CN111156712B - 一种双面集热的复合式太阳能吸热器及方法 - Google Patents

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Abstract

一种双面集热的复合式太阳能吸热器，包括：吸热器本体、内侧顶部定日镜、外侧定日镜、内侧底部定日镜和弧形反光板；所述弧形反光板固定设置在吸热器本体上方；所述内侧顶部定日镜反射太阳辐射至弧形反光板后反射至吸热器本体内侧腔室顶部；所述内侧底部定日镜反射太阳辐射至吸热器本体内侧腔室底部；所述外侧定日镜反射太阳辐射至吸热器本体外侧,所述吸热器本体还包括双锥体，所述双锥体为两个底面相接的锥体，双锥体固定在吸热器腔室中部；表面均匀涂覆反射涂层。一种双面集热的复合式太阳能吸热器的吸热方法，通过定日镜对吸热器内外表面同时加热，增加了同等体积下吸热器的吸热量，提高了能流密度，增加了能源的利用率，增强了吸热效果。

Description

一种双面集热的复合式太阳能吸热器及方法
技术领域
本发明涉及太阳能吸热器领域，尤其涉及一种双面集热的复合式太阳能吸热器及方法。
背景技术
太阳能是一种优质的可再生能源，具有清洁无污染的特点。太阳能光热技术可将太阳能转化为热能，后续可直接用于供暖或进一步转化为电能。太阳能吸热器是太阳能光热技术的核心部件，它将定日镜所捕捉、反射、聚集的太阳能直接转化为可以高效利用的高温热能，为发电机组提供所需的热源或动力源，从而实现太阳能热发电的过程，传统上可将其分为外露式和腔体式两种。外露式太阳能吸热器通过吸收照射在吸热器外侧面的太阳辐射加热工质。腔体式太阳能吸热器则通过吸收照射在吸热器内侧面的太阳辐射加热工质。
尽管两类传统的太阳能吸热器有着广泛的应用，但仍存在着如下问题：
（1）太阳辐射仅对吸热器内侧面或外侧面进行单面加热，加热效率低，工质受热不均匀；
（2）外露式和腔体式太阳能吸热器的吸热管与吸热器外壳之间需要填充隔热材料与绝热材料以隔绝外界换热，增加了生产成本；
（3）传统外露式太阳能吸热器的管束之间留有间隙，造成太阳能辐射的损失。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种双面集热的复合式太阳能吸热器及方法，可对太阳能吸热器的内侧面和外侧面同时加热，无需在吸热管与吸热器外壳之间填充隔热材料，生产成本低，吸热效率高，减少了散热损耗。
本发明是通过以下技术方案来实现：
一种双面集热的复合式太阳能吸热器，包括：吸热器本体、内侧顶部定日镜、外侧定日镜、内侧底部定日镜和弧形反光板；
所述吸热器本体包括吸热管、传热工质、传热工质入口和传热工质出口；
所述吸热器本体为腔体结构；
所述吸热管沿腔体内侧轮廓排列且密封连接形成管屏，传热工质入口和传热工质出口与吸热管连通设置，传热工质从传热工质入口流入吸热管，从传热工质出口流出吸热管；
所述弧形反光板固定设置在吸热器本体上方；
所述内侧顶部定日镜反射太阳辐射至弧形反光板后反射至吸热器本体内侧腔室顶部；
所述内侧底部定日镜反射太阳辐射至吸热器本体内侧腔室底部；
所述外侧定日镜反射太阳辐射至吸热器本体外侧。
优选的，所述吸热器本体的腔体结构为圆柱形腔室，内腔为真空。
优选的，所述吸热器本体还包括双锥体和固定组件，所述双锥体为两个底面相接的锥体，双锥体通过固定组件固定在吸热器本体腔室中部；所述双锥体表面均匀涂覆反射涂层；所述吸热管的吸热表面均匀涂覆吸热涂层。
优选的，所述吸热器本体周向设有吸热器透明外壳；所述吸热器本体顶部设有吸热器透明上盖；所述吸热器本体底部设有吸热器透明下盖，所述吸热器透明外壳、吸热器透明上盖和吸热器透明下盖形成密封壳体。
优选的，所述吸热器本体还包括环形上集箱和环形下集箱，所述吸热管为若干个直管，所述直管两端分别连通环形上集箱和环形下集箱，传热工质入口连通环形上集箱，传热工质出口连通环形下集箱；传热工质从传热工质入口流入环形上集箱，再流入吸热管，后流入环形下集箱从传热工质出口流出。
优选的，相邻的吸热管相切设置，吸热管管缝间铺设金属丝，吸热管和金属丝焊接密封连接形成管屏。
优选的，在吸热管之间设置扁钢，扁钢两端与两侧吸热管焊接密封连接形成管屏。
优选的，所述吸热管为鳍片管，相邻鳍片管的鳍片焊接密封连接形成管屏。
一种双面集热的复合式太阳能吸热器的吸热方法，基于上述任意一项所述的复合式太阳能吸热器，包括，
一部分太阳辐射投射到内侧顶部定日镜，反射到弧形反光板，再从吸热器本体顶部聚焦反射到吸热管内侧面，加热传热工质；
一部分太阳辐射投射到内侧底部定日镜，再从吸热器本体底部反射到吸热管内侧面，加热传热工质；
一部分太阳辐射投射到外侧定日镜，经反射到吸热器本体外侧后直接投射到吸热管的外侧面，加热传热工质；
内外侧面同时加热传热工质，加热升温后的传热工质从传热工质出口流出，释放热能后从传热工质入口流入，实现循环吸热。
优选的，从吸热器本体顶部聚焦反射到吸热器本体内侧面的太阳辐射，再经过双锥体的上锥面均匀反射至吸热管顶部内侧面；从吸热器本体底部聚焦反射到吸热器本体内侧面的太阳辐射，再经过双锥体的下锥面均匀反射至吸热管底部内侧面。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明提供的一种双面集热的复合式太阳能吸热器，通过内侧顶部定日镜、外侧定日镜、内侧底部定日镜和弧形反光板反射太阳光，让太阳能吸热器的吸热管内侧面和外侧面同时加热，热流密度大大提高，传热工质受热更均匀；无需填充隔热材料，增加了加热管吸热面积，节省了生产成本，吸热管管间密封，充分利用太阳能，减少太阳能辐射对空气加热引起的不必要散热。
进一步的，吸热器本体的腔体结构为圆柱形腔室，内腔为真空。圆柱形腔室可用于多种吸热形式，内腔为真空，避免太阳能辐射对吸热器本体内腔中空气的加热，减少不必要散热。
进一步的，吸热器本体还包括双锥体和固定组件，所述双锥体为两个底面相接的锥体，双锥体通过固定组件固定在吸热器本体腔室中部，所述双锥体表面均匀涂覆反射涂层；所述吸热管的吸热表面均匀涂覆吸热涂层，双锥体将进入吸热器腔室内的太阳光反射至吸热管，增大吸热效率。吸热涂层增加吸热效率，使吸热管受热均匀。
进一步的，吸热器本体周向设有吸热器透明外壳；所述吸热器本体顶部设有吸热器透明上盖；所述吸热器本体底部设有吸热器透明下盖，所述吸热器透明外壳、吸热器透明上盖和吸热器透明下盖形成密封壳体，起到保护吸热管和保持吸热器本体内部清洁的作用。
进一步的，吸热器本体还包括环形上集箱和环形下集箱，所述吸热管为若干个直管，所述直管两端分别连通环形上集箱和环形下集箱，传热工质入口连通环形上集箱，传热工质出口连通环形下集箱；传热工质从传热工质入口流入环形上集箱，再流入吸热管，后流入环形下集箱从传热工质出口流出；吸热管管间密封，充分利用太阳能，减少太阳能辐射对空气加热引起的不必要散热。
本发明一种双面集热的复合式太阳能吸热器的吸热方法，通过定日镜对吸热器内外表面同时加热，增加了同等体积下吸热器的吸热量，大大提高单位体积的能流密度，增加了能源的利用率，增强了吸热效果，内腔真空避免太阳辐射对内腔中空气的加热，减少了散热损失，提高了加热效率，吸热器内侧面上下同时加热，减少了传热工质在循环过程中的散热损失，减少了热阻，使热能输出相对稳定，增加了传热效率。
进一步的，从吸热器本体顶部聚焦反射到吸热器本体内侧面的太阳辐射，再经过双锥体的上锥面均匀反射至吸热管内侧面；从吸热器本体底部聚焦反射到吸热器本体内侧面的太阳辐射，再经过双锥体的下锥面均匀反射至吸热管内侧面。通过双锥体将从吸热器本体顶部和底部照射到吸热器本体内腔的太阳辐射均匀反射加热吸热管内侧面，增加反射吸热。
附图说明
图1为一种双面集热的复合式太阳能吸热器的运行示意图；
图2为一种双面集热的复合式太阳能吸热器的结构示意图；
图3a为吸热管相切管屏示意图；
图3b为吸热管扁钢焊接管屏示意图；
图3c为鳍片管焊接管屏示意图；
图中：1为吸热器本体、2为双锥体、3为吸热管、4为传热工质、5为传热工质入口、6为传热工质出口、7为吸热器透明外壳、8为吸热器透明上盖、9为吸热器透明下盖、10为吸热涂层、11为反射涂层、12为固定组件、13为内侧顶部定日镜、14为外侧定日镜、15为内侧底部定日镜、16为弧形反光板、17为环形上集箱、18为环形下集箱、19为金属丝、20为扁钢、21为鳍片管。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
如图1所示，一种双面集热的复合式太阳能吸热器，包括吸热器本体1、内侧顶部定日镜13、外侧定日镜14、内侧底部定日镜15和弧形反光板16。
弧形反光板16固定在吸热器本体1上方，一部分太阳能投射到内侧顶部定日镜13，经反射到弧形反光板16，聚焦反射后透过吸热器透明上盖8投射到双锥体2的上侧，再经反射均匀的投射到吸热管3内侧面。
一部分太阳能投射到内侧底部定日镜15，反射后透过吸热器透明底盖9投射到双锥体2的下侧，再经反射均匀的投射到吸热管3内侧面。一部分太阳能投射到外侧定日镜14，经反射后直接投射到吸热管3的外侧面。太阳能辐射投射到吸热器本体1的内腔和外侧面，同时加热传热工质4，热流密度大大提高，传热工质受热更均匀。
如图2所示，吸热器本体1包括双锥体2、吸热管3、传热工质4、传热工质入口5、传热工质出口6、吸热器透明外壳7、吸热器透明上盖8、吸热器透明下盖9、吸热涂层10、反射涂层11、固定组件12、环形上集箱17和环形下集箱18。吸热器本体1为腔体结构，内腔为真空；双锥体2通过固定组件12固定在吸热器本体1的腔体中部，吸热管3沿吸热器本体1内侧轮廓排列，传热工质4从传热工质入口5流入环形上集箱17，再流入吸热管3，吸收热量后流入环形下集箱18，再从传热工质出口6流出。
双锥体2表面均匀涂覆反射涂层11；吸热管3的表面均匀涂覆吸热涂层10；吸热器本体1周向设置有吸热器透明外壳7吸热器本体1顶部设置有吸热器透明上盖8；吸热器本体1底部设置有吸热器透明下盖9，三者形成密封壳体；
吸热器本体1的腔体结构为圆柱形腔室，可用于多种吸热形式，如塔式、碟式等。吸热器本体1内腔为真空，避免太阳能辐射对吸热器本体内腔中空气的加热，减少不必要散热。双锥体2可为两个底面相接的多面体或圆锥体等，通过固定组件12固定在吸热器本体1中部。双锥体2表面涂覆反射涂层11，将从吸热器本体1顶部和底部照射到吸热器本体1内腔的太阳能均匀反射加热吸热管3。
吸热管3的材料为导热性能优良的材料，如黄铜，紫铜，铝，碳钢，不锈钢等。吸热管3可为盘管结构，蛇形管结构，两端设有集箱的直通管结构等。所述吸热管3可为单层管路，也可为多层管路。吸热涂层7均匀涂覆在吸热管3表面，保证投射到吸热管3的太阳能辐射的高效吸收。
传热工质4可为熔盐，导热油，水，液态金属及空气等。
吸热器透明外壳7，吸热器透明上盖8及吸热器透明下盖9的材料为玻璃和亚克力板等，起到保护吸热管3和保持吸热器本体1内部清洁的作用。一部分太阳能从吸热器本体1的顶部透过吸热器透明上盖8投射到双锥体2上侧，再均匀的反射到吸热管3内侧面，加热传热工质4；一部分太阳能从吸热器本体1的底部透过吸热器透明下盖9投射到双锥体2下侧，再均匀的反射到吸热管3内侧面，加热传热工质4。
如图3a所示，吸热管3管束形式为吸热管相切管屏，吸热管3通过在管间铺设金属丝19实现吸热管3管间密封。金属丝19与吸热管3通过焊接连接。此处吸热管3两端缩颈，方便环形上集箱17和环形下集箱18开孔，并可承压。
如图3b所示，吸热管3管束形式为吸热管扁钢焊接管屏，吸热管3通过在管间设置扁钢20实现吸热管3管间密封。扁钢20与吸热管3通过焊接连接。
如图3c所示，吸热管3管束形式为鳍片管焊接管屏，鳍片管21由光管挤压形成，鳍片管21之间通过焊接连接。
本发明提供一种双面集热的复合式太阳能吸热器的吸热方法，包括：一部分太阳辐射投射到内侧顶部定日镜13，反射到弧形反光板16，再从吸热器本体1顶部聚焦反射到吸热管3内侧面，加热传热工质4；一部分太阳辐射投射到内侧底部定日镜15，再从吸热器本体1底部反射到吸热管3内侧面，加热传热工质4；一部分太阳辐射投射到外侧定日镜14，经反射到吸热器本体1外侧后直接投射到吸热管3的外侧面，加热传热工质4；内外侧面同时加热传热工质4，加热升温后的传热工质4从传热工质出口6流出，释放热能后从传热工质入口5流入，重复上述过程，实现循环吸热。
从吸热器本体1顶部聚焦反射到吸热器本体1内侧面的太阳辐射，再经过双锥体2的上锥面均匀反射至吸热管3内侧面；从吸热器本体1底部聚焦反射到吸热器本体1内侧面的太阳辐射，再经过双锥体2的下锥面均匀反射至吸热管3内侧面。
本发明利用可跟踪太阳光的内侧顶部定日镜13和内侧底部定日镜15将太阳光能辐射传递到吸热器腔体内，并经过吸热器腔体中间双锥体2将太阳光能均匀辐射到吸热管3的内侧表面；利用可跟踪太阳光的外侧定日镜14将太阳光直接辐射传递到吸热器外侧表面。通过对加热管内、外侧表面的同步、均匀、耦合、协同加热，在满足同样发电功率的前提下，大大提高单位体积的能流密度，显著减小吸热器高度和重量，从而降低吸热器和塔架的制造成本。
以上发明案例仅为说明本发明而列举的案例，不对本发明具体实施方法产生限制，这里无法对本发明适合的案例情况进行详尽列举。凡在本发明的精神及原则上所作的修改、等同替换等都属于本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种双面集热的复合式太阳能吸热器，其特征在于，包括：吸热器本体（1）、内侧顶部定日镜（13）、外侧定日镜（14）、内侧底部定日镜（15）和弧形反光板（16）；
所述吸热器本体（1）包括吸热管（3）、传热工质（4）、传热工质入口（5）和传热工质出口（6）；
所述吸热器本体（1）为腔体结构；
所述吸热管（3）沿腔体内侧轮廓排列且密封连接形成管屏，传热工质入口（5）和传热工质出口（6）与吸热管（3）连通设置，传热工质（4）从传热工质入口（5）流入吸热管（3），从传热工质出口（6）流出吸热管（3）；
所述弧形反光板（16）固定设置在吸热器本体（1）上方；
所述内侧顶部定日镜（13）反射太阳辐射至弧形反光板（16）后反射至吸热器本体（1）内侧腔室顶部；
所述内侧底部定日镜（15）反射太阳辐射至吸热器本体（1）内侧腔室底部；
所述外侧定日镜（14）反射太阳辐射至吸热器本体（1）外侧；
所述吸热器本体（1）还包括双锥体（2）和固定组件（12），所述双锥体（2）为两个底面相接的锥体，双锥体（2）通过固定组件（12）固定在吸热器本体（1）腔室中部；所述双锥体（2）表面均匀涂覆反射涂层（10）；所述吸热管（3）的吸热表面均匀涂覆吸热涂层（7）。
2.根据权利要求1所述的一种双面集热的复合式太阳能吸热器，其特征在于，所述吸热器本体（1）的腔体结构为圆柱形腔室，内腔为真空。
3.根据权利要求1所述的一种双面集热的复合式太阳能吸热器，其特征在于，所述吸热器本体（1）周向设有吸热器透明外壳（7）；所述吸热器本体（1）顶部设有吸热器透明上盖（8）；所述吸热器本体（1）底部设有吸热器透明下盖（9），所述吸热器透明外壳（7）、吸热器透明上盖（8）和吸热器透明下盖（9）形成密封壳体。
4.根据权利要求1所述的一种双面集热的复合式太阳能吸热器，其特征在于，所述吸热器本体（1）还包括环形上集箱（17）和环形下集箱（18），所述吸热管（3）为若干个直管，所述直管两端分别连通环形上集箱（17）和环形下集箱（18），传热工质入口（5）连通环形上集箱（17），传热工质出口（6）连通环形下集箱（18）；传热工质（4）从传热工质入口（5）流入环形上集箱（17），再流入吸热管（3），后流入环形下集箱（18）从传热工质出口（6）流出。
5.根据权利要求1所述的一种双面集热的复合式太阳能吸热器，其特征在于，相邻的吸热管（3）相切设置，吸热管（3）管缝间铺设金属丝，吸热管（3）和金属丝焊接密封连接形成管屏。
6.根据权利要求1所述的一种双面集热的复合式太阳能吸热器，其特征在于，在吸热管（3）之间设置扁钢，扁钢两端与两侧吸热管（3）焊接密封连接形成管屏。
7.根据权利要求1所述的一种双面集热的复合式太阳能吸热器，其特征在于，所述吸热管（3）为鳍片管，相邻鳍片管的鳍片焊接密封连接形成管屏。
8.一种双面集热的复合式太阳能吸热器的吸热方法，其特征在于，基于如权利要求1至7任意一项所述的复合式太阳能吸热器，包括，
一部分太阳辐射投射到内侧顶部定日镜（13），反射到弧形反光板（16），再从吸热器本体（1）顶部聚焦反射到吸热管（3）内侧面，加热传热工质（4）；
一部分太阳辐射投射到内侧底部定日镜（15），再从吸热器本体（1）底部反射到吸热管（3）内侧面，加热传热工质（4）；
一部分太阳辐射投射到外侧定日镜（14），经反射到吸热器本体（1）外侧后直接投射到吸热管（3）的外侧面，加热传热工质（4）；
内外侧面同时加热传热工质（4），加热升温后的传热工质（4）从传热工质出口（6）流出，释放热能后从传热工质入口（5）流入，实现循环吸热。
9.根据权利要求8所述的一种双面集热的复合式太阳能吸热器的吸热方法，其特征在于，从吸热器本体（1）顶部聚焦反射到吸热器本体（1）内侧面的太阳辐射，再经过双锥体（2）的上锥面均匀反射至吸热管（3）顶部内侧面；从吸热器本体（1）底部聚焦反射到吸热器本体（1）内侧面的太阳辐射，再经过双锥体（2）的下锥面均匀反射至吸热管（3）底部内侧面。
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