CN110686415A - 一种应用复合抛物面聚光器的真空管-微热管阵列太阳能集热-储热一体化装置 - Google Patents

一种应用复合抛物面聚光器的真空管-微热管阵列太阳能集热-储热一体化装置 Download PDF

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Abstract

一种应用复合抛物面聚光器的真空管‑微热管阵列太阳能集热‑储热一体化装置，属于太阳能热利用领域。由复合抛物面聚光器、玻璃真空管、平板微热管阵列、强化换热翅片、储热材料、材料储罐和取热水管组成。当太阳光进入复合抛物面聚光器内，真空管首先接收太阳直接照射在其上的光线，其余光线被聚光器汇聚到真空管上同样被真空管收集。平板微热管阵列组件将真空管产生的热量迅速传递给相变材料进行热量的储存；当需要热量时，平板微热管阵列同样作为传热导体，通过扁水管中强制对流的流体将储存于相变材料中的热量提取，即可方便快捷的利用所储存的太阳能。本发明利用复合抛物面聚光器增加了真空管集热管的集热温度，提高了热能的品质。

Description

一种应用复合抛物面聚光器的真空管-微热管阵列太阳能集 热-储热一体化装置
技术领域
本发明涉及一种应用复合抛物面聚光式真空管-微热管阵列太阳能集热-储热一体化装置，属于太阳能热利用领域。
背景技术
太阳能是一种绿色能源，可作为辅助能用以减少对化石能源的消耗，从而减少大气污染，降低传统能用的消耗速率。太阳能利用技术中，光热利用是一种简单、普遍的应用形式，但太阳能由于其能量密度小，间歇性出现，需在太阳能***中加入必须的储热手段才可使热能供求双方在时间和强度上得以匹配。
太阳能真空管为太阳能热利用中普遍采用的集热技术，但其在接收太阳光时仅向阳面参与换热，这就造成了非向阳面的阴影区。在真空管非向阳面设置聚光器可充分避免非向阳面的阴影区。复合抛物面聚光器是一种非成像低聚焦度的器件，它能够将指定接收角范围内的光线全部收集汇聚到真空管上，从而避免真空管非向阳面的阴影区，充分利用真空管的接收表面，从而提高真空管的集热温度。
此外，传统太阳能***中，集热器和储热器往往分开布置，载热流体在两者间进行热量的输运，这就不可避免地造成了沿途热量损失以及载热流体与集热器或储热器间的二次换热热损失，从而使得***整体效率低下。考虑将储热器与集热器整合处理，采用传热元件代替载热流体的形式，可充分降低热损失，提高***的整体效率。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种应用复合抛物面聚光器的真空管-微热管阵列太阳能集热-储热一体化装置。将真空管太阳能集热器和储热器之间采用平板微热管阵列作为传热导体，整合为一整体装置，用***中的二次换热热损失，减小***占地面积。平板微热管阵列采用两支搭接的形式，避免了热管蒸发段过长而无法正常运行的问题。真空管放置于复合抛物面聚光器内，避免了太阳能真空管非向阳面的阴影区，提高了真空管的集热温度。
本发明的技术方案如下：
一种应用复合抛物面聚光器的真空管-微热管阵列太阳能集热-储热一体化装置，其特征在于，主要构件包括：太阳能真空管、复合抛物面聚光器、搭接结构的平板微热管阵列、材料储罐、储热材料、换热翅片和取热水管。
所述太阳能真空管有两种形式，其一为内表面喷涂选择性吸收涂层的传统，或其二为内表面无涂层的透明玻璃真空管。
所述复合抛物面聚光器位于太阳能真空管的下面，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管的最低端的一点O为起点的太阳能真空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和所需聚光比而定。
所述搭接结构的平板微热管阵列为相邻的两段平板微热管阵列采用端部叠加搭接的形式进行机械连接或焊接，搭接成平板直线结构，搭接面之间填充导热硅胶，并将该搭接式平板微热管阵列分为三段分别位于不同位置：其第一段***至玻璃真空管中；第二段封装于材料储罐中，并在该段平板微热管阵列正面和背面贴附强化换热翅片，储热材料封装于材料储罐中，储热材料封与强化换热翅片外表面相接触；第三段直接伸出材料储罐储罐外，与多通道扁管贴合在一起。当太阳能真空管为透明玻璃管时，***玻璃真空管中的平板微热管阵列表面应喷涂或贴附选择性吸收涂层。
所述多通道扁管为取热水管，采用的通道形式宜为平板型液体管道，以一种多通道扁管最优。
所述储热材料可以是显热储热或相变储热材料。
所述的材料储罐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。平板微热管阵列由材料储罐向上和向下各伸出一定长度，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。
所述材料储罐和取热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。
在吸收太阳能并储存在储热材料中时，还可同时提取热量，做到蓄、放热同时进行。在吸收太阳能时，宜根据当地纬度加减10°朝南放置。
所述平板微热管阵列为金属铝一次性按压形成，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。
本发明的技术效果：
本发明在于将真空管太阳能集热器和储热器之间采用平板微热管阵列作为传热导体，整合为一整体装置，用***中的二次换热热损失，减小***占地面积。平板微热管阵列次用两支搭接的形式，避免了热管蒸发段过长而无法正常运行的问题。真空管放置于复合抛物面聚光器内，避免了太阳能真空管非向阳面的阴影区，提高了真空管的集热温度。
附图说明
图1为本发明的立体结构示意图；
图2为本发明聚光器的复合抛物面形成原理图；
图3为本发明采用的搭接式平板微热管阵列的制作方法分解图；
图4为本发明推荐采用的扁水管的结构示意图。
太阳能真空管1、复合抛物面聚光器2、平板微热管阵列3、材料储罐4、储热材料5、换热翅片6、取热水管7、法兰8、螺栓9、螺母10及垫片11、导热硅胶12。
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，从外观上看，与太阳能集热器近似，但同时具备热储存的功能，性价比更高。本发明主要由太阳能真空管1、复合抛物面聚光器2、平板微热管阵列3、材料储罐4、储热材料5、换热翅片6和取热水管7组成。白天暴露在阳光下时，真空管1接收一部分太阳直接照射在其吸收表面的太阳辐射，此外，在接受角内未被真空管1直接接收的太阳光通过复合抛物面聚光器2反射汇聚在真空管上同样被吸收。夜间或需要热量时，水管7内的换热流体通过平板微热管阵列3被储热材料5加热。
图2为本发明中所采用的复合抛物面由两片对称的反射镜面构成，镜面型线为抛物线和圆的渐开线光滑连接的复合线型。右侧镜面O1B段为抛物线，镜面OO1段为真空管内圆截面线型的渐开线，O1C轴与光轴之间的夹角θa为接收半角，且O1C轴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。
图3为本发明中两热管间采用机械搭接方式时的流程示意图。本案例中，两平板微热管阵列3之间填充导热硅胶12，并采用法兰8、螺栓9及螺母10拧紧连接，两法兰8延伸段的间隙采用垫片11填充，防止法兰8在拧紧时发生变形。待硅胶固化后，将法兰8、螺栓9、螺母10及垫片11取下即完成搭接。
图4为本发明推荐采用的取热水管7的结构和外观示意图，该水管7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。
所述取热水管7所采用的通道形式宜为平板型液体管道，以一种多通道扁管最优。所述的储热材料5可以是显热储热或相变储热材料。
所述的材料储罐4应在底板与顶板加工有定位和安装平板微热管阵列3的矩形通孔是平板微热管阵列3，在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5泄漏。
所述材料储罐5和取热水管7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。
在吸收太阳能并储存在储热材料5中时，还可同时提取热量，做到蓄、放热同时进行。
在吸收太阳能时，宜根据当地纬度加减10°朝南放置。
两相互搭接的微热管阵列内部的工质相互不连通。

Claims (9)

1.一种应用复合抛物面聚光器的真空管-微热管阵列太阳能集热-储热一体化装置，其特征在于，主要构件包括：太阳能真空管、复合抛物面聚光器、搭接结构的平板微热管阵列、材料储罐、储热材料、换热翅片和取热水管。
所述太阳能真空管有两种形式，其一为内表面喷涂选择性吸收涂层的传统，或其二为内表面无涂层的透明玻璃真空管；
所述复合抛物面聚光器位于太阳能真空管的下面，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管的最低端的一点O为起点的太阳能真空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高反射率的镜面；
所述搭接结构的平板微热管阵列为相邻的两段平板微热管阵列采用端部叠加搭接的形式进行机械连接或焊接，搭接成平板直线结构，搭接面之间填充导热硅胶，并将该搭接式平板微热管阵列分为三段分别位于不同位置：其第一段***至玻璃真空管中；第二段封装于材料储罐中，并在该段平板微热管阵列正面和背面贴附强化换热翅片，储热材料封装于材料储罐中，储热材料封与强化换热翅片外表面相接触；第三段直接伸出材料储罐储罐外，与多通道扁管贴合在一起；当太阳能真空管为透明玻璃管时，***玻璃真空管中的平板微热管阵列表面应喷涂或贴附选择性吸收涂层；所述多通道扁管为取热水管。
2.按照权利要求1所述的一种应用复合抛物面聚光器的真空管-微热管阵列太阳能集热-储热一体化装置，其特征在于，所述多通道扁管为平板型液体管道，为一种多通道扁管。
3.按照权利要求1所述的一种应用复合抛物面聚光器的真空管-微热管阵列太阳能集热-储热一体化装置，其特征在于，所述储热材料可以是显热储热或相变储热材料。
4.按照权利要求1所述的一种应用复合抛物面聚光器的真空管-微热管阵列太阳能集热-储热一体化装置，其特征在于，所述的材料储罐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；平板微热管阵列由材料储罐向上和向下各伸出一定长度，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。
5.按照权利要求1所述的一种应用复合抛物面聚光器的真空管-微热管阵列太阳能集热-储热一体化装置，其特征在于，所述材料储罐和取热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所述的一种应用复合抛物面聚光器的真空管-微热管阵列太阳能集热-储热一体化装置，其特征在于，在吸收太阳能并储存在储热材料中时，还可同时提取热量，做到蓄、放热同时进行；在吸收太阳能时，宜根据当地纬度加减10°朝南放置。
7.按照权利要求1所述的一种应用复合抛物面聚光器的真空管-微热管阵列太阳能集热-储热一体化装置，其特征在于，所述平板微热管阵列为金属铝一次性按压形成，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。
8.按照权利要求1所述的一种应用复合抛物面聚光器的真空管-微热管阵列太阳能集热-储热一体化装置，其特征在于，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。
9.按照权利要求1所述的一种应用复合抛物面聚光器的真空管-微热管阵列太阳能集热-储热一体化装置，其特征在于，所述微型热管内部采用抽真空灌装工质(如R141b)并密封封装。
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