CN215864095U - 黑体腔式太阳能集热器 - Google Patents

Abstract

一种黑体腔式太阳能集热器，包括宽体内腔、聚光模块、外腔、热质，宽体内腔由内腔底板、内腔侧壁和通光盖板形成，内腔底板上方密接内腔侧壁，内腔侧壁的上方密接通光盖板，通光盖板上设有通光孔，聚光模块由透镜架和聚光透镜组成，透镜架设置在通光盖板的上方，在透镜架的上方设置聚光透镜，外腔由外腔体、内腔底板、内腔侧壁、通光盖板以及设置在外腔体上的流入孔和流出孔形成，外腔体密接在通光盖板的外沿下方，热质通过流入孔和流出孔进入或流出外腔。聚光透镜会聚的太阳光经过通光孔中进入宽体内腔被吸收转换为热能，宽体内腔温度升高，进而加热外腔内的热质。本实用新型具有腔内单次光热转换效率要求低、能量损耗低、热交换面积大的特点。

Description

黑体腔式太阳能集热器

技术领域

本实用新型涉及太阳能领域，尤其涉及一种黑体腔式太阳能集热器。

背景技术

太阳能分布广且总量大，是人类可以长久利用的绿色能源。光伏发电是最主要的太阳能利用技术，但受到太阳能电池效率、并网和大规模电能储存等方面的局限。利用光热转换技术的太阳能集热器，不仅在太阳能热水器等热能应用上更为直接和高效，而且是熔盐等大规模太阳能储存技术的主要装置，结合热电技术可以弥补太阳能在夜间和雨雾天气等无日照或日照不足环境中的局限性。

但现在的太阳能集热器主要是如真空管等基于专门薄膜单次吸光转换为热能的方式，要求吸光薄膜的光热转换效率达到90％以上，不仅制备成本高，薄膜易老化脱落，而且维护不易。槽式和类似原理的腔式太阳能集热器，通过把太阳光会聚于槽内或腔内，可以实现太阳光在槽内或腔内的多次反射和吸收，从而降低对集热器内吸光材料的单次光热转换效率要求，但这类槽式和腔式太阳能集热器的内表面面积通常较小，而通光开口较大，或者是还需经过多次反射和透射的复杂光路，这些局限性不仅会由于热交换面积小而降低热质获取和传递热能的效率，使得槽内或腔内温度过高而导致吸光膜层容易脱落，而且会由于槽内或腔内温度过高和通光开口较大导致大的辐射损耗，特别地，在实际使用环境中光学元件很难长久保持很高的反射系数和透射系数，经多次反射和透射后将会显著降低进入到槽内或腔内的太阳光的百分比，导致严重的反射透射损耗。同时，上述太阳能集热器在使用自来水等作为热质时易积累水垢，清理维护繁琐。

实用新型内容

本实用新型的目的是克服现有技术的不足，提供一种能量损耗低、热交换面积大的黑体腔式太阳能集热器。

本实用新型的技术解决方案如下：

一种黑体腔式太阳能集热器，包括宽体内腔、聚光模块、外腔和热质，宽体内腔由内腔底板、内腔侧壁和通光盖板形成，内腔底板上方密接内腔侧壁，内腔侧壁的上方密接通光盖板，通光盖板上设有通光孔，聚光模块由透镜架和聚光透镜组成，透镜架设置在通光盖板的上方，在透镜架的上方设置聚光透镜，外腔由外腔体、内腔底板、内腔侧壁、通光盖板以及设置在外腔体上的流入孔和流出孔形成，外腔体密接在通光盖板的外沿下方，热质通过流入孔和流出孔进入或流出外腔。聚光透镜会聚的太阳光经过通光孔中进入宽体内腔被吸收转换为热能，宽体内腔温度升高，进而加热外腔内的热质。

为实现本实用新型的进一步优化，进一步的措施是：所述的宽体内腔为柱形或球形或方形或锥形，或前述四种形状中选取形状进行组合，优选为柱形；宽体内腔的内表面的面积与通光孔的面积之比大于10:1，优选为50:1。所述的内腔底板为平面板或凸起板或凹陷板，或前述三种形状中选取形状进行组合；凸起板或凹陷板可以是柱形或球形或方形或锥形，或前述四种形状中选取形状进行组合，优选为锥形凸起；内腔底板由铜或不锈钢或铁或铝或从前述四种材料中选取材料组合制成，内腔底板经过氧化或腐蚀或镀黑镍膜或镀黑铝膜或镀黑铬膜或镀石墨烯膜后的上表面为漫反射体，并增强吸光效率；内腔底板的周径与聚光镜的周径之比为0.2-1.5，优选为0.8。所述的内腔侧壁由铜或不锈钢或铁或铝或从前述四种材料中选取材料组合制成，内腔侧壁经过氧化或腐蚀或镀黑镍膜或镀黑铝膜或镀黑铬膜或镀石墨烯膜后的内表面为漫反射体，并增强吸光效率；内腔侧壁的高度与聚光镜的半径之比为0.3-3，优选为1.5。所述的通光盖板由铜或不锈钢或铁或铝或从前述四种材料中选取材料组合制成，内腔范围内的通光盖板的下表面或抛光或镀反射膜，减少通光盖板对太阳光的吸收；优选地，通光盖板的上表面覆盖有保温材料；所述的通光孔的大小可调，通光孔的位置可以根据相关波长太阳光的会聚焦点移动。所述的透镜架由铜或不锈钢或铁或铝或从前述四种材料中选取材料组合制成；所述的聚光透镜或是单片菲涅尔透镜或是单片凸透镜多片菲涅尔透镜阵列或是多片凸透镜阵列或是多片菲涅尔透镜和凸透镜组成的透镜阵列。所述的宽体内腔、透镜架和聚光透镜形成太阳光会聚后传播和光热转换的腔体，优选地，该腔体为真空腔。所述的外腔体由铜或不锈钢或铁或铝或塑料或有机玻璃或从前述六种材料中选取材料组合制成，优选地，在外腔体的外表面覆盖有保温层；优选地，外腔体的底部可以打开，便于清理水垢等维护工作；优选地，外腔体便于拆卸，用于不需流体热质的环境。

本实用新型的原理如下：

对于黑体腔式太阳能集热器，太阳光照射到地球时可以视为平行光束，太阳光是连续谱，经过透镜会聚后，太阳光谱中主要波段的中心波长对应的光束被聚焦到通光盖板上的通光孔，相应地，其它波长的光聚焦到通光孔的上下附近位置，调整通光孔的尺寸，使得太阳光谱中主要波段的光束都能按照几何成像规律无遮拦地经过通光孔进入到宽体内腔中，太阳光每次与宽体内腔的内表面相互作用，就会有部分光被吸收，而余下部分的光被反射，由于通光孔的面积远小于宽体内腔的内表面面积，宽体内腔起到黑体腔的作用，进入宽体内腔的太阳光被宽体内腔的内表面反射后逃逸出到腔外的几率极小，经过多次吸收-反射后被宽体内腔的内表面层完全吸收，转化成热能，使得宽体内腔的温度升高。由于通光盖板上的保温层作用和通光孔尺寸较小，高温宽体内腔通过红外辐射方式向外界传递的热量也可以忽略。高温宽体内腔的热能通过内腔底板和内腔侧壁传递给热质。外腔体外侧设置有保温层，可以减少因外界环境影响而造成的能量损失。

本实用新型的优点：

1、本实用新型中所设计的宽体内腔区别于其它腔体，实现了真正意义上的黑体腔，在通光盖板中心设置通光孔，通光孔面积占宽体内腔面积比例极小，降低了太阳光进入宽体内腔后被反射出去的可能性，并避免造成严重的红外辐射损耗。

2、本实用新型采用一次聚光光路，相比于其它需要太阳光经过多次反射和透射的太阳能集热器，本实用新型光路更简单，不仅避免多次聚光过程中因色散导致的不同波长光的扩散问题，而且减少太阳光因需要多次经过光学元件而导致的反射损耗和透射损耗。

3、本实用新型采用大型的宽体内腔，在保证黑体腔效果的同时，适当大小的通光孔就可以实现太阳光谱中主要波段的光近似全部进入宽体内腔，从源头保证对太阳能的收集效率。

4、本实用新型采用大型的宽体内腔，有效的增大了高温内腔和热质之间的接触面积，提高了热量传递效率，并避免出现由于腔内温度过高而导致的吸光膜层容易脱落的现象。

5、本实用新型中大小可调的通光孔可以根据太阳光在不同时间不同入射角度做出适当的调整，使太阳光经过聚光模块会聚后能够有效进入宽体内腔中。

6、本实用新型中外腔体设置有保温隔热材料，在集热的过程中有效的隔绝外界环境温度的干扰，减少了热量散失。

7、本实用新型具有结构简单、原理清晰、操作方便、腔内单次光热转换效率要求低、能量损耗低、热交换面积大的特点。

附图说明

图1为本实用新型黑体腔式太阳能集热器的结构示意图。

图中：1、宽体内腔，2、聚光模块，3、外腔，4、热质，5、太阳光。

具体实施方式

参见附图1，在本实施例中，一种黑体腔式太阳能集热器，包括宽体内腔1、聚光模块2、外腔3、热质4，宽体内腔1由内腔底板101、内腔侧壁102和通光盖板103形成，内腔底板101上方密接内腔侧壁102，内腔侧壁102的上方密接通光盖板103，通光盖板103上设有通光孔104，聚光模块2由透镜架201和聚光透镜202组成，透镜架201设置在通光盖板103的上方，在透镜架201的上方设置聚光透镜202，外腔3由外腔体301、内腔底板101、内腔侧壁102、通光盖板103以及设置在外腔体301上的流入孔302和流出孔303形成，外腔体301密接在通光盖板103的外沿下方，热质4通过流入孔302进入外腔3，可通过流出孔303流出外腔3。

宽体内腔1的内表面的面积远大于通光孔104的面积，宽体内腔1起到黑体腔作用，聚光透镜202会聚的太阳光5经过通光孔104中进入宽体内腔1被吸收转换为热能，宽体内腔1温度升高，进而加热外腔3内的热质4。所述的宽体内腔1为柱形或球形或方形或锥形，或前述四种形状中选取形状进行组合，优选为柱形；宽体内腔1的内表面的面积与通光孔104的面积之比大于10：1，优选为50：1。所述的内腔底板101为平面板或凸起板或凹陷板，或前述三种形状中选取形状进行组合；凸起板或凹陷板可以是柱形或球形或方形或锥形，或前述四种形状中选取形状进行组合，优选为锥形凸起；内腔底板101由铜或不锈钢或铁或铝或从前述四种材料中选取材料组合制成，内腔底板101经过氧化或腐蚀或镀黑镍膜或镀黑铝膜或镀黑铬膜或镀石墨烯膜后的上表面为漫反射体，并增强吸光效率；内腔底板101的周径与聚光镜的周径之比为0.2-1.5，优选为0.8。所述的内腔侧壁102由铜或不锈钢或铁或铝或从前述四种材料中选取材料组合制成，内腔侧壁102经过氧化或腐蚀或镀黑镍膜或镀黑铝膜或镀黑铬膜或镀石墨烯膜后的内表面为漫反射体，并增强吸光效率；内腔侧壁102的高度与聚光镜的半径之比为0.3-3，优选为1.5。所述的通光盖板103由铜或不锈钢或铁或铝或从前述四种材料中选取材料组合制成，内腔范围内的通光盖板103的下表面或抛光或镀反射膜，减少通光盖板103对太阳光的吸收；优选地，通光盖板103的上表面覆盖有保温材料；所述的通光孔104的大小可调，通光孔104的位置可以根据相关波长太阳光的会聚焦点移动。

所述的透镜架201由铜或不锈钢或铁或铝或从前述四种材料中选取材料组合制成；所述的聚光透镜202或是单片菲涅尔透镜或是单片凸透镜多片菲涅尔透镜阵列或是多片凸透镜阵列或是多片菲涅尔透镜和凸透镜组成的透镜阵列。所述的宽体内腔1、透镜架201和聚光透镜202形成太阳光会聚后传播和光热转换的腔体，优选地，该腔体为真空腔。

所述的外腔体301由铜或不锈钢或铁或铝或塑料或有机玻璃或从前述六种材料中选取材料组合制成，优选地，在外腔体301的外表面覆盖有保温层；优选地，外腔体301的底部可以打开，便于清理水垢等维护工作；优选地，外腔体301便于拆卸，用于不需流体热质的环境。

使用时，平行太阳光5沿垂直于聚光透镜202表面射入，入射的太阳光5在聚光透镜202透射后会聚成焦斑，大小可调的通光孔104的孔径大小恰好可以使焦斑通过，使会聚后产生的焦斑进入到宽体内腔1中，内腔底板101、内腔侧壁102和内腔范围内的通光盖板103的内表面设置为漫反射体，入射进来的太阳光在腔内进行反射并被吸收，由于通光孔104的作用，使得焦斑刚好能够通过，从而减少太阳光被反射出去的可能性，避免造成严重的红外辐射损耗。由于内腔底板101设置成圆锥形，太阳光照射在内腔底面101后会被反射到内腔侧壁102，使能量分布更加均匀，而且可以增大热交换面积，加快光热转换速率。热质通过流入孔302和流出孔303进入或流出外腔，会聚后的太阳光5经过通光孔104进入宽体内腔1被吸收转化成热能，宽体内腔1温度升高，进而对热质4进行加热。

在本实施例中，宽体内腔1是柱形，也可以是柱形或球形或方形或锥形，或前述四种形状中选取形状进行组合，内腔底板101是锥形，内腔底板101形状可以是平面板或凸起板或凹陷板，或前述三种形状中选取形状进行组合；凸起板或凹陷板可以是柱形或球形或方形或锥形，或前述四种形状中选取形状进行组合，聚光透镜202是单片菲涅尔透镜可以是单片菲涅尔透镜或是单片凸透镜多片菲涅尔透镜阵列或是多片凸透镜阵列或是多片菲涅尔透镜和凸透镜组成的透镜阵列。

相较于现有技术，本实施例具有结构简单、原理清晰、操作方便、腔内单次光热转换效率要求低、能量损耗低、热交换面积大的特点。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种黑体腔式太阳能集热器，其特征在于，包括宽体内腔(1)、聚光模块(2)、外腔(3)、热质(4)，宽体内腔(1)由内腔底板(101)、内腔侧壁(102)和通光盖板(103)形成，内腔底板(101)上方密接内腔侧壁(102)，内腔侧壁(102)的上方密接通光盖板(103)，通光盖板(103)上设有用以供聚光透镜(202)会聚的太阳光(5)经过进入宽体内腔(1)的通光孔(104)，聚光模块(2)包括透镜架(201)和聚光透镜(202)，透镜架(201)设置在通光盖板(103)的上方，在透镜架(201)的上方设置聚光透镜(202)，外腔(3)由外腔体(301)、内腔底板(101)、内腔侧壁(102)、通光盖板(103)以及设置在外腔体(301)上用以供热质(4)通过进入/流出外腔(3)的流入孔(302)和流出孔(303)形成，外腔体(301)密接在通光盖板(103)的外沿下方。

2.根据权利要求1所述的黑体腔式太阳能集热器，其特征在于，宽体内腔(1)的内表面的面积与通光孔的面积之比大于10∶1。

3.根据权利要求1所述的黑体腔式太阳能集热器，其特征在于，内腔底板(101)的周径与聚光镜的周径之比为0.2-1.5。

4.根据权利要求1所述的黑体腔式太阳能集热器，其特征在于，内腔侧壁(102)经过氧化或腐蚀或镀黑镍膜或镀黑铝膜或镀黑铬膜或镀石墨烯膜后的内表面为漫反射体，并增强吸光效率；内腔侧壁(102)的高度与聚光镜的半径之比为0.3-3。

5.根据权利要求1所述的黑体腔式太阳能集热器，其特征在于，内腔范围内的通光盖板(103)的下表面或抛光或镀反射膜，减少通光盖板(103)对太阳光的吸收，通光盖板(103)的上表面覆盖有保温材料。

6.根据权利要求1所述的黑体腔式太阳能集热器，其特征在于，所述的通光孔(104)的大小可调，通光孔(104)的位置可以根据相关波长太阳光的会聚焦点移动。

7.根据权利要求1所述的黑体腔式太阳能集热器，其特征在于，所述的宽体内腔(1)、透镜架(201)和聚光透镜(202)形成太阳光会聚后传播和光热转换的腔体。

8.根据权利要求1所述的黑体腔式太阳能集热器，其特征在于，在外腔体(301)的外表面覆盖有保温层。

9.根据权利要求1所述的黑体腔式太阳能集热器，其特征在于，所述的外腔体(301)的底部可以打开，便于维护工作；外腔体(301)便于拆卸，使集热器用于不需流体热质的环境。

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