一种内腔形状可调的太阳能腔体热接收器

技术领域

本发明属于太阳能聚光热利用领域，涉及一种太阳能腔体热接收器，尤其是一种内腔形状可调的太阳能热接收器。

背景技术

太阳能是清洁环保和分布广泛的可再生能源，开发和利用太阳能进行高品位供热或热发电是实现人类可持续发展的重要途径之一。上述技术的实现通常是采用大面积反射镜面聚光器将低密度太阳光能聚集在一个小型腔体热接收器内，被接收器内的吸热体吸收，进而加热接收器中吸热体的流道中的传热工质，实现太阳光能到工质热能的转换，通过这些热工质可对外进行供热，或者再利用其驱动热机（蒸汽涡轮发动机或斯特林热机）做功带动发电机，从而产生电力。可以看到，不管是中高温供热还是高品位的太阳能热发电，太阳能热接收器始终是太阳能热利用领域的核心装置，为了减少光学损失和热损失，通常采用腔体结构形式的接收器，而且还会在接收器的光能接收口位置安装石英玻璃，进一步减少其对流热损失和辐射热损失。

当前，在高倍聚光太阳能热利用领域广泛使用金属盘管作为吸热体的热接收器，它是将金属管盘绕或弯折成一个腔体结构，例如圆柱形腔体接收器通常由金属铜管按螺旋状盘绕而成，再外侧包裹保温材料。这些太阳能腔体接收器在服役运行时，其内部的吸热体结构参数和几何形状是不可变动的，它对外界复杂变化的聚焦能流密度分布和服役工况无法很好适应，通常会出现高温烧蚀、烧穿管壁或局部高温导致流道内传热工质分解而热物性退化等问题。例如，在塔式聚光热发电中，由于太阳位置和太阳直射辐照强度（DNI）的时刻变化，聚光器（定日镜）聚集太阳光到固定几何腔体接收器表面的能流分布也时刻变化，可能产生高能密度区域而产生高温问题。又如，碟式/斯特林太阳能热发电系统，由于斯特林热机热利用量有上限，当DNI大于设计点DNI时，吸热体会由于换热不及时或换热量限制而导致温度过高，尤其是碟式系统中腔体接收器内吸热体表面的能流密度分布本来就非常不均匀，此时这些局部高能流峰值区域的温度会非常高可能烧穿吸热体的管壁，所以发明一种吸热体内腔几何结构可调节的太阳能腔体热接收器尤为重要，以适应太阳能聚光热利用系统服役运行及聚焦能流分布的复杂动态变化，实现安全、可靠和高效的光-热转换。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种结构简单、操作方便、安全可靠的内腔形状可调的太阳能腔体热接收器；它能根据服役工况参数调节接收器中吸热体所围内腔的几何形状，以适应太阳能聚光热利用系统服役运行及聚焦能流分布的复杂动态变化，实现太阳能热接收器的安全、可靠和高效的光-热转换。

本发明采用的技术方案是：一种内腔形状可调的太阳能腔体热接收器，包括支撑底板、固定在支撑底板上并与其构成空腔的保温筒体、安装在该空腔中吸收太阳光来加传热工质的吸热器、石英玻璃；保温筒体前端设有带圆孔的封板，该圆孔位置安装有石英玻璃，太阳光透过该石英玻璃后到达吸热器表面；所述支撑底板开有呈十字形布置的四条长形的导槽，各导槽内安装有滑块；滑块朝向石英玻璃的前表面设有凸起的圆柱销轴，滑块的后表面设有大于导槽尺寸的凸台，该凸台沿其滑动方向设有螺纹通孔；取同一直线方向运动的两个滑块通过丝杆与其螺纹孔配合进行串行连接，丝杆的一端与电动机的输出轴固定连接；所述吸热器由四块吸热体构成，依次通过各吸热体首尾侧的销筒与对应滑块的销轴进行铰接连接，围成一个用于接收太阳光的内腔结构；电动机由控制器根据气候站监测反馈的环境参数进行相应控制，驱动滑块并带动吸热体运动来调节吸热体所围内腔的几何形状。

上述的内腔形状可调的太阳能腔体热接收器中，所述吸热体由吸收太阳光并内部带有流道的吸光板、焊接在吸光板上不吸收太阳光的外表面的带储热工质的储热体和位于储热体外表面的保温体组成；该吸光板上吸收太阳光的内表面是曲面形状或平面形状，该内表面上涂覆有耐高温涂层，该涂层对太阳光吸收率大；该吸光板的两侧面各设有连接板，所述销筒固定在连接板的同端且沿高度方向错位设置；所述流道沿吸光板的高度方向呈蛇形折转的连通布置，传热工质从吸光板底部一侧的工质流入管流入，并从底部另一侧的工质流出管流出。

上述的内腔形状可调的太阳能腔体热接收器中，所述吸热器中的传热工质从某个吸热体的工质流入管流入，最终从与其相邻的吸热体的工质流出管进行流出，两者之间的各吸热体的工质流入管和工质流出管依次通过金属软管连通，形成一个完整的工质流动回路。

上述的内腔形状可调的太阳能腔体热接收器中，所述保温筒体前端封板的圆孔沿保温筒体的高度方向的投影形状在吸热体所围内腔的截面形状之内。

上述的内腔形状可调的太阳能腔体热接收器中，所述保温筒体与吸热体所夹环形间隙内填充有颗粒状的保温材料。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明将位于保温筒体内的吸热器划分成多块吸热体，并依次通过各吸热体首尾侧的销筒与对应滑块的销轴进行铰接连接，围成一个用于接收太阳光的内腔结构；并根据根据气候站监测反馈的环境参数控制电动机来驱动丝杆带动滑块使吸热体运动，以此来调节吸热体所围内腔的几何形状，能有效适应太阳能聚光热利用系统服役时聚焦能流分布复杂动态变化，而且调节吸热体内腔几何形状还可以起到减小其对流和辐射损失的有益效果，实现太阳能热接收器的安全、可靠和高效的光-热转换。

本发明的太阳能热接收器中吸热体的几何形状可动态变化，服役过程中可通过控制电动机的往复正反转使吸热器几何结构进行往复动态变化，可以实现吸热器表面的聚焦能量分布的动态均匀化，而且吸热器动态运动能提升其内部传热工质的湍流强度，可有效提升吸热器的光热转换效率。

本发明的太阳能热接收器中吸热器由模块化的吸热体铰接而成，使用过程中可就某块损坏的吸热体进行快速、方便且低成本的更换，该接收器具有模块化、低成本、方便维护的优点。而且，可以通过组合任意曲面形状的吸热体构成复合内腔几何形状的吸热器，以适应不同几何形状的太阳能聚光器聚集的太阳光能分布。

附图说明

图1为本发明的腔体热接收器的实施例1的结构示意图。

图2为图1拆除保温筒体后的后侧视图。

图3为图2的俯视图。

图4为本发明的腔体热接收器中吸光板的俯视图。

图5为图3中吸光板的轴测视图。

图6为本发明的腔体热接收器中吸热体的实施例2的俯视图。

图7为本发明的腔体热接收器中吸热体的实施例3的俯视图。

图中：1—保温筒体；2—支撑底板；201—导槽；3—滑块；4—丝杆；5—电动机；6—吸热器；601、602、603、604—换热体；7—销筒；8—储热体；9—保温体；10—连接板；11—流道；12—控制器；13—气候站；14—吸光板；15—平面吸热器；16—工质流入管；17—工质流出管。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

如图1-3所示，本发明包括支撑底板2、固定在支撑底板2上并与其构成空腔的保温筒体1、安装在该空腔中吸收太阳光来加传热工质的吸热器6、石英玻璃；保温筒体1的前端设有一个带圆形通孔的封板，该圆孔位置上安装有石英玻璃，聚光器聚集的太阳光就是透过该石英玻璃后到达吸热器表面并被其吸收；所述的支撑底板2上开设有呈十字形布置的四条长形的导槽201，各导槽201内安装在其导槽内滑动的滑块3；滑块3朝向石英玻璃一侧的前表面设有凸起的圆柱销轴，滑块3的后表面设有大于导槽尺寸的凸台，该凸台沿滑块3的滑动方向设有螺纹通孔，该凸台还可用于定位滑块3在接收器中的前后位置。任意取同一直线方向运动的两个滑块3通过丝杆4与其螺纹孔配合进行串行连接，既可以是水平位置的两个滑块3进行连接，也可以是竖直方向的两个滑块3，而丝杆4的一端与电动机5的输出轴固定连接。所述的吸热器6由四块吸热体（601，602，603，604）构成，依次通过各吸热体首尾侧的销筒与对应滑块3的销轴进行铰接连接，例如，第一个吸热体601的尾侧的销筒7与第二个吸热体602首侧的销筒7一起插入到同一个滑块3的销轴上进行铰接连接，从而围成一个用于接收太阳光的内腔结构，如图3所示。电动机5由控制器12根据气候站13监测反馈的环境参数进行相应控制，驱动滑块3并带动吸热体运动来调节吸热体所围内腔的几何形状，有效适应太阳能聚光热利用系统服役时聚焦能流分布复杂动态变化，实现太阳能热接收器的安全、可靠和高效的光-热转换。

如图4-5所示，所述的吸热体由吸收太阳光并内部带有流道11的吸光板14、焊接在吸光板14上不吸收太阳光的外表面的带储热工质的储热体8和位于储热体8外表面的保温体9组成；该吸光板14的沿高度方向的两侧面各设有连接板10，所述的两个销筒7分别固定在连接板10的同端且沿高度方向错位设置；所述流道11沿吸光板14的高度方向呈蛇形折转的连通布置（即从下向上，然后折转向下，如此反复多次折转连通），传热工质从吸光板底14部一侧的工质流入管16流入，并从底部另一侧的工质流出管17流出。

如图1、图3和图5所示，所述的吸热器6中的传热工质从某个吸热体的工质流入管16进行流入，最终从与其相邻的吸热体的工质流出管17进行流出，两者之间的各吸热体的工质流入管16和工质流出管17依次通过金属软管连通，形成一个完整的工质流动回路。例如，如图3中工质可以是从第一个吸热体601的工质流入管16进行流入，然后其工质流出管17与第四个吸热体604的工质流入管16通过金属软管进行连通，按照顺时针方向依次进行连通，最终工质从第二个吸热体602的工质流出管17进行流出。

如图3所示，所述的保温筒体1与吸热器6所夹环形间隙内填充有保温材料，可以是颗粒状的保温材料，也可以是弹性比较好的保温体材料，从而实现吸热体几何结构调节时不会对其造成过大的阻力，而且能贴合其不同的几何形状，达到有效的隔热效果。

如图1所示，所述的保温筒体1的前端封板的圆孔沿保温筒体1的高度方向的投影形状要在吸热体所围内腔的截面形状之内，从而实现聚光器聚集的太阳光透过该圆孔后到达吸热体所围成的内腔中并被相应表面吸收。

如图3、图6和图7所示，所示的吸光板14中吸收太阳光的内表面可以是曲面形状或平面形状，而且该内表面上涂覆有耐高温涂层，该涂层对太阳光吸收率大。例如，可以采用圆柱形曲面的吸光板14，并且是圆柱曲面的凹面相对围成内腔结构，如图3所示；或采用圆柱曲面的凸面相对围成内腔结构，如图6所示；或采用平面形状的吸光板14，从而铰链围成一个截面为四边形的吸热器6，如图7所示。