一种高强度高耐候性聚光集热器的制作方法

本发明属于太阳能的热利用技术领域，涉及对太阳能的高效利用及设备的防护问题，特别涉及一种高强度高耐候性聚光集热器。

背景技术：

太阳能是一种高效、无污染的绿色能源。随着21世纪能源供应愈发紧缺，太阳能逐渐成为人类关注的能源焦点。但是普通太阳能集热器普遍存在集热效率不高、易结垢等问题，为此将热管技术引入太阳能集热领域。

热管作为一种高效的传热元件，其工作原理主要是利用传热介质的相变传热，具有优良的导热性、良好的等温性、热流密度可变性和单向导热性等优点。将热管技术应用于太阳能热利用领域，不但能充分利用太阳能作为一种高效、清洁能源的优势，优化我国能源利用的结构，而且能大幅提高太阳能利用效率，进一步推进我国建筑节能进程的发展。

目前，在太阳能光热领域应用的太阳能集热器产品有平板式集热器、真空管集热器。真空管集热器采用高效选择性吸收涂层和真空保温技术，集热性能好，结构简单，成本低廉，易于规模化生产，因此占据了太阳能集热工程大部分的市场份额。但由于真空管集热器由于自身结构的影响，存在着一些缺陷。真空管易破损漏水导致系统瘫痪；集热器真空管的空晒产生过热现象，继而损坏集热器或大大缩短其使用寿命和集热效率；真空管不能承压，管子易炸裂，在严寒地区使用会冻结。同时由于真空管集热器相邻管之间存在间隙，在接受太阳光照射时，有一部分太阳光透过缝隙，其热量没有被集热器所收集。而平板式集热器是一个连续的平面，整个集热器表面都可以接受太阳光。但平板式集热器在收集、传输有用热能的同时，又不可避免地要向周围环境散热，主要包括底部和侧面隔热层的导热换热，吸热板与透明盖板之间的对流换热，吸热板与透明盖板之间、透明盖板与天空之间的辐射换热。在冬季低于0℃时，因集热器中的水结冰膨胀，将管子胀裂；且平板式集热器抗冻性能差，所以使用范围局限在北方的夏季和南方不结冻地区的冬季。

技术实现要素：

针对上述现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于，提供一种高强度耐冲击、耐冰冻、耐高温、安全可靠、适用于严寒地区的聚光集热器，解决现有集热器使用过程中存在的问题。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种高强度高耐候性聚光集热器，包括水箱和集热壳体，所述集热壳体内设置有多个热管，热管的一端伸入所述水箱内；集热壳体的吸热面上设置有玻璃盖板，玻璃盖板包括顶层钢化玻璃和底层钢化玻璃，顶层钢化玻璃的下表面设置有多组阶梯面，相邻的阶梯面的倾斜方向相反；阶梯面与底层钢化玻璃之间为空气层。

进一步地，所述集热壳体的底面设置有吸热板，所述多个热管在吸热板上均匀分布，热管的长度方向与吸热板的长度方向一致。

进一步地，所述玻璃盖板与集热壳体之间设置有橡胶密封垫。

进一步地，所述吸热板上涂有吸收涂层。

进一步地，所述顶层钢化玻璃的下表面的每组阶梯面的阶梯个数为5个。

进一步地，所述每组阶梯面的阶梯的高度为5mm，阶梯的倾斜角度分别为40°、40°、40°、36°和27°。

进一步地，所述顶层钢化玻璃的厚度为8mm，底层钢化玻璃的厚度为3mm。

与现有技术相比，本发明具有以下技术效果：本发明的聚光玻璃盖板强度高，传热系数低，且有效提高太阳能辐射利用率，基本消除空气对流热损失；用热管代替普通平板集热器集热管提高了热效率，可承压运行，耐冰冻、启动快、不过热，使用条件更宽泛。集热器盖板采用钢化玻璃使集热器强度高耐冲击，不易损坏。本发明的太阳能集热器使用温度范围广，可应用于列车等跨地区运动物体以及风沙、严寒、昼夜温差大的地区。

附图说明

图1为本发明的局部剖面图；

图2为本发明的纵剖面图；

图3为本发明的横剖面图；

图4为本发明的侧剖面图；

图5为热管结构示意图；

图6为本发明的聚光原理图；

图7为本发明的折射偏差图；

图8为玻璃盖板结构示意图；

图9为本发明的水箱结构图；

图10为水箱的结构剖面图；

图11为本发明的玻璃盖板空气夹层温度云图；

图12为普通玻璃盖板空气夹层温度云图。

图中各个标号含义：1—水箱，2—集热壳体，3—热管，4—顶层钢化玻璃，5—底层钢化玻璃，6—阶梯面，7—空气层，8—吸热板，9—保温层，10—进水管，11—出水管，12—泄水管，13—橡胶密封圈。

下面结合附图和具体实施方式对本发明的方案作进一步详细地解释和说明。

具体实施方式

参见图1-5，本发明的高强度高耐候性聚光集热器，包括水箱1和集热壳体2，所述集热壳体2内设置有多个热管3，热管3的一端伸入水箱1内；集热壳体2的吸热面上设置有玻璃盖板，玻璃盖板包括顶层钢化玻璃4和底层钢化玻璃5，顶层钢化玻璃4的下表面设置有多组阶梯面6，相邻的阶梯面6的倾斜方向相反；阶梯面6与底层钢化玻璃5之间为空气层7。

本实施例中，设置有11个热管3，相邻热管3之间的间距为80mm,热管3的一端伸入水箱1内，热管3与水箱1之间通过橡胶密封圈13进行密封，另一端与集热壳体2内部通过橡胶垫固定连接。本发明通过设置两层钢化玻璃，底层钢化玻璃5上表面和下表面均为平面，顶层钢化玻璃4的阶梯面与底层钢化玻璃5之间为空气层7，可降低玻璃盖板的整体传热系数，且较大程度上消除空气自然对流热损失，并大大降低了辐射热损失，显著提高了集热器的集热效率。

集热壳体2的底面设置有吸热板8，所述多个热管3在吸热板8上均匀分布，热管3的长度方向与吸热板8的长度方向一致。

所述玻璃盖板与集热壳体2之间设置有橡胶密封垫，实现玻璃盖板对集热壳体2的有效密封，避免集热壳体2内部热量的损失。

为了增加吸热板8的吸热效率，所述吸热板8上涂有吸收涂层，吸收涂层采用黑铬涂层，铬涂层的吸收比α和发射比ε分别为0.93～0.97和0.07～0.15，α/ε为6～13。黑铬涂层的热稳定性和抗高温性能也很好，适用于高温条件，在300℃能长期稳定工作。此外，黑铬涂层还具有较好的耐候性和耐蚀性。

所述热管3为有芯热管，采用铝合金材料，直径为10mm；热管3蒸发段长度1850mm，绝热段长度120mm，凝结段长度150mm。凝结段铝合金翅片共4片，宽度为29mm，与热管焊接。

所述水箱1和集热壳体2内均设置有厚度为50mm的保温层9，采用聚氨酯材料，起到保温的作用。水箱1的上部设置有进水管10，进水管10上设置有阀门，当水箱内液面低于1/3时，打开阀门向水箱1内供水；水箱的下部设置有出水管11和泄水管12。

参见图6，本发明设置相邻的阶梯面6的倾斜方向相反，使得照射到相邻的阶梯面6上的光线发生折射后，能够汇聚到热管上，从而最大程度的利用光能。

优选地，所述顶层钢化玻璃4的下表面的每组阶梯面6的阶梯个数为5个；所述每组阶梯面6的阶梯的高度为5mm，阶梯的倾斜角度分别为40°、40°、40°、36°和27°；所述顶层钢化玻璃4的厚度为8mm，底层钢化玻璃5的厚度为3mm。两层钢化玻璃贴合设置，每个阶梯与底层钢化玻璃5之间的空气层互不连通。

上述参数的选取过程如下：

参见图7和图8，玻璃盖板的聚光计算过程如下，利用菲涅尔透镜计算公式以及三角函数列方程组：

式中：α为阶梯倾角；r为阶梯中心到透镜中心的距离；n为钢化玻璃的折射率，n＝1.54；d为焦距，即钢化玻璃表面距热管顶端的距离；W为阶梯斜面的宽度；B为阶梯斜面的高度；L为阶梯斜面到透镜中心的距离。

考虑普通平板集热器钢化玻璃盖板到集热板的距离和平板集热器实用性，取d为30mm；为使钢化玻璃盖板达到厚度最小且不影响其强度，根据多次取值结果，取B为5mm，计算第一个阶梯斜面的倾角α1根据本集热器集热管间距，取L＝40mm，代入方程组，应用Matlab解方程组得，tanα1＝0.854，W1＝5.86mm；取W1＝6，计算第二阶梯斜面，L＝36mm，代入方程组得tanα2＝0.85，W2＝5.91；取W2＝6，计算第三阶梯斜面，L＝30mm，代入方程组得tanα3＝0.82，W3＝6.12；取W3＝6，计算第四阶梯斜面，L＝24mm，代入方程组得tanα4＝0.74，W4＝6.74；取W4＝7，计算第五阶梯斜面，L＝18mm，代入方程组得tanα5＝0.48，W5＝10.38；取W5＝10。

因此，得到各斜面倾角为a＝b＝c＝40°，d＝36°，e＝27°。应用光的折射原理

画光的折射图如图6，则入射光线均可射到热管表面，大大提高了热管的热效率，降低了吸热板向热管的传热损失。

如图7，底层钢化玻璃5对顶层钢化玻璃4阶梯斜面折射的光线有折射作用，根据光的折射原理，可计算得实际透过两层钢化玻璃的光线路线，以及底层钢化玻璃5对光线的折射偏差为1.4mm，远小于热管直径，对聚光结果无影响。

利用光的折射原理可得，集热器的热管3之间的间隙的光均可折射至热管3的吸热面上，大大提高了热管集热器的效率。

现通过Fluent仿真模拟对本发明玻璃盖板空气夹层的作用进行说明。如图11为本发明的钢化玻璃盖板空气夹层温度场云图，图12为普通集热器玻璃盖板长方体空气夹层温度场云图。两者模拟条件设置相同，设置底面为第二类边界条件，Y轴方向两表面为绝热条件，其余表面为第三类边界条件。如图12，普通集热器玻璃盖板空气夹层最高温度为352K，且高温区域达到夹层空间60％以上，高温区宽泛；低温则为310K，由立面云图可看出低温区面积很小，几乎只在夹层两层分布。如图11，本发明集热器玻璃盖板空气夹层温度最高为332K，高温区只存在于第一个阶梯面的空气夹层；而其余阶梯面空气夹层均为次高温，温度约为328K，且面积很小；低温为308K，且分布广泛。

由温度场模拟结果可得，普通玻璃盖板空气夹层空气温度高，因此对流热损失大。故本发明集热器大大提高了集热器效率。