专利名称：内聚光真空太阳能集热管的制作方法
内聚光真空太阳能集热管
技术领域：
本发明涉及一种太阳能光热转换技术，更具体地说，涉及一种内聚光真空太阳能
集热管。
背景技术：
目前市场上的太阳能光热转换技术产品仍局限低温技术产品，更具体地说就是所获得的热能在100°C以下。太阳能集热元件主要是平板集热器和玻璃真空太阳能集热管。 上述产品已广泛应用于太阳能热水器和太阳能热水工程的市场。生活用热水占世界总能耗的3%左右，约占建筑节能的10%。占建筑能耗最大比例的夏季空调制冷和冬季采暖约占世界总能耗的30%。因此大力发展太阳能光热产品在夏季空调制冷和冬季采暖上的应用才能有效的改变世界能源结构，才能既保证国民经济持续发展，又减少二氧化碳排放并阻止气候变暖。目前的太阳能集热元件存在以下缺点(1)运行温度低而不能满足夏季空调制冷和冬季采暖的要求。溴化锂机组是目前较成熟的利用热源进行空调制冷的机组。现阶段是用燃气加热水蒸气达160°C 180°C进行双效制冷。其制冷系数可达到1. 3，即提供160°C以上的蒸气热量1000大卡，可获得冷量1300大卡。而目前的太阳能集热元件如玻璃真空太阳能集热管在夏季只能提供90°C以下的热水，在此温度下溴化锂制冷机组只能进行单放制冷，其制冷系数在0. 6以下。因制冷效率低，占地面积大而导致太阳能空调制冷不能推广。同理冬季采暖也存在上述问题，冬季在_20°C 0°C的环境下，要把水温加热到 65°C 90°C又要保证太阳能集热元件有较高的光热转换效率，目前的太阳能光热转换产品还不能完成。(2)为了提高太阳能光热产品的运行温度采用外聚光技术。把太阳能集热元件放置在聚光器的聚焦位置处，聚光器又置身于空气环境中，这种技术称为外聚光技术。由于聚光器暴露在空气中易氧化、易积灰、易变形所以未能推广应用。(3)内聚光技术把吸热元件放在聚光器的聚焦位置处，聚光器又放置在一个密闭的容器内，这种技术称为内聚光技术。目前的内聚光集热元件技术基本按不跟踪太阳光的前提下设计聚光器的曲面，因而聚光比较偏小(聚光器的采光面积与吸热元件的迎光面积的比值)，一般在3倍左右。由于不跟踪太阳光，除中午阳光垂直照射下能获得所设计的聚光比效果，其余太阳光东西方向斜射时就远不如中午的聚光效果。不能在夏季太阳空调制冷和冬季采暖中推广应用。
发明内容本发明要介决的技术问题在于，针对目前太阳能集热元件的运行温度低的缺陷， 提供一种聚光效率更高的内聚光真空太阳能集热管，以获得更高温度的热媒工质，进而提高各种太阳能产品的运行温度。
本发明解决该技术问题所采用的技术方案是构造一种内聚光真空太阳能集热管，包括设有反光膜层的真空罩玻璃管以及设置在所述罩玻璃管内位于所述反光膜层聚焦位置处的吸热管，所述吸热管内设有流动的热媒工质；所述罩玻璃管包括反射段，所述反射段的截面形状设置为多段弧线段封闭连接形成，所述反光膜层设置在其中一段弧线段所对应的反射段内表面，该弧线段为反射弧线段；所述罩玻璃管外侧还设有由太阳光跟踪装置驱动的传动件。在本发明所述内聚光真空太阳能集热管中，所述多段弧线段包括两段对称设置的对称弧线段以及将所述对称弧线段连接起来的过渡弧线段，所述对称弧线段的对称中心线与所述吸热管的直径重合，所述反射弧线段为其中一根对称弧线段。加工时，可以按照罩玻璃管的截面形状精确制作模具，由玻璃炉窑产生的高温液体玻璃通过模具批量拉制出罩玻璃管，这样既能控制好反光膜层所需要的曲面的曲率半径，又能缩小整个集热管的体积，又能节省材料，避免了采用圆筒形的罩玻璃管。另外，如果将罩玻璃管制成圆管形状，该罩玻璃管的聚焦位置位于偏心处，即处于聚焦位置的吸热管位于罩玻璃管的偏心位置；在跟踪太阳光的过程中，由于吸热管要与外部的热媒工质连通，则整个罩玻璃管必须围绕吸热管的中心轴转动才方便实现太阳光跟踪；对于较大聚光比的集热管而言，重量重达30公斤左右，则需要很大的驱动力矩才能驱动整个罩玻璃管转动，进而容易在转动过程中对罩玻璃管造成损坏。而在本发明所述内聚光真空太阳能集热管中，通过设置多段弧线段包括两段对称设置的对称弧线段以及将所述对称弧线段连接起来的过渡弧线段，并且设置所述对称弧线段的对称中心线与所述吸热管的直径重合，使得整个罩玻璃管的重心正好位于吸热管的中心轴上，这样只需要提供足够克服摩擦力的转动力矩即可实现罩玻璃管的转动，其转动力矩要小得多，保证了在进行太阳光跟踪过程中罩玻璃管不容易损坏，延长了整个集热管的使用寿命。在本发明所述内聚光真空太阳能集热管中，所述反射弧线段为圆弧线段或抛物线弧线段或椭圆弧线段。在本发明所述内聚光真空太阳能集热管中，所述吸热管的一端开口而另一端封闭，该开口与外部热媒工质运行系统连通。在本发明所述内聚光真空太阳能集热管中，所述吸热管的两端开口，所述吸热管的两开口端分别为与外部热媒工质运行系统的进口端和出口端连通。在本发明所述内聚光真空太阳能集热管中，所述吸热管上位于罩玻璃管内的部分设有异形球。由于罩玻璃管与吸热管在两端口处溶接封死，在使用时吸热管受热膨胀，使得吸热管的轴向尺寸增大，从而导致吸热管端口连接处应力急剧增大而爆管。通过在吸热管上设置异形球，使得吸热管在罩玻璃管内有一定的轴向伸缩量，从而防止其受热爆裂。在本发明所述内聚光真空太阳能集热管中，所述吸热管的开口端与罩玻璃管通过罩玻璃管端部设置的连接段连接，所述连接段的一端与所述罩玻璃管反射段圆滑过渡连接而另一端与所述吸热管的开口端连接，所述连接端与所述吸热管同轴设置。在加工时，先制作出该连接段，再将连接段的一端通过吹制工艺与罩玻璃管的反射段连接，再将连接段的另一端和吸热管的开口端通过加热翻边熔接后封口，解决了吸热管的开口端与罩玻璃管的反射段由于管径差距大且形状不同而很难熔接封口的问题；同时在加工本发明所述内聚光真空太阳能集热管时，更容易保证了吸热管位于罩玻璃管反光膜层的聚焦位置处，保证了加工精度，提高了成品率。在本发明所述内聚光真空太阳能集热管中，所述吸热管内还设有紧贴所述吸热管内壁的金属管，所述热媒工质设置在所述金属管内。在本发明所述内聚光真空太阳能集热管中，所述吸热管为金属管，所述吸热管与罩玻璃管通过端盖连接，所述端盖密封设置在所述罩玻璃管反射段的端部，所述端盖中心设有供所述吸热管穿过的中心孔，所述吸热管和所述端盖中心孔之间密封设置。通过在吸热管开口端与罩玻璃管之间设置端盖，并在端盖中心处设置中心孔，使得吸热管被定位在罩玻璃管的中心位置处；无需再考虑如何采用玻璃熔接工艺将罩玻璃管和吸热管连接起来的问题，加工工艺更为简单。在本发明所述内聚光真空太阳能集热管中，所述吸热管为金属管，所述罩玻璃管设有两个开口端，所述上开口端密封设有第一端盖，所述下开口端密封设有第二端盖；所述吸热管通过所述第一端盖定位在罩玻璃管反射段的聚焦位置处，所述第一端盖中心设有供所述吸热管穿过的中心孔，所述吸热管和所述端盖中心孔之间密封设置。实施本发明所述的内聚光真空太阳能集热管，具有以下有效效果通过在罩玻璃管内侧设置反光膜层，在罩玻璃管内位于反光膜层聚焦位置处设置吸热管，吸热管内设有流动的热媒工质；使用时，太阳光经反光膜层反射至位于聚焦位置处的吸热管，对吸热管内的热媒工质进行加热，从而将太阳光转化为热能。由于反光膜层设置在罩玻璃管内，因而不容易积灰。另外罩玻璃管设置为真空，使得反光膜层和吸热管不容易氧化，大幅延长了整个集热管的使用寿命，节约了维护成本。而反光膜层直接设置在罩玻璃管的内表面，避免了在罩玻璃管内设置单独的反光板，同时还能避免反光板容易变形所带来的问题。此外，由于罩玻璃管外侧还设有由太阳光跟踪装置驱动的传动件，使得罩玻璃管内的反光膜层能够始终正对着太阳光，从而能够获得更多的太阳光，从而达到更好的聚光效果，进而获得更高温度的热能，提高各种太阳能产品的运行温度。通过将反光膜层设置在反射弧线段对应的罩玻璃管反射段内表面上，当太阳光照射在罩玻璃管的内表面时，有90%的阳光被反射膜层反射到位于聚焦位置处的吸热管。如果将罩玻璃管制成圆管形状，即罩玻璃管的截面形状为圆形，选择13倍聚光比制作中高温集热管，只有62%的内表面的反射光能够反射到位于聚焦位置处的吸热管，这就比本发明所述内聚光真空太阳能集热管中罩玻璃管的材料要多了 40 %左右，因此本发明所述内聚光真空太阳能集热管材料成本更低。具体地，反光膜层可以通过蒸膜的工艺在设置在罩玻璃管内表面上对应的区域，即反射段内反射弧线段对应的区域。下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明。
图1是本发明所述内聚光真空太阳能集热管的实施例主视图；图2是本发明所述内聚光真空太阳能集热管的吸热管为二端开口的结构示意图；图3是本发明所述内聚光真空太阳能集热管优选实施例中反光面为圆弧面的横截面图；图4是本发明所述内聚光真空太阳能集热管优选实施例中反光面为圆弧面时的聚光原理图5是本发明所述内聚光真空太阳能集热管的另一实施例的结构示意图；图6是是本发明所述内聚光真空太阳能集热管的再一实施例的结构示意图。
具体实施方式如图1、2、3、4所示，在本发明所述内聚光真空太阳能集热管中，包括罩玻璃管1和设置在罩玻璃管1内的吸热管2，吸热管2内设有流动的热媒工质3，罩玻璃管1外设有传动件4。其中，罩玻璃管1设置为真空，其内侧表面设有反光膜层5，吸热管2设置在反光膜层 5的聚焦位置处。吸热管2内流动的热媒工质3能够即时将热量带走。罩玻璃管外的传动件4能够由太阳光跟踪装置驱动实现太阳光的跟踪，以便太阳光能够正对着反射膜层进行照射，以获得更多的太阳光，从而提高聚热效果。具体地，传动件可以是传动齿轮，太阳光跟踪装置通过齿轮与传动齿轮啮合，从而带动传动齿轮转动，进而带动罩玻璃管跟踪太阳光； 还可以将传动件设置为固定在罩玻璃管外侧的皮带轮，太阳光跟踪装置通过皮带或钢丝绳驱动皮带轮转动；还可以将传动件设置为固定在罩玻璃管外侧的转动轮，太阳光跟踪装置通过连杆驱动转动轮转动，其中太阳光跟踪装置驱动连杆的一端平移，而连杆的另一端销轴连接在转动轮的偏心位置上，从而形成曲柄连杆结构。只要太阳光跟踪装置可以通过传动件带动罩玻璃管转动即可。现有的太阳能集热器通常为多根太阳能集热管的阵列，为保持较大的受光面积， 通常太阳能集热器体积较大，这就使得在设计该太阳能集热器的太阳光跟踪装置时就要考虑整个太阳能集热器的重心和抗风能力的问题，由此必须设置一个庞大的底座和坚固的转动轴，使得整个太阳光跟踪装置的造价昂贵，难以推广。在本发明所述的内聚光真空太阳能集热管内，通过在罩玻璃管1外设置传动件4，使得该太阳能集热管能够定向跟踪太阳光， 可提高80%的光热转换效率。本发明的内聚光真空太阳能集热管在太阳光跟踪装置的驱动下通过传动件4带动单根太阳能集热管作跟踪太阳光东西向的转动；不需要转动整个太阳能集热管阵列，降低了整个太阳光跟踪装置的设备成本和运行成本。以本优选实施例为例， 一个20W的电动机配上齿轮减速装置可转动200根太阳能集热管。太阳高度角的跟踪每个月手工调动一至二次太阳能集热器支架的倾斜角就可完成。实测结果与全自动跟踪系统相比全年的太阳能光热转换效率仅相差7%。但造价仅是全自动跟踪系统的二十分之一。在本发明所述内聚光真空太阳能集热管优选实施例中，罩玻璃管1包括反射段 la，反射段Ia最好设置为柱面，其截面形状设置为多段弧线段封闭连接形成，反光膜层5设置在其中一段弧线段所对应的反射段内表面，该弧线段为反射弧线段6。反射弧线段6可以设置为圆弧线段或抛物线弧线段或椭圆弧线段等圆滑的弧线段。当太阳光照射在罩玻璃管1的内表面时，有90%内表面所受的太阳光能反射到达位于聚焦位置处的吸热管2。具体地，反光膜层5可以通过蒸膜的工艺在设置在罩玻璃管1内表面上对应的区域，即反射弧线段6对应的反射段Ia的区域。具体地，可设置多段弧线段包括两段对称设置的对称弧线段以及将对称弧线段连接起来的过渡弧线段，反射弧线段6为其中一根对称弧线段。其中对称弧线段可根据需要设置为圆弧线段或抛物线弧线段或椭圆弧线段等，本实施例优选设置对称弧线段为圆弧线段。加工时，可以按照罩玻璃管的截面形状精确制作出模具，再利用玻璃炉窑产生的高温玻璃液体将罩玻璃管批量拉制出来，这样既能控制好反光膜层5所处的罩玻璃管内侧面所需要的曲率半径，又能缩小整个集热管的体积，还能避免了采用圆筒形的罩玻璃管1，节省材料。另外，通过将多段弧线段分为对称设置的两段对称弧线段，且这两段对称弧线段的对称中心线与所述吸热管的直径重合，即这两段对称弧线段的对称中心线通过吸热管在该处的圆心，这使得罩玻璃管1有二块大小相等形状相同的圆弧面以吸热管2的中心轴为中心对称轴组合而成，从而使得内聚光真空太阳能集热管的罩玻璃管1的重心位于吸热管2的中心轴上，从而大幅减小了罩玻璃管转动所需的转动力矩。如图3所示，在本发明所述内聚光真空太阳能集热管优选实施例中，罩玻璃管1的截面形状由四段弧线段封闭连接形成，分别为弧线段&、Ik、@和其中弧线段
为反射弧线段6，在该反射弧线段6所对应的罩玻璃管1反射段Ia区域设有反光膜层5。 反光膜层5可以是镀在罩玻璃管1内侧面的高反射率的金属膜层，优选为铝膜，具体可采用蒸铝膜的工艺将铝膜镀在罩玻璃管1内侧面对应区域内。现有的聚光器通常是在罩玻璃管 1内设置反光板，反光板通常采用金属材料冲压成形。本发明所述内聚光真空太阳能集热管通过将反光膜层5直接设置在罩玻璃管1的内侧的方式，降低了材料成本，并且反光面不会发生变形，聚光精致准确，效率高。例如一根2000mm长，直径80mm采用金属铝板而设计的聚光器，需要200克0.4mm厚的磨光铝板。本发明的内聚光真空太阳能集热管由于采用罩玻璃管1内壁镀上铝膜，铝膜的厚度为0. 005mm，仅为铝板厚度的八十分之一。200克高纯度的反光铝板需人民币16元，占整个内聚光集热管材料的60%。另外，玻璃镀铝镜面反光率高达93%以上，铝板镜面的反率在85%左右。在本优选实施例中，弧线段@可以设置为圆弧形或抛物线形或椭圆弧形，在本实施例中优选设置为圆弧形。对应的，为了保证罩玻璃管1整体的强度，优选将弧线段无云也设置为圆弧形，并且设置在与弧线段@对称设置。而弧线段&和@可采用小圆弧线段， 将大圆弧线段@和@圆滑过渡连接起来形成一个封闭的截面形状。如图3、4所示，在本优选实施例中，优选将吸热管2设置在弧线段@和;^的对称中心轴的位置。如图4所示，假设弧线段@的圆心为点0，半径为R。以点0为原点建立XOY 平面直角坐标系。吸热管2的截面形状为圆0’，在该圆0’内作内接等腰直角三角型ABC，其中该等腰直角三角形的底边@平行于X轴并过圆心0’，B点在y轴上，B点坐标为(0，b)， Z A = Z B = 45° 的直线方程为Y = -X+b 其中(0 < b < R) ； (1)由式(1)可知 0<X<R，0<Y<R。入射光线S垂直于弦；^照射到反射弧线段6@处。其中，弦@的两端点坐标为 D (Xd, Yd), E (-Xd, ￥(1)，反射点为6，其坐标为6(父8，Yg)，法线为0G，反射圆弧@在反射点 G处的切线为直线N ；入射光线S平行Y轴入射，其直线方程为h = Xg,就是通过反射点G 处平行Y轴的直线；要求当入射光线-Xd < Xs < Xd时，照射在圆弧上的反射光线均能聚焦在I, &线段上，也就能证明了反射光线均能聚焦在吸热管2的表面上。由于在本优选实施例中，罩玻璃管1外设有传动件4，可以由太阳光跟踪装置驱动该传动件4带动罩玻璃管1转动，使得反射段Ia圆弧始终朝着太阳光，即保证入射管线始终垂直于弦M照射到反射弧线段6 处，保证了入射光线始终能够平行Y轴入射。整个反射弧线段6 以Y轴为对称中心对称分布，即Y轴为反射圆弧@的对称中心轴，同样等腰直角三角形AABC也以Y轴为对称中心轴，这样，当入射光线0 < Xs < Xd时，如果照射在圆弧S 上的反射光线均能聚焦在@线段上，则照射在圆弧冠上的反射光线就能聚焦在&线段上。当位于m段的任一光线S入射至反射点G后形成反射线S，，法线OG与X轴的夹角为α，反射光线S，与 X轴的夹角为β。由于反射点G(Xg，Yg)在圆弧@上，由此有方程Xg2+Yg2 = R2 (3)由图可知Z1 =Z 2，Z 3 =Z 4，Z 1+α =90°，β + Z 1+ Z 2 = 90°，因此 β = 2 α-90°，由此有方程tgfi = tg(2a--) = -ctg(2a) = -l~tg °( 4 )
2Itga由式⑵和式⑷可得到
Ys2-Xs2(5)
Yg-Y同时，反射光线S’的直线方程为_ =. ( 6 )
Yg-Y Yg2-Xg2由式(5)和式(6)可得到Z1T-TT= /,、
Xg-X ^gYg(7)由于反射光线S’与三角形AABC的交点I (Xi，Yi)同时在两直线上，因而有 Yg-Yi Yg2-Xg2—-=—-—
Xg-Xi 2XgYg(8)Yi = -Xi+b (9)由式⑶、(8)、(9)整理可得到
XgR2-2bXg^R2-Xg2Xl=~-；- ！， y
2Xg2-R2-IXgyJR2-Xg2(10)当b = 0. 75R时，将Xg在0-0.92R范围内以0.02R为等份间隔等差取值，依次代入式(10)中，得到表1 表 1
Xg(R)Xi(R)Xg(R)Xi(R)Xg(R)Xi(R)^
0.000.0000 360. 1020 720.031
0.020.0100 380. 1040 740.007
0.040.0190 400. 1060 76-0.023~
0.060.0270 420. 1080 78-0.063~
8
权利要求
1.一种内聚光真空太阳能集热管，其特征在于，包括设有反光膜层的真空罩玻璃管以及设置在所述罩玻璃管内位于所述反光膜层聚焦位置处的吸热管，所述吸热管内设有流动的热媒工质；所述罩玻璃管包括反射段，所述反射段的截面形状设置为多段弧线段封闭连接形成，所述反光膜层设置在其中一段弧线段所对应的反射段内表面，该弧线段为反射弧线段；所述罩玻璃管外侧还设有由太阳光跟踪装置驱动的传动件。
2.根据权利要求1所述的内聚光真空太阳能集热管，其特征在于，所述多段弧线段包括两段对称设置的对称弧线段以及将所述对称弧线段连接起来的过渡弧线段，所述对称弧线段的对称中心线与所述吸热管的直径重合，所述反射弧线段为其中一根对称弧线段。
3.根据权利要求1所述的内聚光真空太阳能集热管，其特征在于，所述反射弧线段为圆弧线段或抛物线弧线段或椭圆弧线段。
4.根据权利要求1所述内聚光真空太阳能集热管，其特征在于，所述吸热管的一端开口而另一端封闭，该开口端与外部热媒工质运行系统连通。
5.根据权利要求1所述内聚光真空太阳能集热管，其特征在于，所述吸热管的两端开口，所述吸热管的两开口端分别为与外部热媒工质运行系统的进口端和出口端连通。
6.根据权利要求5所述内聚光真空太阳能集热管，其特征在于，所述吸热管上位于罩玻璃管内的部分设有异形球。
7.根据权利要求4或5所述内聚光真空太阳能集热管，其特征在于，所述吸热管的开口端与罩玻璃管通过罩玻璃管端部设置的连接段连接，所述连接段的一端与所述罩玻璃管反射段圆滑过渡连接而另一端与所述吸热管的开口端连接，所述连接端与所述吸热管同轴设置。
8.根据权利要求1至6中任一项所述内聚光真空太阳能集热管，其特征在于，所述吸热管内还设有紧贴所述吸热管内壁的金属管，所述热媒工质设置在所述金属管内。
9.根据权利要求1至3中任一项所述内聚光真空太阳能集热管，其特征在于，所述吸热管为金属管，所述罩玻璃管至少设有一个开口端，所述开口端密封设有第一端盖；所述吸热管通过所述第一端盖定位在罩玻璃管反射段的聚焦位置处，所述第一端盖中心设有供所述吸热管穿过的中心孔，所述吸热管和所述端盖中心孔之间密封设置。
10.根据权利要求1至3中任一项所述内聚光真空太阳能集热管，其特征在于，所述吸热管为金属管，所述罩玻璃管设有两个开口端，所述上开口端密封设有第一端盖，所述下开口端密封设有第二端盖；所述吸热管通过所述第一端盖定位在罩玻璃管反射段的聚焦位置处，所述第一端盖中心设有供所述吸热管穿过的中心孔，所述吸热管和所述端盖中心孔之间密封设置。
全文摘要
本发明涉及一种内聚光真空太阳能集热管，包括设有反光膜层的真空罩玻璃管以及设置在罩玻璃管内位于反光膜层聚焦位置处的吸热管，吸热管内设有流动的热媒工质；罩玻璃管包括反射段，反射段的截面形状设置为多段弧线段封闭连接形成，反光膜层设置在其中一段弧线段所对应的反射段内表面，该弧线段为反射弧线段；罩玻璃管外侧还设有由太阳光跟踪装置驱动的传动件。通过将发光膜层直接设置在罩玻璃管内，节省了制造成本；通过在罩玻璃管外设置传动件，使得单根太阳能集热管能单独跟踪太阳光，光热效率大幅提高。
文档编号F24J2/48GK102486343SQ20101057717
公开日2012年6月6日 申请日期2010年12月6日 优先权日2010年12月6日
发明者徐盛之, 徐鸿胜 申请人:徐盛之