一種透射-反射線性聚光集熱器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種透射-反射線性聚光集熱器，該集熱器包括線聚焦菲涅爾透鏡、真空集熱管和拋物槽面反射鏡，具有單軸光線追蹤能力。其中，真空集熱管位于線聚焦菲涅爾透鏡和拋物槽面反射鏡的焦線位置；菲涅爾透鏡將近似平行的太陽光中心區(qū)域光線匯聚于真空集熱管的向陽壁面；拋物槽面反射鏡將近似平行的太陽光兩側(cè)區(qū)域光線匯聚于真空集熱管的背陽兩側(cè)壁面；真空集熱管內(nèi)傳熱介質(zhì)吸收聚焦太陽能，完成升溫過程。該太陽能集熱器可應(yīng)用于太陽能光熱領(lǐng)域，對于傳統(tǒng)槽式集熱器中集熱管圓周方向熱流密度分布不均勻的難題，起到了顯著的改善作用，性能優(yōu)良，成本低廉。
【專利說明】一種透射-反射線性聚光集熱器

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及太陽能熱發(fā)電【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種透射-反射線性聚光集熱器。

【背景技術(shù)】
[0002]太陽能作為取之不盡，用之不竭，且清潔無污染的新能源，受到人們越來越廣泛的關(guān)注。太陽能光熱發(fā)電按集熱形式主要有槽式、塔式和碟式三種，其中槽式太陽能熱發(fā)電技術(shù)最為成熟，國外已實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用，是近期在世界范圍內(nèi)推進(jìn)太陽能熱發(fā)電技術(shù)發(fā)展的重點(diǎn)方向。
[0003]槽式太陽能集熱器是槽式熱發(fā)電系統(tǒng)的核心部件，其將太陽光轉(zhuǎn)化為熱的效率會直接影響太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的熱效率和經(jīng)濟(jì)性。但由于槽式集熱器本身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，集熱器工作時(shí)僅面向反射鏡的一側(cè)受熱，而另一側(cè)幾乎沒有熱流。集熱管表面的熱流密度分布不均勻，導(dǎo)致管壁產(chǎn)生溫度梯度，由此產(chǎn)生的熱應(yīng)力會導(dǎo)致吸熱管彎曲變形，集熱管偏離聚光焦線，引起集熱效率下降，更嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)辜療峁芡饷娴牟Ａ坠芷屏?，影響整個(gè)太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的安全性。尤其對于具有高聚光比的槽式太陽能集熱器及直接產(chǎn)生高溫蒸汽的DSG槽式熱發(fā)電技術(shù)，集熱管表面溫度高達(dá)400°C以上，在這種非均勻熱流密度條件下，管壁存在較大的換熱溫差，所產(chǎn)生的熱應(yīng)力不容忽視。
[0004]上述問題均已經(jīng)在國外投入試驗(yàn)運(yùn)行的太陽能熱發(fā)電站中有發(fā)生，暴露出了當(dāng)前對高溫下太陽能槽式集熱器設(shè)計(jì)方面存在不足，制約了該項(xiàng)技術(shù)的大規(guī)模商業(yè)化的應(yīng)用。因此改善真空集熱管的非均勻熱流的工作條件，避免其由于溫度梯度產(chǎn)生的熱應(yīng)力所帶來的機(jī)械變形，成為該領(lǐng)域的急需解決的重要技術(shù)問題。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005](一 )要解決的技術(shù)問題
[0006]有鑒于此，本發(fā)明的主要目的在于提供一種透射-反射線性聚光集熱器，通過在真空集熱管向陽壁面布置菲涅爾透鏡，實(shí)現(xiàn)集熱管周向的熱流密度分布均勻，從而解決目前非均勻熱流工作條件下，熱應(yīng)力導(dǎo)致集熱管機(jī)械變形，集熱效率下降等技術(shù)難題。
[0007]( 二 )技術(shù)方案
[0008]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供了一種透射-反射線性聚光集熱器，其特征在于，該集熱器包括線聚焦菲涅爾透鏡1、真空集熱管2和拋物槽面反射鏡3，其中:真空集熱管2位于線聚焦菲涅爾透鏡I和拋物槽面反射鏡3的焦線位置，菲涅爾透鏡I將集熱器中心區(qū)域近似平行的太陽光匯聚于真空集熱管2周向的向陽壁面，拋物槽面反射鏡3將集熱器兩側(cè)區(qū)域近似平行的太陽光匯聚于真空集熱管2周向的背陽兩側(cè)壁面，進(jìn)而緩解周向受熱不均帶來的集熱管疲勞變形。
[0009]上述方案中，所述真空集熱管2位于線聚焦菲涅爾透鏡I和拋物槽面反射鏡3的焦線位置，能夠保證近似平行的太陽光線被聚焦后，光斑準(zhǔn)確落在真空集熱管2上，真空集熱管2內(nèi)部傳熱介質(zhì)吸收聚焦太陽能，完成升溫過程。
[0010]上述方案中，該集熱器具有單軸光線追蹤能力。
[0011](三)有益效果
[0012]從上述技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明具有以下有益效果:
[0013]1、利用本發(fā)明，可實(shí)現(xiàn)真空集熱管周向熱流密度分布均勻化，避免了非均勻熱流密度下由于溫度梯度產(chǎn)生熱應(yīng)力，導(dǎo)致集熱管彎曲變形，甚至結(jié)構(gòu)破壞的后果。
[0014]2、利用本發(fā)明，原有拋物面反射鏡被替換成兩片較小的反射鏡面與一片菲涅爾透鏡的光學(xué)組合形式，由于兩片鏡面間及透鏡與鏡面間均存在間隔，與傳統(tǒng)拋物槽式集熱器相比可顯著減小風(fēng)阻，進(jìn)而節(jié)省支架及基礎(chǔ)用料，降低成本。
[0015]3、利用本發(fā)明，菲涅爾透鏡是多由聚烯烴材料注壓而成的薄片，鏡身輕薄。用菲涅爾透鏡作為聚光裝置，替代部分拋物槽面反射鏡，可降低太陽能集熱器對支撐結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度要求，節(jié)省支架的鋼用量，從而節(jié)約成本，提高槽式太陽能熱發(fā)電的經(jīng)濟(jì)性。
[0016]4、利用本發(fā)明，菲涅爾透鏡具有加工便捷，可批量生產(chǎn)，價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)，在現(xiàn)代工業(yè)中早已被廣泛應(yīng)用。用菲涅爾透鏡作為聚光裝置，替代部分拋物槽面反射鏡，可降低太陽能集熱器自身造價(jià)，提高槽式太陽能熱發(fā)電的經(jīng)濟(jì)性。
[0017]5、利用本發(fā)明，可根據(jù)實(shí)際集熱需求變化，重新對菲涅爾透鏡結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，從而通過只更換菲涅爾透鏡的方式調(diào)整集熱器的聚光比，易于對集熱器進(jìn)行改造。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0018]圖1為依照本發(fā)明實(shí)施例的透射-反射線性聚光集熱器的示意圖；
[0019]其中附圖標(biāo)記為:1_線聚焦菲涅爾透鏡；2_真空集熱管；3_拋物槽面反射鏡。
[0020]圖2為傳統(tǒng)槽式集熱器中真空集熱管背陽壁面接收太陽光照射的示意圖，其中，傳統(tǒng)槽式集熱器的拋物槽面反射鏡將其匯聚的太陽光線反射到真空集熱管背陽壁面；
[0021]圖3為依照本發(fā)明實(shí)施例的透射-反射線性聚光集熱器中真空集熱管周向的向陽壁面及兩側(cè)背陽壁面接收太陽光照射的示意圖，其中，該透射-反射線性聚光集熱器中的拋物槽面反射鏡將其匯聚的太陽光線反射到真空集熱管周向的兩側(cè)的背陽壁面；
[0022]圖4及圖5為依照本發(fā)明實(shí)施例的安裝透射-反射線性聚光集熱器的示意圖，其中，圖4是將拋物線頂點(diǎn)的縱向延長線作為透射-反射線性聚光集熱器的固定軸，圖5是將真空集熱管中軸線作為透射-反射線性聚光集熱器的固定軸。

【具體實(shí)施方式】
[0023]為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照附圖，對本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0024]如圖1所示，本發(fā)明提供的透射-反射線性聚光集熱器，包括線聚焦菲涅爾透鏡1、真空集熱管2和拋物槽面反射鏡3，其中真空集熱管2位于線聚焦菲涅爾透鏡I和拋物槽面反射鏡3的焦線位置，菲涅爾透鏡I將集熱器中心區(qū)域近似平行的太陽光匯聚于真空集熱管2周向的向陽壁面，拋物槽面反射鏡3將集熱器兩側(cè)區(qū)域近似平行的太陽光匯聚于真空集熱管2周向的背陽兩側(cè)壁面，進(jìn)而能夠緩解周向受熱不均帶來的集熱管疲勞變形。
[0025]真空集熱管2位于線聚焦菲涅爾透鏡I和拋物槽面反射鏡3的焦線位置，保證近似平行的太陽光線被聚焦后，光斑可準(zhǔn)確落在真空集熱管2上，真空集熱管2內(nèi)傳熱介質(zhì)吸收匯聚而來的太陽能，完成升溫過程。
[0026]在傳統(tǒng)槽式集熱器中，拋物槽面反射鏡將其匯聚的太陽光線反射到真空集熱管周向的背陽壁面，導(dǎo)致真空集熱管周向的向陽壁面?zhèn)葻o反射光線，如圖2所示，進(jìn)而導(dǎo)致向陽壁面的熱流密度迅速下降。周向受熱不均將帶來集熱管疲勞變形，特別是對于高聚光比槽式集熱技術(shù)和直接產(chǎn)生高溫蒸汽的DSG技術(shù)等，會產(chǎn)生運(yùn)行安全性、可靠性降低等系列問題。
[0027]而在本發(fā)明中，通過在真空集熱管2頂部布置菲涅爾透鏡1，可將集熱器中心區(qū)域的太陽光匯聚到真空集熱管2周向的向陽壁面，實(shí)現(xiàn)真空集熱管2圓周方向向陽壁面熱流密度近似均勻分布，如圖3所示。在該設(shè)計(jì)中，真空集熱管向陽壁面和背陽壁面均有光線射入，可實(shí)現(xiàn)真空集熱管圓周方向壁面熱流密度近似均勻分布。而傳統(tǒng)槽式集熱器中，真空集熱管向陽壁面無法接收到由拋物槽面反射鏡匯聚的太陽光線，向陽壁面即陽光直射區(qū)的熱流密度迅速下降，而周向受熱不均將帶來集熱管疲勞變形，特別是對于直接產(chǎn)生高溫蒸汽的DSG技術(shù)，會產(chǎn)生運(yùn)行安全性、可靠性降低等系列問題。
[0028]本發(fā)明提供的透射-反射線性聚光集熱器可采用兩種實(shí)施方式來進(jìn)行安裝。如圖4所示，按照傳統(tǒng)槽式集熱器的固定方式，仍將拋物線頂點(diǎn)的縱向延長線作為本發(fā)明提供的透射-反射線性聚光集熱器的固定軸，方便集熱器在原有傳統(tǒng)槽式集熱器基礎(chǔ)上進(jìn)行改造。如圖5所示，還可將真空集熱管中軸線作為本發(fā)明提供的透射-反射線性聚光集熱器的固定軸，從而增加裝置穩(wěn)定性。
[0029]本發(fā)明提供的透射-反射線性聚光集熱器，具有單軸光線追蹤能力，能夠?qū)崿F(xiàn)單軸跟蹤，如東西軸固定，南北向跟蹤，或者南北軸固定，東西向跟蹤等。可根據(jù)實(shí)際需要加熱量，確定太陽能集熱器的聚光比，從而確定線聚焦菲涅爾透鏡I的齒角、齒距，拋物面反射鏡3的開口形狀、開口寬度等結(jié)構(gòu)參數(shù)。
[0030]以上所述的具體實(shí)施例，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種透射-反射線性聚光集熱器，其特征在于，該集熱器包括線聚焦菲涅爾透鏡(1)、真空集熱管(2)和拋物槽面反射鏡(3)，其中: 真空集熱管(2)位于線聚焦菲涅爾透鏡(1)和拋物槽面反射鏡(3)的焦線位置，菲涅爾透鏡(1)將集熱器中心區(qū)域近似平行的太陽光匯聚于真空集熱管(2)周向的向陽壁面，拋物槽面反射鏡(3)將集熱器兩側(cè)區(qū)域近似平行的太陽光匯聚于真空集熱管(2)周向的背陽兩側(cè)壁面，進(jìn)而緩解周向受熱不均帶來的集熱管疲勞變形。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的透射-反射線性聚光集熱器，其特征在于，所述真空集熱管(2)位于線聚焦菲涅爾透鏡(1)和拋物槽面反射鏡(3)的焦線位置，能夠保證近似平行的太陽光線被聚焦后，光斑準(zhǔn)確落在真空集熱管(2)上，真空集熱管(2)內(nèi)部傳熱介質(zhì)吸收聚焦太陽能，完成升溫過程。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的透射-反射線性聚光集熱器，其特征在于，該集熱器具有單軸光線追蹤能力。
【文檔編號】F24J2/24GK104406312SQ201410749243
【公開日】2015年3月11日 申請日期:2014年12月9日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月9日
【發(fā)明者】金紅光, 趙雅文, 孫杰, 洪慧 申請人:中國科學(xué)院工程熱物理研究所