一种用于多目标供能系统的太阳能黑体锅炉的制作方法

本发明涉及能源化工技术领域，具体涉及一种用于多目标供能系统的太阳能黑体锅炉。

背景技术：

我国的太阳能资源巨大，为太阳能设备的推广应用提供了良好的自然条件。目前来看利用太阳能进行发电和供热来满足多种用能需求比采用传统的柴油发电机发电、风能发电、海洋能发电作为解决手段具有更大的优势。其中，太阳能光热转化方面我国开展了深入的研究和工程项目的实施，具有了较成熟的光热转化材料和大型光热系统。

但是在小型供热需求的使用，比如海岛上较少驻军的太阳能供能、宾馆太阳能用热、农村用户太阳能用热上，现有的太阳能集热设备均存在能量利用效率低、占地面积大等缺点。

技术实现要素：

本发明的目的是为了克服现有技术存在的现有的太阳能集热设备均存在能量利用效率低、占地面积大等缺点的问题，提供一种用于多目标供能系统的太阳能黑体锅炉，该用于多目标供能系统的太阳能黑体锅炉具有可应用于光照十分充足的海岛上，解决海岛上所需热量、淡水的供给，还可用于供光照条件较为良好地区的宾馆、家庭等热用户的效果。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种用于多目标供能系统的太阳能黑体锅炉，包括锅炉本体、菲涅尔透镜和锅炉内部压力检测系统，所述锅炉本体设置在底座上端，所述底座上端两侧均固定安装有支架，所述支架内侧转动安装有菲涅尔透镜，所述锅炉本体与锅炉内部压力检测系统电性连接，所述锅炉本体由锅壳与内胆组成，所述锅壳与内胆之间设置有保温层，所述内胆内壁设置有光热转换涂层，所述菲涅尔透镜由半球形光线采集层、光线传递层与平行棱镜列阵聚光层组成，所述光线传递层上端设置有半球形光线采集层，所述光线传递层下端设置有平行棱镜列阵聚光层。

优选的，所述锅炉内部压力检测系统包括压力控制模块，所述压力控制模块与压力传感器电性连接，所述压力控制模块与压力变送器电性连接。

优选的，所述保温层内部下端设置有锅水，所述保温层内部上端设置有水蒸气。

优选的，所述保温层厚度为50mm。

优选的，所述支架共有两个，所述菲涅尔透镜通过转动轴与支架内侧转动连接。

优选的，所述锅炉本体上端表面开设有黑体腔入口。

与现有技术相比，本发明提供了一种用于多目标供能系统的太阳能黑体锅炉，具备以下有益效果：

1、本发明基于小型太阳能供热存在的问题，利用黑体效应，基于黑体辐射原理设计完成了一种用于多目标供能系统的太阳能黑体锅炉，该锅炉由线性菲涅尔透镜、具有黑体腔的锅壳锅炉本体和压力控制模块组成，相较于传统的太阳能平板集热器的集热效率提高31.2％以上，相较于真空管式太阳能集热器的集热效率可提升2.2％以上，且整体占地面积明显小于传统太阳能集热器；

2、本发明可为海水制淡、生活用热、冬季供暖提供热量，可应用于光照十分充足的海岛上，解决海岛上所需热量、淡水的供给，还可用于供光照条件较为良好地区的宾馆、家庭等热用户，所设计的太阳能黑体锅炉与现有的平板型太阳能集热器相比集热效率提高了30-40％，与真空管式太阳能集热器相比集热效率提高了2-11％，可以进一步实现节约化石燃料、节能减排的目的；

3、本发明首次提出并设计了太阳能黑体锅壳锅炉，提高了太阳能利用率，采用线性菲涅尔透镜代替了传统的追光系统，既减少了采光面积又实现了黑体腔炉胆内的聚光，可使设备简单可靠，黑体腔入口采用玻璃密封设计，在保证较高透光率的情况下减少了锅炉散热损失，进一步提高了锅炉的热效率，在运行期无任何污染排放物，对自然与生态环境的影响甚微，太阳能锅炉光热转换效率高，有利于节省不可再生资源，近年来随着不可再生能源的大批量开发,其储量越来越少，随时将面临着能源枯竭的风险,太阳能的开发符合国家节能、环保政策；

4、本发明提高了太阳能光热转换的转化效率，减少了设备的占地面积，有效地克服了传统太阳能集热设备的缺点，我国的太阳能资源巨大，大部分地区每年接受的太阳辐射量在5000mj/m2以上，为本申请的应用提供了良好的自然条件，既可以应用于能源缺少的海岛地区，又可应用于光照条件较好地区的宾馆、家庭等热用户，可节约化石燃料，达到节能减排的目的；

该装置中未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现，本发明结构科学合理，使用安全方便，为人们提供了很大的帮助。

附图说明

图1是本发明提出的一种用于多目标供能系统的太阳能黑体锅炉结构示意图；

图2是本发明提出的一种用于多目标供能系统的太阳能黑体锅炉原理图；

图3是本发明提出的锅炉本体结构示意图；

图4是本发明提出的锅炉本体剖视图；

图5是本发明提出的锅炉本体截面图；

图6是本发明提出的菲涅尔透镜结构示意图；

图7是本发明提出的锅炉吸热量随时间变化示意图；

图8是本发明提出的锅炉热流量随时间的变化示意图；

图9是本发明提出的锅炉蒸汽产量随时间变化示意图；

图10是本发明提出的锅炉压力随时间变化示意图。

附图标记说明

1、锅炉本体；2、菲涅尔透镜；3、锅炉内部压力检测系统；4、黑体腔入口；5、支架；6、锅壳；7、内胆；8、保温层；9、光热转换涂层；10、水蒸气；11、锅水；12、半球形光线采集层；13、光线传递层；14、平行棱镜列阵聚光层。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”“前端”、“后端”、“两端”、“一端”、“另一端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体式连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

请参阅图1-10，本发明提供一种技术方案：一种用于多目标供能系统的太阳能黑体锅炉，包括锅炉本体1、菲涅尔透镜2和锅炉内部压力检测系统3，锅炉本体1设置在底座上端，底座上端两侧均固定安装有支架5，支架5内侧转动安装有菲涅尔透镜2，锅炉本体1与锅炉内部压力检测系统3电性连接，锅炉本体1由锅壳6与内胆7组成，锅壳6与内胆7之间设置有保温层8，内胆7内壁设置有光热转换涂层9，菲涅尔透镜2由半球形光线采集层12、光线传递层13与平行棱镜列阵聚光层14组成，光线传递层13上端设置有半球形光线采集层12，光线传递层13下端设置有平行棱镜列阵聚光层14。

本发明中，优选的，锅炉内部压力检测系统3包括压力控制模块，压力控制模块与压力传感器电性连接，压力控制模块与压力变送器电性连接，保温层8内部下端设置有锅水11，保温层8内部上端设置有水蒸气10，保温层8厚度为50mm，支架5共有两个，菲涅尔透镜2通过转动轴与支架5内侧转动连接，锅炉本体1上端表面开设有黑体腔入口4。

本发明的工作原理及使用流程：

使用时，三维黑体腔模型的原理如下：

如图4、图5所示，三维黑体腔为一圆柱型空腔，空腔内壁面保持均匀的温度，并在空腔上开一条缝形入射口(开口面积占空腔内壁总面积的比值越小，空腔就越接近黑体)，经黑体腔入口进入的太阳光在空腔内经过多次的吸收和反射后全部被空腔内壁吸收；

菲涅尔透镜聚光后，将太阳光聚焦成线形光汇入太阳能黑体锅炉内部，利用腔体的黑体效应(腔体黑度为99.999％)以及黑体腔内壁面的光热转化涂层将可利用波段内的太阳能全部转化为热能，该部分热能经锅炉内胆壁传入锅壳中的锅水，锅水被加热而产生一定温度高温热水或蒸汽。

菲涅尔透镜由半球形光线采集层、光线传递层及平行棱镜列阵聚光层组成，其作用主要有以下三点：

(1)提高太阳能的能量密度；

由于太阳光的能量密度较低，需要利用菲涅尔透镜将太阳光转变成能量密度较高的光束，以提高锅炉内胆的温度；

(2)适应黑体特性；

由于黑体本身的特点，导致其很难拥有较大的采光面积；利用菲涅尔透镜将太阳光聚焦成线性光汇入黑体腔条缝小口可有效解决这一问题；

(3)代替传统追光系统，简化控制部分；

镜片结构主要分为上部的半球形光线采集层，中部的光线传递层和下部的平行棱镜列阵聚光层组成。该镜片结构不需要跟踪太阳的转动而时刻运动，可代替传统的追光系统，使太阳能黑体锅炉简单可靠；

锅炉本体主要由三维黑体腔(内胆)、锅壳、外保温层等三部分组成，锅壳由厚2mm的不锈钢板制成，锅壳外部包有一层50mm厚的保温层。在锅壳与内胆之间环形空腔内充满被加热的水。内胆由不锈钢壳体制成，形成封闭腔体即三维黑体腔，其内侧表面涂有一层光热转化涂层。太阳光经过菲涅尔透镜后汇聚成条形光带经条形黑体腔入口投射到到三维黑体腔内部，利用腔体的黑体效应和腔体内表面的光热转化涂层将可利用波段内的太阳能转化为热能。该热能一部分经锅炉内胆壁通过导热形式传入锅壳中的锅水，对锅水进行加热，生产高温热水或蒸汽；另外一部分以辐射和导热的形式经黑体腔入口传递到空气中。为减少因黑体腔入口导致的热损失，在黑体入口处用透明材料进行密封。由于太阳光能够99％透过玻璃投射到黑体腔中，而黑体腔壁面对太阳光的反射光主要集中在红外光波段，红外光波不能穿透玻璃，从而减少了锅炉的辐射热损失；为减少经锅炉外壳向周围环境散热，在锅壳外壁覆盖保温层，使锅炉的热效率得到进一步提高。

压力控制模块的引入是为了稳定锅壳内汽水压力，避免由于特殊原因(如天气原因)造成的锅炉内蒸汽压力过高导致锅炉损坏，保证锅炉的运行状态稳定。在本模块中，利用压力传感器来测量锅炉内部压力，经压力变送器、a/d转换后将测量信号送入单片机的输入端，利用pid控制规律进行运算后输出脉冲信号，以调节蒸汽的出口流量达到控制锅炉内部压力的目的。

(1)菲涅尔透镜采光模块

通过线性菲涅尔透镜聚光，将太阳光聚焦成线状于锅炉内胆中，然后锅炉内胆表面的光热转化涂层将可利用波段内的太阳能全部转化为热能。

(2)锅壳锅炉本体模块

热量经锅炉内胆壁传入锅壳中的锅水，锅水吸热产生高温热水。为减少因黑体腔入口导致的热损失，在黑体入口处用透明材料进行了密封；为减少经锅炉外壳向空气中的散热，在锅壳外壁覆盖约50mm厚的保温层。

(3)压力控制模块

该模块利用压力传感器来测量锅炉内部压力，经压力变送器、a/d转换后将测量信号送入单片机的输入端，利用pid控制规律进行运算后输出脉冲信号，以调节蒸汽的出口流量。

表1太阳能集热设备对比

实验介绍：

为了证明基于黑体效应的太阳能多目标供能系统设计的可行性，我们对实物作品进行了相关的实验研究。我们通过压力控制系统保证产汽时锅炉压力不变，经过多次实验，选定4月3、4号下午13：00-15:00的时间段进行实验，因为这两天中午的光照充足，可满足我们的要求。

实验数据记录

启动太阳能黑体锅炉，运行稳定后，在不同时刻下记录黑体炉内水的压力、热流量、总热量及蒸汽产量，相关实验数据列到表2里。

表2实验数据记录表

实验数据处理(相关曲线)及分析

根据实验测得的实验数据，分别绘制了锅炉热量、热流量，锅炉压力随时间的变化图，如图7-10所示。

由图7-10可知，在蒸汽压力一定的条件下，锅炉的输出热量基本保持恒定，验证了体太阳能锅炉设计的合理性。

实际应用下计算及分析

我们设置了在采光面积为a＝1m²下的应用背景进行计算。

热力学理论计算：

太阳光辐射热量：

式中：a——采光面积，a＝1m²；

μ——太阳能的平均能量密度，根据哈尔滨地区1968-2010年太阳能辐射能量统计，四月太阳能辐射强度大致在800-1100w/m²左右，取μ＝1000w/m²。

锅炉吸热量：

式中：s1——透镜面积，s1＝0.9967m²；

η1——透镜透光率，η1＝95％；

η2——涂料转化率，η2＝85％。

通过玻璃的散热量：

通过保温层散热量：

锅炉输出总热量(锅炉提供给热水的热流量)：

锅炉集热效率：

计算结果分析

经实际计算1m²采光面积下太阳能黑体锅炉的总输出热流约为777w，锅炉集热效率为77.7％。由实验设备1m²采光面积，锅炉稳定工作时热流为762w，锅炉集热效率为76.2％。理论计算与实验值误差约为1.97％。

以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于此。在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，包括各个技术特征以任何其它的合适方式进行组合，这些简单变型和组合同样应当视为本发明所公开的内容，均属于本发明的保护范围。