CN201973900U - 一种管腔一体化碟式太阳能热接收器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种管腔一体化碟式太阳能热接收器，本实用新型采用吸热腔和换热管道一体化的结构，在圆柱腔体上开有两排细孔以形成气体的流通管道，换热气体在气道中高速流过并带走热量，两组气道经通气管分别与两个配气/集气盖相连，配气/集气盖在系统连续运行时轮流起到配气和集气的作用。吸热腔体进口处布置有环形漫反射体，底部布置有漫反射锥体，以减少吸热腔体的辐射热损失。本实用新型解决了现有直接接收器普遍存在的热疲劳问题，相比以往的直接太阳能热接收器，本实用新型结构更紧凑，使用寿命更长，同时系统还具有气阻小、气密好和换热效率较高等优点，有利于提高碟式系统的整体运行效率及稳定性。

Description

一种管腔一体化碟式太阳能热接收器

技术领域

本实用新型涉及太阳能热接收器，尤其涉及一种管腔一体化碟式太阳能热接收器。

背景技术

随着能源危机及环境污染问题日益严重，人们迫切需要寻找清洁的替代能源，太阳能在地球上分布广泛，而太阳能热发电技术被认为是最具有潜力的清洁能源技术。碟式-斯特林太阳能热发电是太阳能热发电技术中光电转换效率最高的一种方式，它通过旋转抛物面碟形聚光器将太阳辐射聚集到热接收器中，接收器将能量吸收后由斯特林热发动机实现太阳能到电能的转换。一般太阳能斯特林发动机的功率都相对较小，适合于分布式能源利用，也具备大规模联合并网发电的潜力。此外，它们还可以设计成燃料和太阳能聚光器的混合热源系统，在没有阳光时可用矿物燃料或生物质燃料代替太阳光持续发电。

碟式太阳能热发电系统包括聚光器、接收器、热机、支架、跟踪控制系统等主要部件。系统工作时，聚光器将太阳辐射反射聚焦在热接收器上并转化为热能，热机的工作介质流经接收器的同时吸收太阳光转化而来的热能，使介质温度升高，即可推动热机运转，带动发电机发电。

接受器是光热转换的核心部件，碟式太阳能热发电系统的接收器有两种类型：直接接收型和间接接收型。间接接收器一般指热管式接收器，采用液态碱金属作为中间传热媒介来传递高密度热流，目前尚处于实验研究阶段，有许多问题尚待解决；而现有碟式-斯特林热发电系统普遍采用的是直接接受器，由于现代高效斯特林发动普遍循环压力都很高（约20MPa），工质在换热管内的流速也非常快，故能够实现很高的接收热流密度（约75W/cm²）。直接接收器结构相对简单，但是由于太阳辐射存在非常明显的不稳定性，再加上聚光镜本身的聚光精度问题，往往导致直接接收换热管存在严重的温度不均现象，进而导致了诸如热疲劳、氧化、使用寿命等一系列问题。

一个性能优良的热接收器应该具有热流分布均匀，传输效率高，使用寿命长等特点。热接收器性能的优劣，是决定整个系统能否优良运行的关键因素之一。传统的直接接收器往往采用加热管弯曲构成吸热面或者腔体，很容易出现局部破损或漏气，导致系统对材料要求极高，成本大大升高。国内外也尝试开发了少量其他类型的直接接收器，改进了接收器的可靠性，但是相比传统的管式直接加热器其气阻变大，气密性也很难保证，对斯特林机的运行效率有很大的影响，因此设计一种热流分布相对均匀且气阻较小、同时能够保障气密性的热接收器对于碟式太阳能热发电系统而言具有十分重要的意义。

发明内容

本实用新型的目的是克服现有技术的不足，提供一种管腔一体化碟式太阳能热接收器。

管腔一体化碟式太阳能热接收器包括内通气管、第一配气/集气盖、外通气管、第二配气集气盖、铝合金外壳、连接固定板、耐高温保温层、环形漫反射体、耐高温石英玻璃、圆柱腔体、螺钉、连通孔、内环流道、外环流道、吸热腔和漫反射锥体；环形漫反射体与圆柱腔体顶部紧扣相连，圆柱腔体的底部设有一个漫反射锥体，漫反射锥体通过螺钉固定在四个连接固定板上，四个连接固定板沿圆周向均匀焊接于圆柱腔体内壁，环形漫反射体、圆柱腔体和漫反射锥体外均覆有耐高温保温层，耐高温保温层外再包覆铝合金外壳加以固定，圆柱腔体内设有内环流道和外环流道，内环流道和外环流道沿轴向分别布置若干组，在内环流道和外环流道底部设有连通孔，连通孔上端通过加装螺钉和密封圈进行密封，内环流道通过圆柱腔体底部的内通气管与第一配气/集气盖相连，外环流道通过圆柱腔体底部的外通气管与第二配气/集气盖相连，外通气管与第二配气/集气盖相连，内通气管与第一配气/集气盖相连，第一配气/集气盖与斯特林机膨胀腔相连，第二配气/集气盖与斯特林机回热器相连。

圆柱腔体的宽度为13-40mm，内环流道轴线距圆柱腔体底面距离为3-8mm，外环流道与内环流道轴线之间的距离为4-15mm；

所述的圆柱腔体、连接固定板和螺钉均采用耐高温合金材料1Cr18Ni9Ti，环形漫反射体和漫反射锥体均采用陶瓷材料，其靠近吸热腔的一侧为高漫反射率表面，耐高温石英玻璃采用高光线穿透率材料，圆柱腔体内壁面涂覆耐高温辐射吸收涂层。

所述的漫反射锥体的主要作用是将入射到腔体中央的聚焦光线通过漫反射的方式传递到圆柱腔体，环形漫反射体的主要作用是减少腔体的辐射损失。

耐高温石英玻璃主要有两个作用：（1）聚焦光线进口；（2）限制腔体与外界环境的对流换热，减少热量损失。

本实用新型与现有技术相比，具有如下有益效果：

（1）采用在吸热腔体上钻孔的方法来构成斯特林工质的流通管道，实现吸热腔体与工质流通管道的一体化，结构非常紧凑；两个配气/集气盖上通气管借口均匀布置，可以实现均匀配气，使圆柱腔体工作时周向温度更均匀，能够有效地解决以往接收器的热疲劳问题，系统寿命更长。

（2）工质流道截面面积相等，气体流通气阻小，整体无益容积小，有效地减少气体加热时的压力损失，增强了斯特林机的内效率。内环流道加外环流道的布置可以有效增加气体的换热面积，内环流道底面距离圆柱腔体内壁面仅3mm，热阻很小，可以实现高效换热，使气体被加热到较高温度。

（3）腔体前后两个漫反射体的设置可以有效地减少腔体的辐射热损失，全封闭的吸热腔体可以有效地减少对流热损失，系统的整体太阳能热吸收率较高。

附图说明

图1是管腔一体化碟式太阳能热接收器的结构示意图；

图2是管腔一体化碟式太阳能热接收器的左视图；

图3是图1中第一配气/集气盖和第二配气/集气盖的右视放大图（3：1）；

图中：通气管1、第一配气/集气盖2、外通气管3、第二配气集气盖4、铝合金外壳5、连接固定板6、耐高温保温层7、环形漫反射体8、耐高温石英玻璃9、圆柱腔体10、螺钉11、连通孔12、内环流道13、外环流道14、吸热腔15、漫反射锥体16。

具体实施方式

如图1所示，管腔一体化碟式太阳能热接收器包括内通气管1、第一配气/集气盖2、外通气管3、第二配气集气盖4、铝合金外壳5、连接固定板6、耐高温保温层7、环形漫反射体8、耐高温石英玻璃9、圆柱腔体10、螺钉11、连通孔12、内环流道13、外环流道14、吸热腔15和漫反射锥体16；环形漫反射体8与圆柱腔体10顶部紧扣相连，圆柱腔体10的底部设有一个漫反射锥体16，漫反射锥体16通过螺钉固定在四个连接固定板6上，四个连接固定板6沿圆周向均匀焊接于圆柱腔体10内壁，环形漫反射体8、圆柱腔体10和漫反射锥体16外均覆有耐高温保温层7，耐高温保温层7外再包覆铝合金外壳5加以固定，圆柱腔体10内设有内环流道13和外环流道14，内环流道13和外环流道14沿轴向分别布置若干组，在内环流道13和外环流道14底部设有连通孔12，连通孔12上端通过加装螺钉11和密封圈密封，内环流道13通过圆柱腔体10底部的内通气管1与第一配气/集气盖2相连，外环流道14通过圆柱腔体10底部的外通气管3与第二配气/集气盖4相连，外通气管3与第二配气/集气盖4连接，内通气管1与第一配气/集气盖2相连，第一配气/集气盖2与斯特林机膨胀腔相连，第二配气/集气盖4与斯特林机回热器相连。

所述的圆柱腔体10的宽度为13-40mm，内环流道13轴线距圆柱腔体10底面距离为3-8mm，外环流道14与内环流道13轴线之间的距离为4-15mm；

所述的圆柱腔体10、连接固定板6和螺钉11均采用耐高温合金材料1Cr18Ni9Ti，环形漫反射体8和漫反射锥体16均采用陶瓷材料，耐高温石英玻璃9采用高光线穿透率材料，圆柱腔体10内壁面涂覆耐高温辐射吸收涂层。

漫反射锥体16的主要作用是将入射到腔体中央的聚焦光线通过漫反射的方式传递到圆柱腔体10，环形漫反射体8的主要作用是减少腔体的辐射损失。

耐高温石英玻璃9主要有两个作用：1聚焦光线进口；2限制腔体与外界环境的对流换热，减少热量损失。

本实用新型的工作过程如下：

太阳光线由碟形旋转抛物镜面进行聚焦，聚焦光线穿过耐高温石英玻璃进入吸热腔，约25%的辐射能量入射到漫反射锥体上并被其漫反射。由于腔体的辐射及对流损失都很小，聚焦光线的能量绝大部分被圆柱腔体直接吸收或者通过漫反射体的漫反射再被二次吸收。圆柱腔体内壁面吸收聚焦辐射能后将其转化为热能，热能通过热传导的方式被传递到内环流道和外环流道壁面，气体高速流动并带走其热量。当斯特林机气体从回热器进入膨胀腔时，第一配气/集气盖起集气作用，第二配气/集气盖起配气作用，气体从第二配气/集气盖均匀进入外通气管，随后依次流经外环流道、连通孔和内环流道，同时吸收腔体热量使气体温度升高，高温高压气体再经外通气管进入第一配气/集气盖，最后进入斯特林发动机膨胀腔做功。当斯特林机气体从膨胀腔流回回热器时，第一配气/集气盖起配气作用，第二配气/集气盖起集气作用，气体流动过程与前述相反。当整体系统连续运行时，气体在流道内反复流动，即可实现聚焦太阳辐射能的高效吸收和利用。

Claims (3)

1.一种管腔一体化碟式太阳能热接收器，其特征在于包括内通气管（1）、第一配气/集气盖（2）、外通气管（3）、第二配气集气盖（4）、铝合金外壳（5）、连接固定板（6）、耐高温保温层（7）、环形漫反射体（8）、耐高温石英玻璃（9）、圆柱腔体（10）、螺钉（11）、连通孔（12）、内环流道（13）、外环流道（14）、吸热腔（15）和漫反射锥体（16）；环形漫反射体（8）与圆柱腔体（10）顶部紧扣相连，圆柱腔体（10）的底部设有一个漫反射锥体（16），漫反射锥体（16）通过螺钉固定在四个连接固定板（6）上，四个连接固定板（6）沿圆周向均匀焊接于圆柱腔体（10）内壁，环形漫反射体（8）、圆柱腔体（10）和漫反射锥体（16）外均覆有耐高温保温层（7），耐高温保温层（7）外再包覆铝合金外壳（5）加以固定，圆柱腔体（10）内设有内环流道（13）和外环流道（14），内环流道（13）和外环流道（14）沿轴向分别布置若干组，在内环流道（13）和外环流道（14）底部设有连通孔（12），连通孔（12）上端通过加装螺钉（11）和密封圈进行密封，内环流道（13）通过圆柱腔体（10）底部的内通气管（1）与第一配气/集气盖（2）相连，外环流道（14）通过圆柱腔体（10）底部的外通气管（3）与第二配气/集气盖（4）相连，外通气管（3）与第二配气/集气盖（4）相连，内通气管（1）与第一配气/集气盖（2）相连，第一配气/集气盖（2）与斯特林机膨胀腔连接，第二配气/集气盖（4）与斯特林机回热器相连。

2.根据权利要求1所述的一种管腔一体化碟式太阳能热接收器，其特征在于所述的圆柱腔体（10）的宽度为13-40mm，内环流道（13）轴线距圆柱腔体（10）底面距离为3-8mm，外环流道（14）与内环流道（13）轴线之间的距离为4-15mm。

3.根据权利要求1所述的一种管腔一体化碟式太阳能热接收器，其特征在于所述的圆柱腔体（10）、连接固定板（6）和螺钉（11）均采用耐高温合金材料1Cr18Ni9Ti，环形漫反射体（8）和漫反射锥体（16）均采用陶瓷材料，耐高温石英玻璃（9）采用高光线穿透率材料，圆柱腔体（10）内壁面涂覆耐高温辐射吸收涂层。

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