CN115751737A - 一种用于太阳能热发电***的碟式集热加热器及设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明的实施例提供了一种用于太阳能热发电***的碟式集热加热器及设计方法，涉及太阳能集热加热器结构领域。该碟式集热加热器包括外壳、多个加热管、进气集气室以及进气管，外壳设有集热腔和聚光口，集热腔和聚光口连通，多个加热管沿周向均匀设置于集热腔内，进气管和进气集气室连通、进气集气室和所有加热管连接。且进气集气室位于聚光口的边缘围成的聚光区域的外部，集气室用于将导热工质输送至加热管，太阳能经聚光口进入集热腔，并加热进气集气室和加热管内的导热工质。由于导热工质在进气集气室内已经被加热过，进入集热腔的太阳能可以对加热管内的导热工质进行二次加热，从而提高碟式集热加热器的集热效率。

Description

一种用于太阳能热发电***的碟式集热加热器及设计方法

技术领域

本发明涉及太阳能集热加热器结构领域，具体而言，涉及一种用于太阳能热发电***的碟式集热加热器及设计方法。

背景技术

碟式斯特林太阳能热发电***利用斯特林热力机小型、高温、高效的技术特点，将斯特林发动机与碟式集热器直联，斯特林发动机布置在碟式集热器的焦点处与聚光***一起跟踪太阳能。利用了碟式聚光集热效率高、斯特林机效率高的优点，不带传热蓄热***，获得了超过30%的太阳能热发电效率。但是由于没有配置传热蓄热装置，在当前电力***可再生能源替代常规能源发电应用中受到限制。由于太阳能热发电***的储热器体积非常庞大，难以布置在聚光支架上跟踪太阳运动，只能布置在地面。因此必须将太阳能经过高温集热并利用高温导热工质传输到地面的储热罐。才能实现可储能的高温太阳能热发电技术的市场应用。

碟式太阳能聚光集热装置是效率最高的太阳能聚光集热***。其聚光集热效率高达90%以上，远高于塔式、槽式聚光集热***。是理想的太阳能热高温聚光集热技术。由于碟式太阳能集热装置需要利用高温导热工质进行长距离高温导热作业，因此现有技术中的碟式集热器存在热能损失严重，集热效率低下的问题。

发明内容

本发明提供了一种用于太阳能热发电***的碟式集热加热器及设计方法，其能够提高用于太阳能热发电***的碟式集热加热器的集热效率，降低热能的损耗。

本发明的实施例可以这样实现：

本发明的实施例提供了一种用于太阳能热发电***的碟式集热加热器，其包括：

外壳，所述外壳设有集热腔和聚光口，所述集热腔和所述聚光口连通；

多个加热管，所述多个加热管沿周向均匀设置于所述集热腔内；

进气集气室，所述进气集气室和所有所述加热管连接，所述进气集气室位于所述聚光口的边缘围成的聚光区域的外部，所述进气集气室用于对导热工质进行初加热并将导热工质输送至所述加热管；

进气管，所述进气管和所述进气集气室连接；

其中，太阳能经所述聚光口进入所述集热腔，并加热所述进气集气室和所述加热管内的所述导热工质。

可选地，所述多个加热管共同形成环状结构，且所述多个加热管均沿所述外壳的中心线对称设置并均匀布置。

可选地，所有所述加热管连接有所述进气集气室的部分均朝向相互远离的方向连续均匀弯曲。

可选地，相邻两个所述加热管之间的间隙范围在0.05mm-0.1mm之间。

可选地，所述用于太阳能热发电***的碟式集热加热器还包括多个导流片，所述多个导流片均间隔设置于所述进气集气室。

可选地，所述进气集气室呈圆环状，所述进气集气室的两个侧壁均连接有所述导流片，位于不同侧壁的所述导流片交错设置。

可选地，所述用于太阳能热发电***的碟式集热加热器还包括流量调节阀，所述流量调节阀设置于所述进气管。

可选地，所述用于太阳能热发电***的碟式集热加热器还包括出气组件，所述出气组件位于所述聚光口的边缘围成的聚光区域内，所述出气组件和所述加热管连接。

可选地，所述出气组件包括出气集气室和出气管，所述出气集气室与所有所述加热管连接，所述出气集气室和所述出气管连接。

可选地，所述外壳包括前挡板、底板和侧板，所述侧板的一侧边缘和所述前挡板连接，所述侧板的另一侧边缘和所述底板连接，所述聚光口设置于所述前挡板，所述出气管贯穿所述底板。

可选地，所述前挡板设有连接孔，与所述进气集气室的一端连接的转接段的一端设置于所述连接孔中。

可选地，所述用于太阳能热发电***的碟式集热加热器还包括隔热层，所述隔热层设置于所述外壳与所述加热管之间。

本发明实施例还提供了一种用于太阳能热发电***的碟式集热加热器的设计方法，用于设计所述的用于太阳能热发电***的碟式集热加热器，所述设计方法包括以下步骤：

确定聚光器的特征角α；

确定所述碟式集热加热器的特征角a以及所述聚光口的直径d₀；

根据聚光器的特征角α、所述碟式集热加热器的特征角a以及所述聚光口的直径d₀确定所述集热腔的特征长度以及所述进气集气室的内直径d₁；

确定所述碟式集热加热器的总热能损失；

将上述步骤进行循环，得到多个总热量损失，选取总热量损失最小的一组数据确定所述碟式集热加热器的结构参数。

本发明实施例的用于太阳能热发电***的碟式集热加热器及设计方法的有益效果包括，例如：

该用于太阳能热发电***的碟式集热加热器包括外壳、多个加热管、进气集气室以及进气管，外壳设有集热腔和聚光口，集热腔和聚光口连通，多个加热管沿周向均匀设置于集热腔内，进气集气室和所有加热管连接，进气集气室位于聚光口的边缘围成的聚光区域的外部，进气集气室用于对导热工质进行初加热并将导热工质输送至加热管，进气管和进气集气室连接，太阳能经聚光口进入集热腔，并加热进气集气室和加热管内的导热工质。该用于太阳能热发电***的碟式集热加热器在使用时，由于用于太阳能热发电***的碟式集热加热器能够将太阳能聚集形成圆锥形光斑，因此进入集热腔的太阳光是具有倾斜角的，太阳能进入集热腔后一部分落在进气集气室上对导热工质进行加热，然后另一部分落在与进气集气室连接的加热管上对加热管内的导热工质进行加热，由于导热工质在进气集气室内已经被加热过，进入集热腔的太阳能可以对加热管内的导热工质进行二次加热，从而提高用于太阳能热发电***的碟式集热加热器的集热效率及加热温度，并降低热能的损耗。

该用于太阳能热发电***的碟式集热加热器的设计方法经过多次设计计算，选取热量损失最小的一组数据后能够设计出最优的碟式集热加热器的结构。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它相关的附图。

图1为本实施例提供的一种用于太阳能热发电***的碟式集热加热器的第一视角的结构示意图；

图2为图1中沿A-A的剖视图；

图3为图1中A部分的放大图。

图标：1-加热管；2-外壳；21-底板；22-前挡板；23-侧板；3-隔热层； 41-进气集气室；42-进气管；5-出气组件；51-出气集气室；52-出气管；6-流量调节阀；7-螺栓；8-聚光口；9-导流片；100-用于太阳能热发电***的碟式集热加热器。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，若出现术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，若出现术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例中的特征可以相互结合。

在对本申请实施例的技术方案说明之前，首先对本申请实施例中涉及的技术术语和应用场景进行介绍和说明。

以水工质作为工作介质、以导热油作为传热蓄热介质的太阳能热发电***称为第一代太阳能热发电技术。目前在国际上已经有多台电站在运行。以水工质作为工作介质，熔融盐作为传热蓄热介质的太阳能热发电***称为第二代太阳能热发电技术。目前国际上也运行了多台电站。第一代太阳能热电站的工作介质温度低于400℃。发电效率一般低于15%。第二代太阳能热电站工作介质温度可以达到550℃。发电效率可以达到18%。以气体为工作介质（氢气、氦气、二氧化碳、空气等）、气体或固体（二氧化碳、陶瓷等）为传热蓄热介质的太阳能热发电***称为第三代太阳能热发电技术，其发电效率可以达到30%以上。目前第三代太阳能热发电***正处于技术创新与产品开发阶段。

第三代太阳能热发电由于采用高温太阳能热发电技术，在太阳能集热、热能输运、储存、热力机等方面均面临重大技术革新与突破。目前较为成功的是碟式斯特林太阳能热发电技术。

碟式斯特林太阳能热发电***利用斯特林热力机小型、高温、高效的技术特点，将斯特林发动机与碟式集热器直联，斯特林发动机布置在碟式集热器的焦点处与聚光***一起跟踪太阳能。利用了碟式聚光集热效率高、斯特林机效率高的优点，不带传热蓄热***，获得了超过30%的太阳能热发电效率。但是由于没有配置传热蓄热装置，在当前电力***可再生能源替代常规能源发电应用中受到限制。由于太阳能热发电***的储热器体积非常庞大，难以布置在聚光支架上跟踪太阳运动，只能布置在地面。因此必须将太阳能经过高温集热并利用高温导热工质传输到地面的储热罐。才能实现可储能的高温太阳能热发电技术的市场应用。

碟式太阳能聚光集热装置是效率最高的太阳能聚光集热***。其聚光集热效率高达90%以上，远高于塔式、槽式聚光集热***。是理想的太阳能热高温聚光集热技术。由于碟式太阳能集热装置需要利用高温导热工质进行长距离高温导热作业，因此相关技术中的碟式集热器存在的热能损失严重，集热效率低下的问题。

请参考图1-图3，本实施例提供了一种用于太阳能热发电***的碟式集热加热器100。该用于太阳能热发电***的碟式集热加热器100可以有效改善上述提到的技术问题，能够提高集热加热器的集热效率，降低热能的损耗。

所应用的碟式太阳能热发电***包括但不限于发动机和用于太阳能热发电***的碟式集热加热器100，发动机利用碟式集热加热器采集的高温热能发电，发动机布置在地面，它们之间用高压高温管连接，该碟式集热加热器采集的热能也可以用高温导热管导到布置在地面上的储热罐进行热能储存，在无太阳能光时进行连续发电。该集热装置具有耐高压、耐高温、高效的技术特点，解决了碟式储能并连续发电所需要的热能高温、高效收集及热传输问题。

所应用的碟式太阳能热发电***包括但不限于聚光器，用于太阳能热发电***的碟式集热加热器100安装于聚光器的焦点处并跟随聚光器一起跟踪太阳进行运动，太阳光通过聚光器反射聚光后进入用于太阳能热发电***的碟式集热加热器100进行集热作业。

请参考图1，该用于太阳能热发电***的碟式集热加热器100包括外壳2、多个加热管1、进气集气室41以及进气管42，外壳2设有集热腔和聚光口8，集热腔和聚光口8连通，多个加热管1沿周向均匀设置于集热腔内，进气集气室41和所有加热管1连接，进气集气室41位于聚光口8的边缘围成的聚光区域的外部，进气集气室41用于对导热工质进行初加热并将导热工质输送至加热管1，进气管42和进气集气室41连接，其中，太阳能经聚光口8进入集热腔，并加热进气集气室41和加热管1内的导热工质。

具体地，现有技术中的用于太阳能热发电***的碟式集热加热器与发动机直联，但不能进行储能并连续发电。为了解决上述问题必须将高温热能收集并传导到地面，但高温热能收集并传导到地面会产生很大的热能损失。为了降低热能消耗一般采用两种方法，一种是采用高性能的隔热材料。另一种是采用较小直径的高温热导管，也就是增大输热管的热流密度。然而导热管直径的减小会增大流速，导致压力损失增大。两种方法均不能较好的提高集热效率。为了解决这一技术问题，本实施例采用的解决方法是：一是采用耐高温、耐高压的高效热能收集器进行热能高效收集。二是使用具有特殊性能的超临界二氧化碳作为导热介质实现热能的高温高效传输。提供的用于太阳能热发电***的碟式集热加热器100在使用时，由于用于太阳能热发电***的碟式集热加热器100能够将太阳能聚集形成圆锥形光斑，因此进入集热腔的太阳光是具有倾斜角的，太阳能进入集热腔后一部分落在进气集气室41上对进气集气室41内的导热工质进行加热，然后另一部分落在与进气集气室41连接的加热管1上对加热管1内的导热工质进行加热，由于导热工质在进气集气室41内已经被加热过，进入集热腔的太阳能可以对加热管1内的导热工质进行二次加热，从而提高用于太阳能热发电***的碟式集热加热器100的集热效率及加热温度，降低热能的损耗。

需要进行说明的是，本实施例采用的导热工质为超临界二氧化碳。

具体地，超临界二氧化碳的临界压力高达7.38Mpa，超临界二氧化碳的***压力可以高达15MPA（远高于其7.38Mpa的临界压力）以上，其温度也可高达700℃以上。超临界二氧化碳的密度超过220kg/m³，其密度接近液体密度，然而其流动压力损失与气体的相当，比热容达1.25kj/kg.℃。因此超临界二氧化碳具有密度大、携带的热能密度高、流动损失小的优良品质。是传输和储存热能的理想介质。采用超临界二氧化碳作为导热工质应用于该用于太阳能热发电***的碟式集热加热器100中是实现太阳能热高温输运、高温储存、进而实现太阳能热高温高效发电的有效技术途径。

作为对比，一般空气透平机内的空气压力约1.5Mpa，相应的空气密度为19.35kg/m³，比热容为1.05kj/kg.℃。超临界二氧化碳携带的热能是空气的13.5倍。传导相同热能时，超临界二氧化碳使用的管径约为空气管直径的1/4，例如：对于某型100m²聚光碟***，需要的空气导管直径约Φ90mm，而超临界二氧化碳导管直径为Φ25。这样可以大大降低导热损失。节约钢材及隔热材料。超临界二氧化碳的热导率为0.15w/m.℃，空气的热导率为0.245w/m.℃，对传热带来一定影响，但由于超临界二氧化碳的密度远大于空气密度，在结构相同的条件下，其雷诺数远大于空气，综合换热能力大于空气。超临界二氧化碳的粘度约为0.22*10⁵pa.s，空气的粘度为1.9*10⁵pa.s，超临界二氧化碳粘度略高于空气，采用较小的气流速度可以有效降低压力损失。

在本实施例中，聚光口8呈圆形。

需要进行说明的是，本实施例提及的聚光口8的边缘围成的聚光区域是指聚光口8的边缘沿轴线方向延伸出来共同围成的区域。当然在其他实施例中，聚光口8的边缘围成的聚光区域是指聚光口8的边缘沿径向延伸出来共同围成的区域。

可以理解地，进气集气室41位于聚光口8的边缘沿轴线方向延伸出来共同围成的区域的外部。

在本实施例中，多个加热管1共同形成环状结构，且多个加热管1均沿外壳2的中心线对称设置并均匀布置。

所有加热管1连接有进气集气室41的部分均朝向相互远离的方向连续均匀弯曲。使得设有进气集气室41的加热管1的管段与加热管1的其他管段之间具有夹角，当太阳光能照射在加热管1的其他管段时，能够反射部分太阳光能在设有进气集气室41的加热管1的管段上。

具体地，本实施例中的集热管为高温合金管。

更多地，每根加热管1的形状相同。

为了能够得到最大的受热面，必须确保相邻加热管1之间的间隙均匀，可实现多根加热管1沿周向密排，相邻加热管1之间的间隙可以降到最小，减少了缝隙中的光能泄露，最大程度的利用该受热面上的高密度能量加热导热工质。

在本实施例中，相邻两个加热管1之间的间隙范围在0.05mm-0.1mm之间。具体地，相邻两个加热管1之间的间隙可以为0.05mm、0.07mm或0.09mm等。在此不做具体限定。

更多地，加热管1呈多段连续光滑弯曲状。多段连续光滑弯曲的加热管1一方面能够延长流道，提升流道中的导热工质对热量的吸收，另一方面，多段连续光滑弯曲状的密排加热管1在结构上由于可以充分释放内部的热膨胀应力，且相邻加热管1间由于曲折状在高温下接触相互之间支撑效果更好，使得整体加热管1结构更加稳定，能够有效地抵抗高温高压介质带来的形变。

具体地，加热管1和进气集气室41焊接。

为了对导热工质进行引导，同时为了增加紊流度和传热面积，从而实现强化传热的目的，用于太阳能热发电***的碟式集热加热器100还包括多个导流片9，多个导流片9均间隔设置于进气集气室41，多个导流片9的设计使得导热工质流动呈紊流状态，更能有效地吸收进气集气室41的热能。

在本实施例中，进气集气室41呈圆环状，进气集气室41的两个侧壁均连接有导流片9，位于不同侧壁的导流片9交错设置。

更多地，导流片9沿进气集气室41的圆周方向设置。

导流片9设置在进气集气室41的内部还可以增加进气集气室41的强度和刚性，从而满足耐高压要求。

在本实施例中，导流片9呈环状。在其他实施例中，导流片9还可以呈螺旋形。在此不做具体限定。

除此之外，用于太阳能热发电***的碟式集热加热器100还包括流量调节阀6，流量调节阀6设置于进气管42。流量调节阀6对导热工质的流量进行调节，以适应不同工况，满足输出工质的温度要求。

具体地，当太阳能光强发生变化时，进入聚光口8的光能发生改变，导致工质出口温度发生改变，通过流量调节阀6提高或降低工质的流量，可以降低或提高出口工质的温度，保证温度恒定。或者***需要的工质温度改变时，通过调整流量调节阀6能够满足输出温度要求。

在本实施例中，流量调节阀6为比例式高压流量调节阀。

在本实施例中，用于太阳能热发电***的碟式集热加热器100还包括出气组件5，出气组件5位于聚光口8的边缘围成的聚光区域内，出气组件5和加热管1连接。

具体地，出气组件5包括出气集气室51和出气管52，出气集气室51与所有加热管1连接，出气集气室51和出气管52连接。

更多地，出气集气室51和加热管1焊接。

除此之外，外壳2包括前挡板22、底板21和侧板23，侧板23的一侧边缘和前挡板22连接，侧板23的另一侧边缘和底板21连接，聚光口8设置于前挡板22，出气管52贯穿底板21。

前挡板22设有连接孔，与进气集气室41的一端连接的转接段的一端设置于连接孔中。

更多地，进气集气室41一端连接的转接段通过焊接的方式连接。

具体地，出气集气室51通过固定螺栓7安装在底板21，进气管42通过固定螺栓7安装在侧板23，且进气管42贯穿侧板23，加热管1通过转接段支撑在前挡板22的连接孔中。该安装结构能够允许加热管1、进气集气室41以及出气集气室51在高温工况下沿轴向移动，从而减少热应力。

在本实施例中，外壳2为圆柱形结构。

还需要进行说明的是，为了降低用于太阳能热发电***的碟式集热加热器100的能量损耗，用于太阳能热发电***的碟式集热加热器100还包括隔热层3，隔热层3设置于外壳2与加热管1之间。

在本实施例中，根据理论分析以及试验可知，碟式集热加热器的聚焦光斑为近似圆锥形光斑，为了获得较高的集热效率，应当使圆锥形光斑的轴线与碟式集热加热器的轴线（也就是聚光中心轴线）重合，圆锥小端面位于聚光口8处，圆锥大端面位于集热腔内。光斑中心的光能密度最大，随着圆锥形光斑的半径的增加，光能密度则相应降低，因此本实施例中的进气集气室41整体相对聚光口8呈现内凹式柱形结构，多个加热管1构成的整体呈现锥形结构，在光斑穿过聚光口8后，整体上大部分光能被进气集气室41和多个加热管1吸收，尽量避免光斑的能量再次从聚光口8逃逸。

理想的碟式集热加热器的吸热面应布置在大端面处并带一定的锥形倾角，将其称为第一受热面。实际上进入聚光口8的光能还有一部分落在了聚光口8与第一受热面之间的柱形面上，也就是本实施例提及的聚光口8的边缘围成的圆柱形聚光区域的侧壁以及圆柱形聚光区域的外部，将其称为第二受热面。同时由于反射作用，照射到第一受热面上的太阳光能还有一部分反射到第二受热面上，照射在第二受热面上的光能也有一部分反射在第一受热面上。进入聚光口8的光能通过这两个吸热面加热导热工质为有效热能。同时由于吸热器吸热面的温度很高，如第一受热面实测温度高达900℃，而第二受热面（此面上主要设置进气集气室41）实测温度高达800℃，一部分热能经过聚光口8辐射到空气中，另一部分热能透过隔热层3经外壳2散入空气中，这两部分为无效热能。因此，理想的吸热器结构应尽可能增大有效热能，减小无效热能。本实施例提供的用于太阳能热发电***的碟式集热加热器100将进气集气室41设置在第二受热面，将加热管1同时设置在第一受热面和第二受热面，同时利用第一受热面和第二受热面对导热工质进行加热，显著的提高了该用于太阳能热发电***的碟式集热加热器100的集热效率。

更多地，加热管1的延长线与中心轴线的夹角为60～80度，光斑半锥角（母线与中心轴线的夹角）约为40～70度。当满足上述角度时，一方面能够尽量减少光能从聚光口8处的逃逸，另一方面加热管段的结构也相对稳定。还需要进行说明的是，本实施例提供的加热管1、进气集气室41、出气集气室51、进气管42以及出气管52均采用高强度高温合金材料制成。具体地，可以采用incnel625镍基高温合金。

在本实施例中，聚光口8的直径d₀、进气集气室41的内直径d₁和集热腔的特征长度（即聚光口8到第一、第二受热面间结合面的轴向距离）L需要满足下列公式：

tga=（d₁-d₀）/L

式中，a为聚光器反射光特征角，即聚光器反射光与中心轴线的夹角，集热加热器的聚光口8的直径为d₀、进气集气室41的内直径为d₁，集热腔的特征长度为L。

其具体计算过程如下：

（1）确定集热加热器输出热量Q、集热加热器工质出口温度t₂，工质入口温度t₀；

其中， 上述参数按用户目标确定。

（2）按下式确定工质流量m：

m=Q/(C_P（t₂-t₀） （1）

式中C_P：工质比热。

（3）按下式确定聚光器有效面积A：

A= Q/（η₁η₂I） （2）

式中：η₁:聚光效率，一般取值0.89～0.93；η₂:集热器效率，一般取值0.94～0.98；I：太阳能光强（DNI）。

（4）按下式确定聚光器开口直径D：

D=（4 ΦA/π）^0.5 （3）

式中：Φ：考虑聚光器镜片间隙、阳光遮挡的影响因素系数，一般取值1.1～1.3；聚光器开口直径确定后可进行聚光器结构设计。

（5）按下式确定反射光特征角α：

tgα= （4D/p）/（4-（D/p）²） （4）

式中：p:聚光器焦距：聚光器结构设计确定。

（6）聚光器结构设计确定后可按蒙特卡洛光线追踪法计算聚焦光斑及光斑各点的能量密度分布，通过蒙特卡洛光线追踪法能够计算出以焦点为中心的有限球体上任意点的光能密度，给出有限平面或曲面上的光能密度分布，并给出焦平面上的近似光斑直径，以及等能量密度面的分布图。

（7）设计集热加热器关键结构尺寸，确定聚光口直径d₀、进气集气室41的内直径d₁集热腔特征长度L：（聚光口到第一、第二受热面结合面的轴向距离）。

更多地，加热管1、进气集气室41以及出气集气室51设计成耐高压的整体焊接结构，在进气集气室41的内部焊接多个导流片9，强化传热并增加强度及刚性。

做为一种优化结果，对于80～100m²用于太阳能热发电***的碟式集热加热器100，聚光口8直径220～240mm，聚光口8到加热管1的距离250～400mm，进气集气室41内壁直径370～380mm，进气集气室41外壁直径430～440，壁厚6～10mm，加热管1的数量40～60，加热管1的管径Φ4～Φ6mm，壁厚0.8～1.2mm，外壳2直径550～650。导热工质温度20～100℃。经进气集气室41加热后的工质温度380～500℃，经加热管1二次加热后的工质温度700～800℃，进气集气室41的壁面平均温度350～450（最高600℃），加热管1的平均温度600～700℃（最高900℃），相对于已有结构，进气集气室41的壁面温度降低了200℃。

本实施例还提供了一种用于太阳能热发电***的碟式集热加热器的设计方法，用于设计上述提及的用于太阳能热发电***的碟式集热加热器，所述设计方法包括：

（1）确定集热加热器输出热量Q、集热加热器工质出口温度t₂，工质入口温度t₀；

其中， 上述参数按用户目标确定。

（2）按下式确定工质流量m：

m=Q/(C_P（t₂-t₀） （1）

式中C_P：工质比热。

（3）按下式确定聚光器有效面积A：

A= Q/（η₁η₂I） （2）

式中：η₁:聚光效率，一般取值0.89～0.93；η₂:集热器效率，一般取值0.94～0.98；I：太阳能光强（DNI）。

（4）按下式确定聚光器开口直径D：

D=（4 ΦA/π）^0.5 （3）

式中：Φ：考虑聚光器镜片间隙、阳光遮挡的影响因素系数，一般取值1.1～1.3；聚光器开口直径确定后可进行聚光器结构设计。

（5）按下式确定反射光特征角α：

tgα= （4D/p）/（4-（D/p）²） （4）

式中：p:聚光器焦距：聚光器结构设计确定。

（6）聚光器结构设计确定后可按蒙特卡洛光线追踪法计算聚焦光斑及光斑各点的能量密度分布，通过蒙特卡洛光线追踪法能够计算出以焦点为中心的有限球体上任意点的光能密度，给出有限平面或曲面上的光能密度分布，并给出焦平面上的近似光斑直径，以及等能量密度面的分布图。

（7）设计集热加热器关键结构尺寸，确定聚光口直径d₀、进气集气室41的内直径d₁集热腔特征长度L（聚光口到第一、第二受热面结合面的轴向距离）。

（8）按下式计算集热器特征角a（即加热管1的延长线与中心轴线的夹角）；

tga=（d₁-d₀）/L （5）

（9）初始设计可取a=α，聚光口直径d₀可参考聚光器光斑计算结果确定。

（10）设计集热器其它结构参数；

（11）通过以下公式计算第二、第一受热面的换热量Q₁、Q₂以及t₁；

Q₁= m CP₁（t₁-t₀） （6）

Q₂= mCP₂（t₂-t₁） （7）

Q₁+Q₂=Q （8）

式中：CP₁ 、CP₂为工质的比热（注意：虽然工质相同，但由于温度不同，比热会有所不同）， t₁为第二受热面出口工质温度。

（12）计算第二、第一受热面的平均温度T₁、T₂；

Q₁=A₁*α₁(T₁-（t₀+t₁）/2) （9）

Q₂=A₂*α₂(T₂-(t₁+t₂）/2) （10）

式中：A₁、A₂为第二受热面、第一受热面对换热面积，α₁、α₂为第二、第一受热面平均换热系数。

（13）计算第二受热面、第一受热面热能损失Q_s1、Q_s2；

Q_s1=ε₁σ A₁*Ψ_s1(T₁ ⁴-T⁴ _c)+A₁*λ₁L₁(T₁-T_c) （11）

Q_s2=ε₂σ A₂*Ψ_s2(T₂ ⁴-T⁴ _c)+A₂*λ₂L₂(T₂-T_c) （12）

式中：ε₁、ε₂为第二受热面、第一受热面灰度，Ψ_s1、Ψ_s2为第二受热面、第一受热面对聚光口的角系数，λ₁、λ₂为隔热材料的热导率，L₁、L₂为隔热材料厚度，T_c为环境温度、σ为热辐射常数。

（14）总热能损失为：

Q_s=Q_s1+Q_s2 （13）

（15）重新调整集热器结构参数，重复上述（12）～（15）计算过程可得新的热能损失Q_s。

（16）经过多次设计计算后可得多个计算结果，选取热能损失最小一组确定集热器结构参数。

本实施例提供的一种用于太阳能热发电***的碟式集热加热器100至少具有以下优点：

现有技术中的用于太阳能热发电***的碟式集热加热器与发动机直联，但不能进行储能并连续发电。为了解决上述问题必须将高温热能收集并传导到地面，但高温热能收集并传导到地面会产生很大的热能损失。为了降低热能消耗一般采用两种方法，一种是采用高性能的隔热材料。另一种是采用较小直径的高温热导管，也就是增大输热管的热流密度。然而导热管直径的减小会增大流速，导致压力损失增大。两种方法均不能较好的提高集热效率。为了解决这一技术问题，本实施例采用的解决方法是：一是采用耐高温、耐高压的高效热能收集器进行热能高效收集。二是使用具有特殊性能的超临界二氧化碳作为导热介质实现热能的高温高效传输。提供的用于太阳能热发电***的碟式集热加热器100在使用时，由于用于太阳能热发电***的碟式集热加热器100能够将太阳能聚集形成圆锥形光斑，因此进入集热腔的太阳光是具有倾斜角的，太阳能进入集热腔后一部分落在进气集气室41上对进气集气室41内的导热工质进行加热，然后另一部分落在与进气集气室41连接的加热管1上对加热管1内的导热工质进行加热，由于导热工质在进气集气室41内已经被加热过，进入集热腔的太阳能可以对加热管1内的导热工质进行二次加热。同时由于反射作用，照射到第一受热面上的太阳光能还有一部分反射到第二受热面上，照射在第二受热面上的光能也有一部分反射在第一受热面上，从而提高用于太阳能热发电***的碟式集热加热器100的集热效率及加热温度，降低热能的损耗。

该用于太阳能热发电***的碟式集热加热器100整体安装在聚光器焦点附近的安装支臂上跟随聚光器一起跟踪太阳运动，聚光器聚集的太阳能经过聚光口8进入集热腔，加热进气集气室41和加热管1内部的超临界二氧化碳，最终被加热的超临界二氧化碳通过出气集气室51经由出气管52导出。

该用于太阳能热发电***的碟式集热加热器100将第二受热面布置在靠近聚光口8的位置，将第一受热面布置在靠近出气组件5的位置，充分利用后段能量密度大的优势进行高温加热，这种前段温度低、后段温度高的布置能够有效降低从聚光口8逃逸的光能损失。

该用于太阳能热发电***的碟式集热加热器100在使用时，当太阳能光强发生变化时，进入聚光口8的光能发生改变，导致工质出口温度发生改变，通过流量调节阀6提高或降低工质的流量，可以降低或提高出口工质的温度，保证温度恒定。或者***需要的工质温度改变时，通过调整流量调节阀6能够满足输出温度要求。

综上所述，本发明实施例提供了一种用于太阳能热发电***的碟式集热加热器100及设计方法，该用于太阳能热发电***的碟式集热加热器100包括外壳2、多个加热管1、进气集气室41以及进气管42，外壳2设有集热腔和聚光口8，集热腔和聚光口8连通，多个加热管1沿周向均匀设置于集热腔内，进气集气室41和所有加热管1连接，进气集气室41位于聚光口8的边缘围成的聚光区域的外部，进气集气室41用于对导热工质进行初加热并将导热工质输送至加热管1，进气管42和进气集气室41连接，太阳能经聚光口8进入集热腔，并加热进气集气室41和加热管1内的导热工质。该用于太阳能热发电***的碟式集热加热器100在使用时，由于用于太阳能热发电***的碟式集热加热器100能够将太阳能聚集形成圆锥形光斑，因此进入集热腔的太阳光是具有倾斜角的，太阳能进入集热腔后一部分落在进气集气室41上对进气集气室41内的导热工质进行加热，然后另一部分落在与进气集气室41连接的加热管1上对加热管1内的导热工质进行加热，由于导热工质在进气集气室41内已经被加热过，进入集热腔的太阳能可以对加热管1内的导热工质进行二次加热。同时由于反射作用，照射到第一受热面上的太阳光能还有一部分反射到第二受热面上，照射在第二受热面上的光能也有一部分反射在第一受热面上，从而提高用于太阳能热发电***的碟式集热加热器100的集热效率和集热温度，降低热能的损耗。

该用于太阳能热发电***的碟式集热加热器的设计方法经过多次设计计算，选取热量损失最小的一组数据后能够设计出最优的碟式集热加热器的结构。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (13)

1.一种用于太阳能热发电***的碟式集热加热器，其特征在于，包括：

外壳（2），所述外壳（2）设有集热腔和聚光口（8），所述集热腔和所述聚光口（8）连通；

多个加热管（1），所述多个加热管（1）沿周向均匀设置于所述集热腔内；

进气集气室（41），所述进气集气室（41）和所有所述加热管（1）连接，所述进气集气室（41）位于所述聚光口（8）的边缘围成的聚光区域的外部，所述进气集气室（41）用于对导热工质进行初加热并将导热工质输送至所述加热管（1）；

进气管（42），所述进气管（42）和所述进气集气室（41）连接；

其中，太阳能经所述聚光口（8）进入所述集热腔，并加热所述进气集气室（41）和所述加热管（1）内的所述导热工质。

2.根据权利要求1所述的用于太阳能热发电***的碟式集热加热器，其特征在于，所述多个加热管（1）共同形成环状结构，且所述多个加热管（1）均沿所述外壳（2）的中心线对称设置并均匀布置。

3.根据权利要求2所述的用于太阳能热发电***的碟式集热加热器，其特征在于，所有所述加热管（1）连接有所述进气集气室（41）的部分均朝向相互远离的方向连续均匀弯曲。

4.根据权利要求2所述的用于太阳能热发电***的碟式集热加热器，其特征在于，相邻两个所述加热管（1）之间的间隙范围在0.05mm-0.1mm之间。

5.根据权利要求1所述的用于太阳能热发电***的碟式集热加热器，其特征在于，所述用于太阳能热发电***的碟式集热加热器（100）还包括多个导流片（9），所述多个导流片（9）均间隔设置于所述进气集气室（41）。

6.根据权利要求5所述的用于太阳能热发电***的碟式集热加热器，其特征在于，所述进气集气室（41）呈圆环状，所述进气集气室（41）的两个侧壁均连接有所述导流片（9），位于不同侧壁的所述导流片（9）交错设置。

7.根据权利要求1所述的用于太阳能热发电***的碟式集热加热器，其特征在于，所述用于太阳能热发电***的碟式集热加热器（100）还包括流量调节阀（6），所述流量调节阀（6）设置于所述进气管（42）。

8.根据权利要求1所述的用于太阳能热发电***的碟式集热加热器，其特征在于，所述用于太阳能热发电***的碟式集热加热器（100）还包括出气组件（5），所述出气组件（5）位于所述聚光口（8）的边缘围成的聚光区域内，所述出气组件（5）和所述加热管（1）连接。

9.根据权利要求8所述的用于太阳能热发电***的碟式集热加热器，其特征在于，所述出气组件（5）包括出气集气室（51）和出气管（52），所述出气集气室（51）与所有所述加热管（1）连接，所述出气集气室（51）和所述出气管（52）连接。

10.根据权利要求9所述的用于太阳能热发电***的碟式集热加热器，其特征在于，所述外壳（2）包括前挡板（22）、底板（21）和侧板（23），所述侧板（23）的一侧边缘和所述前挡板（22）连接，所述侧板（23）的另一侧边缘和所述底板（21）连接，所述聚光口（8）设置于所述前挡板（22），所述出气管（52）贯穿所述底板（21）。

11.根据权利要求10所述的用于太阳能热发电***的碟式集热加热器，其特征在于，所述前挡板（22）设有连接孔，与所述进气集气室（41）的一端连接的转接段的一端设置于所述连接孔中。

12.根据权利要求1-11任一项所述的用于太阳能热发电***的碟式集热加热器，其特征在于，所述用于太阳能热发电***的碟式集热加热器（100）还包括隔热层（3），所述隔热层（3）设置于所述外壳（2）与所述加热管（1）之间。

13.一种用于太阳能热发电***的碟式集热加热器的设计方法，用于设计权利要求1-12任一项所述的用于太阳能热发电***的碟式集热加热器，其特征在于，所述设计方法包括以下步骤：

确定聚光器的特征角α；

确定所述碟式集热加热器的特征角a以及所述聚光口（8）的直径d₀；

根据聚光器的特征角α、所述碟式集热加热器的特征角a以及所述聚光口（8）的直径d₀确定所述集热腔的特征长度以及所述进气集气室（41）的内直径d₁；

确定所述碟式集热加热器的总热能损失；

将上述步骤进行循环，得到多个总热量损失，选取总热量损失最小的一组数据确定所述碟式集热加热器的结构参数。

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