碟式斯特林发动机集热器端口热屏装置及其在太阳能发电中的应用的制作方法
【专利摘要】本发明涉及碟式斯特林发动机集热器端口热屏装置及其在太阳能发电中的应用，包括由绝热保温部件组成的圆筒形集热腔，集热腔的底部封闭且底部内侧设置吸热部件，集热腔的口部为两个锥形体的小端口对接形成，其中内侧锥形体的大端口和集热腔连接，所述两个锥形体的小端口连接处安装有用于反射进入集热腔但未被吸收的太阳光，并抑制集热器与大气环境对流换热的圆形热屏，对集热腔进行封闭。本发明有效增强了对集热器辐射能量的反射，而且该热屏的存在完全抑制了集热器与大气环境的对流换热，可以有效的降低从集热器端口向外界空间遗失的热量，提高了发动机集热器的光热转化效率。
【专利说明】碟式斯特林发动机集热器端口热屏装置及其在太阳能发电 中的应用
【技术领域】
[0001] 本发明属于太阳能发电领域，尤其涉及碟式斯特林发动机集热器端口热屏装置及 其在太阳能发电中的应用。
【背景技术】
[0002] 斯特林发动机是一种高效的热功转化装置，理论上讲效率等同卡诺循环的效率， 而且是一种闭式循环，无污染，噪音低，越来越受到大家的青睐。将斯特林发动机应用到太 阳能发电领域，就存在一个光热转化的问题，于是如何提高光热转化效率便显得尤为重要。
[0003] 目前的一种碟式斯特林发动机集热器端口的结构示意图如下图4所示，是一圆筒 结构的集热腔，太阳光从口部4入射，直接照射圆筒底部的吸热部件2,缺点是集热器吸收 的热量会有一部分W对流和福射的形式向外界空间遗失。集热腔的热损失主要有3项：与 空气的对流热损失、吸热部件自身的福射热损失和反射的太阳能。前两项与吸热部件的温 度有关，按额定工作温度计算前两项损失的热量分别约为0. 5kW和6kW，而第H项热损失与 吸热部件对太阳光的吸收率有关，吸收率越低，损失越大，按现有材料计算，损失约为15kW， 而目前还没有能够很好地解决第第H项热损失的装置或方法。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的是克服现有技术缺陷，提供一种吸热效率高的碟式斯特林发动机集 热器端口热屏装置及其在太阳能发电中的应用。
[0005] 本发明的技术方案是：
[0006] 包括由绝热保温部件组成的圆筒形集热腔，集热腔的底部封闭且底部内侧设置 吸热部件，集热腔的口部为两个锥形体的小端口对接形成，其中内侧锥形体的大端口和集 热腔连接，所述两个锥形体的小端口连接处安装有用于反射进入集热腔但未被吸收的太阳 光，并抑制集热器与大气环境对流换热的圆形热屏，对集热腔进行封闭。
[0007] 所述热屏包括对波长小于3 y m的能量透射比很大而对波长大于3 y m的能量透射 比很小的玻璃，在玻璃的内侧面上还设置有用于使太阳光单向透射进入集热腔并在集热腔 内部反射太阳光的透明第一反射膜。
[0008] 所述绝热保温部件的内侧面锻有反射率不小于94%的第二反射膜。
[0009] 所述热屏通过若干组配合的安装固定件和固定螺栓组件固定安装，其中安装固定 件包括连接在一起的用于卡接热屏的U型槽和通过固定螺栓组件固定安装在集热腔口部 上的活动连接片，且U型槽紧贴两个锥形体的小端口连接处。
[0010] 所述活动连接片通过固定螺栓组件固定在集热腔口部外侧的锥形体内表面上。
[0011] 所述安装固定件为四个，且均布在热屏上。
[0012] 所述吸热部件为圆环形，圆环内套接用于隔热和反射太阳光的陶瓷。
[0013] 所述陶瓷中间开有小孔且通过螺栓固定在集热腔的底部。
[0014] 本发明装置在太阳能发电中的应用，包括W下步骤：
[0015] 步骤一，使太阳光入射到热屏上并进入集热腔内部，照射吸热部件；
[0016] 步骤二，吸热部件将没有吸收的太阳光反射到绝热保温部件和热屏上；
[0017] 步骤H，通过绝热保温部件上的第二反射膜和热屏上的第一反射膜，将第二步中 反射的太阳光第二次反射到吸热部件上；
[0018] 步骤四，通过W上步骤二和步骤H的循环，完成太阳能发电的光热转化。
[0019] 本发明相对现有技术来说，具有W下有益的技术效果：
[0020] 本发明通过在集热腔的口部增设热屏，当太阳光通过热屏进入集热腔后，部分未 被吸收的太阳光会向外福射，此时位于集热腔口部的两个锥形体小端口连接处即集热腔喉 部的热屏，能够将太阳光直接完全反射回集热腔的底部，有效防止其再通过热屏透射出去， 所W本发明有效增强了对集热器福射能量的反射，削弱了透射，而且该热屏的存在完全抑 制了集热器与大气环境的对流换热，可W有效的降低从集热器端口向外界空间遗失的热 量，提高了发动机集热器的光热转化效率。
[0021] 进一步，本发明采用玻璃和玻璃上设置的透明第一反射膜作为热屏，因为太阳福 射热能的波长主要集中在0. 3 y m?3 y m之间，斯特林发动机集热器所能福射热能对应 的主要波长大于3 y m，而所有物体对各种福射的穿透都有选择性，故选用一种对波长小于 3 y m的能量透射比很大而对波长大于3 y m的能量透射比很小的玻璃，所W玻璃自身能够 屏蔽吸热部件的福射，同时玻璃内侧设置的第一反射膜能够有效反射吸热部件反射的太阳 光，使该部分光再次照射吸热部件，所W本发明利用玻璃对光的选择性透射的特性和透明 的第一反射膜的作用设计出一种斯特林发动机集热器端口热屏，能够有效提高集热器的光 热转化效率。
[0022] 进一步，本发明通过设置第二反射膜，使集热腔内部没有被吸收的太阳光始终能 够反射最终到达吸热部件，有效提高集热器的光热转化效率，并能够减少福射热损失2? 3kW。
[0023] 进一步，本发明通过安装固定件和固定螺栓组件来固定安装热屏，其中安装固定 件的U型槽便于卡接热屏；活动连接片便于调整角度和集热腔口部的锥形体贴合，方便连 接；U型槽紧贴两个锥形体的小端口连接处，使热屏更好地对集热腔进行封闭。
[0024] 进一步，本发明通过将活动连接片固定在集热腔口部外侧的锥形体上，安装方便。 [00巧]进一步，本发明通过设置四个均布的安装固定件，形成对称结构，对热屏的固定牢 靠。
[0026] 进一步，本发明通过在集热腔的底部设置耐高温的陶瓷，用于隔热和反射未被吸 热部件吸收的太阳光，利于提高太阳光的利用率。
[0027] 本发明在太阳能发电中的应用时，不仅能抑制住与空气的对流热损失、吸热部件 自身的福射热损失该6?7kW的热量，还能为集热腔增加一面强有力的反射面，使集热腔形 成一个封闭空间，投入的太阳光在封闭空间内进行多次反射，腔内的吸热部件便能吸收更 多的热量，共计能减少热损失约18kW，使光热效率由现在的60%至少提高到85%。
【专利附图】
【附图说明】
[0028] 图1是目前的一种碟式斯特林发动机集热器端口的结构示意图；
[0029] 图2是本发明的结构示意图；
[0030] 图3是本发明的右视图；
[0031] 图4是本发明集热腔福射网络图；
[0032] 图5是本发明的光热转化效率随绝热保温部件的长度L变化曲线；
[0033] 图6是本发明的光热转化效率随热屏半径r变化曲线。
[0034] 其中；1-绝热保温部件；2-吸热部件；3-陶瓷；4- 口部；5-热屏；6-固定组件； 7-安装固定件。
【具体实施方式】
[0035] 下面结合附图对本发明做进一步详细说明：
[003引参照图5和图6,本发明包括圆筒形的集热腔，集热腔壁由绝热保温部件1组成，绝 热保温部件1采用常规保温材料即可，其内侧面锻有反射率不小于94%的第二反射膜，并 能够减少福射热损失2?3kW ;集热腔的底部封闭，并设置有用于吸收太阳光进行转换的圆 环形吸热部件2,吸热部件2的圆环内套接有用于隔热和反射太阳光的陶瓷3 ;集热腔的口 部4为两个锥形体的小端口对接形成，其中内侧锥形体的大端口和集热腔连接；两个锥形 体的小端口连接处即为集热腔的喉部，通过四组均布的安装固定件7和固定螺栓组件6安 装圆形热屏5,对集热腔进行封闭，热屏5包括玻璃，且朝向集热腔内部的一侧即内侧锻有 第一反射膜，使太阳光能够单向通过热屏5进入集热腔，之后部分未被吸收的太阳光会向 外福射，此时位于集热腔口部4的热屏5,能够将太阳光直接完全反射回集热腔的底部，有 效防止其再通过热屏5透射出去，并抑制集热器与大气环境对流换热。集热腔的喉部的内 径和热屏5的直径是根据集热结构最优化计算得出，依靠福射网络图对各个面进行优化， 优化的准则是同样的太阳光入射，吸热部件2能得到更多的热量。
[0037] 参见图4,其中Eb2指吸热部件2的黑体福射强度，R2指吸热部件2自身福射热 阻，J2指吸热部件2净福射换热量（有效福射），R25指吸热部件2的反射面和热屏5的反 射面之间的热阻，其它类似，各数字分别表示图1至图3的相应部件，根据网络图列各节点 能量方程：
[003引 片￡扣1\4+(1-切蜡5巧咕 i=l，2，...，N
[003引式中，J一有效福射，e -黑度（发射率），0 -玻尔兹曼常数，X-角系数，T一福 射面温度，N-可见的福射面数量。
[0040] 吸热部件2和陶瓷3的结构尺寸由发动机决定，不可变化，可优化的尺寸有绝热保 温部件1的长度和热屏5的直径。
[0041] 根据上式计算，绝热保温部件1的长度与集热腔的光热转化效率存在的关系如图 5所示。
[0042] 在固定绝热部件1的长度尺寸后，计算热屏直径与集热腔的光热转化效率存在的 关系如图6所示。热屏半径越小，集热腔的光热效率越高，但在实际应用中还需综合考虑反 光镜光斑大小的影响，热屏尺寸越小，旋转抛物面反射镜的光斑越小，工艺越难实现。
[0043] 安装固定件7包括连接在一起的U型槽和活动连接片，将热屏5用4个安装固定 件7的U型槽卡住，放入集热腔的喉部，然后调整活动连接片角度直至和集热腔口部的锥形 体贴合，用固定螺栓组件6将活动连接片固定在集热腔的外侧锥形体的内表面上，即外卿 趴口上；U型槽紧贴两个锥形体的小端口连接处，使热屏更好地对集热腔进行封闭。
[0044] 本发明的主要工作过程及原理；包括W下步骤：
[0045] 步骤一，使太阳光入射到热屏5上并进入集热腔内部，照射吸热部件2 ;
[0046] 步骤二，吸热部件2将没有吸收的太阳光反射到绝热保温部件1、热屏5和陶瓷3 上；
[0047] 步骤H，通过绝热保温部件1上的第二反射膜、热屏5上的第一反射膜和陶瓷3本 身，将第二步中反射的太阳光第二次反射到吸热部件2上；
[0048] 步骤四，通过W上步骤二和步骤H的多次循环，完成太阳能发电的光热转化并有 效提高其转化率。
[0049] 太阳福射热能的波长主要集中在0. 3 y m?3 y m之间，斯特林发动机集热器所能 福射热能对应的主要波长大于3 y m，而所有物体对各种福射的穿透都有选择性，本发明在 集热器端口增加一单面锻有第一反射膜的玻璃，选用一种对波长小于Sum的能量透射比 很大而对波长大于3 y m的能量透射比很小的玻璃，所W玻璃自身能够屏蔽吸热部件2的福 射，而玻璃内侧锻的第一反射膜目的在于反射吸热部件2反射的太阳光，使该部分光再次 照射吸热部件2,通过该部件可W有效的降低从端口向外界空间遗失的热量。故带有第一反 射膜的玻璃整体作为斯特林发动机集热器端口的热屏，利用玻璃对光的选择性透射的特性 和透明的第一反射膜的作用，增强了对集热器福射能量的反射，削弱了透射，而且该热屏的 存在完全抑制了集热器与大气环境的对流换热，提高了发动机集热器的光热转化效率；同 时本发明的绝热保温部件1上设置第一反射膜，陶瓷3本身很光滑，也具有反射作用，所W 本发明中除了吸热部件2外，组成集热腔内壁的其它部件均具有反射作用，能够将吸热部 件2没有吸收的太阳光通过多次反射到吸热部件2,有效地提高了太阳光的利用率，提升了 吸热部件2的转化效率。吸热部件2对太阳光的吸收率越低，本发明的作用越明显。本发 明不仅能抑制住与空气的对流热损失、吸热部件自身的福射热损失该6?7kW的热量，还能 为集热腔增加一面强有力的反射面，使集热腔形成一个封闭空间，投入的太阳光在封闭空 间内进行多次反射，腔内的吸热部件便能吸收更多的热量，共计能减少热损失约18kW，使光 热效率由现在的60%至少提高到85%。
【权利要求】
1. 碟式斯特林发动机集热器端口热屏装置，其特征在于：包括由绝热保温部件（1)组 成的圆筒形集热腔，集热腔的底部封闭且底部内侧设置吸热部件（2)，集热腔的口部（4)为 两个锥形体的小端口对接形成，其中内侧锥形体的大端口和集热腔连接，所述两个锥形体 的小端口连接处安装有用于反射进入集热腔但未被吸收的太阳光，并抑制集热器与大气环 境对流换热的圆形热屏（5)，对集热腔进行封闭。
2. 根据权利要求1所述的碟式斯特林发动机集热器端口热屏装置，其特征在于：所述 热屏（5)包括对波长小于3 y m的能量透射比很大而对波长大于3 y m的能量透射比很小的 玻璃，在玻璃的内侧面上还设置有用于使太阳光单向透射进入集热腔并在集热腔内部反射 太阳光的透明第一反射膜。
3. 根据权利要求1所述的碟式斯特林发动机集热器端口热屏装置，其特征在于：所述 绝热保温部件（1)的内侧面镀有反射率不小于94%的第二反射膜。
4. 根据权利要求1-3任意一项所述的碟式斯特林发动机集热器端口热屏装置，其特征 在于：所述热屏（5)通过若干组配合的安装固定件（7)和固定螺栓组件（6)固定安装，其中 安装固定件（7)包括连接在一起的用于卡接热屏的U型槽和通过固定螺栓组件（6)固定安 装在集热腔口部（4)上的活动连接片，且U型槽紧贴两个锥形体的小端口连接处。
5. 根据权利要求4所述的碟式斯特林发动机集热器端口热屏装置，其特征在于：所述 活动连接片通过固定螺栓组件￠)固定在集热腔口部（4)外侧的锥形体内表面上。
6. 根据权利要求4所述的碟式斯特林发动机集热器端口热屏装置，其特征在于：所述 安装固定件（7)为四个，且均布在热屏上。
7. 根据权利要求1所述的碟式斯特林发动机集热器端口热屏装置，其特征在于：所述 吸热部件（2)为圆环形，圆环内套接用于隔热和反射太阳光的陶瓷（3)。
8. 根据权利要求7所述的碟式斯特林发动机集热器端口热屏装置，其特征在于：所述 陶瓷（3)中间开有小孔且通过螺栓固定在集热腔的底部。
9. 基于权利要求4所述的碟式斯特林发动机集热器端口热屏装置在太阳能发电中的 应用，其特征在于：包括以下步骤： 步骤一，使太阳光入射到热屏（5)上并进入集热腔内部，照射吸热部件（2); 步骤二，吸热部件（2)将没有吸收的太阳光反射到绝热保温部件（1)和热屏（5)上； 步骤三，通过绝热保温部件（1)上的第二反射膜和热屏（5)上的第一反射膜，将第二步 中反射的太阳光第二次反射到吸热部件（2)上； 步骤四，通过以上步骤二和步骤三的循环，完成太阳能发电中的光热转化。
【文档编号】F03G6/06GK104390373SQ201410582653
【公开日】2015年3月4日 申请日期:2014年10月27日 优先权日:2014年10月27日
【发明者】黄汉林, 杨军军, 于国祥, 张毅 申请人:西安航空动力股份有限公司