[發明專利]一種太陽能聚光集熱器及其設計方法

有效

• 申請號: 201310162862.X
• 申請日: 2013-05-06
• 公開（公告）號: CN103256724A
• 公開（公告）日: 2013-08-21
• 發明（設計）人: 何雅玲;王坤;李明佳;程澤東;崔福慶;鄭章靖
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: F24J2/10
• 分類號: F24J2/10;F24J2/24
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司 61200
• 代理人: 蔡和平

技術領域

本發明屬于太陽能熱利用技術領域，具體涉及一種能夠在吸熱管表面獲得較為均勻的太陽能流密度分布、提高安全性能的帶有均光反射鏡的槽式太陽能聚光集熱器及其設計方法。

背景技術

槽式太陽能熱發電技術是目前最為成熟的太陽能熱發電技術，主要采用導熱油、水/水蒸氣作為傳熱工質。無論采用哪種傳熱工質，由于傳統聚光系統將太陽輻射能聚焦到吸熱管底部，吸熱管表面的太陽能流密度分布極為不均。由于吸熱管壁導熱系數、吸熱管壁與傳熱流體的對流換熱系數均有限，不均勻的太陽能流密度分布將導致吸熱管壁面形成較大的溫度梯度。這給集熱系統的高效、安全運行帶來嚴峻的挑戰，主要存在以下幾方面問題：（1）吸熱管壁溫度梯度大，將產生較大的熱應力，使吸熱管彎曲變形，偏離拋物面聚光器焦線位置，增大光學損失，變形過大，將使高溫吸熱管觸碰玻璃套管，造成玻璃套管破碎，真空失效，熱損失增大；（2）局部溫度過高，吸熱管表面吸收涂層的發射率將隨之增大，甚至發生降解脫落，一方面會造成熱損失增大，另一方面限制了集熱管的最高使用溫度；（3）太陽能流集中在吸熱管表面底部，不能使吸熱管壁面得到充分利用，降低了吸熱管表面可接受的太陽輻射能總量。

目前針對吸熱管外部太陽能流密度不均所帶來的弊端，國內外學者已經提出了一些解決方法。例如，Y.Aldali與T.Muneer等提出在吸熱管內部布置螺旋翅片，以強化傳熱工質與吸熱管壁的對流換熱，降低吸熱管壁溫度梯度。何雅玲等提出一種單側多縱向渦強化換熱的聚焦槽式太陽能吸熱器（何雅玲，程澤東，陶文銓等.一種單側多縱向渦強化換熱的聚焦槽式太陽能吸熱器），能夠高效低阻地強化傳熱工質與吸熱管壁的對流換熱，降低吸熱管壁溫差。V.Flores等提出采用銅-鋼復合吸熱管，提高吸熱管壁的導熱系數可減低管壁溫度梯度，緩解DSG技術中吸熱管彎曲的現象。以上技術通過提高傳熱工質與吸熱管壁的對流換熱系數或者吸熱管壁的導熱系數來降低吸熱管壁溫度梯度，可在一定程度上緩解不均勻能流分布帶來的弊端，但不能完全解決。因此我們希望設計一種能夠在吸熱管表面獲得較為均勻的能流密度分布的聚光集熱器，從根源上避免不均勻能流密度分布所帶來的一系列的弊端。

發明內容

本發明的目的在于克服上述現有技術中的問題，提供一種能夠避免吸熱管表面太陽能流密度分布不均所引起的吸熱管壁面溫度梯度大、吸熱管壁局部溫度過高、吸熱管彎曲變形等問題的帶有均光反射鏡的太陽能聚光集熱器及其設計方法，該聚光集熱器能夠在吸熱管表面獲得較為均勻的太陽能流密度分布。

為達到上述目的，本發明的所采用的技術方案為：

一種太陽能聚光集熱器的設計方法，包括以下步驟：

1）設置拋物面主反射鏡，以拋物面主反射鏡橫截面的焦點O為坐標原點，以拋物面主反射鏡橫截面的對稱軸為Y軸，以過原點與Y軸垂直的直線為X軸，構建二維X-Y直角坐標系；

2）在拋物面主反射鏡橫截面的對稱軸上，且在拋物面主反射鏡焦線內側安裝真空集熱管；

3）在拋物面主反射鏡的焦線外側安裝均光反射鏡，均光反射鏡與拋物面主反射鏡的開口相對設置。

上述步驟2）中，真空集熱管由吸熱管和套在吸熱管外面的玻璃套管組成。

上述的吸熱管設置在拋物面主反射鏡焦線下方的對稱軸上，以使得一部分光線經過拋物面主反射鏡后直接反射到吸熱管底部，另一部分光線通過均光反射鏡第二次反射后照射在吸熱管的頂部。

上述吸熱管安裝位置的確定方法如下：

首先選定拋物面主反射鏡上的C₁（X_C1，Y_C1）和C₂（X_C2，Y_C2）點，其中C₁和C₂點關于拋物面主反射鏡的對稱軸對稱，拋物面主反射鏡上的邊緣點分別為E和F；拋物面主反射鏡上C₁C₂部分的反射光線直接打在吸熱管底部，EC₁和FC₂部分的反射光線則到達均光反射鏡，經再次反射后打到吸熱管頂部；在該二維X-Y直角坐標系下，拋物面主反射鏡在X-Y平面內的曲線方程為：