CN202973614U - 一种自聚光全玻璃太阳能真空集热管 - Google Patents

Abstract

一种自聚光全玻璃真空太阳能集热管属于太阳能利用装置领域，具有太阳能集热管的基本组成，特征在于罩玻璃管(1)的上半侧管壁呈聚光透镜(7)的结构和/或下半侧管壁的外表面上涂敷有由金属膜构成并能聚光的凹面反射镜面(8)，聚光焦线均投射在内玻璃管(2)的耐高温选择性吸热膜(3)上；聚光透镜(7)为双凸透镜(9)或管状菲涅尔透镜(10)，同时罩玻璃管(1)的外径超常规的大于内玻璃管(2)的外径；光照能量密度高，工质温升快、温度高，能达中温范畴，能广泛用于多领域，聚光镜与全玻璃真空管本体合二为一，结构简单、易制作，占用空间小，反射镜面不外暴露，易维护、成本低，相容性、扩展性强，适宜于大规模生产。

Description

一种自聚光全玻璃太阳能真空集热管

技术领域

本实用新型属于太阳能利用装置领域，涉及一种自聚光全玻璃太阳能真空集热管，特别适用于中温太阳能热利用。

背景技术

目前国内研发的适用于热力、热电工程的中高温太阳能集热管装置中，均采用聚光方式获得中高温热量，其聚光方式大体有两种，一种是外聚光式，一种是内聚光式。

外聚光式太阳能集热管装置中，采用抛物面槽式反光镜，在抛物面槽式反光镜的焦线位置上安装直通式金属-玻璃真空集热管，增大太阳光照能量密度，提高金属-玻璃真空集热管的温度。外聚光式太阳能集热管装置的优点在于，聚光镜采光面积大，聚光比高，能采集高温大热量，是当前和今后一段时期太阳能热力发电和高温热力工程的主流设备，其不足之处在于，聚光镜与真空集热管分体，金属-玻璃真空集热管的制造技术比较复杂，制造设备投资大，生产成本比较高，集热器整体装置工程展开面积大，而且抛物面槽式反光镜还需配备自动跟踪日光转动装置，再者，由于聚光镜的反光镜面均裸露在野外，风吹雨淋日晒，因此，抗风防蚀性能要求高，反光镜面的维护保养工作量较大、工作寿命较短，因此，其比较适用于集中式规模化热力发电项目，不适用于用地偏紧的城市分布式公共热力工程，尤其不适用于小型热力工程。

内聚光式玻璃真空太阳能集热管，一种是在全玻璃真空管的真空腔中安装金属曲面反光板，形成反射镜面，由其将阳光聚焦到内玻璃管的吸热膜上，一种是在全玻璃真空管的罩玻璃管的轴向下半侧管壁的内表面上蒸镀铝膜，形成凹面反射镜面，由其将阳光聚焦到内玻璃管的吸热膜上，从而提高全玻璃真空管的吸热温度，以上两种内聚光式都能有效地提高全玻璃真空管的太阳光能量密度，能采集到较高温度的热能；内聚光式玻璃真空太阳能集热管属于中温集热管，适于小型热力工程，整体装置占用空间小，反射镜面不外暴露，易维护，其不足之处在于，前一种结构中，金属曲面反光板需耗用大量的镜面不锈钢板，使得产品生产成本高，另方面全玻璃真空管的真空腔中安装金属曲面反光板，会影响真空品质的长期保持，增大热损，从而使全玻璃真空管的集热性能加速衰退，后一种结构中，蒸镀铝膜工艺难度大，需专用镀膜设备和工装，投资大，生产成本较高。

发明内容

解决的技术问题：

提供一种自聚光全玻璃太阳能真空集热管，属于中温集热管，将聚光镜与全玻璃真空管本体合二为一。利用玻璃本身的特点，通过改变全玻璃真空管的罩玻璃管的几何结构和/或表面结构，使玻璃自体形成能聚光的聚光透镜和/或反射镜，同时加大全玻璃真空管的罩玻璃的直径与内玻璃管的直径的比值，能克服现有技术中存在的不足，能较大地提高内玻璃管上的吸热膜的太阳光照能量密度，实现太阳能中温利用，并且易制作，生产成本低，便于产业化生产，同时，系统相容性、扩展性强，便于广泛推广应用。

采用的技术方案：

一种自聚光全玻璃太阳能真空集热管，包括全玻璃真空管的罩玻璃管、外表面上涂敷有耐高温选择性吸热膜的内玻璃管、真空腔、支架以及消气剂，其特征在于：罩玻璃管的轴向上半侧管壁呈具有聚光透镜的结构和/或罩玻璃管的轴向下半侧管壁的外表面上涂敷有由金属膜构成的能聚光的凹面反射镜面；聚光透镜能将太阳光透射聚焦，聚焦后的焦线投射在所述耐高温选择性吸热膜上，凹面反射镜面能将太阳光反射聚焦，聚焦后的焦线投射在所述耐高温选择性吸热膜上；

所述聚光透镜为一个罩玻璃管的内壁周向对称内凸，并且轴向延伸的双凸透镜，或者为一个周向对称，并且轴向延伸的管状菲涅尔透镜。

有益效果：

本发明的复合聚光型结构中，当罩玻璃管的轴向上半侧管壁呈聚光透镜结构和罩玻璃管的轴向下半侧管壁的外表面上涂敷有由金属膜构成的能聚光的凹面反射镜面时，太阳光透过聚光透镜聚焦到内玻璃管的上半侧外表面上的耐高温选择性吸热膜上，未被内玻璃管截获的太阳光被金属凹面反射镜面聚焦到内玻璃管的下半侧外表面上的耐高温选择性吸热膜上，又由于罩玻璃管的外径远大于内玻璃管的直径，因此，双重聚光作用能使耐高温选择性吸热膜获得成倍增加的光强；本发明中还有如下二种聚光型结构，透镜聚光型，即仅有罩玻璃管的轴向上半侧管壁呈聚光透镜结构，或反射聚光型，即仅有罩玻璃管的轴向下半侧管壁的外表面上涂敷有由金属膜构成的能聚光的凹面反射镜面结构，二者均分别将聚光焦线投射在所述耐高温选择性吸热膜上，均分别能使耐高温选择性吸热膜获得大光强；所述三种聚光型结构构成的自聚光全玻璃太阳能真空集热管均能较显著地提高耐高温选择性吸热膜的太阳光照能量密度，导热工质温升快、温度高，能达到中温集热管范畴，由其组装的太阳能集热装置能产生中温范畴的热油或较高温度的热水、蒸汽、干热空气，可应用于采暖、空调、蒸馏、干燥、海水淡化、纺织印染等诸多领域，占用空间小，反射镜面不外暴露，易维护；聚光镜与全玻璃真空管本体合二为一，结构简单、易制作、生产成本低，具有较高性价比，产品系统相容性、扩展性强，经济性好，适宜于大规模生产。

附图说明

图1、复合聚光型整体组成结构示意图；

图2、按图1中所示的A-A剖面(一)图；

图3、按图1中所示的A-A剖面(二)图；

图4、凸透镜罩玻璃管式径向截面图；

图5、菲涅尔透镜罩玻璃管式径向截面图；

图6、圆型凹面反射镜面罩玻璃管式径向截面图；

图7、CPC复合抛物面型凹面反射镜面罩玻管式径向截面图；

图8、对称抛物面型凹面反射镜面罩玻管式径向截面图。

具体实施方式

结合附图进一步详加说明：

如图1～3所示，复合聚光型自聚光全玻璃太阳能真空集热管，包括全玻璃真空管的罩玻璃管1、外表面上涂敷有耐高温选择性吸热膜3的内玻璃管2、真空腔4、支架5以及消气剂6；罩玻璃管1的轴向上半侧管壁呈具有聚光透镜7的结构，同时，罩玻璃管1的轴向下半侧管壁的外表面上涂敷由金属膜构成的能聚光的凹面反射镜面8；聚光透镜7能将太阳光透射聚焦，聚焦后的焦线投射在所述耐高温选择性吸热膜3上，凹面反射镜面8能将太阳光反射聚焦，聚焦后的焦线投射在所述耐高温选择性吸热膜3上；

所述聚光透镜7为一个罩玻璃管1的内壁周向对称内凸，并且轴向延伸的双凸透镜9，所述内壁周向对称内凸是在制作罩玻璃管1的毛坯管时拉制而成，或者预先拉制一个双凸玻璃棱镜后，再无间隙地融接在罩玻璃管1的轴向的一侧，所述双凸透镜9的外曲面(曲率半径R₁)即构成罩玻璃管1的轴向上半侧管壁的外表面(曲率半径R，且R₁＝R)，所述双凸透镜9朝向内玻璃管2的内曲面的曲率半径为R₂，且R₂≤R，设定R₂及双凸透镜9的厚度，即能确定双凸透镜9的焦点、焦距，选择内曲面的曲率半径R₂和双凸透镜9的厚度，即可使经其聚焦后的太阳光投射在所述耐高温选择性吸热膜3上；或者所述聚光透镜7为一个周向对称，并且轴向延伸的管状菲涅尔透镜10，所述管状菲涅尔透镜10是基于常规平面型菲涅尔聚光镜的原理，将罩玻璃管1的轴向上半侧管内壁表面在制毛坯管时作成锯齿状且周向对称分布的偶数个轴向条纹(或称偶数个棱柱凸透镜)的组合，并且使经其聚焦后的太阳光投射在所述耐高温选择性吸热膜3上；

所述由金属膜构成的能聚光的凹面反射镜面8，是在罩玻璃管1的轴向下半侧管壁的外表面上，采用磁控溅射法涂敷铝膜，或铝-三氧化二铝复合膜，或铝-不锈钢复合膜而构成；凹面反射镜面8的外表面上涂敷有不透光的耐候性保护层11，所述耐候性保护层11为白色乳胶，或涂敷丙稀酸树脂，或涂油漆，以保护凹面反射镜面8安全无损。

如图1、4所示，仅有聚光透镜7结构，并且聚光透镜7为双凸透镜9型自聚光全玻璃太阳能真空集热管，此时罩玻璃管1的轴向下半侧管壁的外表面上因没有凹面反射镜面8，故对太阳光没有反射聚焦作用，此种结构为透镜聚光型。

如图1、5所示，仅有聚光透镜7结构，并且聚光透镜7为管状菲涅尔透镜10型自聚光全玻璃太阳能真空集热管，此时罩玻璃管1的轴向下半侧管壁的外表面上因没有凹面反射镜面8，故对太阳光也没有反射聚焦作用，此种结构也为透镜聚光型。

如图1、6、7、8所示，仅有由金属膜构成的能聚光的凹面反射镜面8结构构成自聚光全玻璃太阳能真空集热管，并且凹面反射镜面8所依附的罩玻璃管1的轴向下半侧管壁为圆弧面形(如图6所示)，或者为CPC复合抛物面形(如图7所示)，或者为对称抛物面形(如图8所示)；此类结构中，罩玻璃管1的轴向上半侧管壁不呈聚光透镜7的结构，故对太阳光没有透射聚焦作用；此类结构均为反射聚光型。

对于整体呈圆形的所述罩玻璃管1而言，无论是透镜聚光型、反射聚光型，或者是透镜聚光型与反射聚光型兼有的复合聚光型，其罩玻璃管1的外径(选用58mm、70mm或102mm)超常规的大于所述内玻璃管2的外径(选用20mm)，一般后者为前者的1/3-1/5(常规-即普通低温太阳能真空集热管中，后者只比前者小10～15mm)，从而得以加大太阳能真空集热管的采光面积，减小其吸热面积，较小的内玻璃管2的吸热面积，一是能增大所述耐高温选择性吸热膜3接受的太阳光照能量密度，使内玻璃管2内的导热工质温升快、温度高，二是能减少所述耐高温选择性吸热膜3的能量发射总量，从而降低真空集热管的热损失。

复合聚光型自聚光全玻璃太阳能真空集热管的实施例如下：

玻璃管材质为棚硅玻璃3.3，罩玻璃管1的外径58mm，厚度不均一，长度1500mm，内玻璃管2的外径20mm，长度1450mm；罩玻璃管1的轴向上半侧管壁为双凸玻璃棱镜式双凸透镜9，其外曲面的曲率半径R₁与罩玻璃管1的外曲率半径R相同，R₁＝R＝29mm，双凸透镜9朝向内玻璃管2的内曲面的曲率半径R₂＝|R₁|＝29mm；双凸透镜9的厚度(沿着光轴外、内两曲面间的距离)为10mm，双凸透镜9的焦点在其光轴上，聚焦后的焦线投射在内玻璃管2的耐高温选择性吸热膜3上；聚光比为2.9；

罩玻璃管1的轴向下半侧管壁的外表面上用磁控溅射法涂敷铝-三氧化二铝复合膜，构成凹面反射镜面8，其曲率半径为29mm，焦距为15mm，聚焦后的焦线投射在内玻璃管2的耐高温选择性吸热膜3上；凹面反射镜面8的外表面上涂敷白色底漆及丙烯酸树脂作为耐候保护层11；聚光比为2.9。

实验表明：本实施例中，复合聚光型自聚光全玻璃太阳能真空集热管的空晒温度高于350℃，内玻璃管2中的导热油工质温度高于250℃；由插入内玻璃管2中的输热金属管或金属热管12(如图1～3中所示)的自聚光全玻璃太阳能真空集热管组装的太阳能热水器，能对热水系统带来很多便利，比如能有效地提高热虹吸循环功能，集热器与储热水箱位差5m，无需安装水泵，即可实现热力自动循环，导热工质承压运行。

对于所述反射聚光型自聚光全玻璃太阳能真空集热管而言，其所述内玻璃管2均置于偏离所述罩玻璃管1的轴线的正下方位置上，以获取最佳集热效果。

Claims (9)

1.一种自聚光全玻璃太阳能真空集热管，包括全玻璃真空管的罩玻璃管、外表面上涂敷有耐高温选择性吸热膜的内玻璃管、真空腔、支架以及消气剂，其特征在于：罩玻璃管的轴向上半侧管壁呈具有聚光透镜的结构和/或罩玻璃管的轴向下半侧管壁的外表面上涂敷有由金属膜构成的能聚光的凹面反射镜面；聚光透镜能将太阳光透射聚焦，聚焦后的焦线投射在所述耐高温选择性吸热膜上，凹面反射镜面能将太阳光反射聚焦，聚焦后的焦线投射在所述耐高温选择性吸热膜上；

所述聚光透镜为一个罩玻璃管的内壁周向对称内凸，并且轴向延伸的双凸透镜，或者为一个周向对称，并且轴向延伸的管状菲涅尔透镜。

2.根据权利要求1所述的一种自聚光全玻璃太阳能真空集热管，其特征在于：所述由金属膜构成的能聚光的凹面反射镜面(8)，是在罩玻璃管(1)的轴向下半侧管壁的外表面上，采用磁控溅射法涂敷铝膜，或铝-三氧化二铝复合膜，或铝-不锈钢复合膜而构成。

3.根据权利要求1或2所述的一种自聚光全玻璃太阳能真空集热管，其特征在于：所述凹面反射镜面(8)外表面上具有耐候性保护层(11)。

4.根据权利要求1或2所述的一种自聚光全玻璃太阳能真空集热管，其特征在于：所述凹面反射镜面(8)所依附的罩玻璃管(1)的轴向下半侧管壁为圆弧面形，或者为CPC复合抛物面形，或者为对称抛物面形。

5.根据权利要求3所述的一种自聚光全玻璃太阳能真空集热管，其特征在于：所述凹面反射镜面(8)其所依附的罩玻璃管(1)的轴向下半侧管壁为圆弧面形，或者为CPC复合抛物面形，或者为对称抛物面形。

6.根据权利要求1或2所述的一种自聚光全玻璃太阳能真空集热管，其特征在于：对于整体呈圆形的所述罩玻璃管(1)而言，其外径超常规的大于所述内玻璃管(2)的外径，所述内玻璃管(2)的外径为所述罩玻璃管(1)的外径的1/3～1/5。

7.根据权利要求3所述的一种自聚光全玻璃太阳能真空集热管，其特征在于：对于整体呈圆形的所述罩玻璃管(1)而言，其外径超常规的大于所述内玻璃管(2)的外径，所述内玻璃管(2)的外径为所述罩玻璃管(1)的外径的1/3～1/5。

8.根据权利要求4所述的一种自聚光全玻璃太阳能真空集热管，其特征在于：对于整体呈圆形的所述罩玻璃管(1)而言，其外径超常规的大于所述内玻璃管(2)的外径，所述内玻璃管(2)的外径为所述罩玻璃管(1)的外径的1/3～1/5。

9.根据权利要求5所述的一种自聚光全玻璃太阳能真空集热管，其特征在于：对于整体呈圆形的所述罩玻璃管(1)而言，其外径超常规的大于所述内玻璃管(2)的外径，所述内玻璃管(2)的外径为所述罩玻璃管(1)的外径的1/3～1/5。

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