CN110986389A - 带有内插件的石英玻璃管太阳能吸热装置 - Google Patents

Abstract

一种带有内插件的石英玻璃管太阳能吸热装置，包括：上料箱(1)、支架(2)、石英玻璃管(3)、锥形漏斗(4)、阀门(5)、下料箱(6)、玻璃管抱箍(7)、缓冲材料(8)、托板(9)，以及金属内插件(10)；石英玻璃管(3)垂直布置；石英玻璃管(3)内设有金属内插件(10)，金属内插件(10)将石英玻璃管内的空间分成两个通道，其中金属内插件(10)在石英玻璃管(3)内形成的半环形空间朝向接收太阳辐射的方向，接收太阳辐照，为固体颗粒的流动通道，形成具有一定厚度的均匀的颗粒层；金属内插件(10)的外表面与石英玻璃管(3)管壁之间的通道填充有保温材料，以减少热量损失。颗粒的出口处设置有阀门(5)，以调节颗粒的流量，控制颗粒的流速。

Description

带有内插件的石英玻璃管太阳能吸热装置

技术领域

本发明涉及一种太阳能吸热装置。

背景技术

人们对化石能源无节制的开采和滥用，不仅对大气环境造成巨大的破坏，同时，使得化石能源到了濒临枯竭的地步，给人类赖以生存的环境带来了极大的破坏和威胁。生物质能和可再生能源的引入，尤其是太阳能的合理开发和利用，将大大缓解这一危险进程。太阳能是纯绿色的可再生能源，对人类来说可谓是取之不尽，用之不竭。太阳能光热发电是太阳能热利用的重要形式，太阳能光热发电具有生产过程环保、储能更加方便、应用更加广泛等优点，因此，太阳能光热发电已经成为近年来全球新能源开发的主要力量，并且在未来的能源开发道路中展现出了巨大的发展潜力。太阳能光热发电是指将收集的太阳能转化为热能并用于发电的技术。在光热发电的过程中，可以使用颗粒作为吸热装置的吸热介质。以颗粒作为吸热介质具有以下优点：1.吸热装置内的固体颗粒能够直接接收太阳辐射能并转化为热能储存，从而省略了中间的换热过程，进而有效提高热效率；2.固体颗粒具有良好的耐高温性能，高温热源的温度越高，整个发电系统的效率也就越高；3.具有高温的固体颗粒不仅能够用于发电，同时还可作为高温热源运用于化学重整技术或其他需要高温热源的技术，应用范围广泛；4.固体颗粒不存在流体所具有的局部高温容易造成局部高压的问题，使得系统的安全性能得到极大程度的提高。固体颗粒吸热器主要分为颗粒下落式、旋转窑式、流化床式等几种，各种固体颗粒吸热器都有其各自的优点和缺点。其中颗粒下落式又包括自由下落式和阻碍下落式两种，具体又可以分成帘式及管式等。

发明专利201810051421.5颗粒吸热装置及其集热器提供了一种用于光热发电的颗粒吸热装置，包括彼此连通的入料器、辐射加热器与储料器；其中，所述入料器用于投放待加热的吸热颗粒；所述辐射加热器能够利用太阳光辐射对待加热的吸热颗粒加热；所述储料器用于储存加热后的吸热颗粒。所述辐射加热器上设置有具有预定倾斜角度的辐射加热面；吸热颗粒能够在所述辐射加热面上被太阳辐射加热，并且滑落至所述储料器中。该发明较直接下落的帘式颗粒吸热器有一定的改进，但从入料器中下落的颗粒还是自由下落，虽然引入了带有斜面的辐射加热器，颗粒在斜面上的滑落速度有一定的减缓，但是还是很难控制颗粒的精确滑落速度。另外还存在着颗粒层在斜面上堆积不均匀的现象，同时，还有可能受到外界风对颗粒的影响。发明专利201910306208.9公开了一种下降式变截面太阳能固体颗粒吸热器，该吸热器可使固体颗粒在下降过程中增加流动过程的局部阻力，减缓流动速度以延长吸热时间；固体颗粒流过截面收缩段产生径向分速度，使粒子与粒子相互掺杂，增加了热量从管壁向管内部的传递。同样的问题来自于，管内颗粒的流动速度是不可控的，虽然每一段内的颗粒下降速度逐渐减小，但就每一段内的颗粒流动速度是恒定的，是无法控制的，另外,所述的下降式变截面太阳能固体颗粒吸热器，其特征在于多根平行布置的变截面下降吸热管管壁材料采用耐高温、防磨合金金属材料。这样一来，管内的颗粒升温是靠管壁的热辐射和热传导来实现的，吸热效率会很低。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的缺点和不足，提出一种带有内插件的石英玻璃管太阳能吸热装置。

本发明吸热管采用石英玻璃管，对于光的透射率极高，太阳光的辐射能可以直接透过石英玻璃管被管内的固体颗粒吸收，转化成热能储存在固体颗粒中。同时，在石英管内设有内插件，该内插件将石英玻璃管内腔分成两个通道，朝向接收太阳辐射的方向的通道为固体颗粒的流动通道，可以使颗粒形成具有一定厚度的均匀的颗粒层，有助于颗粒高效吸热。另外，在颗粒的出口处设置了阀门，可以调节颗粒的流量，使颗粒在石英玻璃管内的流速可控，进而可以根据实际太阳辐照强度来调节固体颗粒在石英玻璃管内的下降速度，从而大大提高吸热装置的效率。

本发明包括：支架、上料箱、石英玻璃管、石英玻璃管内插件、玻璃管抱箍、托板、阀门及下料箱等。支架通过地脚螺栓固定在基础上，支架的顶部设有上料箱，上料箱通过螺栓连接或焊接的方式与支架连接。上料箱的下底板开有一圆孔，圆孔的下面焊有一段金属管，该金属管和石英玻璃管连通，固体颗粒通过此金属管导入石英玻璃管中。石英玻璃管垂直布置，石英玻璃管的上端套装在所述金属管的外面。上下两组玻璃管抱箍通过缓冲材料将石英玻璃管紧紧抱住，通过螺栓锁紧上下两组玻璃管抱箍。石英玻璃管通过支架支撑。支架的下部固定有托板。锥形漏斗焊接在托板的下表面。托板上开有半环形孔，该半环形孔包络在锥形漏斗中。锥形漏斗的下端安装有阀门，石英玻璃管置于托板上。下料箱置于地面上，位于阀门的正下方。金属内插件置于石英玻璃管内，与石英玻璃管同轴。

金属内插件用不锈钢薄板制成，为横截面形状呈倒“Ω”形的金属直板，中段为直径为d的半圆弧，半圆弧的两侧为两个宽度为a的直线段。金属内插件两个直线段的宽度a与半圆弧直径d之和大于石英玻璃管的内径，也即(2a+d)>石英玻璃管的内径。利用金属内插件的弹性，向金属内插件的中心挤压，将金属内插件插入石英玻璃管；并利用金属内插件的回弹恢复力，使金属内插件的两个直线段顶住石英玻璃管的内管壁，将金属内插件固定在石英玻璃管内。由于金属内插件的横截面形状为开放式并非封闭式，当金属内插件受热膨胀时，虽然受到石英玻璃管管壁的限制，但金属内插件可以向内侧伸展，缓解了金属内插件对石英玻璃的破坏。

金属内插件将石英玻璃管的内腔分成两个通道，其中金属内插件在石英玻璃管内形成的半环形空间朝向接收太阳辐射的方向，接收太阳辐照，为固体颗粒的流动通道，金属内插件的外表面与石英玻璃管管壁之间的通道填充有保温材料，以减少热量的损失。

石英玻璃管垂直布置，这有利于石英玻璃管内的固体颗粒无需借助任何外力，仅仅依靠自身的重力自上而下降落。上料箱中盛有固体颗粒，用来给石英玻璃管内提供吸热颗粒，固体颗粒在石英玻璃管内流动，相当于处在一个半封闭的容器中，可以有效避免来自外界风对颗粒的鼓吹，造成颗粒无序散落到各个地方而无法收集，以及避免风对固体颗粒吸热的影响。在石英玻璃管内设置的金属内插件能够耐设一定的高温并具有一定的耐磨性，以防固体颗粒在石英管内降落时与金属内插件之间的磨损。金属内插件将石英玻璃管内腔分成两个通道，固体颗粒流入能够接收到太阳辐照的该侧通道。由于金属内插件的引入，使得固体颗粒在石英玻璃管内的颗粒层变得更薄更均匀，这对固体颗粒高效吸收太阳辐射能十分有利。因为固体颗粒的吸热主要来自太阳能的辐射，颗粒间的热传导性能较差，因此，如果石英玻璃管内的固体颗粒层太厚，太阳能无法将能量传给后面的颗粒，就会降低吸热器的效率。石英玻璃管内另一个通道填充有保温材料，可减少热量损失，进而进一步提高吸热器的效率。在支架的下部有一块托板，用来支撑石英玻璃管的下端及石英玻璃管内插件，以免石英玻璃管内插件由于重力而向下滑落。石英玻璃管由上下两组玻璃管抱箍通过缓冲材料固定在支架上。托板上开有一个半环形的孔，与石英玻璃管内固体颗粒所在空间的横截面相对应，在托板下面连接有锥形漏斗和阀门。通过调节阀门可以调节固体颗粒在石英玻璃管中的下降速度，充分吸收太阳辐射能后的热的固体颗粒经过半环形孔、锥形漏斗、阀门落入下料箱中。

附图说明

图1为本发明太阳能吸热装置立体示意图；

图2为本发明太阳能吸热装置正面主视示意图；

图3为本发明太阳能吸热装置上部局部放大示意图；

图4为本发明太阳能吸热装置下部局部放大示意图；

图5为本发明太阳能吸热装置石英玻璃管与金属内插件相互位置关系示意图；

图6为本发明太阳能吸热装置石英玻璃管与金属内插件相互位置关系端面示意图；

图7为本发明太阳能吸热装置金属内插件示意图；

图8为本发明太阳能吸热装置金属内插件端面示意图；

图9为本发明太阳能吸热装置托板示意图；

图10为本发明太阳能吸热装置玻璃管抱箍示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。

如图1、图2、图3、图4和图5所示，本发明带有内插件石英玻璃管太阳能吸热装置包括：上料箱1、支架2、石英玻璃管3、锥形漏斗4、阀门5、下料箱6、玻璃管抱箍7、缓冲材料8、托板9，以及金属内插件10。支架2通过地脚螺栓固定在基础上，在支架2的顶部设有上料箱1，上料箱1通过螺栓连接或焊接的方式与支架2连接。在上料箱1的下底板上开有一圆孔，圆孔的下面焊有一段金属管，该金属管和石英玻璃管3连通，固体颗粒通过此金属管导入石英玻璃管3中。石英玻璃管3垂直布置，石英玻璃管3的上端套在所述金属管的外面。上下两组玻璃管抱箍7通过缓冲材料8，将石英玻璃管3抱紧，通过螺栓锁紧上下两组玻璃管抱箍7。玻璃管抱箍7如图10所示。石英玻璃管3通过支架2支撑，支架2的下部通过螺栓固定有托板9，如图4所示。如图2所示，锥形漏斗4焊接在托板9的下表面。如图9所示，托板9上开有半环形孔，该半环形孔包络在锥形漏斗4中。锥形漏斗4的下端安装有阀门5。石英玻璃管3置于托板9上。下料箱6置于地面上，位于阀门5的正下方。如图6所示，金属内插件10置于石英玻璃管3内，与石英玻璃管3同轴。

金属内插件10用不锈钢薄板制成，如图7所示，其截面形状呈倒“Ω”形，如图8所示。金属内插件10是本发明的关键部件，其结构形式直接影响吸热装置的性能。金属内插件10在受热时会产生一定的热膨胀和变形，因为石英玻璃管3属于脆性材料，如果内插件10设计不合理，则会使石英玻璃管3破裂。本发明金属内插件10为横截面呈倒“Ω”形的金属直板，中段为直径为d的半圆弧，半圆弧的两侧为两个宽度为a的直线段，如图7、图8所示。金属内插件10的两个直线段的宽度a与半圆弧直径d之和大于石英玻璃管3的内径，也即(2a+d)>石英玻璃管的内径。利用金属内插件10的弹性，向金属内插件10的中心挤压，将金属内插件10插入石英玻璃管3，并利用金属内插件10的回弹恢复力，使金属内插件10的两个直线段顶住石英玻璃管3的内管壁，将金属内插件10固定在石英玻璃管内。由于金属内插件10的横截面形状为开放式并非封闭式，当金属内插件10受热膨胀时，虽然受到石英玻璃管3管壁的限制，但金属内插件10可以向内侧伸展，缓解了金属内插件10对石英玻璃3的破坏。

金属内插件10将石英玻璃管3的内腔分成两个通道，其中金属内插件10在石英玻璃管3内形成的半环形空间朝向接收太阳辐射的方向，接收太阳辐照，为固体颗粒的流动通道，金属内插件10的外表面与石英玻璃管3管壁之间的通道填充有保温材料，以减少热量的损失。

向上料箱1中注入固体颗粒，固体颗粒通过上料箱1下底板的孔进入石英玻璃管3的半环形空间的固体颗粒的流动通道中，再通过托板9上的半环形孔进入锥形漏斗4。根据聚焦到石英玻璃管3上的太阳辐射能，调整阀门5的开关，使石英玻璃管3内的固体颗粒以一定的速度缓慢向下降落，充分吸收太阳辐射的能量，使上料箱1中的低温固体颗粒，经过石英玻璃管3中的半环形通道后被加热成一定温度的高温固体颗粒，经阀门5落入下料箱6中储存。

Claims (4)

1.一种带有内插件的石英玻璃管太阳能吸热装置，其特征在于：所述的太阳能吸热装置包括：上料箱(1)、支架(2)、石英玻璃管(3)、锥形漏斗(4)、阀门(5)、下料箱(6)、玻璃管抱箍(7)、缓冲材料(8)、托板(9)，以及金属内插件(10)；支架(2)通过地脚螺栓固定在基础上，在支架(2)的顶部设有上料箱(1)，上料箱(1)的下底板开有一圆孔，圆孔的下面焊有一段金属管，该金属管和石英玻璃管(3)连通，固体颗粒通过此金属管导入石英玻璃管(3)；石英玻璃管(3)垂直布置，石英玻璃管(3)的上端套装在所述金属管的外面；上下两组玻璃管抱箍(7)通过缓冲材料(8)将石英玻璃管(3)抱紧，通过螺栓锁紧上下两组玻璃管抱箍(7)；石英玻璃管(3)通过支架(2)支撑，支架(2)的下部固定有托板(9)；石英玻璃管(3)置于托板(9)上；锥形漏斗(4)焊接在托板(9)的下表面上；托板(9)上开有半环形孔，该半环形孔包络在锥形漏斗(4)中；锥形漏斗(4)的下端安装有阀门(5)；下料箱(6)置于地面上，位于阀门(5)的正下方；金属内插件(10)置于石英玻璃管(3)内，与石英玻璃管(3)同轴；金属内插件(10)将石英玻璃管的内腔分成两个通道，其中金属内插件(10)在石英玻璃管(3)内形成的半环形空间朝向接收太阳辐射的方向，接收太阳辐照，为固体颗粒的流动通道；金属内插件(10)的外表面与石英玻璃管(3)管壁之间的通道填充有保温材料，以减少热量损失。

2.根据权利要求1所述的一种带有内插件的石英玻璃管太阳能吸热装置，其特征在于：所述的金属内插件(10)用不锈钢薄板制成，为横截面形状呈倒“Ω”形的金属直板，中段为直径为d的半圆弧，半圆弧的两侧为两个宽度为a的直线段；金属内插件(10)的两个直线段的宽度a与中段半圆弧直径d的和大于石英玻璃管(3)的内径，也即(2a+d)>石英玻璃管的内径；利用金属内插件(10)的弹性，向金属内插件(10)的中心挤压，将金属内插件(10)插入石英玻璃管；并利用金属内插件(10)的回弹恢复力，使金属内插件(10)的两个直线段顶住石英玻璃管(3)的内管壁，将金属内插件(10)固定在石英玻璃管(3)。

3.根据权利要求2所述的一种带有内插件的石英玻璃管太阳能吸热装置，其特征在于：所述金属内插件(10)横截面形状为开放式，当受热膨胀时，金属内插件(10)能够向内侧伸展，缓解金属内插件(10)对石英玻璃管(3)的破坏。

4.根据权利要求1所述的一种带有内插件的石英玻璃管太阳能吸热装置，其特征在于：向所述的上料箱(1)中注入固体颗粒，固体颗粒通过上料箱(1)下底板的孔进入石英玻璃管(3)中的半环形的颗粒流动通道中内，再通过托板(9)上的半环形孔进入锥形漏斗(4)中；根据聚焦到石英玻璃管(3)上的太阳辐射能，调整阀门(5)的开关，使石英玻璃管(3)内的固体颗粒缓慢向下降落，充分吸收太阳辐射的能量，使上料箱(1)中的低温固体颗粒经过石英玻璃管(3)的半环形通道后被加热成一定温度的高温固体颗粒，经阀门(5)落入下料箱(6)中储存。

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