CN201575612U - 一种外石英阵列太阳能光热转化器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供了一种适合于不同的温度的阵列的太阳能光热转化器，特别是实现太阳能的中高温的阵列光热转换器件，以及应用于槽式、塔式以及蝶式的太阳能光热转化器件；至少包括多个石英吸热器件组成一个阵列，每一个石英吸热器件至少包括一个石英器件、在石英器件内部设置有一个换热器件，在换热器件外表或石英器件内壁设置有太阳能涂层，将太阳能转换为热能，吸热器件将热能传递和/或交换到外部，实现太阳能的光热转化及热能最终的利用。在吸热器件上，特别是采用热管技术进行换热技术将热能进行吸收利用，特别是对太阳能的中高温的应用。采用此种技术方法可以实现对太阳能的大规模的综合利用，利用各种热管技术以及流体换热技术将吸收后的热能进行利用，特别是采用热管技术对高热流密度的热量进行转换利用，从而实现了对太阳能的中高温度的利用。
Description
技术领域
本实用新型涉及太阳能的热利用，将太阳能转化为热能的器件，涉及利用太阳能进行供暖、热水、烹饪、发电、制冷、干燥，特别是太阳能的中高温度的利用。
背景技术
太阳能成熟的应用技术为太阳能的低温热水利用，主要采用真空玻璃管技术将太阳能转化为热能，在此种技术上，有采用将热管插入到真空玻璃管内部将热量传递到外部获得太阳能的技术，以及在真空玻璃基础上进一步的完善而开发的各种器件，其中真空玻璃管中设置有真空层进行保温，在真空层的内部设置选择性涂层对太阳能进行吸收转化，虽然真空玻璃层很好的实现了保温，选择性涂层很好的实现了太阳能的转化，但是，其转化后的热能利用起来很不经济，如采用现有的方法将水直接流入到真空玻璃管内部直接进行换热，但到了冬季就无法使用，虽然采用热管技术在冬季实现了传热，但增加了成本、降低了热能的利用率，目前这种技术应用于低温的热水应用，而无法实现太阳能的中高温的应用，如太阳能热电的应用；
现有的对太阳能的中高温度利用的太阳灶，主要采用反射板对太阳光进行反射，将太阳能直接聚焦到一个灶具上，实现对太阳能的利用，此种技术很好的达到了太阳能的中高温收集，但其热能接受方式单一，仅是采用直接在其上面放置简单的灶具，而无法进行大规模的采集和利用；同时也无法实现对太阳能进行收集以便于夜间及阴雨天应用；
现有的技术太阳能中高温的发电技术，主要是采用塔式、槽式、及蝶式，槽式太阳能是已经商业化的太阳能光热转换器件，主要采用外不为玻璃管，内部为不锈钢金属管，内部抽真空，实现太阳能的采集；但是该种吸收器价格高，只有少数的企业可以掌握其生产技术；同时蝶式太阳能与塔式太阳能应用的主要技术难题也在于光热转化太阳能转换器件，特别是塔式太阳能，主要由于光热转换器需要在600-1500度的区间进行工作，由于高温所采用的金属器件无法长时稳定的工作，因而塔式的太阳能电站就无法长期的进行工作，因而需要对高温的太阳能光热转换器件改进。
石英玻璃的光学性能有其独到之处，它既可以透过紫外光谱，是所有透紫外材料最优者，又可透过可见光和近红外光谱。用户可以根据需要，从185-3500mu波段范围内任意选择所需品种。由于石英玻璃耐高温，热膨胀系数极小，化学热稳定性好，气泡、条纹、均匀性、双折射又可与一般光学玻璃媲美，所以它是在各种亚劣场合下工作具有高稳定度光学系统的必不可少的光学材料。石英玻璃的热膨胀系数小，为5.5×10-7/℃，只有普通玻璃的1/12-1/20。部标准规定将试样的灼烧到1200℃后急速投到冷水中，反复三次以上不允许炸裂，石英玻璃加入适量钛元素后还可做成零膨胀系数的材料，由于石英器件的众多的优势，将石英器件应用于太阳能利用，特别是中高温的太阳能光热转化，将是解决中高温太阳能采集的可行的技术方法。
随着太阳能镜技术的发展，可以采用普通的光学镜或菲涅尔光学镜对太阳能进行收集，但是，有太阳能镜技术将太阳能进行收集后，将产生很高的热流密度，采用普通的传热材料进行转换将无法实现高热流密度的热能的传递，因此，需要一种新型的技术将太阳能进行热能的转换利用，特别是太阳能的中高温度的光热转换，来实现对太阳能的中高温的应用。
发明内容
本实用新型的目的是提供一种适合于不同的温度的阵列的太阳能光热转化器，特别是实现太阳能的中高温的阵列光热转换器件，将石英器件应用于转化器中，使本实用新型的转化器适合于不同的温度的太阳能光热利用，特别是实现太阳能的中高温的光热转换器件，应用于槽式、塔式以及蝶式的太阳能光热转化器件，解决了现有转换器的稳定性差、成本高、结构复杂、适用范围小特别是难以在中高温中稳定的长时间的进行光热转换的问题。
本实用新型充分的利用石英器件的物理化学性能实现太阳能的采集，为太阳能的利用提供一种新的技术手段和方法。采用此种技术方法可以实现对太阳能的大规模的综合利用，利用各种热管技术以及流体换热技术将吸收后的热能进行利用，特别是采用热管技术对高热流密度的热量进行转换利用，从而实现了对太阳能的中高温度的利用。
具体发明内容如下：
一种外石英太阳能光热转化器，至少包括多个石英吸热器件组成一个阵列，每一个石英吸热器件至少包括一个石英器件、在石英器件内部设置有一个换热器件，在换热器件外表或石英器件内壁设置有太阳能涂层，将太阳能转换为热能，吸热器件将热能传递和/或交换到外部，实现太阳能的光热转化及热能最终的利用；充分的利用石英器件的物理化学性能实现太阳能的采集，将为太阳能的利用提供一种新的技术手段和方法。
本实用新型的石英吸热器件可以设置为多种形式，其基本形式可以为下列几种：
石英吸热器件可以设置为含有一个开口的石英部件，其一端为盲管，另一端开口，其内部插入金属管，金属管为盲管或设置有进口和出口的金属管，流体从金属管的盲管或从金属管的进口和出口流出，在部件的中间的部位壳体的内部或外部设置有太阳能涂层，或者石英器件是透明的石英器件，在内部插入的金属器件的外表面设置有太阳能涂层；
石英吸热器件可以设置为至少含有一个进口(5)和一个出口(6)的石英部件；在其内部插入一个金属器件，金属器件设置有一个进口和一个出口，金属器件设置在石英器件内部并与石英部件进行紧密连接，在石英部件的进口与出口之间设置有太阳能涂层；一种流体(14)通过进口进入，达到出口后流出，流体与部件中太阳能转化的热能进行热交换；
石英吸热器件可以设置为含有一个开口的石英部件，其一端为盲管，另一端开口，其内部插入热管，热管的蒸发端设置在石英管的内部，冷凝端设置在石英管的外部，热管与石英管紧密连接，流体从热管冷凝端进行换热，在石英部件的中间的部位壳体的内部或外部设置有太阳能涂层，或者石英器件是透明的石英器件，在热管蒸发端的外表面设置有太阳能涂层；
石英吸热器件还可以设置为至少含有一个进口(5)和一个出口(6)的石英部件；在其内部插入一个热管，热管的蒸发端设置在石英管的内部，热管的冷凝端设置石英管的外部，在石英部件的进口与出口之间设置有太阳能涂层在石英部件的进口与出口之间设置有太阳能涂层；一种流体(14)通过进口进入，达到出口后流出，流体与部件中太阳能转化的热能进行热交换。
根据需要可以将上述的石英吸热器件进行多种组合使用，将多个石英吸热器件进行组合后而成为石英吸热器件阵列，通常可以通过串联、并联、或串并联组成一个阵列，以适合于50-1300度的非跟踪、槽式、蝶式、塔式的各种应用；所述的流体为液体、气体、固液混合物、气液混合物、气液固混合物中的一种或多种。
任何种类的结构，只要符合换热的要求，都可以用于进行换热，通常换热部件的热管为至少下列一种热管：
A、普通热管；
B、整体热管；
C、分离式循环热管；
D、可连接热管；
F、脉冲热管。
由于石英管的热膨胀系数比玻璃小，因而可以采用各种低成本的连接方式，针对不同的温度区间，可以采用不同的连接方式，换热器见与石英器件的连接方式采用下列一种：
A、过度材料连接，包括可伐合金连接、金属或陶瓷的过度材料；
B、内或外波纹管连接；
C、非金属软连接，包括采用橡胶胶圈、密封垫、硅胶圈、软木塞。
对于低温的太阳能涂层，可以采用真空密闭，对于高温的太阳能涂层，可以采用非真空或半真空的密闭，因而针对不同的应用温度，可以采用适合的封闭方式，通常石英器件与换热器构成下列器件之一：
A、真空器件；通过抽真空或加热排气使得石英器件与换热器件构成一个密闭腔体，内部可以保持真空度。
B、非真空期间；石英器件与换热器件非真空密闭，气体可以进入或排出；
C、半真空期间；石英器件与换热器件构成一个密闭腔体，但是不是采用真空密闭，随着使用内部的真空度将逐渐降低。
太阳能涂层选择下列至少一种或其组合：
A、金属及金属氧化物，包括；银、铜、三氧化二铝；
B、聚合物；
C、纳米材料；包括氧化锌纳米，
D、粘接剂；
F、微粒。
在石英吸热器件的外部，还可以设置有一个腔体，腔体将多个吸热器件完全容纳，并与吸热期间构成为一个可以封闭连接的器件，在腔体上设置有一个可以使太阳光射入到腔体内部的太阳能镜，太阳光射入到腔体内部的吸热器件的太阳能涂层上。
当没有设置腔体时，在石英吸热器件的外部设置有太阳能镜；当设置有腔体时，在石英器件外部、石英器件与换热器件之间或/和在石英器件的外部设置有太阳能镜。在石英器件外部采用投射的各种太阳能镜将太阳光射入到腔体的内部，优选采用菲涅尔透镜；石英器件与换热器件之间的器件，优选采用反射或折射的太阳镜，将进入到腔体的太阳光聚焦到换热器件上；对于在石英器件的外部可以设置反射或透射镜，实现聚焦或者二次聚焦，即首先采用一种太阳能镜进行聚焦，如果需要再进行二次聚焦或多次聚焦，直到复合设计要求；对于高温的太阳能利用，辐射换热将成为关键换热，因而需要增加反辐射的太阳能镜，如可以采用低价的锡箔实现反辐射换热；无论采用哪种方式，只要可以将太阳光进行透射、反射、折射后聚焦于换热器上，都是可以采用的方法，通常太阳能镜选自下列一种：
A、复合抛物面反射镜；
B、菲尼尔镜(10)，包括或反射镜；
C、凹、凸(11)透镜；
D、盘式抛物面反射镜(12)；
E、柱、槽(13)状抛物面反射镜；
F、平面反射镜；
G、对热辐射进行反射的材料，包括锡箔。
在石英器件或换热器件的太阳光不能照射到的部位上还是设置有保温材料，以便于减少热损，根据不同的应用温度，可以采用不同的保温方式，对于高温应用，首先需要石棉、纤维、水泥等实现高温的保温，然后还需要低温的聚氨酯、聚苯材料等保温材料，通常可以采用至少选择下列一种或多种的组合材料：
A、含有真空层(1)的金属或非金属材料；
B、石棉、纤维保温材料；
C、保温水泥；
D、聚氨酯、聚苯材料、塑料、尼龙保温材料；
E、保温涂料。
为了增加换热器件对太阳能吸收的效率，换热器件的太阳光照射的部位设置有增加换热能力的器件，优选为翅片，在翅片上，还设置有太阳能涂层。
可以采用任何形状实现本实用新型的目的，但是石英器件及换热部件的形状通常可以为圆柱、球形、椭圆形、多面体、扇形、带有凹或凸孔的多面体的一种或多种，圆柱的器件适合于线聚焦的太阳能采集，如石英管、或内外部都是石英管的器件，球形、椭圆形、多面体、扇形；以及带有凹或凸孔的圆柱、球形、椭圆形、多面体、扇形适合于蝶式及塔式太阳能的采集及利用，可以根据不同的太阳采集，采用不同的形状；带有凹或凸孔的圆柱用于增加太阳能的利用效率。
附图说明
图一：石英并联太阳能光热转化器
图二：石英盲管并联太阳能光热转化器
图三：三个并联石英光热转化器
图四：并联半圆形光热转化器
附图中标记的具体含义如下：
1：石英器件，2：吸热器件，3：太阳能涂层，4：连接方式，5：流体进口，6：流体出口，7：腔体，8：太阳能透镜，9：太阳能反射镜，10：保温材料。
具体实施方式
实施例一：石英并联太阳能光热转化器
按照图1所示，外部为石英管(2)，内部的换热器(1)是三个相互并联的石英管组成的太阳能光热转化器，多个金属管的进口利用一个管道进行连接为一个进口，三个金属管的出口相互连接成为一个出口；在内金属管上设置有太阳能涂层(3)，内石英管与外石英管通过连接结构(4)进行连接，内金属管内一端为进口(5)，另一端为出口(6)；对以低温100度以下的热水应用，可以采用低温太阳能涂层，可以采用真空连接；流体为水；对于100-400度的中温应用，采用中温的太阳能涂层，其内外管的而连接方式，采用半真空的连接，流体为导热油；对于400度以上的高温应用，采用高温的太阳能涂层，采用非真空密闭，流体为空气；对于低温的应用，可以采用非跟踪的太阳能采集，对于中温的应用，可以采用槽式线聚焦的太阳能采集，对于高温的应用，可以采用蝶式或塔式的太阳能跟踪技术；这样对于任何需要的工作温度，都可以采用石英管实现太阳能的采集和利用。
实施例二：石英盲管并联太阳能光热转化器
按照图2所示，外部为石英管(2)，内部的换热器(1)是由三个金属管组成的太阳能光热转化器，在内部的金属管上(1)设置有太阳能涂层(3)，内金属管与外石英管通过连接结构(4)进行连接，三个金属管进行串联；对以低温100度以下的热水应用，可以采用低温太阳能涂层，可以采用真空连接；流体为水；对于100-400度的中温应用，采用中温的太阳能涂层，其内外管的而连接方式，采用半真空的连接，流体为导热油；对于400度以上的高温应用，采用高温的太阳能涂层，采用非真空密闭，流体为水，这样可以实现高压高温的蒸汽供应，实现高效的太阳能发电及利用；对于低温的应用，可以采用非跟踪的太阳能采集，对于中温的应用，可以采用槽式线聚焦的太阳能采集，对于高温的应用，可以采用蝶式或塔式的太阳能跟踪技术；这样对于任何需要的工作温度，都可以外石英盲管内金属管太阳能光热转化器实现太阳能的采集和利用。
实施例三：三个并联石英光热转化器
按照图3所示，外部为六边形石英管器件(2)，在石英器件的太阳光入射部位设置有太阳能透镜(8)，内部的换热器(1)是不锈钢的圆柱体热管，在内部的热管的蒸发端上(1)设置有太阳能涂层(3)，热管的冷凝端设置在另外一个箱体内，另外的箱体内设置有进口(5)和出口(6)，可以利用流体进行换热；对于低温100度以下的热水应用，可以采用低温太阳能涂层，连接方式可以采用非真空连接，流体为水；对于100-400度的中温应用，采用中温的太阳能涂层，其内外管的而连接方式，采用半真空的连接，流体为化学盐类物质；对于400度以上的高温应用，采用高温的太阳能涂层，采用非真空密闭，流体为高温化学盐，这样可以实现高压高温的蒸汽供应，实现高效的太阳能发电及利用；对于低温的应用，可以采用非跟踪的太阳能采集，对于中温的应用，可以采用槽式线聚焦的太阳能采集，对于高温的应用，可以采用蝶式或塔式的太阳能跟踪技术；这样对于任何需要的工作温度，都可以采用三个并联石英光热转化器实现太阳能的采集和利用。
实施例四：半圆形光热转化器
按照图4所示为截面侧视图，外部石英管器件为一个半圆形的柱体(2)，石英器件设置在一个更大的金属半圆形器件的内部，在金属半圆器件上设置有太阳能透镜(8)，可以使太阳能光入射到腔体内(7)，在腔体内部与石英器件外部设置有太阳能反射镜(9)，采用锡箔实现对辐射的反射，特别是是实现高温的太阳能采集时，需要针对辐射换热进行特别的反射处理；在石英器件的太阳光不能照射的部位设置有保温材料(10)，内部的换热器(1)是三个热管组件，在两侧的热管为流体的进口(5)和出口(6)，在热管上(1)设置有太阳能涂层(3)，内热管器件与外石英管通过连接结构(4)进行连接，内热管设置在石英器件的内部，流体从进口进入，从出口流出；对于低温100度以下的热水应用，可以采用低温太阳能涂层，连接方式可以采用非真空连接，流体为水；对于100-400度的中温应用，采用中温的太阳能涂层，其内外管的而连接方式，采用半真空的连接，流体为化学盐类物质；对于400度以上的高温应用，采用高温的太阳能涂层，采用非真空密闭，流体为水，这样可以实现高压高温的蒸汽供应，实现高效的太阳能发电及利用；对于低温的应用，可以采用非跟踪的太阳能采集，对于中温的应用，可以采用槽式线聚焦的太阳能采集，对于高温的应用，可以采用蝶式或塔式的太阳能跟踪技术；本结构特别适合于塔式及蝶式的太阳能采集，对于高温的太阳能利用更具备高效率和低成本；这样对于任何需要的工作温度，都可以采用六边形光热转化器实现太阳能的采集和利用。
Claims (10)
1.一种外石英阵列太阳能光热转化器，其特征是：至少包括多个石英吸热器件组成一个阵列，每一个石英吸热器件至少包括一个石英器件、在石英器件内部设置有一个换热器件，在换热器件外表或石英器件内壁设置有将太阳能转换为热能的太阳能涂层，石英吸热器件将热能传递和/或交换到外部，实现太阳能的光热转化及热能最终的利用。
2.根据权利要求1所述的石英阵列太阳能光热转化器，其特征是：石英吸热器件至少由下列一种组成：
A、含有一个开口的石英部件，其一端为盲管，另一端开口，其内部插入金属管，金属管为盲管或设置有进口和出口的金属管，流体从金属管的盲管或从金属管的进口和出口流出，在部件的中间部位壳体的内部或外部设置有太阳能涂层，或者石英器件是透明的石英器件，在内部插入的金属器件的外表面设置有太阳能涂层；
B、至少含有一个进口和一个出口的石英部件；在其内部插入一个金属器件，金属器件设置有一个进口和一个出口，金属器件设置在石英器件内部并与石英部件进行紧密连接，在石英部件的进口与出口之间设置有太阳能涂层；一种流体通过进口进入，达到出口后流出，流体与部件中太阳能转化的热能进行热交换；
C、含有一个开口的石英部件，其一端为盲管，另一端开口，其内部插入热管，热管的蒸发端设置在石英管的内部，冷凝端设置在石英管的外部，热管与石英管紧密连接，流体从热管冷凝端进行换热，在石英部件的中间的部位壳体的内部或外部设置有太阳能涂层，或者石英器件是透明的石英器件，在热管蒸发端的外表面设置有太阳能涂层；
D、至少含有一个进口和一个出口的石英部件；在其内部插入一个热管，热管的蒸发端设置在石英管的内部，热管的冷凝端设置石英管的外部，在石英部件的进口与出口之间设置有太阳能涂层在石英部件的进口与出口之间设置有太阳能涂层；一种流体通过进口进入，达到出口后流出，流体与部件中太阳能转化的热能进行热交换。
3.根据权利要求1、2所述的任一石英阵列太阳能光热转化器，其特征是：所述的多个石英吸热器件通过串联、并联、或串并联组成一个阵列，适合于50-1300度的应用；所述的流体为液体、气体、固液混合物、气液混合物、气液固混合物中的一种或多种。
4.根据权利要求1所述的石英阵列太阳能光热转化器，其特征是：太阳能涂层选择下列至少一种或其组合：
A、金属及金属氧化物；
B、聚合物；
C、纳米材料；
D、粘接剂；
F、微粒。
5.根据权利要求1所述的石英阵列太阳能光热转化器，其特征是：在石英吸热器件的外部，还设置有一个腔体，腔体将多个石英吸热器件完全容纳，并与石英吸热器件构成为一个可以封闭连接的器件，在腔体上设置有一个可以使太阳光射入到腔体内部的太阳能镜，太阳光射入到腔体内部的石英吸热器件的太阳能涂层上。
6.根据权利要求5所述的石英阵列太阳能光热转化器，其特征是：石英吸热器件与腔体的连接方式采用下列一种：
A、过度材料连接，包括金属或陶瓷的过度材料；
B、内或外波纹管连接；
C、非金属软连接，包括采用橡胶胶圈、密封垫、硅胶圈、软木塞。
7.根据权利要求5所述的石英阵列太阳能光热转化器，其特征是：所述腔体与石英吸热器件构成下列器件之一：
A、真空器件：通过抽真空或加热排气使得石英器件与吸热器件构成一个密闭腔体，内部可以保持真空度。
B、非真空器件：石英器件与吸热器件非真空密闭，气体可以进入或排出；
C、半真空器件：石英器件与吸热器件构成一个密闭腔体，但是不是采用真空密闭，随着使用内部的真空度将逐渐降低。
8.根据权利要求1、5所述的任一石英阵列太阳能光热转化器，其特征是：在石英吸热器件的外部或者在腔体上、腔体与吸热器件之间或/和在其腔体外部设置有太阳能镜，将太阳光进行反射、投射、折射后聚焦于石英吸热器件上，太阳能镜选自下列一种：
A、复合抛物面反射镜；
B、菲尼尔镜(10)；
C、凹、凸(11)透镜；
D、盘式抛物面反射镜(12)；
E、柱、槽(13)状抛物面反射镜；
F、平面反射镜；
G、对辐射进行反射的材料。
9.根据权利要求1所述的石英阵列太阳能光热转化器，其特征是：腔体或/和石英吸热器件的太阳光不能照射到的部位上还是设置有保温材料，为至少选择下列一种或多种的组合材料：
A、含有真空层(1)的金属或非金属材料；
B、石棉、纤维保温材料；
C、保温水泥；
D、聚氨酯、聚苯材料、塑料、尼龙保温材料；
E、保温涂料。
10.根据权利要求1所述的石英阵列太阳能光热转化器，其特征是：石英吸热器件优选采用石英，石英吸热器件的腔体为圆柱、球形、椭圆形、多面体、扇形、以及带有凹或凸孔的圆柱、球形、椭圆形、多面体、扇形的一种或多种。
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| CN2009203027462U CN201575612U (zh) | 2009-04-30 | 2009-04-30 | 一种外石英阵列太阳能光热转化器 |
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|---|---|---|---|---|
| CN101876493A (zh) * | 2009-04-30 | 2010-11-03 | 北京智慧剑科技发展有限责任公司 | 一种外石英阵列太阳能光热转化器及方法 |
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2009
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