CN1828171A - 内置金属螺旋管卷筒的单端密封真空管式太阳能接收器 - Google Patents

Abstract

本发明的内置金属螺旋管卷筒的单端密封真空管式太阳能接收器，包括玻璃管，金属接收管，密封装置，其特征是：接收管是由金属管卷成的螺旋管卷筒，卷筒穿在玻璃管内，一端由支架支撑于玻璃管内，可自由滑动，另一端由密封装置把进口管和从螺旋管卷筒中间返回的出口管一同固定密封在玻璃管的开口端；所述密封装置是与玻璃管开口端的锥形口配合的氟橡胶锥形密封塞，或是用热压封接技术使把一个金属丝环与玻璃管的开口端法兰和焊着螺旋管卷筒进、出口管的金属端盖封接的组件；螺旋管卷筒表面涂有太阳光吸收选择性涂层。该结构可消除金属管与玻璃管因膨胀系数不同在工作温度不同时密封难，易破碎问题，且可提高工作流体的雷诺数，提高热效率。本发明适合配用抛物槽反射聚光器，工作流体温度可达250～280℃。

Description

内置金属螺旋管卷筒的单端密封真空管式太阳能接收器

技术领域：

本发明属于太阳能利用技术领域，特别是涉及适于作中高温热源用的高密度太阳能的光热转换器。

背景技术：

在各种能源中，太阳能存量最丰富，分布面最广，最洁净，太阳能是人类可持续发展的最可信赖的能源；但太阳能密度低，且受到日夜、季节、地理和气候的影响，使太阳能的利用受到很大的限制。目前，太阳能热利用一般只作为低温热能使用，如利用太阳能热水器加热热水或利用太阳能干燥农作物果实等，急需开发中高温太阳能热转换装置，以提供动力或制冷的热源。

抛物槽反射聚光器可以获取聚光比为几十的中温高密度的太阳能，由于聚光器控制容易实现，已有商用实例。以色列-美国鲁兹(LUZ)国际有限公司1985年起先后在美国加州的南部沙漠上建成9个槽式发电装置，总容量354兆瓦，年发电总量10.8亿千瓦时[1、2]。LUZ公司采用内置表面涂有光谱选择性涂层的金属圆管的玻璃真空管。为解决金属管与玻璃管的膨胀系数不同易造成金属管与玻璃管在两端密封处的破碎问题，两端还采用了波纹管，波纹管一头与金属管连接密封，另一端与玻璃管端密封[3]。真空吸热管的优点是，金属管与玻璃管间基本没对流换热；玻璃管外径小且透明，减少了对阳光的遮影；选择性涂层对太阳光有高吸收率，而在工作温度上却是低发射率。其缺点是：玻璃管两端与金属管的接口处真空封接工艺复杂，且容易破碎；直通的金属管流通截面积大，造成工作流体的雷诺数低，管壁至流体的换热系数低；而单个圆柱管的受照面积又较小，造成管壁温高于工作流体温度较多，增加辐射热损失；这种柱腔式吸热器适合于长焦抛物槽式聚光器。

为了避开真空处理的技术麻烦，美国科学家David A.Boyd等人于1976年在SolarEnergy上刊文提出圆柱状黑腔太阳能接收器的概念[4]，其结构为一柱形腔体，开口槽置于抛物槽反射器的焦点处接收聚焦光束，接收器槽腔周壁布置有吸热管，管内有流体工质，柱形腔体外覆盖隔热材料。这种柱腔式吸热器适合于长焦抛物槽式聚光器。优化设计的腔式吸热器，性能与真空管吸收器相当，没有真空度降低和涂料老化之忧。中国科技大学葛新石等人在这基础上提出了管、壁相联和以热镜为腔体窗的新型腔体式吸收器的概念[3]，建立了实验装置。虽然圆柱状黑腔太阳能接收器的性能接近真空管接收器，但其顶面覆盖的隔热层损失了许多太阳辐射能，装置显得笨，并没被实际采用。

参考文献：

[1]陆维德(北京太阳能研究所)，赵玉文，21世纪我国太阳能利用发展战略，21世纪我国的能源战略研讨会论文集，1998，pp103-107

[2]黄河，聚光太阳能发电的进展，太阳能，2004，第3期，pp33-44

[3]侴乔力，葛新石，太阳能热发电技术，自然杂志，18(6)344-348，1996

[4]DavidA.B.，Ryszard，G.S.Solar Energy，Vol.18，395-401，1976

技术内容：

为解决太阳能中温真空管金属直管式接收器的不足，即因金属管与玻璃管的膨胀系数不同，易造成金属管与玻璃管在两端密封处的破碎问题，和因金属直管流通截面积大，造成工作流体的雷诺数低，管壁与流体的换热系数低，本发明提出一种内置金属螺旋管卷筒的单端密封真空管式太阳能接收器，可有效克服上述缺点，提高接收器的热效率和增加安全性。

本发明的技术方案是：一种内置金属螺旋管卷筒的单端密封真空管式太阳能接收器，包括玻璃管1，太阳能金属接收管，密封装置，玻璃管未端采用玻璃密封并有抽真空口的封头，玻璃管内抽真空，管内未端放置吸气剂，如钡-钛吸气剂；其特征是：所述太阳能金属接收管是由金属管卷成的螺旋管卷筒2，螺旋管卷筒与玻璃管同轴线放置在玻璃管内，螺旋管的出口管15从螺旋管卷筒中间返回，并与进口管14一同都被密封装置密封固定在玻璃管的开口端，螺旋管卷筒的另一端由支架4支撑着可在玻璃管内自由滑动；螺旋管卷筒表面涂有太阳光吸收选择性涂层，管内流动着工作流体；构成卷筒的螺旋管至少一根；

所述的密封装置之一，是锥形塞密封，螺旋管的进口管和出口管穿过氟橡胶锥形密封塞3，锥形密封塞与玻璃管1的开口端的锥形口配合密封；

所述的密封装置之二，是带有端口外侧保护环的锥形塞密封，螺旋管的进口管和出口管穿过氟橡胶锥形密封塞3，锥形密封塞与玻璃管的开口端的锥形口配合密封，玻璃管的锥形口的外侧套有端口外侧保护环；端口外侧保护环是外圈为金属圈10和内圈为氟橡胶或硅橡胶锥孔套5的复合环，其锥孔与玻璃管锥形口的外壁配合；用两块压板6、9以及螺栓7和螺母8把端口外侧保护环和锥形密封塞3压紧，使锥形密封塞3与玻璃管锥形口及螺旋管的进口管和出口管紧密接触；

所述的密封装置之三，是热压封接密封，密封装置包括了金属端盖11、玻璃管开口端的端口法兰13、密封用的金属丝环12；螺旋管的进口管14和出口管15穿过金属端盖11，并焊接在金属端盖上；玻璃管的开口端熔制出法兰平台，在金属端盖与玻璃管的法兰平台之间放置金属丝环，用热压封接技术，使金属丝环与玻璃和金属端盖固态封接密封；

密封用金属丝环材料为铝、锌、铅、锡中的一种。

由于本发明的内置金属螺旋管卷筒的单端密封真空管式太阳能接收器的金属螺旋管只在玻璃管的开口端被密封固定，另一端可以自由申缩，解决了金属管与玻璃管因膨胀系数不同和工作温不同时带来的总长度不一致和应力问题，避免了玻璃管易破碎问题；金属螺旋管的进、出口管是通过氟橡胶锥形塞与玻璃管开口端的锥形口密封，或是通过金属端盖板与与玻璃管的法兰平台之间的金属丝环热压封接，有很好的封接性；氟橡胶可耐温250～280℃，适合做中温接收器的密封材料。

使用压板夹紧锥形密封塞和端口外侧保护环的密封法，即可以对玻璃锥形端口内侧壁产生很大的侧面挤压力，增加密封性，又由于端口外侧保护环的外侧保护，抵消径向张力，使玻璃锥形端口不致在密封塞压紧时破裂；

使用金属端盖与玻璃端口法兰的热压封接密封，可以提高金属管的工作温度；

由于螺旋管的内径比螺旋管卷筒的直径小得多，在接收同样功率的太阳辐射和保证同样流量流体的情况下，螺旋管内流体会比与螺旋管卷筒等直径的直管得到高很多的雷诺数，再加上螺旋管流体是螺旋流动，因此可以大大增强对流换热效果；再者螺旋管卷筒的内筒面的铜管壁，几乎有外筒表面的同样温度，内筒面对流体的加热相当使传热面积扩大，而又无辐射损失；上述的强化传热作用归结起来会表现在使管表面温度与工作流体的温差减小，从而减小了热量损失，提高了接收器的效率。

附图说明：

图1是本发明的一种内置金属螺旋管卷筒的单端密封真空管式太阳能接收器的一种实施例的结构示意图，密封装置是锥形塞密封。

图2是本发明的一种内置金属螺旋管卷筒的单端密封真空管式太阳能接收器的又一种实施例的结构示意图，密封装置是带有端口外侧保护环的锥形塞密封。

图3是本发明的一种内置金属螺旋管卷筒的单端密封真空管式太阳能接收器的再一种实施例的结构示意图，密封装置是金属端盖与玻璃端口法兰的热压封接密封。

具体实施方式：下面结合附图进一步说明本发明的具体实施方式。

实施例1、一种内置金属螺旋管卷筒的单端密封真空管式太阳能接收器，密封装置是锥形塞密封。

附图1是本发明实施例1的一种内置金属螺旋管卷筒的单端密封真空管式太阳能接收器的结构示意图，它包括玻璃管1，太阳能金属接收管，密封装置，玻璃管上留有常规的真空抽气口和真空封头；所述太阳能金属接收管是由直径6毫米的单根紫铜管卷成的螺旋管卷筒2，卷筒直径4厘米，玻璃管长2米内径6厘米，螺旋管的出口管从螺旋管卷筒中间返回，螺旋管卷筒一端由支架4支撑于玻璃管内，支架4可在玻璃管内自由滑动；螺旋管的进口管和出口管穿过氟橡胶锥形密封塞3；玻璃管末端封闭，开门端有锥形口与锥形密封塞配合密封，螺旋管卷筒表面涂有一种铝-氮-铝Al-N-Al或钼氮铝Mo-AlN金属陶瓷膜的太阳光吸收选择性涂层；玻璃管内抽真空；螺旋管内流动着硅油或高压水流体；

该接收器的螺旋管卷筒的轴线是安装抛物槽的焦线上，密封端和自由端的支架应落在在抛物槽的两端外的固定支架上。抛物槽反射聚光器是绕着焦线跟着太阳转的。当聚光比25～30的情况下可以在250℃左右工作，热效率约60％。

实施例2、一种内置金属螺旋管卷筒的单端密封真空管式太阳能接收器，密封装置是带有端口外保护环的锥形塞密封。

附图2是本发明实施例2的一种内置金属螺旋管卷筒的单端密封真空管式太阳能接收器的结构示意图，它与实施例1不同的是，玻璃管开口端锥形口的外侧套有端口外侧保护环；端口外侧保护环是外圈为金属圈10和内圈为氟橡胶或硅橡胶锥孔套5的复合环，其锥孔与玻璃管锥形口的外壁配合；用两块压板6、9以及螺栓7和螺母8把端口外侧保护环和锥形密封塞压紧，使锥形密封塞3与玻璃管锥形口及螺旋管的进口管和出口管紧密接触；端口外侧保护环的锥孔与玻璃管锥形口的外壁配合；

实施例3、附图3是一种内置金属螺旋管卷筒的单端密封真空管式太阳能接收器的再一种实施例的结构示意图，密封装置是金属端盖与玻璃端口法兰的热压封接密封。

附图3是本发明实施例3的的结构示意图，它与实施例1、2不同的是，玻璃管1的开口端是采用金属端盖11经热压封接的密封；金属端盖形似带有圆环面的帽筒或带有圆环面的锥筒，金属螺旋管卷筒2的进、出口管14、15穿过并焊在金属端盖11的帽筒或锥筒的顶面上，再把玻璃管开口端熔制出玻璃法兰平台13，玻璃法兰平台的外圆直径大于玻璃管外径5～10毫米、厚度约6～10毫米，金属端盖圆环面的直径与玻璃法兰平台面外圆的直径相等，内径与玻璃管1的内径相等，金属端盖的圆环面和玻璃法兰平台面应能很好平面贴合；金属端盖可用铁镍合金制作，厚度0.6～1.0毫米；金属丝环12采用铝丝或锌丝、直径约1～1.5毫米，夹在金属端盖的圆环面和玻璃法兰平台面之间；把玻璃法兰、金属端盖和金属丝环用辐射炉预热到比所用金属丝环熔点低50～100℃时，采用机械或气压活塞筒的压力，使玻璃法兰与金属端盖迅速压紧，金属丝环受到巨大压强变形并迅速嵌接在玻璃法兰和金属端盖的圆环面上，由此形成密封。金属端盖圆环面外缘也可以有翻边，以增加金属端盖的刚性。图中4为金属螺旋管卷筒的支架。

Claims (5)

1、一种内置金属螺旋管卷筒的单端密封真空管式太阳能接收器，包括玻璃管(1)，太阳能金属接收管，密封装置，玻璃管未端采用玻璃密封并有抽真空口的封头，玻璃管内抽真空，管内未端放置吸气剂；其特征是：所述太阳能金属接收管是由金属管卷成的螺旋管卷筒(2)，螺旋管卷筒与玻璃管同轴线放置在玻璃管内，螺旋管的出口管(15)从螺旋管卷筒中间返回，并与进口管(14)一同都被密封装置密封固定在玻璃管的开口端，螺旋管卷筒的另一端由支架4支撑着可在玻璃管内自由滑动；螺旋管卷筒表面涂有太阳光吸收选择性涂层，管内流动着工作流体；构成卷筒的螺旋管至少一根。

2、权利1所述的密封装置之一，其特征是锥形塞密封，螺旋管的进口管和出口管穿过氟橡胶锥形密封塞(3)，锥形密封塞与玻璃管(1)的开口端的锥形口配合密封。

3、权利1所述的密封装置之二，其特征是带有端口外侧保护环的锥形塞密封，螺旋管的进口管和出口管穿过氟橡胶锥形密封塞(3)，锥形密封塞与玻璃管的开口端的锥形口配合密封，玻璃管的锥形口的外侧套有端口外侧保护环；端口外侧保护环是外圈为金属圈(10)和内圈为氟橡胶或硅橡胶锥孔套(5)的复合环，其锥孔与玻璃管锥形口的外壁配合；用两块压板(6)、(9)以及螺栓(7)和螺母(8)把端口外侧保护环和锥形密封塞压紧，使锥形密封塞(3)与玻璃管锥形口及螺旋管的进口管和出口管紧密接触。

4、权利1所述的密封装置之三，其特征是热压封接密封，密封装置包括了金属端盖(11)、玻璃管开口端的端口法兰(13)、密封用的金属丝环(12)；螺旋管的进口管(14)和出口管(15)穿过金属端盖，并焊接在金属端盖上；玻璃管的开口端熔制出法兰平台(13)，在金属端盖与玻璃管的法兰平台之间放置金属丝环(12)，用热压封接技术，使金属丝环与玻璃法兰和金属端盖固态封接密封。

5、权利4所述的金属丝环的材料为铝、锌、铅、锡中的一种。

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