含雙排多管的圓臺形腔式太陽能吸熱器的制造方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開了一種含雙排多管的圓臺形腔式太陽能吸熱器，含雙排多管的圓臺形腔式太陽能吸熱器，所述腔式太陽能吸熱器包括圓臺形殼體、吸熱管組件、反光式擋風(fēng)板、上腔口封罩、下腔口封罩，所述的吸熱管組件置于圓臺形殼體內(nèi)且兩者軸線同軸；反光式擋風(fēng)板置于圓臺形殼體下部的開口處，且與圓臺形殼體軸線同軸；上腔口封罩置于圓臺形殼體內(nèi)腔頂部。本實(shí)用新型具有結(jié)構(gòu)合理，可模塊化制造的特點(diǎn)，主要用于碟式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)中的太陽光熱的吸收，以獲得高品位熱能。
【專利說明】
含雙排多管的圓臺形腔式太陽能吸熱器
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本實(shí)用新型涉及一種腔式太陽能吸熱器，特別涉及一種應(yīng)用于碟式太陽能高溫?zé)?利用系統(tǒng)中的含雙排多管的圓臺形腔式太陽能吸熱器。
【背景技術(shù)】
[0002] 能源是人類活動的基礎(chǔ)。在某種意義上講，目前人類社會的發(fā)展離不開可再生能 源的使用。當(dāng)今世界，能源的發(fā)展是全世界、全人類共同關(guān)心的問題，也是我國社會經(jīng)濟(jì)發(fā) 展的重要問題。然而當(dāng)前世界出現(xiàn)能源危機(jī)，中國能源危機(jī)更為嚴(yán)重。開發(fā)新能源利用技術(shù) 是各國解決能源危機(jī)的一種重要方法。相對于傳統(tǒng)化石能源，可再生能源具有污染少、儲量 大的特點(diǎn)，對解決環(huán)境污染問題和資源(特別是化石能源)枯竭問題意義重大。太陽能是可 再生能源的一種，且由于太陽能具有潔凈、無污染等優(yōu)點(diǎn)，其應(yīng)用方面的研究越來越受到世 界各國高度關(guān)注。
[0003] 太陽能高溫?zé)崂檬翘柲軣崂弥械闹匾M成部分，而太陽能熱發(fā)電是太陽能 高溫?zé)崂玫囊环N發(fā)展趨勢。太陽能采集是實(shí)現(xiàn)太陽能熱發(fā)電首先必須解決的問題。按采 集方式的不同可分為:太陽能槽式熱發(fā)電、太陽能塔式熱發(fā)電、太陽能碟式熱發(fā)電。碟式太 陽能高溫?zé)崂孟到y(tǒng)同時擁有聚光比高、結(jié)構(gòu)簡單、可模塊化等優(yōu)勢，特別適用于分布式發(fā) 電場合，同時在其他高溫?zé)崂脠龊弦簿哂袕V泛應(yīng)用前景。目前碟式太陽能發(fā)電系統(tǒng)大都 采用腔式吸熱器作為高溫集熱器。因而，如何提高腔式吸熱器的光熱轉(zhuǎn)換效率就成為目前 研究的熱點(diǎn)之一，降低腔體吸熱器的熱損失及均勻分配聚光后太陽輻射的能流分布是提高 其光熱轉(zhuǎn)換效率的一種有效方法。
[0004] 據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道，腔體吸熱器的熱損失主要來自四個方面，即腔體內(nèi)表面對聚焦 光的反射熱損失、腔體內(nèi)表面通過采光口的輻射損失、經(jīng)腔體采光口的對流熱損失及通過 腔體壁面的導(dǎo)熱損失。如何分配及盡可能地減少以上所述四種熱損失是研制高效腔式吸熱 器的關(guān)鍵。目前的研究重點(diǎn)主要集中在腔式吸熱器的形狀、結(jié)構(gòu)參數(shù)、流經(jīng)吸熱管的傳熱介 質(zhì)三方面。如何集中這三方面優(yōu)勢，提出一種光-熱轉(zhuǎn)化效率高、結(jié)構(gòu)簡單、可模塊化制造， 從而應(yīng)用于蝶式太陽能熱利用領(lǐng)域的腔式吸熱器仍然是人們的不懈追求。 【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0005] 本實(shí)用新型為克服現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，本實(shí)用新型提供了一種含雙排多管 的圓臺形腔式太陽能吸熱器。該腔式吸熱器能充分吸收進(jìn)入腔內(nèi)的太陽熱能，捕獲太陽光 線，提高腔體內(nèi)光線的反射效率和吸收效率，從而降低對流熱損，減少傳熱的無效管程，最 終提高吸熱器的光熱轉(zhuǎn)換效率。
[0006] 本實(shí)用新型的目的至少通過如下技術(shù)方案之一實(shí)現(xiàn)。
[0007] 含雙排多管的圓臺形腔式太陽能吸熱器，所述腔式太陽能吸熱器包括圓臺形殼 體、吸熱管組件、反光式擋風(fēng)板、上腔口封罩、下腔口封罩，所述的吸熱管組件置于圓臺形殼 體內(nèi)且兩者軸線同軸;反光式擋風(fēng)板置于圓臺形殼體下部的開口處，且與圓臺形殼體軸線 同軸;上腔口封罩置于圓臺形殼體內(nèi)腔頂部。
[0008] 進(jìn)一步地，圓臺形殼體由外殼、內(nèi)殼組成，兩殼間填充有隔熱材料(2);圓臺形殼體 下部設(shè)有圓形開口，圓形開口直徑與圓臺形殼體下底內(nèi)徑之比d 1:d2 = 0.2~0.4,底角α為 60°~80°，外殼厚度5:為5~10mm，內(nèi)殼厚度52為5~1〇1111]1，隔熱材料厚度δ 3為20~50mm。
[0009] 進(jìn)一步地，吸熱管組件是由進(jìn)液管、內(nèi)環(huán)液體均流分配管、外環(huán)液體均流分配管、 連接管、高溫吸熱直管、低溫吸熱彎管、環(huán)形液體收集管、出液管組成;所述的進(jìn)液管與外環(huán) 液體均流分配管連接，內(nèi)環(huán)液體均流分配管與外環(huán)液體均流分配管通過四根連接管連接并 相通;多根所述的高溫吸熱直管呈圓臺排列，每根均緊貼圓臺形殼體內(nèi)腔壁面，下部與外環(huán) 液體均流分配管相連通，上部與環(huán)形液體收集管相連通;多根所述的低溫吸熱彎管呈倒圓 臺狀均勻分布排列，下部與內(nèi)環(huán)液體均流分配管相連通，上部與環(huán)形液體收集管相連通； 所述的出液管與環(huán)形液體收集管相連通;單根所述的高溫吸熱直管、低溫吸熱彎管的長度 之比 Ii: 12 = 0.8~0.95。
[00?0]進(jìn)一步地，反光式擋風(fēng)板為無上、下底圓臺形，壁厚為δ4= 10~30mm,下部底角β為 60°~80°，底部開口面積與圓臺形殼體內(nèi)壁表面積之比為0.15~0.35;所述的反光式擋風(fēng) 板內(nèi)壁涂有反光材料。
[0011] 進(jìn)一步地，上腔口封罩為碟形結(jié)構(gòu)，封罩突起面表面光滑并涂有反光性能好的材 料;封罩平整面與圓臺形殼體內(nèi)腔上部頂面相連接;封罩突起高度Iu為10~30πιπι，δ 5厚度為5 ~IOmm0
[0012] 進(jìn)一步地，下腔口封罩為圓環(huán)結(jié)構(gòu)，橫截面為半橢圓形，橢圓長短軸之比為a:b = 6 ~12,橢圓環(huán)厚度δ6 = 5~10mm;突起面光滑并涂有反光性能好的材料;封罩平整面與圓臺 形殼體內(nèi)腔底面相連;外環(huán)直徑d3與內(nèi)腔直徑d 2-致，內(nèi)環(huán)直徑d4與圓臺形殼體下部的開口 直徑Cl1 一致。
[0013] 進(jìn)一步地，管內(nèi)流動的儲熱流體采用高溫下不分解且流動性好的顯熱儲能材料、 相變儲能介質(zhì)、熱化學(xué)儲能介質(zhì)中的一種;所述的高溫吸熱直管、低溫吸熱彎管可由導(dǎo)熱率 高的黃銅、紫銅、軟鋁或其他軟合金材料制成，管壁外側(cè)進(jìn)行拋光打磨，并粘貼光線吸收率 尚的材料。
[0014] 進(jìn)一步地，儲熱流體的流動方向是:儲熱流體由圓臺形殼體下端的進(jìn)液管進(jìn)入外 環(huán)液體均流分配管，一部分流體流入高溫吸熱直管，另一部分流體經(jīng)連接管流入內(nèi)環(huán)液體 均流分配管，再流入低溫吸熱彎管，經(jīng)加熱后的高溫吸熱直管和低溫吸熱彎管內(nèi)的儲熱流 體均流入環(huán)形液體收集管，最后從上端出液管引出。
[0015] 該腔式吸熱器具有以下四大結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：1.吸熱器的殼體采用帶上、下腔口封罩的 開口式圓臺形結(jié)構(gòu);2.吸熱管組件采用雙排多管式排列結(jié)構(gòu)；3.儲熱流體采用先分再合的 流動方式;4.與下腔口封罩相連的反光式圓臺形擋風(fēng)板結(jié)構(gòu)。
[0016] 與現(xiàn)有技術(shù)相比較，本實(shí)用新型具有以下優(yōu)點(diǎn)：
[0017] 1)與傳統(tǒng)單排管結(jié)構(gòu)相比，入射光線進(jìn)入腔體后更易被低溫吸熱彎管管面吸收； 同時發(fā)生多重反射時，雙排管能及時將反射光吸收，不易溢出腔口，降低反射光損失。
[0018] 2)本腔式吸熱器采用雙排多管式結(jié)構(gòu)，能讓儲熱流體同時進(jìn)入不同的換熱管，增 加流體流量的同時，也能及時將儲熱流體帶走，縮短吸熱的時間，減少無效管程。吸熱管與 分配管、收集管用螺紋口連接，必要時可拆卸并清理管體內(nèi)部。
[0019] 3)殼體、上下腔口封罩和擋風(fēng)板間形成了半封閉區(qū)域，使得外界的空氣較難干擾 腔體內(nèi)部，降低了腔內(nèi)的對流熱損失。同時，封罩表面突起涂有反射材料，能使太陽光發(fā)生 多重反射，減弱了通過腔口的熱輻射量。
【附圖說明】
[0020] 圖1是含雙排多管的圓臺形腔式太陽能吸熱器的軸向全剖面結(jié)構(gòu)示意圖。
[0021] 圖2是圓臺形殼體結(jié)構(gòu)示意圖。
[0022]圖3是上腔口封罩結(jié)構(gòu)示意圖。
[0023]圖4是下腔口封罩結(jié)構(gòu)示意圖。
[0024]圖5是反光式擋風(fēng)板結(jié)構(gòu)示意圖。
[0025]圖6.是吸熱管組件示意圖。
[0026] 圖中：1-外殼;2-隔熱材料;3-內(nèi)殼;4-環(huán)形液體收集管;5-上腔口封罩;6- 高溫?fù)Q熱直管;7-低溫?fù)Q熱彎管;8-內(nèi)環(huán)液體均流分配管;9一外環(huán)液體均流分配管；10-進(jìn)液管；11 一連接管；12-下腔口封罩;13-反光式擋風(fēng)板;14一出液管。
【具體實(shí)施方式】
[0027] 以下結(jié)合附圖對本實(shí)用新型的【具體實(shí)施方式】作詳細(xì)描述。
[0028] 圖1為本實(shí)用新型二維結(jié)構(gòu)示意圖。本實(shí)用新型所述的吸熱管組件采用雙排多管 式排列結(jié)構(gòu)，所述腔式太陽能吸熱器包括圓臺形殼體、吸熱管組件、反光式擋風(fēng)板13、上腔 口封罩5、下腔口封罩12,所述的吸熱管組件置于圓臺形殼體內(nèi)且兩者軸線同軸;反光式擋 風(fēng)板13置于圓臺形殼體下部的開口處，且與圓臺形殼體軸線同軸;上腔口封罩5置于圓臺形 殼體內(nèi)腔頂部。圓臺形殼體由外殼1、內(nèi)殼3組成，兩殼間填充有隔熱材料2;圓臺形殼體下部 設(shè)有圓形開口，圓形開口直徑與圓臺形殼體下底內(nèi)徑之比d 1:d2 = 0.2~0.4,底角α為60°~ 80°，外殼厚度~10mm，內(nèi)殼厚度δ2為5~10mm，隔熱材料厚度δ 3為20~50mm。吸熱管組 件是由進(jìn)液管10、內(nèi)環(huán)液體均流分配管8、外環(huán)液體均流分配管9、連接管11、高溫吸熱直管 6、低溫吸熱彎管7、環(huán)形液體收集管4、出液管14組成;所述的進(jìn)液管10與外環(huán)液體均流分配 管9連接，內(nèi)環(huán)液體均流分配管8與外環(huán)液體均流分配管9通過四根連接管11連接并相通;多 根所述的高溫吸熱直管6呈圓臺排列，每根均緊貼圓臺形殼體內(nèi)腔壁面，下部與外環(huán)液體均 流分配管9相連通，上部與環(huán)形液體收集管4相連通;多根所述的低溫吸熱彎管7呈倒圓臺狀 均勻分布排列，下部與內(nèi)環(huán)液體均流分配管8相連通，上部與環(huán)形液體收集管4相連通;所述 的出液管14與環(huán)形液體收集管4相連通;單根所述的高溫吸熱直管6、低溫吸熱彎管7的長度 之比 li:h = 0.8 ~0.95
[0029] 雙排式吸熱管組件中的高溫吸熱直管6緊貼內(nèi)壁表面吸收太陽熱能中的高溫部 分，低溫吸熱彎管7吸收腔體中心的熱量，填補(bǔ)了腔體中心熱量利用的空白；為有效利用高 溫部分和低溫部分的太陽熱能，單根所述的高溫吸熱直管6、低溫吸熱彎管7的長度之比為 0.8~0.95。這種雙排多管式排列結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)單管式相比，能增加吸熱管內(nèi)的儲熱流體流 量，及時帶走腔內(nèi)太陽熱能，減少無效管程，提高換熱效率。
[0030] 本實(shí)用新型所述的帶上、下腔口封罩的開口式圓臺形吸熱器殼體結(jié)構(gòu)包括外殼1、 內(nèi)殼3、上腔口封罩5、下腔口封罩12，以及內(nèi)、外殼之間填充的隔熱材料2。這種結(jié)構(gòu)能有效 降低通過殼壁的導(dǎo)熱損失，極好地防止腔體內(nèi)熱量通過殼壁流失;上腔口封罩5、下腔口封 罩12均由耐熱材料制成;上腔口封罩5置于圓臺形殼體內(nèi)腔頂部，封罩突起面表面光滑并涂 有反光性能好的材料，封罩平整面與圓臺形殼體內(nèi)腔上部頂面無縫相連接;下腔口封罩12 突起面光滑并涂有反光性能好的材料，封罩平整面與圓臺形殼體內(nèi)腔底面相連;這樣的結(jié) 構(gòu)既能保證聚焦光線能以較低的損耗進(jìn)入腔體，又因封罩突起面處涂有反光材料，光線進(jìn) 入腔體后不斷被反射，更多地被吸熱管吸收，從而提高光熱吸收效率。
[0031] 本實(shí)用新型所述的儲熱流體流動方式為:儲熱流體由圓臺形殼體下端的進(jìn)液管10 進(jìn)入外環(huán)液體均流分配管9,一部分流體流入高溫吸熱直管6,另一部分流體經(jīng)連接管11流 入內(nèi)環(huán)液體均流分配管8,再流入低溫吸熱彎管7,經(jīng)加熱后的高溫吸熱直管6和低溫吸熱彎 管7內(nèi)的儲熱流體均流入環(huán)形液體收集管4,最后從上端出液管14引出。這樣的流動方式，能 有效地吸收腔體內(nèi)各種溫度下的太陽熱能，提高吸熱器的熱效率。
[0032] 本實(shí)用新型所述的與下腔口封罩12相連的反光式擋風(fēng)板13采用圓臺式結(jié)構(gòu)，擋風(fēng) 板內(nèi)側(cè)涂有紅外反射材料，用于反射來自腔體內(nèi)部的熱輻射射線，并將其反射回腔體，從而 減少吸熱器的熱輻射損失，同時擋風(fēng)板對自然風(fēng)有很好的遮擋作用，可以減少外界氣流帶 來的強(qiáng)制對流熱損失。
[0033] 本腔式吸熱器的組裝順序?yàn)橛缮系较?，由?nèi)到外。首先在圓臺形殼體內(nèi)腔上部固 定環(huán)形液體收集管4,在頂端固定上腔口封罩5,然后將按內(nèi)殼尺寸已經(jīng)制作的多根高溫吸 熱直管6呈圓臺排列，每根均緊貼圓臺形殼體內(nèi)腔壁面，下部采用螺紋連接與外環(huán)液體均流 分配管9相連通，上部與環(huán)形液體收集管4相連通;多根低溫吸熱彎管7呈倒圓臺狀均勻分布 排列，下部與內(nèi)環(huán)液體均流分配管8相連通，上部與環(huán)形液體收集管4相連通。將下腔口封 罩12平整面與圓臺形殼體內(nèi)腔底面相連。反光式擋風(fēng)板13置于圓臺形殼體下部開口處，連 接方式均采用焊接。最后在內(nèi)殼3與外殼1間用耐熱材料2填充好，以達(dá)到保溫隔熱的效果。
[0034] 儲熱流體的流動方式如下:儲熱流體在外部栗的驅(qū)動下由圓臺形殼體下端的進(jìn)液 管10進(jìn)入外環(huán)液體均流分配管9, 一部分流體流入高溫吸熱直管6,另一部分流體經(jīng)連接管 11流入內(nèi)環(huán)液體均流分配管8,再流入低溫吸熱彎管7,經(jīng)加熱后的高溫吸熱直管6和低溫吸 熱彎管7內(nèi)的儲熱流體均流入環(huán)形液體收集管4,最后從上端出液管14引出。
[0035] 吸熱及儲熱過程如下：將本實(shí)用新型置于一種碟式聚光器的焦平面處，白天有光 照時，太陽光經(jīng)過聚光碟聚焦后進(jìn)入腔體，絕大部分光線被吸熱管管壁吸收，其中吸熱管組 件中的高溫吸熱直管6緊貼內(nèi)壁表面吸收太陽熱能中的高溫部分，低溫吸熱彎管7吸收腔體 中心的熱量;少量光線被上腔口封罩5、下腔口封罩12不斷反射，更多地被吸熱管吸收。反光 式擋風(fēng)板13可反射來自腔體內(nèi)部的熱輻射射線，并將其反射回腔體，從而減少吸熱器的熱 輻射損失。同時，也可阻止部分空氣直接流入腔體內(nèi)，從而減小對流損失。
[0036] 表1
[0039]本腔式吸熱器可模塊化制造。經(jīng)過數(shù)值模擬計(jì)算分析，一種具體的本實(shí)用新型吸 熱器的各零件規(guī)格大小及結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 含雙排多管的圓臺形腔式太陽能吸熱器，其特征在于，所述腔式太陽能吸熱器包括 圓臺形殼體、吸熱管組件、反光式擋風(fēng)板（13)、上腔口封罩(5)、下腔口封罩（12)，所述的吸 熱管組件置于圓臺形殼體內(nèi)且兩者軸線同軸;反光式擋風(fēng)板（13)置于圓臺形殼體下部的開 口處，且與圓臺形殼體軸線同軸;上腔口封罩(5)置于圓臺形殼體內(nèi)腔頂部。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述含雙排多管的圓臺形腔式太陽能吸熱器，其特征在于，圓臺形殼 體由外殼（1)、內(nèi)殼(3)組成，兩殼間填充有隔熱材料(2);圓臺形殼體下部設(shè)有圓形開口，圓 形開口直徑與圓臺形殼體下底內(nèi)徑之比cU: d2 = 0.2~0.4，底角α為60°~80°，外殼厚度δΑ 5~10mm，內(nèi)殼厚度32為5~1〇111111，隔熱材料厚度δ3為20~50mm。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述含雙排多管的圓臺形腔式太陽能吸熱器，其特征在于，吸熱管組 件是由進(jìn)液管（10)、內(nèi)環(huán)液體均流分配管(8)、外環(huán)液體均流分配管(9)、連接管（11)、高溫 吸熱直管(6)、低溫吸熱彎管(7)、環(huán)形液體收集管(4)、出液管（14)組成;所述的進(jìn)液管（10) 與外環(huán)液體均流分配管(9)連接，內(nèi)環(huán)液體均流分配管(8)與外環(huán)液體均流分配管(9)通過 四根連接管（11)連接并相通;多根所述的高溫吸熱直管(6)呈圓臺排列，每根均緊貼圓臺形 殼體內(nèi)腔壁面，下部與外環(huán)液體均流分配管(9)相連通，上部與環(huán)形液體收集管(4)相連通； 多根所述的低溫吸熱彎管(7)呈倒圓臺狀均勻分布排列，下部與內(nèi)環(huán)液體均流分配管(8)相 連通，上部與環(huán)形液體收集管(4)相連通;所述的出液管（14)與環(huán)形液體收集管(4)相連通； 單根所述的高溫吸熱直管(6)、低溫吸熱彎管(7)的長度之比h: 12 = 0.8~0.95。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述含雙排多管的圓臺形腔式太陽能吸熱器，其特征在于，反光式擋 風(fēng)板（13)為無上、下底圓臺形，壁厚為δ 4=1〇~30mm，下部底角β為60°~80°，底部開口面積 與圓臺形殼體內(nèi)壁表面積之比為〇. 15~0.35;所述的反光式擋風(fēng)板內(nèi)壁涂有反光材料。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述含雙排多管的圓臺形腔式太陽能吸熱器，其特征在于，上腔口封 罩(5)為碟形結(jié)構(gòu)，封罩突起面表面光滑并涂有反光材料;封罩平整面與圓臺形殼體內(nèi)腔上 部頂面相連接;封罩突起高度hi為10~30mmA厚度為5~10mm 〇6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述含雙排多管的圓臺形腔式太陽能吸熱器，其特征在于，下腔口封 罩(12)為圓環(huán)結(jié)構(gòu)，橫截面為半橢圓形，橢圓長短軸之比為a:b = 6~12,橢圓環(huán)厚度δ 6 = 5 ~10mm;突起面光滑并涂有反光材料;封罩平整面與圓臺形殼體內(nèi)腔底面相連;外環(huán)直徑d3 與內(nèi)腔直徑d2-致，內(nèi)環(huán)直徑d4與圓臺形殼體下部的開口直徑cU-致。7. 根據(jù)權(quán)利要求3所述含雙排多管的圓臺形腔式太陽能吸熱器，其特征在于，管內(nèi)流動 的儲熱流體采用高溫下不分解且具有流動性的顯熱儲能材料、相變儲能介質(zhì)、熱化學(xué)儲能 介質(zhì)中的一種;所述的高溫吸熱直管(6)、低溫吸熱彎管(7)由黃銅、紫銅、軟鋁或其他軟合 金材料制成，管壁外側(cè)進(jìn)行拋光打磨，并粘貼光線吸收材料。
【文檔編號】F24J2/34GK205619596SQ201520673321
【公開日】2016年10月5日
【申請日】2015年8月31日
【發(fā)明人】龍新峰, 杜惠嫦
【申請人】華南理工大學(xué)