一种梯级相变储能中高温直通集热管的制作方法

本实用新型涉及太阳能光热利用技术领域。具体地说是一种梯级相变储能中高温直通集热管。

背景技术：

化石能源的日益贫乏以及过度开发带来的污染，使得国内外对可再生能源的需求量日益增加，可再生能源，特别是太阳能具有开发潜力大，可再生、可持续利用，在促进经济发展、改善能源结构，减少环境污染、满足能源需求等方面具有重要的作用，已引起国内外的广泛关注。

太阳能热利用逐步从太阳能热水器拓展到太阳能采暖、太阳能干燥、太阳能热发电等工农业利用领域，已得到推广和应用。然而，由于太阳能受季节和昼夜变化、天气变化的影响，使得大量太阳能集热工程采集的热量不稳定，且后期蓄热成本较高，使得大部分太阳能集热工程利用效率低下，甚至因为冬季把集热管冻坏而处于瘫痪状态。

中国专利文献CN203719155U公开了一种相变储能型太阳能真空集热管，其采用全玻璃真空管储存相变材料，由于外管和储存相变材料的内管是一体化的异型玻璃结构，其制造成本很高，不适宜规模化推广应用；另外，由于实际应用中每个集热管不同于实验室进行理论研究的微型集热管，而是能够储存较多相变材料的集热管才有实际应用价值，而中国专利文献CN203719155U中的一体化的异型玻璃结构决定了不可能储存很多相变材料，否则制造成本将非常高；此外，由于其采用了在玻璃外管内部安装弹簧支架的方式以对储存相变材料的内管进行支撑，在实际施工中弹簧支架容易损坏玻璃外管及玻璃内管；并且由于玻璃的导热性比金属差，因而即使在玻璃内管上面涂抹吸热材料，亦不能达到利用金属作为储存相变材料的传热效果。

中国专利文献CN104848569A公开了一种金属吸热体储能式真空管及具有该真空管的集热器，其采用玻璃外管和金属储能管的组合，但由于金属储能管的一端与玻璃外管的一端通过金属封接盖、波纹管和过渡环装配在一起，金属储能管的重量通过金属封接盖传递到玻璃外管的管壁边缘，这就要求大幅提高玻璃外管的管壁的强度，或者大幅降低金属储能管及其储存的相变材料的重量以适应玻璃外管的强度，因而这种集热器作为实验室理论研究使用，而在实际应用中不可能得到规模化推广。

中国专利文献CN101893339A公开了一种分离式真空管-套管组合高温储热器，与中国专利文献CN203719155U和中国专利文献CN104848569A相似：储存相变材料的内管的一端与外管的一端固定连接以便给储存相变材料的内管以支撑，在储存相变材料的内管径向或者轴向膨胀时则无法进行缓冲；并且在另一端使用弹簧支持卡对内管进行支撑，这决定了内管中也不可能储存很多相变材料，并且存在施工中弹簧支持卡损坏玻璃内管/外管的情况，因此在中国专利文献CN101893339A中采用了多个“分离式真空管-套管”组合而成储热器以克服单个“分离式真空管-套管”储存相变材料少的缺陷。

技术实现要素：

为此，本实用新型所要解决的技术问题在于一种梯级相变储能中高温直通集热管。

为解决上述技术问题，本实用新型提供如下技术方案：

一种梯级相变储能中高温直通集热管，包括玻璃外管、金属吸热内管、储能芯、异径弹簧支架和法兰环，所述金属吸热内管位于所述玻璃外管和所述储能芯之间，且所述储能芯位于所述金属吸热内管的内部；所述储能芯的两端搭接在所述异径弹簧支架上，所述异径弹簧支架与所述法兰环之间为焊接；所述玻璃外管的两端与所述法兰环的接口连接，所述金属吸热内管的两端穿过所述法兰环并伸出到所述法兰环的外侧，所述金属吸热内管与所述法兰环之间固定连接。

上述梯级相变储能中高温直通集热管，所述玻璃外管的两端安装有波纹管，所述波纹管的一端通过可伐合金环与玻璃外管的端头熔封；所述波纹管的另一端与法兰环的接口焊接；所述玻璃外管的下部管壁上且距离所述玻璃外管一端距离为150mm-300mm处设有排气口。

上述梯级相变储能中高温直通集热管，所述金属吸热内管管壁的外表面上镀有选择性吸收涂层；所述玻璃外管、金属吸热内管和法兰环所围成的环状空间为真空空间，在所述真空空间内部两端的法兰环上，分别设置有吸气剂，一端为蒸散型吸气剂，另一端为非蒸散型吸气剂。

上述梯级相变储能中高温直通集热管，所述储能芯两端为尖头密封结构，所述储能芯两端的尖头分别与所述异径弹簧支架直径较小的一端搭接，所述异径弹簧支架直径较大的一端焊接在所述法兰环内侧壁上；所述储能芯的外侧壁上设有金属支撑架，并通过所述金属支撑架与所述金属吸热内管的内侧壁相连，且所述储能芯、所述玻璃外管和所述金属吸热内管三者同轴；所述储能芯内部密封装有储能材料，所述储能材料的体积为所述储能芯内部空间总体积的50％-80％；所述储能芯的外侧壁、所述金属吸热内管的内侧壁、所述法兰环的内侧壁和焊接在法兰环内侧壁上的所述异径弹簧支架四者所围成的空间内装有传热流动工质。

上述梯级相变储能中高温直通集热管，所述储能芯内侧壁上安装有压力传感器，所述压力传感器的压力输出信号线从所述储能芯的一端的密封尖头引出，并与报警蜂鸣器连接；所述报警蜂鸣器位于所述法兰环外侧的所述金属吸热内管外侧壁上；所述压力传感器的压力信号输出端通过所述压力输出信号线与所述报警蜂鸣器的信号输入端相连。

上述梯级相变储能中高温直通集热管，所述金属支撑架包括金属大圆环、金属小圆环和位于金属大圆环和金属小圆环之间的弹簧支撑架，在金属大圆环上有大圆环缺口，在金属小圆环上有小圆环缺口，所述大圆环缺口和所述小圆环缺口的缺口长度分别为所在圆环周长的10％-20％，所述弹簧支撑架为3-6个且等间距分布；所述金属大圆环和所述金属小圆环的轴向宽度均为10mm-20mm，所述金属大圆环和所述金属小圆环的壁厚均为0.1-3mm；所述金属大圆环的外径与所述金属吸热管的内径相同，所述金属小圆环的内径与所述储能芯的外径相同，所述储能芯套装在所述金属小圆环内，所述金属大圆环套装在所述金属吸热管内侧壁上。

上述梯级相变储能中高温直通集热管，所述玻璃外管的管壁厚为1.8mm-3.5mm，所述玻璃外管的外径为100mm-250mm，所述玻璃外管的内径比所述金属吸热内管的外径大10mm-30mm；所述金属吸热内管的管壁厚为2mm-4mm，所述金属吸热内管的外径为80-230mm；所述储能芯的管壁厚为3mm-5mm，所述储能芯的外径比所述金属吸热内管的内径小30mm-50mm，所述储能芯的长度比所述玻璃外管的长度小30mm-50mm；所述异径弹簧支架的长度为20mm-40mm。

上述梯级相变储能中高温直通集热管，所述储能材料固液相变温度为60～100℃之间，汽化温度为250～450℃。

上述梯级相变储能中高温直通集热管，所述储能芯所能承受的压强最大为5MPa。

本实用新型的技术方案取得了如下有益的技术效果：

在本实用新型中：储能芯通过其两端的异径弹簧支架以及金属支撑件固定在金属吸热内管的内部，异径弹簧支架通过法兰环与金属吸热内管固定连接，这样储能芯就可以加工得直径较大且轴向更长以便储存大量的相变材料，并且不需要大幅提高制造成本，以利于推广应用；玻璃外管通过其两端的波纹管及法兰环套装在金属吸热内管上，玻璃外管是夹持在两端的波纹管之间，这样玻璃外管仅仅承受自身的重力，不需要额外承受其它任何重力，使得不需要额外提高玻璃管的强度即可将本实用新型的集热管做得很大。

由于储能芯是通过其两端的异径弹簧支架以及金属支撑件固定在金属吸热内管的内部，在使用过程中，大体积的储能芯在热胀冷缩的时候，异径弹簧支架和金属支撑件可以分别缓冲储能芯的轴向/径向膨胀或者收缩，并能保持储能芯固定在金属吸热内管的内部。另外，储能芯两端为锥形结构，这样可以大幅减小与异径弹簧支架的接触面积，从而在蓄热的时候储能芯通过其两端的异径弹簧支架的热量损失很少。

金属小圆环上的小圆环缺口使得能够方便地将金属小圆环套装在储能芯上并且与储能芯外表面紧密配合，金属大圆环上的大圆环缺口使得能够方便地将金属大圆环装进金属吸热管内部并且与金属吸热管内壁紧密配合，套装在储能芯上并且与储能芯外表面紧密配合；这样金属支撑件就能够将储能芯与金属吸热管相对固定。

梯级相变储能中高温集热管吸收太阳能所产生的热量，同时可以存储热量，且充分利用储能材料的固液相变潜热、显热和汽液相变潜热，增加储热能力，储能密度高，体积小，经济性好，同时避免再严寒寒冷地区因温度过低而造成集热管冻裂的情况，节能环保，安全温度，可广泛应用于槽式或线性菲涅尔太阳能热水、采暖、发电、干燥等工农业利用系统工程中。充分把储能材料的固液相变潜热、显热和汽液相变潜热进行综合利用，可设计成储存的储能材料体积为0.0025m³～0.04578m³,可储存热量4.725MJ～204.1788MJ。

附图说明

图1本实用新型梯级相变储能中高温直通集热管的结构示意图；

图2本实用新型梯级相变储能中高温直通集热管的金属支撑件结构示意图。

图中附图标记表示为：1-金属吸热内管，2-异径弹簧支架，3-波纹管，4-玻璃外管，5-储能芯，6-相变储能材料，7-金属支撑件，8-压力传感器，9-报警蜂鸣器，10-压力输出信号线，11-法兰环，12-非蒸散型吸气剂，13-排气尾管，14-选择性吸收涂层，15-真空空间，16-可伐合金环，17-蒸散型吸气剂，71-金属大圆环，72-金属小圆环，73-弹簧支撑架，74-大圆环缺口，75-小圆环缺口。

具体实施方式

如图1所示，本实施例的一种梯级相变储能中高温直通集热管，包括玻璃外管4、金属吸热内管1、储能芯5、异径弹簧支架2和法兰环11，所述金属吸热内管1位于所述玻璃外管4和所述储能芯5的之间，且所述储能芯5位于所述金属吸热内管1的内部；所述储能芯5的两端搭接在所述法兰环11上的异径弹簧支架2上，所述异径弹簧支架2与所述法兰环11之间为焊接；所述玻璃外管4的两端与所述法兰环11的接口连接，所述金属吸热内管1的两端穿过所述法兰环11，并伸出到所述法兰环11的外侧，所述金属吸热内管1与所述法兰环11之间固定连接。

所述玻璃外管4的两端安装有波纹管3，所述波纹管3的一端通过可伐合金环16与玻璃外管4的端头熔封；所述波纹管3的另一端与法兰环11的接口焊接；所述玻璃外管4的下部管壁上且距离所述玻璃外管4一端距离为150mm-300mm处设有排气口13，用于在加热状态下通过抽真空工艺把环状空间中的空气抽出。

所述金属吸热内管1管壁的外表面上镀有选择性吸收涂层14；所述玻璃外管4内壁、金属吸热内管1外壁和法兰环11所围成的环状空间为真空空间15，在所述真空空间15内部两端的法兰环11上，分别设置有吸气剂，一端为蒸散型吸气剂17，另一端为非蒸散型吸气剂12。非蒸散型吸气剂12吸收环状空间内残存气体，蒸散型吸气剂17不仅吸收环状空间残存气体，而且可以指示真空度。

所述储能芯5两端为尖头密封结构，所述储能芯5两端的尖头分别与所述异径弹簧支架2直径较小的一端搭接，所述异径弹簧支架2直径较大的一端焊接在所述法兰环11内侧壁上；所述储能芯5的外侧壁上设有金属支撑架7，并通过所述金属支撑架7与所述金属吸热内管1的内侧壁相连，且所述储能芯5、所述玻璃外管4和所述金属吸热内管1三者同轴。

异径弹簧支架2避免储能芯5端头直接触碰法兰环11而损伤储能芯5。金属支撑件7起到支撑和传热的功能。

所述储能芯5内部密封装有储能材料6，所述储能材料6的体积为所述储能芯5内部空间总体积的50％-80％，储热材料6，无衰减，寿命长，可多次释放热，可根据吸热量及温度而发生固液相变和汽液相变，密封的储能芯5可承受5MP以上的压强，充分利用储能材料6相变的储热能力；所述储能芯5的外侧壁、所述金属吸热内管1的内侧壁、所述法兰环11的内侧壁和焊接在法兰环11内侧壁上的所述异径弹簧支架2四者所围成的环状空间内装有传热流动工质。所述储能芯5由耐高温、抗老化的金属制成。

吸收涂层14将光能转换成热能，并通过金属吸热内管1和金属支撑件7，将热能传递给传热流动工质，热能一部分被传热流动工质带走，另一部分传递给与金属吸热内管1保持同心的储能芯5，加热储能芯5中的相变储能材料6，用于存储热量。

如图1所示，所述储能芯5内侧壁上安装有压力传感器8，所述压力传感器8的压力输出信号线10从所述储能芯5的一端的密封尖头引出，并与报警蜂鸣器9连接；所述报警蜂鸣器9位于所述法兰环11外侧的所述金属吸热内管1外侧壁上；所述压力传感器8的压力信号输出端通过所述压力输出信号线10，与所述报警蜂鸣器9的信号输入端相连。储能材料6与储能芯5和压力传感器8均不发生化学反应，不会形成污染，

所述储能材料6固液相变温度为60～100℃之间，汽化温度为250～450℃。当温度达到固液相变温度时，储能材料开始熔化，继续吸收热量并转化成固液相变潜热加以存储，当全部熔化完之后，储热材料继续吸收热量，温度升高，当温度达到汽化温度时，储热材料开始汽化，吸收热量并转化成汽液相变潜热加以存储。

为保障储能芯5及集热管的安全，储能芯5中有压力传感器8，通过压力传感器8实时监测储能芯5中的压力。所述储能芯5所能承受的压强最大为5MPa，即所述压力传感器8设定的压力安全值为5MPa。当储能材料6温度达到一定程度并汽化，密封的储能芯5内部压强增大到设定安全值5MPa，压力输出信号传给报警蜂鸣器9，报警蜂鸣器9启动并报警，避免储能材料6温度过高，汽化后气体产生的压力过大而破坏集热管。

如图2所示，所述金属支撑架7包括金属大圆环71、金属小圆环72和位于金属大圆环71和金属小圆环72之间的弹簧支撑架73，在金属大圆环71上有大圆环缺口74，在金属小圆环72上有小圆环缺口75，所述大圆环缺口74和所述小圆环缺口75的缺口长度分别为所在圆环周长的10％-20％，所述弹簧支撑架73为3-6个且等间距分布；所述金属大圆环71和所述金属小圆环72的轴向宽度均为10mm-20mm，所述金属大圆环71和所述金属小圆环72的壁厚均为0.1-3mm；所述金属大圆环71的外径与所述金属吸热管1的内径相同，所述金属小圆环72的内径与所述储能芯5的外径相同，所述储能芯5套装在所述金属小圆环72内，所述金属大圆环71套装在所述金属吸热管1内侧壁上，金属支撑件7耐腐蚀，抗老化且导热性能良好。

如图1所示，所述玻璃外管4的管壁厚为1.8mm-3.5mm，所述玻璃外管4的外径为100mm-250mm，所述玻璃外管4的内径比所述金属吸热内管1的外径大10mm-30mm；所述金属吸热内管1的管壁厚为2mm-4mm，所述金属吸热内管1的外径为80-230mm；所述储能芯5的管壁厚为3mm-5mm，所述储能芯5的外径比所述金属吸热内管1的内径小30mm-50mm，保证传热流动工质顺畅流动，所述储能芯5的长度比所述玻璃外管4的长度小30mm-50mm；所述异径弹簧支架2的长度为20mm-40mm。

这类梯级相变储能中高温集热管的工作原理为：

1.在有太阳的情况下，将梯级相变储能中高温集热管放置于有太阳的地方，太阳光透过玻璃外管4，照射到金属吸热内管1的外侧壁表面上镀有的选择性吸收涂层14上，选择性吸收涂层14吸收太阳能，并将太阳能转换成热能，传递给金属吸热内管1。

2.金属吸热内管1吸收热能后，将热量传递给所述储能芯5的外侧壁、所述金属吸热内管1的内侧壁、所述法兰环11的内侧壁和焊接在法兰环11内侧壁上的所述异径弹簧支架2四者所围成的空间内的传热流动工质，以及金属支撑件7，热能一部分被流动工质带走，另一部分储能芯5，加热储能芯5中的相变储能材料6，用于存储热量。

所述储能芯5两端为尖头密封结构，所述储能芯5两端的尖头分别与所述异径弹簧支架2直径较小的一端搭接，所述异径弹簧支架2直径较大的一端焊接在所述法兰环11内侧壁上，所述异径弹簧支架2的机构可以起到缓冲储能芯5因温度变化而轴向膨胀的作用，避免对储能芯5和集热管造成损坏，所述储能芯5的外侧壁上设有金属支撑架7，并通过所述金属支撑架7与所述金属吸热内管1的内侧壁相连，且所述储能芯5、所述玻璃外管4和所述金属吸热内管1三者同轴；储能芯5通过金属支撑件7和传热流动工质将热量传递给储能材料6。

所述金属支撑架7包括金属大圆环71、金属小圆环72和位于金属大圆环71和金属小圆环72之间的弹簧支撑架73，在金属大圆环71上有大圆环缺口74，在金属小圆环72上有小圆环缺口75，所述大圆环缺口74和小圆环缺口75的缺口长度为所在圆环周长的10％-20％，所述弹簧支撑架73为等间距分布的3-6个；所述金属大圆环71和所述金属小圆环72的宽度均为10mm-20mm，所述金属大圆环71和所述金属小圆环72的壁厚均为0.1-3mm；所述金属大圆环71的外径与所述金属吸热管1的内径相同，所述金属小圆环72的内径与所述储能芯5的外径相同，所述储能芯5套装在所述金属小圆环72内，所述金属大圆环71套装在所述金属吸热管1内侧壁上。弹簧支撑架73起到缓冲储能芯5温度变化而径向膨胀的作用，避免对储能芯5和集热管造成损坏。

3.集热管中储能芯5内部有密封的储能材料6，储热材料6可根据吸热量及温度而发生固液相变和汽液相变，密封的储能芯可承受最大5MPa的压强，充分利用储能材料6固液相变潜热、液态温度变化显热以及汽液相变潜热的储热能力。所述储能材料6的体积为所述储能芯5内部总体积的50％-80％。

储能材料6无衰减，寿命长，可多次释放热。储能材料6性质稳定，与储能芯5和压力传感器8均不发生化学反应，不会形成污染。

储能材料6固液相变温度在60～100℃之间，汽化温度在250～450℃之间。当温度达到固液相变温度时，储能材料6开始熔化，继续吸收热量并转化成固液相变潜热加以存储，当全部熔化完之后，储热材料6继续吸收热量，温度升高，当温度达到汽化温度时，储热材料6开始汽化，吸收热量并转化成汽液相变潜热加以存储。

4.储能芯5中的压力传感器8通过压力输出信号线10与报警蜂鸣器9相接，所述压力传感器8的压力信号输出端通过所述压力输出信号线10，与所述报警蜂鸣器9的输入端相连，起到保护集热管的作用。

5.当阴雨天或夜间没有太阳的情况下，储能芯5中的相变储能材料6再把热量释放出来，将热量传递给金属吸热内管1中的流动工质，使得集热管继续提供热量。

就这样，梯级相变储能中高温直通集热管完成了吸热、传热和放热的过程。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本专利申请权利要求的保护范围之中。