一种多维组合可调式CPC集热装置的制作方法

本发明涉及一种太阳能集热装置，特别是一种多维度的、多级的、可调节的cpc集热器装置，属于太阳能利用技术领域。

背景技术：

太阳能作为一种清洁、无污染的可再生能源，其开发和利用被认为是世界能源战略的重要组成部分。太阳能热水器已经成功的商业化，如何更有效的利用太阳能，成为了各国科学家致力研究的内容。

复合抛物面聚光器(compoundparabolicconcentrator，简称为cpc)是根据边缘光学原理设计的非成像聚光器。在理论上，接收角范围内的入射光直接或经反射都最终到达接收器上，对于给定的接受角范围它可以实现最大的聚光比，因而被应用在太阳能光热、光伏系统中，非跟踪、跟踪(二级反射器)系统中。cpc集热器具有最小的散热面积，无需跟踪装置而降低了成本，可以实现中高温集热的需求。

目前cpc太阳能中低温集热器已经得到了一定的推广应用，相对于普通的太阳能低温集热器，可以在一定范围内提高集热温度和集热效率，但目前的cpc集热器由于光学特性限制，设计的聚光比较低，无法实现较高的集热温度或者在较高的集热温度下运行太阳能集热效率很低；若设计较高的聚光比，则集热器的太阳光接收角度会很小，需要跟踪或频繁调节才能保证太阳光的接收，失去了cpc集热器的价值和意义，同时需要较大的反光板。上述情况导致了cpc集热器相对于非聚光器在性能和成本上没有明显的优势，限制了cpc集热器的推广应用和普及。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服上述现有相关cpc集热装置的缺陷，提供了一种多维度的、两次聚光与一次聚光结合的、可调节反光板的cpc集热装置，在保证接收太阳光角度范围下，尽可能提高聚光比来实现较高的集热温度，减少光学损失及反光板角度调整次数，提高太阳能集热器的综合集热效率，同时可调性高，适用范围广，便于拼装和拆卸，成本低。

为解决上述技术问题，本专利提供的技术方案如下：采用多维组合可调式cpc集热装置，包括带插孔的直通式全玻璃真空集热管、曲线型热管式真空集热管、初级半复合抛物面聚光板、次级曲线型双维度复合抛物面聚光板、双级可调角度式支撑架装置；带插孔的直通式全玻璃真空集热管水平放置，多个曲线型热管式真空集热管并排放置，曲线型热管式真空集热管的下端插入到带插孔的直通式全玻璃真空集热管中，曲线型热管式真空集热管的轴线朝上弯曲；每根曲线型热管式真空集热管的下方设有一个次级曲线型双维度复合抛物面聚光板，在曲线型热管式真空集热管的径向剖面上，次级曲线型双维度复合抛物面聚光板是以曲线型热管式真空集热管为接收管的复合抛物面曲面，在曲线型热管式真空集热管的轴向垂直剖面上，次级曲线型双维度复合抛物面聚光板和曲线型热管式真空集热管的轴线曲线平行；初级半复合抛物面聚光板和次级曲线型双维度复合抛物面聚光板固定在双级可调角度式支撑架装置上，初级半复合抛物面聚光板是以带插孔的直通式全玻璃真空集热管为接收管的半边复合抛物面曲面；带插孔的直通式全玻璃真空集热管和曲线型热管式真空集热管固定在双级可调角度式支撑架装置上。

作为本发明的一种改进，所述的曲线型热管式真空集热管包括外玻璃管、内玻璃管、全玻璃真空集热管真空层、玻璃插孔、橡胶圈；外玻璃管位于内玻璃管的外部，外玻璃管和内玻璃管之间为全玻璃真空集热管真空层；外玻璃管和内玻璃管的端部通过熔封密封连接，外玻璃管的外部通过玻璃插孔连通内玻璃管的内部，玻璃插孔上嵌有橡胶圈，内玻璃管的外表面覆有选择性吸收涂层。

作为本发明的一种改进，所述的曲线型热管式真空集热管包括曲线型玻璃管、热管蒸发段、热管式真空集热管真空层、集热管端盖、热管冷凝段；所述曲线型玻璃管的轴线和热管蒸发段的轴线平行且为复合抛物面曲线的一段，曲线型玻璃管为单层玻璃套管，曲线型玻璃管的一端封闭，另一端与集热管端盖连接形成密封空间，热管蒸发段和热管冷凝段分别位于所述密封空间的内部和外部，热管蒸发段和热管冷凝段为相互连接的管状结构，曲线型玻璃管和热管蒸发段之间为热管式真空集热管真空层，热管蒸发段的外表面覆有选择性吸收涂层。

作为本发明的一种改进，所述的双级可调角度式支撑架装置包括初级聚光板曲线支杆、次级聚光板曲线支杆、初级聚光板支撑横架、次级聚光板支撑横架、全玻璃真空集热管端头固定支架、热管式真空集热管固定支架、次级曲线型双维度复合抛物面聚光板支架、可调式支架、主支撑转轴、转轴连杆、次支撑转轴、主转轴端部装置、次转轴端部装置、斜支撑架；主支撑转轴和次支撑转轴为可转动杆状结构，主支撑转轴的端部连接有主转轴端部装置，次支撑转轴的端部联接有次转轴端部装置；主转轴端部装置固定在斜支撑架上，斜支撑架放置在地面上，主支撑转轴上固定连接有次级聚光板曲线支杆、转轴连杆、全玻璃真空集热管端头固定支架，转轴连杆的另一端固定连接次转轴端部装置，次支撑转轴固定连接初级聚光板曲线支杆；次级聚光板曲线支杆上设有多个次级聚光板支撑横架，最上部和最下部的次级聚光板支撑横架上固定连接多个热管式真空集热管固定支架，其余的次级聚光板支撑横架上固定连接多个次级曲线型双维度复合抛物面聚光板支架；初级聚光板曲线支杆上设有多个初级聚光板支撑横架，可调式支架包括上内螺纹管、正反丝螺纹杆、下内螺纹杆，正反丝螺纹杆通过螺纹连接上内螺纹管和下内螺纹杆，下内螺纹管的下部固定在初级聚光板支撑横架上，可调式支架的上内螺纹管上部连接和固定初级半复合抛物面聚光板。

作为本发明的一种改进，所述的曲线型热管式真空集热管的轴线为复合抛物面曲线的一段。

作为本发明的一种改进，所述的次级曲线型双维度复合抛物面聚光板支架和可调式支架上设有磁块，初级半复合抛物面聚光板和次级曲线型双维度复合抛物面聚光板上设有铁条。

作为本发明的一种改进，所述的次级聚光板支撑横架和初级聚光板支撑横架的数量为4~8个，每个次级聚光板支撑横架上的热管式真空集热管固定支架和次级曲线型双维度复合抛物面聚光板支架均为2~10个，每个初级聚光板支撑横架上的可调式支架为2~10个。

相对于现有技术，本发明的优点如下：

1）照射到初级半复合抛物面聚光板上的太阳光，一部分反射到带插孔的直通式全玻璃真空集热管上，一部分反射到次级曲线型双维度复合抛物面聚光板和曲线型热管式真空集热管上；照射到次级曲线型双维度复合抛物面聚光板上的太阳光一部分反射到曲线型热管式真空集热管上，一部分反射到带插孔的直通式全玻璃真空集热管上；还有一部分太阳光直接照射到带插孔的直通式全玻璃真空集热管和曲线型热管式真空集热管上；曲线型热管式真空集热管上接收的太阳能通过热管传输到带插孔的直通式全玻璃真空集热管中，实现了照射到该装置中的太阳能最终都汇入到直通式全玻璃真空集热管内。

2）采用两维二次复合抛物面聚光的设计，可以提高聚光比，提高集热介质温度和集热系统的效率，相对于跟踪式聚光装置，可以不需要跟踪控制系统，减少系统建设成本和运行成本，同时稳定性高，寿命久；相对于高聚光比的一次复合抛物面聚光装置，可以提高太阳光接收角度范围（cpc接收角），同时降低对聚光装置位置、角度、形状精度的要求及光学损失。

3）该装置采用了真空管的设计，可以减少系统热损，提高集热效率；二级集热管采用了弯曲式热管装置，可以提高与一级集热管的热量传输速度和效率，同时便于安装拆卸。

4）采用的主支撑转轴和次支撑转轴的双级转动结构设计，便于调整装置的接收角度来适应不同时间不同位置下的太阳光角度，同时通过初级半复合抛物面聚光板的二级调整，可以更换不同聚光比和尺寸的初级半复合抛物面聚光板，以适用于不同聚光要求的系统，采用的带磁块的聚光板支撑架，便于聚光板的安装、拆卸、位置和角度调整等。

5）该装置通过多维cpc聚光方式的有效组合，可以在保证太阳光接收角的前提下，尽可能提高聚光比来实现较高的集热温度，减少光学损失及反光板角度调整次数，提高太阳能集热器的综合集热效率，同时cpc的角度可调性高，适用范围广，结构简单、便于拼装和拆卸，成本低，具有较好的推广潜力。

附图说明

图1是多维组合可调式cpc集热装置的结构示意图；

图2是带插孔的直通式全玻璃真空集热管的结构示意图；

图3是曲线型热管式真空集热管的结构示意图；

图4是双级可调角度式支撑架装置的结构示意图；

其中：1是带插孔的直通式全玻璃真空集热管、2是曲线型热管式真空集热管、3是初级半复合抛物面聚光板、4是次级曲线型双维度复合抛物面聚光板、5是双级可调角度式支撑架装置、6是外玻璃管、7是内玻璃管、8是全玻璃真空集热管真空层、9是玻璃插孔、10是橡胶圈、11是曲线型玻璃管、12是热管蒸发段、13是热管式真空集热管真空层、14是集热管端盖、15是热管冷凝段、16是初级聚光板曲线支杆、17是次级聚光板曲线支杆、18是次级聚光板支撑横架、19是初级聚光板支撑横架、20是全玻璃真空集热管端头固定支架、21是热管式真空集热管固定支架、22是次级曲线型双维度复合抛物面聚光板支架、23是可调式支架、24是主支撑转轴、25是转轴连杆、26是次支撑转轴、27是主转轴端部装置、28是次转轴端部装置、29是斜支撑架。

具体实施方式

为了加强对本发明的理解和认识，下面结合附图和具体实施方式对本发明做出进一步的说明和介绍。

实施例1

参见图1，采用多维组合可调式cpc集热装置，包括带插孔的直通式全玻璃真空集热管1、曲线型热管式真空集热管2、初级半复合抛物面聚光板3、次级曲线型双维度复合抛物面聚光板4、双级可调角度式支撑架装置5；带插孔的直通式全玻璃真空集热管1水平放置，多个曲线型热管式真空集热管2并排放置，曲线型热管式真空集热管2的下端插入到带插孔的直通式全玻璃真空集热管1中，曲线型热管式真空集热管2的轴线朝上弯曲；每根曲线型热管式真空集热管2的下方设有一个次级曲线型双维度复合抛物面聚光板4，在曲线型热管式真空集热管2的径向剖面上，次级曲线型双维度复合抛物面聚光板4是以曲线型热管式真空集热管2为接收管的复合抛物面曲面，在曲线型热管式真空集热管2的轴向垂直剖面上，次级曲线型双维度复合抛物面聚光板4和曲线型热管式真空集热管2的轴线曲线平行；初级半复合抛物面聚光板3和次级曲线型双维度复合抛物面聚光板4固定在双级可调角度式支撑架装置5上，初级半复合抛物面聚光板3是以带插孔的直通式全玻璃真空集热管1为接收管的半边复合抛物面曲面；带插孔的直通式全玻璃真空集热管1和曲线型热管式真空集热管2固定在双级可调角度式支撑架装置5上。

实施例2

参见图2，作为本发明的一种改进，所述的曲线型热管式真空集热管2包括外玻璃管6、内玻璃管7、全玻璃真空集热管真空层8、玻璃插孔9、橡胶圈10；外玻璃管6位于内玻璃管7的外部，外玻璃管6和内玻璃管7之间为全玻璃真空集热管真空层8；外玻璃管6和内玻璃管7的端部通过熔封密封连接，外玻璃管6的外部通过玻璃插孔9连通内玻璃管7的内部，玻璃插孔9上嵌有橡胶圈10，内玻璃管7的外表面覆有选择性吸收涂层。

实施例3

参见图3，作为本发明的一种改进，所述的曲线型热管式真空集热管2包括曲线型玻璃管11、热管蒸发段12、热管式真空集热管真空层13、集热管端盖14、热管冷凝段15；所述曲线型玻璃管11的轴线和热管蒸发段12的轴线平行且为复合抛物面曲线的一段，曲线型玻璃管11为单层玻璃套管，曲线型玻璃管11的一端封闭，另一端与集热管端盖14连接形成密封空间，热管蒸发段12和热管冷凝段15分别位于所述密封空间的内部和外部，热管蒸发段12和热管冷凝段15为相互连接的管状结构，曲线型玻璃管11和热管蒸发段12之间为热管式真空集热管真空层13，热管蒸发段12的外表面覆有选择性吸收涂层。

实施例4

参见图4，作为本发明的一种改进，所述的双级可调角度式支撑架装置5包括初级聚光板曲线支杆16、次级聚光板曲线支杆17、初级聚光板支撑横架19、次级聚光板支撑横架18、全玻璃真空集热管端头固定支架20、热管式真空集热管固定支架21、次级曲线型双维度复合抛物面聚光板支架22、可调式支架23、主支撑转轴24、转轴连杆25、次支撑转轴26、主转轴端部装置27、次转轴端部装置28、斜支撑架29；主支撑转轴24和次支撑转轴26为可转动杆状结构，主支撑转轴24的端部连接有主转轴端部装置27，次支撑转轴26的端部联接有次转轴端部装置28；主转轴端部装置27固定在斜支撑架29上，斜支撑架29放置在地面上，主支撑转轴24上固定连接有次级聚光板曲线支杆17、转轴连杆25、全玻璃真空集热管端头固定支架20，转轴连杆25的另一端固定连接次转轴端部装置28，次支撑转轴26固定连接初级聚光板曲线支杆16；次级聚光板曲线支杆17上设有多个次级聚光板支撑横架18，最上部和最下部的次级聚光板支撑横架18上固定连接多个热管式真空集热管固定支架21，其余的次级聚光板支撑横架18上固定连接多个次级曲线型双维度复合抛物面聚光板支架22；初级聚光板曲线支杆16上设有多个初级聚光板支撑横架19，可调式支架23包括上内螺纹管、正反丝螺纹杆、下内螺纹杆，正反丝螺纹杆通过螺纹连接上内螺纹管和下内螺纹杆，下内螺纹管的下部固定在初级聚光板支撑横架19上，可调式支架23的上内螺纹管上部连接和固定初级半复合抛物面聚光板3。

实施例5

参见图1，作为本发明的一种改进，所述的曲线型热管式真空集热管2的轴线为复合抛物面曲线的一段。

实施例6

参见图4，作为本发明的一种改进，所述的次级曲线型双维度复合抛物面聚光板支架22和可调式支架23上设有磁块，初级半复合抛物面聚光板3和次级曲线型双维度复合抛物面聚光板4上设有铁条。

实施例7

参见图4，作为本发明的一种改进，所述的次级聚光板支撑横架18和初级聚光板支撑横架19的数量为4~8个，每个次级聚光板支撑横架18上的热管式真空集热管固定支架21和次级曲线型双维度复合抛物面聚光板支架22均为2~10个，每个初级聚光板支撑横架19上的可调式支架23为2~10个。

工作原理和过程：

参见图1-图4，照射到初级半复合抛物面聚光板3上的太阳光，一部分反射到带插孔的直通式全玻璃真空集热管1上，一部分反射到次级曲线型双维度复合抛物面聚光板4和曲线型热管式真空集热管2上；照射到次级曲线型双维度复合抛物面聚光板4上的太阳光一部分反射到曲线型热管式真空集热管2上，一部分反射到带插孔的直通式全玻璃真空集热管1上；还有一部分太阳光直接照射到带插孔的直通式全玻璃真空集热管1和曲线型热管式真空集热管2上；曲线型热管式真空集热管2上接收的太阳能通过热管传输到带插孔的直通式全玻璃真空集热管1中，实现了照射到该装置中的太阳能最终都汇入到直通式全玻璃真空集热管1内。

折射到曲线型热管式真空集热管2上是经初级半复合抛物面聚光板3和次级曲线型双维度复合抛物面聚光板4两次聚光，具有较高的聚光比，热管式真空集热管本身具有高温高效的特点，两者结合可以保证集热介质可以达到较高的集热温度，同时具有较高的集热效率。

初级半复合抛物面聚光板3和直通式全玻璃真空集热管1为纵向聚光，次级曲线型双维度复合抛物面聚光板4和曲线型热管式真空集热管2为横向聚光，多维度聚光的结合，可以在保证大聚光比的情况下减少cpc角度调节次数，同时光学损失小。

通过转动主支撑转轴24可以调节整个聚光装置的朝向角度，通过转动次支撑转轴26可以调节初级半复合抛物面聚光板3的角度以适应安装不同型号的cpc反光板。

可调式支架23的设计可以通过旋转正反丝螺纹杆来调节聚光板支架高度；采用的带磁块的聚光板支撑架，聚光板采用铁质材料或者背面设有磁铁，可以方便两级聚光板的固定拆卸、位置调整和次级曲线型双维度复合抛物面聚光板4的角度调整。

本发明还可以将实施例2、3、4、5、6、7所述技术特征中的至少一个与实施例1组合，形成新的实施方式。

需要说明的是上述实施例仅仅是本发明的较佳实施例，并没有用来限定本发明的保护范围，本发明的保护范围以权利要求书为准。