CN116465100B - 一种槽式平板太阳能集热器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种槽式平板太阳能集热器，包括平板吸热器和槽式反射面，所述平板吸热器设置在反射面的焦点位置，其特征在于，所述反射镜包括多个平面反射镜，多个平面反射镜互相连接，从而形成凹面反射面。本发明提供一种新式槽式平板太阳能集热器，通过设置多个平面反射镜，形成近似圆弧形的反射面，使得制造简单，缓解热胀冷缩问题，进一步加强集热。

Description

一种槽式平板太阳能集热器

技术领域

本发明属于太阳能领域，尤其涉及一种太阳能集热装置。

背景技术

随着现代社会经济的高速发展，人类对能源的需求量越来越大。然而煤、石油、天然气等传统能源储备量不断减少、日益紧缺，造成价格的不断上涨，同时常规化石燃料造成的环境污染问题也愈加严重，这些都大大限制着社会的发展和人类生活质量的提高。能源问题已经成为当代世界的最突出的问题之一。因而寻求新的能源，特别是无污染的清洁能源已成为现在人们研究的热点。

太阳能是一种取之不尽用之不竭的清洁能源，而且资源量巨大，地球表面每年收的太阳辐射能总量为1×10 ¹⁸kW·h，为世界年耗总能量的一万多倍。世界各国都已经把太阳能的利用作为新能源开发的重要一项。然而由于太阳辐射到达地球上的能量密度小(每平方米约一千瓦)，而且又是不连续的，这给大规模的开发利用带来一定困难。因此，为了广泛利用太阳能，不仅要解决技术上的问题，而且在经济上必须能同常规能源相竞争。

槽式集热器是一种利用的是光热转化方式，通过聚焦、反射和吸收等过程实现光能到热能的转化，使换热介质达到一定温度，以满足不同负载的需求的集热装置。槽式集热器属于中高温集热器的范畴，可以使换热工质得到比较高的温度，可被用到热发电、海水淡化处理、供暖工程、吸收式制冷等生活和生产领域。

由于太阳能广阔的应用前景，太阳能是槽式集热器的主要能量来源。太阳能槽式集热器在太阳能利用系统中占据主导地位，它为系统提供热源，其效率和投资成本会影响到整个集热系统的效率和经济性。槽式太阳能集热装置采用真空玻璃管结构，即内管采用镀有高吸收率选择性吸收图层的金属管，管内走加热介质，在外面为玻璃管，玻璃管与金属管间抽真空以抑制对流和传导热损失。

但现有的槽式太阳能集热器还存在不少问题，例如结构较复杂、成本较高及太阳能利用率较低等问题。针对槽式太阳能集热器的结构，现有技术已经进行了很多的研发和改进，但是整体来说集热能力不足，而且还存在制造麻烦、运行时间长热胀冷缩问题，影响集热效果。

针对上述问题，本发明在前面发明的基础上进行了改进，提供了一种新的槽式太阳能集热器，从而解决槽式太阳能集热器集热能力不足、制造麻烦、运行时间长导致热胀冷缩的问题。

发明内容

本发明提供了一种新的槽式平板太阳能集热器，解决槽式太阳能集热器集热能力不足、制造麻烦、运行时间长导致热胀冷缩的问题，从而解决前面出现的技术问题。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种槽式平板太阳能集热器，包括平板吸热器和槽式反射面，所述平板吸热器设置在反射面的焦点位置，其特征在于，所述反射镜包括多个平面反射镜，多个平面反射镜互相邻接，从而形成凹面反射面。

作为优选，平面反射镜的两端设置在一个圆弧上，从而构成接近圆弧面的反射镜。

作为优选，平面反射镜的两端与焦点的连线构成的夹角为小于30°。

作为优选，平面反射镜的两端与焦点的连线构成的夹角为10-30°。

作为优选，还包括基体，所述反射镜安装在基体内。

作为优选，平板吸热器有三块平板组成，分别是下板、中板和上板，上板的上部设置水入口和水出口，上板的下部设置水入口流道和水出口流道。

作为优选，所述水入口与水入口流道连通，水出口与水出口流道连通，水入口流道设置在下部的第一端部并且沿着第一方向沿着第一端延伸，水出口流道设置在下部的中部位置并且沿着垂直于水入口流道方向延伸。

作为优选，中板包括设置在上部的入口管流入流道和出口管流出口以及设置在中板下部的入口管和出口管，所述入口管流入流道包括设置在相对的两个端部的互相平行的两条，入口管流入流道的延伸方向垂直于第一方向并且每个入口管流入流道的一个末端与水入口流道连通；所述出口管流出口设置在中板上部的中间位置并且与水出口流道连通；入口管与入口管流入流道连通，出口管与出口管流出口连通；所述入口管和出口管间隔设置并且设置在两条入口管流入流道之间，入口管连通两条入口管流入流道，出口管与入口管通过下板上部连通。

作为优选，下板包括在上部设置的多个从下部向上延伸的集热体，所述集热体之间设置水流动的间隙流道。

作为优选，集热体是圆柱体。

与现有技术相比较，本发明具有如下的优点：

1)本发明提供了一种新的槽式平板太阳能集热器，通过设置多个连接的平面反射镜，使得槽式太阳能集热器制造方便，维护方便。

2)通过设置多个邻接的平板反射镜之间设置间隔，从而解决热胀冷缩导致的变形损坏等问题。

3)本发明对目前的平板吸热器进行了改进，将入口管流入流道为两条，这使得水流入入口管的方向为两个，而后水在入口管内发生撞击，这可以强化水对柱体阵列层的冲击，提高整体散热性能。

3)本发明通过入口管选择沿流动方向逐渐收缩的锥形结构，出口管选择沿流动方向逐渐扩大的锥形结构，这可以促使水均匀分布同时降低整体流动阻力，因此其既可以改善底面温度分布均匀性，又可以降低泵功消耗。

4)本发明通过集热柱体选择变直径柱体，在出口管侧的柱体换热能力更好，从而强化整体换热，实现底面温度的均匀分布。

附图说明

图1是本发明槽式太阳能集热器整体结构示意图；

图2是本发明平板吸热器整体结构拆分图；

图3是本发明平板吸热器进上板下部结构图；

图4是本发明平板吸热器中板上部和下部结构图；

图5是本发明平板吸热器入口管结构及出口管结构流动示意图；

图6是本发明平板吸热器集热体阵列整体及局部结构图；

图7是本发明槽式太阳能集热器改进结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

本文中，如果没有特殊说明，涉及公式的，“/”表示除法，“×”、“*”表示乘法。

图1-7公开了一种平板太阳能集热器。如图1所示，一种槽式平板太阳能集热器，包括槽式反射面1和平板吸热器2，所述平板吸热器2设置在反射面1的焦点位置，所述反射面包括多个平面反射镜11，多个平面反射镜11互相邻接，从而形成凹面反射面1。

本发明提供了一种新的槽式平板太阳能集热器，通过设置多个连接的平面反射镜，使得槽式太阳能集热器制造方便，简单的将平面反射镜安装即可，不需要单独设置圆弧形结构。因为每块反射镜是独立的，反射镜损坏可以直接替换相应的反射镜即可，因此维护方便。

作为优选，平面反射镜11的两端设置在一个圆弧4上，从而构成接近圆弧面的反射镜。通过如此设置使得反射面接近圆弧状。而且因为吸热器2是平板，因此即使吸热器中心位置偏离焦点也依然保证热量集热在吸热器上。

作为优选，平面反射镜11的两端与焦点的连线构成的夹角为小于30°。

作为优选，平面反射镜的两端与焦点的连线构成的夹角为10-30°。

作为优选，还包括基体3，所述反射镜安装在基体3内。通过设置基体，使得反射镜安装在

作为优选，所述反射镜之间设置间隔。通过设置多个邻接的平板反射镜之间设置间隔，从而解决热胀冷缩导致的变形损坏等问题。

作为优选，所述平板吸热器2的顶部设置聚光装置，用于将照射到平板吸热器顶部的热量进行集热，加热平板吸热器顶部，从而实现上部和下部都进行集热，从而增强集热效果。

作为优选，平板吸热器2的顶部至少设置一部分透明部分，所述透明部分的一部分就是聚光部件。通过设置透明的聚光部件，可以将照射到顶部的太阳光进行集热，加热平板吸热器内部的水，进一步促进太阳能的热利用。

作为优选，平板吸热器2的顶部全部透明。

作为优选，所述透明部分是凸透镜。

作为一个优选，通过反射面1进行旋转的方式，对平板吸热器2进行集热或者不集热。当需要集热的时候，反射面面向太阳，当不需要集热的时候，反射面不面向太阳。此种方式可以采用常规的太阳光跟踪系统的旋转反射镜的方式来实现，在此就不必详细说明。

作为优选，可以采取另一个实施例，采取平板吸热器2是否位于反射面焦点的方式来完成是否对平板吸热器2进行集热或者不集热的操作。当需要集热的时候，平板吸热器2位于反射镜的焦点，当不需要集热的时候，平板吸热器2不位于反射镜的焦点。

如图7所示，可以将所述反射面1沿着中部分为两部分，分别是第一面11和第二面12，第一面11和第二面12，如图7所示。所述支撑件5是支撑柱，设置在平板吸热器2的下部，液压伸缩杆51，52分别从支撑柱上伸出延伸连接到第一面11和第二面12。用来驱动第一面和第二面分开或者合并。当第一面和第二面合并在一起时，所述的反射面构成一个完整的反射面1，所述平板吸热器2位于反射面的焦点位置处，用于对反射面进行集热。当第一面和第二面分开时，所述的平板吸热器2不位于第一面和第二面的焦点，不对平板吸热器2进行集热。

上述设置主要目的是为了避免平板吸热器2温度过高，造成器件损坏。

作为优选，槽式太阳能集热器，包括固定架，固定架上表面的两侧分别活动安装有左反射面和右反射面，固定架与反射面之间设置有阳光追踪装置，能够随着太阳的移动横向转动，使得阳光能够从水管轴线方向射入，左反射面远离固定架的一侧固定安装有支架。

平板吸热器2的上部固定套接有吸热层，吸热层形成黑色体腔，使得达到吸收阳光效率增加而对阳光的发射减少，吸热层的外部固定套接有透镜管，透镜管上方为上凸形的凸透镜设置，中部厚度最大。

如图2所示，平板吸热器2，从上到下依次设置上板21、中板22和下板23，三层结构组合形成完整的平板吸热器2。

如图2、3所示，所述上板21包括上部和下部，所述上部设置水入口211和水出口214，水入口211和水出口214分别与水入口管和水出口管连接。下部设置水入口流道212和水出口流道213，所述水入口211与水入口流道212连通，水出口214与水出口流道213连通，水入口流道212设置在下部的第一端部并且沿着第一端方向，即沿着第一方向延伸，水出口流道212设置在下部的中部位置并且沿着垂直于水入口流道方向(第一方向)延伸。

作为优选，上板21的上部设置聚光部分，所述聚光部分设置在水入口流道212和水出口流道213对应的上部位置处。通过设置聚光部分，使得上部照射的太阳能集中加热水入口流道212和水出口流道213中的水，达到热量的充分利用。

作为优选，上板21的上部设置透明部分，所述透明部分设置在水入口流道212和水出口流道213对应的上部位置处。通过设置透明部分，使得上部照射的太阳能集中加热水入口流道212和水出口流道213中的水，达到热量的充分利用。

作为优选，所述透明部分是凸透镜。

图4上下图分别展示了中板22的上部和下部结构示意图。如图4所示，中板22包括设置在上部的入口管流入流道221和出口管流出口224以及设置在下部的入口管222和出口管223，所述入口管流入流道221包括设置在相对的两个端部的互相平行的两条入口管流入流道221，入口管流入流道221的延伸方向垂直于第一方向并且每个入口管流入流道221的一个末端与水入口流道222连通；所述出口管流出口224设置在中板下部的中间位置并且与水出口流道223连通；入口管222与入口管流入流道221连通，出口管223与出口管流出口224连通；所述入口管222和出口管223间隔设置并且设置在两条入口管流入流道221之间，入口管222连通两条入口管流入流道，出口管223与两条入口管流入流道不直接连通。出口管223与两条入口管流入流道通过下板上部连通。

作为优选，如图4所示，出口管223为长方形封闭结构，出口管223之间的间隔构成了入口管222。出口管与入口管通过下板上部连通。

如图6所示，下板3包括在上部设置的多个从上部向上延伸的集热体231，优选是集热柱体231，所述集热体231之间设置水流动的流道232。

本发明的工作流程如下：水从水入口211流入到水入口流道212，而后流入到入口管流入流道221内并被分配到入口管222中，水在入口管222由于流动方向是相对的，因此在其中间发生撞击被迫流入到集热柱体间隙流道232内，并在此过程中吸收柱体231传导上来的热量，实现吸热效果。水吸热完成后，流入到出口管223内，并经出口管224流出口流出，而后汇入到水出口流道223内，并在水出口214流出，至此整个流动换热过程完成，水由外部驱动泵驱动，源源不断的流入平板吸热器，持续不断的吸收太阳能的热量，实现集热。

本发明对目前的槽式集热器进行了改进，将入口管流入流道为两条，这使得水流入入口管的方向为两个，而后水在入口管内发生撞击，这可以强化水对柱体阵列层的冲击，提高整体散热性能。由于入口管的水力直径较大，而下板集热柱体阵列间隙尺寸较小，加之水的流速较大，因此更多的水会在入口管内发生撞击而后转入下板柱体阵列层。

作为优选，集热体是柱体结构，优选是圆柱结构。

作为优选，沿着水流动方向(即从两条入口管流入流道向中间方向)，集热体的分布密度越来越小。通过如此分布，减少中间位置的流动阻力，使得水在中间位置冲撞力量更大，进一步强化传热。作为优选，沿着水流动方向(即从两条入口管流入流道向中间方向)，集热体的分布密度越来越小的幅度不断增加。通过如此分布，更加进一步强化传热。

作为优选，入口管222选择沿流动方向逐渐收缩的锥形结构，出口管223选择沿流动方向逐渐扩大的锥形结构。通过如此设置，可以促使水均匀分布同时降低整体流动阻力，因此其既可以改善底面温度分布均匀性，又可以降低泵功消耗，促进水的流速的不断增加，进一步的撞击力度，进一步强化水对柱体阵列层的冲击，提高整体集热性能。

作为优选，出口管223位置处柱体231的换热能力大于入口管222位置处的换热能力。通过有针对性的强化出口管223位置处的换热，可以进一步使得热量分布更加均匀，强化整体换热，实现底面温度的均匀分布。由于水在入口管处还未与下板柱体阵列层发生剧烈的换热过程，因此此时水温度较低，与柱体阵列层换热温差较大，换热较为剧烈，而当水留至出口管处时，由于在此前的流动过程中已经吸收了一部分热量，水温度上升，因此与下板柱体层的换热温差降低，换热能力与入口管处相比大幅降低，因此这会导致入口管处的柱体被携带走的热量多，出口管处柱体被携带走的热量少，这会引起热沉底面温度分配不均。而将柱体设置为变直径柱体时，入口管侧柱体的直径较大，导热热阻也更大。这会抑制水吸收此处的热量，从而加强水在出口管处的换热，以弥补水温度逐渐上升带来的对换热过程的削弱。需要说明的是，进出口柱体的直径差距也不可以过大，这会使得在入口管处的换热较弱，出口管处的换热作用过于剧烈，也会引起温度的不均匀分布。因此根据我们的模拟结构，结合其实际应用，我们在本专利中提出入口管侧柱体与出口管侧柱体的直径比应在1.5～2中间较为适宜。

作为优选，水入口211和水出口114分别设置在相对的两端。使得水流动更加均匀，分布面积广泛。

作为优选，如图3所示，水出口流道223呈锥形结构，从水入口流道222侧开始沿着延伸方向流通面积逐渐增加。水的入口管沿着流动方向逐渐收缩，而出口管沿着流动方向流动面积逐渐增加是由于，当水流经入口管时，水更倾向于沿着管流动，因此大量水在末端聚集，此处的柱体区域也被分配更多的水，因此这会导致水的分配不均，入口管选择锥形收缩结构，可以使水在流动过程中与管上部的面发生碰撞，水动量发生变化，产生向下的速度，使得水分布更加均匀，热沉整体的温度分布也更加均匀。而出口管选择沿流动方向逐渐增大的锥形结构是因为水在出口管的流动方向上是逐渐增多的，比如在其出口管的根部区域流过的水仅仅是一部分，而在其出口区域则是汇集之后的全部水，因此采用这种结构可以降低整体流动压降，其次可与入口管协同使得整体水分布更均匀，这在模拟工作中得以证实。

作为优选，如图4所示，出口管流出口224设置多个，每个出口管流出口224与下部的出口管一一对应。

作为优选，如图4所示，入口管流入流道上下方向上贯通整个中板。

作为优选，出口管位置处柱体的分布密度大于入口管位置处的柱体的分布密度。通过有针对性的强化出口管223位置处的换热，可以进一步使得热量分布更加均匀，强化整体换热，实现底面温度的均匀分布。

作为优选，所述集热体是弹性结构，通过弹性结构可以使得水流动的时候冲刷集热体，集热体会脉动性的摆动，从而促进除垢，振动导致扰流作用，也能强化传热。

作为优选，集热体可以是弹簧。

作为优选，沿着水流动方向(即从两条入口管流入流道向中间方向)，集热柱的弹性越来越大。因为随着研究发现，在中部的位置处水更加容易积垢，而且沿着水流动方向结垢程度越来越严重，因此通过设置弹性程度不断增加，已达到进一步除垢强化传热目的，减少大弹性的集热体，降低成本。

进一步优选，沿着水流动方向(即从两条入口管流入流道向中间方向)，集热柱的弹性越来越大的幅度不断增加。上述的变化也是根据研究发现的，符合结垢的规律，能够进一步降低成本，提高换热效率，降低结垢。

虽然本发明已以较佳实施例披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims (6)

1.一种槽式平板太阳能集热器，包括平板吸热器和槽式反射面，所述平板吸热器设置在反射面的焦点位置，其特征在于，所述反射面包括多个平面反射镜，多个平面反射镜互相邻接，从而形成凹面反射面；平板吸热器有三块平板组成，分别是下板、中板和上板，上板的上部设置水入口和水出口，上板的下部设置水入口流道和水出口流道；下板包括在上部设置的多个从下部向上延伸的集热体，所述集热体之间设置水流动的间隙流道；所述水入口与水入口流道连通，水出口与水出口流道连通，水入口流道设置在下部的第一端部并且沿着第一方向沿着第一端延伸，水出口流道设置在下部的中部位置并且沿着垂直于水入口流道方向延伸；中板包括设置在上部的入口管流入流道和出口管流出口以及设置在中板下部的入口管和出口管，所述入口管流入流道包括设置在相对的两个端部的互相平行的两条，入口管流入流道的延伸方向垂直于第一方向并且每个入口管流入流道的一个末端与水入口流道连通；所述出口管流出口设置在中板上部的中间位置并且与水出口流道连通；入口管与入口管流入流道连通，出口管与出口管流出口连通；所述入口管和出口管间隔设置并且设置在两条入口管流入流道之间，入口管连通两条入口管流入流道，出口管与入口管通过下板上部连通；出口管位置处集热体的换热能力大于入口管位置处的换热能力。

2.如权利要求1所述的太阳能集热器，其特征在于，平面反射镜的两端设置在一个圆弧上，从而构成接近圆弧面的反射镜。

3.如权利要求2所述的太阳能集热器，其特征在于，平面反射镜的两端与焦点的连线构成的夹角为小于30°。

4.如权利要求3所述的太阳能集热器，其特征在于，平面反射镜的两端与焦点的连线构成的夹角为10-30°。

5.如权利要求1所述的太阳能集热器，其特征在于，还包括基体，所述反射镜安装在基体内。

6.如权利要求1所述的太阳能集热器，其特征在于，集热体是圆柱体。