專利名稱：一種碟式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)及其集熱器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種用于碟式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的集熱器。本實用新型還涉及一種具有上述集熱器的碟式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
能源是經(jīng)濟和社會發(fā)展的重要基礎(chǔ)，工業(yè)革命以來，世界能源消費劇增，傳統(tǒng)化石能源資源消耗迅速，生態(tài)環(huán)境不斷惡化，特別是溫室氣體排放導(dǎo)致日益嚴峻的全球氣候變化，人類社會的可持續(xù)發(fā)展受到嚴重威脅。太陽能因其儲量無限性、分布普遍性、利用清潔性及經(jīng)濟性等特征被普遍看好，被認為是最具發(fā)展前景、最能解決未來社會發(fā)展能源需求不斷增長的新能源之一。太陽能熱發(fā)電因具有與電網(wǎng)負荷的配適性較好、光電轉(zhuǎn)化效率高、容易產(chǎn)生規(guī)模效應(yīng)、耗材的制作過程更加環(huán)保、電力可調(diào)性更好等特點，被認為是未來太陽能發(fā)電利用的重要發(fā)展方向。目前，根據(jù)聚光方式不同，太陽能熱發(fā)電主要有槽式、塔式、碟式等幾種技術(shù)路線。 其中，碟式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)相對于其他方式，具有模塊化的靈活部署能力、較高的聚光比和發(fā)電總效率等優(yōu)點，其越來越受到關(guān)注。碟式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)通常包括聚光碟、集熱器及換熱器、熱機等部分。碟式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)可以采用郎肯循環(huán)(蒸汽輪機)、布雷頓循環(huán)(燃氣輪機)、斯特林循環(huán)(斯特林發(fā)動機)等不同原理的熱機，無論采用哪種熱機，如何將光能高效、可靠地吸收、然后轉(zhuǎn)化為熱能并順暢地傳遞給吸熱工質(zhì)是至關(guān)重要的，這個過程的能量損失直接影響系統(tǒng)的總發(fā)電效率。根據(jù)輻射換熱知識可知，采用帶開孔部的空腔結(jié)構(gòu)有利于提高開孔橫截面的黑度系統(tǒng)，即一旦輻射能從開孔部射入空腔結(jié)構(gòu)，僅有很少一部分從開口部被反射出來，從而點聚焦的熱發(fā)電系統(tǒng)集熱器一般采用空腔結(jié)構(gòu)，空腔結(jié)構(gòu)通常由吸熱盤管繞成，吸熱盤管具有低溫進口、高溫出口，吸熱工質(zhì)從低溫進口進入吸熱盤管內(nèi)，經(jīng)聚光碟匯聚的太陽光通過空腔結(jié)構(gòu)的開口部進入集熱腔內(nèi)，直接輻射至吸熱盤管上，太陽光被吸熱盤管吸收后轉(zhuǎn)化為熱能并傳遞給吸熱工質(zhì)，具有較高溫度的吸熱工質(zhì)從高溫出口流出，進入下游的換熱器、 熱機等能量利用裝置。根據(jù)光學(xué)原理可知，旋轉(zhuǎn)拋物面匯聚的平行光能量分布密度并不均勻，加之聚光碟制造精度的影響，使得直接照射到的吸熱盤管上的光能也是不均勻的，容易形成局部高溫區(qū)，一旦局部溫度超過吸熱盤管材料的許用溫度，即會導(dǎo)致吸熱盤管燒蝕現(xiàn)象，甚至燒毀。另外，聚光碟因制造精度、風(fēng)載等因素，往往使得其匯聚的焦斑形狀、大小偏離設(shè)計值，并不能保證聚光碟反射的全部光線都能進入集熱腔，總會有部分光線投射在集熱器外部而造成集熱器表面溫度升高，甚至燒毀。因此，提高集熱器與聚光碟之間的匹配性，優(yōu)化吸熱盤管溫度分布，增加集熱器的工作穩(wěn)定性及可靠性，成為本領(lǐng)域技術(shù)人員有待解決的技術(shù)難題。
實用新型內(nèi)容本實用新型的第一個目的是提供一種集熱器，該集熱器可防止吸熱盤管因局部溫度過高發(fā)生燒蝕現(xiàn)象。本實用新型的第二目的是提供一種具有上述集熱器的太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)。為了實現(xiàn)上述第一個目的，本實用新型提供了一種用于碟式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的集熱器，包括集熱腔、至少一層的吸熱盤管，所述集熱腔具有開口部，所述吸熱盤管形成空腔結(jié)構(gòu)，所述空腔結(jié)構(gòu)具有開孔，該空腔結(jié)構(gòu)置于所述集熱腔內(nèi)，所述開孔與所述開口部對齊，所述吸熱盤管的低溫進口設(shè)于所述空腔結(jié)構(gòu)的太陽輻射能量密度最大的部位。優(yōu)選的，所述吸熱盤管的層數(shù)不少于兩層。優(yōu)選的，相鄰兩層吸熱盤管之間具有預(yù)設(shè)間隙。優(yōu)選的，所述吸熱盤管的外壁上設(shè)有吸熱肋。優(yōu)選的，所述吸熱肋為直肋或螺旋狀環(huán)肋。優(yōu)選的，所述集熱腔包括內(nèi)殼、外殼、前罩板，所述內(nèi)殼的內(nèi)壁形成所述集熱腔的內(nèi)壁，所述外殼套裝于所述內(nèi)殼外側(cè)，所述前罩板形成所述集熱器的開口部，所述內(nèi)殼、所述外殼與所述前罩板固定，所述內(nèi)殼與所述外殼、所述前罩板之間設(shè)有保溫層。優(yōu)選的，所述開口部設(shè)有透明罩板。優(yōu)選的，所述前罩板上設(shè)有用于冷卻工質(zhì)循環(huán)的冷卻套。優(yōu)選的，所述冷卻套的冷卻工質(zhì)出口與所述吸熱盤管的低溫進口連通。優(yōu)選的，所述集熱腔的內(nèi)壁設(shè)有反光層。優(yōu)選的，所述內(nèi)殼、所述外殼分別由多段結(jié)構(gòu)組成，各段結(jié)構(gòu)通過法蘭及緊固件連接形成一個整體結(jié)構(gòu)。優(yōu)選的，所述空腔結(jié)構(gòu)呈球臺形結(jié)構(gòu)或倒圓臺形結(jié)構(gòu)。本實用新型提供的集熱器包括集熱腔、吸熱盤管，集熱腔具有開口部，吸熱盤管形成具有開孔的空腔結(jié)構(gòu)，空腔結(jié)構(gòu)的開孔與集熱腔的開口部對齊，吸熱盤管具有低溫進口和高溫出口，所述低溫進口設(shè)于所述空腔結(jié)構(gòu)的入射光照射位置。這種結(jié)構(gòu)的集熱器將低溫進口設(shè)于空腔結(jié)構(gòu)的入射光照射位置，入射光照射位置的能量密度最高，而低溫進口處的吸熱工質(zhì)的溫度最低，較低的吸熱工質(zhì)可較快地吸收入射光的能量，可防止該處吸熱盤管局部溫度超過許用溫度而導(dǎo)致的燒蝕現(xiàn)象；而且能量密集較低的位置對應(yīng)于吸熱工質(zhì)溫度較高的吸熱盤管，可使得吸熱盤管的溫度比較均勻；同時也使得集熱器具有較高的集熱溫度，拓寬了集熱器的使用范圍。為實現(xiàn)上述第二個目的，本實用新型還提供了一種碟式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)，包括聚光碟、換熱器及集熱器，所述集熱器為上述的集熱器。由于上述的集熱器具有上述技術(shù)效果，具有該集熱器的碟式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)也應(yīng)具備相應(yīng)的技術(shù)效果。

圖1為本實用新型所提供的集熱器的一種具體實施方式
的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為圖1中集熱器的外形結(jié)構(gòu)示意圖；[0028]圖3為圖1中吸熱盤管的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為本實用新型所提供的集熱器的另一種吸熱盤管的結(jié)構(gòu)示意圖；圖5為本實用新型所提供的集熱器的一種吸熱肋的結(jié)構(gòu)示意圖；圖6為本實用新型所提供的集熱器的另一種吸熱肋的結(jié)構(gòu)示意圖；圖7為本實用新型所提供的集熱器的第三種吸熱肋的結(jié)構(gòu)示意圖；其中，圖1-圖7中高溫出口 1、吸熱工質(zhì)2、低溫進口 3、保溫層4、上外殼5、上內(nèi)殼6、吸熱盤管7、保溫層8、下內(nèi)殼9、下外殼10、冷卻工質(zhì)進口 11、冷卻工質(zhì)出口 12、冷卻套13、太陽光14、透明罩板15、前罩板16、冷卻工質(zhì)流動腔17、冷卻工質(zhì)18、吸熱肋19。
具體實施方式
為了使本領(lǐng)域的技術(shù)人員更好的理解本實用新型的技術(shù)方案，
以下結(jié)合附圖和具體實施方式
對本實用新型作進一步的詳細說明。請參看圖1、圖2、圖3，圖1為本實用新型所提供的集熱器的一種具體實施方式
的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為圖1中集熱器的外形結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為圖1中吸熱盤管的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖1、圖2所示，本實用新型提供的用于碟式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的集熱器包括集熱腔、吸熱盤管7，吸熱盤管7的層數(shù)不少于一層，集熱腔具有用于太陽光1 4射入的開口部，每層吸熱盤管7彎制成近似螺旋狀結(jié)構(gòu)，以形成空腔結(jié)構(gòu)，空腔結(jié)構(gòu)具有一定范圍的開孔，空腔結(jié)構(gòu)置于集熱腔內(nèi)，所述開孔與集熱腔的開口部對齊，吸熱盤管7具有低溫進口 3 和高溫出口 1，具體的方案中，低溫進口 3和高溫出口 1可分別設(shè)置有連接法蘭或?qū)Ｓ媒宇^與外界相連，吸熱工質(zhì)2從低溫進口 3進入吸熱盤管7內(nèi)，從高溫出口 1流出，吸熱盤管7 的低溫進口 3設(shè)于空腔結(jié)構(gòu)的太陽輻射能量密度最大的部位，該太陽輻射能量密度最大的部位可以為吸熱盤管7上太陽光照射位置，如圖1所示，太陽光從開口部直射時，該太陽光照射位置具體可位于空腔結(jié)構(gòu)的底部。經(jīng)過聚光碟匯聚的陽光通過集熱腔的開口部進入集熱腔內(nèi)，首先直接輻射在吸熱盤管7的內(nèi)側(cè)，一部分被吸熱盤管7直接吸收，轉(zhuǎn)化為熱能，余下部分被漫反射，由于集熱腔的開口部的面積相對于集熱器有效吸熱面積較小，開口部對總吸熱面輻射換熱角系數(shù)較小，僅有很少的一部分從開口部溢出，絕大部分漫反射光能會再次投射到吸熱盤管7的其他部位或集熱腔的內(nèi)壁上；吸熱盤管7內(nèi)有吸熱工質(zhì)2通過，吸熱盤管7吸收能量傳遞給吸熱工質(zhì)2，使其內(nèi)能升高，含有較高內(nèi)能的吸熱工質(zhì)2從高溫出口 1流出集熱器，進入下游的換熱器、熱機等能量利用裝置，完成光能向熱能的轉(zhuǎn)化、導(dǎo)出的過程。這種結(jié)構(gòu)的集熱器將低溫進口 3設(shè)于空腔結(jié)構(gòu)的太陽輻射能量密度最大的部位， 太陽光1 4照射位置的能量密度最高，而低溫進口 3處的吸熱工質(zhì)2的溫度最低，較低的吸熱工質(zhì)2可較快地吸收入射光的能量，可防止該處吸熱盤管7局部溫度超過許用溫度而導(dǎo)致的燒蝕現(xiàn)象；而且能量密集較低的位置對應(yīng)于吸熱工質(zhì)2溫度較高的吸熱盤管7，可使得吸熱盤管7的溫度比較均勻；同時也使得集熱器具有較高的集熱溫度，拓寬了集熱器的使用范圍。具體的方案中，集熱腔具體可以包括內(nèi)殼、外殼、前罩板16，內(nèi)殼的內(nèi)壁形成集熱腔的內(nèi)壁，外殼套裝于內(nèi)殼外側(cè)，前罩板16上設(shè)有開口形成集熱腔的開口部，內(nèi)殼、外殼與前罩板16固定，內(nèi)殼與外殼、前罩板16之間設(shè)有保溫層。內(nèi)殼、外殼之間的保溫層可以減少內(nèi)殼內(nèi)壁吸收的熱量對外的散失，以提高內(nèi)殼的溫度，減少吸熱盤管7與內(nèi)殼之間的有效輻射換熱量從而減少集熱器的熱損失。進一步的方案中，吸熱盤管7可通過彈性卡座、夾管等方式固定在內(nèi)殼的內(nèi)壁上。優(yōu)選方案中，內(nèi)殼的內(nèi)壁設(shè)有反光系數(shù)較高的反光層，如金屬銀層，漫反射光投射到內(nèi)殼的內(nèi)壁上的反光層后再次反射在吸熱盤管7上，可減少內(nèi)殼內(nèi)壁吸收的熱量，減少集熱器的熱損失。優(yōu)選方案中，集熱器的開口部設(shè)有透明罩板15，具體的方案中，可在前罩板16的開口處設(shè)有透明罩板15，透明罩板15的可以切斷集熱腔內(nèi)外的空氣流動，不僅可減少集熱腔內(nèi)的對流熱損失，也避免了外部的昆蟲、灰塵等雜物進入集熱腔后對集熱器的工作可靠性造成的負面影響。具體的方案中，透明罩板15可以為玻璃罩板，本實用新型并不局限于玻璃罩板，透明罩板15還可以為樹脂罩板，塑料罩板等，凡透明的板材均可在作為本實用新型中的透明罩板15。優(yōu)選方案中，為了簡化集熱器的制造工藝，所述內(nèi)殼、外殼可分別由多段結(jié)構(gòu)組成，各段結(jié)構(gòu)通過法蘭及緊固件連接形成一個整體結(jié)構(gòu)，如圖1、圖2所示，內(nèi)殼可以包括上內(nèi)殼6、下內(nèi)殼9，外殼可以包括上外殼5、下外殼10，上內(nèi)殼6與上外殼5之間設(shè)有保溫層 4、下內(nèi)殼9與下外殼10之間設(shè)有保溫層8。優(yōu)選方案中，在前罩板16上設(shè)有用于冷卻工質(zhì)18循環(huán)的冷卻套13，冷卻套13具有冷卻工質(zhì)進口 11、冷卻工質(zhì)出口 12及冷卻工質(zhì)流動腔17，冷卻工質(zhì)18從冷卻工質(zhì)進口 11進入冷卻工質(zhì)流動腔17，在冷卻工質(zhì)流動腔17內(nèi)循環(huán)后從冷卻工質(zhì)出口 11流出。聚光碟反射的光線部分投射在集熱器前端時，冷卻套13中通入的冷卻工質(zhì)18可帶走投射在集熱器前端的光線所產(chǎn)生的熱量，可避免集熱器前端被燒毀，可有效保護集熱器，保證集熱器的可靠性。更優(yōu)的方案中，若冷卻套13內(nèi)的冷卻工質(zhì)18與吸熱盤管7內(nèi)的吸熱工質(zhì)2為同一種工質(zhì)，可將冷卻套13的冷卻工質(zhì)18出口 12與吸熱盤管7的低溫進口 3連通，從冷卻套13流出的冷卻工質(zhì)18可通過管道匯入吸熱盤管7的低溫進口 3內(nèi)，可提高進入吸熱盤管7內(nèi)的工質(zhì)的溫度，提交集熱器的熱交換效率。優(yōu)選方案中，吸熱盤管7的層數(shù)不少于兩層，如圖3所示，兩層或多層吸熱盤管7 可同心布置，這種結(jié)構(gòu)可以改善吸熱盤管7固壁內(nèi)部的溫度梯度，延長吸熱工質(zhì)2在吸熱盤管7中的加熱流程，可保證吸熱工質(zhì)2能夠持續(xù)、平穩(wěn)地被加熱。更優(yōu)的方案中，相鄰兩側(cè)吸熱盤管7之間具有預(yù)設(shè)間隙，不同層之間的吸熱盤管7 之間具有的預(yù)設(shè)間隙可保證各層吸熱盤管7的表面都能吸收到合適的熱量，可進一步延長吸熱工質(zhì)2在吸熱盤管7中的加熱流程，可保證吸熱工質(zhì)2能夠持續(xù)、平穩(wěn)地被加熱。進一步的方案中，同層吸熱盤管7之間也可具有預(yù)設(shè)間隙，這種結(jié)構(gòu)可保證同層之間的吸熱盤管7表面都能吸收到合適的熱量。優(yōu)選方案中，為了加強吸熱盤管7的吸熱能力，尤其加強能量密度較大處的吸熱盤管7的吸熱能力，可在吸熱盤管7的外壁上設(shè)有吸熱肋19，如圖5、圖6、圖7所示，吸熱肋 19可以為直肋，也可以為螺旋肋。[0051]本實用新型對吸熱盤管7所形成的空腔結(jié)構(gòu)的形狀不做限定，該空腔結(jié)構(gòu)可以為如圖3所示的球臺形結(jié)構(gòu)，也可以為如圖4所示的倒圓臺形結(jié)構(gòu)，如果空腔結(jié)構(gòu)為球臺形結(jié)構(gòu)，各層吸熱盤管7之間可同心設(shè)置，如果空腔結(jié)構(gòu)為倒圓臺形結(jié)構(gòu)，各層吸熱盤管7可以同軸設(shè)置。本實用新型還提供了一種碟式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)，包括聚光碟、換熱器及集熱器， 所述集熱器為上述的集熱器。由于上述的集熱器具有上述技術(shù)效果，具有該集熱器的碟式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)也應(yīng)具備相應(yīng)的技術(shù)效果，在此不再詳細介紹。以上所述僅是實用新型的優(yōu)選實施方式的描述，應(yīng)當指出，由于文字表達的有限性，而在客觀上存在無限的具體結(jié)構(gòu)，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本實用新型原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應(yīng)視為本實用新型的保護范圍。
權(quán)利要求1.一種用于碟式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的集熱器，包括集熱腔、至少一層的吸熱盤管，所述集熱腔具有開口部，所述吸熱盤管形成空腔結(jié)構(gòu)，所述空腔結(jié)構(gòu)具有開孔，該空腔結(jié)構(gòu)置于所述集熱腔內(nèi)，所述開孔與所述開口部對齊，其特征在于，所述吸熱盤管的低溫進口設(shè)于所述空腔結(jié)構(gòu)的太陽輻射能量密度最大的部位。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的集熱器，其特征在于，所述吸熱盤管的層數(shù)不少于兩層。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的集熱器，其特征在于，相鄰兩層吸熱盤管之間具有預(yù)設(shè)間隙。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的集熱器，其特征在于，所述吸熱盤管的外壁上設(shè)有吸熱肋。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的集熱器，其特征在于，所述吸熱肋為直肋或螺旋狀環(huán)肋。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-5任一項所述集熱器，其特征在于，所述集熱腔包括內(nèi)殼、外殼、前罩板，所述內(nèi)殼的內(nèi)壁形成所述集熱腔的內(nèi)壁，所述外殼套裝于所述內(nèi)殼外側(cè)，所述前罩板形成所述集熱器的開口部，所述內(nèi)殼、所述外殼與所述前罩板固定，所述內(nèi)殼與所述外殼、 所述前罩板之間設(shè)有保溫層。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的集熱器，其特征在于，所述開口部設(shè)有透明罩板。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的集熱器，其特征在于，所述前罩板上設(shè)有用于冷卻工質(zhì)循環(huán)的冷卻套。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的集熱器，其特征在于，所述冷卻套的冷卻工質(zhì)出口與所述吸熱盤管的低溫進口連通。
10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的集熱器，其特征在于，所述集熱腔的內(nèi)壁設(shè)有反光層。
11.根據(jù)權(quán)利要求6所述的集熱器，其特征在于，所述內(nèi)殼、所述外殼分別由多段結(jié)構(gòu)組成，各段結(jié)構(gòu)通過法蘭及緊固件連接形成一個整體結(jié)構(gòu)。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的集熱器，其特征在于，所述空腔結(jié)構(gòu)呈球臺形結(jié)構(gòu)或倒圓臺形結(jié)構(gòu)。
13.一種碟式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)，包括聚光碟、換熱器及集熱器，其特征在于，所述集熱器為權(quán)利要求1-12任一項所述的集熱器。
專利摘要本實用新型涉及太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域，公開了一種用于碟式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的集熱器，包括集熱腔、至少一層的吸熱盤管，所述集熱腔具有開口部，所述吸熱盤管形成空腔結(jié)構(gòu)，所述空腔結(jié)構(gòu)具有開孔，該空腔結(jié)構(gòu)置于所述集熱腔內(nèi)，所述開孔與所述開口部對齊，所述吸熱盤管的低溫進口設(shè)于所述空腔結(jié)構(gòu)的入射光能量分布密度最大的位置。該集熱器可防止吸熱盤管因局部溫度過高發(fā)生燒蝕現(xiàn)象及工質(zhì)因相變引起對流換熱系數(shù)突降而造成集熱器燒毀的現(xiàn)象。本實用新型還公開了一種具有上述集熱器的太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)。
文檔編號F24J2/05GK202057076SQ20112014453
公開日2011年11月30日 申請日期2011年5月9日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月9日
發(fā)明者黨安旺, 朱凱, 王曙輝, 王步根, 黃敏 申請人:湘潭電機股份有限公司