专利名称：太阳能收集器及包括所述太阳能收集器的发电设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种太阳能收集器，包括-环形剖面的外管，该外管的一端封闭；-置于该外管内的太阳辐射吸收层；-热管，其包括被置于所述外管内部的热部，置于所述外管外部的冷部，以及储槽， 该储槽容纳热管流体并在冷部和热部上延伸。所述外管在其另一端部围绕该热管密封封闭，在所述外管内部形成空隙。本发明还涉及一种由太阳能产生热水的系统，包括-多个太阳能收集器，该多个太阳能收集器适于利用太阳能加热载热流体；及-在太阳能收集器与热水分配器之间传递载热流体的输送回路。本发明还涉及一种利用太阳能产生电能的设备，包括-热水产生系统；-冷源；及-产生电的热动力机，其使用由该冷源和所述系统产生的热水。
背景技术：
公知的带有空心管的太阳能收集器包括外管和内管，所述管同心布置并且基本为圆筒形。每个管的一端被封闭，所述管在另一端部彼此密封。该太阳能收集器包括置于内管的外表面并朝向外管设置的太阳辐射吸收层。该太阳能收集器包括热管，该热管具有布置在内管内部的热部(蒸发器)，位于所述管的外部的冷部(冷凝器)，及容纳载热流体并在所述热部和冷部上延伸的储槽。该热管的热部包括以内管的轴线为中心、基本为圆筒形的储槽，及两个板片，所述两个板片直径相对地固定在圆筒形储槽上，并将所述储槽机械地且热地连接于该内管的内表面。该储槽的直径远小于所述内管的直径。传至吸收层的热传导不是最优的，这导致大量热损失。因此，本发明的目的在于改善热管的热传导，以便减少热量的损失。
发明内容
为此，本发明提供一种上述的太阳能收集器，其特征在于热管的热部，所述储槽至少部分抵靠所述吸收层。根据斯忒芬-玻尔兹曼定律，由黑体发射的能量通量，也被称作黑体的辐射通量， 随T四次方而增加，其中，T代表黑体的绝对温度，以开尔文表示。对于避免由外部玻璃管引起的温室效应的黑体的辐射，它随着T的高于4次方而增加。根据本发明的太阳能收集器确保在吸收层——该吸收层与黑体相似——和热管之间较好的热传导，与传统的太阳能收集器相比明显减少了吸收层温度的增加。同样，根据本发明的太阳能收集器可以减少黑体辐射导致的热量损失，这避免了温室效应，因此改善了太阳能收集器的效率。
根据其他的实施例，太阳能收集器包括下述单独的或以各种技术可能而组合的一个或多个特征-太阳能收集器还包括环形剖面的内管，该内管设置在外管的内部，每个管的一端封闭，所述管在另一端彼此相互密封，所述管被间隙隔开。-所述内管具有朝向外管的外表面，以及内表面；所述吸收层抵靠所述外表面设置，对于热管的热部，储槽设置成至少局部抵靠在所述内表面上。-所述收集器包括导热界面，该导热界面布置在吸收层和热管的热部之间；-所述热管的热部为半圆筒形；-所述热部的横剖面为180°至220°之间的圆弧形；-所述冷部适于设置成与圆筒形导管接触，且所述冷部的形状至少为半圆筒形体；-所述热部的半圆筒形体的轴线与所述冷部的半圆筒形体的轴线不同，且相对于在热部和冷部的过渡/规则(courante)部分而言，所述热管在热部和冷部之间具有周向面积和/或纵向尺寸变窄的部分，所述变窄的部分在热部和冷部之间形成连接；-所述储槽包括热管流体的至少三个循环通路，该三个循环通路基本并排延伸；-所述通路或每一个所述通路基本沿所述热部的半圆筒体的轴线定向；-所述热管由铝制成；-所述热管包括两个金属板片，所述两个板片在形成储槽的区域外彼此熔合，所述储槽由这两片板片之间的空隙形成；-该热管为带有弯曲表面的板片结构，该板片包括形成储槽的通路网络，所述通路通过盘板部连接。本发明还涉及一种前述的热水生成系统，特征在于其上限定有上文所述的太阳能收集器。根据本发明的另一个实施例，该热水生成系统包括如下特征-输送回路包括载热流体的输送管道，且对于每一个太阳能收集器，该系统包括将太阳能收集器固定于管道上的固定件，所述固定件为导热的且与管道接触。本发明还涉及一种前述类型的发电设备，特征在于其上限定有所述热水生成系统。
仅仅作为示例并参照附图，本发明的其他优点在随后的说明中将更清楚地阐述， 其中图1是根据本发明的发电设备的示意图；图2是根据本发明的第一实施例，连接至载热流体的输送回路的太阳能收集器的侧视示意图；图3是图2的回路及收集器的俯视图；图4是附图3沿平面IV的剖视图；图5是附图4的被框定的区域V的放大视图；图6是附图3的太阳能收集器的热管的展开视图7与附图2相同，是本发明第二实施例的连接至载热流体输送回路的太阳能收集器的侧视图；图8本发明热水生成系统的示意图。
具体实施例方式图1中，由太阳能发电的设备包括热水生成系统2，冷源4，及发电的热动力机6。所述热水生成系统2包括利用太阳能的加热设备8，第一载热流体10，热能存储设备12及输送第一载热流体10的第一闭合回路14。第一回路14连结所述加热设备8，所述存储装置12及所述发电的热动力机6。该热水生成系统2包括储箱16以减少运输第一载热流体10的第一回路14的负载。该热水生成系统2包括调节回路18，该调节回路包括混合器20及第一泵22。所述设备包括回路18的远程控制设备24。所述加热设备8包括多个太阳能收集器沈，下面将参照附图2-7进一步详细说明。第一载热流体10例如是最高温度为150°且处于最大压力为6巴的水。第一回路14包括多个阀观，混合器20，第一泵22，及第二泵30。第一流体10在第一回路14中的循环由两个泵22，30保证。所述存储设备12和第一回路14通过未示出的隔热层隔热。冷源4包括输送第二载热流体34的第二回路32，该循环由泵36确保。该第二流体34例如是水。所述热动力机包括输送工作流体40的第三回路38，加热器42，涡轮机43，该涡轮机43联接至发电机44和冷凝器45上。所述工作流体40在第三回路38中的循环由泵46确保。该工作流体40例如是有机流体，如丁烷或丙烷，优选为丁烷，工作流体40的沸腾温度很低且压力为9. 6巴时接近80度。所述加热器42用于利用热水将工作流体40由液态变为气态。热源的第一回路14 是加热器42内部的蛇形管，该蛇形管与工作流体40接触。在加热器42的出口，工作流体 40为气态，温度约为95°，压力约为11巴。所述涡轮机43传统地包括转子，该转子具有轴，叶片固定在轴上；定子，该定子具有支承固定的导流片的壳体；在该涡轮机43的出口，工作流体40为气态，温度约为40°， 压力为2-3巴。该涡轮机43用于将工作流体40膨胀为气态所产生的能量转换为机械能。 所述冷凝器45使工作流体40在冷凝器的内部状态转变，所述蛇形管与工作流体40接触。 在冷凝器45的出口，工作流体40为液态。在附图2中，第一回路14包括运输第一载热流体10的管道48，及置于该管48周围的隔热套50。该管道48为圆筒体，该圆筒体具有取向为沿着基本水平的平面H的轴线。所述太阳能收集器沈包括太阳辐射Rs吸收层52，隔热装置M，和热管56，该热管由板片形成，所述板片具有遵从隔热装置M及输送管道48的形状的弯曲表面。其包括置于该隔热装置M内部的热部58，置于隔热装置M外部的冷部60。其包括储槽62，该储槽由通过盘板部(voile)彼此相连结的一组管道形成，这给于热管56板片结构。该储槽62容纳热管的载热流体63并在热部58和冷部60上延伸。对于热管的热部58，储槽62至少部分抵靠所述吸收层52。吸收层52例如由铝的亚硝酸盐粉末制成。所述隔热装置M基本密封地环绕吸收层52，并适于允许太阳辐射Rs通过。所述隔热装置M适于将吸收层52及热管的热部58与太阳能收集器沈的外部气候条件热隔绝。该隔热装置M，如图4所示，包括外管64及置于该外管64内部的内管66，所述管 64，66基本为圆筒体，具有环形剖面，以轴线I同轴。每个管64，66都是封闭的，在其一端形成为半球面形。所述管64，66在另一端彼此密封，内管66在另一端开放，内管66包括朝向外管64的外表面66A及内表面66B。两个管64，66通过空隙67隔开。所述吸收层52在空隙67中抵靠着内管66的外表面66A。所述管64，66例如由玻璃制成。所述隔热装置M包括被插入内管66的开放端的隔热塞68。参见附图4，5，所述太阳能收集器沈包括被置于热管的热部58及隔热装置M之间的导热界面69。更精确地，该导热界面69被置于内管66的内表面及热管的热部58之间。作为变型，所述隔热装置M包括一端封闭的一个单独的外管64，该吸收层52直接置于热管的热部58上，在外管64内部形成空隙67。该热管的热部58是轴线为I的半圆筒体，如附图4所示。该热部58的横剖面是角度在180° -220°之间的圆弧形。该热管的热部58，尤其是包含在所述热部58中的储槽部分62抵靠在内管66的内表面66B上。作为变型，在隔热装置包括单独的外管64的情况下，热管的热部58以及尤其是包含在所述热部58中的储槽部分62直接支承吸收层52。该热管的冷部60为置于管道48及隔热套50之间，以轴线为X的半圆筒体，其围绕所述管道48，如附图2所示。该热部58的半圆筒体的轴线I不同于冷部60的半圆筒体的轴线X。轴线I相对于水平面H倾斜，与该平面形成第一倾斜角Bi，该第一倾斜角Bl的角度大于5度，优选大于30度。每个太阳能收集器沈借助于固定件69固定在管道48上。在附图2所示的实施例中，固定件69包括圆筒形的第一部分69A及平面的第二部分69B，第一部分和第二部分 69A，69B通过肘形部69C连接。所述固定件69是热导体，且例如由铝制成。第一部分69A 设置成在管道48和隔热套50之间与管道48接触，其方式为相对于管道48与热管的热部 60沿直径相反。第二部分69B设置成与热管56接触，固定件69借助第一固定装置69D和第二固定装置69E附接至热管56上，所述固定装置分别延伸穿过固定件69和热管56的孔。所述储槽62例如包括热管流体63的3个循环通路70。所述3个循环通路70在冷部60与它们的延长部分连接并形成用于热管流体63的封闭回路。每个通路70取向为基本上沿着热部的轴线X，形成半圆筒体。术语“基本上”意味着相对于轴线I有士5°的角度偏差。所述通路70具有在热部58内平行延伸的直段70A。所述直段通过连接通路70B 连接至其自由端。每个直段通过适于延伸至冷部60的直段70C延伸。所述段70A和70C通过一束汇聚的直段70D相连然后分散设置在形成热管的板片的曲率变化区域。热管流体63例如是甲醇，乙醇，致冷剂HFC，或致冷剂HCFC。所述热管56在热部58和冷部60之间具有相对于其热部58和冷部60的正常 (courante)部分周长变变窄的部分71。参见图3和图6，该变窄部分71在热部58和冷部 60之间形成连接部。该热管56由2个板片72A，72B形成并被彼此固定，参见附图4，5。储槽62的每个通路70由两个板片72A，72B之间的间隙形成。该热管的所述板片72A，72B例如是金属板片，所述金属板片在限定这些通路的区域外部彼此熔合。所述金属板片72A，72B例如由铝制成。在熔合前通过在两个板片72A，72B之一上沉积特定的油墨来获得形成热管通路 70的间隙，以便避免这两个金属片在所述油墨沉积的特定区域上熔合。这两个板片72A， 72B随后被加热轧以形成单层。所述通路70通过向已经加入油墨的区域通入压缩空气而形成。图6示出了根据需要的轮廓切割熔合的两个板片72A，72B后且在其形成轴线为I， X的半圆筒体的形状之前的热管56的平面视图。所述热部58和冷部60例如具有垂直于该热管56的延伸方向的相同的第一宽度Li。第一宽度Ll例如等于80mm，变窄部分71具有垂直于延伸方向的第二宽度L2，该第二宽度L2的值小于第一宽度Ll的值。第二宽度L2 例如等于32mm。空管太阳能收集器沈的使用温度在80° -150°之间。下面将描述发电设备的作用，特别是利用太阳能收集器的发电设备的作用。所述的发电设备称为低温装置，考虑热水生成系统的最大温度等于150°，该值明显低于在其它太阳能热电站中使用的温度，所述其它太阳能热电站例如是具有圆筒-抛物面式集热器的发电站，塔式发电站，具有抛物面式集热器的发电站，其中，在热源中循环的载热流体的温度大于400°C。所述加热设备6的太阳能收集器沈在白天收集太阳辐射Rs，然后将太阳辐射Rs 产生的热能传输给第一载热流体10。更精确地，所述隔热装置M允许太阳辐射Rs通过，太阳辐射Rs由每个太阳能收集器的吸收层52吸收。吸收太阳辐射Rs产生的热能也通过内管66及导热界面69传输给热管56。所述太阳能收集器沈外部的热能的消耗通过隔热装置M被限制，空隙67确保隔热及温室效应。在类似于黑体的吸收层52和热管56之间确保了良好的热传导，所述储槽62至少部分抵靠内管66的内表面66B。与常规的太阳能收集器相比，这种良好的热传导显著减少了吸收层52温度的增加，这使得减少了避免温室效应的由于黑体辐射而损失的热量。作为变型，在隔热装置M包括单独的外管64的情况下，在吸收层52和热管56之间也提供了良好的热传导，吸收层52直接贴在热管的热部58上。传输给热管的热部58的热能使得热管流体63的状态从液态至气态逐渐改变。气态的热管流体通过储槽的不同通路70沿着热管的冷部60的方向上升。储槽62在热管的热部58至少部分地抵靠吸收层52，在吸收层52和热管流体63之间的热传导被改善以减少热量损失。
然后，通过热部58的热管流体63传递给冷部60的热量通过置于冷部60的通路 70和第一回路的管道48之间的热传导传输至第一载热流体10。该热传导也使得第一载热流体10温度上升及热管流体63的温度降低。随着热管流体63温度降低，热管流体63逐渐变换至新的状态，从气态变至液态。 然后，液态的载热流体由于重力通过倾斜角Bl从冷部60朝着热部58下降，使得传输太阳辐射产生的新的热能。因此所述存储设备12也被用作加热设备的太阳能收集器26产生的热能和由发电的热动力机6消耗的能量之间的缓冲装置。该存储设备12因此可以使得发电与可用的太阳能断开。借助于阀28，混合器20及泵22，30，热水生成系统2可以考虑采用多种操作模式 单独存储热能，直接产生热能，存储和产生热能，排出热能并直接产生热能，以及单独排出热能。调节回路18使得热水生成系统2提供的热能的量适应发电的热力机6。通过由热水生成系统2带来的热量，工作流体40在加热器42中从液态变为气态。 工作流体40因此在涡轮机入口处也是气态。气态的工作流体在涡轮机43中膨胀并提供机械能，驱动涡轮机的转子旋转。该机械能被传递给发电机44，以便产生电。在涡轮机出口处，工作流体40仍然是气态，且处于明显较低的压力之下。随后，所述工作流体40在冷凝器45中与冷源4接触重新成为液态。在冷凝器45 的出口，液态的工作流体40由泵46驱动以返回到加热器42的入口并重新利用热水生成系统2提供的热量。图7示出了另一实施例。与上文所述的实施例相同的元件采用相同的附图标记表
7J\ ο根据第二实施例，所述隔热装置54在内管66的开放的端部不包括绝热塞。该内管66的开放的端部的隔热通过置于管路48周围的隔热套50保证，在管64，66彼此密封的端部被布置成与隔热套50接触。所述热管的冷部60为关于管道48沿直径相反的两个半圆筒体。该冷部60的所述半圆筒体被置于管路48和隔热套50之间。所述热管56在热部58的最高处和管路48的基部之间具有第二倾斜角B2。在热管的热部58的轴线和水平平面H之间的第一倾斜角Bl的变化对第二倾斜角度B2有影响。 为了使得液态的热管流体63从冷部60朝着热部58相对快地重力下降，第二倾斜角度B2 的值例如大于5°。第二实施例的操作与第一实施例的操作相同，因此不再描述。图8示出了另一个实施例。与上文所述的实施例相同的元件采用相同的附图标记表不。根据第三实施例，热水生成系统2包括热水分配器80，且并没有被连接至发电的热动力机。载热流体10的输送回路14将太阳能收集器26连接至热水分配器80。所述分配器80包括蛇形管形式的交换器82，以便可以利用载热流体10传递的热量。第三实施例的操作与第一实施例的操作，因此不再描述。因此可以理解本发明的太阳能收集器使得保证在吸收层和热管的热部的储槽之间更好的热传导，这可以限制热量的损失。
权利要求
1.一种太阳能收集器( )，包括-环形剖面的外管(64)，其一端封闭，-置于所述外管(64)内部的太阳辐射(Rs)吸收层(52)，及-热管(56)，该热管(56)包括置于所述外管(64)内部的热部(58)，置于所述外管(64) 外部的冷部(60)，及容纳热管流体(6 并在所述热部(58)和所述冷部(60)上延伸的储槽 (62)，所述外管(64)在其另一端围绕该热管(56)密封封闭，在所述外管(64)内部形成空隙，对于所述热管(56)的热部(58)，所述储槽(62)至少部分地抵靠所述吸收层(52)，其特征在于，所述热管(56)的热部(58)为半圆筒体的形状。
2.根据权利要求1所述的太阳能收集器( )，其特征在于，所述太阳能收集器还包括置于该外管(64)内部的环形剖面的内管(64)，每个管(64，66)在其一端封闭，且所述管 (64，66)在其另一端彼此密封，所述管(64，66)通过空隙分隔开。
3.根据权利要求2所述的太阳能收集器( )，其特征在于，所述内管(66)包括朝向外管(64)定向的外表面，及内表面，其中，所述吸收层(5 设置成抵靠所述外表面，且对于所述热管(56)的热部(58)，储槽(6 至少部分地抵靠所述内表面。
4.根据前述任一权利要求之一所述的太阳能收集器(沈)，其特征在于，所述太阳能收集器06)包括被置于所述吸收层(5 和所述热管(56)的热部(58)之间的导热界面(69)。
5.根据前述任一权利要求之一所述的太阳能收集器( )，其特征在于，所述热部(58) 的横剖面为角度(A)在180° -220°之间的圆弧形。
6.根据前述任一权利要求之一所述的太阳能收集器( )，其特征在于，所述热管(56) 的冷部(60)适于设置成与圆筒形管G8)接触，所述冷部(60)至少为半圆筒体。
7.根据权利要求6所述的太阳能收集器( )，其特征在于，所述热部(58)的半圆筒体的轴线(I)不同于所述冷部(60)的半圆筒体的轴线(X)，并且，所述热管在热部(58)和冷部(60)之间具有相对于在冷部(60)和热部(58)的常规部分的范围而言周向和/或纵向的尺寸的变窄部分(71)，该变窄部分(71)在所述热部(58)和冷部(60)之间形成连接部。
8.根据前述任一权利要求之一所述的太阳能收集器( )，其特征在于，所述储槽(62) 包括热管流体(63)的至少三个循环通路(70)，所述循环通路通常并排延伸。
9.根据权利要求8所述的太阳能收集器( )，其特征在于，所述通路(70)或每个所述通路(70)取向为基本沿着热部(58)的半圆筒体的轴线(I)。
10.根据前述任一权利要求之一所述的太阳能收集器( )，其特征在于，所述热管 (56)由铝制成。
11.根据前述任一权利要求之一所述的太阳能收集器( )，其特征在于，所述热管 (56)由两个金属板片(72A，72B)形成，所述两个板片在形成储槽(6 的区域外部相互熔合，所述储槽(62)由这两个板片(72A，72B)之间的间隙形成。
12.根据前述任一权利要求之一所述的太阳能收集器( )，其特征在于，所述热管 (56)呈现具有弯曲表面的板片结构，所述板片包括形成储槽(6 的通路(70)网，所述通路 (70)通过盘板部被连结。
13.一种利用太阳能的热水生成系统O)，包括-多个太阳能收集器(26)，所述太阳能收集器适于利用太阳能加热载热流体(10)；及 -在太阳能收集器06)和热水分配器(80)之间输送载热流体(10)的回路(14)， 其特征在于所述太阳能收集器06)是根据权利要求1-12中任意一项所述的太阳能收集器。
14.根据权利要求13所述的系统，其特征在于所述输送回路(14)包括输送载热流体 (10)的管道(48)，并且该系统包括对于每一个太阳能收集器( )，将太阳能收集器06)固定在管道G8)上的固定件(69)，所述固定件(69)为热导体且设置成与管道G8)接触。
15.一种利用太阳能的发电设备，包括 -热水生成系统(2)，-冷源⑷，及-发电的热动力机(6)，其使用由冷源(4)和所述系统( 产生的热水，其特征在于，所述热水生成系统(2)是根据权利要求13或14所述的热水生成系统。
全文摘要
太阳能收集器(26)包括环形剖面的外管(64)，该外管(64)的一端封闭；置于该外管(64)内部的太阳辐射(R3)的吸收层(52)，以及热管(56)其包括置于该外管(64)内部的热部(58)，置于该外管(64)外部的冷部(60)，及储槽(62)，该储槽(62)容纳热管流体(63)并在所述热部(58)和冷部(60)上延伸。该外管(64)的另一端围绕所述热管(56)密封封闭，在所述外管(64)内部形成空隙。对于该热管(56)的热部(58)，该储槽(62)至少部分抵靠吸收层(52)。
文档编号F24J2/05GK102356284SQ201080012407
公开日2012年2月15日 申请日期2010年2月8日 优先权日2009年2月12日
发明者克里斯蒂安·勒诺特, 米歇尔·沃雷尔, 让-安托万·格鲁斯, 迪迪埃·罗西, 阿兰·马雷夏尔 申请人:原子能与替代能源委员会, 索非亚安提珀利斯能量发展公司