本發(fā)明屬于太陽能的熱利用技術(shù)領(lǐng)域，涉及對太陽能的高效利用及設(shè)備的防護(hù)問題，特別涉及一種高強(qiáng)度高耐候性聚光集熱器。

背景技術(shù)：

太陽能是一種高效、無污染的綠色能源。隨著21世紀(jì)能源供應(yīng)愈發(fā)緊缺，太陽能逐漸成為人類關(guān)注的能源焦點(diǎn)。但是普通太陽能集熱器普遍存在集熱效率不高、易結(jié)垢等問題，為此將熱管技術(shù)引入太陽能集熱領(lǐng)域。

熱管作為一種高效的傳熱元件，其工作原理主要是利用傳熱介質(zhì)的相變傳熱，具有優(yōu)良的導(dǎo)熱性、良好的等溫性、熱流密度可變性和單向?qū)嵝缘葍?yōu)點(diǎn)。將熱管技術(shù)應(yīng)用于太陽能熱利用領(lǐng)域，不但能充分利用太陽能作為一種高效、清潔能源的優(yōu)勢，優(yōu)化我國能源利用的結(jié)構(gòu)，而且能大幅提高太陽能利用效率，進(jìn)一步推進(jìn)我國建筑節(jié)能進(jìn)程的發(fā)展。

目前，在太陽能光熱領(lǐng)域應(yīng)用的太陽能集熱器產(chǎn)品有平板式集熱器、真空管集熱器。真空管集熱器采用高效選擇性吸收涂層和真空保溫技術(shù)，集熱性能好，結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，易于規(guī)模化生產(chǎn)，因此占據(jù)了太陽能集熱工程大部分的市場份額。但由于真空管集熱器由于自身結(jié)構(gòu)的影響，存在著一些缺陷。真空管易破損漏水導(dǎo)致系統(tǒng)癱瘓；集熱器真空管的空曬產(chǎn)生過熱現(xiàn)象，繼而損壞集熱器或大大縮短其使用壽命和集熱效率；真空管不能承壓，管子易炸裂，在嚴(yán)寒地區(qū)使用會凍結(jié)。同時(shí)由于真空管集熱器相鄰管之間存在間隙，在接受太陽光照射時(shí)，有一部分太陽光透過縫隙，其熱量沒有被集熱器所收集。而平板式集熱器是一個(gè)連續(xù)的平面，整個(gè)集熱器表面都可以接受太陽光。但平板式集熱器在收集、傳輸有用熱能的同時(shí)，又不可避免地要向周圍環(huán)境散熱，主要包括底部和側(cè)面隔熱層的導(dǎo)熱換熱，吸熱板與透明蓋板之間的對流換熱，吸熱板與透明蓋板之間、透明蓋板與天空之間的輻射換熱。在冬季低于0℃時(shí)，因集熱器中的水結(jié)冰膨脹，將管子脹裂；且平板式集熱器抗凍性能差，所以使用范圍局限在北方的夏季和南方不結(jié)凍地區(qū)的冬季。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺陷，本發(fā)明的目的在于，提供一種高強(qiáng)度耐沖擊、耐冰凍、耐高溫、安全可靠、適用于嚴(yán)寒地區(qū)的聚光集熱器，解決現(xiàn)有集熱器使用過程中存在的問題。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案如下：

一種高強(qiáng)度高耐候性聚光集熱器，包括水箱和集熱殼體，所述集熱殼體內(nèi)設(shè)置有多個(gè)熱管，熱管的一端伸入所述水箱內(nèi)；集熱殼體的吸熱面上設(shè)置有玻璃蓋板，玻璃蓋板包括頂層鋼化玻璃和底層鋼化玻璃，頂層鋼化玻璃的下表面設(shè)置有多組階梯面，相鄰的階梯面的傾斜方向相反；階梯面與底層鋼化玻璃之間為空氣層。

進(jìn)一步地，所述集熱殼體的底面設(shè)置有吸熱板，所述多個(gè)熱管在吸熱板上均勻分布，熱管的長度方向與吸熱板的長度方向一致。

進(jìn)一步地，所述玻璃蓋板與集熱殼體之間設(shè)置有橡膠密封墊。

進(jìn)一步地，所述吸熱板上涂有吸收涂層。

進(jìn)一步地，所述頂層鋼化玻璃的下表面的每組階梯面的階梯個(gè)數(shù)為5個(gè)。

進(jìn)一步地，所述每組階梯面的階梯的高度為5mm，階梯的傾斜角度分別為40°、40°、40°、36°和27°。

進(jìn)一步地，所述頂層鋼化玻璃的厚度為8mm，底層鋼化玻璃的厚度為3mm。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下技術(shù)效果：本發(fā)明的聚光玻璃蓋板強(qiáng)度高，傳熱系數(shù)低，且有效提高太陽能輻射利用率，基本消除空氣對流熱損失；用熱管代替普通平板集熱器集熱管提高了熱效率，可承壓運(yùn)行，耐冰凍、啟動快、不過熱，使用條件更寬泛。集熱器蓋板采用鋼化玻璃使集熱器強(qiáng)度高耐沖擊，不易損壞。本發(fā)明的太陽能集熱器使用溫度范圍廣，可應(yīng)用于列車等跨地區(qū)運(yùn)動物體以及風(fēng)沙、嚴(yán)寒、晝夜溫差大的地區(qū)。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的局部剖面圖；

圖2為本發(fā)明的縱剖面圖；

圖3為本發(fā)明的橫剖面圖；

圖4為本發(fā)明的側(cè)剖面圖；

圖5為熱管結(jié)構(gòu)示意圖；

圖6為本發(fā)明的聚光原理圖；

圖7為本發(fā)明的折射偏差圖；

圖8為玻璃蓋板結(jié)構(gòu)示意圖；

圖9為本發(fā)明的水箱結(jié)構(gòu)圖；

圖10為水箱的結(jié)構(gòu)剖面圖；

圖11為本發(fā)明的玻璃蓋板空氣夾層溫度云圖；

圖12為普通玻璃蓋板空氣夾層溫度云圖。

圖中各個(gè)標(biāo)號含義：1—水箱，2—集熱殼體，3—熱管，4—頂層鋼化玻璃，5—底層鋼化玻璃，6—階梯面，7—空氣層，8—吸熱板，9—保溫層，10—進(jìn)水管，11—出水管，12—泄水管，13—橡膠密封圈。

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對本發(fā)明的方案作進(jìn)一步詳細(xì)地解釋和說明。

具體實(shí)施方式

參見圖1-5，本發(fā)明的高強(qiáng)度高耐候性聚光集熱器，包括水箱1和集熱殼體2，所述集熱殼體2內(nèi)設(shè)置有多個(gè)熱管3，熱管3的一端伸入水箱1內(nèi)；集熱殼體2的吸熱面上設(shè)置有玻璃蓋板，玻璃蓋板包括頂層鋼化玻璃4和底層鋼化玻璃5，頂層鋼化玻璃4的下表面設(shè)置有多組階梯面6，相鄰的階梯面6的傾斜方向相反；階梯面6與底層鋼化玻璃5之間為空氣層7。

本實(shí)施例中，設(shè)置有11個(gè)熱管3，相鄰熱管3之間的間距為80mm,熱管3的一端伸入水箱1內(nèi)，熱管3與水箱1之間通過橡膠密封圈13進(jìn)行密封，另一端與集熱殼體2內(nèi)部通過橡膠墊固定連接。本發(fā)明通過設(shè)置兩層鋼化玻璃，底層鋼化玻璃5上表面和下表面均為平面，頂層鋼化玻璃4的階梯面與底層鋼化玻璃5之間為空氣層7，可降低玻璃蓋板的整體傳熱系數(shù)，且較大程度上消除空氣自然對流熱損失，并大大降低了輻射熱損失，顯著提高了集熱器的集熱效率。

集熱殼體2的底面設(shè)置有吸熱板8，所述多個(gè)熱管3在吸熱板8上均勻分布，熱管3的長度方向與吸熱板8的長度方向一致。

所述玻璃蓋板與集熱殼體2之間設(shè)置有橡膠密封墊，實(shí)現(xiàn)玻璃蓋板對集熱殼體2的有效密封，避免集熱殼體2內(nèi)部熱量的損失。

為了增加吸熱板8的吸熱效率，所述吸熱板8上涂有吸收涂層，吸收涂層采用黑鉻涂層，鉻涂層的吸收比α和發(fā)射比ε分別為0.93～0.97和0.07～0.15，α/ε為6～13。黑鉻涂層的熱穩(wěn)定性和抗高溫性能也很好，適用于高溫條件，在300℃能長期穩(wěn)定工作。此外，黑鉻涂層還具有較好的耐候性和耐蝕性。

所述熱管3為有芯熱管，采用鋁合金材料，直徑為10mm；熱管3蒸發(fā)段長度1850mm，絕熱段長度120mm，凝結(jié)段長度150mm。凝結(jié)段鋁合金翅片共4片，寬度為29mm，與熱管焊接。

所述水箱1和集熱殼體2內(nèi)均設(shè)置有厚度為50mm的保溫層9，采用聚氨酯材料，起到保溫的作用。水箱1的上部設(shè)置有進(jìn)水管10，進(jìn)水管10上設(shè)置有閥門，當(dāng)水箱內(nèi)液面低于1/3時(shí)，打開閥門向水箱1內(nèi)供水；水箱的下部設(shè)置有出水管11和泄水管12。

參見圖6，本發(fā)明設(shè)置相鄰的階梯面6的傾斜方向相反，使得照射到相鄰的階梯面6上的光線發(fā)生折射后，能夠匯聚到熱管上，從而最大程度的利用光能。

優(yōu)選地，所述頂層鋼化玻璃4的下表面的每組階梯面6的階梯個(gè)數(shù)為5個(gè)；所述每組階梯面6的階梯的高度為5mm，階梯的傾斜角度分別為40°、40°、40°、36°和27°；所述頂層鋼化玻璃4的厚度為8mm，底層鋼化玻璃5的厚度為3mm。兩層鋼化玻璃貼合設(shè)置，每個(gè)階梯與底層鋼化玻璃5之間的空氣層互不連通。

上述參數(shù)的選取過程如下：

參見圖7和圖8，玻璃蓋板的聚光計(jì)算過程如下，利用菲涅爾透鏡計(jì)算公式以及三角函數(shù)列方程組：

式中：α為階梯傾角；r為階梯中心到透鏡中心的距離；n為鋼化玻璃的折射率，n＝1.54；d為焦距，即鋼化玻璃表面距熱管頂端的距離；W為階梯斜面的寬度；B為階梯斜面的高度；L為階梯斜面到透鏡中心的距離。

考慮普通平板集熱器鋼化玻璃蓋板到集熱板的距離和平板集熱器實(shí)用性，取d為30mm；為使鋼化玻璃蓋板達(dá)到厚度最小且不影響其強(qiáng)度，根據(jù)多次取值結(jié)果，取B為5mm，計(jì)算第一個(gè)階梯斜面的傾角α1根據(jù)本集熱器集熱管間距，取L＝40mm，代入方程組，應(yīng)用Matlab解方程組得，tanα1＝0.854，W1＝5.86mm；取W1＝6，計(jì)算第二階梯斜面，L＝36mm，代入方程組得tanα2＝0.85，W2＝5.91；取W2＝6，計(jì)算第三階梯斜面，L＝30mm，代入方程組得tanα3＝0.82，W3＝6.12；取W3＝6，計(jì)算第四階梯斜面，L＝24mm，代入方程組得tanα4＝0.74，W4＝6.74；取W4＝7，計(jì)算第五階梯斜面，L＝18mm，代入方程組得tanα5＝0.48，W5＝10.38；取W5＝10。

因此，得到各斜面傾角為a＝b＝c＝40°，d＝36°，e＝27°。應(yīng)用光的折射原理

畫光的折射圖如圖6，則入射光線均可射到熱管表面，大大提高了熱管的熱效率，降低了吸熱板向熱管的傳熱損失。

如圖7，底層鋼化玻璃5對頂層鋼化玻璃4階梯斜面折射的光線有折射作用，根據(jù)光的折射原理，可計(jì)算得實(shí)際透過兩層鋼化玻璃的光線路線，以及底層鋼化玻璃5對光線的折射偏差為1.4mm，遠(yuǎn)小于熱管直徑，對聚光結(jié)果無影響。

利用光的折射原理可得，集熱器的熱管3之間的間隙的光均可折射至熱管3的吸熱面上，大大提高了熱管集熱器的效率。

現(xiàn)通過Fluent仿真模擬對本發(fā)明玻璃蓋板空氣夾層的作用進(jìn)行說明。如圖11為本發(fā)明的鋼化玻璃蓋板空氣夾層溫度場云圖，圖12為普通集熱器玻璃蓋板長方體空氣夾層溫度場云圖。兩者模擬條件設(shè)置相同，設(shè)置底面為第二類邊界條件，Y軸方向兩表面為絕熱條件，其余表面為第三類邊界條件。如圖12，普通集熱器玻璃蓋板空氣夾層最高溫度為352K，且高溫區(qū)域達(dá)到夾層空間60％以上，高溫區(qū)寬泛；低溫則為310K，由立面云圖可看出低溫區(qū)面積很小，幾乎只在夾層兩層分布。如圖11，本發(fā)明集熱器玻璃蓋板空氣夾層溫度最高為332K，高溫區(qū)只存在于第一個(gè)階梯面的空氣夾層；而其余階梯面空氣夾層均為次高溫，溫度約為328K，且面積很??；低溫為308K，且分布廣泛。

由溫度場模擬結(jié)果可得，普通玻璃蓋板空氣夾層空氣溫度高，因此對流熱損失大。故本發(fā)明集熱器大大提高了集熱器效率。