CN201811453U - 金属螺旋管式太阳能集热器 - Google Patents

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Abstract

金属螺旋管式太阳能集热器,涉及太阳能热利用技术。在支撑体上方布置柱状螺旋金属管,在螺旋金属管的下方设置聚光反射件,聚光反射件设置在所述支撑体上,螺旋金属管的两端分别连接可与外部的储热或用热系统连接的金属引出管;特殊设计的聚光反射件中的任意一段都可做到在该段反光面上所到达的太阳入射光线在其阳光强度相对强的那一整段时间内全部反射汇聚到集热元件表面,而其它形状的反光聚光面反射汇聚同样长短的一段时间内的太阳入射光线其光线却不是一天中最强的那一段时间内的光线。螺旋金属管输出端的介质温度有可能大大提高,为太阳能提供了其它领域的使用空间。

Description

金属螺旋管式太阳能集热器 
技术领域
本实用新型涉及太阳能热利用技术。 
背景技术
太阳能集热器是一种太阳能热利用的基础应用件。现有技术太阳能集热器,一类是管板式(又称平板式)集热器,输出温度不高,另一类是现在大量普及应用的真空管式集热器,虽然输出温度有所提高,但其稳定的输出温度很难超过100℃,一般限于加热100℃以下的介质,极大地影响了太阳能热利用的应用范围。 
实用新型内容
本实用新型目的在于设计一种进一步地提高传热介质输出温度的金属螺旋管式太阳能集热器。 
本实用新型在支撑体上方布置柱状螺旋金属管,在螺旋金属管的下方设置聚光反射件,聚光反射件设置在所述支撑体上,螺旋金属管的两端分别连接可与外部的储热或用热系统连接的金属引出管; 
所述聚光反射件的反射面形状为一空间曲面,该空间曲面的截线为至少三段顺序相连的抛物线L0、L1、L2……Li组成,各抛物线的焦点均位于平面极坐标系的极点,各段抛物线Li满足下列方程: 
Figure BSA00000258865400011
其中,i=0,1,2,3,4,5......; 
ρ为抛物线上的点到极点的距离即极径; 
Pi为抛物线的焦参数,为相应抛物线的顶点至焦点距离的二倍; 
θ为极坐标系中抛物线上的点的极角或幅角,90°<θ≤270°; 
Figure BSA00000258865400021
为抛物线轴的偏转角,指抛物线轴以极点为中心沿逆时针方向旋转的角; 
L1与L0的交点A11,θ1
L2与L1的交点A22,θ2
Li与Li-1的交点Aii,θi
抛物线L0的轴与平面极坐标系的极轴的垂线间的夹角为0,此时,抛物线L0未旋转,旋转角 
Figure BSA00000258865400022
为0; 
抛物线L1的轴相对L0的轴沿逆时针方向旋转,旋转中心为平面极坐标系的极点,旋转的角度为 称偏转角为 
Figure BSA00000258865400024
抛物线L2    旋转的角度为 
Figure BSA00000258865400025
抛物线Li    旋转的角度为 
Figure BSA00000258865400026
相邻抛物线的焦参数P值满足下列方程: 
Figure BSA00000258865400027
其中:i=0,1,2,3…… 
Figure BSA00000258865400028
     
Figure BSA00000258865400029
曲线上任意一点Aii,θi)对于集热聚焦圆的张角为2βi,βi为正值; 
当仅在平面极坐标系的极轴的过点Ai处的垂线的同一侧有入射光线到达Ai点时,在Ai处的入射光线相对于平面极坐标系的极轴的过点Ai处的垂线的最大偏转角为ωi,入射光线相对于平面极坐标系的极轴的过点Ai处的垂线的最小偏转角为αi; 
当平面极坐标系的极轴的过点Ai处的垂线的两侧有入射光线到达Ai点时,在Ai处的左侧入射光线相对于平面极坐标系的极轴的过点Ai处的垂线的最大偏转角为ωi,右侧入射光线相对于平面极坐标系的极轴的过点Ai 处的垂线的最大偏转角为αi; 
令相对于平面极坐标系的极轴的过点Ai处的垂线的偏转角αi为逆时针时为正值;相对于平面极坐标系的极轴的过点Ai处的垂线的偏转角αi为顺时针时为负值; 
Figure BSA00000258865400031
仅在平面极坐标系的极轴的过点Ai处的垂线同一侧有入射光线到达Ai点时,偏转角αi为逆时针为正值, 
Figure BSA00000258865400032
在平面极坐标系的极轴的过点Ai处的垂线两侧均有入射光线到达Ai点时,偏转角αi为顺时针为负值, 
Figure BSA00000258865400033
所述聚光反射件的反射面的空间曲面为所述截线沿该截线所在平面的垂线方向拉伸而成的呈槽形的曲面,各截线的焦点成一直线,所述螺旋金属管的中心线沿该直线设置。 
本实用新型的螺旋金属管的管径可以较细,其中的传热介质量便可大大减少,而螺旋的直径可以较大,以增加吸热面。在介质总量小而吸热面大的有利条件下,热能输出温度则会大大提高,故集热器能输出较高的介质温度。本实用新型特殊设计的聚光反射件中的任意一段都可做到在该段反光面上所到达的太阳入射光线在其阳光强度相对强的那一整段时间内全部反射汇聚到集热元件表面,而其它形状的反光聚光面反射汇聚同样长短的一段时间内的太阳入射光线其光线却不是一天中最强的那一段时间内的光线。螺旋金属管输出端的介质温度有可能大大超出100℃,为太阳能提供了其它领域的使用空间,如高温加热、制冷、海水淡化、热发电等。 
本实用新型所述空间曲面的截线还可为一对称曲线,所述对称曲线的对称轴为所述截线所在平面极坐标系的极轴的过极点的垂线。空间曲面的截线既可以是关于平面极坐标系中极轴垂线的对称图形,也可以仅为极轴垂线一侧的部分,分别用在不同方位设置的集热管、不同倾角设置的集热器上,可以获得最佳集热效果。 
本实用新型还可在螺旋金属管外表面设置太阳能吸热膜。 
为了防止灰层或其它污物污染螺旋金属管或聚光反射件,本实用新型还在螺旋金属管的上方设置透明罩板,所述透明罩板与支撑体之间设置第一密封腔。 
为了减少储存于螺旋金属管内的高温的介质对外散热,本实用新型还在螺旋金属管和所述透明罩板之间设置内层透明罩板,所述内层透明罩板与支撑体之间设置第二密封腔。 
螺旋金属管的外侧还可以设置翅片,由于翅片随金属管而螺旋绕制,形成圆柱面,可将螺距较小的螺旋金属管改为有间隙的、螺距较大的绕制方式,这样既可保持相同的吸热面,又可使螺旋金属管展开的总长度减小,从而使管内的传热介质量得以进一步减少,输出温度进一步提高。 
所述翅片为螺旋形。 
同时,还可在翅片表面设置太阳能吸热膜。 
螺旋金属管至少两根并行绕制。 
附图说明
图1为本实用新型的一种结构示意图。 
图2为图1的一种A-A断面图。 
图3为本实用新型的另一种结构示意图。 
图4、5都为聚光反射件反光面的截线原理示意图。 
图6为反光面的截线示意图。 
具体实施方式
如图1、2所示,在支撑体1上方布置柱状双螺旋金属管2,在螺旋金属管2的下方设置聚光反射件3,聚光反射件3固定在支撑体1上,螺旋金属管2的两端分别连接可与集热系统连接的金属引出管4、5。在双螺旋金属管2外设置太阳能吸热膜12。 
在螺旋金属管2的上方设置透明罩板6,透明罩板6与支撑体1之间设置密封腔7。 
如图3所示,在单螺旋金属管2和透明罩板6之间设置内层透明罩板8,内层透明罩板8与支撑体1之间设置第二密封腔9。 
还可以在螺旋金属管2的外表面设置翅片11,翅片11可以为螺旋形,可构成包裹在螺旋金属管2外的圆筒形。 
太阳能吸热膜设置在螺旋金属管2的外的翅片11的外表面。 
如图4、5、6所示,聚光反射件3的反射面形状为一空间曲面,该空间曲面的截线为至少三段顺序相连的抛物线L0、L1、L2……Li组成,各抛物线的焦点均位于平面极坐标系的极点,各段抛物线Li满足下列方程: 
其中,i=0,1,2,3; 
ρ为抛物线上的点到极点的距离即极径; 
Pi为抛物线的焦参数,为相应抛物线的顶点至焦点距离的二倍; 
θ为极坐标系中抛物线上的点的极角或幅角,90°<θ≤270°; 
Figure BSA00000258865400052
抛物线轴(即抛物线的对称轴)的偏转角,指抛物线轴以极点为中心沿逆时针方向旋转的角; 
L1与L0的交点A11,θ1
L2与L1的交点A22,θ2
L3与L2的交点A33,θ3
抛物线L0的轴(即对称轴)与平面极坐标系的极轴的垂线间的夹角为0,即抛物线L0未旋转,旋转角 
Figure BSA00000258865400053
为0; 
L0的数学表达式: 
ρ = P 0 [ 1 + Sinθ ] Cos 2 θ
由于聚光反射件3安装于支撑体1上,可将抛物线L0过焦点并与抛物线轴垂直的弦的弦长B1B2作为要想会聚的入射光线族的最大宽度,取 B1B2=2P0,P0也等于抛物线L0的顶点至焦点距离的二倍。聚光反射件3的最大宽度不限于在B1与B2两点之间,可以继续向左向右延伸。 
L1的数学表达式: 
Figure BSA00000258865400061
抛物线L1的轴相对L0的轴沿逆时针方向旋转,旋转中心为平面极坐标系的极点,旋转的角度为 
Figure BSA00000258865400062
称偏转角为 
Figure BSA00000258865400063
抛物线L2    偏转角为 
Figure BSA00000258865400064
抛物线Li    偏转角为 
Figure BSA00000258865400065
相邻抛物线的焦参数P值满足下列方程: 
Figure BSA00000258865400066
其中:i=0,1,2,3 
Figure BSA00000258865400067
Figure BSA00000258865400068
如图4中,曲线上任意一点A11,θ1)对于集热聚焦圆(即螺旋金属管2形成的表面外圆)的张角为2β1,令β1为正值。 
当平面极坐标系的极轴的过点A1处的垂线A1M1的两侧均有入射光线到达A1点时,在A1处的左侧入射光线相对于垂线A1M1的最大偏转角为ω 1,右侧入射光线相对于垂线A1M1的最大偏转角为α1,由于该α1相对于垂线A1M1为顺时针,故此时α1为负值。 
曲线上点A11,θ1)的 
Figure BSA00000258865400069
如图5所示,曲线上任意一点A22,θ2)对于集热聚焦圆的张角为2β2,令β2为正值。 
此时,仅在平面极坐标系的极轴的过点A2处的垂线A2M2的同一侧有入射光线到达A2点,在A2处的入射光线相对于垂线A2M2的最大偏转角为ω2,入射光线相对于垂线A2M2的最小偏转角为α2;此时,α2相对于垂线 A2M2的偏转角为逆时针,故此时α2为正值。 
此时,曲线上点A22,θ2)的 
Figure BSA00000258865400071
本实用新型的聚光反射件3的反射面的空间曲面为截线沿该截线所在平面的垂线方向拉伸而成的呈槽形的曲面,各截线的焦点成一直线,螺旋金属管2的中心线沿该直线设置。 
通常聚光反射件3的反射面的空间曲面的截线为一对称曲线,该对称曲线的对称轴为该截线所在平面极坐标系的极轴的过极点的垂线,可形成对称的双槽形的曲面。 

Claims (9)

1.金属螺旋管式太阳能集热器,在支撑体上方布置柱状螺旋金属管,在螺旋金属管的下方设置聚光反射件,聚光反射件设置在所述支撑体上,螺旋金属管的两端分别连接可与外部的储热或用热系统连接的金属引出管;其特征在于:
所述聚光反射件的反射面形状为一空间曲面,该空间曲面的截线为至少三段顺序相连的抛物线L0、L1、L2……Li组成,各抛物线的焦点均位于平面极坐标系的极点,各段抛物线Li满足下列方程:
Figure FSA00000258865300011
其中,i=0,1,2,3,4,5......;
ρ为抛物线上的点到极点的距离即极径;
Pi为抛物线的焦参数,为相应抛物线的顶点至焦点距离的二倍;
θ为极坐标系中抛物线上的点的极角或幅角,90°<θ≤270°;
Figure FSA00000258865300012
为抛物线轴的偏转角,指抛物线轴以极点为中心沿逆时针方向旋转的角;
L1与L0的交点A11,θ1)
L2与L1的交点A22,θ2)
Li与Li-1的交点Aii,θi)
抛物线L0的轴与平面极坐标系的极轴的垂线间的夹角为0,此时,抛物线L0未旋转,旋转角 
Figure FSA00000258865300013
为0;
抛物线L1的轴相对L0的轴沿逆时针方向旋转,旋转中心为平面极坐标系的极点,旋转的角度为 
Figure FSA00000258865300014
称偏转角为 
Figure FSA00000258865300015
抛物线L2    旋转的角度为 
Figure FSA00000258865300016
抛物线Li    旋转的角度为 
Figure FSA00000258865300021
相邻抛物线的焦参数P值满足下列方程:
Figure FSA00000258865300022
其中:i=0,1,2,3……
     
Figure FSA00000258865300024
曲线上任意一点Aii,θi)对于集热聚焦圆的张角为2βi,βi为正值;
当仅在平面极坐标系的极轴的过点Ai处的垂线的同一侧有入射光线到达Ai点时,在Ai处的入射光线相对于平面极坐标系的极轴的过点Ai处的垂线的最大偏转角为ωi,入射光线相对于平面极坐标系的极轴的过点Ai处的垂线的最小偏转角为αi
当平面极坐标系的极轴的过点Ai处的垂线的两侧有入射光线到达Ai点时,在Ai处的左侧入射光线相对于平面极坐标系的极轴的过点Ai处的垂线的最大偏转角为ωi,右侧入射光线相对于平面极坐标系的极轴的过点Ai处的垂线的最大偏转角为αi
令相对于平面极坐标系的极轴的过点Ai处的垂线的偏转角αi为逆时针时为正值;相对于平面极坐标系的极轴的过点Ai处的垂线的偏转角αi为顺时针时为负值;
Figure FSA00000258865300025
仅在平面极坐标系的极轴的过点Ai处的垂线同一侧有入射光线到达Ai点时,偏转角αi为逆时针为正值, 
Figure FSA00000258865300026
在平面极坐标系的极轴的过点Ai处的垂线两侧均有入射光线到达Ai点时,偏转角αi为顺时针为负值, 
所述聚光反射件的反射面的空间曲面为所述截线沿该截线所在平面的垂线方向拉伸而成的呈槽形的曲面,各截线的焦点成一直线,所述螺旋金属 管的中心线沿该直线设置。
2.根据权利要求1所述金属螺旋管式太阳能集热器,其特征在于:所述空间曲面的截线为一对称曲线,所述对称曲线的对称轴为所述截线所在平面极坐标系的极轴的过极点的垂线。
3.根据权利要求1或2所述金属螺旋管式太阳能集热器,其特征在于螺旋金属管外表面设置太阳能吸热膜。
4.根据权利要求1或2所述金属螺旋管式太阳能集热器,其特征在于在螺旋金属管的上方设置透明罩板,所述透明罩板与支撑体之间设置第一密封腔。
5.根据权利要求4所述金属螺旋管式太阳能集热器,其特征在于在螺旋金属管和所述透明罩板之间设置内层透明罩板,所述内层透明罩板与支撑体之间设置第二密封腔。
6.根据权利要求1所述金属螺旋管式太阳能集热器,其特征在于:所述螺旋金属管的外表面设置翅片。
7.根据权利要求6所述金属螺旋管式太阳能集热器,其特征在于:所述翅片为螺旋形。
8.根据权利要求6或7所述金属螺旋管式太阳能集热器,其特征在于:所述螺旋金属管的翅片表面设置太阳能吸热膜。
9.根据权利要求1所述金属螺旋管式太阳能集热器,其特征在于螺旋金属管至少两根并行绕制。 
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN102401485A (zh) * 2010-09-07 2012-04-04 黄永年 金属螺旋管式太阳能集热器
CN103861542A (zh) * 2012-12-18 2014-06-18 中国科学院大连化学物理研究所 一种利用太阳能光催化制氢的反应装置

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CN102401485A (zh) * 2010-09-07 2012-04-04 黄永年 金属螺旋管式太阳能集热器
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