一种热管式固定聚光CPC集热系统的制作方法

一种热管式固定聚光cpc集热系统
技术领域
1.本发明涉及一种太阳能集热技术领域，更具体地说，涉及一种热管式固定聚光cpc集热系统。


背景技术：

2.现在的太阳能分成两类，一种是聚光型，一种是不聚光型，聚光型的太阳能，例如槽式，塔式，碟式，光斑处的集热温度都很高，例如槽式，可以将导热油介质加热到395℃。不聚光的太阳能，就是我们常见的家用真空玻璃管太阳能，平板太阳能，由于没有聚光，吸热介质的温度不高，尤其在冬季，吸热介质很难达到可以洗澡的温度，更谈不上用于工业使用，例如60℃的供热水温，100℃以上的蒸汽使用。
3.固定聚光cpc集热器中，能够将热能传递到冷流体的换热结构形式多样，如常规的热管传热器件；带有外翅片的换热管；带外翅片的u型管传热器件；微细通道的板式热管传热器件；螺旋翅片管传热器件等，不过由于受到传统传热方式的影响、结构限制等各方面原因，导致现有换热管存在热利用率低、安全性和可靠性低等缺陷。
4.中国专利申请号200480017387.6，发明名称为：带有真空接收器和非成像外部反射器的太阳能集热器，这种太阳能集热器包括一个玻璃壳体，该玻璃壳体具有一根设置于其内部的换热管，和一个设置于其外部的光线反射器。其采用的换热管就是u型传热管，吸热流体在u型管内部流动吸收热量，这种流动方式，无法高效利用能源，且冬季有可能产生冻胀的危害。另一方面将铜质热管用于cpc集热系统中，存在如下问题：1、材料价格较贵，成本高；2、材料存在承压能力不够的危险；3、热管本身失效导致传热系统瘫痪；4、没有从本质上解决冷流体是水介质时，严寒冬季环境下，联箱内介质放干的难题。
5.又如中国专利申请号201310042121.8，发明名称为：采用cpc太阳能聚光集热器的蒸汽发生装置，包括集热器群和蒸汽发生器，以其集热器的介质输入管口及其介质输出管口分别与输入连箱和输出连箱管路连接；在储能箱内有电加热器；在介质输入总管管路上和集热介质换热器的介质输入管路上，均分别设有液泵；换热器是螺旋盘管换热器。然而，其只是侧重于cpc光热集热器组件成的具有产蒸汽功能的系统，对于单一cpc光热集热单元，内部的传热管是螺旋盘管，存在流动阻力大、换热能力差、能量利用不充分等缺点。
6.传统的热管，采用的多是蒸发端直径小、长度长，冷凝端直径大，长度短的铜管冷焊方式制备而成，热管内工质在运行和停止时，压力波动较大，在冷焊处易引起热管本身开裂，导致失效。
7.另一方面，现有热管式太阳能吸热方式，其热管竖直或倾斜放置，管内流动的吸热介质无法排干，降低光热集热的效率和利用率，在严寒天气，采用水介质循环易出现冻管、炸管现象，联箱内的水介质无法自动排空，降低光热集热的效率和利用率，无法真正推广到寒冷、高海拔地区使用。


技术实现要素：

8.1.发明要解决的技术问题
9.本发明的目的在于克服现有技术中由于固定聚光cpc集热器存在的集热效率低、能源利用率低、安全性和可靠性低等的不足，提供一种热管式固定聚光cpc集热系统，采用本发明提供的技术方案，集热效率高、能量利用率高、运行安全可靠无污染。
10.2.技术方案
11.为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：一种热管式固定聚光cpc集热系统，包括多个并行设置的聚光集热单元，用于吸收太阳光光谱，产生热能，且将热能传递给冷流体，所述聚光集热单元包括cpc固定聚光板以及位于cpc固定聚光板上的聚光集热器，所述聚光集热器包括：
12.真空玻璃管，用于锁住热能且提高集热系统的能源利用率，所述真空玻璃管内填充有吸热介质；
13.热管传热器件，其一端位于真空玻璃管内形成蒸发端，另一端由真空玻璃管中伸出延伸至冷流体内形成冷凝端，所述热管传热器件内充装合适的工质及工质量；
14.所述蒸发端和冷凝端的直径相同，
15.所述热管传热器件水平放置。
16.作为本发明更进一步的改进，所述热管传热器件的长度为1.6-2.0m，直径为φ15-25mm，壁厚为0.5-1.5mm。
17.作为本发明更进一步的改进，所述cpc固定聚光板是以软态铝做成厚度0.25mm的基板，同时粘接高反射率的反光纸制成。
18.作为本发明更进一步的改进，在cpc固定聚光板的横切面建立xoy坐标系，cpc固定聚光板的横切面由渐开线和抛物线组成，圆o为基圆，q是抛物线的开口顶点，r是渐开线和抛物线的相交点，q和r形成的直线与基圆相切。
19.作为本发明更进一步的改进，所述热管传热器件倾斜设置，倾斜角度为2-3
°
。
20.作为本发明更进一步的改进，还包括封装聚光集热单元的保温框体，以及盛装冷流体的联箱，所述联箱底部设有排水口，所述保温框体和联箱内均设有隔热保温体。
21.作为本发明更进一步的改进，所述保温框体的表面设置有可遮盖聚光集热单元的钢化玻璃。
22.作为本发明更进一步的改进，所述热管传热器件的蒸发端上设置有整体挤压成型的铝翅片。
23.作为本发明更进一步的改进，所述热管传热器件的壳体材质为304不锈钢。
24.作为本发明更进一步的改进，所述工质在常压下是液态工质，所述工质为超纯水、甲醇、乙醇或丙酮，所述吸热介质是软化水。
25.3.有益效果
26.采用本发明提供的技术方案，与现有技术相比，具有如下显著效果：
27.本发明提供的热管传热器件的蒸发端和冷凝端为直径相同的一体式热管，受压力波动影响小，可靠性高。同时热管传热器件采用水平放置，克服吸热介质残留的可能性，系统排干，即使在严寒的地区，也不会出现冻坏的现象。联箱是竖直设置的，底部设有排水口，系统能够自动排空，保证联箱内无任何残留水，在冬季严寒的条件下，也不会冻坏；联箱的
自动排空功能，最大限度的提高太阳能光热利用效率。
附图说明
28.图1为本发明提供的一种热管式固定聚光cpc集热系统结构示意图；
29.图2为图1中a-a剖视图；
30.图3为现有热管结构示意图；
31.图4为热管传热器件竖直放置传热示意图；
32.图5为热管传热器件水平放置传热示意图；
33.图6为cpc固定聚光板优化的示意图；
34.图7为本发明提供的固定聚光cpc集热系统的传热模式。
35.示意图中的标号说明：
36.1、保温框体；2、联箱；11、聚光集热器；111、真空玻璃管；112、热管传热器件；1121、铝翅片；12、cpc固定聚光板；13、钢化玻璃；14、隔热保温体；21、出水口。
具体实施方式
37.为进一步了解本发明的内容，结合附图和实施例对本发明作详细描述。
38.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
39.在本发明的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
40.本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。
41.如图1-2，一种热管式固定聚光cpc集热系统，包括多个并行设置的聚光集热单元，用于吸收太阳光光谱，产生热能，且将热能传递给冷流体，聚光集热单元包括cpc固定聚光板12以及位于cpc固定聚光板12上的聚光集热器11，聚光集热器11包括真空玻璃管111和热管传热器件112，其中，真空玻璃管111，用于锁住热能且提高集热系统的能源利用率，真空玻璃管111内填充有吸热介质，真空玻璃管内设有高吸收率的膜，如蓝钛膜，吸收太阳光谱转变成高温热量；热管传热器件112，其一端位于真空玻璃管111内形成蒸发端，另一端由真空玻璃管111中伸出延伸至冷流体内形成冷凝端，热管传热器件112内充装合适的工质及工质量；蒸发端和冷凝端的直径相同；热管传热器件112水平设置。
42.热管传热器件112内的工质，吸收真空玻璃管111内吸收的热量，以较小的温差，依靠加热工质的蒸发(沸腾)从热端传递到冷端，热管传热器件112内的加热工质冷凝放热给冷凝端的吸热冷流体，如介质水，然后热管传热器件112内的工质回流，如此循环，完成能量的吸收、传递和放热的过程。
43.对比传统吸热介质的流动和传热，如平板集热太阳能，都是吸热介质在管内流动，通过与加热管壁面的对流传热吸收热量，吸热介质(如水)通过在管内流动与热壁面发生传热的方式，属于管内流动和传热。而本发明通过放置于真空玻璃管111内的热管传热器件112，吸收真空玻璃管111内的热量，通过相变传热传递到联箱内的吸热介质(如水)，将管内流动改进为管外横掠流动，换热强化，传热能力提高了数倍。
44.如图3，对比现有热管，本发明提供的热管传热器件112的蒸发端和冷凝端为直径相同的一体式热管，受压力波动影响小，可靠性高。同时热管传热器件112采用水平放置，克服吸热介质残留的可能性，系统排干，即使在严寒的地区，也不会出现冻坏的现象。
45.对比现有热管竖直或倾斜放置，竖立或倾斜放置影响热管的传热效率，传递相同的能量，竖直夹层所需要的传热温差更大，当真空玻璃管吸收了太阳的能量，温度升高时，高温的空气通过自然对流、热辐射传递给热管的蒸发段，由于长径比的影响，管内的空气通过多个涡旋方式进行传热。图4为竖直放置时的涡流传热，在竖直放置情况下，空气由于浮升力的作用，温度高的空气密度小，在顶端；温度低的空气密度大，在中间或者底部。这种温度梯度的增加会导致热管传热性能的恶化，甚至引起工质断流不能工作；即使是真空玻璃管内放置强化导热翅片或者翅片翼，这种由于浮升力引起的传热恶化现象依然存在。
46.当真空玻璃管竖直放置时，由于顶部温度高，底部温度低的特点，热管内工质在回流时原本液膜就很薄，当遇到高温热流(靠近真空玻璃管端口的热空气)的加热作用，液膜会出现断流的情况，看上去就是很小的一段热管内部空间工质在循环，这就不符合热管的工作原理了，这样，能量衰减很大，热管的传热机制受到影响，传热恶化，甚至失效。细长空间内形成冷热流体的自然对流传热，必然会产生多个涡旋流动传热。
47.如图5，是热管传热器件水平放置时的情况，通过管外横掠流动传热方式，与竖直放置相比，具有更好的传热效果。
48.在一个优选实施例中，热管传热器件112的长度为1.6-2.0m，直径为φ15-25mm，壁厚0.5-1.5mm。这是一种蒸发段长，分散吸热，冷凝段短，集中散热的热管，但蒸发段和冷凝段的直径相同，经实验测量，其所能传递的热量达到400w。蒸发段长度最好为1650mm，冷凝段长度最好为150mm，热管总长为1800mm，效果更优。
49.在一个优选实施例中，cpc固定聚光板12是以软态铝做基板，同时粘贴高反射率的反光纸制成，实际上，cpc固定聚光板的常规材料为不锈钢镜面板，材料经过抛光处理，价格贵，同时由于成型工艺难度大，需要厚度较大的不锈钢板，厚度达到2.0mm，重量大。单位反射面积成本贵。
50.为了降低成本，发明人尝试过多种材料，如高反射率的发光纸在泡沫成型板上粘接，由于不能长时间粘接，影响性能和使用寿命；选用玻璃镀银工艺形成镜面玻璃成型方法，但是造价仍然高、重量大、运输难度大、易碎等缺点。经过不断尝试后，最终确定以软钛铝为基板，板厚0.25mm，在软钛铝上粘接高反射率的反光纸，在模具作用下成型，做成后的聚光板的成本仅为传统工艺的50％以下，实现了连续化量产，而且成型后性能稳定，反射率稳定达到0.93。
51.在一个优选实施例中，在cpc固定聚光板12的横切面建立xoy坐标系，cpc固定聚光板的横切面由渐开线和抛物线组成，圆o为基圆，q是抛物线的开口顶点，r是渐开线和抛物线的相交点，q和r形成的直线与基圆相切。
52.如图4，cpc固定聚光板的横切面由渐开线和抛物线组成，圆o用以代表吸热体，在
±
θ范围内的太阳辐射，无论是直射还是散射辐射，均可到达集热器的吸收体上，r是渐开线和抛物线的相交处，理论上是一个光滑曲线，r点应满足连续性和曲率相等的特性，然而在实际制造过程中，必然存在误差，r点的选择非常关键，因此取r点满足其与q点、基圆共线，能够提高成品率，在批量生产时简化生产工艺。
53.在一个优选实施例中，热管传热器件112倾斜设置，倾斜角度为2-3
°
，倾斜角度非常微小，保证一定的回流，这种微小角度的倾斜，可以看成近似水平设置，对于传热效果的影响可忽略。
54.在一个优选实施例中，该固定聚光cpc集热系统还包括封装聚光集热单元的保温框体1，以及盛装冷流体的联箱2，冷流体在联箱内与热管传热器件112进行横掠方式的吸热，联箱2底部设有排水口21，保温框体1和联箱2内均设有隔热保温体14，降低热损失。联箱2是竖直设置的，底部设有排水口21，系统在停止运行时，停留在联箱2内的吸热介质能够自动排空，保证联箱2内无任何残留水，在冬季严寒的条件下，也不会冻坏，无须防冻液循环，无需在管路上缠绕电伴热进行保温，同时热管传热器件112水平方向的传热，整个系统实现自动排空的功能，实现真正意义上的高海拔、寒冷地区的使用。由于联箱2是空的，用于加热这部分达到系统平衡的无用功就很少，吸收太阳能热量的吸热介质水，温升高，从而最大限度的提高了太阳能光热利用效率。
55.在一个优选实施例中，保温框体1的表面设置有可遮盖聚光集热单元的钢化玻璃13。钢化玻璃13能够遮挡灰尘，提高光的投射。
56.在一个优选实施例中，热管传热器件112的蒸发端上设置有整体挤压成型的铝翅片1121，铝翅片1121上可设置高吸收率的涂层，以增大与真空玻璃管111内高温空气的对流传热能力和面积拓展。如图7，光线从玻璃折射到真空玻璃管111内，照射在热管传热器件112具有高吸收率的铝翅片1121上，直接产生热效应，没有中间热阻和热损失。铝翅片1121对真空玻璃管111内的空气进行分割隔离，尽量减少热空气向环境的热损失。本发明中真空玻璃管可以采用传统的真空玻璃管，规格为φ58
×
1800。
57.热管传热器件112的壳体材质为304不锈钢，耐腐蚀、耐高温、承压能力高、价格便宜。不锈钢的耐压能力要远高于铜，因此防暴晒能力也是增强的，通过实验发现，采用不锈钢热管，耐受300℃温度没有任何损伤。
58.值得说明的是，目前光伏发电组件的技术已相当成熟，本发明可以外加光伏发电组件，无须外加电源，依靠光伏发电组件完成吸热、传热、送热等过程，无须外接动力源。
59.传统的采用导热油循环，存在毒性、易燃烧性，价格贵，介质流动性不好，凝固点高，在寒冷气候下，容易堵塞管道；在一个优选实施例中，本发明中的工质在常压下是液态工质，工质为超纯水、甲醇、乙醇或丙酮等等，吸热介质是软化水，用水做吸热介质安全可靠。
60.以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。