專利名稱：大型、高效、相對低成本槽式太陽能鍋爐系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
光學(xué)、熱學(xué)、傳熱學(xué)、材料學(xué)、機(jī)械動力學(xué)、天文學(xué)、數(shù)學(xué)
背景技術(shù)：
目前世界范圍內(nèi)槽式集熱技術(shù)的發(fā)展主要應(yīng)用在槽式太陽能集熱和槽式太陽能發(fā)電。雖然相對 其他太陽能集熱方式成本較低，但成本依然在2000-5000元人民幣/每平方。聚光倍率一般在 30-80，太陽能的熱轉(zhuǎn)化效率在20-40%。

發(fā)明內(nèi)容
通過對槽式集熱系統(tǒng)每一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)的改進(jìn)，比如通過增大開口面、提高聚光比、鏡面單一 式正槽改為正槽斜槽梯度復(fù)合、框架拋物面線性結(jié)構(gòu)與分體鏡面結(jié)合、真空管吸收改為腔體吸 收等通用技術(shù)改革。再加上支撐結(jié)構(gòu)"落地"技術(shù)減少整槽轉(zhuǎn)動成本、變通性防風(fēng)墻技術(shù)減少 大型拋物面的機(jī)械負(fù)荷。及在槽式拋物鏡面變成圓弧與微分拋物鏡面復(fù)合的同時(shí)槽式一維跟蹤 改為單焦軸的跟蹤。使太陽能槽式成本降至1000元人民幣/每平方以下或者"更低"，聚光倍 率升至150-2000，太陽能熱轉(zhuǎn)化率升至50%以上或"更高"，使太陽能作為"新能源"大面積 應(yīng)用取代傳統(tǒng)能源成為可能。


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圖1為開口直徑8米，焦距2米(2000mm),拋物線方程為x平方-8000y的拋物線縮小圖。 圖2為圖1所示的拋物線組成的大型槽外觀示意圖，主要顯示其框架結(jié)構(gòu)。
圖3為大型槽的軸轉(zhuǎn)動系統(tǒng)顯示。其中l(wèi)為塊狀反射鏡面，2為中心軸支撐架，3為腔體吸收部 件即"焦線"，4為吸收部件的支撐機(jī)構(gòu)。
圖4為"斜槽"示意圖，東西放置時(shí)則拋物線向西傾斜，放在正槽的東部。
圖5為"正槽"示意圖，拋物線垂直于水平面，正、斜槽梯度復(fù)合時(shí)放在中部。
圖6為"斜槽"示意圖，東西放置時(shí)則拋物線向東傾斜，放在正槽的西部。
圖7為簡易腔體吸收部件橫切面圖，其中1為紅外線反射面，2為真空層或者有其他材料組成的 保溫層，3為水及油等工質(zhì)，4為鋸齒狀光吸收面，可鍍選擇性涂層。圖8為改進(jìn)型，其"腔體"特點(diǎn)更加突出，其中l(wèi)為紅外線反射面，2為真空層或者有其他材料 組成的保溫層，3為水及油等工質(zhì)，4為鋸齒狀光吸收面，可鍍選擇性涂層。
圖9為玻璃透光真空型"腔體"。其中1為紅外線反射面，2為真空層或者有其他材料組成的保溫 層，3為水及油等工質(zhì)，4為鋸齒狀光吸收面，可鍍選擇性涂層。5為真空層，6為高透光耐高溫遠(yuǎn)紅外反 射玻璃。
圖10為圖9結(jié)構(gòu)翻版，外型一樣，但水及油等工質(zhì)放在了吸收層下邊、玻璃層上邊，具體為 l和7為紅外線反射面，2和5為真空層或者有其他材料組成的保溫層，3為水及油等工質(zhì)，4為鋸齒狀光 吸收面，可鍍選擇性涂層。6為高透光耐高溫遠(yuǎn)紅外反射玻璃。
圖ll為改進(jìn)后的光吸收面。
圖12為圓弧與拋物鏡面復(fù)合槽的橫切面。其中1為太陽直射光線，2為圓弧圓心及各微分拋物線 的焦點(diǎn)，3為微分拋物鏡面，4為圓弧面。S0、 Sl、 S2、 S3、 S4、 S5、 S6、 S7、 S8為微分拋物線示意圖。
圖13為變通性防風(fēng)墻技術(shù)及轉(zhuǎn)動軸落地技術(shù)示意圖。l為轉(zhuǎn)動軸，2為轉(zhuǎn)動軸的固定槽，3為支 撐支架，4為同步千金頂，5為變通性防風(fēng)墻的支撐結(jié)構(gòu)示意圖，6為變通性防風(fēng)墻的弧形擋風(fēng)板，7為槽 型拋物面，8為直射太陽光線。
具體實(shí)施模式
目前槽式拋物面聚光應(yīng)用效率低的原因聚光倍率低類似于低溫類應(yīng)用，在低溫應(yīng)用中要求光吸收 部件比如真空管的光吸收效率高紅外線發(fā)射頻率低，但在實(shí)際上玻璃的透光技術(shù)中做不到對可見光和近紅外的高度吸收及對遠(yuǎn)紅外的反射，所以大量的熱量以遠(yuǎn)紅外輻射的形式透過真空管的玻璃散發(fā)到集熱器以 外，造成真空管吸收的"熱效"低下。
對于目前存在的問題，可以通過另一種途徑去解決，比如太陽灶及塔式發(fā)電在聚光倍率高到200以 上時(shí)，熱效率通常超過50%。即通過大型槽、高聚光比去解決槽式"效率"和成本的問題。
點(diǎn)聚焦式的太陽灶聚光倍率在200-2000之間，用普通的鋁制燒水壺作為熱吸收體效率高時(shí)可達(dá)70%， 但聚光倍率超過2000以上時(shí)，盡管有"水"作為降溫物質(zhì)，金屬依然融化，壺底穿孔。塔式發(fā)電的聚光 倍率超過200，熱效可達(dá)58%，原因在于"聚光比"高。道理是這樣的，物體吸收熱量的同時(shí)也在釋放熱 量，單位時(shí)間內(nèi)集熱體聚集的熱量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于放出的熱量，熱效就會提高，高聚光比正好具有此功效。但槽 式集熱系統(tǒng)因其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，聚光倍率一般在30-80之間，把槽式聚光倍率提高到200以上確實(shí)較難。人型 槽式拋物面系統(tǒng)也因結(jié)構(gòu)復(fù)雜及考慮風(fēng)荷等問題也會增加成本?？紤]以上因素，可以用以下方式來解決
1，大開口拋物面槽、高聚光倍率。槽開口一般大于3米，根據(jù)設(shè)計(jì)的焦線寬度，聚光倍率高于200， 設(shè)計(jì)槽開口寬度5米、6米、7米、8米、10米甚至30米(結(jié)合以下正斜槽梯度復(fù)合)都可以考慮。把"大 型槽"開口定義在3米以上，聚光倍率150以上。在相應(yīng)的聚光倍率下，不同地區(qū)光照度不同，嚴(yán)格準(zhǔn)確 的概念應(yīng)該是"能流密度"，即吸收體的單位面積接收輻射功率的人小。"大型槽"概念只是相對的，大 型槽的概念必須要求單位面積分布功率達(dá)到10-100w/citf，最佳聚光比1000左右，鋁制接收器最佳功率 分布6(k/ c itf左右。而目前槽式太陽能功率分布密度按30-80聚光倍率分析在一般地區(qū)只有2-5w/ c m'.。
2，轉(zhuǎn)動成本及風(fēng)荷。鏡面成本較低又具有高聚光比及降低單位陽光面積成本的顯著特點(diǎn)，但隨著槽 型面積的增大，其重量也會增大，轉(zhuǎn)動成本及風(fēng)荷因素變得復(fù)雜。怎樣解決這個(gè)問題？可以有以下幾種方 式 一，變通性防風(fēng)墻技術(shù)，將防風(fēng)墻和槽式結(jié)構(gòu)分開，槽式拋物面為"輕"質(zhì)結(jié)構(gòu)，而根據(jù)不同地區(qū)不 同時(shí)間不同風(fēng)向設(shè)置季節(jié)性防風(fēng)墻。比如在冬季可以將防風(fēng)墻加固在北面，而夏季可以減小防風(fēng)墻高度以 免阻擋太陽光線及留出更多空間。這樣在設(shè)計(jì)槽型拋物面時(shí)可以將風(fēng)荷考慮在防風(fēng)墻技術(shù)之內(nèi)。同時(shí)防風(fēng) 墻技術(shù)可以變被動為主動，可以變成主動式風(fēng)能利用技術(shù)，這里不述。二，支撐轉(zhuǎn)動軸"落地"技術(shù)。槽 式拋物面有一個(gè)轉(zhuǎn)動軸，通常在支撐支架上，槽型拋物面的部分或全部重心聚集于轉(zhuǎn)動軸，這樣成本較高。 如圖13顯示，槽型拋物面重心主要聚集于落地轉(zhuǎn)動軸上，而轉(zhuǎn)動軸在弧形槽內(nèi)轉(zhuǎn)動屬于"滾動麼擦"，由 于轉(zhuǎn)動軸在弧形槽內(nèi)以防止轉(zhuǎn)動軸"脫位"。圖13中轉(zhuǎn)軸較粗，可以空心，事實(shí)上可以做的較小，而同時(shí) 必須使支架支撐使重心大部集結(jié)于轉(zhuǎn)動軸。這樣方使同步千斤頂?shù)牧^小。二，焦軸轉(zhuǎn)動技術(shù)。焦軸(即 焦線部位的吸收部件，以下稱焦軸)轉(zhuǎn)動。如圖l、圖2、圖3所示，對于開口面積小于3米的拋物面槽， 其聚光焦線寬度即使做到2cm，其聚光倍率也會小于150，而一般用低成本鍍膜和反光膜做成的槽的聚光"焦 線"寬度是5-12cm，如果把拋物面槽開口做大，又能減少機(jī)械強(qiáng)度解決抗風(fēng)能力，對節(jié)約槽式成本及提高 熱效很有好處。但是普通的槽式拋物面在光線變化時(shí)焦線成"散"狀，光線偏離中心位置越大，"焦線" 更變成一個(gè)更大的"焦面"，說到底，普通拋物面在陽光角度變化時(shí)根本不能聚焦。要解決這個(gè)問題，可 以采取圓弧面與微分拋物面復(fù)合法。如圖12，即做一個(gè)圓柱形面，里面固定上許多"微型"拋物面，"微 型"是相對的，根據(jù)現(xiàn)實(shí)中"焦線"寬度的要求而設(shè)定。而每一塊拋物面都是焦距不同的拋物面，由于在 圓弧中的位置不同，其相對于圓弧中的位置在太陽光垂直入射時(shí)(如圖12)其焦點(diǎn)都位于圓弧的圓心。拋 物面不是圓弧形，但其微分時(shí)接近圓弧。拋物面貼近周圍圓弧。這種方式制作較為麻煩，且有誤差。但可 以使鏡面相對固定，也可以季節(jié)性調(diào)整，焦軸每天只需直線運(yùn)動就可以近似或者說是"模糊"聚焦。
3,正槽斜槽梯度復(fù)合。以X軸和Y軸確定的平面拋物線(方程式x^-2PY或X平方-4fy)沿Z軸平 移，得到的拋物面槽叫"正槽"，也就是我們目前幾十年生產(chǎn)實(shí)踐中見到的"槽"。以X軸和Y軸確定的平 面拋物線(方程式xA2-2PY或X平方-4fy)與X軸和Y軸確定的平面以一定角度傾斜(平面夾角大于(T 小于45° )沿Z軸平移得到的"槽"叫傾斜槽，簡稱"斜槽"。傾斜槽從外觀上看不"傾斜"，只是加工鏡面時(shí)的方式不同，與正槽相比，在同一高度位置槽式反射鏡面上的每一點(diǎn)的切平面發(fā)生了角度改變。
"斜槽"對于東西放置的槽和南北放置的槽都非常有用。因?yàn)椴凵舷鄬?止槽"而言同一位置的每 一點(diǎn)的切平面的傾斜角度發(fā)生改變，導(dǎo)致焦線的東西(或南北)位置發(fā)生變化及產(chǎn)生高度變化。與"正槽" 復(fù)合時(shí)需重新確定拋物線方程。設(shè)兩平面傾斜角度=0，則拋物線方程為X平方-4fy/cosa,其中f為正 槽的焦距(即拋物線原點(diǎn)到焦點(diǎn)的距離)。在同樣的光線照射下，"斜槽"的焦線與"正槽"的焦線可以完 全或部分重合，具體情況需根據(jù)設(shè)計(jì)要求具體計(jì)算。
"正槽斜槽梯度復(fù)合"就是指傾斜不同角度的槽按照一定傾斜角度的大小依次排列并與正槽排列在 起。目的是讓不同的槽的焦線聚合在一起，提高聚光倍率。同時(shí)因?yàn)闁|西放置或南北放置的"正槽"在 太陽光東西、南北、上下三維變化時(shí)幾乎總有焦線陽光傾斜出槽，造成能源浪費(fèi)及造成安全隱患，而梯度 復(fù)合槽可以杜絕這一缺陷。
圖4，圖5、圖6是傾斜槽的示意圖。其中圖4在東西放置的槽的排列中放置在東邊，槽的拋物面 可以理解為拋物線沿水平面的垂線方向向西傾斜。圖5為正槽。圖6放置在西邊，槽的拋物面可以理解為 拋物線沿水平面的垂線方向向東傾斜。此圖為示意圖，生產(chǎn)中可以多種傾斜槽進(jìn)行"梯度復(fù)合"。
4，拋物面框架線性結(jié)構(gòu)與分體鏡面結(jié)合。大型拋物面的加工與安裝與小鏡面槽相比居有許多不同 之處，需要結(jié)構(gòu)和尺寸相同拋物線支架和拋物鏡面組合而成。比如開口8米的拋物面槽，因?yàn)榭梢宰笥覍?稱，所以只要加工其中的一半線條作為拋物線支撐支架，左右對稱并依次排列，形成框架網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，如圖 2和圖3.拋物面支架系統(tǒng)可以獨(dú)立存在，機(jī)械強(qiáng)度抗風(fēng)設(shè)計(jì)都考慮其中。分體鏡面可以設(shè)計(jì)寬度0.5-2米 長度l-3米分體鏡面，即在加工時(shí)把鏡面分段加工，便于加工、運(yùn)輸、組裝和維護(hù)。這種方式變繁瑣為簡 單，化整為零，可以降低成本。
5，腔體吸收。目前人們一般采取真空式鍍膜鋼管及直通式真空管作為光吸收部件，在低溫應(yīng)用領(lǐng) 域因?yàn)榧療嵝枰^長時(shí)間且能流密度較小，采取這種"管狀"吸收方式有積極意義。但作為聚光式中高溫 領(lǐng)域，考慮"成本"和"效率"因素，可以用腔體吸收方式。腔體吸收的特點(diǎn)如圖7、 8、 9、 10、 11所示， 要求吸收面和外圍保溫結(jié)構(gòu)分開，減少散熱面積；要求吸收面"黑"且如類似"洞"型的形狀。光線進(jìn)入 猶如"黑洞"的"腔體"吸收面內(nèi)極少被反射，在"腔體"內(nèi)即使有反射光線也被"腔體"內(nèi)的其他"黑 體"反復(fù)吸收。紅外輻射也被腔體內(nèi)"黑體"重復(fù)吸收，這樣達(dá)到熱量的最低損失。
下面結(jié)合附圖對"腔體"吸收部件作進(jìn)一步說明
圖7為簡易腔體吸收部件橫切面圖，其中l(wèi)為紅外線反射面，保證熱輻射基本返回工質(zhì)，減少熱損 失。2為真空層或者有其他材料組成的保溫層，隔絕或減輕熱傳導(dǎo)。3為水及油等工質(zhì)，吸收的熱量在這 一層積聚，到達(dá)一定程度沖破壓力閥門流出。4為鋸齒狀光吸收面，鋸齒狀是為增加其吸收面積，并防止 未吸收光線(即反射光線)輕易透出造成能量損失。黑體可鍍選擇性涂層來增加吸收。 圖8為改進(jìn)型，其"腔體"特點(diǎn)更加突出，其光線更不容易透出。
圖9為玻璃透光真空型"腔體"。即為了更好的促進(jìn)吸收，減少損失，增加了下邊的透光玻璃及 真空層,透光玻璃要求具有耐高溫功能、可見光及近紅外的高透過功能及遠(yuǎn)紅外的反射功能。但這樣在加 工時(shí)成本相應(yīng)提高，安裝及產(chǎn)品壽命等都受其影響，從"性價(jià)比"上考慮可選擇性應(yīng)用或不用。
圖10為圖9結(jié)構(gòu)翻版，外型一樣，但水及油等工質(zhì)放在了吸收層下邊、玻璃層上邊，這樣更有 利于光線吸收，在片面追求熱效而不考慮"成本"的情況下可以一試。具體為l和7為紅外線反射面， 2和5為真空層或者有其他材料組成的保溫層，3為水及油等工質(zhì)，4為鋸齒狀光吸收面，可鍍選擇性涂層。 6為高透光耐高溫及遠(yuǎn)紅外反射玻璃。
圖ll為改進(jìn)后的光吸收面橫切面圖。便于兩側(cè)光線吸收，更具有應(yīng)用價(jià)值。
光吸收面的寬度一般5-15cm，也可以稍寬或稍窄一些，腔體吸收體的長度因?yàn)橹饕墙饘俨考?如 鋁)，可以做的較長，中間可加螺紋結(jié)構(gòu)(類似膨脹節(jié))，兩端可附加法蘭盤，工程中需要腔體長度較長時(shí)， 用常規(guī)法蘭盤連接即可。
權(quán)利要求
1，一種高效率低成本槽式太陽能中高溫鍋爐系統(tǒng)。其特點(diǎn)是熱效率大于50％，成本可以低于1000元/平方米。主要通過大型、高聚光比、變通性防風(fēng)墻與鏡面承受風(fēng)荷分離、轉(zhuǎn)動軸“落地”、或是圓弧與微分拋物鏡面復(fù)合焦軸轉(zhuǎn)動鏡面相對不動、拋物面框架和分體拋物鏡面組合、正槽斜槽梯度復(fù)合、腔體式光吸收等途徑來實(shí)現(xiàn)。
2，根據(jù)1描述的特點(diǎn)，其高效率和低成本主要通過"大型"和"高聚光比"來實(shí)現(xiàn)，大型一般指槽開口 直徑在3-30米，聚光比在150-2000之間(普通國際慣例槽式聚光比只有30-80)。接收器用金屬鋁制 品時(shí)單位面積分布功率10-100w/ c itf，最佳聚光比1000左右，接收器最佳功率分布60w/ c ttf左右。 用銅及金、銀、鉆石等作為傳熱介質(zhì)時(shí)可根據(jù)傳導(dǎo)系數(shù)及熔點(diǎn)進(jìn)行相應(yīng)計(jì)算。
3，根據(jù)1描述的特點(diǎn)，大型槽轉(zhuǎn)動、風(fēng)荷因素復(fù)雜，改用變通性防風(fēng)墻技術(shù)，防風(fēng)墻風(fēng)荷與拋物鏡面風(fēng) 荷分離，即變通性防風(fēng)墻技術(shù)是此槽式太陽能中高溫鍋爐系統(tǒng)技術(shù)之一。
4,根據(jù)l描述的特點(diǎn)，轉(zhuǎn)動軸"落地"技術(shù)有益于減輕轉(zhuǎn)動負(fù)荷，是關(guān)鍵技術(shù)之一。
5，根據(jù)1描述的特點(diǎn)，除了鏡面轉(zhuǎn)動之外，還有一種方式就是圓弧與微分拋物鏡面復(fù)合焦軸轉(zhuǎn)動鏡面 相對不動，這種方式可以讓鏡面按季節(jié)適當(dāng)調(diào)整。
6, 根據(jù)l描述的特點(diǎn)，因其"大型"，在其加工時(shí)需分節(jié)分片設(shè)計(jì)加工制作，實(shí)行具有抗風(fēng)能力的框架結(jié) 構(gòu)，框架結(jié)構(gòu)由單體拋物線支架以穿插或焊接方式連接。分體鏡面每一片采光面積約卜6 m'，與支架之 間用螺絲螺母固定連接。
7, 根據(jù)1描述的特點(diǎn)，因?yàn)榇笮筒墼跂|西或南北放置時(shí)，當(dāng)太陽赤緯或高度角變化時(shí)，總有一部分光超 出槽口之外，造成能量損失及存在安全隱患，采用正槽斜槽梯度復(fù)合式可以避免此缺點(diǎn)，并且可以幾 倍增加聚光倍率。正槽及斜槽概念以X軸和Y軸確定的平面拋物線(方程式x八2-2PY或X平方:4fy) 沿Z軸平移，得到的拋物面槽叫"正槽"。以X軸和Y軸確定的平面拋物線(方程式xA2-2PY或X平方 =4fy)與X軸和Y軸確定的平面以一定角度傾斜(人于0°小于45° )沿Z軸平移得到的曲面"槽" 叫傾斜槽，簡稱"斜槽"。不同傾斜角度的拋物線沿Z軸平移得到的曲面槽依次排列在一起稱為槽的"梯 度復(fù)合"。
8，根據(jù)1描述的特點(diǎn)，腔體吸收裝置主要防止可見光線反射及高溫吸收體的紅外線輻射，其特點(diǎn)是此裝 置不僅有一個(gè)"腔體"，并且腔體內(nèi)多皺多面具有"黑體"特性，更重要的是腔體外圍結(jié)構(gòu)中大于1/2 的面積被保溫材料合圍，這樣區(qū)別于直通管式鍍膜鋼管或直通式真空管，目的在于增加吸收率減少熱 損失，當(dāng)然也不排除在此結(jié)構(gòu)下方增加一層高透光、耐高溫、遠(yuǎn)紅外反射玻璃并且抽真空。
全文摘要
大型、高效、相對低成本槽式太陽能鍋爐系統(tǒng)屬于光學(xué)、熱學(xué)、傳熱學(xué)、材料學(xué)、機(jī)械動力學(xué)、天文學(xué)等綜合應(yīng)用領(lǐng)域。在目前槽式太陽能鍋爐(集熱器)是太陽能熱利用領(lǐng)域較為經(jīng)濟(jì)模式，但熱效率低下(只有20％-40％)、成本相對較高、機(jī)械支撐控制部件結(jié)構(gòu)復(fù)雜、聚光倍率低(一般只有30-80)等缺陷。而本發(fā)明利用大型開口槽提高聚光倍率和效率；利用變通性防風(fēng)墻、落地軸轉(zhuǎn)動、圓弧與微分拋物鏡面、焦軸轉(zhuǎn)動等降低成本增強(qiáng)“抗風(fēng)能力”；利用“斜槽”“正槽”梯度復(fù)合槽技術(shù)提高聚光倍率和效率；利用拋物線支架與分體鏡面結(jié)合降低機(jī)械加工和組裝難度；利用金屬腔體式吸收增加光吸收率及降低成本。其綜合熱效率可以達(dá)到50％以上，成本降至1000元/平方米以下，可以廣泛應(yīng)用于太陽能蒸汽鍋爐及大型太陽能槽式發(fā)電站。
文檔編號F24J2/46GK101592403SQ20091014537
公開日2009年12月2日 申請日期2009年5月18日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月18日
發(fā)明者馮益安 申請人:馮益安