CN202057076U - 一种碟式太阳能热发电系统及其集热器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及太阳能热发电系统技术领域，公开了一种用于碟式太阳能热发电系统的集热器，包括集热腔、至少一层的吸热盘管，所述集热腔具有开口部，所述吸热盘管形成空腔结构，所述空腔结构具有开孔，该空腔结构置于所述集热腔内，所述开孔与所述开口部对齐，所述吸热盘管的低温进口设于所述空腔结构的入射光能量分布密度最大的位置。该集热器可防止吸热盘管因局部温度过高发生烧蚀现象及工质因相变引起对流换热系数突降而造成集热器烧毁的现象。本实用新型还公开了一种具有上述集热器的太阳能热发电系统。

Description

一种碟式太阳能热发电系统及其集热器

技术领域

本实用新型涉及太阳能热发电系统技术领域，尤其涉及一种用于碟式太阳能热发电系统的集热器。本实用新型还涉及一种具有上述集热器的碟式太阳能热发电系统。

背景技术

能源是经济和社会发展的重要基础，工业革命以来，世界能源消费剧增，传统化石能源资源消耗迅速，生态环境不断恶化，特别是温室气体排放导致日益严峻的全球气候变化，人类社会的可持续发展受到严重威胁。太阳能因其储量无限性、分布普遍性、利用清洁性及经济性等特征被普遍看好，被认为是最具发展前景、最能解决未来社会发展能源需求不断增长的新能源之一。

太阳能热发电因具有与电网负荷的配适性较好、光电转化效率高、容易产生规模效应、耗材的制作过程更加环保、电力可调性更好等特点，被认为是未来太阳能发电利用的重要发展方向。

目前，根据聚光方式不同，太阳能热发电主要有槽式、塔式、碟式等几种技术路线。其中，碟式太阳能热发电系统相对于其他方式，具有模块化的灵活部署能力、较高的聚光比和发电总效率等优点，其越来越受到关注。

碟式太阳能热发电系统通常包括聚光碟、集热器及换热器、热机等部分。碟式太阳能热发电系统可以采用郎肯循环(蒸汽轮机)、布雷顿循环(燃气轮机)、斯特林循环(斯特林发动机)等不同原理的热机，无论采用哪种热机，如何将光能高效、可靠地吸收、然后转化为热能并顺畅地传递给吸热工质是至关重要的，这个过程的能量损失直接影响系统的总发电效率。

根据辐射换热知识可知，采用带开孔部的空腔结构有利于提高开孔横截面的黑度系统，即一旦辐射能从开孔部射入空腔结构，仅有很少一部分从开口部被反射出来，从而点聚焦的热发电系统集热器一般采用空腔结构，空腔结构通常由吸热盘管绕成，吸热盘管具有低温进口、高温出口，吸热工质从低温进口进入吸热盘管内，经聚光碟汇聚的太阳光通过空腔结构的开口部进入集热腔内，直接辐射至吸热盘管上，太阳光被吸热盘管吸收后转化为热能并传递给吸热工质，具有较高温度的吸热工质从高温出口流出，进入下游的换热器、热机等能量利用装置。

根据光学原理可知，旋转抛物面汇聚的平行光能量分布密度并不均匀，加之聚光碟制造精度的影响，使得直接照射到的吸热盘管上的光能也是不均匀的，容易形成局部高温区，一旦局部温度超过吸热盘管材料的许用温度，即会导致吸热盘管烧蚀现象，甚至烧毁。

另外，聚光碟因制造精度、风载等因素，往往使得其汇聚的焦斑形状、大小偏离设计值，并不能保证聚光碟反射的全部光线都能进入集热腔，总会有部分光线投射在集热器外部而造成集热器表面温度升高，甚至烧毁。

因此，提高集热器与聚光碟之间的匹配性，优化吸热盘管温度分布，增加集热器的工作稳定性及可靠性，成为本领域技术人员有待解决的技术难题。

实用新型内容

本实用新型的第一个目的是提供一种集热器，该集热器可防止吸热盘管因局部温度过高发生烧蚀现象。本实用新型的第二目的是提供一种具有上述集热器的太阳能热发电系统。

为了实现上述第一个目的，本实用新型提供了一种用于碟式太阳能热发电系统的集热器，包括集热腔、至少一层的吸热盘管，所述集热腔具有开口部，所述吸热盘管形成空腔结构，所述空腔结构具有开孔，该空腔结构置于所述集热腔内，所述开孔与所述开口部对齐，所述吸热盘管的低温进口设于所述空腔结构的太阳辐射能量密度最大的部位。

优选的，所述吸热盘管的层数不少于两层。

优选的，相邻两层吸热盘管之间具有预设间隙。

优选的，所述吸热盘管的外壁上设有吸热肋。

优选的，所述吸热肋为直肋或螺旋状环肋。

优选的，所述集热腔包括内壳、外壳、前罩板，所述内壳的内壁形成所述集热腔的内壁，所述外壳套装于所述内壳外侧，所述前罩板形成所述集热器的开口部，所述内壳、所述外壳与所述前罩板固定，所述内壳与所述外壳、所述前罩板之间设有保温层。

优选的，所述开口部设有透明罩板。

优选的，所述前罩板上设有用于冷却工质循环的冷却套。

优选的，所述冷却套的冷却工质出口与所述吸热盘管的低温进口连通。

优选的，所述集热腔的内壁设有反光层。

优选的，所述内壳、所述外壳分别由多段结构组成，各段结构通过法兰及紧固件连接形成一个整体结构。

优选的，所述空腔结构呈球台形结构或倒圆台形结构。

本实用新型提供的集热器包括集热腔、吸热盘管，集热腔具有开口部，吸热盘管形成具有开孔的空腔结构，空腔结构的开孔与集热腔的开口部对齐，吸热盘管具有低温进口和高温出口，所述低温进口设于所述空腔结构的入射光照射位置。

这种结构的集热器将低温进口设于空腔结构的入射光照射位置，入射光照射位置的能量密度最高，而低温进口处的吸热工质的温度最低，较低的吸热工质可较快地吸收入射光的能量，可防止该处吸热盘管局部温度超过许用温度而导致的烧蚀现象；而且能量密集较低的位置对应于吸热工质温度较高的吸热盘管，可使得吸热盘管的温度比较均匀；同时也使得集热器具有较高的集热温度，拓宽了集热器的使用范围。

为实现上述第二个目的，本实用新型还提供了一种碟式太阳能热发电系统，包括聚光碟、换热器及集热器，所述集热器为上述的集热器。由于上述的集热器具有上述技术效果，具有该集热器的碟式太阳能热发电系统也应具备相应的技术效果。

附图说明

图1为本实用新型所提供的集热器的一种具体实施方式的结构示意图；

图2为图1中集热器的外形结构示意图；

图3为图1中吸热盘管的结构示意图；

图4为本实用新型所提供的集热器的另一种吸热盘管的结构示意图；

图5为本实用新型所提供的集热器的一种吸热肋的结构示意图；

图6为本实用新型所提供的集热器的另一种吸热肋的结构示意图；

图7为本实用新型所提供的集热器的第三种吸热肋的结构示意图；

其中，图1-图7中：

高温出口1、吸热工质2、低温进口3、保温层4、上外壳5、上内壳6、吸热盘管7、保温层8、下内壳9、下外壳10、冷却工质进口11、冷却工质出口12、冷却套13、太阳光14、透明罩板15、前罩板16、冷却工质流动腔17、冷却工质18、吸热肋19。

具体实施方式

为了使本领域的技术人员更好的理解本实用新型的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步的详细说明。

请参看图1、图2、图3，图1为本实用新型所提供的集热器的一种具体实施方式的结构示意图；图2为图1中集热器的外形结构示意图；图3为图1中吸热盘管的结构示意图。

如图1、图2所示，本实用新型提供的用于碟式太阳能热发电系统的集热器包括集热腔、吸热盘管7，吸热盘管7的层数不少于一层，集热腔具有用于太阳光1 4射入的开口部，每层吸热盘管7弯制成近似螺旋状结构，以形成空腔结构，空腔结构具有一定范围的开孔，空腔结构置于集热腔内，所述开孔与集热腔的开口部对齐，吸热盘管7具有低温进口3和高温出口1，具体的方案中，低温进口3和高温出口1可分别设置有连接法兰或专用接头与外界相连，吸热工质2从低温进口3进入吸热盘管7内，从高温出口1流出，吸热盘管7的低温进口3设于空腔结构的太阳辐射能量密度最大的部位，该太阳辐射能量密度最大的部位可以为吸热盘管7上太阳光照射位置，如图1所示，太阳光从开口部直射时，该太阳光照射位置具体可位于空腔结构的底部。

经过聚光碟汇聚的阳光通过集热腔的开口部进入集热腔内，首先直接辐射在吸热盘管7的内侧，一部分被吸热盘管7直接吸收，转化为热能，余下部分被漫反射，由于集热腔的开口部的面积相对于集热器有效吸热面积较小，开口部对总吸热面辐射换热角系数较小，仅有很少的一部分从开口部溢出，绝大部分漫反射光能会再次投射到吸热盘管7的其他部位或集热腔的内壁上；吸热盘管7内有吸热工质2通过，吸热盘管7吸收能量传递给吸热工质2，使其内能升高，含有较高内能的吸热工质2从高温出口1流出集热器，进入下游的换热器、热机等能量利用装置，完成光能向热能的转化、导出的过程。

这种结构的集热器将低温进口3设于空腔结构的太阳辐射能量密度最大的部位，太阳光1 4照射位置的能量密度最高，而低温进口3处的吸热工质2的温度最低，较低的吸热工质2可较快地吸收入射光的能量，可防止该处吸热盘管7局部温度超过许用温度而导致的烧蚀现象；而且能量密集较低的位置对应于吸热工质2温度较高的吸热盘管7，可使得吸热盘管7的温度比较均匀；同时也使得集热器具有较高的集热温度，拓宽了集热器的使用范围。

具体的方案中，集热腔具体可以包括内壳、外壳、前罩板16，内壳的内壁形成集热腔的内壁，外壳套装于内壳外侧，前罩板16上设有开口形成集热腔的开口部，内壳、外壳与前罩板16固定，内壳与外壳、前罩板16之间设有保温层。内壳、外壳之间的保温层可以减少内壳内壁吸收的热量对外的散失，以提高内壳的温度，减少吸热盘管7与内壳之间的有效辐射换热量从而减少集热器的热损失。

进一步的方案中，吸热盘管7可通过弹性卡座、夹管等方式固定在内壳的内壁上。

优选方案中，内壳的内壁设有反光系数较高的反光层，如金属银层，漫反射光投射到内壳的内壁上的反光层后再次反射在吸热盘管7上，可减少内壳内壁吸收的热量，减少集热器的热损失。

优选方案中，集热器的开口部设有透明罩板15，具体的方案中，可在前罩板16的开口处设有透明罩板15，透明罩板15的可以切断集热腔内外的空气流动，不仅可减少集热腔内的对流热损失，也避免了外部的昆虫、灰尘等杂物进入集热腔后对集热器的工作可靠性造成的负面影响。具体的方案中，透明罩板15可以为玻璃罩板，本实用新型并不局限于玻璃罩板，透明罩板15还可以为树脂罩板，塑料罩板等，凡透明的板材均可在作为本实用新型中的透明罩板15。

优选方案中，为了简化集热器的制造工艺，所述内壳、外壳可分别由多段结构组成，各段结构通过法兰及紧固件连接形成一个整体结构，如图1、图2所示，内壳可以包括上内壳6、下内壳9，外壳可以包括上外壳5、下外壳10，上内壳6与上外壳5之间设有保温层4、下内壳9与下外壳10之间设有保温层8。

优选方案中，在前罩板16上设有用于冷却工质18循环的冷却套13，冷却套13具有冷却工质进口11、冷却工质出口12及冷却工质流动腔17，冷却工质18从冷却工质进口11进入冷却工质流动腔17，在冷却工质流动腔17内循环后从冷却工质出口11流出。聚光碟反射的光线部分投射在集热器前端时，冷却套13中通入的冷却工质18可带走投射在集热器前端的光线所产生的热量，可避免集热器前端被烧毁，可有效保护集热器，保证集热器的可靠性。

更优的方案中，若冷却套13内的冷却工质18与吸热盘管7内的吸热工质2为同一种工质，可将冷却套13的冷却工质18出口12与吸热盘管7的低温进口3连通，从冷却套13流出的冷却工质18可通过管道汇入吸热盘管7的低温进口3内，可提高进入吸热盘管7内的工质的温度，提交集热器的热交换效率。

优选方案中，吸热盘管7的层数不少于两层，如图3所示，两层或多层吸热盘管7可同心布置，这种结构可以改善吸热盘管7固壁内部的温度梯度，延长吸热工质2在吸热盘管7中的加热流程，可保证吸热工质2能够持续、平稳地被加热。

更优的方案中，相邻两侧吸热盘管7之间具有预设间隙，不同层之间的吸热盘管7之间具有的预设间隙可保证各层吸热盘管7的表面都能吸收到合适的热量，可进一步延长吸热工质2在吸热盘管7中的加热流程，可保证吸热工质2能够持续、平稳地被加热。

进一步的方案中，同层吸热盘管7之间也可具有预设间隙，这种结构可保证同层之间的吸热盘管7表面都能吸收到合适的热量。

优选方案中，为了加强吸热盘管7的吸热能力，尤其加强能量密度较大处的吸热盘管7的吸热能力，可在吸热盘管7的外壁上设有吸热肋19，如图5、图6、图7所示，吸热肋19可以为直肋，也可以为螺旋肋。

本实用新型对吸热盘管7所形成的空腔结构的形状不做限定，该空腔结构可以为如图3所示的球台形结构，也可以为如图4所示的倒圆台形结构，如果空腔结构为球台形结构，各层吸热盘管7之间可同心设置，如果空腔结构为倒圆台形结构，各层吸热盘管7可以同轴设置。

本实用新型还提供了一种碟式太阳能热发电系统，包括聚光碟、换热器及集热器，所述集热器为上述的集热器。由于上述的集热器具有上述技术效果，具有该集热器的碟式太阳能热发电系统也应具备相应的技术效果，在此不再详细介绍。

以上所述仅是实用新型的优选实施方式的描述，应当指出，由于文字表达的有限性，而在客观上存在无限的具体结构，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (13)

1.一种用于碟式太阳能热发电系统的集热器，包括集热腔、至少一层的吸热盘管，所述集热腔具有开口部，所述吸热盘管形成空腔结构，所述空腔结构具有开孔，该空腔结构置于所述集热腔内，所述开孔与所述开口部对齐，其特征在于，所述吸热盘管的低温进口设于所述空腔结构的太阳辐射能量密度最大的部位。

2.根据权利要求1所述的集热器，其特征在于，所述吸热盘管的层数不少于两层。

3.根据权利要求2所述的集热器，其特征在于，相邻两层吸热盘管之间具有预设间隙。

4.根据权利要求1所述的集热器，其特征在于，所述吸热盘管的外壁上设有吸热肋。

5.根据权利要求4所述的集热器，其特征在于，所述吸热肋为直肋或螺旋状环肋。

6.根据权利要求1-5任一项所述集热器，其特征在于，所述集热腔包括内壳、外壳、前罩板，所述内壳的内壁形成所述集热腔的内壁，所述外壳套装于所述内壳外侧，所述前罩板形成所述集热器的开口部，所述内壳、所述外壳与所述前罩板固定，所述内壳与所述外壳、所述前罩板之间设有保温层。

7.根据权利要求6所述的集热器，其特征在于，所述开口部设有透明罩板。

8.根据权利要求6所述的集热器，其特征在于，所述前罩板上设有用于冷却工质循环的冷却套。

9.根据权利要求8所述的集热器，其特征在于，所述冷却套的冷却工质出口与所述吸热盘管的低温进口连通。

10.根据权利要求6所述的集热器，其特征在于，所述集热腔的内壁设有反光层。

11.根据权利要求6所述的集热器，其特征在于，所述内壳、所述外壳分别由多段结构组成，各段结构通过法兰及紧固件连接形成一个整体结构。

12.根据权利要求1所述的集热器，其特征在于，所述空腔结构呈球台形结构或倒圆台形结构。

13.一种碟式太阳能热发电系统，包括聚光碟、换热器及集热器，其特征在于，所述集热器为权利要求1-12任一项所述的集热器。

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