RU2109225C1 - Solar thermal converter - Google Patents

Solar thermal converter Download PDF

Info

Publication number
RU2109225C1
RU2109225C1 RU96115224A RU96115224A RU2109225C1 RU 2109225 C1 RU2109225 C1 RU 2109225C1 RU 96115224 A RU96115224 A RU 96115224A RU 96115224 A RU96115224 A RU 96115224A RU 2109225 C1 RU2109225 C1 RU 2109225C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
converter
pipe
absorbing layer
vacuum
heat
Prior art date
Application number
RU96115224A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU96115224A (en
Inventor
Л.Б. Беграмбеков
С.В. Вергазов
А.М. Захаров
Original Assignee
Беграмбеков Леон Богданович
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Беграмбеков Леон Богданович filed Critical Беграмбеков Леон Богданович
Priority to RU96115224A priority Critical patent/RU2109225C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2109225C1 publication Critical patent/RU2109225C1/en
Publication of RU96115224A publication Critical patent/RU96115224A/en

Links

Images

Classifications

    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/40—Solar thermal energy, e.g. solar towers
    • Y02E10/44—Heat exchange systems

Abstract

FIELD: solar energy conversion to produce heat for domestic and industrial needs; high-temperature solar thermal installations. SUBSTANCE: converter has straight-flow metal tube 1, heat-transfer medium selective optical absorbing layer 2 on external surface passed through evacuated glass envelope 3, and flexible members 5 compensating for thermal expansion of tube 1 which are placed between tube 1 and glass envelope 3. Heat-transfer medium tube 1, glass envelope 3, and flexible members 5 are degassed by heating in vacuum to prevent poor vacuum in vacuum cavity 4 when operating at high temperatures. Absorbing layer 2 is formed by developing embossed surfaces on various metals and alloys and retains its properties at high temperatures. Layer 2 formed on cooper provides for absorbing 95% of sun rays within comprehensive range of incidence angles of 0 to 60 deg. relative to normal. Self-radiation makes up 2-15 % of blackbody radiation. When used in conjunction with solar concentrators, converter enables raising temperature of heat-transfer medium to 300-400 C. It can be used for water heating, producing fresh water, steam, hot air, etc. EFFECT: improved reliability, enlarged functional capabilities of converter. 7 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к области использования солнечной энергии для обеспечения энергетических нужд в быту и на производстве, а именное для обеспечения потребностей в тепловой энергии. The invention relates to the field of use of solar energy to provide energy needs in the home and in production, and personalized to meet the needs for thermal energy.

Известен гелиотермический преобразователь US 2133649, содержащий прямоточную стеклянную трубу теплоносителя, проходящую с зазором сквозь стеклянную вакуумированную оболочку, и упругие элементы в виде гофров на части трубы теплоносителя, сделанные для компенсации теплового расширения трубы. Known solar thermal converter US 2133649, containing a straight-through glass coolant pipe passing with a gap through the vacuum glass shell, and elastic elements in the form of corrugations on a part of the coolant pipe, made to compensate for the thermal expansion of the pipe.

Известный преобразователь не имеет специального поглощающего слоя. Поглощение солнечного излучения происходит непосредственно в теплоносителе, поэтому эффективность его преобразования в тепловую энергию оказывается невысокой. Ввиду низких механических свойств стекла, стенки трубы теплоносителя необходимо изготовлять толстыми. Это обстоятельство, в сочетании с низким значением коэффициента теплопроводности стекла, приводит к низкой теплопроводности трубы в целом и также ухудшает эффективность преобразователя. Эффективность преобразователя при высоких рабочих температурах будет понижаться еще и потому, что при повышении температуры повышается давление в вакуумной полости. А при повышении давления ухудшаются теплоизолирующие свойства вакуумного промежутка. Данный преобразователь из-за низкой температуры размягчения стекла невозможно использовать в системах с концентрацией излучения для получения высоких температур теплоносителя. The known converter does not have a special absorbing layer. The absorption of solar radiation occurs directly in the coolant, so the efficiency of its conversion into thermal energy is low. Due to the low mechanical properties of glass, the walls of the coolant pipe must be made thick. This circumstance, combined with a low value of the coefficient of thermal conductivity of glass, leads to low thermal conductivity of the pipe as a whole and also degrades the efficiency of the converter. The efficiency of the converter at high operating temperatures will also decrease because with increasing temperature the pressure in the vacuum cavity rises. And with increasing pressure, the insulating properties of the vacuum gap deteriorate. Due to the low glass softening temperature, this converter cannot be used in systems with a radiation concentration to obtain high coolant temperatures.

Наиболее близким по техническому решению является гелиотермический преобразователь US 4628905 - содержащий металлическую трубу теплоносителя, проходящую с зазором сквозь стеклянную вакуумированную оболочку. На поверхности трубы теплоносителя нанесено селективное поглощающее слоистое покрытие (три различных слоя). The closest in technical solution is the US 4628905 heliothermal converter - containing a metal coolant pipe passing with a gap through a vacuum evacuated glass. On the surface of the coolant pipe, a selective absorbent layered coating (three different layers) is applied.

Данный преобразователь имеет более высокую эффективность преобразования, однако его нельзя использовать при температурах выше 100-150oC, так как он не содержит упругий элемент для компенсации теплового расширения трубы теплоносителя. Кроме того, многослойное покрытие будет деградировать в результате взаимной диффузии слоев и отшелушиваться при повышении температуры из-за различных коэффициентов теплового расширения различных слоев. Недостатком известного преобразователя является также необходимость использовать для изготовления трубы преобразователя только титан и нержавеющую сталь. Эффективность преобразователя снижается из-за того, что многослойное покрытие обладает высоким поглощением только при падении солнечных лучей в диапазоне углов, близких к нормали, примерно в области 0-30o.This converter has a higher conversion efficiency, however, it cannot be used at temperatures above 100-150 o C, since it does not contain an elastic element to compensate for the thermal expansion of the coolant pipe. In addition, the multilayer coating will degrade as a result of mutual diffusion of the layers and exfoliate with increasing temperature due to different coefficients of thermal expansion of the various layers. A disadvantage of the known converter is the need to use only titanium and stainless steel for the manufacture of the converter pipe. The efficiency of the Converter is reduced due to the fact that the multilayer coating has high absorption only when sunlight is incident in a range of angles close to the normal, approximately in the range of 0-30 o .

Технический результат изобретения заключается в увеличении рабочей температуры гелиотермического преобразователя, повышении эффективности преобразования, расширении номенклатуры металлов и сплавов, используемых для изготовления трубы теплоносителя. The technical result of the invention is to increase the operating temperature of the heliothermal converter, increase the conversion efficiency, expand the range of metals and alloys used for the manufacture of coolant pipes.

Технический результат достигается благодаря тому, что поглощающий селективный оптический слой выполнен на внешней поверхности трубы в виде слоя с развитым рельефом, а труба теплоносителя сочленяется со стеклянной оболочкой через упругие элементы. С целью предотвращения повышения давления под стеклянной оболочкой во время работы при высоких температурах преобразователь до герметизации оболочки подвергнут термической обработке в вакууме с целью обезгаживания. The technical result is achieved due to the fact that the absorbing selective optical layer is made on the outer surface of the pipe in the form of a layer with a developed relief, and the heat transfer pipe is articulated with the glass shell through elastic elements. In order to prevent an increase in pressure under the glass shell during operation at high temperatures, the transducer was subjected to heat treatment in vacuum to seal the shell before sealing.

Слой может содержать 1 - 20 ат.% иного металла, более тугоплавкого, чем материал трубы или 60 - 90 ат.% металла, менее тугоплавкого, чем материал трубы. Труба теплоносителя может быть выполнена из металлического сплава, в этом случае поглощающий слой содержит те же компоненты, что и труба теплоносителя. Диаметр трубы теплоносителя и стеклянной оболочки, а также степень обезгаживания стеклянной оболочки могут быть выбраны такими, чтобы наименьшее расстояние между трубой теплоносителя и стеклянной оболочкой было меньше длины свободного пробега молекул в вакуумном промежутке. Упругие элементы выполняют в виде металлических цилиндрических сильфонов или плоских гофрированных мембран. The layer may contain 1 - 20 at.% Of another metal, more refractory than the material of the pipe, or 60 - 90 at.% Of metal, less refractory than the material of the pipe. The heat transfer pipe may be made of a metal alloy, in which case the absorbing layer contains the same components as the heat transfer pipe. The diameter of the coolant pipe and the glass shell, as well as the degree of degassing of the glass shell, can be chosen so that the smallest distance between the coolant pipe and the glass shell is less than the mean free path of the molecules in the vacuum gap. The elastic elements are in the form of metal cylindrical bellows or flat corrugated membranes.

Введение в поверхностный слой трубы преобразователя в процессе нагрева и ионной бомбардировки инородных атомов способствует развитию рельефа и, тем самым, увеличивает поглощение солнечных лучей и обеспечивает селективные оптические свойства поверхности. Высокий уровень поглощения сохраняется в широком диапазоне углов падающего излучения, и этим объясняется повышение эффективности преобразования при использовании рельефного поглощающего слоя по сравнению с нанесенными гладкими слоями. В качестве материала трубы может быть выбран любой металл или сплав. The introduction of a transducer into the surface layer of the tube during heating and ion bombardment of foreign atoms promotes the development of the relief and, thereby, increases the absorption of sunlight and provides selective optical properties of the surface. A high level of absorption is maintained in a wide range of angles of incident radiation, and this explains the increase in conversion efficiency when using a relief absorbing layer compared to deposited smooth layers. As the material of the pipe, any metal or alloy can be selected.

Например, при бомбардировке нагретой до 300o медной трубы термического преобразователя ионами инертного газа (аргона) с одновременным осаждением на нее атомов железа удается сформировать рельеф, обеспечивающий поглощение 80 - 95% падающего излучения. А его собственное излучение меняется от 7 до 15% от излучения черного тела при изменении концентрации железа в слое в диапазоне от 2 до 30%. Поглощающая структура представляет собой систему близкорасположенных микровыступов высотой до 5 мкм, и поперечными размерами 1-1,5 мкм, состоящих из еще более мелких выступов. Такая структура обеспечивает примерно одинаковое поглощение света в диапазоне углов от 0 до 60o относительно нормали.For example, during the bombardment of a copper pipe of a thermal converter heated to 300 o with inert gas ions (argon) with the simultaneous deposition of iron atoms on it, it is possible to form a relief that ensures the absorption of 80 - 95% of the incident radiation. And its own radiation varies from 7 to 15% of the blackbody radiation with a change in the concentration of iron in the layer in the range from 2 to 30%. The absorbing structure is a system of closely spaced microprotrusions up to 5 microns high, and transverse sizes of 1-1.5 microns, consisting of even smaller protrusions. This structure provides approximately the same light absorption in the range of angles from 0 to 60 o relative to the normal.

В случае содержания в поверхностном слое до 90 ат.% элемента, менее тугоплавкого, чем материал трубы, удается получить примерно такие же технические параметры, но температуру процесса формирования поглощающего слоя при этом становится возможным снизить. Например, при введении до 90% алюминия в поверхностный слой трубы из меди удается получить гелиотермический преобразователь с такими же показателями, как в предыдущем примере. В то же время температура процесса формирования рельефа поддерживается равной 100- 150oC. Если же трубу теплоносителя выполнить из сплава, то технический результат изобретения достигается просто бомбардировкой нагретой поверхности трубы в вакууме ионами инертного газа. Например, поглощающий слой на трубе из сплава медь-никель, содержащего 80% меди и 20% никеля, формируется бомбардировкой поверхности сплава ионами аргона в диапазоне температур Т=300-400oC.If the surface layer contains up to 90 at.% An element that is less refractory than the pipe material, it is possible to obtain approximately the same technical parameters, but it becomes possible to lower the temperature of the process of forming the absorbing layer. For example, when introducing up to 90% of aluminum into the surface layer of a copper pipe, it is possible to obtain a solar thermal converter with the same parameters as in the previous example. At the same time, the temperature of the relief formation process is maintained equal to 100-150 o C. If the coolant pipe is made of alloy, then the technical result of the invention is achieved simply by bombarding the heated surface of the pipe in vacuum with inert gas ions. For example, an absorbing layer on a pipe made of a copper-nickel alloy containing 80% copper and 20% nickel is formed by bombarding the surface of the alloy with argon ions in the temperature range T = 300-400 o C.

Обезгаживание элементов преобразователя путем прогрева в вакууме привело к тому, что при длительной эксплуатации преобразователя при температуре 100-120oC давление в вакуумной полости преобразователя поднималось не более чем на 7-8% и после охлаждения возвращалось к исходному значению. Сравнительные испытания показали, что эффективность вакуумированного преобразователя (то есть отношение тепловой энергии, идущей на нагрев теплоносителя, к энергии приходящегося на трубу преобразователя солнечного излучения) начинает превосходить эффективность невакуумированного, начиная примерно с 50oC. Эта разница достигает примерно 30% при температуре 90oC.The degassing of the transducer elements by heating in vacuum led to the fact that during continuous operation of the transducer at a temperature of 100-120 o C the pressure in the vacuum cavity of the transducer increased by no more than 7-8% and returned to its original value after cooling. Comparative tests showed that the efficiency of the vacuum transducer (that is, the ratio of the thermal energy that is used to heat the coolant to the energy of the solar radiation transducer coming into the tube) begins to exceed the non-vacuum efficiency, starting from about 50 o C. This difference reaches about 30% at a temperature of 90 o C.

Используемые упругие элементы позволили поднять температуру поверхности трубы преобразователя до 350-400oC. При этом разница температур трубы и стеклянного кожуха достигала 250-300oC.The elastic elements used made it possible to raise the surface temperature of the converter pipe to 350-400 o C. The temperature difference between the pipe and the glass casing reached 250-300 o C.

На фиг. 1 изображен пример выполнения гелиотермического преобразователя; на фиг. 2 - тот же преобразователь с концентратором солнечного излучения. In FIG. 1 shows an example of a solar thermal converter; in FIG. 2 - the same converter with a solar radiation concentrator.

Гелиотермический преобразователь содержит металлическую трубу теплоносителя 1 с поглощающим солнечное излучение слоем 2, заключенным в вакуумированную оболочку из стекла 3, ограничивающим вакуумную полость 4. Упругие элементы 5 выполнены в виде сильфонов. Для обеспечения эффективной работы преобразователь дополняется концентратором солнечного излучения 7. The solar thermal converter contains a metal tube of a heat carrier 1 with a layer 2 absorbing solar radiation, enclosed in an evacuated shell of glass 3, limiting the vacuum cavity 4. The elastic elements 5 are made in the form of bellows. To ensure efficient operation, the converter is supplemented by a solar radiation concentrator 7.

Гелиотермический преобразователь работает следующим образом. Преобразователь крепится вдоль фокусной линии цилиндрического зеркального концентратора, обеспечивающего фокусировку солнечного излучения на поглощающую поверхность. Один конец трубы преобразователя подключается к системе, обеспечивающей поступление к нему холодного термоносителя - воды, масла и т.п. (на фиг. не показана) Другой конец трубы подключают к устройству, потребляющему нагретый теплоноситель, или к аккумулирующему устройству (на фиг. не показано). Солнечное излучение, сконцентрированное на поверхности трубы 1, греет ее и протекающий сквозь нее теплоноситель. Упругий компенсирующий элемент 5, служит для компенсации удлинения трубы 1 при ее нагреве, исключая таким образом поломку стекла вакуумированной оболочки 3. Вакуумированное пространство между трубой 1 и стеклянной оболочкой 3 уменьшает тепловые потери трубы за счет уменьшения теплопроводности и исключения конвекции воздуха. Это позволяет успешно использовать преобразователь даже в условиях неинтенсивного солнечного излучения в утренние и вечерние часы, в осенний, весенний и зимний периоды года. Благодаря способности поглощающего слоя работать без потери свойств при высоких температурах, а также использованию компенсирующего элемента, удается поднять равновесную температуру преобразователя до нескольких сот градусов. Это дает возможность не только греть воду до 100oC, опреснять ее, получать пар и горячий воздух с температурой до 300-400oC. С помощью разработанных гелиотермических преобразователей можно за счет солнечной энергии обеспечить работу холодильных устройств, кондиционеров, получать электроэнергию, использовать тепло гелиоустановок в технологических целях.The solar thermal converter operates as follows. The converter is mounted along the focal line of a cylindrical mirror concentrator, which provides focusing of solar radiation on an absorbing surface. One end of the converter pipe is connected to a system that provides cold thermal carrier - water, oil, etc. (not shown in FIG.) The other end of the pipe is connected to a device consuming a heated coolant, or to an accumulating device (not shown in FIG.). Solar radiation concentrated on the surface of the pipe 1 heats it and the coolant flowing through it. The elastic compensating element 5 serves to compensate for the elongation of the pipe 1 when it is heated, thus eliminating the breakage of the glass of the vacuum shell 3. The vacuum space between the pipe 1 and the glass shell 3 reduces the heat loss of the pipe by reducing heat conduction and eliminating air convection. This allows you to successfully use the converter even in conditions of non-intense solar radiation in the morning and evening hours, in the autumn, spring and winter periods of the year. Due to the ability of the absorbing layer to work without loss of properties at high temperatures, as well as the use of a compensating element, it is possible to raise the equilibrium temperature of the converter to several hundred degrees. This makes it possible not only to warm water to 100 o C, to desalinate it, to receive steam and hot air with a temperature of up to 300-400 o C. Using the developed solar thermal converters, it is possible to ensure the operation of refrigeration units, air conditioners, receive electricity, use electricity, use heat of solar installations for technological purposes.

Claims (7)

1. Гелиотермический преобразователь, содержащий прямоточную трубу теплоносителя, выполненную из металла с поверхностным селективным оптическим поглощающим слоем и проходящую с зазором сквозь стеклянную вакуумированную оболочку, отличающийся тем, что поверхностный селективный оптический поглощающий слой образован развитием рельефа на внешней поверхности трубы, труба теплоносителя и стеклянная оболочка соединены через упругие элементы, а преобразователь до герметизации стеклянной оболочки подвегнут термической обработке в вакууме с целью обезгаживания. 1. A solar thermal converter comprising a direct-flow coolant pipe made of metal with a surface selective optical absorbing layer and passing through a vacuum evacuated glass with a gap, characterized in that the surface selective optical absorbing layer is formed by the development of a relief on the outer surface of the pipe, the heat transfer pipe and the glass shell are connected through elastic elements, and the converter is subjected to heat treatment in vacuum before sealing the glass shell for the purpose of degassing. 2. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что поглощающий слой содержит 1 - 20 ат.% иного металла, более тугоплавкого, чем материал трубы. 2. The Converter according to claim 1, characterized in that the absorbing layer contains 1 to 20 at.% Of another metal, more refractory than the material of the pipe. 3. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что поглощающий слой содержит 60 - 90 ат.% иного металла, менее тугоплавкого, чем материал трубы. 3. The Converter according to claim 1, characterized in that the absorbing layer contains 60 - 90 at.% Of another metal, less refractory than the material of the pipe. 4. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что труба теплоносителя выполнена из металлического сплава, и поглощающий слой содержит те же компоненты, что и труба теплоносителя. 4. The Converter according to claim 1, characterized in that the coolant pipe is made of a metal alloy, and the absorbing layer contains the same components as the coolant pipe. 5. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что наименьшее расстояние между трубой теплоносителя и стеклянной оболочкой меньше длины свободного пробега молекул в вакуумном промежутке. 5. The Converter according to claim 1, characterized in that the smallest distance between the coolant pipe and the glass shell is less than the mean free path of the molecules in the vacuum gap. 6. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что упругие элементы выполнены в виде цилиндрических сильфонов. 6. The Converter according to claim 1, characterized in that the elastic elements are made in the form of cylindrical bellows. 7. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что упругие элементы выполнены в виде плоских гофрированных металлических мембран. 7. The Converter according to claim 1, characterized in that the elastic elements are made in the form of flat corrugated metal membranes.
RU96115224A 1996-07-25 1996-07-25 Solar thermal converter RU2109225C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU96115224A RU2109225C1 (en) 1996-07-25 1996-07-25 Solar thermal converter

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU96115224A RU2109225C1 (en) 1996-07-25 1996-07-25 Solar thermal converter

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2109225C1 true RU2109225C1 (en) 1998-04-20
RU96115224A RU96115224A (en) 1998-09-10

Family

ID=20183814

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU96115224A RU2109225C1 (en) 1996-07-25 1996-07-25 Solar thermal converter

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2109225C1 (en)

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US6384320B1 (en) Solar compound concentrator of electric power generation system for residential homes
JP2007518957A (en) Exhaustable flat panel solar collector
Gong et al. Straight-through all-glass evacuated tube solar collector for low and medium temperature applications
GB2501713A (en) Solar heat exchanger utilising graphene foam
NL8006716A (en) SOLAR COLLECTOR WITH AN ABSORBER PLATE THAT IS EXCHANGE WITH THE EVAPORATOR PART OF A HEAT PIPE.
RU2109225C1 (en) Solar thermal converter
EP2427700B1 (en) Getter support structure for a solar thermal power plant
WO2011101485A1 (en) Solar heat receiver tube for direct steam generation, parabolic trough collector with the solar heat receiver tube and use of the parabolic trough collector
CN101893325A (en) Light-concentrating type high-efficient flat-plate compound heat collector
GB2054826A (en) Apparatus for utilizing solar energy
JP2003227661A (en) Optical fiber solar collector
Banakar et al. Evaluation of a pre-heating system for solar desalination system with linear Fresnel lens
Garg et al. Advanced tubular solar energy collector—A state of the art
CN202813843U (en) Parallel-multi-tube type vacuum heat collecting tube
CN103626126A (en) Solar thermal-arrest hydrogen production equipment
CN208901652U (en) A kind of fixed dual three-dimensional concentrating collector
WO2018054327A1 (en) Evacuated heat collecting tube, manufacturing method therefor, and solar thermal power station
JPH05172405A (en) Vacuum glass pipe type heat collector
CN2775555Y (en) Solar enrgy U-shape tube light focus heat collector
CN103673343A (en) Snakelike multi-tube evacuated collector tube
CN2775556Y (en) Solar energy heat pipe light focus heat collector
CN103673344A (en) U-shaped multi-tube type evacuated collector tube
CN103673342A (en) Parallel multitubular evacuated collector tube
CN2767909Y (en) Medium-high temperature heat energy convertor for high density solar energy
CN105258360A (en) Groove type solar heat collecting system with multiple curved surfaces