一种半嵌入式8字外形腔式太阳能吸热器及其工作方法
【专利摘要】本发明公开了一种半嵌入式8字外形腔式太阳能吸热器及其工作方法。吸热器包括正六边形凸面镜、玻璃外壳、绝热真空层、钢质内壳、软质传热层、螺旋换热盘管、导热流体、反光式挡风板、腔口凸面镜；与传统的吸热器不同，本吸热器呈8字外形，低温加热部分、高温加热部分有独立进出料口，可分别用于中高温太阳能热利用系统内对不同温度要求工质的加热并实现不同温度工质的输送；利用正六边形凸面镜的聚焦作用可实现对工质的二次加热；软质传热层与螺旋换热盘管间半嵌入式连接使得盘管受热更均匀，避免出现热斑；通过腔口凸面镜的聚焦及封闭作用，可达到高效吸热并减少对流热损失的效果。
【专利说明】
-种半嵌入式8字外形腔式太阳能吸热器及其工作方法
技术领域
[0001] 本发明设及一种太阳能高溫吸热器，特别设及一种应用于单碟或多碟太阳能高溫 热利用系统中的半嵌入式8字外形腔式太阳能吸热器。
【背景技术】
[0002] 能源是人类社会赖W生存和发展的重要基础资源，也是各国经济安全的重要保 障。目前大多依赖煤炭、石油和天然气等化石燃料。据统计，全球一次能源消费量在1971~ 2000年的平均年增长率为2.1%，在2001~2004年为3.9%，其中2003~2004年为4.5%，可 见一次能源的消耗增长率不断提升。随着一次能源的不断消耗，地球上C〇2、S〇2及NOx的排放 量急剧增加，带来极大的环境污染，开发并充分利用新能源已成为当今一个重要任务。
[0003] 腔式吸热器是一种将太阳能转化为热能的装置，它的作用在于将太阳福射能转化 为热能。运一环节在太阳能热利用系统中占有重要地位，其效率高低会直接影响到整个太 阳能热利用系统的高效性及经济性。
[0004] 吸热器分类多样，按吸热表面形状不同，基本分为四种:球形腔式吸热器、圆柱形 腔式吸热器、平顶圆锥形腔式吸热器及圆锥形腔式吸热器。经模拟验证，球形吸热器的最大 直径大于其他3种，对光线遮挡面积较大，使得进入球形腔式吸热器的光线总数少于其他3 种外形的吸热器，但运对系统的效率影响却较小，可见较其他3种外形的腔式吸热器，球形 吸热器具有较好的光学性能和较小的反射光损失。
[0005] 腔式吸热器的结构一般包括外壳、内壳、保溫层、导热盘管及空腔。目前，太阳能吸 热器的主要工作原理是利用聚光器将太阳福射传递至吸热器内腔，导热盘管接受相应的太 阳福射能，使得导热管中介质吸热升溫，从而实现从太阳福射能到热能的转变。保溫层一般 采用热损失较低的材质W达到较好的保溫效果。内腔中的多种因素会影响到腔式吸热器的 效率，如内部福射、内部对流等。现今，有关腔式吸热器静态特性、动态特性、能量分布及优 化等方面的理论及实验研究均已全面开展。腔式吸热器静态特性是指吸热器在稳定状态下 热损失、热效率等性能特性。而腔式吸热器热损失有对流、福射、反射及传导热损失，其中传 导热损失相对很小往往可W忽略不计。吸热器效率取决于吸热器热效率、镜面反射效率及 热损失效率，其受吸热器的结构、光学特性、壁面溫度及外界风速等的影响。由热力学定律 分析可知:溫度越高，吸热器效率越高。但溫度越高吸热器热福射越大，相应的热损失也越 大，出现光斑的概率就越大。
[0006] 现有腔式吸热器各受热面热流密度分布极不均匀，同时太阳福照随时间不断变 化。另外，腔式吸热器蒸发受热面出口工质状态也极不稳定，有时为过热蒸汽，有时为汽-水 混合物，有时是未饱和水。同时不均匀的热流分布还会引起吸热管排回流及停滞，可能造成 下游无法正常工作甚至损坏。且现有的腔式吸热器都只能加热单一工质，对于下游需要不 同溫度工质的太阳能热利用系统而言，运就意味着要安装不同类型的腔式吸热器，不仅使 得管道安装复杂，经济效益也会随之下降。因此，设计一种热流密度均匀、能实现不同溫度 要求工质加热且光-热转化效率高的腔式吸热器具有重要的意义。
【发明内容】
[0007]基于W上现有技术的不足之处，本发明的目的在于提出一种半嵌入式8字外形太 阳能腔式吸热器及其工作方法。该腔式吸热器能有效地提高热流密度分布的均匀度，减少 热斑的出现，实现不同溫度要求工质的加热，同时降低热损失，提高光-热转化效率。
[000引为了解决上述存在的技术问题，本发明通过下述技术方案来实现。
[0009] -种半嵌入式8字外形腔式太阳能吸热器，包括光线收集部分、低溫加热部分、高 溫加热部分及二次加热部分;二次加热部分为均匀镶嵌在玻璃外壳外表面的正六边形凸面 镜;玻璃外壳与钢质内壳间间隔为绝热真空层，两者外形均为下端开口 8字形;钢质内壳的 内侧为带凹槽的软质传热层，高溫段螺旋换热盘管、低溫段螺旋换热盘管均W半嵌入的形 式与软质传热层相连接；W腔体中部低溫出料口及高溫进料口所在平面为界限，W上至顶 部的高溫出料口为高溫加热部分，W下至腔口为低溫加热部分，腔口附近设置低溫进料口； 低溫加热部分与光线收集部分的反光式挡风板在腔口处无缝连接。
[0010] 进一步优化的，所述吸热器的光线收集部分包括腔口凸面镜、反光式挡风板；圆台 形反光式挡风板在腔口处分别与8字形玻璃外壳及钢质内壳无缝连接，并封闭了玻璃外壳 与钢质内壳间的间隙，形成绝热真空层;红外涂层面反光式挡风板靠绝热真空层的一侧为 红外涂层面，反光式挡风板靠开腔一侧为光滑外镜面，能反射来自于聚光器的光线，并送至 内腔;腔口凸面镜在腔口所在平面与反光式挡风板无缝连接，从而形成了 W8字外形的软质 传热层为主体，反光式挡风板、腔口凸面镜作为封口的封闭内腔，其中腔口凸面镜与腔口的 直径相等;利用腔口凸面镜的聚焦及封闭作用，可达到高效吸热并减少对流热损失的效果； 光滑外镜面能将部分即将逃逸的光线再次反射至内腔，减少热量的损失。
[0011] 进一步优化的，所述吸热器的低溫加热部分为8字的下半部分，其半径Ri为200~ 400mm;由真空抽气孔、低溫进料口、低溫出料口、低溫段螺旋换热盘管、低溫导热流体、软质 传热层、钢质内壳、玻璃外壳、绝热真空层、螺栓、气孔、密封橡胶圈组成;其中腔口附近的真 空抽气孔配有密封橡胶圈，用于连接抽真空机器;低溫段螺旋换热盘管为单向盘管，盘管外 径斬为20~25mm，内径巧2为17~22mm，盘管之间间距1~2mm，且盘管内侧含螺纹，外侧打磨 成粗糖表面并涂有吸光材料，增强其吸光能力;盘管部分嵌入软质传热层，W使得管内工质 受热均匀，软质传热层的厚度h2为15~20mm;低溫导热流体为水或其他低溫工质;软质传热 层上开槽，槽直径与换热盘管外径斬相当，槽深hi为换热盘管外半径，即斬=2hi;槽间距与 换热盘管间距相等，确保盘管能嵌入槽中；位于软质传热层外侧并与其紧密相接的钢质内 壳厚度Cb约为5~8mm;玻璃外壳为高透光率的石英玻璃，透光率大于0.95，厚度di为2~3mm， 且外表面镶有正六边形凸面镜，玻璃外壳与钢质内壳间的间隔为绝热真空层。
[0012] 进一步优化的，所述吸热器的高溫加热部分用于加热高溫流体，为8字的上半部 分，其半径R2为200~400mm;包括高溫进料口、高溫出料口、玻璃外壳、绝热真空层、钢质内 壳、软质传热层、高溫段螺旋换热盘管、高溫导热流体、螺栓、气孔、密封橡胶圈；其中高溫段 螺旋换热盘管为单向盘管，盘管外径化为20~25mm，内径化为17~22mm，盘管之间间距1~ 2mm，且盘管内侧含螺纹，外侧打磨成粗糖表面并涂有吸光材料，增强其吸光能力;盘管部分 嵌入软质传热层，使得工质受热均匀，软质传热层的厚度h2为15~20mm;高溫导热流体为重 油或其他高溫工质;高溫加热段中钢质内壳、玻璃外壳及软质传热层的相关参数、结构关系 均与低溫加热段相同；低溫加热部分和高溫加热部分组成腔体的主要部分，两者有独立进 出料口，可用于中高溫太阳能热利用系统内对不同溫度要求工质的加热，实现不同溫度传 热流体的输送。
[0013] 进一步优化的，所述吸热器的二次加热部分指玻璃外壳上镶嵌的正六边形凸面 镜，太阳福射直接透过正六边形凸面镜、玻璃外壳、绝热真空层，对钢质内壳进行加热，升溫 后的钢质内壳W热传导的形式经软质传热层分别向低溫螺旋换热盘管及高溫螺旋换热盘 管传热;低溫螺旋换热盘管及高溫螺旋换热盘管均W对流传热的形式使盘管内低溫工质及 高溫工质升溫，从而实现对导热流体的二次加热；正六边形凸面镜材料为高透光率的石英 玻璃，透光率大于0.95，厚度为0.8~1.5mm，W镶嵌的形式均匀分布于玻璃外壳上。
[0014] 进一步优化的，所述光线收集部分的反光式挡风板为无底圆台形；反光式挡风板 所对应的圆屯、角a为50~70°，板长h为250~300mm，板厚h3为20~30mm，其两侧分别为红外 涂层面、光滑外镜面;下端开口的8字形玻璃外壳位于外侧，相同形状的钢质内壳位于内侧， 反光式挡风板在开口处分别与两者无缝连接，形成密封绝热真空层，绝热真空层宽度Cb为 20~40mm;多碟式聚光器的焦平面与腔口平面共面，张角0等于反光式挡风板对应圆屯、角a 的1/2,即a = 20;腔口凸面镜采用的是高透光率的耐高溫石英玻璃，透光率大于0.95,直径 化为200~300mm，凸面镜表面光滑。
[0015] 进一步优化的，所述嵌入式8字外形腔式太阳能吸热器的开槽内壳、玻璃外壳整体 为下端开口的8字形;未装配时，腔体分为上中下=部分，相互独立的=部分通过共8个螺栓 装配而成，其中低溫段加热部分的下螺栓及高溫段加热部分上螺栓分别4个，所有螺栓分别 与相对应的螺孔及螺母配套，连接处分别安装带气孔的密封橡胶圈；腔体开口所对应的圆 屯、角与反光式挡风板的圆屯、角a相等，腔口直径为且化=Di+2h3,确保反光式挡风板能与 腔口凸面镜无缝连接。
[0016] 所述的一种半嵌入式8字外形腔式太阳能吸热器的工作方法为:太能福射经多碟 式聚光器上的反光镜反射，大部分太阳光透过高透光率的腔口凸面镜进入到内腔;进入内 腔的太阳光经多次吸收、反射、折射后，最终被软质传热层及外表有吸光涂层的高溫段螺旋 换热盘管及低溫段螺旋换热盘管吸收，使得螺旋换热盘管升溫，从而实现由太能福射能到 热能的转化；W对流传热的形式，热能分别从溫度较高的高溫段螺旋换热盘管、低溫段螺旋 换热盘管传导至溫度较低的高溫工质及低溫工质，从而达到加热导热流体的目的；另一部 分太阳福射在未到达多碟式聚光器前就直接透过正六边形凸面镜、玻璃外壳及绝热真空 层，对钢质内壳进行加热，升溫后的钢质内壳W热传导的形式经软质传热层分别向高溫段 螺旋换热盘管及低溫段螺旋换热盘管传热;升溫后的螺旋换热盘管与盘管内工质间W对流 传热的形式传热，从而实现对流体的二次加热，确保流体溫度满足要求;其中低溫加热段出 料口流体溫度ti可达到150°C~化(TC，高溫加热段出料口流体溫度t2可达到400°C~500°C。
[0017] 本发明与现有的技术比较，具有的优点和效果如下：
[0018] (1)低对流热损失。通过腔口凸面镜（16)的聚焦及封闭作用，可达到高效吸热并减 少对流热损失的效果；
[0019] (2)低传导热损失。绝热真空层(2)可减少传导热损失；
[0020] (3)热流密度均匀。软质传热层(25)与高溫螺旋换热盘管(4)、低溫螺旋换热盘管 (23)间半嵌入式连接使得盘管受热更均匀，避免出现热斑；
[0021] (4)实现不同溫度要求工质的加热与输送。高低溫加热部分分别有独立进出料口， 实现不同溫度工质输送，低溫加热部分可向中高溫太阳能热利用系统中输送低溫导热流体 水或其他低溫工质，高溫加热部分可向中高溫太阳能热利用系统中输送高溫导热流体重油 或其他高溫工质。
[0022] (5)能实现二次加热。利用外壳上镶嵌的正六边形凸面镜(9)的聚光作用及高透光 率，太阳福射直接透过正六边形凸面镜(9)、玻璃外壳（1)及绝热真空层(2)，对钢质内壳(3) 进行加热，钢质内壳(3)的热能经软质传热层(25)传导至螺旋换热盘管，升溫后的螺旋换热 盘管W对流传热的方式将热能传导至流体，实现对流体的二次加热。
【附图说明】
[0023] 图1是一种半嵌入式8字外形腔式太阳能吸热器剖面示意图。
[0024] 图2是一种半嵌入式8字外形腔式太阳能吸热器仰视图。
[0025] 图3是一种半嵌入式8字外形腔式太阳能吸热器7所示局部放大图。
[00%]图4是反光式挡风板示意图。
[0027] 图5是碟式太阳能发电系统原理图。
[0028] 图6是太阳能聚光器一腔式吸热器系统示意图。
[0029] 附图中：1-玻璃外壳;2-绝热真空层;3-开槽内壳;4-高溫段螺旋换热盘管;5-高溫 导热流体;6-螺栓;7-细节放大图；8-真空抽气孔;9-正六边形凸面镜；10-高溫出料口； 11-气孔；12-密封橡胶圈；13-高溫进料口； 14-低溫出料口； 15-低溫进料口； 16-腔口凸面镜； 17-红外涂层面；18-光滑外镜面；19-反光式挡风板;20-密封橡胶圈；21-气孔;22-螺栓;23-低溫段螺旋换热盘管;24-低溫导热流体;25-软质传热层。
【具体实施方式】
[0030] 下面结合附图，对本发明的结构系统和具体工作过程作详细描述，但本发明的实 施和保护不限于此。
[0031] 如图1，一种半嵌入式8字外形腔式太阳能吸热器，包括光线收集部分、低溫加热部 分、高溫加热部分及二次加热部分;二次加热部分为均匀镶嵌在玻璃外壳1外表面的正六边 形凸面镜9;玻璃外壳1与钢质内壳3之间的间隔为绝热真空层2,两者外形均为下端开口 8字 形;钢质内壳3的内侧为带凹槽的软质传热层25,高溫段螺旋换热盘管4、低溫段螺旋换热盘 管23均W半嵌入的形式与软质传热层25相连接；W腔体中部低溫出料口 14及高溫进料口 13 所在平面为界限，W上至顶部的高溫出料口 10为高溫加热部分，W下至腔口为低溫加热部 分，腔口附近设置低溫进料口 15;低溫加热部分与光线收集部分的反光式挡风板19在腔口 处无缝连接。光线收集部分包括腔口凸面镜16、反光式挡风板19;圆台形反光式挡风板19在 腔口处分别与8字形玻璃外壳1及钢质内壳3无缝连接，并封闭了玻璃外壳1与钢质内壳3间 的间隙，形成绝热真空层2;反光式挡风板19靠绝热真空层2的一侧涂红外涂层面17,而靠开 腔一侧为光滑外镜面18,能反射来自于聚光器的光线，并送至内腔;腔口凸面镜16在腔口所 在平面与反光式挡风板19无缝连接，从而形成了 W8字外形的软质传热层25为主体，反光式 挡风板19、腔口凸面镜16作为封口的封闭内腔，其中腔口凸面镜16与腔口的直径相等;利用 腔口凸面镜16的聚焦及封闭作用；光滑外镜面18能将部分即将逃逸的光线再次反射至内 腔。低溫加热部分为8字的下半部分，其半径Ri为200~400mm;由真空抽气孔8、低溫进料口 15、低溫出料口 14、低溫段螺旋换热盘管23、低溫导热流体24、软质传热层25、钢质内壳3、玻 璃外壳1、绝热真空层2、螺栓22、气孔21、密封橡胶圈20组成;其中腔口附近的真空抽气孔8 配有密封橡胶圈，用于连接抽真空机器;低溫段螺旋换热盘管23为单向盘管，盘管外径斬为 20~25mm，内径化为17~22mm，盘管之间间距1~2mm，且盘管内侧含螺纹，外侧打磨成粗糖 表面并涂有吸光材料;盘管部分嵌入软质传热层25, W使得管内工质受热均匀，软质传热层 25的厚度h2为15~20mm;低溫导热流体24为水或其他低溫工质；软质传热层25上开槽，槽直 径与换热盘管外径斬相当，槽深hi为换热盘管外半径，即斬=21ii;椎间距与换热盘管间距相 等，确保盘管能嵌入槽中；位于软质传热层25外侧并与其紧密相接的钢质内壳3厚度Cb为5 ~8mm;玻璃外壳1为高透光率的石英玻璃，透光率大于0.95,厚度di为2~3mm，且外表面镶 有正六边形凸面镜9,玻璃外壳1与钢质内壳3间的间隔为绝热真空层2。
[0032] 实施方案1:腔式吸热器可用于碟式太阳能发电系统中将光能转化为热能，其系统 组成如图5所示。碟式太阳能热发电系统的核屯、装置包括=部分：多碟式聚光器、自动跟踪 系统、半嵌入式8字外形腔式太阳能吸热器，除此之外还包括储能装置、热电转换装置、电压 变换装置。聚光器是进行太阳光的捕获与转换装置，采用美国Sunlab生产的超薄银玻璃反 光镜，其为点聚焦式旋转抛物面，其聚光比高达数2000,能最大限度地反射太阳光，提高镜 面反射率。所选用聚光器直径为5m，焦距为2m，焦面落在腔口圆面上，镜面反射率为94%。自 动跟踪系统采用双轴式跟踪系统，调整地平坐标系统中的高低角及方位角聚集太阳福射 能。实施方案中所采用的吸热器为半嵌入式8字外形腔式吸热器(见图1、2)，该吸热器位于 聚光器上方2m处;吸热器腔口所在圆的圆屯、即为聚光碟的焦点。太阳福射值为lOOOW/m 2。储 能装置是用于储备热能W供夜晚或其他无日照时使用，其中采用的是巧基高溫储能系统。 热电转换装置采用间接热电转化装置一一Rankine切Cle蒸汽发电系统，在半嵌入式8字外 形腔式太阳能吸热器中加热至450°C的重油到达Rankine Cycle蒸汽发电系统，加热 Rankine切Cle蒸汽发电系统中的水使其产生高溫高压蒸汽;然后推动蒸汽轮机高速旋转， 从而带动汽轮发电机发电，实现热一电的转化。产生的电能经电压变换装置转接至供电网。 当长时间无光照时需通过其他途径补充能源来发电。
[0033] 实施方案2.年发电IMW的太阳能发电系统中光热转换装置及流程：
[0034] 本发明半嵌入式8字外形的腔式太阳能吸热器(见图1、2)，包括光线收集部分、低 溫加热部分、高溫加热部分、二次加热部分;二次加热部分为均匀镶嵌在玻璃外壳1外表面 的正六边形凸面镜9;玻璃外壳1与钢质内壳3间间隔为绝热真空层2,两者外形均为下端开 口 8字形;钢质内壳3的内侧为带凹槽的软质传热层25,高溫段螺旋换热盘管4、低溫段螺旋 换热盘管23均W半嵌入的形式与软质传热层25相连接；W腔体中部低溫出料口 14及高溫进 料口 13所在平面为界限，W上至顶部的高溫出料口 10为高溫加热部分，W下至腔口为低溫 加热部分，腔口附近设置低溫进料口 15;低溫加热部分与光线收集部分的反光式挡风板19 在腔口处无缝连接。
[0035] 腔体分为上中下=部分，相互独立的=部分通过共8个螺栓装配而成，其中低溫段 加热部分的下螺栓22及高溫段加热部分上螺栓6分别4个，所有螺栓分别与相对应的螺孔及 螺母配套，连接处分别安装带气孔的密封橡胶圈；投入使用前需将腔口附件的真空抽气孔8 与抽真空装置连接，抽去内外壳间空气，使得绝热真空层2接近于真空。
[0036] W发电量为IMW的发电系统为例，太阳能的利用效率为50 %，当太阳福射能为IkW/ m2,所需聚光碟受热面积为2000m2。采用多碟式聚光器，其有效受光照面积为聚光器总面积 的50%，当聚光器直径为5m时，相应有效受光面积为IOm 2 JMW的发电系统所需本发明所述 的8字外形腔式太阳能吸热器200个。聚光器反光镜面材质与实施方案1相同。制作符合系统 要求的半嵌入式8字外形腔式吸热器(见图1、2)，其腔口直径应为化为250mm，开腔所对应的 圆屯、角a为60°，腔口凸面镜16直径化为210mm;要求所制作吸热器高溫加热部分R2与低溫加 热部分化相等，即均为250mm，低溫段螺旋换热盘管(23)及高溫段螺旋换热盘管(4)(见图3) 的外径化均为20mm，内径化为17mm，螺旋间距为1.5mm;盘管内侧含螺纹，外侧打磨，材质为 紫铜。反光式挡风板(见图4)的长h为200mm，厚度h3为20mm。软质传热层25厚度h2为15mm，槽 深hi为10mm，槽间距为1.5mm。钢质内壳3的宽度Cb为5mm;绝热真空层2的宽度Cb为20mm;玻璃 外壳1的厚度山为3mm;正六边形凸面镜厚度为1.0mm。
[0037] 光-热转换流程:参见图6,多碟式聚光器镜面反射率高达94%，腔口凸面镜材质为 透光率为95%的石英玻璃。当太阳光垂直照射到聚光器602中，大部分光线能透过该8字外 形腔式太阳能吸热器601的腔口凸面镜16,盘管外壁及软质传热层25接收太阳福射，同时将 太阳福射能转化为热能，自身溫度升高。低溫导热流体24水从低溫进料口 15进入到低溫段 螺旋换热盘管23,沿着盘管流动的同时接受来自于低溫段螺旋换热盘管23及软质传热层25 的热能，W对流传热的方式升溫至20(TC，由于盘管部分嵌入至软质传热层25,降低了因热 福射不均匀而引起热斑的可能性;经加热后的水从低溫出料口 14离开光-热转换装置进入 到热化学储能装置中。同时高溫导热流体5重油从高溫进料口 13进入到高溫段螺旋换热盘 管4,沿着盘管，W对流传热的方式升溫至40(TC，最终从高溫出料口 10进入到热化学储能装 置。
[0038] 太阳福射直接透过正六边形凸面镜9、玻璃外壳1及绝热真空层2,对钢质内壳3进 行加热;钢质内壳3的热能经软质传热层25分别传至高溫螺旋换热盘管4、低溫螺旋换热盘 管23,升溫后的螺旋换热盘管W对流传热的方式将热能分别传至高溫工质5、低溫工质流体 24，并最终使流体升溫，实现对流体的二次加热。
[0039] 实施效果分析
[0040] 本系统的实施可替代动力煤的应用，每年可节约煤用量1000~2000吨，按每吨煤 500元计，年节约运行成本50~100万元。与燃煤火力发电相比，本太阳能热发电系统每发电 1000 KWh，可向大气约减少排放1000 kg 0)2、8kgS〇2、化g NOx、50kg粉尘，对环境造成的影响 要远小于燃煤火力发电。经济效益与社会效益均相当可观。
[0041 ]方案2相关部件具体参数见表1。
[0042]表 1
[0043]
[0044] 本发明案例仅为说明本发明生产流程而列举的案例，不对本发明具体实施方法产 生限制，运里无法对本发明适合的案例情况进行详尽列举。凡在本发明的精神及原则上所 作的修改、等同替换等都属于本发明的保护范围之内。
【主权项】
1. 一种半嵌入式8字外形腔式太阳能吸热器，其特征在于所述的腔式吸热器包括光线 收集部分、低温加热部分、尚温加热部分及二次加热部分;二次加热部分为均勾镶嵌在玻璃 外壳（1)外表面的正六边形凸面镜(9);玻璃外壳（1)与钢质内壳(3)之间的间隔为绝热真空 层(2)，两者外形均为下端开口 8字形;钢质内壳(3)的内侧为带凹槽的软质传热层(25)，高 温段螺旋换热盘管(4)、低温段螺旋换热盘管(23)均以半嵌入的形式与软质传热层(25)相 连接；以腔体中部低温出料口（14)及高温进料口（13)所在平面为界限，以上至顶部的高温 出料口（10)为高温加热部分，以下至腔口为低温加热部分，腔口附近设置低温进料口（15); 低温加热部分与光线收集部分的反光式挡风板(19)在腔口处无缝连接。2. 根据权利要求1所述的一种半嵌入式8字外形腔式太阳能吸热器，其特征在于光线收 集部分包括腔口凸面镜（16)、反光式挡风板（19);圆台形反光式挡风板（19)在腔口处分别 与8字形玻璃外壳（1)及钢质内壳(3)无缝连接，并封闭了玻璃外壳（1)与钢质内壳(3)间的 间隙，形成绝热真空层(2);反光式挡风板(19)靠绝热真空层(2)的一侧涂红外涂层面（17)， 而靠开腔一侧为光滑外镜面（18)，能反射来自于聚光器的光线，并送至内腔;腔口凸面镜 (16)在腔口所在平面与反光式挡风板（19)无缝连接，从而形成了以8字外形的软质传热层 (25)为主体，反光式挡风板（19)、腔口凸面镜（16)作为封口的封闭内腔，其中腔口凸面镜 (16)与腔口的直径相等;利用腔口凸面镜（16)的聚焦及封闭作用;光滑外镜面（18)能将部 分即将逃逸的光线再次反射至内腔。3. 根据权利要求1所述的一种半嵌入式8字外形腔式太阳能吸热器，其特征在于低温加 热部分为8字的下半部分，其半径心为200~400mm;由真空抽气孔(8)、低温进料口（15)、低温 出料口（14)、低温段螺旋换热盘管（23)、低温导热流体（24)、软质传热层（25)、钢质内壳 (3)、玻璃外壳(1)、绝热真空层(2)、螺栓(22)、气孔(21)、密封橡胶圈（20)组成;其中腔口附 近的真空抽气孔(8)配有密封橡胶圈，用于连接抽真空机器;低温段螺旋换热盘管(23)为单 向盘管，盘管外径Φ 1为20~25mm，内径Φ 2为17~22mm，盘管之间间距1~2mm，且盘管内侧含螺 纹，外侧打磨成粗糙表面并涂有吸光材料;盘管部分嵌入软质传热层(25)，以使得管内工质 受热均匀，软质传热层(25)的厚度匕为15~20mm;低温导热流体(24)为水或其他低温工质； 软质传热层(25)上开槽，槽直径与换热盘管外径Φ i相当，槽深hi为换热盘管外半径，即Φ 1= 2h1;槽间距与换热盘管间距相等，确保盘管能嵌入槽中；位于软质传热层(25)外侧并与其 紧密相接的钢质内壳(3)厚度d 3为5~8mm;玻璃外壳（1)为高透光率的石英玻璃，透光率大于 〇 .95,厚度di为2~3mm，且外表面镶有正六边形凸面镜(9)，玻璃外壳（1)与钢质内壳(3)间的 间隔为绝热真空层(2)。4. 根据权利要求1所述的一种半嵌入式8字外形腔式太阳能吸热器，其特征在于高温加 热部分用于加热高温工质，为8字的上半部分，其半径R 2为200~400mm;包括高温进料口 (13)、高温出料口（10)、玻璃外壳（1)、绝热真空层(2)、钢质内壳(3)、软质传热层(25)、高温 段螺旋换热盘管(4)、高温导热流体(5)、螺栓(6)、气孔（11)、密封橡胶圈（12);其中高温段 螺旋换热盘管(4)为单向盘管，盘管外径Φ 1为20~25mm，内径Φ 2为17~22mm，盘管之间间距1~ 2mm，且盘管内侧含螺纹，外侧打磨成粗糙表面并涂有吸光材料，增强其吸光能力;盘管部分 嵌入软质传热层(25)，使得工质受热均匀，软质传热层(25)的厚度匕为15~20mm;高温导热 流体(5)为重油或其他高温工质；高温加热段中钢质内壳（3)、玻璃外壳（1)及软质传热层 (25)的相关参数、结构关系均与低温加热段相同；低温加热部分和高温加热部分组成腔体 的主要部分，两者有独立进出料口，可用于中高温太阳能热利用系统内对不同温度要求工 质的加热，实现不同温度传热流体的输送。5. 根据权利要求1所述的一种半嵌入式8字外形腔式太阳能吸热器，其特征在于太阳辐 射直接透过正六边形凸面镜(9)、玻璃外壳（1)、绝热真空层(2)，对钢质内壳(3)进行加热， 升温后的钢质内壳(3)以热传导的形式经软质传热层(25)分别向低温螺旋换热盘管(23)及 高温螺旋换热盘管(4)传热;低温螺旋换热盘管(23)及高温螺旋换热盘管(4)均以对流传热 的形式使盘管内低温工质（24)及高温工质（5)升温，从而实现对导热流体的二次加热;正六 边形凸面镜(9)材料为高透光率的石英玻璃，透光率大于0.95,厚度为0.8~1.5_，以镶嵌的 形式均勾分布于玻璃外壳(1)上。6. 根据权利要求1所述的一种半嵌入式8字外形腔式太阳能吸热器，其特征在于光线收 集部分的反光式挡风板（19)为无底圆台形;反光式挡风板（19)所对应的圆心角α为50~70°， 板长li为250~300mm，板厚h 3为20~30mm，其两侧分别为红外涂层面(17)、光滑外镜面（18);下 端开口的8字形玻璃外壳（1)位于外侧，相同形状的钢质内壳（3)位于内侧，反光式挡风板 (19)在开口处分别与两者无缝连接，形成密封绝热真空层(2)，绝热真空层(2)宽度山为20~ 40mm;多碟式聚光器的焦平面与腔口平面共面，张角β等于反光式挡风板（19)对应圆心角α 的1/2，即α=2β;腔口凸面镜（16)采用的是高透光率的耐高温石英玻璃，透光率大于0.95，直 径DiSSOCKBOOmm，凸面镜表面光滑。7. 根据权利要求1所述的一种半嵌入式8字外形腔式太阳能吸热器，其特征在于所述玻 璃外壳(1)、开槽内壳(3)均为下端开口的8字形;未装配时，腔体分为上中下三部分，相互独 立的三部分通过共8个螺栓装配而成，其中低温段加热部分的下螺栓(22)及高温段加热部 分上螺栓(6)分别4个，所有螺栓分别与相对应的螺孔及螺母配套，连接处分别安装带气孔 的密封橡胶圈;腔体开口所对应的圆心角与反光式挡风板(19)的圆心角α相等，腔口直径为 D2,且DfDMhs，确保反光式挡风板（19)能与腔口凸面镜（16)无缝连接。8. 权利要求1~7任一项所述的一种半嵌入式8字外形腔式太阳能吸热器的工作方法，其 特征在于太能辐射经多碟式聚光器上的反光镜反射，大部分太阳光透过高透光率的腔口凸 面镜（16)进入到内腔；进入内腔的太阳光经多次吸收、反射、折射后，最终被软质传热层 (25)及外表有吸光涂层的高温段螺旋换热盘管(4)及低温段螺旋换热盘管(23)吸收，使得 螺旋换热盘管升温，从而实现由太能辐射能到热能的转化；以对流传热的形式，热能分别从 温度较高的高温段螺旋换热盘管(4)、低温段螺旋换热盘管(23)传导至温度较低的高温工 质(5)及低温工质(24)，从而达到加热导热流体的目的；另一部分太阳辐射在未到达多碟式 聚光器前就直接透过正六边形凸面镜(9)、玻璃外壳（1)及绝热真空层（2)，对钢质内壳（3) 进行加热，升温后的钢质内壳(3)以热传导的形式经软质传热层(25)分别向高温段螺旋换 热盘管(4)及低温段螺旋换热盘管(23)传热;升温后的螺旋换热盘管与盘管内工质间以对 流传热的形式传热，从而实现对流体的二次加热，确保流体温度满足要求;其中低温加热段 出料口（14)流体温度以可达到150°0250°C，高温加热段出料口（10)流体温度^可达到400 。0500。。 。
【文档编号】F24J2/38GK105841363SQ201610287339
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2016年4月30日
【发明人】龙新峰, 廖珊珊, 唐永铨, 赖永鑫, 张丽桦
【申请人】华南理工大学