具有储热功能的V型吸热腔体式太阳能吸收器的制作方法

本实用新型属于太阳能热发电技术领域，尤其涉及一种具有储热功能的v型吸热腔体式太阳能吸收器。

背景技术：

太阳能是一种清洁能源，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。目前的太阳能利用方式主要有光伏发电、光热发电以及太阳能的热化学应用等。由于太阳能电池材料的制造工艺较为困难和材料性能的影响，光伏发电效率在短期之内难以有较大幅度的提高。因此，开展对太阳能热利用的研究十分具有意义和价值。

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、热布局灵活，光电效率高于前两者，单位成本下降空间较大而受到研究人员的广泛关注。从目前已经商业化的太阳能热电站来看，槽式发电系统居于绝对优势地位，塔式次之，而碟式发电尚处在实验之中，未能大规模商业化。其中一个重要的原因就是，槽式和塔式热发电系统均配有高温蓄热装置，能够在太阳下山之后继续工作，在一定程度上克服了太阳能具有间断性的缺点。长期以来，人们对于碟式太阳能热利用的关注更多在于降低与之配套的斯特林发动机的制造成本，而鲜有考虑碟式发电系统的蓄热问题。作为碟式太阳能高温热利用系统中的核心装置，腔式吸收器的光热转化效率很大程度上影响了整个系统的应用。评价一个腔式吸收器设计的好坏，往往需要考察该腔式吸收器的热损大小。腔式吸收器的热损主要包括以下三部分：(1)太阳光线通过光学窗口逃逸的光学损失；(2)吸收器通过光学窗口与外界的对流损失；(3)通过吸收器的导热损失。总之，目前的腔式吸收器往往无法同时兼顾减小热损、提高光热转化效率与有效储热，从而导致目前的腔式吸收器的整体热损过高。因此，设计出一种能高效、实用、经济兼具储热的碟式太阳能吸热器对于降低碟式太阳能热发电的成本以及促进其大规模商业化具有重要意义。

技术实现要素：

针对上述问题，本实用新型提供一种热量损失小的具有储热功能的v型吸热腔体式太阳能吸收器，它还兼具储热效率高、光热转化效率高等优点，对于碟式太阳能发电系统具有重要的实用意义。

具有储热功能的v型吸热腔体式太阳能吸收器，包括壳体、顶盖、底板、v型吸热腔组件，壳体的上下端分别和顶盖、底板固定连接，v型吸热腔组件置于壳体内部；v型吸热腔组件包括多个换热层，换热层的内端在壳体的中心轴处交汇，任意相邻的两个隔热层之间具有夹角α，换热层将顶盖、壳体、底板围绕形成的空间隔离成多个v型密闭空间，在v型密闭空间内的两换热层壁铺上吸热壁形成吸热腔室，在v型密闭空间内的两换热层壁铺上保温壁形成保温室，吸热腔室和保温室相交叉分布，壳体上和吸热腔室正对位置处设有光学入射窗口；换热层内嵌入有换热管，换热管上端和顶盖上的传热工质进口连接，换热管下端和底板上的传热工质出口连接。采用此结构，通过交叉设置吸热腔室和保温室，先通过光学入射窗口吸收入射光线，再利用吸热腔室吸收入射光线的热能，大部分的热能通过换热管内的传热工质吸收并输送，少部分的热量被保温室吸收，在后续热能不足时，保温室吸收的热量传递给换热管，以再次传递给换热管内的传热工质，从而有效减少热损，提高导热效率，进而提高吸收器的储热能力。

作为一种优选，夹角α为60度，吸热腔室和保温室各三个。采用此结构，60°开口的两v型换热层几乎可以完全吸收所有入射光线，可以使进入腔室的光线发生多重发射而被吸收，有效地减少了光学损失。

作为一种优选，吸热腔室内安装有吸热针，吸热针呈阵列式分布于吸热壁上；吸热针呈圆锥体状，吸热壁的外边缘紧贴壳体内壁。采用此结构，通过吸热针能吸附游离在壁面的太阳辐射能，进一步提高热能吸收。

作为一种优选，保温室内还设有多层梯形翅板，梯形翅板平行等距安装于保温室的两侧换热层壁上，梯形翅板和保温壁材料相同。采用此结构，增加保温材料，以进一步吸收多余热能。

作为一种优选，还包括相变材料，相变材料紧贴于保温壁、梯形翅板上。采用此结构，利用相变材料充当储能工质，当吸热壁面的余热传递到保温壁，相变材料受热，完成储能；在吸热壁无热源流入时，相变材料释放出储存的能量，在梯形翅板的扰动下对换热层进行热返还。

作为一种优选，光学入射窗口呈圆形，光学入射窗口位于壳体轴向中间处，光学入射窗口的位置正对吸热腔室；光学入射窗口的直径约占壳体轴向长度的四分之一到三分之一。采用此结构，提高光线入射效率，保证吸收器能够吸收绝大部分光线。

作为一种优选，光学入射窗口采用2层透光率大于0.95的耐高温的高透射玻璃制成，内外两层高透射玻璃的中间为真空层。采用此结构，能有效使得太阳光线透射聚焦，同时隔绝空气流动，减小对流损失。

作为一种优选，换热管呈错流分布，换热管内置入有十字叶型套管。采用此结构，呈错流分布的换热管，增大了流体的湍流度，达到强化传热的目的；在换热管中间放置了十字叶型套管，套管增加了传热工质流体的阻力，也使得流体在套管与换热管之间形成二次环流，在较低雷诺数下获得较高湍流度，从而提高换热系数。

作为一种优选，顶盖、壳体、底板均包括内壁和外壁，内层和外层均采用不锈钢材料，在内层和外层之间填充保温隔热材料。采用此结构，隔热材料能有效隔热，对内部结构的热能进行保温，减少热损，并且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。

作为一种优选，保温壁与吸热壁均选用耐腐蚀的导热金属制成。采用此结构，吸热快、传导热量快，因此能提高热转换效率，进而提高吸收器对太阳能的储能、发电效率。

本实用新型具有以下优点：

1.通过交叉设置的吸热腔室和保温室，利用吸热腔室吸收入射光线的热能，大部分的热能通过换热管内的传热工质吸收并输送，少部分的热量被保温室吸收，在后续热能不足时，保温室吸收的热量传递给换热管，从而减少热损，提高导热效率；60°开口的v型板几乎可以完全吸收所有入射光线，该腔式吸收器内3个吸热腔室均由2面夹角的吸热壁组成，可以使进入腔室的光线发生多重发射而被吸收，有效地减少了光学损失，提高了光能、热能的利用。

2.对流损失小，由于光学窗口的透光玻璃透射率高达0.95以上，在保证吸收器能够吸收绝大部分光线的前提下，玻璃中间真空层的存在阻挡了外界空气与腔室之间的对流，使得整个装置与外界的对流热损大大减小。

3.减小壳体造成的导热损失，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；并且，本吸收器的顶盖、壳体与底座通过螺栓和螺母紧密相连，必要时可拆卸并清理，更换填充材料，便于后期维护。

4.结构紧凑，兼具储热；3个吸热腔室与3个储热腔室同时置于一个容器内，相当于传统的3个吸收器，结构紧凑；保温层中的相变材料的热流蒸汽在梯形翅板之间做着复杂的运动，有效地对换热层进行了热返还。

5.强化传热，换热效果好，吸热针的使用能够吸收游离的辐射能，进一步提高吸热壁温度，有利于强化传热。套管的使用增大了流体的湍流度，提高了流体的换热系数。

附图说明

图1是本实用新型实施例的局部剖面结构示意图。

图2是本实用新型实施例的主视图。

图3是本实用新型实施例的a-a向剖面视图。

图4是本实用新型实施例的右视图

图5是本实用新型实施例的b-b向剖面视图。

图6是本实用新型实施例的俯视图。

图7是顶盖的结构示意图。

图8是壳体的结构示意图。

图9是底座的结构示意图。

图10是换热管的结构示意图。

图11是十字叶型管套的结构示意图。

图12是v型吸热腔组件的俯视图。

图13是梯形翅板的结构示意图。

图14是v型吸热腔组件一个视角的结构示意图。

图15是v型吸热腔组件另一个视角的结构示意图。

其中，1-螺栓；2-螺母；3-光学入射窗口；4-底板；5-传热工质出口；6-保温壁；7-梯形翅板；8-换热层；9-吸热针；10-吸热壁；11-壳体内壁；12-壳体保温层；13-壳体外壁；14-顶盖内壁；15-顶盖保温层；16-顶盖外壁；17-传热工质进口；18-套管；19-换热管；20-底板内壁；21-底板保温层；22-底板外壁；23-光学入射窗口外层；24-光学入射窗口真空层；25-光学入射窗口内层。

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。

具有储热功能的v型吸热腔体式太阳能吸收器，如图1所示，它包括顶盖、壳体、底板和v型吸热腔组件。壳体置于底板上，顶盖设于壳体上；壳体下端和底板固定连接，壳体上端和顶盖固定连接。壳体上设有光学入射窗口。v型吸热腔组件设于壳体、顶盖、底板包围形成的空间内。顶盖上设有传热工质进口。底板上设有传热工质出口。

如图1所示，v型吸热腔组件包括多个换热层，换热层在壳体的中心轴(壳体的虚拟中心轴，并没实际存在的轴)处交汇，相邻两换热层之间的夹角为α；换热层将顶盖、底板、壳体包围形成空间隔离成多个v型密闭空间。一个v型密闭空间可制作成一保温室或一吸热腔室。保温室和吸热腔室交叉分布。各腔室之间互不相通，气密性良好。换热层内嵌入有传热工质换热管，传热工质换热管上下端分别与传热工质进口和传热工质出口相连。在一个v型密闭空间内两换热层内壁上各铺满一层吸热壁，吸热壁上布置有吸热针，吸热针均匀分布，从而形成吸热腔室。在一个v型密闭空间内两换热层内壁上各铺满一层保温壁，两保温壁之间平行安装有多个梯形翅板，从而形成保温室。吸热腔室和壳体上的光学入射窗口相对。

如图12所示，本实施例中，包括六块换热层，六块换热层在竖向轴处交汇，两两相邻的换热层之间的夹角α为60度，吸热腔室和保温室交叉分布。也即，v型吸热腔组件包括三个吸热腔室，及三个保温室。3个吸热腔室和3个储热腔室，同时实现换热和储热。

如图10所示，本实施例中，换热管为错流分布，横向长度为450～480mm。为了增大流体的湍流度，达到强化传热的目的，在换热管中间放置了十字叶型套管。套管增加了传热工质流体的阻力，也使得流体在套管与换热管之间形成二次环流，在较低雷诺数下获得较高湍流度，从而提高换热系数。换热管道内的传热工质可以选择水或相变储能流体或热化学储能流体中。换热管的外径为约28mm，厚度为约1mm。

吸热壁呈长方体状，宽约480mm，厚约6mm，轴向长度约800mm；吸热壁的外边缘紧贴壳体内壁。吸热针耐高温且导热性能优良，用于吸附游离在壁面的太阳辐射能。聚焦后的太阳光线通过光学入射窗口进入吸热腔室之后，在夹角为60°的v型吸热壁之间发生多次反射后被吸收，大部分热量通过换热层传递给流动中的传热工质流体，余热继续传递到保温壁。吸热针呈圆锥体形状，底部直径为1mm，焊接在吸热壁上，高约20～25mm，轴向间距25～30mm，横向间距40～50mm。根据吸热壁吸收热量的大小，局部壁面会出现“热斑”，可以对吸热壁局部做热保护处理或者减少吸热针数量，以避免出现“热斑”。

保温壁与吸热壁规格相同，材质均可选用耐腐蚀的导热金属，如不锈钢、紫铜或者铍青铜中。梯形翅板两侧焊接在两保温壁上，并沿着壳体的轴向等距分布。梯形翅板的材质与保温壁用材相同。

保温室内置有相变材料，利用相变材料充当储能工质。当吸热壁面的余热传递到保温壁，相变材料受热，完成储能；在吸热壁无热源流入时，相变材料释放出储存的能量，在梯形翅板的扰动下对换热层进行热返还。相变材料，可采用低沸点的钠，钠为熔融盐中的一种。相变材料在保温室内可以发生下述过程：相变材料未受热之前，应该紧贴于保温壁或梯形翅板上，受热沸腾或者发生相变之后可以将热量储存起来；当无热源继续对相变材料进行加热时，相变材料可以在冷凝之后在自身重力和梯形翅板的阻挡下再次聚集，重复使用。

如图7所示，顶盖为圆盘，圆盘上设有呈圆周阵列分布的多个螺孔；顶盖包括顶盖外壁、顶盖保温层、顶盖内壁；顶盖外壁、顶盖内壁均使用不锈钢材料制成，顶盖保温层为绝热材料。本实施例中，顶盖直径为1400～1500mm，厚度为30～50mm。顶盖上的圆周阵列螺孔为4个。在顶盖的中心处设有多个传热工质进口，多个传热工质进口呈环状分布。传热工质进口的管道内径为28～32mm，壁厚5～8mm，传热工质进口为传热工质提供进口，并且减少通过顶盖的热损。

如图9所示，底板呈圆盘状，直径和顶盖相同。底盘上设有多个螺纹孔，螺纹孔呈环状均匀分布于底板上；螺纹孔规格一致，螺纹孔用于配合螺钉将底板和壳体固定连接。在底板的下表面上设有多个传热工质出口，多个传热工质出口呈环状均匀分布。在本实施例中，传热工质出口为六个，相邻两个传热工质出口之间的弧度为60度。底板内壁(即内层)、底板外壁(即外层)均采用不锈钢材料，厚度为3～5mm；底板的中间填充绝热材料，厚度为25～35mm，形成底板保温层。传热工质出口根据工质种类确定管道样式。一般传热工质出口内径为28～32mm，壁厚5～8mm，采用无机绝热材料进行保温。可以根据实际需要，在传热工质出口增设流量计、阀门，以便于对传热工质统计流量和控制流量。

如图8所示，壳体两端为法兰部，两法兰部之间为圆筒，法兰部上均开设有多个均匀分布的螺纹孔。更为具体地，壳体中部为圆筒，圆筒两端向外延伸形成法兰部，法兰部和圆筒一体成型。圆筒壁上开设有多个光学入射窗口，光学入射窗口位于壳体轴向中间处，光学入射窗口可为圆形或矩形或其他形状。本实施例中，光学入射窗口为圆形，光学入射窗口的数量为3个，一个光学入射窗口对应v型吸热腔组件的一个吸热腔室；相邻光学入射窗口的几何中心之间的角度为120度。光学入射窗口的直径约占壳体轴向长度的四分之一到三分之一，由2层透光率大于0.95的耐高温的高透射玻璃组成，包括光学入射窗口内层和光学入射窗口外层，内、外两层厚均约为2mm，两层高透射玻璃的中间保持真空或高真空状态，形成光学入射窗口真空层，因此能有效用于透射聚焦的太阳光线，同时隔绝空气流动，减小对流损失。壳体由内之外依次包括壳体内壁、壳体保温层、壳体外壁，保温隔热层位于内壁和外壁之间；壳体内壁与外壁均采用钢制材料制成，壳体内壁与外壁厚度为5～7mm；中间的保温隔热层为填充耐高温隔热材料，厚度约为60mm。壳体最大直径为1400～1500mm，壳体中部的圆筒的内壁直径为1300～1350mm，壳体轴向长度为800～1000mm，用于与其他部件连接紧固的壳体的法兰部的轴向长度为25mm～30mm。

本实用新型的工作原理：光线通过光学入射窗口进入v型吸热腔，热量被吸热腔室内的吸热壁和吸热针吸收并传递到换热层，使得流动中的导热重油温度升高，完成直接换热；余热传递到保温室，使得熔点较低的熔融盐受热，发生相变，由固态变成液态，浸润保温壁，完成热能向热化学能的转化；当太阳下山之后，熔融盐发生冷凝，储存的热化学能完全释放成热能，在梯形翅板的扰动下对换热层中的导热油进行热返还，使系统在无外部热源的工况下继续工作。

本吸收器的装配顺序为由内到外，由下到上。

首先将组合完好的v型吸热腔组件组装好，再将v型吸热腔组件焊接在吸热腔底板上，并使换热管下端与底板上的传热工质出口对齐，检查管道截面无误后，进行焊接。

其次，让壳体下端的法兰部的4个螺孔分别与底板的螺孔对齐，并且要调节光学窗口与吸热壁的相对位置，使之几何中心正对相邻吸热壁面的连接轴线，用螺栓、螺母将壳体下端和底板固定连接。

然后，将顶盖与壳体进行紧固连接，用螺栓、螺母将壳体上端和顶盖固定连接。最后，检查整个设备的气密性，在安装正确之后，对于壳体边缘和顶盖、底板的交界处均进行焊接处理，以确保达到保温隔热效果。

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。