CN114508864A - 一种偏心管式聚光太阳能集热系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种偏心管式聚光太阳能集热系统，属于聚光太阳能发电领域，一种偏心管式聚光太阳能集热系统，包括偏心集热管组件，偏心集热管组件包括有玻璃管和安装在玻璃管内部的偏心管，玻璃管和偏心管之间设置有真空环隙，偏心管的内部设置有工质，偏心管的外侧为外圆，偏心管的内侧为内圆，外圆和内圆呈偏心设置，偏心管为偏心集热管本体，它可以实现，提高太阳能热利用率及管道安全性能，有效减小周向热应力及形变，提高管道使用寿命，提高化学反应效率。

Description

一种偏心管式聚光太阳能集热系统

技术领域

本发明涉及聚光太阳能发电领域，更具体地说，涉及一种偏心管式聚光太阳能集热系统。

背景技术

聚光太阳能热发电技术的核心为聚光-集热子系统，其性能关系到整个太阳能热发电系统的高效、经济运行，其中集热管的性能好坏极其重要，直接影响着工质的换热过程及热化学反应的进行，进而影响系统的集热效率，聚光器的作用是将接收到的太阳入射光线按照设计的理想聚光比反射汇聚到集热管接收器上，由于其聚光特性使太阳能能流密度沿吸热管周向分布不均匀，导致集热管产生周向温差，引起形变甚至破坏集热管，对光热转换、传递造成不利影响，降低集热器的寿命，且管内出现温度梯度，对于太阳能热化学发电中的催化反应也会造成不利影响；

综上，现有技术中的太阳能集热系统太阳能热利用率较低，反应效率较低，容易发生形变，导致管道安全性能较差，使用寿命较短，为此我们提出一种偏心管式聚光太阳能集热系统。

发明内容

1.要解决的技术问题

针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种偏心管式聚光太阳能集热系统，它可以实现，提高太阳能热利用率及管道安全性能，有效减小周向热应力及形变，提高管道使用寿命，提高化学反应效率。

2.技术方案

为解决上述问题，本发明采用如下的技术方案。

一种偏心管式聚光太阳能集热系统，包括偏心集热管组件，所述偏心集热管组件包括有玻璃管和安装在玻璃管内部的偏心管，所述玻璃管和偏心管之间设置有真空环隙，所述偏心管的内部设置有工质，所述偏心管的外侧为外圆，所述偏心管的内侧为内圆，所述外圆和内圆呈偏心设置，偏心管外圆与玻璃管同心。

进一步的，所述偏心管为偏心集热管本体，所述工质为换热工质。

进一步的，所述系统还包括有抛物型反射镜和多个支撑件，所述抛物型反射镜的中间位置即反射镜焦线，所述偏心集热管组件通过多个支撑件固定连接在反射镜焦线上。

进一步的，所述系统还包括有多个线性菲涅尔反光镜，多个所述线性菲涅尔反光镜呈环形阵列，多个所述线性菲涅尔反光镜的中间位置设置即反射镜焦线，所述换热工质位于反射镜焦线上。

进一步的，多个所述线性菲涅尔反光镜均朝靠近反射镜焦线的方向倾斜。

进一步的，所述偏心管为吸收/反应管，其内填充催化剂颗粒即为工质，所述工质为催化反应床。

进一步的，所述偏心集热管组件的偏心率与聚光镜聚集的非均匀热流密度大小成正相关。

进一步的，所述外圆的半径为外圆半径R，所述内圆的半径为内圆半径r，所述偏心管外圆和内圆的圆心之差为偏心距S，所述偏心率为偏心距与外圆半径、内圆半径之差的比值，即为，所述偏心率＝偏心距S/(外圆半径R-内圆半径r)。

3.有益效果

相比于现有技术，本发明的优点在于：

(1)本方案提供的偏心管抛物槽式聚光太阳能集热器，采用偏心式集热管，使集热管换热特性与周向非均匀热流密度相匹配，强化管底部工质的换热效果，提高换热效率，有效降低集热管周向温差，减小周向应力。

(2)本方案提供的偏心管菲涅尔式太阳能集热器，对集热管进行偏心化改造后，使管壁换热特性符合其非均匀热流分布特性，有助于促进光热转化与传递，减小周向温差引起的管道形变进而提高聚光准确性，提高集热管使用寿命。

(3)本方案提供的偏心管太阳能中低温制氢吸收/反应器，通过采用偏心设计，使吸收/反应器换热特性与周向非均匀热流密度相匹配，有效降低吸收/反应器内温度梯度，均匀化学反应速率，并降低管底部反应床温度，防止出现局部热点导致催化剂烧结或失效。有效促进反应进程，提高反应效率。

(4)本方案提供的偏心管式聚光太阳能集热系统改造简单，不会增加系统的复杂性和管道压降，有效解决了热流密度分布不均引起的周向温差过大问题，提高集热管寿命，为聚光太阳能发电技术的发展提供了新的思路和帮助。

附图说明

图1为本发明实施例1中的结构示意图；

图2为本发明实施例2中的结构示意图；

图3为本发明实施例3中的结构示意图；

图4为本发明实施例4中的结构示意图。

图中标号说明：

1、玻璃管；2、真空环隙；3、偏心集热管本体；4、换热工质；5、支撑件；6、抛物型反射镜；7、水平面；8、反射镜焦线；9、线性菲涅尔反光镜；10、吸收/反应管；11、催化反应床。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述；显然，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，都属于本发明保护的范围。

实施例1：

请参阅图1-4所示，一种偏心管式聚光太阳能集热系统，包括偏心集热管组件；

由于抛物槽式太阳能集热器、线性菲涅尔式集热器的集热特性，导致聚光太阳能热流密度沿集热管周向分布不均匀，集热管底部热流密度较大，沿着两侧管壁向上逐渐减小呈对称分布，传统集热管管壁厚度相同，不能较好地适应实际非均匀工况，导致管壁周向温差较大，产生较大的应力及形变，不利于热管的长期安全使用且会降低聚光准确性，对于聚光太阳能热化学发电来讲，还会在热管表面最高温度处产生局部热点，引起反应物或催化物烧结，过大的温度梯度也不利于催化反应的有效进行；

为提高集热管换热能力使之与周向非均匀热流密度相匹配，对其进行偏心化改造，衡量偏心程度的指标为偏心率，定义为偏心距与内外管径之差的比值，不同偏心率的偏心管两侧厚薄比不同，对应换热能力也不同，在保证集热管安全运行的情况下，偏心率与偏心管的热流密度大小成正相关。针对抛物槽式聚光太阳能集热器，采用偏心式集热管，下部薄侧对应较高的热流密度，起到较好的换热效果，上部厚侧对应较小的热流密度，使得管壁周向温差显著减小，周向应力也随之减小，防止热应力超过集热管的屈服强度造成破坏，有效提升集热管使用寿命，针对线性菲涅尔式太阳能集热器可起到相同均匀效果，减小应力的同时也改善了集热管形变对聚光准确性产生的不利影响，针对太阳能热化学发电来讲，偏心化改造可应用到聚光太阳能中低温制氢吸收/反应器中，通过偏心设计减小管内反应物/催化剂温度梯度，有利于管内催化反应的顺利高效进行，另外还可减小集热管下部的最高温度，防止出现局部热点而造成反应物或催化物烧结，破坏反应的进行；

为了能够有效的实现上述原理，且更加方便的对装置进行说明，在此公开一种偏心集热管组件的具体结构，偏心集热管组件包括有玻璃管1和安装在玻璃管1内部的偏心管，偏心管上设置有涂层，玻璃管1和偏心管之间设置有真空环隙2，偏心管的内部设置有工质，偏心管的外侧为外圆，其半径为外圆半径R，偏心管的内侧为内圆，其半径为内圆半径r，外圆和内圆呈偏心设置，偏心管外圆与玻璃管1同心，偏心管外圆和内圆的圆心之差为偏心距，记为S，偏心距与外圆半径、内圆半径之差的比值即为偏心率，即为偏心率＝偏心距S/(外圆半径R-内圆半径r)；

偏心集热管组件的偏心率与聚光镜聚集的非均匀热流密度大小成正相关；

在此，偏心管为偏心集热管本体3，工质为换热工质4；

偏心率不同的集热管换热能力也不同，针对不同工况可选择不同偏心率的集热管以达到最好的换热效果，热辐射经过玻璃管1进入真空环隙2，真空环境中损失极少热量然后到达涂有涂层的偏心集热管本体3，然后对其中的换热工质4进行加热，完成光能到热能的转化。

实施例2：

请参阅图2所示，在实施例1的基础上公开一种偏心集热管组件的应用方式；

抛物槽式是最为成熟的一种聚光太阳能热利用技术，因其系统结构相对简单、技术较为成熟，目前商业化程度最高，抛物槽式太阳能热发电系统的核心为聚光-集热子系统，其性能关系到整个系统的高效、经济运行，聚光-集热子系统由聚光镜、集热管和跟踪装置构成，传热工质在集热管内流动，集热管的性能直接影响着工质的换热过程，进而影响系统的集热效率，抛物槽式聚光集热器中的集热管通常由套装在一起的外层玻璃管和表面涂覆有发射率较小的金属陶瓷选择性吸收涂层的金属管组成，两者之间密封连接，环形夹层内抽真空保护吸热管表面的涂层并最大限度降低吸热管与环境之间的辐射、导热和对流换热，但是在太阳能热发电系统中由于聚光比较高，集热器表面温度可达400℃以上，且槽式太阳能集热管工作时，仅面向反射镜一侧受热，而另一侧几乎没有热流，致使吸热管周向产生较大温度梯度，而周向温差产生的热应力若超过吸热管的屈服强度，可导致吸热管弯曲变形，甚至会使集热器玻璃套管破裂，集热效率大大下降，不利于设备安全高效运行；

为了提升装置的性能，让偏心集热管组件可应用于抛物槽式聚光太阳能集热器上，本系统还包括有抛物型反射镜6和多个支撑件5，抛物型反射镜6与水平面7正切设置，抛物型反射镜6的中间位置即反射镜焦线8，偏心集热管组件通过多个支撑件5固定连接在反射镜焦线8上，形成一偏心管抛物槽式聚光太阳能集热器；

其中，抛物型反射镜6的截面呈弧形，偏心集热管组件通过支撑件5固定连接在抛物型反射镜6的反射镜焦线8上，此时，通过抛物型反射镜6的结构设置，能够自动将照射在抛物型反射镜6上的阳光折射到偏心集热管组件上。

此时，抛物型反射镜6将接收到的太阳入射光线按照设计的聚光比反射汇聚到玻璃管1上并传递给偏心集热管组件，由于聚光系统的聚光特性，偏心集热管组件下部所受太阳能热流密度较高，偏心集热管组件薄侧可起到较好的换热效果，厚侧则对应较小的热流密度，相较于传统中心管而言管壁周向温差得到显著改善，从而减小周向应力，保护集热管，促进光热转换。

实施例3：

请参阅图3所示，在实施例1的基础上公开另一种偏心集热管组件的应用方式；

线性菲涅尔聚焦技术是近年来快速发展的一种新型聚焦形式，该设计采用多组环形排列的反射镜取代传统的抛物面反射镜，将太阳光聚焦于接收器中，但同样由于其聚光系统的聚光特性，太阳能沿集热管周向分布不均匀，影响集热管中流动换热，并产生周向应力，对集热管造成破坏，影响使用寿命；

为了提升装置的性能，让偏心集热管组件可应用于线性菲涅尔聚焦式聚光太阳能集热器上，本系统还包括有多个线性菲涅尔反光镜9，多个线性菲涅尔反光镜9呈环形阵列放置在水平面7的上侧，多个线性菲涅尔反光镜9的中间位置即反射镜焦线8，换热工质4位于反射镜焦线8上，且多个线性菲涅尔反光镜9均朝靠近反射镜焦线8的方向倾斜，形成一偏心管菲涅尔式太阳能集热器，线性菲涅尔反光镜9将太阳能光线按其阵列特性反射汇聚最后到达偏心集热管本体3上，偏心率的合理选取能够降低管壁周向温差，从而有效减小其引起的集热管形变及对聚光准确性的影响，同时可显著提高集热管的使用寿命，提高设备可用率。

实施例4：

请参阅图4所示，在实施例2的基础上公开另一种偏心集热管组件的应用方式；

太阳能热化学燃料转换发电是太阳能热发电的另一种重要途径，太阳能热化学是利用聚光装置聚集太阳辐射转化为太阳热能，将其作为反应热，驱动吸热化学反应，从而将太阳热能转化为燃料的化学能，太阳能燃料转换技术在稳定、长期地储存太阳能，同时对其高效利用方面具有较大优势，其中由金红光院士等提出的中低温太阳能燃料转换则具有更高的太阳能利用效率和低成本优势，可以在降低成本的同时，将低品位太阳热能转换为燃料化学能，显著提高太阳能利用率，抛物槽式聚光镜将入射的太阳光聚集到位于镜面焦线位置的吸收/反应器中，聚集的太阳能提供重整反应所需要的反应热，吸收/反应器中填充催化剂颗粒，反应物甲醇、水蒸气在催化剂床层中吸收太阳热能，发生重整反应，将吸收的太阳能转化为化学能储存在合成气中，但是由于聚光系统精度的限制和聚光特性导致聚集太阳光不均匀，使吸收/反应器表面产生较大的温度梯度，在某些小范围内还会出现极高的温度即所谓的“热点”，热点处易导致反应物或催化剂烧结，同时反应区域温度梯度较大还会影响反应进程；

为了提升装置的性能，在此公开一种新型的聚光太阳能中低温制氢吸收/反应器，本实施例中的聚光太阳能中低温制氢吸收/反应器和实施例2中的偏心管抛物槽式聚光太阳能集热器不同仅在于将偏心集热管本体3更换成吸收/反应管10，且换热工质4更换成催化反应床11，即为其内填充催化剂颗粒，形成聚光太阳能中低温制氢吸收/反应器；

此时，偏心式吸收/反应管10以应对周向非均匀分布热流，有效减小催化反应床11的温度梯度，减弱其对催化反应的不利影响。同时薄侧的良好换热能力还可减小吸收/反应管10下部的最高壁温，防止出现局部热点造成反应物或催化剂的烧结或失效，保障重整反应的进行。

由上可见，本发明提出的一种偏心管式聚光太阳能集热系统可有效应用到抛物槽式聚光太阳能集热器、线性菲涅尔式太阳能集热器以及聚光太阳能中低温制氢吸收/反应器上，对各自集热管、吸收/反应器周向传热起到较好优化效果，提高太阳能热利用率及管道安全性能，有效减小集热管周向温差并减小周向应力造成的形变，保护管道使用寿命，同时最高壁温的降低还可保障催化反应的有效进行，提高反应效率，为聚光太阳能发电技术的发展提供了新的思路和帮助。

以上，仅为本发明较佳的具体实施方式；但本发明的保护范围并不局限于此。任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其改进构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种偏心管式聚光太阳能集热系统，包括偏心集热管组件，其特征在于：所述偏心集热管组件包括有玻璃管(1)和安装在玻璃管(1)内部的偏心管，所述玻璃管(1)和偏心管之间设置有真空环隙(2)，所述偏心管的内部设置有工质，所述偏心管的外侧为外圆，所述偏心管的内侧为内圆，所述外圆和内圆呈偏心设置，偏心管外圆与玻璃管(1)同心。

2.根据权利要求1所述的一种偏心管式聚光太阳能集热系统，其特征在于：所述偏心管为偏心集热管本体(3)，所述工质为换热工质(4)。

3.根据权利要求2所述的一种偏心管式聚光太阳能集热系统，其特征在于：所述系统还包括有抛物型反射镜(6)和多个支撑件(5)，所述抛物型反射镜(6)的中间位置即反射镜焦线(8)，所述偏心集热管组件通过多个支撑件(5)固定连接在反射镜焦线(8)上。

4.根据权利要求2所述的一种偏心管式聚光太阳能集热系统，其特征在于：所述系统还包括有多个线性菲涅尔反光镜(9)，多个所述线性菲涅尔反光镜(9)呈环形阵列，多个所述线性菲涅尔反光镜(9)的中间位置即反射镜焦线(8)，所述换热工质(4)位于反射镜焦线(8)上。

5.根据权利要求4所述的一种偏心管式聚光太阳能集热系统，其特征在于：多个所述线性菲涅尔反光镜(9)均朝靠近反射镜焦线(8)的方向倾斜。

6.根据权利要求1所述的一种偏心管式聚光太阳能集热系统，其特征在于：所述偏心管为吸收/反应管(10)，其内填充催化剂颗粒即为工质，所述工质为催化反应床(11)。

7.根据权利要求1所述的一种偏心管式聚光太阳能集热系统，其特征在于：所述偏心集热管组件的偏心率与聚光镜聚集的非均匀热流密度大小成正相关。

8.根据权利要求7中所述的一种偏心管式聚光太阳能集热系统，其特征在于：所述外圆的半径为外圆半径R，所述内圆的半径为内圆半径r，所述偏心管外圆和内圆的圆心之差为偏心距S，所述偏心率为偏心距与外圆半径、内圆半径之差的比值，即为，所述偏心率＝偏心距S/(外圆半径R-内圆半径r)。

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