CN110686414A - 一种复合抛物面聚光发电-相变蓄热装置 - Google Patents
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Abstract
一种复合抛物面聚光发电‑相变蓄热装置，属于太阳能热利用和太阳能温差发电领域。由集热模块(由太阳能真空集热管、复合抛物面聚光器及平板微热管阵列组成)、发电模块(由平板微热管阵列及温差发电片组成)、蓄热模块(由平板微热管、换热翅片、蓄热材料及蓄热箱体组成)及冷却水管构成。平板微热管阵列组件在本发明中作为传热导体，真空管接收的热量可被平板微热管阵列迅速传输至发电模块I，与蓄热模块共同为发电模块I提供温差而产生电能；此外，蓄热模块可为发电模块II提供热源，与冷却模块共同为发电模块II提供温差并产生电能和热能。发电模块I和II所产生的电能可直接通过用电设备消耗或通过蓄电池进行储存。
Description
技术领域
本发明涉及一种复合抛物面聚光发电-相变蓄热装置，属于太阳能热利用及太阳能热发电领域。
背景技术
太阳能被普遍认为是最理想的清洁可再生能用之一，利用得当可充分减少对于传统化石能用的依赖，从而减缓能源危机和我国环境污染问题。太阳能热发电技术是利用热电转化材料将太阳能作为热电材料的热源，并在热电材料另一端外置冷源而使其产生电能的一种能量转化技术，具有无机械转动部件、结构简单、体积小、制造工艺简单、运行成本低、寿命长、工作无噪音及对环境污染小等特点。
另一方面，虽然热电材料的优势明显，但目前热电材料的发电效率较低，为提高其发电功率，传统温差发电装置往往选择采用聚光比较高的聚光器为温差发电片提供较高能量密度的太阳辐射，从而提高发电材料热端温度。这种作法必然会使得发电装置本体体积庞大，并且由于发电片温度较高的温度使得发电装置热损失严重，发电过程中产生的余热无法回收而直接浪费。
此外，传统热发电装置仅能在存在太阳时才能为热发电材料提供热能，使得发电装置的应用受到太阳能自身特点的限制。考虑为传统太阳能热发电装置增设蓄热模块，可用于吸收温差发电片在运行过程中所产生的余热，并且在没有太阳时也可以为热发电装置提供热源。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种复合抛物面聚光发电-相变蓄热装置。该装置的集热模块采用复合抛物面聚光器和真空集热管结合的形式，在充分提高集热温度的前提下，尽量减小发电装置的体积。此外，该装置存在两个发电模块和一个蓄热模块，该蓄热模块可兼做不同热发电模块的冷源或热源，从而使得发电装置由于两个发电模块的存在，在有无太阳时均可产生电能，使发电***不再受到太阳能自身特点的限制，延长了发电***的使用时间。整套装置中的热量传递依托平板微热管阵列，尽量降低热能的输运损失。
本发明的技术方案如下：
一种复合抛物面聚光发电-相变蓄热装置，主要包括以下组件依次组成的结构：集热模块(1)、发电模块I(2)、蓄热模块(3)、发电模块II(4)、冷却水管(5)，发电模块I(2)和发电模块II(4)分别与储电(耗电)模块(6)连接；
所述集热模块由太阳能真空集热管、复合抛物面聚光器及平板微热管阵列I组成。
所述平板微热管阵列I内***真空集热管内用于传输真空集热管收集的热能，其中平板微热管阵列I上面的一端伸出真空集热管的一端面；
所述复合抛物面聚光器位于太阳能真空集热管的下面，复合抛物面聚光器的轴向长度方向与太阳能真空集热管轴向长度方向一致，复合抛物面聚光器与自身轴向方向垂直的截面为镜面对称结构，是由一段抛物线和一段圆的渐开线连接而成，圆的渐开线是以太阳能真空集热管的最低端的一点O为起点的太阳能真空集热管外圆的向两边的对称发展的两条圆的渐开线；在对称结构的一边右侧，圆的渐开线上的某一点O1开始连接一段抛物线，抛物线的另一端为B；在对称结构的左侧，圆的渐开线上的某一点O2开始连接一段抛物线，抛物线的另一端为C；O1C连线与对称轴即光轴之间的夹角θa为接收半角，且O1C连线与真空管内圆截面相切于F1，设计时选定F1为抛物面镜面O1B的焦点，抛物线顶点为O1，保证渐开线与抛物线之间光滑连接。一般情况下，接收半角θa与镜面高度H(对称结构的最低端至B或C之间的竖直距离)之间的变化十分陡峭，即θa有变化很小时，H变化很大，为经济性考虑，需将镜面高度进行截短至合理的Ht(Ht一般为小于H的某值)，即可获得实际的镜面线型。复合抛物面的内侧面为镜面。其尺寸根据所选用的真空管的直径、所需聚光比和接收半角而定。
所述蓄热模块由平板微热管阵列II、换热翅片、蓄热材料及蓄热箱体组成；平板微热管阵列II中间一段位于蓄热箱体内，其中下面的一端段向下伸出蓄热箱体外，与发电模块I中的温差发电片相贴合，上面一端段向上伸出蓄热箱体外，与发电模块II中的温差发电片相贴合；换热翅片贴于蓄热箱体内平板微热管阵列II的正面和背面；蓄热材料存于蓄热箱体内与换热翅片外表面相接触；蓄热模块兼做发电模块I的冷源和发电模块II的热源；
所述蓄热模块中所采用的蓄热材料可以是显热蓄热材料，也可以是潜热蓄热材料，其中以潜热蓄热材料由于相变过程中可提供较恒定的温度，因此以潜热蓄热材料更优。蓄热材料蓄热时作为发电模块I的冷源，放热时作为发电模块II的热源。
所述冷却水管宜为平板型液体管道，以一种多通道扁管最优；
所述发电模块I：由平板微热管阵列I、温差发电片及平板微热管阵列II依次叠合组成夹心结构；温差发电片的热端贴合平板微热管阵列I，冷端贴合平板微热管阵列II；所述的平板微热管阵列I为集热模块中伸出真空集热管的平板微热管阵列I的一端；所述的平板微热管阵列II为蓄热模块中向下伸出蓄热箱体外的平板微热管阵列II的下端；叠合的方向垂直平板微热管阵列I和平板微热管阵列II的长度方向(长度方向即伸出方向)；
所述发电模块II由平板微热管阵列II、温差发电片及平板微热管阵列III依次叠合组成夹心结构；温差发电片的热端贴合平板微热管阵列III，冷端贴合平板微热管阵列II，所述的平板微热管阵列II为蓄热模块中向上伸出蓄热箱体外的平板微热管阵列II的上端；叠合的方向垂直平板微热管阵列III和平板微热管阵列II的长度方向(长度方向即伸出方向)；平板微热管阵列III一端组成发电模块II，另一端伸入到冷却水管中。
所述发电模块I、蓄热模块、发电模块II、冷却水管外表面设置保温材料，其厚度应根据其热性能和价格综合确定。
所述一种复合抛物面聚光发电-相变蓄热装置，在有阳光时可不开启冷却水管，使蓄热模块进行蓄热及发电模块I进行发电；有阳光时也可开启冷却水管，使蓄热模块进行蓄热，并使得发电模块I和发电模块II同时在温差作用下产生电能。
所述一种复合抛物面聚光发电-相变蓄热装置，在吸收太阳能时，宜根据当地纬度加减5°朝南放置。
所述的蓄热箱体应在底板与顶板加工有定位和安装平板微热管阵列的矩形通孔，平板微热管阵列由蓄热箱体上下各伸出一定长度，安装时，通孔部位用橡胶圈挤压密封，并涂抹密封胶用以防止储热材料泄漏。
所述平板微热管阵列为金属铝一次性挤压成型，内部两个或两个以上并列的微型热管，所述各微型热管内壁均设有微翅片，相邻微翅片间形成微型槽道结构。
所述平板微热管阵列的微型通道橫截面形状可为矩形或圆形，所述微型通道的当量直径为1-5mm。
所述微型热管内部采用抽真空灌装工质(如R141b)并密封封装。
在实际应用中所述的集热模块(1)、发电模块I(2)、蓄热模块(3)、发电模块II(4)、冷却水管(5)组成一体化结构，多个一体化结构并列组合成组合装置。
本发明的技术效果：
本发明利用复合抛物面聚光器优良的聚光效果，增加了真空集热管的集热温度，在较低聚光比和较小体积的聚光器的前提下，充分提高了发电装置的发电效率。此外，该装置存在两个发电模块和一个蓄热模块，该蓄热模块可用于吸收发电模块在发电过程中产生的过剩能量并兼做不同热发电模块的冷源或热源，从而使得发电装置由于两个发电模块的存在，在有无太阳时均可产生电能，使发电***不再受到太阳能自身特点的限制，延长了发电***的使用时间。此外，热-电联产的技术特点充分提高了太阳能热发电***的总效率，避免了不必要的热能浪费。整套装置中的热量传递依托平板微热管阵列，使得装置各部件之间热量的输运损失很小。发电片产生的电能可外接用电设备消耗，或设置储电设备进行储存。
附图说明
图1为本发明的立体结构示意图；
图2为本发明集热模块的结构示意图；
图3为本发明蓄热模块的结构示意图；
图4为本发明发电模块I和发电模块II的结构示意图；
图5位本发明冷却水管的结构示意图。
集热模块1、发电模块I2、蓄热模块3、发电模块II4、冷却水管5、储电耗电模块6、真空集热管7、复合抛物面聚光器8及平板微热管阵列I9、温差发电片10、平板微热管阵列II11、换热翅片12、蓄热材料13、蓄热箱体14、平板微热管阵列III 15。
具体实施方式
以下结合附图对本发明进行说明。但本发明并不限于以下实施例。
实施例1
图1为本发明的立体结构示意图。本发明分为6个主要功能模块，即集热模块(1)、发电模块I(2)、蓄热模块(3)、发电模块II(4)、冷却水管(5)及储电(耗电)模块(6)。集热模块(1)用于收集太阳能为发电模块I(2)提供热源，此时蓄热模块(3)可吸收发电模块I(2)在发电过程中的余热，并为发电模块I提供冷源。当冷却水管(5)中流经冷却水时，蓄热模块(3)可作为发电模块II(4)的热源，从而使发电模块II(4)产生电能。
图2为本发明中集热模块(1)的结构示意图。集热模块(1)主要由真空集热管(7)、复合抛物面聚光器(8)及平板微热管阵列I(9)组成。复合抛物面聚光器(8)用于将进入集热模块(1)的阳光反射至真空集热管(7)上被收集。平板微热管阵列I(9)一段内***真空集热管(9)中，一段伸出真空管集热管(9)与发电模块I(2)中的温差发电片(10)的热端贴合。
图3为本发明中蓄热模块(3)的结构示意图。蓄热模块(3)主要由平板微热管阵列II(11)、换热翅片(12)、蓄热材料(13)及蓄热箱体(14)组成。平板微热管阵列II(11)一段位于蓄热箱体(13)内，一段向下伸出蓄热箱体(13)外，与发电模块I(2)中的温差发电片(10)相贴合，一段向上伸出蓄热箱体(13)外，与发电模块II(4)中的温差发电片(10)相贴合。换热翅片(12)与平板微热管阵列II(11)正面和背面相贴合。换热翅片(12)外表面与蓄热材料(13)相接触。蓄热模块(3)兼做发电模块I(2)的冷源和发电模II(4)的热源。
图4位本发明中发电模块I(2)及发电模块II(4)的结构示意图。发电模块I(2)由平板微热管阵列I(9)、温差发电片(10)及平板微热管阵列II(11)组成。温差发电片(10)的热端贴合平板微热管阵列I(9)，冷端贴合平板微热管阵列II(11)。发电模块II(4)由平板微热管阵列II(11)、发电模块(10)及平板微热管阵列III(15)组成。温差发电片(10)的热端贴合平板微热管阵列I(9)，冷端贴合平板微热管阵列II(11)。
图5为本发明推荐采用的冷却水管(5)的结构和外观示意图，该水管为一种多通道扁管，其进口和出口设有稳压稳流段以保证内部每个通道中的流体均匀的分配，内部通道数量在2个以上。
Claims (10)
1.一种复合抛物面聚光发电-相变蓄热装置，其特征在于，主要包括以下组件依次组成的结构：集热模块(1)、发电模块I(2)、蓄热模块(3)、发电模块II(4)、冷却水管(5)，发电模块I(2)和发电模块II(4)分别与储电(耗电)模块(6)连接；
所述集热模块由太阳能真空集热管、复合抛物面聚光器及平板微热管阵列I组成；
所述平板微热管阵列I内***真空集热管内用于传输真空集热管收集的热能，其中平板微热管阵列I上面的一端伸出真空集热管的一端面；
所述复合抛物面聚光器位于太阳能真空集热管的下面，复合抛物面聚光器的轴向长度方向与太阳能真空集热管轴向长度方向一致，复合抛物面聚光器与自身轴向方向垂直的截面为镜面对称结构，是由一段抛物线和一段圆的渐开线连接而成，圆的渐开线是以太阳能真空集热管的最低端的一点O为起点的太阳能真空集热管外圆的向两边的对称发展的两条圆的渐开线；在对称结构的一边右侧，圆的渐开线上的某一点O1开始连接一段抛物线，抛物线的另一端为B；在对称结构的左侧，圆的渐开线上的某一点O2开始连接一段抛物线，抛物线的另一端为C；O1C连线与对称轴即光轴之间的夹角θa为接收半角，且O1C连线与真空管内圆截面相切于F1，设计时选定F1为抛物面镜面O1B的焦点，抛物线顶点为O1，保证渐开线与抛物线之间光滑连接；复合抛物面的内侧面为镜面；
所述蓄热模块由平板微热管阵列II、换热翅片、蓄热材料及蓄热箱体组成；平板微热管阵列II中间一段位于蓄热箱体内，其中下面的一端段向下伸出蓄热箱体外，与发电模块I中的温差发电片相贴合，上面一端段向上伸出蓄热箱体外，与发电模块II中的温差发电片相贴合；换热翅片贴于蓄热箱体内平板微热管阵列II的正面和背面；蓄热材料存于蓄热箱体内与换热翅片外表面相接触；蓄热模块兼做发电模块I的冷源和发电模块II的热源；
所述蓄热模块中所采用的蓄热材料可以是显热蓄热材料，也可以是潜热蓄热材料；
所述发电模块I：由平板微热管阵列I、温差发电片及平板微热管阵列II依次叠合组成夹心结构；温差发电片的热端贴合平板微热管阵列I，冷端贴合平板微热管阵列II；所述的平板微热管阵列I为集热模块中伸出真空集热管的平板微热管阵列I的一端；所述的平板微热管阵列II为蓄热模块中向下伸出蓄热箱体外的平板微热管阵列II的下端；叠合的方向垂直平板微热管阵列I和平板微热管阵列II的长度方向，长度方向即伸出方向；
所述发电模块II由平板微热管阵列II、温差发电片及平板微热管阵列III依次叠合组成夹心结构；温差发电片的热端贴合平板微热管阵列III，冷端贴合平板微热管阵列II，所述的平板微热管阵列II为蓄热模块中向上伸出蓄热箱体外的平板微热管阵列II的上端；叠合的方向垂直平板微热管阵列III和平板微热管阵列II的长度方向，长度方向即伸出方向；平板微热管阵列III一端组成发电模块II，另一端伸入到冷却水管中。
2.按照权利要求1所述的一种复合抛物面聚光发电-相变蓄热装置，其特征在于，其中以潜热蓄热材料由于相变过程中可提供较恒定的温度，因此选用潜热蓄热材料。
3.按照权利要求1所述的一种复合抛物面聚光发电-相变蓄热装置，其特征在于，蓄热材料蓄热时作为发电模块I的冷源，放热时作为发电模块II的热源。
4.按照权利要求1所述的一种复合抛物面聚光发电-相变蓄热装置，其特征在于，复合抛物面聚光器的接收半角θa与镜面高度H之间的变化十分陡峭，即θa有变化很小时，H变化很大，为经济性考虑，需将镜面高度进行截短至合理的Ht，即可获得实际的镜面线型；复合抛物面聚光器尺寸根据所选用的真空管的直径、所需聚光比和接收半角而定。
5.按照权利要求1所述的一种复合抛物面聚光发电-相变蓄热装置，其特征在于，所述发电模块I、蓄热模块、发电模块II、冷却水管外表面设置保温材料，其厚度应根据其热性能和价格综合确定。
6.按照权利要求1所述的一种复合抛物面聚光发电-相变蓄热装置，其特征在于，在有阳光时可不开启冷却水管，使蓄热模块进行蓄热及发电模块I进行发电；有阳光时也可开启冷却水管，使蓄热模块进行蓄热，并使得发电模块I和发电模块II同时在温差作用下产生电能。
7.按照权利要求1所述的一种复合抛物面聚光发电-相变蓄热装置，其特征在于，在吸收太阳能时，宜根据当地纬度加减5°朝南放置。
8.按照权利要求1所述的一种复合抛物面聚光发电-相变蓄热装置，其特征在于，所述的蓄热箱体应在底板与顶板加工有定位和安装平板微热管阵列的矩形通孔，平板微热管阵列由蓄热箱体上下各伸出一定长度，安装时，通孔部位用橡胶圈挤压密封，并涂抹密封胶用以防止储热材料泄漏。
9.按照权利要求1所述的一种复合抛物面聚光发电-相变蓄热装置，其特征在于，所述平板微热管阵列为金属铝一次性挤压成型，内部两个或两个以上并列的微型热管，所述各微型热管内壁均设有微翅片，相邻微翅片间形成微型槽道结构；
所述平板微热管阵列的微型通道橫截面形状可为矩形或圆形，所述微型通道的当量直径为1-5mm；
所述微型热管内部采用抽真空灌装工质并密封封装。
10.按照权利要求1所述的一种复合抛物面聚光发电-相变蓄热装置，其特征在于，在实际应用中所述的集热模块(1)、发电模块I(2)、蓄热模块(3)、发电模块II(4)、冷却水管(5)组成一体化结构，多个一体化结构并列组合成组合装置。
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