一種半嵌入式8字外形腔式太陽能吸熱器及其工作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種半嵌入式8字外形腔式太陽能吸熱器及其工作方法。吸熱器包括正六邊形凸面鏡、玻璃外殼、絕熱真空層、鋼質(zhì)內(nèi)殼、軟質(zhì)傳熱層、螺旋換熱盤管、導(dǎo)熱流體、反光式擋風(fēng)板、腔口凸面鏡；與傳統(tǒng)的吸熱器不同，本吸熱器呈8字外形，低溫加熱部分、高溫加熱部分有獨立進(jìn)出料口，可分別用于中高溫太陽能熱利用系統(tǒng)內(nèi)對不同溫度要求工質(zhì)的加熱并實現(xiàn)不同溫度工質(zhì)的輸送；利用正六邊形凸面鏡的聚焦作用可實現(xiàn)對工質(zhì)的二次加熱；軟質(zhì)傳熱層與螺旋換熱盤管間半嵌入式連接使得盤管受熱更均勻，避免出現(xiàn)熱斑；通過腔口凸面鏡的聚焦及封閉作用，可達(dá)到高效吸熱并減少對流熱損失的效果。
【專利說明】
-種半嵌入式8字外形腔式太陽能吸熱器及其工作方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種太陽能高溫吸熱器，特別設(shè)及一種應(yīng)用于單碟或多碟太陽能高溫 熱利用系統(tǒng)中的半嵌入式8字外形腔式太陽能吸熱器。
【背景技術(shù)】
[0002] 能源是人類社會賴W生存和發(fā)展的重要基礎(chǔ)資源，也是各國經(jīng)濟安全的重要保 障。目前大多依賴煤炭、石油和天然氣等化石燃料。據(jù)統(tǒng)計，全球一次能源消費量在1971~ 2000年的平均年增長率為2.1%，在2001~2004年為3.9%，其中2003~2004年為4.5%，可 見一次能源的消耗增長率不斷提升。隨著一次能源的不斷消耗，地球上C〇2、S〇2及NOx的排放 量急劇增加，帶來極大的環(huán)境污染，開發(fā)并充分利用新能源已成為當(dāng)今一個重要任務(wù)。
[0003] 腔式吸熱器是一種將太陽能轉(zhuǎn)化為熱能的裝置，它的作用在于將太陽福射能轉(zhuǎn)化 為熱能。運一環(huán)節(jié)在太陽能熱利用系統(tǒng)中占有重要地位，其效率高低會直接影響到整個太 陽能熱利用系統(tǒng)的高效性及經(jīng)濟性。
[0004] 吸熱器分類多樣，按吸熱表面形狀不同，基本分為四種:球形腔式吸熱器、圓柱形 腔式吸熱器、平頂圓錐形腔式吸熱器及圓錐形腔式吸熱器。經(jīng)模擬驗證，球形吸熱器的最大 直徑大于其他3種，對光線遮擋面積較大，使得進(jìn)入球形腔式吸熱器的光線總數(shù)少于其他3 種外形的吸熱器，但運對系統(tǒng)的效率影響卻較小，可見較其他3種外形的腔式吸熱器，球形 吸熱器具有較好的光學(xué)性能和較小的反射光損失。
[0005] 腔式吸熱器的結(jié)構(gòu)一般包括外殼、內(nèi)殼、保溫層、導(dǎo)熱盤管及空腔。目前，太陽能吸 熱器的主要工作原理是利用聚光器將太陽福射傳遞至吸熱器內(nèi)腔，導(dǎo)熱盤管接受相應(yīng)的太 陽福射能，使得導(dǎo)熱管中介質(zhì)吸熱升溫，從而實現(xiàn)從太陽福射能到熱能的轉(zhuǎn)變。保溫層一般 采用熱損失較低的材質(zhì)W達(dá)到較好的保溫效果。內(nèi)腔中的多種因素會影響到腔式吸熱器的 效率，如內(nèi)部福射、內(nèi)部對流等?，F(xiàn)今，有關(guān)腔式吸熱器靜態(tài)特性、動態(tài)特性、能量分布及優(yōu) 化等方面的理論及實驗研究均已全面開展。腔式吸熱器靜態(tài)特性是指吸熱器在穩(wěn)定狀態(tài)下 熱損失、熱效率等性能特性。而腔式吸熱器熱損失有對流、福射、反射及傳導(dǎo)熱損失，其中傳 導(dǎo)熱損失相對很小往往可W忽略不計。吸熱器效率取決于吸熱器熱效率、鏡面反射效率及 熱損失效率，其受吸熱器的結(jié)構(gòu)、光學(xué)特性、壁面溫度及外界風(fēng)速等的影響。由熱力學(xué)定律 分析可知:溫度越高，吸熱器效率越高。但溫度越高吸熱器熱福射越大，相應(yīng)的熱損失也越 大，出現(xiàn)光斑的概率就越大。
[0006] 現(xiàn)有腔式吸熱器各受熱面熱流密度分布極不均勻，同時太陽福照隨時間不斷變 化。另外，腔式吸熱器蒸發(fā)受熱面出口工質(zhì)狀態(tài)也極不穩(wěn)定，有時為過熱蒸汽，有時為汽-水 混合物，有時是未飽和水。同時不均勻的熱流分布還會引起吸熱管排回流及停滯，可能造成 下游無法正常工作甚至損壞。且現(xiàn)有的腔式吸熱器都只能加熱單一工質(zhì)，對于下游需要不 同溫度工質(zhì)的太陽能熱利用系統(tǒng)而言，運就意味著要安裝不同類型的腔式吸熱器，不僅使 得管道安裝復(fù)雜，經(jīng)濟效益也會隨之下降。因此，設(shè)計一種熱流密度均勻、能實現(xiàn)不同溫度 要求工質(zhì)加熱且光-熱轉(zhuǎn)化效率高的腔式吸熱器具有重要的意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]基于W上現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，本發(fā)明的目的在于提出一種半嵌入式8字外形太 陽能腔式吸熱器及其工作方法。該腔式吸熱器能有效地提高熱流密度分布的均勻度，減少 熱斑的出現(xiàn)，實現(xiàn)不同溫度要求工質(zhì)的加熱，同時降低熱損失，提高光-熱轉(zhuǎn)化效率。
[000引為了解決上述存在的技術(shù)問題，本發(fā)明通過下述技術(shù)方案來實現(xiàn)。
[0009] -種半嵌入式8字外形腔式太陽能吸熱器，包括光線收集部分、低溫加熱部分、高 溫加熱部分及二次加熱部分;二次加熱部分為均勻鑲嵌在玻璃外殼外表面的正六邊形凸面 鏡;玻璃外殼與鋼質(zhì)內(nèi)殼間間隔為絕熱真空層，兩者外形均為下端開口 8字形;鋼質(zhì)內(nèi)殼的 內(nèi)側(cè)為帶凹槽的軟質(zhì)傳熱層，高溫段螺旋換熱盤管、低溫段螺旋換熱盤管均W半嵌入的形 式與軟質(zhì)傳熱層相連接；W腔體中部低溫出料口及高溫進(jìn)料口所在平面為界限，W上至頂 部的高溫出料口為高溫加熱部分，W下至腔口為低溫加熱部分，腔口附近設(shè)置低溫進(jìn)料口； 低溫加熱部分與光線收集部分的反光式擋風(fēng)板在腔口處無縫連接。
[0010] 進(jìn)一步優(yōu)化的，所述吸熱器的光線收集部分包括腔口凸面鏡、反光式擋風(fēng)板；圓臺 形反光式擋風(fēng)板在腔口處分別與8字形玻璃外殼及鋼質(zhì)內(nèi)殼無縫連接，并封閉了玻璃外殼 與鋼質(zhì)內(nèi)殼間的間隙，形成絕熱真空層;紅外涂層面反光式擋風(fēng)板靠絕熱真空層的一側(cè)為 紅外涂層面，反光式擋風(fēng)板靠開腔一側(cè)為光滑外鏡面，能反射來自于聚光器的光線，并送至 內(nèi)腔;腔口凸面鏡在腔口所在平面與反光式擋風(fēng)板無縫連接，從而形成了 W8字外形的軟質(zhì) 傳熱層為主體，反光式擋風(fēng)板、腔口凸面鏡作為封口的封閉內(nèi)腔，其中腔口凸面鏡與腔口的 直徑相等;利用腔口凸面鏡的聚焦及封閉作用，可達(dá)到高效吸熱并減少對流熱損失的效果； 光滑外鏡面能將部分即將逃逸的光線再次反射至內(nèi)腔，減少熱量的損失。
[0011] 進(jìn)一步優(yōu)化的，所述吸熱器的低溫加熱部分為8字的下半部分，其半徑Ri為200~ 400mm;由真空抽氣孔、低溫進(jìn)料口、低溫出料口、低溫段螺旋換熱盤管、低溫導(dǎo)熱流體、軟質(zhì) 傳熱層、鋼質(zhì)內(nèi)殼、玻璃外殼、絕熱真空層、螺栓、氣孔、密封橡膠圈組成;其中腔口附近的真 空抽氣孔配有密封橡膠圈，用于連接抽真空機器;低溫段螺旋換熱盤管為單向盤管，盤管外 徑斬為20~25mm，內(nèi)徑巧2為17~22mm，盤管之間間距1~2mm，且盤管內(nèi)側(cè)含螺紋，外側(cè)打磨 成粗糖表面并涂有吸光材料，增強其吸光能力;盤管部分嵌入軟質(zhì)傳熱層，W使得管內(nèi)工質(zhì) 受熱均勻，軟質(zhì)傳熱層的厚度h2為15~20mm;低溫導(dǎo)熱流體為水或其他低溫工質(zhì);軟質(zhì)傳熱 層上開槽，槽直徑與換熱盤管外徑斬相當(dāng)，槽深hi為換熱盤管外半徑，即斬=2hi;槽間距與 換熱盤管間距相等，確保盤管能嵌入槽中；位于軟質(zhì)傳熱層外側(cè)并與其緊密相接的鋼質(zhì)內(nèi) 殼厚度Cb約為5~8mm;玻璃外殼為高透光率的石英玻璃，透光率大于0.95，厚度di為2~3mm， 且外表面鑲有正六邊形凸面鏡，玻璃外殼與鋼質(zhì)內(nèi)殼間的間隔為絕熱真空層。
[0012] 進(jìn)一步優(yōu)化的，所述吸熱器的高溫加熱部分用于加熱高溫流體，為8字的上半部 分，其半徑R2為200~400mm;包括高溫進(jìn)料口、高溫出料口、玻璃外殼、絕熱真空層、鋼質(zhì)內(nèi) 殼、軟質(zhì)傳熱層、高溫段螺旋換熱盤管、高溫導(dǎo)熱流體、螺栓、氣孔、密封橡膠圈；其中高溫段 螺旋換熱盤管為單向盤管，盤管外徑化為20~25mm，內(nèi)徑化為17~22mm，盤管之間間距1~ 2mm，且盤管內(nèi)側(cè)含螺紋，外側(cè)打磨成粗糖表面并涂有吸光材料，增強其吸光能力;盤管部分 嵌入軟質(zhì)傳熱層，使得工質(zhì)受熱均勻，軟質(zhì)傳熱層的厚度h2為15~20mm;高溫導(dǎo)熱流體為重 油或其他高溫工質(zhì);高溫加熱段中鋼質(zhì)內(nèi)殼、玻璃外殼及軟質(zhì)傳熱層的相關(guān)參數(shù)、結(jié)構(gòu)關(guān)系 均與低溫加熱段相同；低溫加熱部分和高溫加熱部分組成腔體的主要部分，兩者有獨立進(jìn) 出料口，可用于中高溫太陽能熱利用系統(tǒng)內(nèi)對不同溫度要求工質(zhì)的加熱，實現(xiàn)不同溫度傳 熱流體的輸送。
[0013] 進(jìn)一步優(yōu)化的，所述吸熱器的二次加熱部分指玻璃外殼上鑲嵌的正六邊形凸面 鏡，太陽福射直接透過正六邊形凸面鏡、玻璃外殼、絕熱真空層，對鋼質(zhì)內(nèi)殼進(jìn)行加熱，升溫 后的鋼質(zhì)內(nèi)殼W熱傳導(dǎo)的形式經(jīng)軟質(zhì)傳熱層分別向低溫螺旋換熱盤管及高溫螺旋換熱盤 管傳熱;低溫螺旋換熱盤管及高溫螺旋換熱盤管均W對流傳熱的形式使盤管內(nèi)低溫工質(zhì)及 高溫工質(zhì)升溫，從而實現(xiàn)對導(dǎo)熱流體的二次加熱；正六邊形凸面鏡材料為高透光率的石英 玻璃，透光率大于0.95，厚度為0.8~1.5mm，W鑲嵌的形式均勻分布于玻璃外殼上。
[0014] 進(jìn)一步優(yōu)化的，所述光線收集部分的反光式擋風(fēng)板為無底圓臺形；反光式擋風(fēng)板 所對應(yīng)的圓屯、角a為50~70°，板長h為250~300mm，板厚h3為20~30mm，其兩側(cè)分別為紅外 涂層面、光滑外鏡面;下端開口的8字形玻璃外殼位于外側(cè)，相同形狀的鋼質(zhì)內(nèi)殼位于內(nèi)側(cè)， 反光式擋風(fēng)板在開口處分別與兩者無縫連接，形成密封絕熱真空層，絕熱真空層寬度Cb為 20~40mm;多碟式聚光器的焦平面與腔口平面共面，張角0等于反光式擋風(fēng)板對應(yīng)圓屯、角a 的1/2,即a = 20;腔口凸面鏡采用的是高透光率的耐高溫石英玻璃，透光率大于0.95,直徑 化為200~300mm，凸面鏡表面光滑。
[0015] 進(jìn)一步優(yōu)化的，所述嵌入式8字外形腔式太陽能吸熱器的開槽內(nèi)殼、玻璃外殼整體 為下端開口的8字形;未裝配時，腔體分為上中下=部分，相互獨立的=部分通過共8個螺栓 裝配而成，其中低溫段加熱部分的下螺栓及高溫段加熱部分上螺栓分別4個，所有螺栓分別 與相對應(yīng)的螺孔及螺母配套，連接處分別安裝帶氣孔的密封橡膠圈；腔體開口所對應(yīng)的圓 屯、角與反光式擋風(fēng)板的圓屯、角a相等，腔口直徑為且化=Di+2h3,確保反光式擋風(fēng)板能與 腔口凸面鏡無縫連接。
[0016] 所述的一種半嵌入式8字外形腔式太陽能吸熱器的工作方法為:太能福射經(jīng)多碟 式聚光器上的反光鏡反射，大部分太陽光透過高透光率的腔口凸面鏡進(jìn)入到內(nèi)腔;進(jìn)入內(nèi) 腔的太陽光經(jīng)多次吸收、反射、折射后，最終被軟質(zhì)傳熱層及外表有吸光涂層的高溫段螺旋 換熱盤管及低溫段螺旋換熱盤管吸收，使得螺旋換熱盤管升溫，從而實現(xiàn)由太能福射能到 熱能的轉(zhuǎn)化；W對流傳熱的形式，熱能分別從溫度較高的高溫段螺旋換熱盤管、低溫段螺旋 換熱盤管傳導(dǎo)至溫度較低的高溫工質(zhì)及低溫工質(zhì)，從而達(dá)到加熱導(dǎo)熱流體的目的；另一部 分太陽福射在未到達(dá)多碟式聚光器前就直接透過正六邊形凸面鏡、玻璃外殼及絕熱真空 層，對鋼質(zhì)內(nèi)殼進(jìn)行加熱，升溫后的鋼質(zhì)內(nèi)殼W熱傳導(dǎo)的形式經(jīng)軟質(zhì)傳熱層分別向高溫段 螺旋換熱盤管及低溫段螺旋換熱盤管傳熱;升溫后的螺旋換熱盤管與盤管內(nèi)工質(zhì)間W對流 傳熱的形式傳熱，從而實現(xiàn)對流體的二次加熱，確保流體溫度滿足要求;其中低溫加熱段出 料口流體溫度ti可達(dá)到150°C~化(TC，高溫加熱段出料口流體溫度t2可達(dá)到400°C~500°C。
[0017] 本發(fā)明與現(xiàn)有的技術(shù)比較，具有的優(yōu)點和效果如下：
[0018] (1)低對流熱損失。通過腔口凸面鏡（16)的聚焦及封閉作用，可達(dá)到高效吸熱并減 少對流熱損失的效果；
[0019] (2)低傳導(dǎo)熱損失。絕熱真空層(2)可減少傳導(dǎo)熱損失；
[0020] (3)熱流密度均勻。軟質(zhì)傳熱層(25)與高溫螺旋換熱盤管(4)、低溫螺旋換熱盤管 (23)間半嵌入式連接使得盤管受熱更均勻，避免出現(xiàn)熱斑；
[0021] (4)實現(xiàn)不同溫度要求工質(zhì)的加熱與輸送。高低溫加熱部分分別有獨立進(jìn)出料口， 實現(xiàn)不同溫度工質(zhì)輸送，低溫加熱部分可向中高溫太陽能熱利用系統(tǒng)中輸送低溫導(dǎo)熱流體 水或其他低溫工質(zhì)，高溫加熱部分可向中高溫太陽能熱利用系統(tǒng)中輸送高溫導(dǎo)熱流體重油 或其他高溫工質(zhì)。
[0022] (5)能實現(xiàn)二次加熱。利用外殼上鑲嵌的正六邊形凸面鏡(9)的聚光作用及高透光 率，太陽福射直接透過正六邊形凸面鏡(9)、玻璃外殼（1)及絕熱真空層(2)，對鋼質(zhì)內(nèi)殼(3) 進(jìn)行加熱，鋼質(zhì)內(nèi)殼(3)的熱能經(jīng)軟質(zhì)傳熱層(25)傳導(dǎo)至螺旋換熱盤管，升溫后的螺旋換熱 盤管W對流傳熱的方式將熱能傳導(dǎo)至流體，實現(xiàn)對流體的二次加熱。
【附圖說明】
[0023] 圖1是一種半嵌入式8字外形腔式太陽能吸熱器剖面示意圖。
[0024] 圖2是一種半嵌入式8字外形腔式太陽能吸熱器仰視圖。
[0025] 圖3是一種半嵌入式8字外形腔式太陽能吸熱器7所示局部放大圖。
[00%]圖4是反光式擋風(fēng)板示意圖。
[0027] 圖5是碟式太陽能發(fā)電系統(tǒng)原理圖。
[0028] 圖6是太陽能聚光器一腔式吸熱器系統(tǒng)示意圖。
[0029] 附圖中：1-玻璃外殼;2-絕熱真空層;3-開槽內(nèi)殼;4-高溫段螺旋換熱盤管;5-高溫 導(dǎo)熱流體;6-螺栓;7-細(xì)節(jié)放大圖；8-真空抽氣孔;9-正六邊形凸面鏡；10-高溫出料口； 11-氣孔；12-密封橡膠圈；13-高溫進(jìn)料口； 14-低溫出料口； 15-低溫進(jìn)料口； 16-腔口凸面鏡； 17-紅外涂層面；18-光滑外鏡面；19-反光式擋風(fēng)板;20-密封橡膠圈；21-氣孔;22-螺栓;23-低溫段螺旋換熱盤管;24-低溫導(dǎo)熱流體;25-軟質(zhì)傳熱層。
【具體實施方式】
[0030] 下面結(jié)合附圖，對本發(fā)明的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)和具體工作過程作詳細(xì)描述，但本發(fā)明的實 施和保護不限于此。
[0031] 如圖1，一種半嵌入式8字外形腔式太陽能吸熱器，包括光線收集部分、低溫加熱部 分、高溫加熱部分及二次加熱部分;二次加熱部分為均勻鑲嵌在玻璃外殼1外表面的正六邊 形凸面鏡9;玻璃外殼1與鋼質(zhì)內(nèi)殼3之間的間隔為絕熱真空層2,兩者外形均為下端開口 8字 形;鋼質(zhì)內(nèi)殼3的內(nèi)側(cè)為帶凹槽的軟質(zhì)傳熱層25,高溫段螺旋換熱盤管4、低溫段螺旋換熱盤 管23均W半嵌入的形式與軟質(zhì)傳熱層25相連接；W腔體中部低溫出料口 14及高溫進(jìn)料口 13 所在平面為界限，W上至頂部的高溫出料口 10為高溫加熱部分，W下至腔口為低溫加熱部 分，腔口附近設(shè)置低溫進(jìn)料口 15;低溫加熱部分與光線收集部分的反光式擋風(fēng)板19在腔口 處無縫連接。光線收集部分包括腔口凸面鏡16、反光式擋風(fēng)板19;圓臺形反光式擋風(fēng)板19在 腔口處分別與8字形玻璃外殼1及鋼質(zhì)內(nèi)殼3無縫連接，并封閉了玻璃外殼1與鋼質(zhì)內(nèi)殼3間 的間隙，形成絕熱真空層2;反光式擋風(fēng)板19靠絕熱真空層2的一側(cè)涂紅外涂層面17,而靠開 腔一側(cè)為光滑外鏡面18,能反射來自于聚光器的光線，并送至內(nèi)腔;腔口凸面鏡16在腔口所 在平面與反光式擋風(fēng)板19無縫連接，從而形成了 W8字外形的軟質(zhì)傳熱層25為主體，反光式 擋風(fēng)板19、腔口凸面鏡16作為封口的封閉內(nèi)腔，其中腔口凸面鏡16與腔口的直徑相等;利用 腔口凸面鏡16的聚焦及封閉作用；光滑外鏡面18能將部分即將逃逸的光線再次反射至內(nèi) 腔。低溫加熱部分為8字的下半部分，其半徑Ri為200~400mm;由真空抽氣孔8、低溫進(jìn)料口 15、低溫出料口 14、低溫段螺旋換熱盤管23、低溫導(dǎo)熱流體24、軟質(zhì)傳熱層25、鋼質(zhì)內(nèi)殼3、玻 璃外殼1、絕熱真空層2、螺栓22、氣孔21、密封橡膠圈20組成;其中腔口附近的真空抽氣孔8 配有密封橡膠圈，用于連接抽真空機器;低溫段螺旋換熱盤管23為單向盤管，盤管外徑斬為 20~25mm，內(nèi)徑化為17~22mm，盤管之間間距1~2mm，且盤管內(nèi)側(cè)含螺紋，外側(cè)打磨成粗糖 表面并涂有吸光材料;盤管部分嵌入軟質(zhì)傳熱層25, W使得管內(nèi)工質(zhì)受熱均勻，軟質(zhì)傳熱層 25的厚度h2為15~20mm;低溫導(dǎo)熱流體24為水或其他低溫工質(zhì)；軟質(zhì)傳熱層25上開槽，槽直 徑與換熱盤管外徑斬相當(dāng)，槽深hi為換熱盤管外半徑，即斬=21ii;椎間距與換熱盤管間距相 等，確保盤管能嵌入槽中；位于軟質(zhì)傳熱層25外側(cè)并與其緊密相接的鋼質(zhì)內(nèi)殼3厚度Cb為5 ~8mm;玻璃外殼1為高透光率的石英玻璃，透光率大于0.95,厚度di為2~3mm，且外表面鑲 有正六邊形凸面鏡9,玻璃外殼1與鋼質(zhì)內(nèi)殼3間的間隔為絕熱真空層2。
[0032] 實施方案1:腔式吸熱器可用于碟式太陽能發(fā)電系統(tǒng)中將光能轉(zhuǎn)化為熱能，其系統(tǒng) 組成如圖5所示。碟式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的核屯、裝置包括=部分：多碟式聚光器、自動跟蹤 系統(tǒng)、半嵌入式8字外形腔式太陽能吸熱器，除此之外還包括儲能裝置、熱電轉(zhuǎn)換裝置、電壓 變換裝置。聚光器是進(jìn)行太陽光的捕獲與轉(zhuǎn)換裝置，采用美國Sunlab生產(chǎn)的超薄銀玻璃反 光鏡，其為點聚焦式旋轉(zhuǎn)拋物面，其聚光比高達(dá)數(shù)2000,能最大限度地反射太陽光，提高鏡 面反射率。所選用聚光器直徑為5m，焦距為2m，焦面落在腔口圓面上，鏡面反射率為94%。自 動跟蹤系統(tǒng)采用雙軸式跟蹤系統(tǒng)，調(diào)整地平坐標(biāo)系統(tǒng)中的高低角及方位角聚集太陽福射 能。實施方案中所采用的吸熱器為半嵌入式8字外形腔式吸熱器(見圖1、2)，該吸熱器位于 聚光器上方2m處;吸熱器腔口所在圓的圓屯、即為聚光碟的焦點。太陽福射值為lOOOW/m 2。儲 能裝置是用于儲備熱能W供夜晚或其他無日照時使用，其中采用的是巧基高溫儲能系統(tǒng)。 熱電轉(zhuǎn)換裝置采用間接熱電轉(zhuǎn)化裝置一一Rankine切Cle蒸汽發(fā)電系統(tǒng)，在半嵌入式8字外 形腔式太陽能吸熱器中加熱至450°C的重油到達(dá)Rankine Cycle蒸汽發(fā)電系統(tǒng)，加熱 Rankine切Cle蒸汽發(fā)電系統(tǒng)中的水使其產(chǎn)生高溫高壓蒸汽;然后推動蒸汽輪機高速旋轉(zhuǎn)， 從而帶動汽輪發(fā)電機發(fā)電，實現(xiàn)熱一電的轉(zhuǎn)化。產(chǎn)生的電能經(jīng)電壓變換裝置轉(zhuǎn)接至供電網(wǎng)。 當(dāng)長時間無光照時需通過其他途徑補充能源來發(fā)電。
[0033] 實施方案2.年發(fā)電IMW的太陽能發(fā)電系統(tǒng)中光熱轉(zhuǎn)換裝置及流程：
[0034] 本發(fā)明半嵌入式8字外形的腔式太陽能吸熱器(見圖1、2)，包括光線收集部分、低 溫加熱部分、高溫加熱部分、二次加熱部分;二次加熱部分為均勻鑲嵌在玻璃外殼1外表面 的正六邊形凸面鏡9;玻璃外殼1與鋼質(zhì)內(nèi)殼3間間隔為絕熱真空層2,兩者外形均為下端開 口 8字形;鋼質(zhì)內(nèi)殼3的內(nèi)側(cè)為帶凹槽的軟質(zhì)傳熱層25,高溫段螺旋換熱盤管4、低溫段螺旋 換熱盤管23均W半嵌入的形式與軟質(zhì)傳熱層25相連接；W腔體中部低溫出料口 14及高溫進(jìn) 料口 13所在平面為界限，W上至頂部的高溫出料口 10為高溫加熱部分，W下至腔口為低溫 加熱部分，腔口附近設(shè)置低溫進(jìn)料口 15;低溫加熱部分與光線收集部分的反光式擋風(fēng)板19 在腔口處無縫連接。
[0035] 腔體分為上中下=部分，相互獨立的=部分通過共8個螺栓裝配而成，其中低溫段 加熱部分的下螺栓22及高溫段加熱部分上螺栓6分別4個，所有螺栓分別與相對應(yīng)的螺孔及 螺母配套，連接處分別安裝帶氣孔的密封橡膠圈；投入使用前需將腔口附件的真空抽氣孔8 與抽真空裝置連接，抽去內(nèi)外殼間空氣，使得絕熱真空層2接近于真空。
[0036] W發(fā)電量為IMW的發(fā)電系統(tǒng)為例，太陽能的利用效率為50 %，當(dāng)太陽福射能為IkW/ m2,所需聚光碟受熱面積為2000m2。采用多碟式聚光器，其有效受光照面積為聚光器總面積 的50%，當(dāng)聚光器直徑為5m時，相應(yīng)有效受光面積為IOm 2 JMW的發(fā)電系統(tǒng)所需本發(fā)明所述 的8字外形腔式太陽能吸熱器200個。聚光器反光鏡面材質(zhì)與實施方案1相同。制作符合系統(tǒng) 要求的半嵌入式8字外形腔式吸熱器(見圖1、2)，其腔口直徑應(yīng)為化為250mm，開腔所對應(yīng)的 圓屯、角a為60°，腔口凸面鏡16直徑化為210mm;要求所制作吸熱器高溫加熱部分R2與低溫加 熱部分化相等，即均為250mm，低溫段螺旋換熱盤管(23)及高溫段螺旋換熱盤管(4)(見圖3) 的外徑化均為20mm，內(nèi)徑化為17mm，螺旋間距為1.5mm;盤管內(nèi)側(cè)含螺紋，外側(cè)打磨，材質(zhì)為 紫銅。反光式擋風(fēng)板(見圖4)的長h為200mm，厚度h3為20mm。軟質(zhì)傳熱層25厚度h2為15mm，槽 深hi為10mm，槽間距為1.5mm。鋼質(zhì)內(nèi)殼3的寬度Cb為5mm;絕熱真空層2的寬度Cb為20mm;玻璃 外殼1的厚度山為3mm;正六邊形凸面鏡厚度為1.0mm。
[0037] 光-熱轉(zhuǎn)換流程:參見圖6,多碟式聚光器鏡面反射率高達(dá)94%，腔口凸面鏡材質(zhì)為 透光率為95%的石英玻璃。當(dāng)太陽光垂直照射到聚光器602中，大部分光線能透過該8字外 形腔式太陽能吸熱器601的腔口凸面鏡16,盤管外壁及軟質(zhì)傳熱層25接收太陽福射，同時將 太陽福射能轉(zhuǎn)化為熱能，自身溫度升高。低溫導(dǎo)熱流體24水從低溫進(jìn)料口 15進(jìn)入到低溫段 螺旋換熱盤管23,沿著盤管流動的同時接受來自于低溫段螺旋換熱盤管23及軟質(zhì)傳熱層25 的熱能，W對流傳熱的方式升溫至20(TC，由于盤管部分嵌入至軟質(zhì)傳熱層25,降低了因熱 福射不均勻而引起熱斑的可能性;經(jīng)加熱后的水從低溫出料口 14離開光-熱轉(zhuǎn)換裝置進(jìn)入 到熱化學(xué)儲能裝置中。同時高溫導(dǎo)熱流體5重油從高溫進(jìn)料口 13進(jìn)入到高溫段螺旋換熱盤 管4,沿著盤管，W對流傳熱的方式升溫至40(TC，最終從高溫出料口 10進(jìn)入到熱化學(xué)儲能裝 置。
[0038] 太陽福射直接透過正六邊形凸面鏡9、玻璃外殼1及絕熱真空層2,對鋼質(zhì)內(nèi)殼3進(jìn) 行加熱;鋼質(zhì)內(nèi)殼3的熱能經(jīng)軟質(zhì)傳熱層25分別傳至高溫螺旋換熱盤管4、低溫螺旋換熱盤 管23,升溫后的螺旋換熱盤管W對流傳熱的方式將熱能分別傳至高溫工質(zhì)5、低溫工質(zhì)流體 24，并最終使流體升溫，實現(xiàn)對流體的二次加熱。
[0039] 實施效果分析
[0040] 本系統(tǒng)的實施可替代動力煤的應(yīng)用，每年可節(jié)約煤用量1000~2000噸，按每噸煤 500元計，年節(jié)約運行成本50~100萬元。與燃煤火力發(fā)電相比，本太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)每發(fā)電 1000 KWh，可向大氣約減少排放1000 kg 0)2、8kgS〇2、化g NOx、50kg粉塵，對環(huán)境造成的影響 要遠(yuǎn)小于燃煤火力發(fā)電。經(jīng)濟效益與社會效益均相當(dāng)可觀。
[0041 ]方案2相關(guān)部件具體參數(shù)見表1。
[0042]表 1
[0043]
[0044] 本發(fā)明案例僅為說明本發(fā)明生產(chǎn)流程而列舉的案例，不對本發(fā)明具體實施方法產(chǎn) 生限制，運里無法對本發(fā)明適合的案例情況進(jìn)行詳盡列舉。凡在本發(fā)明的精神及原則上所 作的修改、等同替換等都屬于本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項】
1. 一種半嵌入式8字外形腔式太陽能吸熱器，其特征在于所述的腔式吸熱器包括光線 收集部分、低溫加熱部分、尚溫加熱部分及二次加熱部分;二次加熱部分為均勾鑲嵌在玻璃 外殼（1)外表面的正六邊形凸面鏡(9);玻璃外殼（1)與鋼質(zhì)內(nèi)殼(3)之間的間隔為絕熱真空 層(2)，兩者外形均為下端開口 8字形;鋼質(zhì)內(nèi)殼(3)的內(nèi)側(cè)為帶凹槽的軟質(zhì)傳熱層(25)，高 溫段螺旋換熱盤管(4)、低溫段螺旋換熱盤管(23)均以半嵌入的形式與軟質(zhì)傳熱層(25)相 連接；以腔體中部低溫出料口（14)及高溫進(jìn)料口（13)所在平面為界限，以上至頂部的高溫 出料口（10)為高溫加熱部分，以下至腔口為低溫加熱部分，腔口附近設(shè)置低溫進(jìn)料口（15); 低溫加熱部分與光線收集部分的反光式擋風(fēng)板(19)在腔口處無縫連接。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種半嵌入式8字外形腔式太陽能吸熱器，其特征在于光線收 集部分包括腔口凸面鏡（16)、反光式擋風(fēng)板（19);圓臺形反光式擋風(fēng)板（19)在腔口處分別 與8字形玻璃外殼（1)及鋼質(zhì)內(nèi)殼(3)無縫連接，并封閉了玻璃外殼（1)與鋼質(zhì)內(nèi)殼(3)間的 間隙，形成絕熱真空層(2);反光式擋風(fēng)板(19)靠絕熱真空層(2)的一側(cè)涂紅外涂層面（17)， 而靠開腔一側(cè)為光滑外鏡面（18)，能反射來自于聚光器的光線，并送至內(nèi)腔;腔口凸面鏡 (16)在腔口所在平面與反光式擋風(fēng)板（19)無縫連接，從而形成了以8字外形的軟質(zhì)傳熱層 (25)為主體，反光式擋風(fēng)板（19)、腔口凸面鏡（16)作為封口的封閉內(nèi)腔，其中腔口凸面鏡 (16)與腔口的直徑相等;利用腔口凸面鏡（16)的聚焦及封閉作用;光滑外鏡面（18)能將部 分即將逃逸的光線再次反射至內(nèi)腔。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種半嵌入式8字外形腔式太陽能吸熱器，其特征在于低溫加 熱部分為8字的下半部分，其半徑心為200~400mm;由真空抽氣孔(8)、低溫進(jìn)料口（15)、低溫 出料口（14)、低溫段螺旋換熱盤管（23)、低溫導(dǎo)熱流體（24)、軟質(zhì)傳熱層（25)、鋼質(zhì)內(nèi)殼 (3)、玻璃外殼(1)、絕熱真空層(2)、螺栓(22)、氣孔(21)、密封橡膠圈（20)組成;其中腔口附 近的真空抽氣孔(8)配有密封橡膠圈，用于連接抽真空機器;低溫段螺旋換熱盤管(23)為單 向盤管，盤管外徑Φ 1為20~25mm，內(nèi)徑Φ 2為17~22mm，盤管之間間距1~2mm，且盤管內(nèi)側(cè)含螺 紋，外側(cè)打磨成粗糙表面并涂有吸光材料;盤管部分嵌入軟質(zhì)傳熱層(25)，以使得管內(nèi)工質(zhì) 受熱均勻，軟質(zhì)傳熱層(25)的厚度匕為15~20mm;低溫導(dǎo)熱流體(24)為水或其他低溫工質(zhì)； 軟質(zhì)傳熱層(25)上開槽，槽直徑與換熱盤管外徑Φ i相當(dāng)，槽深hi為換熱盤管外半徑，即Φ 1= 2h1;槽間距與換熱盤管間距相等，確保盤管能嵌入槽中；位于軟質(zhì)傳熱層(25)外側(cè)并與其 緊密相接的鋼質(zhì)內(nèi)殼(3)厚度d 3為5~8mm;玻璃外殼（1)為高透光率的石英玻璃，透光率大于 〇 .95,厚度di為2~3mm，且外表面鑲有正六邊形凸面鏡(9)，玻璃外殼（1)與鋼質(zhì)內(nèi)殼(3)間的 間隔為絕熱真空層(2)。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種半嵌入式8字外形腔式太陽能吸熱器，其特征在于高溫加 熱部分用于加熱高溫工質(zhì)，為8字的上半部分，其半徑R 2為200~400mm;包括高溫進(jìn)料口 (13)、高溫出料口（10)、玻璃外殼（1)、絕熱真空層(2)、鋼質(zhì)內(nèi)殼(3)、軟質(zhì)傳熱層(25)、高溫 段螺旋換熱盤管(4)、高溫導(dǎo)熱流體(5)、螺栓(6)、氣孔（11)、密封橡膠圈（12);其中高溫段 螺旋換熱盤管(4)為單向盤管，盤管外徑Φ 1為20~25mm，內(nèi)徑Φ 2為17~22mm，盤管之間間距1~ 2mm，且盤管內(nèi)側(cè)含螺紋，外側(cè)打磨成粗糙表面并涂有吸光材料，增強其吸光能力;盤管部分 嵌入軟質(zhì)傳熱層(25)，使得工質(zhì)受熱均勻，軟質(zhì)傳熱層(25)的厚度匕為15~20mm;高溫導(dǎo)熱 流體(5)為重油或其他高溫工質(zhì)；高溫加熱段中鋼質(zhì)內(nèi)殼（3)、玻璃外殼（1)及軟質(zhì)傳熱層 (25)的相關(guān)參數(shù)、結(jié)構(gòu)關(guān)系均與低溫加熱段相同；低溫加熱部分和高溫加熱部分組成腔體 的主要部分，兩者有獨立進(jìn)出料口，可用于中高溫太陽能熱利用系統(tǒng)內(nèi)對不同溫度要求工 質(zhì)的加熱，實現(xiàn)不同溫度傳熱流體的輸送。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種半嵌入式8字外形腔式太陽能吸熱器，其特征在于太陽輻 射直接透過正六邊形凸面鏡(9)、玻璃外殼（1)、絕熱真空層(2)，對鋼質(zhì)內(nèi)殼(3)進(jìn)行加熱， 升溫后的鋼質(zhì)內(nèi)殼(3)以熱傳導(dǎo)的形式經(jīng)軟質(zhì)傳熱層(25)分別向低溫螺旋換熱盤管(23)及 高溫螺旋換熱盤管(4)傳熱;低溫螺旋換熱盤管(23)及高溫螺旋換熱盤管(4)均以對流傳熱 的形式使盤管內(nèi)低溫工質(zhì)（24)及高溫工質(zhì)（5)升溫，從而實現(xiàn)對導(dǎo)熱流體的二次加熱;正六 邊形凸面鏡(9)材料為高透光率的石英玻璃，透光率大于0.95,厚度為0.8~1.5_，以鑲嵌的 形式均勾分布于玻璃外殼(1)上。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種半嵌入式8字外形腔式太陽能吸熱器，其特征在于光線收 集部分的反光式擋風(fēng)板（19)為無底圓臺形;反光式擋風(fēng)板（19)所對應(yīng)的圓心角α為50~70°， 板長li為250~300mm，板厚h 3為20~30mm，其兩側(cè)分別為紅外涂層面(17)、光滑外鏡面（18);下 端開口的8字形玻璃外殼（1)位于外側(cè)，相同形狀的鋼質(zhì)內(nèi)殼（3)位于內(nèi)側(cè)，反光式擋風(fēng)板 (19)在開口處分別與兩者無縫連接，形成密封絕熱真空層(2)，絕熱真空層(2)寬度山為20~ 40mm;多碟式聚光器的焦平面與腔口平面共面，張角β等于反光式擋風(fēng)板（19)對應(yīng)圓心角α 的1/2，即α=2β;腔口凸面鏡（16)采用的是高透光率的耐高溫石英玻璃，透光率大于0.95，直 徑DiSSOCKBOOmm，凸面鏡表面光滑。7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種半嵌入式8字外形腔式太陽能吸熱器，其特征在于所述玻 璃外殼(1)、開槽內(nèi)殼(3)均為下端開口的8字形;未裝配時，腔體分為上中下三部分，相互獨 立的三部分通過共8個螺栓裝配而成，其中低溫段加熱部分的下螺栓(22)及高溫段加熱部 分上螺栓(6)分別4個，所有螺栓分別與相對應(yīng)的螺孔及螺母配套，連接處分別安裝帶氣孔 的密封橡膠圈;腔體開口所對應(yīng)的圓心角與反光式擋風(fēng)板(19)的圓心角α相等，腔口直徑為 D2,且DfDMhs，確保反光式擋風(fēng)板（19)能與腔口凸面鏡（16)無縫連接。8. 權(quán)利要求1~7任一項所述的一種半嵌入式8字外形腔式太陽能吸熱器的工作方法，其 特征在于太能輻射經(jīng)多碟式聚光器上的反光鏡反射，大部分太陽光透過高透光率的腔口凸 面鏡（16)進(jìn)入到內(nèi)腔；進(jìn)入內(nèi)腔的太陽光經(jīng)多次吸收、反射、折射后，最終被軟質(zhì)傳熱層 (25)及外表有吸光涂層的高溫段螺旋換熱盤管(4)及低溫段螺旋換熱盤管(23)吸收，使得 螺旋換熱盤管升溫，從而實現(xiàn)由太能輻射能到熱能的轉(zhuǎn)化；以對流傳熱的形式，熱能分別從 溫度較高的高溫段螺旋換熱盤管(4)、低溫段螺旋換熱盤管(23)傳導(dǎo)至溫度較低的高溫工 質(zhì)(5)及低溫工質(zhì)(24)，從而達(dá)到加熱導(dǎo)熱流體的目的；另一部分太陽輻射在未到達(dá)多碟式 聚光器前就直接透過正六邊形凸面鏡(9)、玻璃外殼（1)及絕熱真空層（2)，對鋼質(zhì)內(nèi)殼（3) 進(jìn)行加熱，升溫后的鋼質(zhì)內(nèi)殼(3)以熱傳導(dǎo)的形式經(jīng)軟質(zhì)傳熱層(25)分別向高溫段螺旋換 熱盤管(4)及低溫段螺旋換熱盤管(23)傳熱;升溫后的螺旋換熱盤管與盤管內(nèi)工質(zhì)間以對 流傳熱的形式傳熱，從而實現(xiàn)對流體的二次加熱，確保流體溫度滿足要求;其中低溫加熱段 出料口（14)流體溫度以可達(dá)到150°0250°C，高溫加熱段出料口（10)流體溫度^可達(dá)到400 。0500。。 。
【文檔編號】F24J2/38GK105841363SQ201610287339
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2016年4月30日
【發(fā)明人】龍新峰, 廖珊珊, 唐永銓, 賴永鑫, 張麗樺
【申請人】華南理工大學(xué)