有效减少塔式太阳能吸热器热辐射损失的装置的制作方法

本发明属于太阳能热发电技术领域，特别涉及有效减少塔式太阳能吸热器热辐射损失的装置。

背景技术：

近年来，随着世界人口的剧增以及工业的快速发展，化石能源的大量利用造成了严重的能源危机，各国都在寻找可以替代化石能源的新能源。太阳能热发电技术因其能量巨大、清洁无污染等优势逐渐被人们所利用。

太阳能热发电技术分为塔式、槽式和碟式三种方式。相对于槽式和碟式热发电技术，塔式太阳能热发电系统具有较高的聚光比(300-1000之间)、光热转换效率高以及发电成本低等优点，商业应用前景巨大。

塔式太阳能热发电系统主要由定日镜场、吸热器、熔盐储罐、换热器以及发电系统组成，吸热器作为集热系统的核心部件，用于吸收定日镜场反射的太阳光，将热辐射能传递给传热工质。空气作为传热工质经过吸热器可形成700℃以上的高温热空气，传热工质温度越高，燃气轮机的效率越高，则整个太阳能热发电厂的光-电转换效率越高。

目前大型塔式热发电站的吸热器多为裸露式，即吸热器外壁面同时为聚光接收面和大气交界面，目前塔式吸热器的散热损失中，尤其是在中高温情况下，辐射散热占总的热损失的70％～90％，这些辐射散热主要是通过吸热器高温外表面对上面的天空散热和对下面的地面散热损失掉的，在空气清洁度和通透度非常好、无云的夜间或白天，吸热器上部都是直接对宇宙辐射，宇宙背景温度为4K(-269℃)，这是接吸热器损失的主要原因。而吸热器下部是对地面辐射散热，地面温度和环境温度相同，一般在-30℃至30℃之间，这部分的辐射散热损失并不大。吸热器中的导热介质温度越高，对宇宙的辐射热损失就越大，其热损失的大小直接关系到系统的光-热效率。太阳能塔式热发电系统中主要的热损失为吸热器与天空的热辐射损失，减少吸热器的热辐射损失对提高整个电场的光-电转换效率具有重大意义。同时塔式太阳能热发电的吸热器由于聚集大量太阳光，容易造成光污染问题，如何减少光污染也是塔式电站的一个重要课题。

技术实现要素：

针对上述现有技术中存在太阳能塔式发电系统中的吸热器热辐射损失大，容易造成光污染的技术问题，本发明提供了有效减少塔式太阳能吸热器热辐射损失的装置，设有的挡板能够减少吸热器与天空的热辐射损失，从而提高塔式太阳能热发电集热系统的光-热转换效率；挡板还能起到缓解光污染的作用。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：有效减少塔式太阳能吸热器热辐射损失的装置，包括位于吸热器顶部的支撑结构和挡板，吸热器的顶部安装有吸热器顶环，吸热器顶环焊接有支撑结构，支撑结构包括圆筒、钢条、支架和连接片，圆筒位于吸热器顶环的中心处，圆筒上焊接有钢条，钢条以圆筒的轴线为中心呈向外散射状，钢条的另一端焊接在吸热器圆环上，所述钢条上焊接有支架，所述支架顶端焊接有连接片，所述连接片开设有螺栓孔；所述挡板包括挡板连接部和挡板围挡部，挡板围挡部与挡板连接部焊接为整个挡板；挡板连接部与连接片通过螺栓、螺母连接。

作为优选，上述防辐射挡板呈梯型、圆台型或半球型。

作为优选，上述防辐射挡板的材料为铝板、不锈钢板或其他的耐腐蚀材料，如铝合金，铅等。

作为优选，上述防辐射挡板为单层或双层架构，双层挡板内部为真空环境。

作为优选，上述支撑结构为碳钢材料，其下端焊接在吸热器顶部，上端通过螺栓连接挡板，起到支撑固定挡板作用。

作为优选，上述挡板连接不与连接片之间设有垫片。

作为优选，上述钢条为3～5组，每组钢条由上下两根组成，位于上方的钢条的一端焊接在圆筒的上沿处，位于下方的钢条的一端焊接在圆筒的下沿处。

作为优选，相邻的每组钢条之间设有加强筋，加强筋的一端焊接在圆筒上，加强筋的另一端焊接在吸热器顶环上。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：通过设置防辐射挡板，挡板阻挡了吸热器向大气辐射热量，同时挡板反射回的辐射能可对吸热器进行二次加热，减少真空集热管与天空的热辐射损失，有效提高槽式太阳能热发电集热系统的光-热效率；挡板还减少了吸热器聚集的光线向大气散射，同时可有效减少光污染。

附图说明

图1是本发明中的有效减少塔式太阳能吸热器热辐射损失的装置的半球型结构细节示意图；

图2是本发明中的有效减少塔式太阳能吸热器热辐射损失的装置的支撑结构的俯视图；

图3是本发明中的有效减少塔式太阳能吸热器热辐射损失的装置的支撑结构的侧视图；

图4是本发明中的有效减少塔式太阳能吸热器热辐射损失的装置的支撑结构与挡板连接部位的局部示意图；

图5是本发明中的有效减少塔式太阳能吸热器热辐射损失的装置的半球型结构整体示意图；

图6是本发明中的有效减少塔式太阳能吸热器热辐射损失的装置的梯型结构整体示意图；

图7是本发明中的有效减少塔式太阳能吸热器热辐射损失的装置的圆台型结构整体示意图；

图8是本发明实例中的塔式集热器的热损失示意图；

图9是本发明实例无防辐射挡板、单层防辐射挡板及双层防辐射挡板对比效果图；

其中：1-吸热器；11-吸热器顶环；

2-支撑结构；21-圆筒；22-钢条；23-加强筋；24-支架；25-连接片；

3-挡板；31-挡板连接部；32-挡板围挡部；

4-螺栓；5-螺母；6-垫片；7-塔架。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。

本发明提供了有效减少塔式太阳能吸热器热辐射损失的装置，如图1至图4所示，包括位于吸热器1顶部的支撑结构2和挡板3，吸热器的顶部设有吸热器顶环11；支撑结构2包括圆筒21、钢条22、支架24和连接片25，圆筒21位于吸热器顶环11的中心处，圆筒21上焊接有钢条22，钢条22的一端焊接在圆筒21上，钢条22的另一端焊接在吸热器圆环(11)上，钢条22以圆筒21的轴线为中心呈向外散射状，钢条22上焊接有支架24，支架24竖直向上，支架24顶端焊接有连接片25，连接片25开设有螺栓孔；挡板3包括挡板连接部31和挡板围挡部32，挡板围挡部32与挡板连接部31焊接为整个挡板3；挡板连接部31与连接片25通过螺栓4和螺母5连接。

图2中的钢条22为4组，则焊接在每组钢条22上的支架24为4个，支架24为竖直向上的钢条或钢管，应当理解，钢条22为3组(支架也为3个)，或钢条22为5组(支架也为5个)也同样适用于本发明。

图1至图4中，相邻的每组钢条22之间还设有加强筋23，加强筋23能够增强支撑结构2的牢固度。

图4中，挡板连接部31和连接片25之间还设有垫片6，垫片6是为了起到缓冲作用，防止挡板连接部31受到连接片25的损伤。

图5中的挡板3为半球形，挡板3为单层结构，应当理解，挡板3为双层结构时，由于双层结构的挡板3的内部中空，具有更好的减少热辐射损失的作用，挡板3将罩在吸热器的上方和四周，能够防止吸热器1向天空进行热辐射，但是不阻挡地面镜场射向集热器1的光线。

图6中的挡板3为梯形，挡板3为单层结构，应当理解，挡板3为双层结构时，由于双层结构的挡板3的内部中空，具有更好的减少热辐射损失的作用，挡板3将罩在吸热器的上方和四周，能够防止吸热器1向天空进行热辐射，但是不阻挡地面镜场射向集热器1的光线。

图7中的挡板3为圆台形，挡板3为单层结构，应当理解，挡板3为双层结构时，由于双层结构的挡板3的内部中空，具有更好的减少热辐射损失的作用，挡板3将罩在吸热器的上方和四周，能够防止吸热器1向天空进行热辐射，但是不阻挡地面镜场射向集热器1的光线。

如图8所示，未加设挡板3的吸热器1向天空和地面进行热辐射，根据实际情况，向天空热辐射损失的热量远大于向地面辐射损失的热量。塔式太阳能发电系统中吸热器的集热温度较高，内部传热工质可达600℃，目前在塔式吸热器的散热损失中，辐射散热占总的热损失的70％～90％，主要为吸热器外壁与天空的热辐射损失，吸热器中的导热介质温度越高，热损失就越大，其热损失的大小直接关系到系统的光-热效率。

下面以塔式梯形挡板实际防止辐射损失为算例，计算挡板的应用效果：

塔式吸热器辐射损失示意图如下：

其中1为吸热器，2为地面，灰色箭头为吸热器向天空辐射的热量，黑色箭头为吸热器向地面辐射的热量。

根据塔式接收器的实际工况，近似估算吸热器对天空的辐射散热情况。其中1为吸热器，2为地面，3为挡板。接收器高H＝6.2m，直径d＝5.1m。现在假设四种工况，吸热器表面温度T₁＝500℃，环境温度为T₂，挡板与地面均取环境温度T₂＝T₃，即。吸热器向天空辐射散热，并接受一定范围内大地的辐射。

(1)工况一，夏季白天：T₁＝500℃，T₂＝30℃；

(2)工况二，夏季夜晚：T₁＝500℃，T₂＝25℃；

(3)工况三，冬季白天：T₁＝500℃，T₂＝-10℃；

(4)工况四，冬季夜晚：T₁＝500℃，T₂＝-20℃。

计算方法如下：

1)在工况1，没有挡板的情况下，吸热器对天空辐射散热。根据辐射计算公式，将吸热器定义为黑体，发射率ε为1，宇宙温度T₀＝4K，则吸热器与天空的辐射换热量为

2)在有挡板的情况下，集热管对挡板辐射散热。挡板形状为梯形，挡板与吸热器之间的夹角为60°，根据角系数公式

根据辐射计算公式，假定挡板材质为抛光未氧化铝，发射率ε₁为0.02，则吸热器与挡板的辐射换热量为

由此可以得出，挡板每平米所能挡住的能量占集热管向天空损失能量的

同理，其余工况的遮挡效率分别为

η₂＝98.5％

η₃＝98.4％

η₄＝98.2％

由此可见，无论在何种工况下，每平米挡板遮挡吸热器辐射能量都能达到98％。

3)单层挡板与双层挡板的效果差异计算

挡板为双层时，内层挡板表面温度T₁＝20℃，外层挡板表面温度T₂＝5℃，挡板的透射率ε＝0.02，则

即吸热器辐射在挡板上的能量，每平米仅有0.8w的热量散失到真空中，由此可见，双层挡板结构对于减少辐射能量的损失起到了非常关键的作用，显而易见吸热器添加挡板后所能带来的可行性与经济效益。

上述的四种工况的热损失情况如图9所示，横坐标的1/2/3/4分别对应工况一至工况四，图中的a是未加设挡板3时的热辐射损失，b是使用单层挡板3时的热辐射损失，c为使用双层挡板3时的热辐射损失；显然，无论是使用单层挡板还是双层挡板，都能够大幅减少热损失，使用单层挡板后热辐射损失减少75％以上，使用双层挡板后，热辐射损失减少85％以上。

以上实施例仅为本发明的示例性实施例，不用于限制本发明，本发明的保护范围由权利要求书限定。本领域技术人员可以在本发明的实质和保护范围内，对本发明做出各种修改或等同替换，这种修改或等同替换也应视为落在本发明的保护范围内。