本發(fā)明涉及太陽能采集應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種受熱體玻璃管大接收角cpc復(fù)合拋物面內(nèi)聚光真空管太陽能集熱器。

背景技術(shù)：

近年來，以普通全玻璃真空管為主體的太陽能熱水器是太陽能光熱轉(zhuǎn)換低溫應(yīng)用(100℃以下)的成功產(chǎn)品，其已經(jīng)在社會(huì)上大量普及，起到了節(jié)能、環(huán)保、降碳的積極作用。太陽能光熱轉(zhuǎn)換中溫應(yīng)用(100～250℃)具有廣泛的市場(chǎng)需求和節(jié)能、環(huán)保、降碳的積極作用，例如化工、食品、紡織、餐飲、服裝、醫(yī)藥等行業(yè)都有急切的需求。目前，這種急切的需求尚不能得到滿足，只能依靠傳統(tǒng)的煤炭燃燒、燃?xì)馊紵蛘吆碾妬斫鉀Q?，F(xiàn)有的普通全玻璃真空管太陽能熱水器(包括熱管式太陽能熱水器)，由于其集熱原理與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上的原因，其受熱體管或者板不可能在較高的工作溫度下工作，在太陽能中溫應(yīng)用(100～250℃)的溫度范圍內(nèi)，集熱效率很低，因而失去實(shí)用價(jià)值。面對(duì)太陽能中溫應(yīng)用(100～250℃)的急切需求與節(jié)能、環(huán)保、降碳的世界潮流，只有研制出聚光比較高、集熱熱效率比較高的新型內(nèi)聚光真空管太陽能集熱器，才能滿足這種需求，并且符合節(jié)能、環(huán)保、降碳的世界潮流。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的就是要針對(duì)現(xiàn)有集熱器在太陽能中溫應(yīng)用(100～250℃)的溫度范圍內(nèi)，集熱效率很低，因而失去實(shí)用價(jià)值等不足，提供一種受熱體玻璃管大接收角cpc復(fù)合拋物面內(nèi)聚光真空管太陽能集熱器，其在太陽能中溫應(yīng)用(100～250℃)的溫度范圍內(nèi)，聚光比較高、集熱熱效率比較高，具有極大的實(shí)用價(jià)值。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所涉及的一種受熱體玻璃管大接收角cpc復(fù)合拋物面內(nèi)聚光真空管太陽能集熱器，包括集熱管，所述集熱管內(nèi)設(shè)有受熱管，所述集熱管內(nèi)還設(shè)有反光板，所述集熱管設(shè)置在固定板上，所述固定板內(nèi)部設(shè)有集水管，所述受熱管與集水管連通；所述集熱管與受熱管之間為真空狀態(tài)，所述反光板設(shè)置在受熱管一側(cè)，從而將反光板接收到的陽光折射到受熱管上。

進(jìn)一步地，所述反光板為大接收角的cpc復(fù)合拋物面。

進(jìn)一步地，所述集熱管內(nèi)還設(shè)有用于固定受熱管的固定支架。

進(jìn)一步地，所述受熱管表面設(shè)有吸收涂層。

更進(jìn)一步地，所述反光板表面設(shè)有反光膜。

進(jìn)一步地，所述集熱管內(nèi)還設(shè)有消氣劑。

更進(jìn)一步地，所述固定板內(nèi)還設(shè)有保溫層，所述集水管設(shè)置在保溫層內(nèi)。

作為優(yōu)選項(xiàng)，所述集熱管與固定板連接處還設(shè)有密封圈。

作為優(yōu)選項(xiàng)，所述反光膜為金屬反光膜。

作為優(yōu)選項(xiàng)，所述集熱管、受熱管、反光板、固定支架均為玻璃材質(zhì)。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：

集熱管中漸開線反光板內(nèi)聚光受熱管，能夠使太陽光通過內(nèi)聚光，以較高的聚光比反射并聚光到受熱管表面，被選擇性吸收涂層高效率地吸收，轉(zhuǎn)化為熱能，在真空管特定的保溫條件下，將太陽能轉(zhuǎn)換為受熱體玻璃管中水的熱能，使之成為過熱水，溫度達(dá)到100～180℃，當(dāng)過熱水釋放時(shí)，轉(zhuǎn)化為100～180℃蒸汽，既可以為用戶提供100℃開水(一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下)，也可以為用戶提供100～180℃的蒸汽。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明另一視角的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為受熱管基礎(chǔ)圓φ0的漸開線對(duì)入射光線的反射與聚光原理圖；

圖4為實(shí)施例中φ120mm受熱體玻璃管接收角θa＝55°的cpc復(fù)合拋物面內(nèi)聚光真空管結(jié)構(gòu)原理圖。

圖中：集熱管1、受熱管2、反光板3、固定板4、集水管5、固定支架6、吸收涂層7、反光膜8、消氣劑9、保溫層10、密封圈11。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)描述：

如圖1～2所示的一種受熱體玻璃管大接收角cpc復(fù)合拋物面內(nèi)聚光真空管太陽能集熱器，包括集熱管1，所述集熱管1內(nèi)設(shè)有受熱管2，所述集熱管1內(nèi)還設(shè)有用于固定受熱管2的固定支架6。所述集熱管1內(nèi)還設(shè)有反光板3，所述集熱管1設(shè)置在固定板4上，所述集熱管1與固定板4連接處還設(shè)有密封圈11。所述固定板4內(nèi)部設(shè)有集水管5，所述固定板4內(nèi)還設(shè)有保溫層10，所述集水管5設(shè)置在保溫層10內(nèi)。所述受熱管2與集水管5連通；所述集熱管1與受熱管2之間為真空狀態(tài)，所述反光板3表面設(shè)有反光膜8。所述反光膜8為金屬反光膜。所述集熱管1內(nèi)還設(shè)有消氣劑9。所述反光板3設(shè)置在受熱管2一側(cè)，從而將反光板3接收到的陽光折射到受熱管2上。所述受熱管2表面設(shè)有吸收涂層7。所述集熱管1、受熱管2、反光板3、固定支架6均為玻璃材質(zhì)。

所述反光板3為大接收角的cpc復(fù)合拋物面。

本發(fā)明的原理：

如圖3，以x軸為aj方向，y軸為ak方向簡歷平面直角坐標(biāo)系：

所述反光板3的橫截面為以受熱管2的φ0為基礎(chǔ)圓的漸開線以及大接收角拋物線組成的大接收角cpc復(fù)合拋物線。

其中漸開線曲線的數(shù)學(xué)特性決定了漸開線上方入射的光線在漸開線上反射后必須會(huì)落到基礎(chǔ)圓φ0的圓周上，實(shí)現(xiàn)漸開線反射與聚光到基礎(chǔ)圓φ0圓周上的目的。

其中拋物線曲線的數(shù)學(xué)特性：

設(shè)定拋物線曲線焦點(diǎn)為g點(diǎn)，拋物線的焦距因子為gc，拋物線焦距為p＝2gc；接收角為θa＝45～60°。

拋物線在u-v坐標(biāo)系中：

拋物線方程式為：

u²＝2pv

u²＝2×2gc×v

即：u²＝4(gc)v

拋物線上方入射的光線在cpc復(fù)合拋物曲線上反射后必然會(huì)落到焦點(diǎn)g以下的基礎(chǔ)圓φ0的圓周上，從而實(shí)現(xiàn)了cpc復(fù)合拋物曲線的反光與聚光到基礎(chǔ)圓φ0的圓周上的目的。

可見，大接收角cpc復(fù)合拋物線中的漸開線與拋物線均能實(shí)現(xiàn)對(duì)上方入射的光線的反射與聚光到基礎(chǔ)圓的圓周上的目的。這就是大接收角cpc復(fù)合拋物面反光與聚光的基本原理。而cpc復(fù)合拋物面的聚光比高于單一漸開線曲面的聚光比，能夠進(jìn)一步提高集熱熱效率，進(jìn)一步滿足太陽能中溫應(yīng)用(100℃～200℃)的要求。

依據(jù)以上反射與聚光原理，入射的光線pn射到拋物線上一點(diǎn)n，過n點(diǎn)的法線為nq，按入射角α1＝反射角α2的光學(xué)原理，反射光線ng必然指向焦點(diǎn)g點(diǎn)，反射光線在達(dá)到g點(diǎn)前，必然先到達(dá)基礎(chǔ)圓φ0的r點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了基礎(chǔ)圓φ0圓周上的聚光的目的。

依據(jù)上述聚光原理，將基礎(chǔ)圓設(shè)計(jì)為大接收角cpc復(fù)合拋物面內(nèi)聚光真空管的受熱管2的外徑，按圖1所示的大接收角cpc復(fù)合拋物面內(nèi)聚光真空管，其外集熱管1中反光板3的橫截面為受熱管2外徑圓的cpc復(fù)合拋物線。當(dāng)太陽光入射到反光板3時(shí)，其反射光線必然會(huì)到達(dá)受熱管2的外表面，被受熱管2外表面的太陽能光熱轉(zhuǎn)換選擇性吸收涂層7所吸收，將太陽能轉(zhuǎn)換為熱能，按以上聚光與光熱轉(zhuǎn)換原理，受熱管2內(nèi)的水受熱升溫，由于聚光比c值較高，受熱管2內(nèi)水接收的太陽能熱量較多而轉(zhuǎn)化成過熱水，過熱水的溫度可以達(dá)到100℃～220℃。當(dāng)過熱水被釋放時(shí)，轉(zhuǎn)化為蒸汽，成為太陽能中溫應(yīng)用的熱源。

大接收角cpc復(fù)合拋物面內(nèi)聚光真空管的特點(diǎn)：

1、具有比較高的聚光比：

計(jì)算表明其聚光比c＝3.4～4.0；

2、具有真空管的集熱特性；

3、具有cpc復(fù)合拋物面的聚光特性；

4、受熱管2表面涂覆有太陽能光熱轉(zhuǎn)換選擇性吸收涂層，該涂層具有高吸收率和低發(fā)射率；

5、由于聚光比值較高，因而能夠提高真空管的空曬溫度：

在標(biāo)準(zhǔn)太陽輻射強(qiáng)度(ea＝800w/m²)的照射下，該內(nèi)聚光真空管的空曬溫度能夠達(dá)到380℃以上。

6、不對(duì)稱的接收角cpc復(fù)合拋物面反光板具有高性能的反光膜8：

該反光膜8由金屬板表面拋光和涂鍍而成，反光性能優(yōu)良，對(duì)入射的太陽光線進(jìn)行反射與聚光。

7、大接收角為：

側(cè)接收角θa＝40～65°

該接收角對(duì)應(yīng)南北方向安裝時(shí)，一天中能有效采光時(shí)間為5h20m～8h40m；

8、大接收角cpc復(fù)合拋物面反光板3及其上的反光膜8，便于加工成型，反光性能優(yōu)良：

該反光板與反光膜加工成型后，具有優(yōu)良的反光與聚光性能，能將入射的太陽光線有效地反射與聚光到受熱體玻璃管表面。

另，本發(fā)明中集熱管1內(nèi)設(shè)有消氣劑9為類似真空管中常見技術(shù)手段，不再贅述。本發(fā)明采用盲管結(jié)構(gòu)達(dá)到熱水上升，冷水下降的自流方式，將熱水送到集水箱內(nèi)。

實(shí)施例：

如圖4，受熱管2大接收角cpc復(fù)合拋物面內(nèi)聚光集熱管1的主要技術(shù)參數(shù)如下：

外罩玻璃管外徑d2＝120mm，外罩玻璃管內(nèi)徑d1＝114mm，外罩玻璃管壁厚δ1＝3mm，反光板材料厚度δ3＝0.5mm，反光板開口寬度b＝mm'＝137mm，受熱體玻璃管外徑d2＝30.54mm，受熱體玻璃管內(nèi)徑d1＝27.54mm，受熱體玻璃管壁厚δ2＝1.5mm。

漸開線方程式及相關(guān)技術(shù)參數(shù)：

基礎(chǔ)圓直徑φ0＝d2＝30.54mm，基礎(chǔ)圓半徑

漸開線方程式:

在x-y坐標(biāo)系中,

x＝a(cost+tsint)

y＝a(sint-tcost)

式中t為漸開線上一點(diǎn)對(duì)應(yīng)基礎(chǔ)圓φ0的圓切角(以弧度值表示)，bvc及其對(duì)稱曲線bv'c'即為基礎(chǔ)圓φ0漸開線中的兩個(gè)實(shí)用部分。

在u-v坐標(biāo)系中，拋物線方程(c點(diǎn)為拋物線原點(diǎn))：

u²＝2pv

u²＝4(gc)v式中p＝2gc

式中g(shù)c長度可按數(shù)學(xué)計(jì)算得出，也可由計(jì)算機(jī)繪圖中測(cè)量出。

c點(diǎn)為右拋物線原點(diǎn)，c'點(diǎn)為左拋物線原點(diǎn)。

其中：t'點(diǎn)為截短角的截短點(diǎn)，tt'為截短后雙拋物線之間開口寬度，也有b＝tt'＝113mm(即為拋物線開口寬度)。

接收角為θa＝55°,截短角θt＝70°。

bvnt曲線及其對(duì)稱的bv'n't'曲線為復(fù)合拋物線，該曲線的特性符合上述漸開線方程式與拋物線方程式。該cpc復(fù)合拋物線就是大接收角cpc復(fù)合拋物面的橫截面曲線。n點(diǎn)為復(fù)合拋物線曲線bvnt上的任意一點(diǎn)。pn為入射光線，pn在cpc復(fù)合拋物線上的反射光線nq在焦點(diǎn)g點(diǎn)下方的運(yùn)行，必然會(huì)落到基礎(chǔ)圓φ0的圓周上。實(shí)現(xiàn)反射光線，在基礎(chǔ)圓φ0圓周上的聚光。而基礎(chǔ)圓φ0即為受熱管2的外徑。受熱管2的外表面涂以太陽能光熱轉(zhuǎn)換選擇性吸收涂層，該涂層8吸收從cpc復(fù)合拋物面反光板3反射并聚光的太陽能光線熱能。為受熱管2加熱，進(jìn)而加熱受熱管2中的水，成為熱水。當(dāng)以產(chǎn)生蒸汽為目的時(shí)，受熱管2中安裝傳熱翅片與金屬水管。金屬水管中的水受熱轉(zhuǎn)換為過熱水，當(dāng)過熱水被釋放時(shí)產(chǎn)生100～200℃的蒸汽，滿足用戶要求。

cpc復(fù)合拋物面內(nèi)聚光真空管太陽能集熱器的基本性能參數(shù)：

1、關(guān)于聚光比c值：

式中b＝tt'＝113mmd2＝φ0＝30.54mm

即得：

2、關(guān)于工作溫度為140℃時(shí)集熱器蒸汽生產(chǎn)量：

集熱管1規(guī)格：φ×δ1×ι＝φ120×3×2100(mm)；

單板集熱器中的真空管排列數(shù)量n：

采取密集排列(真空管帶有縮頸結(jié)構(gòu))，在2000mm寬度上，排列16根真空管，即有n＝16(根)；

單板集熱器有效采光面積s：

s＝d2×c×n＝0.12×2×16＝3.84m²

標(biāo)準(zhǔn)太陽輻射強(qiáng)度ea：

ea＝800w/m²

100℃時(shí)的熱水熱焓值h水100，設(shè)自然水溫ta＝20℃

h水100＝(100-20)＝80kcal/kg＝334.4kj/kg

140℃時(shí)蒸汽的熱焓值h汽140：

h汽140＝2676kj/kg

140℃時(shí)該集熱器動(dòng)態(tài)集熱熱效率μd140：

μd140＝0.4490

計(jì)算工作溫度t＝100℃時(shí)的集熱器輸出熱量q100

q100＝ea×s×μd100

＝800x3.84x0.4777

＝1467.5w/板

計(jì)算工作溫度t＝140℃時(shí)集熱器輸出熱量q140：

q140＝ea×s×μd140

＝800×3.84×0.4490

＝1379.3w/板

計(jì)算單板工作溫度為t＝100℃時(shí)的每小時(shí)開水產(chǎn)量g水/h

計(jì)算單板工作溫度為t＝140℃時(shí)的每小時(shí)蒸汽產(chǎn)量g汽/h：

計(jì)算10塊集熱板工作溫度為t＝100℃時(shí)每小時(shí)開水產(chǎn)量g水/10板h

g水/10板＝10×g水＝10×15.8＝158kg/h

計(jì)算每小時(shí)產(chǎn)10kg蒸汽(t＝140℃)需要集熱板的數(shù)量n：

即54板集熱器每小時(shí)可生產(chǎn)100℃開水(一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下)量為：

100kg/小時(shí)。

關(guān)鍵技術(shù)問題：

1、大接收角cpc復(fù)合拋物面反光板3的形狀與尺寸參數(shù)的計(jì)算與加工：

大接收角cpc復(fù)合拋物面反光板3的形狀與尺寸參數(shù)是決定該真空管內(nèi)聚光性能的關(guān)鍵零部件。必須按基礎(chǔ)圓φ0的漸開線方程式與接收角θa＝55°時(shí)所形成的拋物線原點(diǎn)c點(diǎn)以及相應(yīng)的u-v坐標(biāo)系、拋物線焦距因子gc、拋物線方程式等，繪制出接收角θa＝55°的cpc復(fù)合拋物線。大接收角cpc復(fù)合拋物面反光板3的橫截面曲線必須符合θa＝55°的cpc復(fù)合拋物線。要加工出符合θa＝55°的cpc復(fù)合拋物線要求的反光板3，必須先加工出符合其形狀與尺寸參數(shù)的精密模具與檢具，再以該精密模具加工出反光板3，并以該檢具對(duì)反光板3進(jìn)行檢測(cè)，保證反光板3的加工質(zhì)量。反光板3可以用薄鋼板沖壓成型、再進(jìn)行表面處理，也可以用拋光鋁板進(jìn)行沖壓成型。

2、大接收角cpc復(fù)合拋物面反光板3應(yīng)具有的優(yōu)良反光性能：

用薄鋼板沖壓成型的反光板3，表面進(jìn)行鍍膜處理，達(dá)到高度光潔度，獲得優(yōu)良反光性能。

用拋光鋁板沖壓成型的反光板3，本身具有高度光潔度，具有優(yōu)良反光性能。

用非拋光鋁板沖壓成型的反光板3，再進(jìn)行表面拋光處理，達(dá)到高度光潔度，具有優(yōu)良反光性能。

最后，應(yīng)當(dāng)指出，以上實(shí)施例僅是本發(fā)明較有代表性的例子。顯然，本發(fā)明不限于上述實(shí)施例，還可以有許多變形。凡依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實(shí)質(zhì)對(duì)以上實(shí)施例所做的任何簡單修改、等同變化及修飾，均應(yīng)認(rèn)為屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。