太阳能热吸收器以及塔式太阳能热发电器的制造方法
【专利摘要】本公开提出了一种太阳能热吸收器，其特征在于，包括：窗口，其上盖有透光密封材料(2)；进气壳体(4)，设置在所述窗口的一侧，并开有工质入口；吸热管座(8)，耦合于所述进气壳体和所述窗口，所述吸热管座的朝向窗口的内侧表面和窗口一起构成了集热腔(12)，所述吸热管座的朝向窗口的内侧表面上设置有吸热管(10)，所述吸热管座的外侧表面设有散热片(9)，所述吸热管座在所述吸热管和所述散热片旁设置有多个通气孔(16)，工质流经所述吸热管及散热片并通过所述通气孔流出。
【专利说明】
太阳能热吸收器以及塔式太阳能热发电器
技术领域
[0001]本公开一般地涉及太阳能应用领域，特别涉及用于太阳能集热装置。
【背景技术】
[0002]目前，随着全球的化石能源储量不断降低，可替代式能源需求越来越大。技术人员开始研究如何从太阳能、风能、水能、生物能、化学能中高效地获取电能和热能。相关的研究成果也不断出现。
[0003]在诸多的替代式能源中，太阳能是一个主要研究方向。对太阳能利用具有长期、稳定、对环境影响轻微等显著优点。
[0004]目前，太阳能发电主要有两大类型:太阳能光伏发电和太阳能热发电。太阳能光伏发电是将太阳能直接转变成电能的一种发电方式，包括光伏发电、光化学发电、光感应发电和光生物发电等。太阳能热发电是先将太阳能转化为热能，再将热能转化成电能。本领域所已知的太阳能热发电转化方式有:(一)将太阳热能直接转化成电能，如半导体或金属材料的受热温差发电；(二)是将太阳热能流入热机，带动发电机发电，这与常规热力发电类似，只不过是其热能不是来自化石能源，而是来自太阳能。
[0005]第二种转换方式目前已经发展的较为成熟，其主要是通过大量反射表面聚集太阳辐射获得热能，将热能转化成高温蒸汽驱动热机来发电，其中主要的技术方式有:太阳能槽式发电；太阳能塔式热发电；太阳能碟式热发电。在这三种技术中，塔式热发电具有潜在的最高运行温度，随着技术的进步，具有很大的高转化效率与低成本优势。
[0006]—般而言，塔式热发电是采用大量的定向反射镜将太阳光聚集到一个装在塔顶的中央热吸收器上，在热吸收器中产生较高的温度，再将热能传给工质，经过蓄热环节，再输入热动力机带动发电。主要由聚光系统、热接收系统、蓄热系统、发电系统等部分组成。
[0007]热吸收器是塔式热发电器的核心部件。在其中吸收聚光系统聚集的太阳能，产生较高的温度(100tC以上)，将工质流入其中，将热能带走进入后续的发电系统。常用的热吸收器有垂直空腔型、水平空腔型和外部受光型等类型。例如，美国专利5，323，764中描述了一种空腔式热吸收器。
[0008]空腔式热吸收器一般开设有一窗口，在窗口上覆有可透光的密封材料(多为玻璃)。聚光系统反射的太阳光线通过该窗口射入接收器的腔体，在其中产生并积蓄较高的温度和热能，将低温工质通入腔体内，循环流动的工质吸收大量热能后，变为高温高压的流体进入后续的发电系统。
[0009]根据
【发明人】的长期研究发现，现有空腔型热吸收器虽然已经达到了一定效率，但
【发明人】的实际生产、使用过程希望获得更高的使用效率和更便捷的生产方式，以进一步降低成本。例如，(I)为了实现较好的热交换效果，需要在集热腔内部设置吸热管，在实际生产中，设置吸热管的过程需要精密的操作；(2)集热腔的内部和工质热交换效率希望得到进一步的提高，使工质更达到更高的温度，便于后续发电系统的需求。
[0010]因此，目前极需一种能有效解决上述进一步的需要、生产安装方便，热传导效率高，吸热效果好，装拆维修方便的热吸收器设备。
[0011]公开内容
[0012]针对以上现有技术的缺陷，本公开的目的至少在于提供一种改进型太阳能热吸收器。
[0013]根据本公开的第一方面，提出了一种太阳能热吸收器，其特征在于，包括:窗口，其上盖有透光密封材料(2);进气壳体(4)，设置在所述窗口的一侧，并开有工质入口(13) M热管座(8)，耦合于所述进气壳体和所述窗口，所述吸热管座的朝向窗口的内侧表面和窗口一起构成了集热腔(12)，所述吸热管座的朝向窗口的内侧表面上设置有吸热管(10)，所述吸热管座的外侧表面设有散热片(9)，所述吸热管座在所述吸热管和所述散热片旁设置有多个通气孔(16)，工质流经所述吸热管及散热片并通过所述通气孔流出。
[0014]根据本公开的第二方面，所述进气壳体的内侧贴有进气壳体隔热层(5)，所述进气壳体隔热层的一侧与透光密封材料密封连接，而另一侧与所述吸热管座密封连接；热吸收器外壳(7)套在所述吸热管座之外，在所述热吸收器外壳与所述吸热管座之间限定了外部热交换区(14)，在所述热吸收器外壳上开有工质出口(15);所述集热腔是内凹式空腔体。
[0015]根据本公开的第三方面，所述透光密封为玻璃镜，所述玻璃镜置于铜垫(3)上，并密封连接于所述进气壳体，在所述玻璃镜上盖有透光盖板(I)，所述透光盖板和所述透光密封材料之间构成隔热层，将工质与环境空气间隔开。
[0016]根据本公开的第四方面，所述吸热管座由热塑性水泥构成，并且在热塑性水泥上插入所述吸热管和所述散热片，所述吸热管和所述散热片以垂直地或以一定角度被插入吸热管座。
[0017]根据本公开的第五方面，所述吸热管为圆柱体、长方体或片状体，所述散热片为二折形、圆柱体、长方体，或其他片状形状；所述通气孔的密度为每平方厘米2到20个；所述吸热管的密度为每平方厘米1-10根，直径是2.5mm 一 3mm ;所述散热片的密度为每平方厘米I到10片。
[0018]根据本公开的第六方面，所述吸热管从所述吸热管座的外侧表面被插入于所述吸热管座上，随后所述散热片也从所述吸热管座的外侧表面被插入于所述吸热管座上。
[0019]根据本公开的第七方面，所述吸热管和所述散热片在安装前就被焊接在一起，并从所述吸热管座的外侧表面被插入所述吸热管座直至所述吸热管突出于所述吸热管座的内表面之外，而所述散热片突出于所述吸热管座的外表面之外。
[0020]根据本公开的第八方面，所述工质流动的路径被限定为由所述工质入口喷入并吹向所述窗口，再经由所述通气孔流出所述集热腔并进入所述外部热交换区并由所述工质出口流出，期间所述工质流过所述吸热管和所述散热片并与所述吸热管和所述散热片发生热交换。
[0021]根据本公开的第九方面，所述吸热管及散热片采用金属材质。
[0022]根据本公开的第十方面，提出了一种塔式太阳能热发电器，使用如以上所构造的太阳能热吸收器作为吸热器件。
[0023]在本文中，术语“连接”或“耦合”被定义为两个主体之间的连接，不过不一定是直接的连接，也可包括通过其他中间节点或设备而实现的间接连接关系。
[0024]本文中所使用的术语“包括”、“具有”、“包含”、以及“含有”是开放式的连接动词。因此，一种方法或装置“包括”、“具有”、“包含”或“含有”一个或一个以上步骤或组件指的是:该方法或装置具有那些一个或一个以上步骤或组件，但并不是仅仅具有那些一个或一个以上步骤或组件，也可包括其他的本文中未提及的一个或一个以上步骤或组件。
[0025]应当理解，本公开以上的一般性描述和以下的详细描述都是示例性和说明性的，并且旨在为如权利要求所述的本公开提供进一步的解释。
[0026]附图简述
[0027]包括附图是为提供对本公开进一步的理解，它们被收录并构成本公开的一部分，附图示出了本公开的实施例，并与本说明书一起起到解释本公开原理的作用。在结合附图并阅读了下面的对特定的非限制性本公开的实施例之后，本公开的其他特征以及优点将变得显而易见。其中:
[0028]图1示出了根据本公开的一个方面的改进型空腔式太阳能热吸收器的剖面图。
[0029]图2是根据本公开的一个方面的改进型空腔式太阳能热吸收器中集热腔的内部的剖面图。
[0030]图3是根据本公开的一个方面的改进型空腔式太阳能热吸收器中的热吸收器吸热管座上吸热管和散热片的设置示意图。
[0031]图4是根据本公开的一个方面的改进型空腔式太阳能热吸收器中的热吸收器吸热管座上吸热管和散热片的第二种设置示意图。
[0032]图5是根据本公开的一个方面的改进型空腔式太阳能热吸收器中的散热片的结构三维示意图。
【具体实施方式】
[0033]参考在附图中示出和在以下描述中详述的非限制性实施例，更完整地说明本公开的多个技术特征和有利细节。并且，以下描述忽略了对公知的原始材料、处理技术、组件以及设备的描述，以免不必要地混淆本公开的技术要点。然而，本领域技术人员会理解到，在下文中描述本公开的实施例时，描述和特定示例仅作为说明而非限制的方式来给出。
[0034]在任何可能的情况下，在所有附图中将使用相同的标记来表示相同或相似的部分。此外，尽管本公开中所使用的术语是从公知公用的术语中选择的，但是本公开说明书中所提及的一些术语可能是
【发明人】按他或她的判断来选择的，其详细含义在本文的描述的相关部分中说明。此外，要求不仅仅通过所使用的实际术语，而是还要通过每个术语所蕴含的意义来理解本公开。
[0035]图1示出了根据本公开的一个方面的改进型空腔式太阳能热吸收器的剖面图。如图1所示，热吸收器的一侧(图上顶端)开有窗口，其上覆有透光密封材料2，使得从外部的太阳能反射镜面(没有示出)所聚焦而来的太阳光能通过窗口，射入热吸收器的集热腔12 (将在下文详述)。同时，在一个实施例中，窗口下方可垫有起到密封作用的铜垫3，以增加气密性。在一个实例中，密封材料上方盖有透光盖板I。该窗口可以是圆形、矩形或其他形状。为了便于加工，在一个实施例中，可采用圆形的窗口和透光密封材料2。对于透光密封材料2，可使用各种透光材料且耐高温高压的材料，在本公开的一个实施例，可使用石英玻璃来构成透光密封材料2。透光盖板I和透光密封材料2之间形成隔热层，将热吸收器之外的空间与热吸收器内的集热腔12间隔开，使得集热腔内的工质与环境空气间隔开，以减少热耗散。
[0036]根据一个实施例，窗口被固定在热吸收器的进气壳体4的上方。进气壳体的内侧贴有进气壳体隔热层5，所述进气壳体隔热层的一侧(例如，图中的上方侧)与透光密封材料2密封连接，而另一侧(例如，图中的下方侧)与吸热管座密封连接，由此，进气壳体与窗体和吸热管座构成密封的整体。如下文描述可知，由吸热管座8的内侧表面和窗口一起构成的集热腔12被设置在进气壳体4的下方。在一个实施例中，在进气壳体的一侧(例如，图上右侧)开有工质入口 13，使得待加热工质能够进入热吸收器。
[0037]根据一个实施例，工质入口通过工质流入管与外部的工质源连通。工质可以是自然工质(如，氢气、氦气、氮气、空气等气体〕、或合成工质。低温的工质从工质源中穿过工质流入管流入热吸收器，并从工质入口喷出，吹向窗口，为窗口的玻璃镜降温，降低受热破损的风险，延长使用寿命。同时低温工质从窗口附近空间吸收热量，升高温度。
[0038]根据本公开的一个实施例，吸热管座8的内侧表面和窗口一起构成了半椭球型的集热腔。根据一个实施例，集热腔是一个内凹式空腔体。根据一个实施例，内侧表面(面向空腔空间的表面)上设置有大量吸热管10，外侧表面设有大量散热片9，同时吸热管座上有众多通气孔16，使工质可以流通。吸热管座密封地套入热吸收器外壳7。热吸收器外壳7的外表面附有保温层6，并且热吸收器外壳7与吸热管座8之间限定了外部热交换区14。在以往的集热器设计中，当工质通过通气孔16从集热腔12流出后，一般就直接通过热吸收器外壳流出。经过测算，在通过热吸收器外壳后，工质的温度会降低10%左右，由此带来了不必要的能量损失。为解决此问题，本公开特别设计了外部热交换区14。当工质通过通气孔16从集热腔12流出后进入外部热交换区14。如图所示并且如前所述，吸热管座8面向外部热交换区14的外侧表面上设有大量散热片9。这一方面限定了工质的流动方向，减缓了工质的流出速度，另一方面使得工质在流动过程中(即，向着图中下方的出口流动期间)，能进一步与散热片9发生热交换，获取额外的加热效果。由此，在工质的流动期间，温度没有显著下降，得到了显著的效能保存。如图所示，在热吸收器外壳7上开有工质出口 15，使工质流出并进入后续的发电机。
[0039]图2是根据本公开的一个方面的改进型空腔式太阳能热吸收器中集热腔的内部的剖面图。从图上可以看到，集热腔的内部表面呈曲面型状，限定了一个足够大的空腔形状。流入的工质(例如，空气)可以在空腔中受到阳光的加热，升高温度。集热腔的内壁上遍布有通气孔16。升温后的工质经由通气孔16从集热腔12流出，进入热吸收器外壳7与吸热管座8之间限定的外部热交换区14。根据一个较佳实施例，通气孔16的密度为每平方厘米2到20个。在一个较佳实施例中，通气孔16的密度可以是每平方厘米4个、6个或8个。
[0040]根据本公开的一个实施例，吸热管10被设计为圆柱体或长方体，或其他突出的片状形状(图中示例性地示出为柱状体)，只要能与工质发生充分的表面接触即可。吸热管10被垂直地或以一定角度(例如，垂直于侧面表面的切线方向或与切线方向成80 — 110度)地安装在吸热管座8的内侧表面上并靠近通气孔16，向集热腔12内突出，由此在阳光照射下吸收热量。根据一个实施例，吸热管10的密度为每平方厘米1-10根。在一个较佳实施例中，吸热管10的密度可以是每平方厘米2根或4根。根据一个实施例，吸热管10的直径为lmm-5mm。在一个较佳实施例中，吸热管10的直径可以是2.5mm 一 3_。由于设置了吸热管10，工质在流入通气孔16时与吸热管10的表面发生充分接触，产生了热交换，带走了吸热管10所吸收的热量，进一步提高了工质温度。
[0041]同理，根据本公开的一个实施例，散热片9被设计为二折形，即由两个平面形状成一定角度耦合在一起。当然在其他实施例中，散热片9也可被设计为圆柱体或长方体，或其他突出的片状形状，只要能与工质发生充分的表面接触即可。散热片9被垂直地或以一定角度(例如，垂直于侧面表面的切线方向或与切线方向成80 — 110度)地安装在吸热管座8的外侧表面上并靠近通气孔16，向外部热交换区14突出，由此吸收外部热交换区14内由工质散发的热量，或是在一个实施例中与吸热管10耦合并将吸热管10的热量传导过来。根据一个实施例，散热片9的密度为每平方厘米I到10片。在一个较佳实施例中，散热片9的密度可以是每平方厘米2片或6片。由于设置了散热片9，工质在流出通气孔16后在外部热交换区14内也可以与散热片9的表面发生充分接触，产生了热交换，带走了散热片9上的热量，进一步保持了工质温度不会出现明显下降。
[0042]根据一个实施例，吸热管和散热片为金属材料，例如，铜、锡、镍等导热良好的耐高温金属。当然，在其他实施例中，本领域技术人员也可以采用其他材质，例如:铁镍合金、铜镍合金等耐高温材料。
[0043]通过设置吸热管10和散热片9，产生了多种意料不到的技术效果。例如，在一个实施例中，吸热管10确保了入射的太阳光能被充分反射到集热腔的内侧表面上，充分提高了集热腔的内侧表面的温度。同时，一部分的入射的太阳光的温度也被吸热管所吸收，此时，吸热管也极大地增大了集热腔的吸热面积。使得集热腔的内侧表面和吸热管的温度得到了充分的提高。在一个实施例中，散热片和吸热管设置在通气孔旁边，增大了与工质的接触面积，同时因为金属导热比工质导热速度快，散热片和吸热管极大地增加了导热的效率。由此，当工质在集热腔内流动时，或是在流出通气孔并处于外部热交换区时，均会与吸热管与散热片发生充分的热接触和热交换，确保了工质能吸收足够的热量。
[0044]图3是根据本公开的一个方面的改进型空腔式太阳能热吸收器中的热吸收器吸热管座上的吸热管10和散热片9的设置示意截面图。根据一个实施例，吸热管座8可以由热塑性水泥构成，在热塑性水泥的形成后期插入吸热管和散热片，以形成图1中的所示配置结构。图3上吸热管座8的右侧为集热腔，左侧为外部热交换区14。具体而言，先将吸热管10从外侧(即，外部热交换区的一侧)插入吸热管座8，直至吸热管10突入集热腔并露出一定长度。随后，将散热片9也从外侧(S卩，外部热交换区的一侧)插入吸热管座8，使得散热片9向着外部热交换区14的一侧突出。
[0045]图4是根据本公开的一个方面的改进型空腔式太阳能热吸收器中的热吸收器吸热管座上吸热管和散热片的第二种设置示意截面图。根据另一个实施例，先将吸热管10与散热片9焊接，在吸热管座8的热塑性水泥的形成后期插入，使吸热管突出于内侧，散热片突出于吸热管座外侧。该配置结构简单、便于生成产，节约了生产成本。同样，图4上吸热管座8的右侧为集热腔，左侧为外部热交换区14。具体而言，将焊接耦合在一起的散热片9和吸热管10从外侧(即，外部热交换区的一侧)插入吸热管座8，直至吸热管10突入集热腔并露出一定长度。此时，散热片9向着外部热交换区14的一侧突出。从图4上可见，由于散热片9和吸热管10焊接在一起，且吸热管10被插入吸热管座8并被固定，散热片9可以完全不插入吸热管座8。当然，在另一个实施例中，为了稳固起见，可以继续插入使得散热片9的一部分也没入吸热管座8中(图上没有示出)。
[0046]图5是根据本公开的一个方面的改进型空腔式太阳能热吸收器中的散热片的结构三维示意图。本领域技术人员都知道，这仅仅是示出了一个示例性造型。散热片9可被设计为能与工质发生充分的表面接触的任何三维突出形状，例如:圆柱体、长方体、片状体，等等。图5示出的示例性造型是二折型，即将两片平面状材质板以一定角度耦合在一起，耦合角度可以是90度到135度。这样的设计可以限定一条工质流动路径，并增大与工质的热交换面积。由此形成的散热片9被插入吸热管座8的外侧表面上并靠近通气孔16。为了清楚起见，图5没有示出吸热管座8，但可以认识到，图5中散热片9的上部被插入吸热管座
8。工质从通气孔16流出。由于散热片9被设计为二折型，由此限定了一条虚拟的工质通路，如箭头A所示。从通气孔16流出的工质沿着箭头A的方向流动，由此与散热片9的表面发生充分的接触和热交换。
[0047]根据以上图1-5所示的结构，在工作时，太阳光由反射镜面(没有示出)反射聚集在热吸收器通过窗口透过密封材料2 (可以是双层透光密封材料2)进入集热腔内，入射到内表面上的吸热管10上，一部分太阳光被吸热管10的表面所吸收，另一部分被吸热管10的表面所反射，射入集热腔的内表面上，由此，充分加热了集热腔、集热腔内表面、吸热管
10、以及散热片9。此后，工质通过工质流入管流入热吸收器，并从工质入口喷出，经过透光密封材料2的内表面，带走了其上的热量，并进入集热腔。工质随后吸收了集热腔内的热量，并且与集热腔内表面和吸热管10发生充分热交换，成为高温工质并通过通气孔进入外部热交换区14。工质在外部热交换区内继续与散热片9发生充分热交换，继续升温(或保持温度不出现明显降低)。进而，通过工质出口流出，进入后续的发电热机。
[0048]根据本公开的以上诸个实施例所提供的热吸收器具有如下优点:
[0049]一、集热腔内的吸热器和散热片的设置增加了吸热效率，并延长了与工质的接触时间，进一步升高了工质的温度，提高了与工质的热接触和热交换效率；
[0050]二、直接将吸热管和散热片从外侧插入基座，简化了生产过程，提高了生产效率；
[0051]三、通过工质与吸热管和散热片的充分热交换，保证了工质流出出口时的温度，提高了工作效率。
[0052]根据以上所提出的太阳能热吸收器，不仅仅可用于塔式太阳能热发电器，也同样可以用于其他太阳能热发电器作为吸热器件，诸如，可以用于碟式太阳能热发电器作为中央热吸收器。
[0053]鉴于本公开内容，可在不进行过度实验的情况下执行本公开中公开和要求保护的所有方法。虽然已经按照优选实施例来描述了本公开的装置和方法，但本领域普通技术人员可显而易见，可对本公开中描述的方法和方法的步骤或步骤顺序应用多种变型，而不背离本公开的概念、精神和范围。此外，可对所公开的装置做出修改，且可从本公开描述的组件中排除或替代多个组件，并实现相同或相似的结果。对本领域普通技术人员显而易见的所有这些相似的替代和修改被视为在由所附权利要求所限定的本公开的精神、范围以及概念以内。
【主权项】
1.一种太阳能热吸收器，其特征在于，包括: 窗口，其上盖有透光密封材料(2); 进气壳体(4)，设置在所述窗口的一侧，并开有工质入口(13)； 吸热管座(8)，耦合于所述进气壳体和所述窗口，所述吸热管座的朝向窗口的内侧表面和窗口一起构成了集热腔(12)，所述吸热管座的朝向窗口的内侧表面上设置有吸热管(10)，所述吸热管座的外侧表面设有散热片(9)，所述吸热管座在所述吸热管和所述散热片旁设置有多个通气孔(16)，工质流经所述吸热管及散热片并通过所述通气孔流出。2.如权利要求1所述的太阳能热吸收器，其特征在于，所述进气壳体的内侧贴有进气壳体隔热层(5)，所述进气壳体隔热层的一侧与透光密封材料密封连接，而另一侧与所述吸热管座密封连接； 热吸收器外壳(7)套在所述吸热管座之外，在所述热吸收器外壳与所述吸热管座之间限定了外部热交换区(14)，在所述热吸收器外壳上开有工质出口(15); 所述集热腔是内凹式空腔体。3.如权利要求2所述的太阳能热吸收器，其特征在于，所述透光密封为玻璃镜，所述玻璃镜置于铜垫(3)上，并密封连接于所述进气壳体，在所述玻璃镜上盖有透光盖板(1)，所述透光盖板和所述透光密封材料之间构成隔热层，将工质与环境空气间隔开。4.如权利要求3所述的太阳能热吸收器，其特征在于，所述吸热管座由热塑性水泥构成，并且在热塑性水泥上插入所述吸热管和所述散热片，所述吸热管和所述散热片以垂直地或以一定角度被插入吸热管座。5.如权利要求4所述的太阳能热吸收器，其特征在于，所述吸热管为圆柱体、长方体或片状体，所述散热片为二折形、圆柱体、长方体，或其他片状形状； 所述通气孔的密度为每平方厘米2到20个； 所述吸热管的密度为每平方厘米1-10根，直径是2.5mm - 3mm ； 所述散热片的密度为每平方厘米I到10片。6.如权利要求4所述的太阳能热吸收器，其特征在于，所述吸热管从所述吸热管座的外侧表面被插入于所述吸热管座上，随后所述散热片也从所述吸热管座的外侧表面被插入于所述吸热管座上。7.如权利要求4所述的太阳能热吸收器，其特征在于，所述吸热管和所述散热片在安装前就被焊接在一起，并从所述吸热管座的外侧表面被插入所述吸热管座直至所述吸热管突出于所述吸热管座的内表面之外，而所述散热片突出于所述吸热管座的外表面之外。8.如权利要求4所述的太阳能热吸收器，其特征在于，所述工质流动的路径被限定为由所述工质入口喷入并吹向所述窗口，再经由所述通气孔流出所述集热腔并进入所述外部热交换区并由所述工质出口流出，期间所述工质流过所述吸热管和所述散热片并与所述吸热管和所述散热片发生热交换。9.如权利要求4所述的太阳能热吸收器，其特征在于，所述吸热管及散热片采用金属材质。10.一种塔式太阳能热发电器，其特征在于，使用如权利要求1-9中任意一项所述的太阳能热吸收器作为吸热器件。
【文档编号】F24J2/46GK105987521SQ201510085031
【公开日】2016年10月5日
【申请日】2015年2月16日
【发明人】吴建农
【申请人】浙江同景新能源集团有限公司