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CN102087049A - 一种槽式太阳能集热装置 - Google Patents

一种槽式太阳能集热装置 Download PDF

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Abstract

本发明描述了一种槽式太阳能集热装置，属于新能源领域中的太阳能光热利用技术。当前槽式集热装置主要解决管道连接、提高集热效率、增大容量和降低造价等问题。本装置是将位于抛物线槽形聚光镜焦点轴线处的真空集热管端部固定于支架上，由聚光镜绕集热管转动来跟踪太阳，既便于管道连接又减轻聚光镜的载荷。集热管采用螺旋型流道直通式结构，其外部是一种圆柱形玻璃管壳，内部的集热芯管轴向贯穿于真空玻璃管，以提高吸热的均匀性和集热效果并减小阻力。集热芯管通过补偿器与端部密封件连接，既可自由胀缩，又维持真空严密性。真空集热管多根串连时，其端部通过膨胀器首尾相接。在真空密封材料难以满足温度要求时，采用阻热式端部结构。

Description

一种槽式太阳能集热装置
一、技术领域
本发明属于新能源或可再生能源领域中的太阳能光热利用技术，既可为家庭、宾馆、单位提供热水、暖气以及热能制冷，也可用于分布式能源，建立太阳能与其它能源互补的能源供应站(譬如天然气热电厂、热能制冷站等)，实现热、电、冷联产联供。
二、背景技术
目前在太阳能利用领域主要有太阳能热水器、太阳能光热发电(供热)、太阳能光伏发电等技术。
太阳能光热发电技术主要有塔式集热装置和槽式集热装置等。
塔式集热装置是在宽广场地的中心或附近建设高大的竖塔，塔顶上装设集热器，在其周围布置大量的平面反射镜，每面反射镜均实行对太阳全方位跟踪调节，将阳光反射集中到塔顶的集热器上，对介质进行加热，再送去塔下的汽轮发电装置。这种装置的聚光比很大(达到或超过100)，容易获得高温热能，并能进行大型化，但结构复杂，特别是平面反射镜跟踪装置更为复杂，反射镜的角度状况各不相同，造价昂贵，且因季节性因素，太阳位置差别很大，全年太阳能总体利用效率不高；另外，反射到塔顶的光线如果路程太长，会受到空气的的作用而散射和被吸收，造成减弱。因此该项技术应用前景不明朗。
在太阳能光热利用领域，目前看来应用前景较好的应该是槽式集热装置。
槽式集热装置是通过槽形抛物面镜将太阳光反射聚集到圆柱形集热器上，对介质进行加热，产生的蒸汽送至主厂房的汽轮发电机，实现太阳能光热发电(供热)。槽形抛物面镜可另行配置自动跟踪装置，能进行东西向(地球经度方向)跟踪。
现有的槽式太阳能集热装置的圆柱形集热管是固定在槽形聚光镜上的、位于焦点轴线处的，跟随槽形聚光镜一起运动(跟踪太阳)。因发电供热需要，介质的温度压力很高，流量很大，管道粗大，存在着进出口管道连接问题；另外，集热管与聚光镜连接一体，增加了重量，且受到连接管道的牵连，需要消耗很大的跟踪动力，因此使其进一步大型化、高参数、高效率受到制约。
太阳能光伏发电技术应用已很普遍，光伏电池的光电转换效率在逐步提高，目前可达15-20％；近几年，光伏产业的发展速度很快，造价也在逐步降低，但由于是光电转换，无法进行电、热、冷联产联供，太阳能利用效率难以进一步提高，且所用材料硅在生产过程中能耗高、污染严重，有待进一步创新发展。
以上背景技术可参考：
1、《太阳能热利用原理与计算机模拟》(第2版，西北工业大学出版社，2004.3，张鹤飞主编)。
2、《中国槽式太阳能热发电产业化发展之我见》(东莞市康达电机工程有限公司，周福云，2010.9.28)。
三、发明内容
当前槽式太阳能集热装置主要是要解决集热管进出口管道连接、提高集热效率、增大容量和降低造价等问题。
本发明描述的槽式太阳能集热装置，是将位于槽形聚光镜焦点轴线处的集热管不与聚光镜固定而直接与地面支架定位连接，聚光镜两端通过位于焦点轴线处的轴承与地面支架连接，跟踪太阳时聚光镜围绕集热管(焦点轴线)转动，集热管固定不动(使外部管道能够直接与其连接)。集热管采用螺旋型流道直通式真空集热管，其外部是一种圆柱形贯穿式真空玻璃管壳，其内部的圆柱形集热芯管从真空玻璃管的一端至另一端贯穿而过，具有螺旋形介质通道，以提高吸热均匀性和传热效果。集热芯管通过补偿器与端部密封件连接，使其相对于真空玻璃管自由胀缩，以解决热胀冷缩不一致的问题。集热芯管采用导热性和强度良好的金属材料制作。集热管端部的真空密封材料要求具有可塑性、弹性、耐高温和一定的绝热性，当这种材料的耐热性能不能满足最高工作温度要求时，可采用阻热式端部结构，以降低该处的工作温度。根据实际需要，可将两根真空集热管首尾相接，端部的介质进/出接口管通过膨胀器作串连连接，保证轴向膨胀位移。本发明采用了集热管与膨胀器的一体化设计方案。集热管的重量不是由玻璃管承载的，而是由集热芯管传递至端盖来承载的。
由于集热管的重量不是落在聚光镜上，减轻了聚光镜的整体重量，消除了跟踪牵连，可减少跟踪能耗，再加上采用了螺旋型流道直通式高效集热管，因而其太阳能利用效率高于现有槽式集热装置和光伏电池装置。此外聚光镜整体荷重得到减轻，有利于降低刚性要求和轴承承载力，这样既利于大型化，又节约了钢材，降低了造价。
槽式集热装置的总体构成及工作原理：
其基本结构主要由：1、槽形聚光镜(抛物面镜)，2、真空集热管(位于槽形聚光镜焦点轴线处)，3、轴承(包括轴承座)，4、膨胀器，5、支架，6、介质进/出接口管等组成，总体结构见附图1、图2。
槽形聚光镜以焦点为轴心，在跟踪装置(不属于本发明范畴，可直接选用成熟产品)的带动下能围绕焦点轴线转动，以跟随太阳从日出至日落，始终保持太阳光正面照射槽形聚光镜。太阳光可看作平行光线，正面照射到槽形聚光镜的凹面上后被反射聚集到焦点轴线处，而真空集热管正好位于焦点轴线处，这使得阳光对真空集热管集聚照射，只要聚光镜的开口面积足够大，聚光比可达到100以上，以获得高温热能。
内部带有集热芯管的真空集热管，两端通过密封部件和耐高温真空密封材料实现严密密封，既维持玻璃管与集热芯管之间的夹层空间高度真空，起绝热效果，又使介质进出畅通。阻热式端部结构，可大大延长热传导路径，减小热传导截面，增加传热温差，使真空密封材料处的温度低于其耐热温度。因金属材料和玻璃的热胀系数不同，工作温度也不同，二者之间必然出现胀差，将导致集热管损坏，而带波纹(或U型、或膜式)补偿器的端部密封结构能够弥补集热芯管和真空玻璃管之间的胀差。介质从集热管的一端进入，另一端输出(也可反向流动)，集热芯管的螺旋形介质通道使介质绕管轴线作螺旋状流动，既增加传热系数，也使介质受热均匀，提高集热效果。
聚光镜两端位于焦点轴线处的轴承及轴承座，将聚光镜与支架连接起来，即轴承的内孔轴和轴承座分别与支架和聚光镜端部固定，支撑聚光镜的重量并对其定位；轴承内孔轴是空心的，以便让集热管沿轴线穿过。
因实际需要，经常要把槽式太阳能集热装置几段直接串连起来，热胀冷缩问题是必须考虑的重要因素，因此设置了补偿器，以吸收热膨胀。
支架支撑着聚光镜和集热管的重量，并将各部件有机地组合在一起。
槽式太阳能集热装置可以水平安装，如果考虑太阳的仰角也可以倾斜安装，即根据纬度状况适当的南低北高(南半球正好相反)。当采用倾角安装时，支架从南至北逐个抬高(南半球从北至南逐个抬高)，同时支架的上半段沿着集热管轴线方向可作相应倾斜(保持支架与集热管轴线的垂直)，以减少聚光镜端部之间的间隙，节省材料和土地面积。
四、附图说明
图1和图2分别为槽式集热装置总体结构立体图和侧视图。图中：1-槽形聚光镜，2-真空集热管，3-轴承及轴承座，4-膨胀器，5-支架，6-介质进/出接口管。
图3为槽形聚光镜的数学线形-抛物线。在oxy直角坐标系中，抛物线的顶点与坐标原点O重合。图中：f-抛物线的焦距，Z-槽形聚光镜的焦点轴线，H-槽形聚光镜的深度，D-槽形聚光镜的开口宽度，L-槽形聚光镜的长度。
图4和图5为真空集热管的总体结构。图中：21-玻璃管壳，22-集热芯管，23-内芯，24-端部密封件，25-右端盖，26-左端盖，27-补偿件(波纹型或U型、或膜式)，28-密封填料，29-填料函，210-端盖螺栓，211-轧兰压盖，212-轧兰螺栓，6-介质进/出接口管。
图6为槽形聚光镜、真空集热管、膨胀器、支架、轴承及轴承座的相互连接方式。图中：1-槽形聚光镜(端部件)，2-真空集热管，31-轴承，32-轴承座上部，33-轴承座下部，34-轴承挡圈，35-轴承螺母，36-跟踪驱动齿轮，4-插入式膨胀器(即图4和图5中的轧兰压盖211)，5-支架，6-介质进/出接口管。
五、具体实施方式
(一)槽形聚光镜(图1和图2中的部件1)
这是一个抛物线形柱面体，横截面为抛物线，有唯一的焦点。其线形适用于抛物线公式x2＝4fy，其中x和y分别为横坐标和纵坐标变量，f为焦距(即焦点到抛物线顶点的距离)。本图形关于y轴对称，抛物线顶点与坐标原点O重合。如果设定D为抛物线(槽形聚光镜)的开口宽度，H为深度(即开口水平线至顶点的距离)，则上述公式即为(D/2)2＝4fH，即H＝D2/(16f)，这就是槽形聚光镜(1)的深度与宽度、焦距三者之间的关系，详见图3。
槽形聚光镜(1)的长度L可任意选取，但为了满足介质加热温度要求，聚光比必须足够大，即槽形聚光镜的开口面积L×D需要足够大，兼顾考虑节省材料，长度与宽度要选择适当的比例关系，可取L＝kD，式中k为系数，可以等于1，也可以小于或大于1，一般取k值大于1。
槽形聚光镜(1)的两端部通过轴承及轴承座(3)与支架(5)连接，轴承及轴承座(3)的轴线与焦点轴线Z重合。在跟踪装置的作用下，槽形聚光镜(1)围绕焦点轴线转动，为了使跟踪能耗尽可能小，焦点的位置应设在槽形聚光镜(1)横截面的重心处，以此选取f与H或D的关系，或者予以配重，使之基本平衡。
槽形聚光镜(1)——抛物面镜，由红外线反射材料制作(譬如抛光铝)，或采用镜面镀银技术，或在普通材料表面涂刷对红外线反射率极高的涂层，能将红外线和可见光近百分之百地反射到焦点轴线Z处，即反射到真空集热管(2)上。支撑抛物面镜的构架可用普通材料制作，譬如普通钢材等。
(二)真空集热管(图1和图2中的部件2)
这是一种螺旋型流道直通式高效集热管，并与插入式膨胀器一体化设计，详细结构见附图4和图5。真空集热管(2)主要由玻璃管壳(21)、集热芯管(22)、内芯(23)，端部密封件(24)，右端盖(25)，左端盖(26)，补偿件(27)，密封填料(28)，填料函(29)，端盖螺栓(210)，轧兰压盖(211)，轧兰螺栓(212)组成。
玻璃管壳(21)是一种圆柱形真空玻璃管，开放的两端带有数圈波纹槽，以便严密密封，玻璃管具有透光(红外线)性和耐热性好、强度高的特点(譬如：高硼硅玻璃)。内部抽真空，起绝热作用。
集热芯管(22)位于玻璃管壳(21)的里面，用导热性和耐热性好、强度高、价格低、加工容易的金属材料(譬如20#钢)制作；内芯(23)外表带有螺旋筋，内部做成空心(减轻重量并增加刚度)，两端用流线型封头密封，并抽成真空(防止内部空气受热膨胀)。集热芯管(22)与内芯(23)之间通过螺旋筋形成螺旋型介质通道，其外壁涂有或不涂红外线选择性涂层，吸收红外线和可见光，并将热量传递给内部介质。
集热芯管(22)的一端(图4和图5的右端)中心带有填料函(29)，与轧兰压盖(211)、介质进/出接口管(6)以及轧兰螺栓(212)组成插入式膨胀器，以使集热芯管(22)能够自由胀缩。集热芯管(22)的右端外部做成数圈波纹槽，与玻璃管壳(21)的端部(波纹槽处)之间用密封填料(28)密封。密封填料(28)是作为真空密封用的，应选用具有可塑性和弹性并有一定绝热性能的耐热材料，其耐热温度应不低于集热芯管(22)的最高工作温度。在密封填料(28)耐热温度达不到最高工作温度的不利条件下，可采用阻热式端部结构，详见图5中的集热芯管(22)右端部和左端端部密封件(24)的结构，通过两侧开槽，延长传热路径，减小传热截面，增加传热端差，使管内工作温度由内向外大幅下降，至密封填料(28)处时降低了很多，满足密封填料(28)的材料耐热温度要求。
集热芯管(22)的另一端(图4和图5的左端)通过补偿件(27)与端部密封件(24)连接，使集热芯管(22)可自由胀缩。为了减小集热芯管(22)高温膨胀时对玻璃管壳(21)的轴向外拉应力，可在冷态装配时对补偿件(27)施加冷拉预应力。端部密封件(24)的外表也带有波纹槽，并于玻璃管壳(21)的波纹槽处用密封填料(28)密封。
集热芯管(22)的两端部各有端盖，左、右端盖(26、25)各用端盖螺栓(210)分别与端部密封件(24)和集热芯管(22)的右端部固定。左端盖(26)中心带孔，让集热芯管(22)的左端介质进/出接口管(6)从中穿出，同时支撑集热芯管(22)的左端重量。集热芯管(22)和玻璃管壳(21)等的重量(包括介质的重量)全部传递到左、右端盖(26、25)上，直接由支架(5)承受，避免玻璃管壳(21)承受过大外力的问题。
(三)轴承及轴承座
详见图6。图中的轴承座分成上、下两哈夫，轴承(31)、轴承座上部(32)、轴承座下部(33)、轴承挡圈(34)、轴承螺母(35)、跟踪驱动齿轮(36)组成轴承及轴承座(3)的实施结构。这种连接结构是将轴承(31)套在支架(5)的孔轴上，里面置有轴承挡圈(34)，外面用轴承螺母(35)拧紧固定，而轴承座安装就位后其外部则固定在槽形聚光镜(1)的端部，即轴承座上部(32)与槽形聚光镜(1)的端部结构固定；轴承座下部(33)带有跟踪驱动齿轮(36)，只要将跟踪驱动装置安装就位(固定在支架上)并将其动力齿轮与跟踪驱动齿轮(36)啮合，就可实现跟踪动作了。
另一种连接结构是将轴承和轴承座的安装位置反过来，即是将轴承座固定在支架(5)上，轴承(31)套入的孔轴与槽形聚光镜(1)的端部结构固定，跟踪驱动齿轮(36)直接安装在槽形聚光镜(1)的端部结构上。
轴承(31)可市场采购，轴承座采用常用钢材制作。
(四)膨胀器
膨胀器有插入型、波纹型、U型和软管型等几种。插入型膨胀器详见图6中的部件4、图4和图5中的集热芯管(22)的右端部所带部件，这是一种与真空集热管(2)一体化设计方案，由填料函(29)、轧兰压盖(211)、介质进/出接口管(6)以及轧兰螺栓(212)所组成，确保介质进/出接口管(6)在胀缩时能够自由轴向位移，同时严密不漏，也不能有过大的流动阻力。插入式膨胀器介质阻力和膨胀阻力均最小，最节省空间，同时能承受高温高压。
目前工程中使用的各种膨胀器技术都很成熟，可以直接选用。
(五)支架
详见图1、图2和图6中的部件5。支架(5)主要起支撑载荷和部件定位作用，因而必须具有足够的强度和刚度。支架(5)的上部设计要能够安装轴承及轴承座(3)，允许真空集热管(2)从轴承(31)中心穿过，并有空间放置和维修膨胀器(4)。支架(5)可用金属材料(普通钢材)和/或钢筋混凝土制作。
支架(5)的下部固定在地面或其它基础上，承载槽式太阳能集热装置的全部重量。
(六)介质进/出接口管
见图1、图2、图4、图5和图6中的部件6。介质进/出接口管(6)在真空集热管(2)首尾连接时作为膨胀器(4)的一部分，也可以与其它类型的膨胀器直接连接，而与外部管道连接时可采用管口直接焊接，或通过法兰连接。

Claims (3)

1.一种由槽形聚光镜(1)、真空集热管(2)、轴承及轴承座(3)、膨胀器(4)、支架(5)和介质进/出接口管(6)组成的槽式太阳能集热装置，其特征是槽形聚光镜(1)为抛物线形柱面镜，真空集热管(2)位于槽形聚光镜(1)的焦点轴线处并在两端固定于支架(5)上，槽形聚光镜(1)的两端于焦点轴线处通过轴承及轴承座(3)与支架(5)连接，使槽形聚光镜(1)可绕真空集热管(2)转动，真空集热管(2)采用螺旋型流道直通式结构，多根串连时，其端部通过膨胀器(4)首尾相接，使介质贯通。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征是真空集热管(2)主要由玻璃管壳(21)、集热芯管(22)、内芯(23)和端盖等部件组成，集热芯管(22)和内芯(23)之间形成螺旋形介质通道，并从玻璃管壳(21)的一端至另一端贯穿而过，且两端部有密封填料(28)，其中一端带有补偿件(27)，使集热芯管(22)能够相对于玻璃管壳(21)自由胀缩同时维持真空严密性，膨胀器(4)采用与集热芯管(22)一体化结构，真空集热管(2)的重量全部由端盖承载。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征是当密封填料(28)的耐热性能不能满足最高工作温度要求时，真空集热管(2)采用阻热式端部结构延长传热路径，减小传热截面，以充分降低密封填料(28)处的工作温度。
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