專利名稱：含內凹玻璃罩的球形腔式太陽能吸熱器的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種腔式太陽能吸熱器，特別涉及一種應用于蝶式太陽能高溫熱利用系統中的含內凹玻璃罩的高效球形腔式吸熱器。
背景技術：
隨著社會生產的進步與發展，隨著人民生活水平的提高，能源需求還將大幅度增長。當前全球一次性能源構成主要是以化石燃料為主體，但化石燃料作為地球的不可再生能源，一方面在不久的將來會枯竭，另一方面大量化石燃料的使用又造成了環境污染和生態破壞，嚴重地威脅著人們的健康。因此，開發和利用新能源符合可持續發展戰略。太陽能是太陽內部連續不斷的核聚變過程產生的能量，是各種可再生能源(包括生物質能、風能、 海洋能、水能等)中最重要的基本能源。太陽能作為一種對環境不產生污染的新能源，取之不盡，用之不竭。太陽能高溫熱利用是太陽能利用中的重要項目。在太陽能熱發電領域，蝶式太陽能熱發電系統已經成為最重要的三種太陽能熱發電方式之一。而蝶式太陽能高溫熱利用系統同時擁有聚光比高、結構簡單、可模塊化、特別適用于分布式能源等優勢，它在其他高溫熱利用場合都有廣泛的應用前景。腔式吸熱器是蝶式太陽能高溫熱利用系統中將聚集的太陽光轉化成熱能的裝置， 其光-熱轉化效率決定了蝶式太陽能系統的熱利用效率。對于腔式吸熱器的性能和特點的研究，國內外學者做過大量的實驗研究和理論分析，研究主要集中在分析腔式吸熱器的熱量損失。腔式吸熱器的熱損由四部分組成(1)太陽光通過腔口的反射損失；(2)通過吸熱器壁面的導熱損失；(3)空氣通過腔口的對流損失；(4)通過腔口的熱輻射損失。研究重點主要集中在腔式吸熱器的外形、結構、導熱介質三個方面，這三個方面的具體研究現狀為
1.腔式吸熱器的外形種類主要包括圓柱形、圓臺形、圓錐形、方腔形、球形及其他在此基礎上加以改進的形狀。腔式吸熱器的外形對四部分熱損都產生影響，目前的研究主要集中在定性分析其中的一至兩種熱損隨外形的變化情況，對腔式吸熱器的四種熱損缺少定量的研究和比較。2. 從結構上分類，腔式吸熱器分為開口式和帶玻璃窗式兩種。開口式的腔式吸熱器使聚集光在通過腔口時幾乎不損失能量，但開口這一特點使得光線、熱輻射射線更易通過腔口離開腔體，且空氣易進入腔體，通過與換熱盤管管壁的對流換熱帶走熱量。帶玻璃窗的腔式吸熱器則有效減弱了上述熱損，但由于玻璃窗位于腔口處，所以對光線產生了一定的反射，進入的腔體的光能要少于開口式的腔式吸熱器。3.腔式吸熱器導熱介質主要有空氣、熔融鹽、導熱油、相變儲能材料、熱化學儲能材料等，各種介質適用的場合有所不同。熔融鹽和空氣均適用于高溫熱利用場合，但各有不足。熔融鹽容易遇冷凝固，所以需要配合解凍裝置，如電熱絲，增加了能耗。雖然空氣的工作溫度可以超過1000°c，但空氣熱容量小，傳熱性能差，不能滿足大功率蝶式太陽能系統的吸熱和傳熱要求。導熱油具有熱容量大，傳熱性能佳，使用壽命長等優點，在500°c以下的中高溫熱利用中得到廣泛應用。相變儲能材料、熱化學儲能材料的研究近年來取得了較好的進展，相變儲能材料、熱化學儲能材料具有熱容量大，換熱系數高的特點，已經開始應用于太陽能高溫熱利用領域。總之，現有腔式吸熱器種類繁多，但缺少光-熱轉化效率高、結構簡單、適用范圍廣的腔式吸熱器，蝶式太陽能高溫熱利用領域迫切需要高效的腔式吸熱器。
發明內容
本發明的目的在于克服了現有技術的不足，提出含內凹玻璃罩的球形腔式太陽能吸熱器。該腔式吸熱器能有效地降低熱量損失，提高光-熱轉化效率。含內凹玻璃罩的球形腔式太陽能吸熱器，包括殼體、內凹式玻璃罩、反光式擋風板、換熱盤管和聚光碟，所述的腔式吸熱器整體結構為帶開口的球形腔體，其中殼體的結構為帶開口的球形腔體，內凹式玻璃罩也為帶開口的球形腔體；玻璃罩的球心與殼體的球心重合，且玻璃罩與殼體的開口朝向一致，開口面均為圓形，兩個圓與球心形成的兩個圓錐形的頂角相等，所述頂角大小與聚光碟的開口張角大小相等；開口面正對聚光碟；換熱盤管貼近殼體內壁面呈螺旋狀排列，殼體的開口位于殼體底端，換熱盤管的導熱流體出口位于殼體頂端處，換熱盤管的導熱流體入口位于殼體底端處；反光式擋風板為上下開口的圓臺形板，其頂部邊緣與玻璃罩開口開口無縫相接，反光式擋風板的側面與殼體開口無縫相連， 形成一個由殼體、玻璃罩、擋風板構成的密封區域。上述的含內凹玻璃罩的球形腔式太陽能吸熱器中，所述的殼體為雙層鋼制結構， 包括內殼、外殼和由內外殼之間形成的真空層；殼體的開口位豎直朝下，殼體分為上半殼和下半殼兩部分，上下半殼的相交面水平且通過殼體的球心，上下半殼通過四對螺栓螺母相連，相接處使用密封橡膠圈；密封圈中部有若干通氣小孔，使上下殼體的真空層相連通；下殼的底部設有一個供換熱盤管下端導熱流體入口穿過的管孔，上殼的頂部設有一個供換熱盤管上端導熱流體出口穿過的管孔，管孔四周密封；下殼底部設有用于抽真空過程中連接抽真空機器的抽氣孔，抽氣孔配有用于密封的橡膠塞。上述的含內凹玻璃罩的球形腔式太陽能吸熱器中，換熱盤管貼近殼體內殼壁面呈螺旋狀排列。上述的含內凹玻璃罩的球形腔式太陽能吸熱器中，所述玻璃罩采用高透光率的耐高溫石英玻璃，透光率大于0. 95 ；玻璃罩表面光滑且厚度為2mm-4mm。上述的含內凹玻璃罩的球形腔式太陽能吸熱器中，所述的聚光碟的表面為拋物面，聚光碟的焦點位于玻璃罩開口面的中心點，聚光碟外緣與焦點的連線與豎直線的夾角為聚光碟的半張角，半張角的范圍為30° -45°，半張角的兩倍即為聚光碟的張角。上述的含內凹玻璃罩的球形腔式太陽能吸熱器中，所述的換熱盤管采用雙螺旋或多螺旋結構，所述雙螺旋或多螺旋結構指兩根或多根直管并列按設定的螺距進行螺旋形成的結構。上述的含內凹玻璃罩的球形腔式太陽能吸熱器中，相鄰盤管外壁之間間距 lmm-2mm，盤管緊貼殼體內側排布，管內流動的導熱流體采用耐高溫的導熱油、相變儲能材料、熱化學儲能材料中的一種。上述的含內凹玻璃罩的球形腔式太陽能吸熱器中，所述的換熱盤管由導熱率高的紫銅或鋁或鋁合金制成，換熱盤管的外壁面為粗糙表面。上述的含內凹玻璃罩的球形腔式太陽能吸熱器中，所述反光式擋風板為上下開口的圓臺形薄板，其側面均具有反射功能，反光式擋風板的外側即面向聚光碟的一側為鏡面， 能反射光線；反光式擋風板的內側即背向聚光碟的一側涂有紅外反射涂料，能反射熱輻射射線。本發明所述換熱盤管采用雙螺旋或多螺旋結構，即導熱流體從入口進入后分成兩股或多股支流分別沿并行的換熱盤管流向出口。雙螺旋或多螺旋結構相對單螺旋結構而言，能有效地降低流體沿管程的壓力損失，同時可增大流體流量，以及時帶走腔內熱量，提高換熱效率。與現有技術相比較，本發明具有以下優點
1.捕獲光線能力強，反射光損失少。該腔式吸熱器采用含內凹式玻璃罩的結構，在腔口處對光線不產生反射作用，同時入射光線進入腔體后更易被壁面吸收或在玻璃罩內壁間發生多重反射，不易溢出腔口。反光式的擋風板能通過反射作用使部分偏離的入射光進入腔內，增強了光線捕捉能力。2.空氣與換熱盤管之間的對流熱損失小。由于殼體、玻璃罩和擋風板形成了封閉的區域，使得外界的冷空氣無法直接與高溫換熱盤管管壁進行對流換熱，從而降低了腔內的對流熱損失。擋風板對外界自然風有很好的阻擋效果，能減弱外界風力引起的強制對流， 也降低了腔內的對流熱損。3.熱輻射損失得到有效控制。由于存在玻璃罩的阻擋，吸熱器的熱輻射射線容易在玻璃罩和管壁間發生多重反射，減弱了通過腔口的熱輻射量。由于反光式擋風板的腔內一側涂有紅外反射涂料，使其能反射部分熱輻射，降低擋風板的溫度和吸熱器的熱輻射損失。4.通過殼體的導熱損失減少，且殼體易于拆卸和組裝。與傳統的腔式吸熱器采用填充保溫材料來達到保溫效果不同，該腔式吸熱器采用真空保溫。殼體中部被抽至接近真空，能有效降低殼體壁面導熱率，減少通過殼體壁面的導熱損失。殼體由上下兩部分組成， 兩者通過螺栓和密封圈緊密相連，必要時可拆卸并清理或更換內部組件。
圖1是本含內凹玻璃罩的球形腔式太陽能吸熱器的軸向剖面結構示意圖。圖2是本含內凹玻璃罩的球形腔式太陽能吸熱器的仰視圖。圖3是圖1中A區的局部放大示意圖。附圖中1-外殼；2-真空層；3-內殼；4-換熱盤管；5-導熱流體；6_螺栓；7_抽氣孔；8-聚光碟；9-流體出口 ； 10-球形玻璃罩外壁；11-球形玻璃罩內壁；
12-通氣小孔；13-橡膠密封圈；14-擋風板內側；15-流體入口 ；16-擋風板外側； 17-焦點；18-腔口 ； 19一22-熱輻射射線；23-偏離的入射光；24-理想的入射光。
具體實施例方式以上內容已經對本發明的內容做了清楚的說明，以下再結合附圖對本發明的具體實施方式
作進一步描述，但本發明的實施和保護范圍不限于此。
圖1-圖2為本發明結構示意圖。含內凹玻璃罩的球形腔式太陽能吸熱器包括外殼 1 ；真空層2 ；內殼3 ；換熱盤管4 ；導熱流體5 ；螺栓6 ；抽氣孔7 ；聚光碟8 ；流體出口 9 ；球形玻璃罩外壁10 ；球形玻璃罩內壁11 ；通氣小孔12 ；橡膠密封圈13 ；擋風板內側14 ；流體入口 15 ；擋風板外側16 ；焦點17 ；腔口 18。所述腔式吸熱器整體結構為帶開口的球形腔體，其中殼體的結構為帶開口的球形腔體，內凹式玻璃罩也為帶開口的球形腔體；玻璃罩的球心與殼體的球心重合，且玻璃罩與殼體的開口朝向一致，開口面均為圓形，兩個圓與球心形成的兩個圓錐形的頂角相等，所述頂角大小與聚光碟的開口張角大小相等；開口面正對聚光碟；換熱盤管貼近殼體內壁面呈螺旋狀排列，殼體的開口位于殼體底端，換熱盤管的導熱流體出口位于殼體頂端處，換熱盤管的導熱流體入口位于殼體底端處；反光式擋風板為上下開口的圓臺形板，其頂部邊緣與玻璃罩開口開口無縫相接，反光式擋風板的側面與殼體開口無縫相連，形成一個由殼體、玻璃罩、擋風板構成的密封區域。本腔式吸熱器的組裝順序為由內到外，由下到上。首先在下殼體上固定擋風板，在擋風板頂端固定球形玻璃罩10，然后將已經制造完成的螺旋式的導熱盤管固定在下殼上制造，最后將上殼通過螺栓6和橡膠密封圈13連接到下殼上。通過抽氣孔7將殼體中間抽至接近真空，以達到保溫隔熱效果。太陽光通過聚光碟聚集后進入腔體，但由于實際的聚光碟的表面并非理想拋物面，聚光碟的表面存在斜度誤差，所以經聚光碟反射后的光線有三種1.光線通過焦點進入腔體；2.光線未通過焦點但通過腔口進入腔體，3.光線經聚光碟反射后，因發生的偏離角度較大而不能通過腔口。將第1種和第2種光線稱為理想光線，即能一次性通過腔口的入射光線，第3種光線稱作偏離光線，即不能一次性通過腔口的入射光線。顯然，越靠近聚光碟外緣的入射光容許的偏離角度越小，導致偏離光線的數量較多。本腔式吸熱器的反光式擋風板可以通過鏡面反射作用將聚光碟外緣的偏離光線反射入腔內。如圖1所示，理想光線M通過腔口后進入腔體，在碰到玻璃罩后絕大部分光能透過玻璃罩被換熱盤管外壁吸收，少量光能以反射光的形式在玻璃罩內壁間彈射。偏離光線23經反光式擋風板鏡面反射后進入腔體，反光式擋風板的存在使得原本發生了偏離的入射光線能進入腔體，提高了腔體了光線捕捉能力。而球形玻璃罩的高透光率和多重反射作用使得進入腔體的光線更易被高效吸收。所述玻璃罩采用高透光率的耐高溫石英玻璃，透光率大于0.95 ；玻璃罩表面光滑且厚度為2mm-4mm。聚光碟的表面為拋物面，聚光碟的焦點位于玻璃罩開口面的中心點，聚光碟外緣與焦點的連線與豎直線的夾角為聚光碟的半張角，半張角的范圍為 30° -45°，半張角的兩倍即為聚光碟的張角。相鄰盤管外壁之間間距lmm-2mm，盤管緊貼殼體內側排布，管內流動的導熱流體采用耐高溫的導熱油、相變儲能材料、熱化學儲能材料中的一種。換熱盤管由導熱率高的紫銅或鋁或鋁合金制成，換熱盤管的外壁面為粗糙表面。上述的含內凹玻璃罩的球形腔式太陽能吸熱器中，圓臺形的頂角即圓臺的母線與中心軸夾角的兩倍角，等于或大于聚光碟的張角；圓臺形的頂面直徑等于球形玻璃罩的開口面的直徑，圓臺的底面位于殼體外，且底面直徑大于殼體的開口面直徑，但小于殼體的最大直徑。圓臺形擋風板能將殼體和玻璃罩無縫相連。這樣的結構能保證聚焦光線無損地進入腔體，同時由于玻璃罩透光率高，絕大部分光線透過玻璃罩后被換熱盤的管壁面吸收，少量的反射光線在玻璃罩中發生多重反射，直至被壁面盤管吸收。開口式球形殼體、開口式球形玻璃罩、圓臺形擋風板三者形成的密封區域將換熱盤管與外部空氣隔離，空氣無法與內
7部高溫的管壁直接換熱，使對流熱損失大大降低。 如圖3所示，為腔內熱輻射過程示意圖。高溫的換熱盤管管壁發出熱輻射射線21 在碰到玻璃罩后將部分熱量傳給玻璃罩壁面，部分熱量由玻璃罩壁面輻射給換熱盤管管壁。熱輻射射線19在碰到擋風板內側面時，由于擋風板內側面涂有紅外反射涂料，大部分熱量被反射給換熱盤管管壁。球形玻璃罩、球形殼體和擋風板形成的封閉區域能有效地降低熱輻射損失，提高腔式吸熱器的綜合效率。反光式擋風板含兩個反射側面，外側為面向聚光碟的鏡面，用于將聚光碟表面的偏離光線反射入腔體，內側則涂有紅外反射涂料，用于反射內部的熱輻射射線，減少吸熱器的熱輻射損失。同時擋風板對自然風有很好的阻擋作用， 可以減少外界風力帶來的強制對流熱損失。
權利要求
1.含內凹玻璃罩的球形腔式太陽能吸熱器，其特征在于包括殼體、內凹式玻璃罩、反光式擋風板、換熱盤管和聚光碟，所述的腔式吸熱器整體結構為帶開口的球形腔體，其中殼體的結構為帶開口的球形腔體，內凹式玻璃罩也為帶開口的球形腔體；玻璃罩的球心與殼體的球心重合，且玻璃罩與殼體的開口朝向一致，開口面均為圓形，兩個圓與球心形成的兩個圓錐形的頂角相等，所述頂角大小與聚光碟的開口張角大小相等；開口面正對聚光碟；換熱盤管貼近殼體內壁面呈螺旋狀排列，殼體的開口位于殼體底端，換熱盤管的導熱流體出口位于殼體頂端處，換熱盤管的導熱流體入口位于殼體底端處；反光式擋風板為上下開口的圓臺形板，其頂部邊緣與玻璃罩開口開口無縫相接，反光式擋風板的側面與殼體開口無縫相連，形成一個由殼體、玻璃罩、擋風板構成的密封區域。
2.根據權利要求1所述含內凹玻璃罩的球形腔式太陽能吸熱器，其特征在于，所述的殼體為雙層鋼制結構，包括內殼、外殼和由內外殼之間形成的真空層；殼體的開口位豎直朝下，殼體分為上半殼和下半殼兩部分，上下半殼的相交面水平且通過殼體的球心，上下半殼通過四對螺栓螺母相連，相接處使用密封橡膠圈；密封圈中部有若干通氣小孔，使上下殼體的真空層相連通；下殼的底部設有一個供換熱盤管下端導熱流體入口穿過的管孔，上殼的頂部設有一個供換熱盤管上端導熱流體出口穿過的管孔，管孔四周密封；下殼底部設有用于抽真空過程中連接抽真空機器的抽氣孔，抽氣孔配有用于密封的橡膠塞。
3.根據權利要求2所述含內凹玻璃罩的球形腔式太陽能吸熱器，其特征在于換熱盤管貼近殼體內殼壁面呈螺旋狀排列。
4.根據權利要求1所述含內凹玻璃罩的球形腔式太陽能吸熱器，其特征在于，所述玻璃罩采用高透光率的耐高溫石英玻璃，透光率大于0. 95 ；玻璃罩表面光滑且厚度為 2mm-4mm0
5.根據權利要求1所述含內凹玻璃罩的球形腔式太陽能吸熱器，其特征在于，所述的聚光碟的表面為拋物面，聚光碟的焦點位于玻璃罩開口面的中心點，聚光碟外緣與焦點的連線與豎直線的夾角為聚光碟的半張角，半張角的范圍為30° -45°，半張角的兩倍即為聚光碟的張角。
6.根據權利要求1所述含內凹玻璃罩的球形腔式太陽能吸熱器，其特征在于，所述的換熱盤管采用雙螺旋或多螺旋結構，所述雙螺旋或多螺旋結構指兩根或多根直管并列按設定的螺距進行螺旋形成的結構。
7.根據權利要求6所述含內凹玻璃罩的球形腔式太陽能吸熱器，其特征在于，相鄰盤管外壁之間間距lmm-2mm，盤管緊貼殼體內側排布，管內流動的導熱流體采用耐高溫的導熱油、相變儲能材料、熱化學儲能材料中的一種。
8.根據權利要求5所述含內凹玻璃罩的球形腔式太陽能吸熱器，其特征在于，所述的換熱盤管由導熱率高的紫銅或鋁或鋁合金制成，換熱盤管的外壁面為粗糙表面。
9.根據權利要求1所述含內凹玻璃罩的球形腔式太陽能吸熱器，其特征在于，所述反光式擋風板為上下開口的圓臺形薄板，其側面均具有反射功能，反光式擋風板的外側即面向聚光碟的一側為鏡面，能反射光線；反光式擋風板的內側即背向聚光碟的一側涂有紅外反射涂料，能反射熱輻射射線。
10.根據權利要求9所述含內凹玻璃罩的球形腔式太陽能吸熱器，其特征在于，圓臺形的頂角即圓臺的母線與中心軸夾角的兩倍角，等于或大于聚光碟的張角；圓臺形的頂面直徑等于球形玻璃罩的開口面的直徑，圓臺的底面位于殼體外，且底面直徑大于殼體的開口面直徑，但小于殼體的最大直徑。
全文摘要
本發明公開了含內凹玻璃罩的球形腔式太陽能吸熱器，主要用于在蝶式太陽能高溫熱利用系統中收集太陽光并將其轉化成熱能。吸熱器主要由換熱盤管、內凹式玻璃罩、外殼、內殼、真空層、反光式擋風板、導熱流體組成。與傳統的開口式和腔口帶玻璃窗的腔式吸熱器不同，本腔式吸熱器是采用內凹玻璃罩的開口式球形吸熱器，既具有開口式腔式吸熱器捕獲光線的能力，又具有腔口帶玻璃窗的腔式吸熱器低熱損的特點。同時本腔式吸熱器具有反光式擋風板，能增強對偏離光線的捕捉，減少內壁熱輻射和外部自然風引起的對流傳熱損失。本腔式吸熱器的內外殼間含有真空層，能有效降低通過殼體損失的熱量。
文檔編號F24J2/06GK102322694SQ20111025514
公開日2012年1月18日 申請日期2011年8月31日 優先權日2011年8月31日
發明者毛青松, 龍新峰 申請人:華南理工大學