CN2435700Y - 聚光型真空管太阳能集热器 - Google Patents

Abstract

一种改进的聚光型真空管太阳能集热器,采用槽型非成像聚光器聚焦太阳辐射,固定的真空管作为吸热元件,集热器单元通过管路联接成矩阵。槽型聚光器的横截面轴对称,其中半支是以真空管内圆的渐开线外接抛物线,右(或左)抛物线焦点靠近左(或右)接合点。接点光滑,渐开线采用提前量。本设计太阳能集热器使聚集光线在吸热圆上分布合理,降低了安装精度要求,并且结构简单、调节方便,适于在太阳能中高温热系统中应用。

Description

聚光型真空管太阳能集热器

本实用新型提供一种改进的聚光型真空管太阳能集热器，适于在太阳能中高温热系统中应用。

众所周知，在太阳能中高温热利用中，一般是以太阳能集热器单元联成矩阵组成系统。而通常说的太阳能集热器有广义和狭义两种意思，广义是指“系统”，狭义是指“单元”。本实用新型设计涉及“系统”，重点是“单元”中聚光器的设计。

常用的聚光型太阳能集热器采用平板型吸热面。由于吸热面与外界存在对流换热。所以这种太阳能集热器难以满足在150℃以上的中高温应用的要求。真空管太阳能集热器的吸热元件即真空管具有良好的保温功能，适于在太阳能中高温热系统中应用，其设计的一个关键技术是如何提高聚光器的光学效率。

《太阳能学报》1986年第3期《复合抛物面集热器性能实验研究》一文中，所述的聚光器采用了封接于玻璃真空管中的翅片管作吸热面(如图5)。如该文中所指出的，这种聚光器的光学效率较低。其原因在于这种聚光器不能有效的收集经一次反射后未达到吸热圆的太阳光。例如，对于聚光面上一点A，把该点到真空管圆心的连线AO与该点到翅片边缘连线AP的夹角记为α。入射线S₁平行抛物线对称轴落于A点，则其反射线为AO。当入射太阳光S₂与S₁夹角超过α时，入射太阳光经A点反射后不能落在吸热面上，而是经B、C反射而不能收集。由于这种聚光器不能有效的收集这些反射光，所以光学效率较低，并且它的半接收角的设计也受到了限制。

《太阳能学报》1982年第4期《各种类型复合抛物面聚光器的比较》一文中，介绍了国外一种渐开线外接抛物线的复合聚光器，它采用的是圆柱形吸热面。渐开线的优点在于能够有效的收集经一次反射未达到吸热圆的太阳光，所以提高了聚光器的光学效率，半接收角的设计也因此相当灵活。如图6所示，该聚光器横截面为轴对称图形。其渐开线J是从对称轴与吸热圆的交点N开始的，这种聚光器的设计问题是由于真空管外管的存在，渐开线需要截去开始的一段。若少截则要求很高的安装精度，而对于一般的安装精度，则因截取太多而失去了渐开线的上述优点。其抛物线P的顶点是其与渐开线J的接合点A，焦点F是吸热圆上的一点，AF与聚光器横截面对称轴的夹角为半接收角θ。当入射阳光S₁、S₂、S₃与AF平行(或角度很小)时，焦点F处的能流密度极大(如图6)，使这一点产生很高的温度，带来负面影响。当其结果严重时，由于高温热应力作用将损坏吸热元件。轻则由于辐射换热的温度四次方特性，以及选择吸收涂层当温度升高时的发射率增大，使辐射热损失迅速增大，导致集热效率严重下降。

本实用新型设计的目的在于综合抛物面聚光器和渐开线聚光器的优点，提供一种改进的聚光型真空管太阳能集热器。其聚光器中吸热圆上光线分布合理，并且使集热效率提高，聚光器安装精度要求低，调整简便，适于在太阳能中高温应用领域推广。

本实用新型聚光型太阳能集热器单元的主要构件包括真空管和聚光器，与真空管配套的“U”形管和导热片，支撑调节机构以及循环管路。

集热器单元中，真空管的轴线东西方向放置，由多个集热器单元组成太阳能中高温热系统时，集热器单元在南北方向和东西方向有一定间距而构成矩阵。插在真空管中的“U”形管与联集管连接组成流道，流道中的工质作动力循环，带走所收集的热量。

集热器单元中，真空管配置同轴向放置的槽型聚光器，其聚光面的横截面为轴对称图形，其中半支为一段渐开线外接一段抛物线。所述渐开线的展开圆为相应真空管的内圆，即吸热圆。若以该吸热圆圆心O为原点，以对称轴为y轴建立平面直角坐标系(如图1)，则其右半支渐开线方程为：

式中a是吸热圆的半径；θ为展开角；b为渐开线提前量，即展开角等于零时，渐开线上的点到展开圆上切线段的长度。提前量b根据安装精度的要求选取。

渐开线与抛物线的接点M是这样确定的：若所需聚光面的半接收角为φ，则在渐开线上 $\mathrm{\θ}=\frac{3\mathrm{\π}}{4}+\frac{\mathrm{\φ}}{2}$ 处外接抛物线，此接点M的坐标为(x₀,y₀)，其值由 $\mathrm{\θ}=\frac{3\mathrm{\π}}{4}+\frac{\mathrm{\φ}}{2}$ 代入方程①式求得。则右半支抛物线的方程是：

x′²=2py′+p²               ②

其中，x,,y′分别为坐标系x′o′y′的横纵坐标，p是抛物线焦点到准线的距离。x′,y′,p分别由以下两式确定：

式中C是选取焦点位置的横坐标。焦点的位置即图1中O′点。

在上面提到的参数中，b的取值可以等于安装允许误差的绝对值。C值可取为负二倍的吸热圆半径，即C=-2a。

与现有设计相比，本实用新型设计综合了抛物面聚光器和渐开线聚光器的优点，具有如下特点：

(1)聚光器横截面渐开线与抛物线接合点位置的确定，使抛物线焦点能够在左右接合点连线及其延长线上随意选取，从而能够使右抛物线焦点位置靠近左接合点，结果使聚集光线在吸热圆上分布合理。避免了因高温热应力而损坏吸热元件事故的发生。

(2)由于聚光器横截面渐开线采取了提前量，即使降低安装精度，也不影响聚光器的渐开线段在聚光方面所起的作用，从而提高了光学效率。

(3)结构简单，调节方便，便于推广使用。

图1为本实用新型太阳能集热器单元的聚光器的设计。

图2为本实用新型太阳能集热器单元中，聚光器与真空管的横截面示意图。

图3为本实用新型太阳能集热器单元构造示意图。

图4为由多台本设计太阳能集热器单元组成的一列集热器。

图5为现有技术太阳能集热器的复合抛物面聚光器设计之一。

图6为现有技术太阳能集热器的复合抛物面聚光器设计之二。

以下结合附图所示实施例的详细说明，将使本实用新型的设计特点更加清晰。

首先说明本实用新型聚光型真空管太阳能集热器单元(以下简称集热器单元)的设计。

如图3所示，本实用新型集热器单元主要构件包括真空管10，聚光器20，将真空管和聚光器联接组装成一体的空心轴状的组装件30，以及安装支架40。参见图2，真空管10和聚光器20的旋转轴同轴安装，并且二者有同一对称轴。聚光器聚光面的横截面上，其渐开线段21(即J段)以真空管的内圆11为展开圆。聚光器20是轴对称的，其中半支为一段渐开线21外接一段抛物线23(即Pw段)，二者的接点为M点。渐开线21和抛物线23分别按前述方程式①和②计算(参见图1)和截取。

参见图3，组装件30是两节与真空管10同轴的钢管，它们的内径大于真空管10的外径，二者的距离大于聚光器20的长度而小于真空管10的长度。真空管10两端插入并固定在组装件30(两节钢管)中。组装件30与安装支架40联接，安装支架40固定在地面上。

再请参见图3。聚光器20两端装有固定轴套22，固定轴套22套装在空心轴状的组装件30之外，二者组成滑动轴承，组装件30作为聚光器20的支撑轴。由以上叙述可见，与真空管10两端的固定的组装件30是与聚光器20两端的轴套22同轴的，因此保证了聚光器20和真空管10之间准确而稳定的相对位置。调整聚光器20时，聚光器20以固定轴套22绕组装件30转动。本实用新型设计的聚光器20每年只需要调整四次。

在本设计中，取聚光器的半接收角φ为8°，渐开线在x=0处截取，聚光器基板是玻璃钢制成的，厚度为6-8mm，表面贴反光膜。由于常用的真空管的长度L，吸热圆半径a，外管直径D有不同尺寸，对于不同尺寸的真空管，配用的聚光器有以下几种典型的设计：

(1)1.2m真空管，a=19mm，D=47mm。b值取为5mm，c值取-38mm，抛物线右半支在x=200mm处截取，聚光器长度取1m，真空管轴线距离地面210mm。

(2)1.5m真空管，a=19mm，D=47mm。b值取为5mm，c值取-38mm，抛物线右半支在x=200mm处截取，聚光器长度取1.3m，真空管轴线距离地面210mm。

(3)1.8m真空管，a=23.5mm，D=58mm。b值取为5mm，c值取-47mm，抛物线右半支在x=240mm处截取，聚光器长度取1.6m，真空管轴线距离地面250mm。

由多台本设计太阳能集热器单元组成的一列集热器矩阵如图4所示。多台(图中为五台)集热器单元等间距平行并列装在安装支架40上，在南北方向排成一列，它们的真空管10相互平行，轴线呈东西方向，聚光器20的旋转轴与真空管10同轴安装，再以连杆81与各聚光器20的侧边相连，连杆81的一端联接扳杆83，扳杆83装在扳杆支架85上。每只真空管10的一端插进一只“U”形管16，“U”形管16的两端再分别与两根联集管17正交联接，这两根联集管呈南北方向，其中一根向“U”形管导入工质，另一根则将工质由“U”形管导出，由此流道中的工质作动力循环流动。由多列(南北方向排列)集热器在东西方向等间距平行排列，并增添东西方向的联集管与南北方向的联集管17正交联接，则构成集热器矩阵系统。调整聚光器时，只需要扳动扳杆，一列聚光器的仰角同时得到调整，并保持一致。

Claims (5)

1、一种聚光型真空管太阳能集热器，其主要构件包括集热器单元、安装支架、调节机构、循环管路；所述集热器单元包括真空管及与之配套的“U”形管和导热片，其特征在于集热器单元中，真空管配置同轴线方向放置的槽型聚光器，其聚光面的横截面为轴对称图形，其中半支为一段渐开线外接一段抛物线，所述渐开线的展开圆为相应真空管的内圆，即吸热圆；若以该吸热圆圆心O为原点，以对称轴为y轴建立平面直角坐标系，则其右半支渐开线方程为：

式中a是吸热圆的半径；θ为展开角；b为渐开线提前量，即展开角等于零时，渐开线上的点到展开圆上切线段的长度，提前量b根据安装精度的要求选取；

渐开线与抛物线的接点M是这样确定的：若所需聚光面的半接收角为φ，则在渐开线上 $\mathrm{\θ}=\frac{3\mathrm{\π}}{4}+\frac{\mathrm{\φ}}{2}$ 处外接抛物线，此接点M的坐标为(x₀,y₀)，其值由 $\mathrm{\θ}=\frac{3\mathrm{\π}}{4}+\frac{\mathrm{\φ}}{2}$ 代入方程①式求得；则右半支抛物线的方程是：

x′²=2py′+p²                               ②

其中，x′,y′分别为坐标系x′o′y′的横纵坐标，p是抛物线焦点到准线的距离；x′,y′,p分别由以下两式确定：   $p=\frac{({\mathrm{\χ}}_0-c)\cos \mathrm{\φ}}{\mathrm{tg}(\frac{\mathrm{\π}}{4}-\frac{\mathrm{\φ}}{2})}------\left(4\right)$

式中C是选取焦点位置的横坐标。

2、根据权利要求1所述的聚光型真空管太阳能集热器，其特征在于集热器单元中有将真空管和聚光器联接组装成一体的空心轴状的组装件，该组装件是两节与真空管同轴的钢管，它们的内径大于真空管的外径，二者的距离大于聚光器的长度而小于真空管的长度，真空管两端插入并固定在组装件中，组装件与安装支架联接。

3、根据权利要求2所述的聚光型真空管太阳能集热器，其特征在于集热器单元中，其聚光器两端装有固定轴套，固定轴套套装在空心轴状的组装件之外，二者组成滑动轴承，组装件作为聚光器的支撑轴。

4、根据权利要求1所述的聚光型真空管太阳能集热器，其特征是集热器单元中，其聚光器的半接收角φ为8°，渐开线在x=0处截取，聚光器基板是厚度为6-8mm的玻璃钢，表面贴反光膜，真空管长L=1.8m，吸热圆半径a为23.5mm，外管直径D=58mm，渐开线提前量b为5mm，抛物线焦点位置的横坐标c取-47mm，抛物线右半支在x=240mm处截取，聚光器长度取1.6m，真空管轴线与地面的距离H为250mm。

5、根据权利要求1所述的聚光型真空管太阳能集热器，其特征是有多台集热器单元等间距平行并列装在安装支架上，在南北方向排成一列，它们的真空管相互平行轴线呈东西方向，聚光器的旋转轴与真空管同轴线，以连杆与各聚光器的侧边相连，连杆的一端联接扳杆，扳杆装在扳杆支架上。

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