所述中心导光筒周向均匀布置，中心枝干数量为四个。

本发明的有益效果是：本发明导光结构将聚集太阳光的吸收区域由多孔介质表面转移到多孔介质内部，降低多孔介质表面温度，减小红外热辐射损失，改善了工质传热效果。

附图说明

图1为本发明实施例1的结构示意图；

图2为本发明实施例2的结构示意图；

图3为本发明实施例3的结构示意图；

图4为本发明实施例4的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

一种导光结构太阳能吸热器，包括圆筒状壳体1，壳体1内设有多孔介质2，壳体1外设有与壳体1内部连通的工质入口3、工质出口4，所述壳体1前端开口并设有石英窗口5，石英窗口5与所述多孔介质2间设有导光结构，导光结构将入射太阳光导入多孔介质2内部。

通过以下实施例对导光结构进行具体说明。

实施例1

如图1所示，一种导光结构太阳能吸热器，包括圆筒状壳体1，壳体1内设有多孔介质2，壳体1外设有与壳体1内部连通的工质入口3、工质出口4，所述多孔介质2包括前段多孔介质21和后段多孔介质22，后段多孔介质22设置在壳体1后端，前段多孔介质21设置在壳体1前端，前段多孔介质21和后段多孔介质22的间隙为3cm；所述壳体1前端开口并设有石英窗口5，石英窗口5与所述前段多孔介质21间分布有若干汇光筒11，汇光筒11大口径一端正对石英窗口5，小口径一端伸入前段多孔介质21，汇光筒11末端连接有导光筒12，导光筒12末端伸入所述后段多孔介质22内部，所述汇光筒11和导光筒12内壁均为反光面，导光筒12末端为透光面。

所述汇光筒11临近石英窗口5一端为正六边形，且边长为石英窗口5半径的0.5倍，长度为石英窗口5半径的2倍。所述导光筒12为圆筒状，导光筒12长度为所述正六边形边长的2倍，且其半径为所述正六边形边长的0.5倍。

聚集太阳光穿过石英窗口5，进入汇光筒11，被汇光筒11反射汇聚进入导光筒12，最后从导光筒12末端穿出进入后段多孔介质22内被吸收，形成聚集太阳光吸收源。低温工质由工质入口3进入吸热器，首先与前段多孔介质21对流吸热，随后进入后段多孔介质22，通过对流吸收聚集太阳光吸收源，温度升高，实现聚集太阳辐射能到工质内能的转换。汇光筒的左端面为正六边形，可以通过无缝拼接，遮挡高温多孔介质的红外辐射直接照射石英窗口，既避免石英窗口高温破裂，又避免红外辐射穿出石英玻璃形成辐射散热损失，提高热效率。另外，将多孔介质分割为前后两段，避免后段的高温多孔介质通过导热将热量转递到多孔介质的前表面，锁住热量，改善系统热效率。

实施例2

如图2所示，一种导光结构太阳能吸热器，包括圆筒状壳体1，壳体1内设有多孔介质2，壳体1外设有与壳体1内部连通的工质入口3、工质出口4，壳体1前端开口并设有石英窗口5，石英窗口5与多孔介质2间分布有若干汇光筒11，汇光筒11大口径一端正对石英窗口5，小口径一端连接有导光筒12，导光筒12末端伸入多孔介质2内部，导光筒侧壁还连通有若干支路13，支路13末端斜向壳体后端方向延伸发散；所述汇光筒11和导光筒12、支路13内壁均为反光面，导光筒12、支路13稍端为透光面。采用主、枝干设计，可以使太阳光进一步分散在多孔介质2内部，有利于实现聚集太阳光在多孔介质2内部的均匀传输、吸收。

实施例3

如图3所示，一种导光结构太阳能吸热器，包括圆筒状壳体1，壳体1内设有多孔介质2，壳体1外设有与壳体1内部连通的工质入口3、工质出口4，所述壳体1前端开口并设有石英窗口5，石英窗口5与所述多孔介质2间设有汇光壁31，汇光壁31中部内凹形成凹腔，凹腔的凹面正对所述石英窗口5，凹腔的背面设有若干导光锥筒32，导光锥筒32一端与凹腔内部连通，小口径一端伸入多孔介质2内部；所述导光锥筒32的稍端均在同一抛物面上，该抛物面的交点与聚焦太阳光斑的中心点重合；所述汇光壁31和所述导光锥筒32内壁均为反光面，所述导光锥筒32末端为透光面。所述导光锥筒32稍端半径为所述石英窗口5半径的0.1-0.4倍，根部为所述石英窗口5半径的0.2-0.5倍，长度为5cm-20cm。

非均匀聚集太阳光穿过石英玻璃，进入凹腔，继续向前传输进入导光锥筒32，最后从导光锥筒32末端穿出进入多孔介质2内被均匀吸收，形成聚集太阳光均匀吸收源。另外，导光锥筒32呈放射状，与入射太阳光的方向特性匹配，能够将太阳光有效导入到多孔介质2内部。导光锥筒32的梢端位于同一抛物面内，且该抛物面的焦点与入射太阳光光斑中心位置重合，能够实现聚集太阳光在多孔介质2内部的均匀传输、吸收，形成均匀吸收热源，改善多孔介质2传热性能。

实施例4

如图4所示，一种树枝状导光结构太阳能吸热器，包括圆筒状壳体1，壳体1上设有与壳体1内部连通的工质入口2和工质出口3，壳体1内设有多孔介质4，多孔介质4由碳化硅、氧化铝陶瓷制成；所述多孔介质4设置在壳体1后端，壳体1前端设有石英窗口5，石英窗口5与多孔介质4间设有中心导光结构6（图中未标出），以及多层沿中心导光结构6周向均匀分布的外围导光结构7（图中未标出）。

所述中心导光结构6包括喇叭状中心汇光筒61，中心汇光筒61大口径一端正对所述石英窗口5中心区域，小口径一端连接有中心导光筒62，中心导光筒62沿壳体1轴线方向设置，且其末端伸入多孔介质4内部，中心导光筒62侧壁设有四个筒状中心枝干63，中心枝干63沿中心导光筒26周向均匀布置，中心枝干63一端与中心导光筒62内部连通，中心枝干另一端斜向壳体1后端延伸且向壳体1侧壁方向弯曲。

所述外围导光结构7包括沿中心汇光筒61周向均匀布置的外围汇光筒71，外围汇光筒71为喇叭状，外围汇光筒71口径小于中心汇光筒61且向外围逐层减小，外围汇光筒71末端连接有外围导光筒72，外围导光筒72平行于所述中心导光筒62且末端伸入多孔介质4内部，外围导光筒72筒径小于中心导光筒62且向外围逐层减小。

所述中心汇光筒61、中心导光筒62、中心枝干63、外围汇光1筒7、外围导光筒72均采用半透明耐高温材料加工制成，且在侧壁镀银形成反光面，中心导光筒62、中心枝干63、外围导光筒72末端均为透光面。

非均匀聚集太阳光穿过石英窗口5，进入各个汇光筒，被反射汇聚，继续向前传输进入导光筒或其枝干，最后由稍端穿出，进入多孔介质内被均匀吸收，形成聚集太阳光均匀吸收源。其中，中心区域的导光结构直径大，输光筒有发散的弯曲枝干，能够将中心区域的高密度聚集太阳光输导到边缘区域，实现聚集太阳光在多孔介质内部截面方向均匀吸收，改善多孔介质的传热性能。此外，由于中心区域有较多弯曲枝干，可以减小流动阻力，使多孔介质边缘区域的低温工质导流到中心高温区域，优化多孔介质与气流的换热性能。

上述多孔介质2由碳化硅、氧化铝陶瓷制成；汇光筒11、导光筒12、汇光壁31、导光锥筒32均采用石英玻璃材料加工制成，具有透太阳光、抑制多孔介质高温红外辐射、耐高温等优点，且汇光筒11、导光筒12、汇光壁31、导光锥筒32的内表面或外表面镀银，形成反光面。工质采用空气、或水蒸气等换热介质。

所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的范围。

Claims (9)

1.一种导光结构太阳能吸热器，包括圆筒状壳体，壳体内设有多孔介质，壳体外设有与壳体内部连通的工质入口、工质出口，其特征在于，所述壳体前端开口并设有石英窗口，石英窗口与所述多孔介质间设有导光结构，导光结构将入射太阳光导入多孔介质内部。

2.如权利要求1所述的一种导光结构太阳能吸热器，其特征在于，所述导光结构包括若干汇光筒，汇光筒分布在所述石英窗口与所述多孔介质间，汇光筒大口径一端正对石英窗口，小口径一端连接有导光筒，导光筒末端伸入所述多孔介质内部；所述汇光筒和导光筒内壁均为反光面，导光筒末端为透光面。

3.如权利要求2所述的一种导光结构太阳能吸热器，其特征在于，所述汇光筒临近石英窗口一端为正六边形，且边长为石英窗口半径的0.3-0.5倍，长度为石英窗口半径的0.1-0.2倍。

4.如权利要求3所述的一种导光结构太阳能吸热器，其特征在于，所述导光筒为圆筒状，导光筒长度为所述正六边形边长的1-2倍，且其半径为所述正六边形边长的0.5-0.8倍。

5.如权利要求2所述的一种导光结构太阳能吸热器，其特征在于，所述多孔介质包括前段多孔介质和后段多孔介质，后段多孔介质设置在壳体后端，前段多孔介质设置在壳体前端，前段多孔介质和后段多孔介质的间隙为1-3cm；所述汇光筒收拢端伸入前段多孔介质内部并与所述导光筒连接，导光筒末端伸入后段多孔介质内部。

6.如权利要求2所述的一种导光结构太阳能吸热器，其特征在于，所述导光结构还包括若干支路，支路一端与所述导光筒侧壁连通其末端向外发散，支路侧壁为反光面，支路末端为透光面。

7.如权利要求1所述的一种导光结构太阳能吸热器，其特征在于，所述导光结构包括汇光壁，汇光壁设置在石英窗口与多孔介质间，汇光壁中部内凹形成凹腔，凹腔的凹面正对所述石英窗口，凹腔的背面设有若干导光锥筒，导光锥筒大口径一端与凹腔内部连通，小口径一端伸入多孔介质内部；所述导光锥筒的稍端均在同一抛物面上，该抛物面的交点与聚焦太阳光斑的中心点重合；所述汇光壁和所述导光锥筒内壁均为反光面，所述导光锥筒末端为透光面。

8.如权利要求1所述的一种导光结构太阳能吸热器，其特征在于，所述导光结构包括中心导光结构，以及多层沿中心导光结构周向均匀分布的外围导光结构；中心导光结构包括喇叭状中心汇光筒，中心汇光筒大口径一端正对所述石英窗口中心区域，小口径一端连接有中心导光筒，中心导光筒沿壳体轴线方向设置，且其末端伸入多孔介质内部，中心导光筒侧壁设有若干筒状中心枝干，中心枝干一端与中心导光筒内部连通，中心枝干另一端斜向壳体后端延伸且向壳体侧壁方向弯曲；外围导光结构包括沿中心汇光筒周向均匀布置的外围汇光筒，外围汇光筒为喇叭状，外围汇光筒口径小于中心汇光筒且向外围逐层减小，外围汇光筒末端连接有外围导光筒，外围导光筒平行于所述中心导光筒且末端伸入多孔介质内部，外围导光筒筒径小于中心导光筒且向外围逐层减小；中心汇光筒、中心导光筒、中心枝干、外围汇光筒、外围导光筒侧壁均为反光面，中心导光筒、中心枝干、外围导光筒末端均为透光面。

9.如权利要求8所述的一种导光结构太阳能吸热器，其特征在于，所述中心枝干沿所述中心导光筒周向均匀布置，中心枝干数量为四个。