CN205619587U - 一种双抛物面多管太阳能腔体式吸热器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种双抛物面多管太阳能腔体式吸热器，主要用于收集太阳光来加热高温传热流体以实现太阳能转化为热能。本太阳能腔体式吸热器包括双抛物面反射器及太阳光跟踪装置部分、腔体式吸热器部分及连接两部分的吸热器腔体支撑柱。吸热器工作过程是：太阳辐射直射至双抛物面反射器后经反射从吸热器两侧玻璃窗进入腔体，一小部分被吸热管直接吸收，大部分在吸热器内经多次折射、反射后最终被吸热管吸收。在本吸热器中太阳辐射从腔体两侧进入腔体，既具有热损失小、集热温度高等优点，又通过双抛物面的结构提高了集热效率，多管式的设计提高了对太阳光的吸收效率，从而减少所需的反射器镜面面积，节约成本。

Description

一种双抛物面多管太阳能腔体式吸热器

技术领域

本实用新型涉及一种太阳能高温吸热器，特别涉及一种应用于槽式太阳能高温热利用系统中的双抛物面且腔体内排列多根吸热管的腔体式吸热器。

背景技术

随着我国社会的不断进步与发展，人民生活水平日益提高，对能源的需求不断增加。目前，在世界能源供给结构中，化石能源(如煤炭、石油、天然气等)仍是主要能源。但化石能源是不可再生能源，随着工业化的不断深入开展，能源大量消耗造成的能源短缺将严重威胁社会的进一步发展。因此，开发和利用可再生能源，逐渐代替被过度开发和利用的不可再生能源，已是各国政府在资源利用方面达成的共识。具有良好开发潜力的可再生能源主要包括太阳能、风能、水能、生物质能、潮汐能和地热能等。其中，太阳能以其取之不尽，用之不竭并且对环境不会造成任何污染的特点，受到各界的广泛关注，太阳能利用技术的研究也成为热门课题。

太阳能的开发利用主要包括光热转换、光电转换和光化学转换三种形式。其中，光热转换是世界范围内太阳能利用最普及最主要的形式，如太阳能热水器、太阳能热发电系统等。在太阳能热发电领域，槽式太阳能热发电技术是最成熟的商业化技术。槽式太阳能吸热器能获得较高的集热温度，具有较高的光热转换效率并且在规模化应用中具有良好的经济优势，因此在太阳能利用领域具有良好的发展前景。

在槽式太阳能集热技术中，传统的应用真空管的吸热器，需要真空玻璃管材料，并且需要注意抽真空、封接以及防止漏气等问题，运行成本较高。另一方面，应用于碟式太阳能高温热利用系统的腔式吸热器能有效地避免这些问题，生产和维护成本大大降低，运行可靠性提高，可实现大规模应用于生产实践中。有效提高吸热器的集热效率是进一步发展槽式太阳能集热技术的关键之一，对此国内外学者开展了大量的相关研究。刘庆军等对槽式太阳能中低温有机朗肯循环热发电系统的腔体式吸热器的结构形式和聚光原理开展研究(刘庆军，刘德有，朱天宇，等.槽式太阳能腔体式吸热器热力性能研究[J]中国电机工程学报，2015,35(1)，126—132)，结果表明：管内工质流量、太阳辐照强度、风速、保温层厚度、入口压力等因素均会影响腔体式吸热器的集热效率。许多现有的理论研究均表明：

(1)仅管内工质流量增加时，出口温度降低，热损失也减少，即吸热器的集热效率提高。

(2)仅太阳辐照强度增加时，工质出口温度升高，导致热损失增加，但由于传热得到强化，吸热器的集热效率提高。

(3)仅外界气流变化时，风速较小的情况下，随着风速的增大，热损失会急剧增加，吸热器的集热效率会相应降低，但影响较小；风速较大的情况下，随着风速的增大，热损失缓慢增加，吸热器的集热效率相应降低。

(4)仅保温层厚度增加时，热损失减少，吸热器的集热效率先提高后降低。

(5)仅入口压力增加时，吸热管的出口温度随之近似线性升高，热损失增加，吸热器的集热效率降低，但降低幅度较小。

总之，综合考虑上述各类影响因素，提高腔体式吸热器的集热效率，同时优化吸热器结构，降低成本，可以促进槽式太阳能集热技术在生产生活中的进一步应用。

实用新型内容

本实用新型的目的在于避免上述背景之中的不足之处，设计了一种双抛物面多管太阳能腔体式吸热器，有效地吸收太阳辐射，减少热损失，降低成本。具体方案如下。

一种双抛物面多管太阳能腔体式吸热器，包括双抛物面反射器及太阳光跟踪装置部分、腔体式吸热器部分以及连接两部分的吸热器腔体支撑柱成。双抛物面反射器及太阳光跟踪装置部分包括双抛物面反射器、反射器支撑柱、反射器连接杆以及太阳光跟踪转动轴。双抛物面反射器包括第一抛物面反射器和第二抛物面反射器，两反射器关于装置径向中心面镜像对称，可将入射的太阳辐射反射，使其通过玻璃窗从腔体两侧进入腔体。每组反射器支撑柱包括三根，其中位于两侧的两根一端与太阳光跟踪转动轴连接，另一端与第一抛物面反射器或第二抛物面反射器连接，位于中间的一根一端与太阳光跟踪转动轴连接，另一端与与反射器连接杆连接，用以支撑反射器。反射器连接杆两端分别固定在位于两侧的两根反射器支撑柱上，连接两个抛物面反射器，并为吸热器腔体支撑柱提供固定面。腔体式吸热器部分包括上腔体外壳、上反光式挡风板、玻璃窗、下反光式挡风板、下腔体外壳、高效反射膜以及吸热管。上反光式挡风板与上腔体外壳无缝连接，下反光式挡风板与下腔体外壳无缝连接，用以增强对太阳辐射的捕捉，同时使外部自然风引起对流传热的热损失大大降低。玻璃窗与上反光式挡风板、下反光式挡风板无缝连接，与反光式挡风板以及腔体外壳共同形成密封空间，减少内部对流热损失。高效反射膜镀在腔体内表面以及反光式挡风板背离玻璃窗一侧且位于腔体内部的表面，以实现对太阳辐射的多次折射、反射，保证吸热管有效吸收太阳辐射。多根吸热管有序排列，以高效吸收太阳辐射，加热管中的高温传热流体，实现太阳能转化为热能。双抛物面反射器及太阳光跟踪装置部分与腔体式吸热器部分通过吸热器腔体支撑柱相连接，吸热器腔体支撑柱一端与下腔体外壳连接，另一端固定在反射器连接杆上。

进一步优化的，所述双抛物面反射器可以实现，当太阳辐射垂直镜面入射时，双抛物面反射器的最高处将入射的太阳辐射反射后经上反光式挡风板最外缘处进入吸热器，双抛物面反射器的最低处将入射的太阳辐射反射后经下反光式挡风板最外缘处进入吸热器。腔体两侧开口以及双抛物面反射器的设计，降低了对反射器镜面面积的需求，降低成本。

进一步优化的，所述的腔体式吸热器两侧开口并装有玻璃窗，采用强度高、透光率高且耐高温的石英玻璃，不仅可以有效支撑吸热器上腔体外壳，而且可以使太阳辐射最大程度地进入腔体内部。

进一步优化的，所述的上反光式挡风板、下反光式挡风板可以增强对太阳辐射的捕捉，减少外部自然风引起的热损失。同时上反光式挡风板与上腔体外壳及玻璃窗无缝连接，下反光式挡风板与下腔体外壳及玻璃窗无缝连接，共同构成密封空间，有效减少内部对流热损失。

进一步优化的，所述的吸热器上腔体外壳、下腔体外壳外表面包裹有一层石棉保温层，以减少热损失。内表面镀有高效反射膜，使得进入吸热器腔体内部的太阳辐射多次折射、反射后最终被吸热管吸收，提高对太阳辐射的吸收效率。

进一步优化的，所述的吸热管的材料选用紫铜管，具有坚固、耐腐蚀、耐高温高压、轻便的特点，其稳定性和可靠性使得装置具有良好的经济性。管外表面镀有太阳光选择性吸收膜，有效吸收太阳辐射，以加热管中的高温传热流体。有5～10根吸热管呈圆形阵列在腔体内，以充分利用反射进入腔体的太阳辐射。

进一步优化的，所述的反射器连接杆采用不锈钢槽钢、角钢或钢管中的一种，不仅可以促进双抛物面反射器及反射器支撑柱的结构稳定，而且可以为吸热器腔体支撑柱提供固定面。

进一步优化的，所述的吸热器腔体支撑柱采用不锈钢管，结构稳定，具有足够的机械强度，耐腐蚀，可以有效支撑吸热器腔体，同时连接吸热器腔体部分和双抛物面反射器及太阳光跟踪转动轴部分。

进一步优化的，所述的反射器支撑柱采用不锈钢管，结构稳定，具有足够的机械强度，耐腐蚀，可以有效支撑双抛物面反射器及反射器连接杆，同时连接双抛物面反射器与太阳光跟踪转动轴，连接反射器连接杆与太阳光跟踪转动轴。

进一步优化的，所述的吸热器采用基于PLC的太阳自动跟踪系统，太阳光跟踪转动轴以单轴跟踪方式引导双抛物面反射器追踪太阳轨迹，结构简单，便于自动控制，跟踪精度高，且成本较低。

本实用新型与现有技术相比，具有以下优点和技术效果：

1、反射器采用双抛物面的结构，有效提高吸热器的集热效率。

2、多管式的设计有效提高吸热器对太阳光的吸收效率。

3、采用密封腔体结构以及反光式挡风板有效减少空气对流热损失，提高吸热器的吸热效率。

4、本吸热器结构较传统结构(单抛物面反射器单管式结构)吸热效率提高，同时降低了对于反射器镜面面积的需求量，降低制造成本。

附图说明

图1是一种双抛物面多管太阳能腔体式吸热器的横向截面示意图。

图2是一种双抛物面多管太阳能腔体式吸热器的腔体式吸热器部分放大图。

图3是一种双抛物面多管太阳能腔体式吸热器的俯视示意图。

附图中：1-上腔体外壳；2-上反光式挡风板；3-玻璃窗；4-下反光式挡风板；5-下腔体外壳；6-双抛物面反射器；7-反射器支撑柱；8-高效反射膜；9-吸热管；10-吸热器腔体支撑柱；11-反射器连接杆；12-太阳光跟踪转动轴；a₁-反光式挡风板宽度；a₂-玻璃窗宽度；b₁-腔体外壳厚度；b₂-反光式挡风板厚度；b₃-玻璃窗厚度；b₄-吸热管壁厚；c₁-吸热管外径；c₂-上腔体外壳内径；c₃-下腔体外壳内径。

具体实施方式

以用于5MW的槽式太阳能发电系统中的本实用新型为例，对其结构及工作流程进行如下说明。

如图1所示，一种双抛物面多管太阳能腔体式吸热器主要包括双抛物面反射器及太阳光跟踪装置部分、腔体式吸热器部分以及连接两部分的吸热器腔体支撑柱10。双抛物面反射器及太阳光跟踪装置部分包括双抛物面反射器6、反射器支撑柱7、反射器连接杆11以及太阳光跟踪转动轴12，反射器支撑柱7与双抛物面反射器6、反射器连接杆11、太阳光跟踪转动轴12分别焊接，该部分主要用于追踪太阳光轨迹以及将太阳辐射反射进入吸热器腔体。腔体式吸热器部分包括上腔体外壳1、上反光式挡风板2、玻璃窗3、下反光式挡风板4、下腔体外壳5、高效反射膜8以及吸热管9，反光式挡风板与腔体外壳、玻璃窗3均采用无缝连接，该部分主要用于吸收进入腔体内的太阳辐射并加热吸热管中的高温传热流体，实现太阳能转化为热能。双抛物面反射器及太阳光跟踪装置部分与腔体式吸热器部分通过吸热器腔体支撑柱10相连接，吸热器腔体支撑柱10一端焊接在下腔体外壳5上，另一端焊接在反射器连接杆11上。

如图1、图2所示，所述的一种双抛物面多管太阳能腔体式吸热器，整体长度为50m。上腔体外壳1内径600mm，圆心角为107°，壁厚为4mm；下腔体外壳5内径为400mm，圆心角为101°，壁厚为4mm。上、下腔体外壳内径之比为1.5。腔体外壳采用不锈钢材料，内表面镀有高效反射膜，反射率为0.95，外表面包裹有一层石棉保温层。上反光式挡风板2、下反光式挡风板4采用不锈钢材料，宽度均为100mm，厚度为5mm，靠近玻璃窗3一侧的表面为镜面，背面位于腔内的表面镀有高效反射膜，反射率为0.95。玻璃窗3采用石英玻璃材料，透光率为0.94，宽度为200mm，厚度为5mm。腔内有5根吸热管9，呈圆形阵列；吸热管9为紫铜管，外径为80mm，壁厚为4mm，外表面镀有太阳光选择性吸收膜，吸收率为0.96；管内高温传热流体为联苯—联苯醚导热油。

如图1、图3所示，吸热器腔体支撑柱10、反射器连接杆11、反射器支撑柱7均采用不锈钢材料，每2m设置一组，共26组。吸热器腔体支撑柱10共78根，每组中有三根，中间的一根长度为1.5m，分别位于两侧的两根长度为1.8m，即有26根长度为1.5m，52根长度为1.8m；外径为40mm，壁厚为4mm。反射器连接杆11共有26根，采用5#槽钢，长度为2.5m。反射器支撑柱7共有78根，每组中有三根，中间的一根长度为0.8m，分别位于两侧的两根长度为1.6m，即有26根长度为0.8m，52根长度为1.6m；外径为40mm，壁厚为4mm。本吸热器采用双抛物面反射器6，反射器开口宽度为0.45m，准焦距为0.5m，平均厚度为5mm；基材采用不锈钢材料，反射材料采用蒸镀铝膜，反射率为0.96，表面镜保护膜为阳极氧化膜。太阳光跟踪转动轴12采用不锈钢材料，跟踪系统采用基于PLC的自动跟踪系统，南北布置东西单轴跟踪方式。

本双抛物面多管太阳能腔体式吸热器的工作流程为:

(1)太阳自动跟踪系统精确追踪太阳光轨迹，控制驱动太阳光跟踪转动轴12转动，以捕捉太阳辐射。

(2)太阳光垂直入射到双抛物面反射器6上，反射器反射太阳光。

(3)太阳光经反射器反射后，通过腔体式吸热器两侧的玻璃窗3进入腔体内部。

(4)一小部分太阳光直接被吸热管9吸收，大部分太阳光经腔体内的高效反射膜(8)多次折射、反射后被吸热管9吸收。

(5)太阳辐射被吸热管9吸收后加热管中的工作介质即导热油，使导热油温度升高，实现太阳能转化为热能。

方案实施所需部分设备材料详见表1。

表1

实施效果分析：本双抛物面多管太阳能腔体式吸热器在实际工程中应用于槽式太阳能热发电系统，该吸热器的应用，可提高太阳能热发电效率，降低煤炭发电的需求，从而减少煤炭的使用。以5MW槽式太阳能发电系统为例，每年可节约煤炭用量为5000～6000吨，按每吨煤炭400元计，即每年节约成本200～240万元。同时，与传统火力发电系统相比，本太阳能热发电系统每年可实现减少向大气排放4000～5000kgCO₂、40～50kgSO₂、20～30kgNOx、250～300kg粉尘，有效缓解当今大气污染严重的现状。由此可知，本实用新型应用于太阳能热发电系统不仅具有良好的经济效益，同时可减少污染，有利于我国的可持续发展。

如上所述，便可较好地实现本实用新型在实际生产中的应用。上述实施例仅为本实用新型的较佳实施例，并非用来限定本实用新型的实施范围，即凡依本实用新型的内容所作的均等变化与修饰，均为本实用新型权利要求所要求保护的范围。

Claims (9)

1.一种双抛物面多管太阳能腔体式吸热器，其特征在于，包括双抛物面反射器及太阳光跟踪装置部分、腔体式吸热器部分以及连接两部分的吸热器腔体支撑柱(10)；双抛物面反射器及太阳光跟踪装置部分包括双抛物面反射器(6)、反射器支撑柱(7)、反射器连接杆(11)以及太阳光跟踪转动轴(12)；双抛物面反射器(6)包括第一抛物面反射器和第二抛物面反射器，两反射器关于装置径向中心面呈镜像对称，能将入射的太阳辐射进行反射，继而通过玻璃窗(3)从腔体两侧进入腔体；每组反射器支撑柱(7)包括三根，其中位于两侧的两根一端与太阳光跟踪转动轴(12)连接，另一端与第一抛物面反射器或第二抛物面反射器连接，位于中间的一根一端与太阳光跟踪转动轴(12)连接，另一端与反射器连接杆(11)连接；反射器连接杆(11)两端分别固定在位于两侧的两根反射器支撑柱(7)上，连接两个抛物面反射器，并为吸热器腔体支撑柱(10)提供固定面；腔体式吸热器部分包括上腔体外壳(1)、上反光式挡风板(2)、玻璃窗(3)、下反光式挡风板(4)、下腔体外壳(5)、高效反射膜(8)以及吸热管(9)；上反光式挡风板(2)与上腔体外壳(1)无缝连接，下反光式挡风板(4)与下腔体外壳(5)无缝连接；玻璃窗(3)与上反光式挡风板(2)、下反光式挡风板(4)无缝连接，与反光式挡风板以及腔体外壳共同形成密封空间；高效反射膜(8)镀在腔体内表面以及反光式挡风板背离玻璃窗(3)一侧且位于腔体内部的表面，以实现对太阳辐射的多次折射、反射；多根吸热管(9)有序排列，以吸收太阳辐射，加热管中的高温传热流体，实现太阳能转化为热能。

2.根据权利要求1所述的一种双抛物面多管太阳能腔体式吸热器，其特征在于，当太阳辐射垂直反射器镜面入射时，双抛物面反射器(6)的最高处将入射的太阳辐射反射后经上反光式挡风板(2)最外缘处进入吸热器，双抛物面反射器(6)的最低处将入射的太阳辐射反射后经下反光式挡风板(4)最外缘处进入吸热器；双抛物面反射器(6)采用表面式反射镜面，反射器基材选取强度高、耐腐蚀的钢板，反射材料采用蒸镀铝膜，反射率为0.92～0.98，表面镜保护膜选用阳极氧化膜。

3.根据权利要求1所述的一种双抛物面多管太阳能腔体式吸热器，其特征在于，所述的玻璃窗(3)采用高透光率的耐高温石英玻璃，透光率大于0.90；玻璃窗(3)有足够机械强度，以支撑吸热器上腔体外壳(1)；玻璃窗(3)表面为光滑表面，宽度a₂为200mm～250mm，厚度b₃为5mm～8mm。

4.根据权利要求1所述的一种双抛物面多管太阳能腔体式吸热器，其特征在于，所述的上反光式挡风板(2)、下反光式挡风板(4)靠近玻璃窗(3)一侧的表面为镜面；背面位于腔体内的表面镀有高效反射膜(8)，反射率大于0.90；反光式挡风板宽度a₁为100mm～150mm，厚度b₂为5mm～8mm。

5.根据权利要求1所述的一种双抛物面多管太阳能腔体式吸热器，其特征在于，所述的上腔体外壳(1)、下腔体外壳(5)采用不锈钢材料，厚度b₁为3mm～5mm，内表面镀有高效反射膜(8)，反射率大于0.90，外表面包裹有石棉保温层；上腔体外壳(1)内径c₂为600mm～800mm，下腔体外壳(5)内径c₃为400mm～500mm，上下腔体外壳内径之比为1.2～2。

6.根据权利要求1所述的一种双抛物面多管太阳能腔体式吸热器，其特征在于，所述的吸热管(9)采用导热率高的紫铜管，外径c₁为Ф70mm～Ф90mm，管壁厚度b₄为2mm～4mm，管外表面镀有太阳光选择性吸收膜，吸收率大于0.92，管内的高温传热流体为沸点大于250℃的导热油；有5～10根吸热管(9)呈圆形阵列在腔体内，以充分利用反射进入腔体内的太阳辐射。

7.根据权利要求1所述的一种双抛物面多管太阳能腔体式吸热器，其特征在于，所述的反射器连接杆(11)采用不锈钢槽钢、角钢或钢管中的一种，两端分别与位于两侧的反射器支撑柱(7)焊接。

8.根据权利要求1 所述的一种双抛物面多管太阳能腔体式吸热器，其特征在于，所述的吸热器腔体支撑柱(10)采用不锈钢管，外径为Ф20mm～Ф30mm，壁厚为3mm～4mm，一端与下腔体外壳(5)焊接，另一端与反射器连接杆(11)焊接，以有效支撑腔体式吸热器。

9.根据权利要求1所述的一种双抛物面多管太阳能腔体式吸热器，其特征在于，所述的反射器支撑柱(7)每组包括三根，其中位于两侧的两根一端与太阳光跟踪转动轴(12)焊接，另一端与第一抛物面反射器或第二抛物面反射器焊接，位于中间的一根一端与太阳光跟踪转动轴(12)焊接，另一端与反射器连接杆(11)焊接；反射器支撑柱(7)采用不锈钢管，外径为Ф30mm～Ф40mm，壁厚为3mm～4mm。