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CN101706161B - 一种具有光学窗口的腔体式太阳能吸热器 - Google Patents

一种具有光学窗口的腔体式太阳能吸热器 Download PDF

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Abstract

一种具有光学窗口的腔体式太阳能吸热器，它涉及太阳能技术领域，它的目的是为了解决现有太阳能吸热器吸收的太阳能辐射热流分布不均匀，导致吸热器局部温度过高且容易发生烧穿的问题，它包括吸热器和吸热管，并且吸热管按照吸热器的内腔体形状盘在吸热器的内壁上，吸热器的内腔形状为半球形，它还包括上凸式光学玻璃体和护板，所述吸热器为空腔体，护板为环形，护板固定在吸热器入口上，上凸式光学玻璃体设置在护板上，上凸式光学玻璃体面向吸热器的入口面为凸面，背向吸热器的入口面为平面。本发明可高效接收辐射热和高效地向工作流体传热，减小吸热管壁面局部高温和热应力集中现象的发生，本发明广泛应用于太阳能吸热器领域。

Description

一种具有光学窗口的腔体式太阳能吸热器
技术领域
本发明涉及太阳能技术领域，具体涉及一种具有光学窗口的腔体式太阳能吸热器。
背景技术
目前，太阳能吸热器是热发电系统的核心部件，它将太阳光能量转化为工作流体的热能。由于吸热器长期工作在高密度、变化的辐射热流条件下，其工作环境非常恶劣，聚集后的太阳能焦斑热流分布时空高度不均匀，导致吸热器表面的热应力很大，且吸热器局部温度过高时亦容易发生局部烧穿等破坏，这会严重影响吸热器的安全稳定运行。美国SolarOne电站和西班牙CESA-I电站都发生过吸热器的热应力破坏，导致电站停止运行。吸热器的设计主要取决于聚光器的类型、温度和压力工作范围、辐射通量。随着温度、压力和太阳能辐射通量的增大，有效处理经聚焦增强的太阳能变得越来越困难，这对吸热器的设计带来巨大挑战。
发明内容
本发明为解决现有太阳能吸热器吸收的太阳能辐射热流分布不均匀，导致吸热器局部温度过高且容易发生烧穿的问题，提供一种具有光学窗口的腔体式太阳能吸热器。
本发明包括吸热器和吸热管，所述吸热管插入吸热器的腔体内部，并且吸热管按照吸热器的内腔体形状盘在吸热器的内壁上，吸热器的内腔形状为半球形，它还包括上凸式光学玻璃体和护板，所述吸热器为空腔体，护板为环形，护板固定在吸热器入口上，所述上凸式光学玻璃体设置在护板上，上凸式光学玻璃体面向吸热器的入口面为凸面，背向吸热器的入口面为平面；它还包括调节活动栓和螺帽，所述调节活动栓包括一个U形缺口和一个螺杆，护板的圆周壁上设置有两个凹槽，所述凹槽沿护板的轴向分布，两个凹槽分别设置在护板的直径方向的两端，所述调节活动栓的螺杆插入护板的凹槽中，调节活动栓的U形缺口含嵌上凸式光学玻璃体的边缘，螺帽旋合在螺杆的外端部。
本发明的有益效果：采用本发明所述的上凸式光学窗口的腔体式太阳能吸热器，在不增加热损失面积的情况下，加大了内部吸收面积，通过上凸式光学玻璃体折射作用重新分配聚集太阳能能束，使光线在腔体内部的分布比较均匀，从而使吸热管上的选择性吸收涂层的温度分布更加均匀，降低了吸收涂层上的温度梯度，进而减小了超温热斑和热应力集中的几率，不会产生吸热器局部温度过高而发生烧穿现象，因此，本发明是一种安全高效的利用太阳能的腔体式吸热器装置。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；图2是本发明装置在工作状态下的连接结构示意图，图3是太阳能辐射热流图，4是吸热器的腔体壁面的太阳能辐射热流分布图；图5是本发明所述的吸热器腔体与普通球形腔体吸热器的壁面吸收太阳能辐射热流分布的对比图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1说明本实施方式，本实施方式包括吸热器8和吸热管9，所述吸热管9插入吸热器8的腔体内部，并且吸热管9按照吸热器8的内腔体形状盘在吸热器8的内壁上，吸热器8的内腔形状为半球形，它还包括上凸式光学玻璃体6和护板4，所述吸热器8为空腔体，护板4为环形，护板4固定在吸热器8入口上，所述上凸式光学玻璃体6设置在护板4上，上凸式光学玻璃体6面向吸热器8的入口面为凸面，背向吸热器8的入口面为平面。
本实施方式所述护板4为连接吸热器8和上凸式光学玻璃体6的部件，用于固定和控制上凸式光学玻璃体6的位置，同时也形成封闭的吸热器8的结构，也减小了对工作体流体的热量损失。
具体实施方式二：本实施方式与实施方式一的不同之处在于，它还包括调节活动栓5和螺帽10，所述调节活动栓5包括一个U形缺口5-1和一个螺杆5-2，护板4的圆周壁上设置有两个凹槽4-1，所述凹槽4-1沿护板4的轴向分布，两个凹槽4-1分别设置在护板4的直径方向的两端，所述调节活动栓5的螺杆5-2插入护板4的凹槽4-1中，调节活动栓5的U形缺口5-1含嵌上凸式光学玻璃体6的边缘，螺帽10旋合在螺杆5-2的外端部。
本实施方式所述的调节活动栓5的工作原理为：在调节上凸式光学玻璃体6的位置时，先旋松螺帽10，然后把上凸式光学玻璃体6调整到适当的位置，调节活动栓5也随之在护板的凹槽内移动到适当的位置，旋紧螺帽10，将上凸式光学玻璃体6固定在护板4上。
具体实施方式三：本实施方式与实施方式一的不同之处在于，所述上凸式光学玻璃体6的凸面包覆有耐热增透膜7。
本实施方式可以根据需要在所述的上凸式光学玻璃体6的凸面包覆有耐热增透膜7，当太阳能辐射热流13经过吸热器8上面的上凸式光学玻璃体6时，所述耐热增透膜7能够增强吸收的太阳能辐射热流13，并且能够阻止吸热器8本体的热流丢失。
具体实施方式四：本实施方式与实施方式一的不同之处在于，所述吸热管9为表面涂有选择性吸收涂层的吸热管9。
本实施方式所述吸热管9表面涂有的选择性吸收涂层，当太阳能辐射热流13传递到吸热器8之前，所述吸热管9表面的选择性吸收涂层充分均匀的吸收大部分太阳光，然后将热量传递到吸热器8；所述吸热器8接收的太阳能辐射热流的均匀性很好。所述选择性吸收涂层优选分为两个具有不同的极限波长的区域，对太阳短波的辐射热流具有较高的吸收率，而吸热器8对向环境发射的长波辐射热流具有较低的反射率。
具体实施方式五：本实施方式与实施方式一的不同之处在于，它还包括吸热器外壳12，所述吸热器8的外部设置吸热器外壳12，所述吸热器8的外表面与吸热器外壳12之间设置有保温夹层11。
本实施方式所述的设置有保温夹层11的吸热器8，其主要用途是使吸热器8吸收的太阳能辐射热流13在长时间不会散失，且能够保持一定的热量。
具体实施方式六：本实施方式与实施方式一的不同之处在于，所述保温夹层11的材料为矿渣棉、超细玻璃棉、微孔硅酸钙或陶瓷纤维板。
本实施方式中保温夹层11采用的材料能够达到使吸热器8长时间蓄热的目的。
具体实施方式七：本实施方式与实施方式一的不同之处在于，所述上凸式光学玻璃体6采用光谱区间为0.2-2微米的平均透过率大于92％的石英玻璃制成。
具体实施方式八：本实施方式与实施方式一的不同之处在于，所述吸热管9材料为钢或者不锈钢。
具体实施方式九：结合图2说明本实施方式，本实施方式为实施方式一的具体实施例：
本实施例包括立柱1、碟式抛物反射镜2和连接支架3，所述碟式抛物反射镜2与连接支架3固定连接，所述碟式抛物反射镜2固定在立柱1上，所述吸热器8固定在连接支架3上；入射的太阳辐射热流13由抛物面碟式反射镜2聚焦在吸热器8上，吸热器8吸收碟式抛物反射镜2的太阳能辐射热流13，太阳能辐射热流13经过上凸式光学玻璃体6折射到吸热器8上面，上凸式光学玻璃体6能够有效打散聚集后的太阳能辐射热流13，太阳能辐射热流13进入吸热器8，所述吸热器腔体内部的吸热管9吸收太阳能辐射热流13，并把热量传递到吸热管9上，当热量进入工作流体中，工作流体经过换热器把热量传递给用热装置。
结合图3、图4和图5说明本实施方式，图3中Q表示吸热器8壁面的太阳能辐射热流13，Qmax表示吸热器8壁面上的太阳能辐射热流13的最大值，所述的Q/Qmax表示无量纲的太阳能辐射热流13，所述图3中表示太阳能辐射热流的值的不同灰度分别对应图4中效果图的灰度，图4中的x、y和z分别表示三个坐标轴，R表示吸热器8的半径；其中x/R、y/R和z/R表示的均为无量纲长度单位。从图4中可以看出在整个吸热器8壁面大部分区域的太阳能辐射热流13分布均匀性很好，有利于减小局部“热斑”和热应力集中现象的发生，大大提高热效率和安全性能，图5为本实施例与普通半球形腔体吸热器的效果进行比较，其中1表示本发明的吸热器8的腔体吸收太阳能辐射热流13的均匀度，2表示普通半球形腔体吸热器吸收太阳能辐射热流13的均匀度，从图5中可以看出，本实施例吸热器8壁面的太阳能辐射热流13均匀性要比普通半球形腔体吸热器的壁面的辐射热流分布均匀，本发明所述装置不仅拓宽了均匀辐射热流区域，同时在贴近吸热器入口处的壁面辐射热流也有较大提高，有利于预热吸热管9内的工作流体，提高太阳能的热利用效率。

Claims (1)

1.一种具有光学窗口的腔体式太阳能吸热器，它包括吸热器(8)和吸热管(9)，所述吸热管(9)插入吸热器(8)的腔体内部，并且吸热管(9)按照吸热器(8)的内腔体形状盘在吸热器(8)的内壁上，吸热器(8)的内腔形状为半球形，它还包括上凸式光学玻璃体(6)和护板(4)，所述吸热器(8)为空腔体，护板(4)为环形，护板(4)固定在吸热器(8)入口上，所述上凸式光学玻璃体(6)设置在护板(4)上，上凸式光学玻璃体(6)面向吸热器(8)的入口面为凸面，背向吸热器(8)的入口面为平面；其特征在于它还包括调节活动栓(5)和螺帽(10)，所述调节活动栓(5)包括一个U形缺口(5-1)和一个螺杆(5-2)，护板(4)的圆周壁上设置有两个凹槽(4-1)，所述凹槽(4-1)沿护板(4)的轴向分布，两个凹槽(4-1)分别设置在护板(4)的直径方向的两端，所述调节活动栓(5)的螺杆(5-2)插入护板(4)的凹槽(4-1)中，调节活动栓(5)的U形缺口(5-1)含嵌上凸式光学玻璃体(6)的边缘，螺帽(10)旋合在螺杆(5-2)的外端部。
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