CN216384667U - 采用转杆式定反光板聚光的中温集热与辐射制冷双效装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种采用转杆式定反光板聚光的中温集热与辐射制冷双效装置，其包括：辐射冷却反光板、转杆模块、接收器模块；辐射冷却反光板包括弧形板层，弧形板层的上表面覆有光谱选择性涂层，下表面嵌有多个沿弧线拉伸方向水平放置的冷却管道；转杆模块带动接收器模块转动；辐射冷却反光板下设有可调节的基座。本申请可以同时实现太阳能中温集热和辐射制冷，单位面积利用率和能源综合利用效率高，装置稳定性高，同时具有重量轻和建造及维护成本低的优势。

Description

采用转杆式定反光板聚光的中温集热与辐射制冷双效装置

技术领域

本实用新型涉及一种太阳能集热及辐射制冷集成装置，特别是一种采用转杆式定反光板聚光的中温集热与辐射制冷双效装置，属于新能源与节能技术领域。

背景技术

天空辐射制冷是利用部分可以穿透大气层的特定波长电磁波，将物体的热量以红外辐射的形式永久地释放进宇宙的制冷方式。该技术为我们提供了一个清洁的、无能耗的冷源，尤其是近几年在光学和材料学上的研究，实现了在白天太阳直射下仍能将物体降温，天空辐射制冷吸引了世界各国科研人员的广泛关注。

另一方面，由于太阳能集热器和辐射制冷装置在结构上和位置上的相似性，功能和工作时段互补，有研究人员提出了平板太阳能集热器和辐射制冷装置通过光谱特性和结构参数的设计，将这两种物理过程有机结合在同一套装置上。该复合装置能够实现白天太阳能集热和夜间辐射制冷，从而实现装置的多功能、全天候和跨季节利用，提高能源综合利用效率和时间利用率，缩短投资回收期，促进可再生能源的规模化应用。

但目前的太阳能集热与辐射制冷的结合局限于平板太阳能集热器和辐射制冷装置，平板太阳能集热器一般仅适用于80℃以下的集热，同时由于为了白天更好的进行制冷，减少太阳辐射对制冷的影响，需要尽可能的反射太阳光辐射，这使得同时高效率的实现集热和制冷较为困难，而用于聚光集热的反光镜可以反射95%以上的太阳辐射，结合适合“大气窗口”波段（8-13μm）的选择性涂层，可以实现辐射制冷的同时进行中高温太阳能集热。

采用反光镜的太阳能聚光集热方式包括线聚焦（槽式、线性菲涅尔式）和点聚焦方式（塔式、碟式），其中线聚焦方式由于成本低、适用范围广而得到更多的推广应用。通过聚光方式可以获得更高温度的工质，将太阳能转化为更高品位的热能。但以上聚光方式不是很适合与辐射制冷结合，主要原因：1）反射镜工作时需要根据太阳位置进行转动，不便于布置制冷管道；2）为了避免反光镜之间的遮挡，反光镜之间存在较大的间距，冷辐射有效面积低；3）反光镜的朝向不是正对着天空，辐射角系数小且波动，影响冷辐射制冷量。此外，目前的线聚焦方式在集热方面还存在以下不足：1）集热装置建造成本偏高，比如槽式集热装置成本约5.2元/W，线性菲涅尔式集热装置成本约4.5元/W，相对于传统及其它能源优势不明显；2）维护成本高，存在大量的转动部件，结构复杂且故障率大；3）单位面积地面太阳能利用率低，槽式集热器和线性菲涅尔式集热器的占地面积有效利用率仅约为55%和65%；4）槽式集热器存在装置偏重、抗风性能差等不足，线性菲涅尔式存在聚光效率和聚光比偏低等不足。

发明内容

技术问题：本实用新型的目的在于克服上述现有线聚焦集热装置及辐射制冷结合方式的缺陷，提供了一种反光板无需转动的、可以同时实现太阳能中温集热和辐射制冷的高效线聚焦装置，投资费用低，单位面积利用率和能源综合利用效率高，抗风性能好，装置稳定性高，同时具有重量轻和建造及维护成本低的优势。

技术方案：为解决上述技术问题，本申请提出了一种采用转杆式定反光板聚光的中温集热与辐射制冷双效装置，其包括：

辐射冷却反光板，该辐射冷却反光板包括弧形板层，弧形板层的上表面覆有光谱选择性涂层，光谱选择性涂层包括中红外高发射材料层和太阳辐射高反射材料层，弧形板层呈弧线拉伸而成的凹槽，弧形板层下表面嵌有多个沿弧线拉伸方向水平放置的冷却管道；弧形板层和冷却管道的下表面覆有保温层。

采用此集热方式的反射镜进行冷辐射具有以下优点：1）反光镜为固定式，不需要转动，便于冷却介质的流动和管道的布置；2）反光镜之间不需要设置间距，单位占地面积的有效冷辐射面积高；3）反光镜水平向上方式，朝向正对着天空，辐射换热的角系数最大化；4）相对于单一太阳能集热装置和天空制冷辐射装置，本装置采用同样的占地面积和接近的成本可以同时实现中温集热和辐射制冷，并且具有较高的集热效率和制冷效率，集热功率约300~700W/m²，制冷功率白天约20~50W/m²、晚上约60~100W/m²。

转杆模块，该转杆模块包括支撑杆、转杆、转轴、接收器固定架、配重块、动力装置；该转杆通过转轴连接支撑杆的上端，支撑杆的下端固定在地面上，转轴连接动力装置，动力装置带动转轴及转杆转动；该转杆的两端分别连接接收器固定架和配重块。

接收器模块，该接收器模块包括直通式真空集热管，该直通式真空集热管固定安装在接收器固定架上。

1.偏离抛物线轴线一定范围内（一般±30度以内）的入射光，反射后仍具有较好的聚焦效果；2.一年中太阳光南北向高度角（集热器东西轴向方式，此角度为入射光的角度）的变化范围较小（采光时段内，约90%的时间小于±30度）。本申请主要基于上述两个原理所进行的发明创造，以解决现有线聚焦集热器所存在的问题。

本申请具有转动部件少，跟踪精度要求低，可以降低转动设备和控制设备的投资费用；单位占地面积太阳能利用率高（可以达到95%），以充分利用太阳能；抗风性能和装置稳定性好，重量轻，同时具有建造及维护成本低的优势。

进一步，辐射冷却反光板采用反光镜或高反光铝板，以减少反射造成的光学损失。

进一步，弧形板层的材料为铜、铝或玻璃。具有较高的传热系数和一定的硬度。

进一步，中红外高发射材料层采用二氧化硅材料或者聚对苯二甲酸乙二醇酯材料，在8-13μm波段具有较高的光谱发射率；太阳辐射高反射材料层采用银材料，对太阳辐射有较高的反射率。

进一步，动力装置包括伺服电机、减速机、转动齿轮，以实现精准控制转杆转动。

进一步，在辐射冷却反光板下设有基座，包括矩形框架、反光板支撑杆、调节螺杆、调节螺母；矩形框架固定在地面上，矩形框架的上横杆上设有多个螺栓孔，调节螺杆穿过螺栓孔，调节螺杆上套有分别位于上横杆上方和下方的2个调节螺母，调节螺杆上端固定连接反光板支撑杆，反光板支撑杆固定连接辐射冷却反光板。

利用该调节机构，可以对辐射冷却反光板的高度、弧度和角度在一定范围内进行精细调节，以使辐射冷却反光板达到所在地区的设定状态。基座与辐射冷却反光板能够通过磁铁吸附的方式固定，易拆卸。

进一步，接收器模块还包括CPC反光板，CPC反光板固定在接收器固定架上并位于直通式真空集热管的上侧，辐射冷却反光板反射的太阳光一部分直接照射到直通式真空集热管上，一部分经CPC反光板反射后照射到直通式真空集热管上。采用CPC反光板能够进一步提高集热装置的聚光比，降低跟踪精度要求。

进一步，该弧形板层的反光面的径向截面为一抛物线的一部分，并且相对于该抛物线的对称轴非对称。

进一步，冷却管道的两端设有冷却干管。

附图说明

图1是采用转杆式定反光板聚光的中温集热与辐射制冷双效装置的结构示意图。

图2是辐射冷却反光板的结构示意图。

图3是转杆模块的结构示意图。

图4是接收器模块的结构示意图。

图5是基座的结构示意图。

其中：1是辐射冷却反光板、2是转杆模块、3是接收器模块、4是基座、101是弧形板层、102是光谱选择性涂层、103是冷却管道、104是冷却干管、105是保温层、201是支撑杆、202是转杆、203是接收器固定架、204是配重块、205是动力装置、301是直通式真空集热管、302是CPC反光板、401是矩形框架、402是反光板支撑杆、403是调节螺杆、404是调节螺母。

具体实施方式

请参阅图1-图5。

采用转杆式定反光板聚光的中温集热与辐射制冷双效装置包括：

辐射冷却反光板1，该辐射冷却反光板包括弧形板层101，弧形板层101的上表面覆有光谱选择性涂层102，弧形板层101的材料为铜，光谱选择性涂层102包括中红外高发射材料层和太阳辐射高反射材料层，中红外高发射材料层采用二氧化硅材料，太阳辐射高反射材料层采用银材料；弧形板层101呈弧线拉伸而成的凹槽，每块弧形板层101下表面嵌有9个沿弧线拉伸方向水平放置的冷却管道103；弧形板层101和冷却管道103的下表面覆有保温层105；冷却管道103的两端设有冷却干管104。

在辐射冷却反光板1下设有基座4，用于对辐射冷却反光板1的位置进行调整，基座4包括矩形框架401、反光板支撑杆402、调节螺杆403、调节螺母404；矩形框架401固定在地面上，矩形框架401的上横杆上设有5个螺栓孔，调节螺杆403穿过螺栓孔，调节螺杆403上套有分别位于上横杆上下方的2个调节螺母404，调节螺杆403上端固定连接反光板支撑杆402，反光板支撑杆402固定连接辐射冷却反光板1。

转杆模块2，该转杆模块2包括支撑杆201、转杆202、转轴、接收器固定架203、配重块204、动力装置205；该转杆202通过转轴连接支撑杆201的上端，支撑杆201的下端固定在地面上，转轴连接动力装置205，动力装置205带动转轴及转杆202转动；该转杆202的两端分别连接接收器固定架203和配重块204；动力装置205包括伺服电机、减速机、转动齿轮；配重块205的重量满足支撑杆201上所支撑的物体的重心在转轴的轴线上。

接收器模块3，该接收器模块3包括直通式真空集热管301和CPC反光板302，该直通式真空集热管301和CPC反光板302均固定安装在接收器固定架203上，且CPC反光板302位于直通式真空集热管301的上侧。辐射冷却反光板1反射的太阳光一部分直接照射到直通式真空集热管301上，一部分经CPC反光板302反射后照射到直通式真空集热管301上。直通式真空集热管301的长度为2m，直通式真空集热管301内部的金属管采用DN16不锈钢管（外径22mm）。CPC反光板302的开口宽度为70.8mm，CPC的接收角为60°。

在本实施例中：该阵列由12个采用转杆式定反光板聚光的中温集热与辐射制冷双效装置单元组成，每列2个单元，共6列，直通式真空集热管301的轴向为东西方向。单位占地面积的有效冷辐射面积率达92%；采用的二氧化硅光谱涂层在中红外波段的发射率达93%。每块辐射冷却反光板1面积为0.85m*2mm=1.7m²，装置高度约为1.7m；本阵列总采光面积为1.7*12=20.4 m²，额定集热功率为15kW，总造价约为5万元，聚光比为848.67÷22=38.6。定辐射制冷功率：白天0.6kW、晚上1.8kW。

在本实施例中：1.偏离抛物线轴线±30度以内的入射角光，理论上反射后大部分都能照射到直通式真空集热管301上；2.一年中太阳光南北向高度角（入射光的角度）在采光时段内，约90%的时间小于±30度。进而可以得知，本实施例装置在无需转动反光板的情况下，一年运行中具有较为理想的聚光效果。

本申请具有单位占地面积有效利用率高，可以充分利用大自然能源——太阳能集热和天空辐射制冷；可以实现全天候制冷和中温集热（100~300℃），并且集热和制冷效率高；同时反光板无需转动，抗风性能好，装置稳定性高，重量轻；同时具有建造及维护成本低的优势。

需要说明的是上述实施例仅仅是本实用新型的较佳实施例，并没有用来限定本实用新型的保护范围，本实用新型的保护范围以权利要求书为准。

Claims (8)

1.采用转杆式定反光板聚光的中温集热与辐射制冷双效装置，其特征在于，包括：

辐射冷却反光板，该辐射冷却反光板包括弧形板层，弧形板层的上表面覆有光谱选择性涂层，光谱选择性涂层包括中红外高发射材料层和太阳辐射高反射材料层，弧形板层呈弧线拉伸而成的凹槽，弧形板层下表面嵌有多个沿弧线拉伸方向水平放置的冷却管道；弧形板层和冷却管道的下表面覆有保温层；

转杆模块，该转杆模块包括支撑杆、转杆、转轴、接收器固定架、配重块、动力装置；该转杆通过转轴连接支撑杆的上端，支撑杆的下端固定在地面上，转轴连接动力装置，动力装置带动转轴及转杆转动；该转杆的两端分别连接接收器固定架和配重块；

接收器模块，该接收器模块包括直通式真空集热管，该直通式真空集热管固定安装在接收器固定架上。

2.根据权利要求1所述的采用转杆式定反光板聚光的中温集热与辐射制冷双效装置，其特征在于，弧形板层的材料为铜、铝或玻璃。

3.根据权利要求1所述的采用转杆式定反光板聚光的中温集热与辐射制冷双效装置，其特征在于，中红外高发射材料层采用二氧化硅材料或者聚对苯二甲酸乙二醇酯材料，太阳辐射高反射材料层采用银材料。

4.根据权利要求1所述的采用转杆式定反光板聚光的中温集热与辐射制冷双效装置，其特征在于，动力装置包括伺服电机、减速机、转动齿轮。

5.根据权利要求1所述的采用转杆式定反光板聚光的中温集热与辐射制冷双效装置，其特征在于，在辐射冷却反光板下设有基座，用于对辐射冷却反光板的高度、弧度和角度进行调整，基座包括矩形框架、反光板支撑杆、调节螺杆、调节螺母；矩形框架固定在地面上，矩形框架的上横杆上设有多个螺栓孔，调节螺杆穿过螺栓孔，调节螺杆上套有分别位于上横杆上方和下方的2个调节螺母，调节螺杆上端固定连接反光板支撑杆，反光板支撑杆固定连接辐射冷却反光板。

6.根据权利要求1所述的采用转杆式定反光板聚光的中温集热与辐射制冷双效装置，其特征在于，接收器模块还包括CPC反光板，CPC反光板固定在接收器固定架上并位于直通式真空集热管的上侧，辐射冷却反光板反射的太阳光一部分直接照射到直通式真空集热管上，一部分经CPC反光板反射后照射到直通式真空集热管上。

7.根据权利要求1所述的采用转杆式定反光板聚光的中温集热与辐射制冷双效装置，其特征在于，该弧形板层的反光面的径向截面为一抛物线的一部分，并且相对于该抛物线的对称轴非对称。

8.根据权利要求1所述的采用转杆式定反光板聚光的中温集热与辐射制冷双效装置，其特征在于，冷却管道的两端设有冷却干管。

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