内置正四面体腔池沸型太阳能吸热器的制作方法

本实用新型属于太阳能吸收器技术领域，具体涉及一种内置正四面体腔池沸型太阳能吸热器。

背景技术：

随着全球能源危机加剧，能源问题成为了人类生存与发展的世界性问题。一方面，随着煤炭和石油等不可再生能源的消耗，人们需要寻找新的稳定的能源来逐渐摆脱对化石能源的依赖，另一方面，随着环境问题的日益严峻和应对气候变化挑战的需要，以太阳能、风能、生物质能为代表的新能源引起了世界各国越来越广泛的关注。太阳是一个巨大的能源中心，照射到地球的太阳能相当于每秒钟燃烧600万吨标准煤所产生的能量，可以说太阳能是取之不尽，用之不竭的洁净能源。因此发展太阳能高效利用不仅减少对化石能源的依赖，而且对节能减排，保护环境具有重要意义。太阳能光热利用是目前太阳能利用最广泛方式之一。按照太阳能聚光形式，目前太阳能热发电主要可分为槽式、塔式和碟式三种。其中碟式太阳能热发电系统由于聚光比高、热损小，光电效率高于前两者，因此碟式太阳能发电系统受到研究人员的广泛关注。

作为碟式太阳能高温热利用系统中将聚集的太阳光转化成热能或化学能的装置，腔式吸热器的光热转化效率很大程度上影响了整个系统的应用。长期以来，国内外广大学者对腔式吸热器的几何特征和光热转化性能做了大量研究，研究的方向主要集中在减小腔式吸收器的热损和在此基础上的吸热器结构优化。腔式吸热器的热损主要包括以下三部分：(1)太阳光线通过入射孔逃逸的光学损失；(2)吸热器通过入射孔与外界的对流损失；(3)吸热器壁面的导热损失。除此之外，吸热器不同形状的几何特征往往造成入射热流密度的分布不均匀，导致局部热斑的出现，大大缩短了设备的使用寿命，进而造成碟式太阳能热发电成本居高不下。

技术实现要素：

针对上述问题，本实用新型提供一种光线入射效率高、光热能损失少的内置正四面体腔池沸型太阳能吸热器，它还具有对流损失小、光热转换效率高等优点。

内置正四面体腔池沸型太阳能吸热器，包括吸热器本体、吸热腔组件、吸热管、传热工质，吸热器本体内部为腔室；吸热腔组件呈正四面体状，且吸热腔组件的底部开口；吸热腔组件的底部安装于吸热器本体内的底部，在吸热器本体的底部设有光学入射窗口；吸热腔组件将腔室隔离成两部分，吸热器组件和吸热器的本体的底部围绕的一部分空间为吸热腔，另一部分空间为换热腔；光学入射窗口对着吸热腔，在换热腔内安装吸热管，并在吸热腔组件内壁上设有传热工质；吸热器本体的壁内嵌入有保温隔热材料。采用此结构，通过在吸热器本体的腔室内安装正四面体状的吸热腔组件，从而将腔室隔离成吸热腔和换热腔；通过正四面体的吸热腔，透射进入吸热腔的光线经过多重反射，从而实现吸收绝大部分的透射光，光线逃逸少，入射效率高，光能得到充分吸收和利用；换热腔内内壁设有传热工质，通过正四面体状的吸热腔组件的将热能传递，传热工质被加热、沸腾，从而营造“池沸”效果，改善换热腔内热流分布，避免形成热斑，减少热斑对盘旋的损害，提高光热能转换效率，减少了热能损失。

优选的，光学入射窗口为圆形，吸热腔组件的正四面体顶点正对光学入射窗口的圆心；光学入射窗口包括内、外两层高透射玻璃，且两层高透射玻璃之间为真空层。采用此结构，光学入射窗口和吸热腔正对，进一步提高光线入射效率，以吸收更多光能；同时，光学入射窗口能较好地隔绝腔内和外界，减少吸热腔内和外界的热交换，减少热对流损失，提高热能利用效率。

优选的，还包括环形肋板，两层环形肋板平行安装于吸热腔组件的内壁上，两层环形肋板将换热腔隔离成三部分，分别为换热上腔、换热中腔、换热下腔。采用此结构，环形肋板可以增加传热工质蒸汽的热流扰动，从而使热量在换热腔内部分布更加合理，提升热交换效率。

优选的，吸热管呈螺旋状，吸热管紧贴换热腔内的吸热器本体内壁，吸热管上、下端分别和储热介质进口管、储热介质出口管连接。采用此结构，吸热管与内壁紧贴，使得吸热管壁更充分地浸润在传热工质的蒸汽中，达到强化传热的目的，且管内流体及时带走内壁热量，减少了导热损失。

优选的，储热介质进口管、储热介质出口管均包括依次相接的圆弧段、直线段，直线段穿过吸热器本体与外部管道相连接，圆弧段与吸热管焊接。采用此结构，简化了管道行程，减少了设备负担。

优选的，吸热器本体包括顶盖、壳体、底板，壳体呈圆柱状，壳体上、下端均为法兰部，壳体上、下端分别通过法兰部和顶盖、底板固定连接。采用此结构，结构简单，安装拆卸方便，同时腔室呈圆柱状，便于安装吸热腔组件，以形成吸热腔和换热腔。

优选的，顶盖、壳体、底板均包括内壁、保温层、外壁，内壁、外壁均采用不锈钢材料制成，内壁和外壁之间的保温层填充保温隔热材料。采用此结构，较好地对腔室内的热能实现保温，通过三层式结构较好地隔绝腔室内外的热量对流、交换。

优选的，传热工质采用导热重油、熔融盐中的一种。采用此结构，传热工质更容易加热至沸腾、汽化状态，从而更容易达到换热腔内的沸腾效果，易于实现热量均匀分布于换热腔内。

优选的，吸热腔内的吸热器腔组件外壁上涂有黑色涂层。采用此结构，能有效增加太阳能光热吸收。

太阳热能高温吸收及储存方法，采用上述内置正四面体腔池沸型太阳能吸热器，太阳光线通过光学入射窗口进入吸热腔，吸热腔将热量传递给传热工质，传热工质受热融化直至汽化，汽化的传热工质充满整个换热腔，吸热管中的储热介质自上而下流动，汽化的传热工质通过吸热管壁和储热介质进行热交换，储热介质温度持续升高，从而完成太阳光热能的吸收和向储热介质的热化学能转化。采用此结构，能通过正四面体状的吸热腔高效地吸收太阳光能，并转换为热能；再通过换热腔实现对热能-化学能-热能的高效转换，实现高效率的太阳热能吸收和储存。

本实用新型的优点：

1、正四面体状的吸热腔组件，其具有的60°开口的v型板对光线的吸收效率可达99％以上，该腔式吸热器内置的正四面体吸热腔由于特殊的几何结构，可以使进入腔室的光线发生多重反射而被吸收，太阳光线较更难逃逸，反射光损失少，有效地减少了光学损失。

2、尽管入射口的透光玻璃并不能完全透射所有入射光线，但是由于其阻挡了外界空气与腔室之间的对流，以及两层透射玻璃中间真空层的存在，使得整个装置与外界的对流热损大大减小。

3、顶盖、底板、壳体之间使用耐高温绝热材料填充，与抽真空的隔热方法相比，填充绝热方式更加经济，有利于降低太阳能热发电系统成本

4、顶盖、壳体与底座通过螺栓和螺母紧密相连，结构简单，便于拆装，必要时可拆卸并清理，更换填充材料，便于后期维护。

5、在吸热腔组件内壁上设有传热工质，由于低沸点传热工质能够及时吸收腔室吸热壁上的热量，并且变化为温度较为均匀的热流蒸汽，与吸热管的储热工质进行热交换，热交换效果好；同时由于环形肋板的限制与分层，热流蒸汽在环形肋板之间做着更为复杂的运动，强化了传热，也避免了传统吸热器的入射光线直接照射在吸热管而造成的温度分布极度不均匀和热斑的产生，有利于降低材料的选择难度和延长设备使用寿命。

附图说明

图1是内置正四面体腔池沸型太阳能吸热器的结构示意图。

图2是内置正四面体腔池沸型太阳能吸热器的主视图

图3是图2中a-a向剖视图。

图4是内置正四面体腔池沸型太阳能吸热器的俯视图。

图5是顶盖的结构示意图。

图6是储热介质进出口管道的结构示意图。

图7是内置正四面体腔池沸型太阳能吸热器的的整体管道的俯视图。

图8是图7中b-b向的剖视图。

图9是内置正四面体腔池沸型太阳能吸热器的的整体管道的立体结构示意图。

图10是吸热腔组件和环形肋板的组合安装示意图。

图11是内置正四面体腔池沸型太阳能吸热器的整体结构示意图。

其中，1-顶盖；2-上法兰部；3-壳体内壁；4-壳体保温层；5-壳体外壁；6-吸热管；7-上环形肋板；8-下环形肋板；9-吸热腔组件内壁；10-吸热腔组件外壁；11-光学入射窗口；12-下法兰部；13-底板外壁；14-底板保温层；15-底板内壁；16-下吸热壁；17-中吸热壁；18-上吸热壁；19-螺母；20-螺栓；21-储热介质进口管；22-储热介质出口管；23-圆弧段，24-直线段。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型做进一步的具体说明。

内置正四面体腔池沸型太阳能吸热器包括吸热器本体、吸热腔组件、吸热管、传热工质。

吸热器本体顶盖、壳体、底板。顶盖和底板均呈圆盘状，顶盖和底板上均设有呈环状分布的多个螺纹孔。壳体呈圆柱状，壳体上、下端均为法兰部，壳体上端为上法兰部，壳体下端为下法兰部。法兰部外径较圆柱直径略大，法兰部的外径和顶盖、底板的直径相同，法兰部上也设有和顶盖、底板上对应的螺纹孔。壳体上端的法兰部和顶盖通过螺栓、螺母固定连接；壳体下端的法兰部和底板通过螺栓、螺母固定连接。

底板上设有光学入射窗口，光学入射窗口呈圆形。光学入射窗口的直径和底板的直径比优选为1:10。光学入射窗口包括内、外两层高透射玻璃，且两层高透射玻璃之间为真空层。高透射玻璃厚度约为2mm。

顶盖、壳体、底板安装后，内部形成一空心圆柱状的腔室。在腔室内的底部，也即底板上，安装吸热腔组件。吸热腔组件呈正四面体状，正四面体的下端开口。正四面体的下端安装在底板上，并使得正四面体的上端的顶点正对底板上光学入射窗口的圆心。正四面体将腔室隔离成两部分，正四面体和底板围绕的一部分空间为吸热腔，腔室内的另一部分空间(也即正四面体、壳体、底板围绕的空间)为换热腔。太阳光照射进入吸热腔，吸热腔进行首轮直接吸热，因此将吸热腔组件(即正四面体)和光学入射窗口对着的侧壁定义为吸热腔组件外壁，将吸热腔组件对着壳体的侧壁定义为吸热腔组件内壁。吸热器腔组件外壁上涂有黑色涂层，从而更好地吸收透射进来的太阳光能。

为进一步提升换热效果，本实施例中，在吸热腔组件(即正四面体)内壁上安装两层环形肋板，分别为上环形肋板和下环形肋板，两层环形肋板平行安装；环形肋板与正四面体内壁面夹角约为105～106度。环形肋板可视为绕正四面体的中轴线旋转而成。正四面体与环形肋板可选择紫铜或者铍青铜中制成，正四面体内壁面和环形肋板厚度均为1～3mm。两环形肋板将换热腔分隔成三部分，由上至下分别为换热上腔、换热中腔、换热下腔；两环形肋板将吸热腔内壁由下至上依次分为下吸热壁、中吸热壁、上吸热壁。并在吸热腔组件内壁上设有传热工质。传热工质可采用、导热重油、熔融盐、低沸点的钠中的一种。传热工质未受热之前，应该紧贴于吸热腔组件内壁，受热沸腾或者发生相变之后可以将热量传递给吸热管，并且可以在冷凝之后在自身重力和环形肋板的阻挡下再次聚集在吸热腔组件内壁上。

吸热管呈螺旋状。吸热管安装在腔室内的换热腔内，并且吸热管紧贴壳体内壁。吸热管上端和储热介质进口管连接，吸热管下端和储热介质出口管连接。能储热介质进口管、储热介质出口管均包括依次相接的圆弧段、直线段，直线段穿过吸热器本体(也即顶盖或底板)与外部管道相连接，圆弧段与吸热管焊接。

一种太阳热能高温吸收及储存方法，以金属钠为传热工质，以导热重油为储能介质；太阳光通过光学入射窗口透射进入吸热腔内，吸热腔将热量传递给传热工质，传热工质受热融化直至汽化，汽化的传热工质充满整个换热腔，吸热管中的储热介质自上而下流动，汽化的传热工质通过吸热管壁和储热介质进行热交换，储热介质温度持续升高，从而完成太阳光热能的吸收和向储热介质的热化学能转化。

顶盖、壳体、底板均包括内壁、外壁、保温层，保温层设于内壁和外壁之间。内壁、外壁均采用不锈钢材料制成，内壁和外壁之间的保温层填充保温隔热材料。

顶盖的直径为1500～1600mm。顶盖内壁和顶盖外壁之间为顶盖保温层。顶盖保温层中填充的材料为玻璃纤维，保温层厚度为30至50毫米。玻璃纤维导热系数较小。

壳体内壁和壳体外壁厚度均为5至7毫米。壳体保温层厚度为35至50毫米。壳体的法兰部的外径为1400～1500mm。壳体中部的圆柱的内径为1300至1350mm。壳体中部的圆柱的轴向长度为1150至1200mm。

底板的直径为1400～1500mm，高度约50mm。底板外壁厚度约为3mm，用于支撑与固定整个吸热器。底板内壁上覆有耐腐蚀金属，并且与吸热腔组件底部焊接。底板内壁和底板外壁之间为底板保温层。

吸热管的管径约6mm，管壁厚度约1mm。吸热管使用耐腐蚀、导热性能良好的金属材料制成，例如可以采用不锈钢、紫铜或者铍青铜。

储能介质进口管和储能介质出口管的规格相同。两管的管径约为50mm，管壁厚约5mm，两管选用耐腐蚀的导热金属制成。

吸热腔组件的主体形状为正四面体，吸热腔组件的底面边长为950至1050mm。根据几何知识与光学反射原理，吸热腔组件外壁面形状为三个相等的正三角形，面角为60°，相当于立体的v型板，可以使光线经多次反射被吸收而难以逃逸。

上述实施例为实用新型较佳的实施方式，但本实用新型的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本实用新型的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本实用新型的保护范围之内。