CN205619596U - 含双排多管的圆台形腔式太阳能吸热器 - Google Patents

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Abstract

本实用新型公开了一种含双排多管的圆台形腔式太阳能吸热器，含双排多管的圆台形腔式太阳能吸热器，所述腔式太阳能吸热器包括圆台形壳体、吸热管组件、反光式挡风板、上腔口封罩、下腔口封罩，所述的吸热管组件置于圆台形壳体内且两者轴线同轴；反光式挡风板置于圆台形壳体下部的开口处，且与圆台形壳体轴线同轴；上腔口封罩置于圆台形壳体内腔顶部。本实用新型具有结构合理，可模块化制造的特点，主要用于碟式太阳能热发电系统中的太阳光热的吸收，以获得高品位热能。

Description

含双排多管的圆台形腔式太阳能吸热器
技术领域
本实用新型涉及一种腔式太阳能吸热器，特别涉及一种应用于碟式太阳能高温热利用系统中的含双排多管的圆台形腔式太阳能吸热器。
背景技术
能源是人类活动的基础。在某种意义上讲，目前人类社会的发展离不开可再生能源的使用。当今世界，能源的发展是全世界、全人类共同关心的问题，也是我国社会经济发展的重要问题。然而当前世界出现能源危机，中国能源危机更为严重。开发新能源利用技术是各国解决能源危机的一种重要方法。相对于传统化石能源，可再生能源具有污染少、储量大的特点，对解决环境污染问题和资源(特别是化石能源)枯竭问题意义重大。太阳能是可再生能源的一种，且由于太阳能具有洁净、无污染等优点，其应用方面的研究越来越受到世界各国高度关注。
太阳能高温热利用是太阳能热利用中的重要组成部分，而太阳能热发电是太阳能高温热利用的一种发展趋势。太阳能采集是实现太阳能热发电首先必须解决的问题。按采集方式的不同可分为：太阳能槽式热发电、太阳能塔式热发电、太阳能碟式热发电。碟式太阳能高温热利用系统同时拥有聚光比高、结构简单、可模块化等优势，特别适用于分布式发电场合，同时在其他高温热利用场合也具有广泛应用前景。目前碟式太阳能发电系统大都采用腔式吸热器作为高温集热器。因而，如何提高腔式吸热器的光热转换效率就成为目前研究的热点之一，降低腔体吸热器的热损失及均匀分配聚光后太阳辐射的能流分布是提高其光热转换效率的一种有效方法。
据相关文献报道，腔体吸热器的热损失主要来自四个方面，即腔体内表面对聚焦光的反射热损失、腔体内表面通过采光口的辐射损失、经腔体采光 口的对流热损失及通过腔体壁面的导热损失。如何分配及尽可能地减少以上所述四种热损失是研制高效腔式吸热器的关键。目前的研究重点主要集中在腔式吸热器的形状、结构参数、流经吸热管的传热介质三方面。如何集中这三方面优势，提出一种光-热转化效率高、结构简单、可模块化制造，从而应用于蝶式太阳能热利用领域的腔式吸热器仍然是人们的不懈追求。
实用新型内容
本实用新型为克服现有技术存在的上述不足，本实用新型提供了一种含双排多管的圆台形腔式太阳能吸热器。该腔式吸热器能充分吸收进入腔内的太阳热能，捕获太阳光线，提高腔体内光线的反射效率和吸收效率，从而降低对流热损，减少传热的无效管程，最终提高吸热器的光热转换效率。
本实用新型的目的至少通过如下技术方案之一实现。
含双排多管的圆台形腔式太阳能吸热器，所述腔式太阳能吸热器包括圆台形壳体、吸热管组件、反光式挡风板、上腔口封罩、下腔口封罩，所述的吸热管组件置于圆台形壳体内且两者轴线同轴；反光式挡风板置于圆台形壳体下部的开口处，且与圆台形壳体轴线同轴；上腔口封罩置于圆台形壳体内腔顶部。
进一步地，圆台形壳体由外壳、内壳组成，两壳间填充有隔热材料(2)；圆台形壳体下部设有圆形开口，圆形开口直径与圆台形壳体下底内径之比d1:d2＝0.2～0.4,底角α为60°～80°，外壳厚度δ1为5～10mm，内壳厚度δ2为5～10mm，隔热材料厚度δ3为20～50mm。
进一步地，吸热管组件是由进液管、内环液体均流分配管、外环液体均流分配管、连接管、高温吸热直管、低温吸热弯管、环形液体收集管、出液管组成；所述的进液管与外环液体均流分配管连接，内环液体均流分配管与外环液体均流分配管通过四根连接管连接并相通；多根所述的高温吸热直管呈圆台排列，每根均紧贴圆台形壳体内腔壁面，下部与外环液体均流分配管相连通，上部与环形液体收集管相连通；多根所述的低温吸热弯管呈倒圆台状均匀分布排 列，下部与内环液体均流分配管相连通，上部与环形液体收集管相连通；所述的出液管与环形液体收集管相连通；单根所述的高温吸热直管、低温吸热弯管的长度之比l1:l2＝0.8～0.95。
进一步地，反光式挡风板为无上、下底圆台形，壁厚为δ4＝10～30mm,下部底角β为60°～80°，底部开口面积与圆台形壳体内壁表面积之比为0.15～0.35；所述的反光式挡风板内壁涂有反光材料。
进一步地，上腔口封罩为碟形结构，封罩突起面表面光滑并涂有反光性能好的材料；封罩平整面与圆台形壳体内腔上部顶面相连接；封罩突起高度h1为10～30mm，δ5厚度为5～10mm。
进一步地，下腔口封罩为圆环结构，横截面为半椭圆形，椭圆长短轴之比为a:b＝6～12，椭圆环厚度δ6＝5～10mm；突起面光滑并涂有反光性能好的材料；封罩平整面与圆台形壳体内腔底面相连；外环直径d3与内腔直径d2一致，内环直径d4与圆台形壳体下部的开口直径d1一致。
进一步地，管内流动的储热流体采用高温下不分解且流动性好的显热储能材料、相变储能介质、热化学储能介质中的一种；所述的高温吸热直管、低温吸热弯管可由导热率高的黄铜、紫铜、软铝或其他软合金材料制成，管壁外侧进行抛光打磨，并粘贴光线吸收率高的材料。
进一步地，储热流体的流动方向是：储热流体由圆台形壳体下端的进液管进入外环液体均流分配管，一部分流体流入高温吸热直管，另一部分流体经连接管流入内环液体均流分配管，再流入低温吸热弯管，经加热后的高温吸热直管和低温吸热弯管内的储热流体均流入环形液体收集管，最后从上端出液管引出。
该腔式吸热器具有以下四大结构特点：1.吸热器的壳体采用带上、下腔口封罩的开口式圆台形结构；2.吸热管组件采用双排多管式排列结构；3.储热流体采用先分再合的流动方式；4.与下腔口封罩相连的反光式圆台形挡风板 结构。
与现有技术相比较，本实用新型具有以下优点：
1)与传统单排管结构相比，入射光线进入腔体后更易被低温吸热弯管管面吸收；同时发生多重反射时，双排管能及时将反射光吸收，不易溢出腔口，降低反射光损失。
2)本腔式吸热器采用双排多管式结构，能让储热流体同时进入不同的换热管，增加流体流量的同时，也能及时将储热流体带走，缩短吸热的时间，减少无效管程。吸热管与分配管、收集管用螺纹口连接，必要时可拆卸并清理管体内部。
3)壳体、上下腔口封罩和挡风板间形成了半封闭区域，使得外界的空气较难干扰腔体内部，降低了腔内的对流热损失。同时，封罩表面突起涂有反射材料，能使太阳光发生多重反射，减弱了通过腔口的热辐射量。
附图说明
图1是含双排多管的圆台形腔式太阳能吸热器的轴向全剖面结构示意图。
图2是圆台形壳体结构示意图。
图3是上腔口封罩结构示意图。
图4是下腔口封罩结构示意图。
图5是反光式挡风板结构示意图。
图6.是吸热管组件示意图。
图中：1--外壳；2—隔热材料；3--内壳；4--环形液体收集管；5--上腔口封罩；6--高温换热直管；7--低温换热弯管；8--内环液体均流分配管；9--外环液体均流分配管；10--进液管；11--连接管；12--下腔口封罩；13--反光式挡风板；14--出液管。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型的具体实施方式作详细描述。
图1为本实用新型二维结构示意图。本实用新型所述的吸热管组件采用双排多管式排列结构，所述腔式太阳能吸热器包括圆台形壳体、吸热管组件、反光式挡风板13、上腔口封罩5、下腔口封罩12，所述的吸热管组件置于圆台形壳体内且两者轴线同轴；反光式挡风板13置于圆台形壳体下部的开口处，且与圆台形壳体轴线同轴；上腔口封罩5置于圆台形壳体内腔顶部。圆台形壳体由外壳1、内壳3组成，两壳间填充有隔热材料2；圆台形壳体下部设有圆形开口，圆形开口直径与圆台形壳体下底内径之比d1:d2＝0.2～0.4,底角α为60°～80°，外壳厚度δ1为5～10mm，内壳厚度δ2为5～10mm，隔热材料厚度δ3为20～50mm。吸热管组件是由进液管10、内环液体均流分配管8、外环液体均流分配管9、连接管11、高温吸热直管6、低温吸热弯管7、环形液体收集管4、出液管14组成；所述的进液管10与外环液体均流分配管9连接，内环液体均流分配管8与外环液体均流分配管9通过四根连接管11连接并相通；多根所述的高温吸热直管6呈圆台排列，每根均紧贴圆台形壳体内腔壁面，下部与外环液体均流分配管9相连通，上部与环形液体收集管4相连通；多根所述的低温吸热弯管7呈倒圆台状均匀分布排列，下部与内环液体均流分配管8相连通，上部与环形液体收集管4相连通；所述的出液管14与环形液体收集管4相连通；单根所述的高温吸热直管6、低温吸热弯管7的长度之比l1:l2＝0.8～0.95
双排式吸热管组件中的高温吸热直管6紧贴内壁表面吸收太阳热能中的高温部分，低温吸热弯管7吸收腔体中心的热量，填补了腔体中心热量利用的空白；为有效利用高温部分和低温部分的太阳热能，单根所述的高温吸热直管6、低温吸热弯管7的长度之比为0.8～0.95。这种双排多管式排列结构与传统单管式相比，能增加吸热管内的储热流体流量，及时带走腔内太阳热能，减少无效管程，提高换热效率。
本实用新型所述的带上、下腔口封罩的开口式圆台形吸热器壳体结构包括外壳1、内壳3、上腔口封罩5、下腔口封罩12，以及内、外壳之间填充的隔热材料2。这种结构能有效降低通过壳壁的导热损失，极好地防止腔体内热量通过壳壁流失；上腔口封罩5、下腔口封罩12均由耐热材料制成；上腔口封罩5置于圆台形壳体内腔顶部，封罩突起面表面光滑并涂有反光性能好的材料，封罩平整面与圆台形壳体内腔上部顶面无缝相连接；下腔口封罩12突起面光滑并涂有反光性能好的材料，封罩平整面与圆台形壳体内腔底面相连；这样的结构既能保证聚焦光线能以较低的损耗进入腔体，又因封罩突起面处涂有反光材料，光线进入腔体后不断被反射，更多地被吸热管吸收，从而提高光热吸收效率。
本实用新型所述的储热流体流动方式为：储热流体由圆台形壳体下端的进液管10进入外环液体均流分配管9，一部分流体流入高温吸热直管6，另一部分流体经连接管11流入内环液体均流分配管8，再流入低温吸热弯管7，经加热后的高温吸热直管6和低温吸热弯管7内的储热流体均流入环形液体收集管4，最后从上端出液管14引出。这样的流动方式，能有效地吸收腔体内各种温度下的太阳热能，提高吸热器的热效率。
本实用新型所述的与下腔口封罩12相连的反光式挡风板13采用圆台式结构，挡风板内侧涂有红外反射材料，用于反射来自腔体内部的热辐射射线，并将其反射回腔体，从而减少吸热器的热辐射损失，同时挡风板对自然风有很好的遮挡作用，可以减少外界气流带来的强制对流热损失。
本腔式吸热器的组装顺序为由上到下，由内到外。首先在圆台形壳体内腔上部固定环形液体收集管4，在顶端固定上腔口封罩5，然后将按内壳尺寸已经制作的多根高温吸热直管6呈圆台排列，每根均紧贴圆台形壳体内腔壁面，下部采用螺纹连接与外环液体均流分配管9相连通，上部与环形液体收集管4相连通；多根低温吸热弯管7呈倒圆台状均匀分布排列，下部与内环液体均流 分配管8相连通，上部与环形液体收集管4相连通。将下腔口封罩12平整面与圆台形壳体内腔底面相连。反光式挡风板13置于圆台形壳体下部开口处，连接方式均采用焊接。最后在内壳3与外壳1间用耐热材料2填充好，以达到保温隔热的效果。
储热流体的流动方式如下：储热流体在外部泵的驱动下由圆台形壳体下端的进液管10进入外环液体均流分配管9，一部分流体流入高温吸热直管6，另一部分流体经连接管11流入内环液体均流分配管8，再流入低温吸热弯管7，经加热后的高温吸热直管6和低温吸热弯管7内的储热流体均流入环形液体收集管4，最后从上端出液管14引出。
吸热及储热过程如下：将本实用新型置于一种碟式聚光器的焦平面处，白天有光照时，太阳光经过聚光碟聚焦后进入腔体，绝大部分光线被吸热管管壁吸收，其中吸热管组件中的高温吸热直管6紧贴内壁表面吸收太阳热能中的高温部分，低温吸热弯管7吸收腔体中心的热量；少量光线被上腔口封罩5、下腔口封罩12不断反射，更多地被吸热管吸收。反光式挡风板13可反射来自腔体内部的热辐射射线，并将其反射回腔体，从而减少吸热器的热辐射损失。同时，也可阻止部分空气直接流入腔体内，从而减小对流损失。
表1
本腔式吸热器可模块化制造。经过数值模拟计算分析，一种具体的本实用新型吸热器的各零件规格大小及结构参数如表1所示。

Claims (7)

1.含双排多管的圆台形腔式太阳能吸热器，其特征在于，所述腔式太阳能吸热器包括圆台形壳体、吸热管组件、反光式挡风板(13)、上腔口封罩(5)、下腔口封罩(12)，所述的吸热管组件置于圆台形壳体内且两者轴线同轴；反光式挡风板(13)置于圆台形壳体下部的开口处，且与圆台形壳体轴线同轴；上腔口封罩(5)置于圆台形壳体内腔顶部。
2.根据权利要求1所述含双排多管的圆台形腔式太阳能吸热器，其特征在于，圆台形壳体由外壳(1)、内壳(3)组成，两壳间填充有隔热材料(2)；圆台形壳体下部设有圆形开口，圆形开口直径与圆台形壳体下底内径之比d1∶d2＝0.2～0.4，底角α为60°～80°，外壳厚度δ1为5～10mm，内壳厚度δ2为5～10mm，隔热材料厚度δ3为20～50mm。
3.根据权利要求1所述含双排多管的圆台形腔式太阳能吸热器，其特征在于，吸热管组件是由进液管(10)、内环液体均流分配管(8)、外环液体均流分配管(9)、连接管(11)、高温吸热直管(6)、低温吸热弯管(7)、环形液体收集管(4)、出液管(14)组成；所述的进液管(10)与外环液体均流分配管(9)连接，内环液体均流分配管(8)与外环液体均流分配管(9)通过四根连接管(11)连接并相通；多根所述的高温吸热直管(6)呈圆台排列，每根均紧贴圆台形壳体内腔壁面，下部与外环液体均流分配管(9)相连通，上部与环形液体收集管(4)相连通；多根所述的低温吸热弯管(7)呈倒圆台状均匀分布排列，下部与内环液体均流分配管(8)相连通，上部与环形液体收集管(4)相连通；所述的出液管(14)与环形液体收集管(4)相连通；单根所述的高温吸热直管(6)、低温吸热弯管(7)的长度之比l1∶l2＝0.8～0.95。
4.根据权利要求1所述含双排多管的圆台形腔式太阳能吸热器，其特征在于，反光式挡风板(13)为无上、下底圆台形，壁厚为δ4＝10～30mm，下部底角β为60°～80°，底部开口面积与圆台形壳体内壁表面积之比为0.15～0.35；所述的反光式挡风板内壁涂有反光材料。
5.根据权利要求1所述含双排多管的圆台形腔式太阳能吸热器，其特征在于，上腔口封罩(5)为碟形结构，封罩突起面表面光滑并涂有反光材料；封罩平整面与圆台形壳体内腔上部顶面相连接；封罩突起高度h1为10～30mm，δ5厚度为5～10mm。
6.根据权利要求1所述含双排多管的圆台形腔式太阳能吸热器，其特征在于，下腔口封罩(12)为圆环结构，横截面为半椭圆形，椭圆长短轴之比为a∶b＝6～12，椭圆环厚度δ 6＝5～10mm；突起面光滑并涂有反光材料；封罩平整面与圆台形壳体内腔底面相连；外环直径d3与内腔直径d2一致，内环直径d4与圆台形壳体下部的开口直径d1一致。
7.根据权利要求3所述含双排多管的圆台形腔式太阳能吸热器，其特征在于，管内流动的储热流体采用高温下不分解且具有流动性的显热储能材料、相变储能介质、热化学储能介质中的一种；所述的高温吸热直管(6)、低温吸热弯管(7)由黄铜、紫铜、软铝或其他软合金材料制成，管壁外侧进行抛光打磨，并粘贴光线吸收材料。
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