大型、高效、相對低成本槽式太陽能鍋爐系統的製作方法

2023-07-03 04:22:31 1

專利名稱：大型、高效、相對低成本槽式太陽能鍋爐系統的製作方法
技術領域：
光學、熱學、傳熱學、材料學、機械動力學、天文學、數學
背景技術：
目前世界範圍內槽式集熱技術的發展主要應用在槽式太陽能集熱和槽式太陽能發電。雖然相對 其他太陽能集熱方式成本較低，但成本依然在2000-5000元人民幣/每平方。聚光倍率一般在 30-80，太陽能的熱轉化效率在20-40%。

發明內容
通過對槽式集熱系統每一個關鍵環節的改進，比如通過增大開口面、提高聚光比、鏡面單一 式正槽改為正槽斜槽梯度複合、框架拋物面線性結構與分體鏡面結合、真空管吸收改為腔體吸 收等通用技術改革。再加上支撐結構"落地"技術減少整槽轉動成本、變通性防風牆技術減少 大型拋物面的機械負荷。及在槽式拋物鏡面變成圓弧與微分拋物鏡面複合的同時槽式一維跟蹤 改為單焦軸的跟蹤。使太陽能槽式成本降至1000元人民幣/每平方以下或者"更低"，聚光倍 率升至150-2000，太陽能熱轉化率升至50%以上或"更高"，使太陽能作為"新能源"大面積 應用取代傳統能源成為可能。


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圖1為開口直徑8米，焦距2米(2000mm),拋物線方程為x平方-8000y的拋物線縮小圖。 圖2為圖1所示的拋物線組成的大型槽外觀示意圖，主要顯示其框架結構。
圖3為大型槽的軸轉動系統顯示。其中l為塊狀反射鏡面，2為中心軸支撐架，3為腔體吸收部 件即"焦線"，4為吸收部件的支撐機構。
圖4為"斜槽"示意圖，東西放置時則拋物線向西傾斜，放在正槽的東部。
圖5為"正槽"示意圖，拋物線垂直於水平面，正、斜槽梯度複合時放在中部。
圖6為"斜槽"示意圖，東西放置時則拋物線向東傾斜，放在正槽的西部。
圖7為簡易腔體吸收部件橫切面圖，其中1為紅外線反射面，2為真空層或者有其他材料組成的 保溫層，3為水及油等工質，4為鋸齒狀光吸收面，可鍍選擇性塗層。圖8為改進型，其"腔體"特點更加突出，其中l為紅外線反射面，2為真空層或者有其他材料 組成的保溫層，3為水及油等工質，4為鋸齒狀光吸收面，可鍍選擇性塗層。
圖9為玻璃透光真空型"腔體"。其中1為紅外線反射面，2為真空層或者有其他材料組成的保溫 層，3為水及油等工質，4為鋸齒狀光吸收面，可鍍選擇性塗層。5為真空層，6為高透光耐高溫遠紅外反 射玻璃。
圖10為圖9結構翻版，外型一樣，但水及油等工質放在了吸收層下邊、玻璃層上邊，具體為 l和7為紅外線反射面，2和5為真空層或者有其他材料組成的保溫層，3為水及油等工質，4為鋸齒狀光 吸收面，可鍍選擇性塗層。6為高透光耐高溫遠紅外反射玻璃。
圖ll為改進後的光吸收面。
圖12為圓弧與拋物鏡面複合槽的橫切面。其中1為太陽直射光線，2為圓弧圓心及各微分拋物線 的焦點，3為微分拋物鏡面，4為圓弧面。S0、 Sl、 S2、 S3、 S4、 S5、 S6、 S7、 S8為微分拋物線示意圖。
圖13為變通性防風牆技術及轉動軸落地技術示意圖。l為轉動軸，2為轉動軸的固定槽，3為支 撐支架，4為同步千金頂，5為變通性防風牆的支撐結構示意圖，6為變通性防風牆的弧形擋風板，7為槽 型拋物面，8為直射太陽光線。
具體實施模式
目前槽式拋物面聚光應用效率低的原因聚光倍率低類似於低溫類應用，在低溫應用中要求光吸收 部件比如真空管的光吸收效率高紅外線發射頻率低，但在實際上玻璃的透光技術中做不到對可見光和近紅外的高度吸收及對遠紅外的反射，所以大量的熱量以遠紅外輻射的形式透過真空管的玻璃散發到集熱器以 外，造成真空管吸收的"熱效"低下。
對於目前存在的問題，可以通過另一種途徑去解決，比如太陽灶及塔式發電在聚光倍率高到200以 上時，熱效率通常超過50%。即通過大型槽、高聚光比去解決槽式"效率"和成本的問題。
點聚焦式的太陽灶聚光倍率在200-2000之間，用普通的鋁製燒水壺作為熱吸收體效率高時可達70%， 但聚光倍率超過2000以上時，儘管有"水"作為降溫物質，金屬依然融化，壺底穿孔。塔式發電的聚光 倍率超過200，熱效可達58%，原因在於"聚光比"高。道理是這樣的，物體吸收熱量的同時也在釋放熱 量，單位時間內集熱體聚集的熱量遠遠大於放出的熱量，熱效就會提高，高聚光比正好具有此功效。但槽 式集熱系統因其結構特點，聚光倍率一般在30-80之間，把槽式聚光倍率提高到200以上確實較難。人型 槽式拋物面系統也因結構複雜及考慮風荷等問題也會增加成本。考慮以上因素，可以用以下方式來解決
1，大開口拋物面槽、高聚光倍率。槽開口一般大於3米，根據設計的焦線寬度，聚光倍率高於200， 設計槽開口寬度5米、6米、7米、8米、10米甚至30米(結合以下正斜槽梯度複合)都可以考慮。把"大 型槽"開口定義在3米以上，聚光倍率150以上。在相應的聚光倍率下，不同地區光照度不同，嚴格準確 的概念應該是"能流密度"，即吸收體的單位面積接收輻射功率的人小。"大型槽"概念只是相對的，大 型槽的概念必須要求單位面積分布功率達到10-100w/citf，最佳聚光比1000左右，鋁製接收器最佳功率 分布6(k/ c itf左右。而目前槽式太陽能功率分布密度按30-80聚光倍率分析在一般地區只有2-5w/ c m'.。
2，轉動成本及風荷。鏡面成本較低又具有高聚光比及降低單位陽光面積成本的顯著特點，但隨著槽 型面積的增大，其重量也會增大，轉動成本及風荷因素變得複雜。怎樣解決這個問題？可以有以下幾種方 式 一，變通性防風牆技術，將防風牆和槽式結構分開，槽式拋物面為"輕"質結構，而根據不同地區不 同時間不同風向設置季節性防風牆。比如在冬季可以將防風牆加固在北面，而夏季可以減小防風牆高度以 免阻擋太陽光線及留出更多空間。這樣在設計槽型拋物面時可以將風荷考慮在防風牆技術之內。同時防風 牆技術可以變被動為主動，可以變成主動式風能利用技術，這裡不述。二，支撐轉動軸"落地"技術。槽 式拋物面有一個轉動軸，通常在支撐支架上，槽型拋物面的部分或全部重心聚集於轉動軸，這樣成本較高。 如圖13顯示，槽型拋物面重心主要聚集於落地轉動軸上，而轉動軸在弧形槽內轉動屬於"滾動麼擦"，由 於轉動軸在弧形槽內以防止轉動軸"脫位"。圖13中轉軸較粗，可以空心，事實上可以做的較小，而同時 必須使支架支撐使重心大部集結於轉動軸。這樣方使同步千斤頂的力較小。二，焦軸轉動技術。焦軸(即 焦線部位的吸收部件，以下稱焦軸)轉動。如圖l、圖2、圖3所示，對於開口面積小於3米的拋物面槽， 其聚光焦線寬度即使做到2cm，其聚光倍率也會小於150，而一般用低成本鍍膜和反光膜做成的槽的聚光"焦 線"寬度是5-12cm，如果把拋物面槽開口做大，又能減少機械強度解決抗風能力，對節約槽式成本及提高 熱效很有好處。但是普通的槽式拋物面在光線變化時焦線成"散"狀，光線偏離中心位置越大，"焦線" 更變成一個更大的"焦面"，說到底，普通拋物面在陽光角度變化時根本不能聚焦。要解決這個問題，可 以採取圓弧面與微分拋物面複合法。如圖12，即做一個圓柱形面，裡面固定上許多"微型"拋物面，"微 型"是相對的，根據現實中"焦線"寬度的要求而設定。而每一塊拋物面都是焦距不同的拋物面，由於在 圓弧中的位置不同，其相對於圓弧中的位置在太陽光垂直入射時(如圖12)其焦點都位於圓弧的圓心。拋 物面不是圓弧形，但其微分時接近圓弧。拋物面貼近周圍圓弧。這種方式製作較為麻煩，且有誤差。但可 以使鏡面相對固定，也可以季節性調整，焦軸每天只需直線運動就可以近似或者說是"模糊"聚焦。
3,正槽斜槽梯度複合。以X軸和Y軸確定的平面拋物線(方程式x^-2PY或X平方-4fy)沿Z軸平 移，得到的拋物面槽叫"正槽"，也就是我們目前幾十年生產實踐中見到的"槽"。以X軸和Y軸確定的平 面拋物線(方程式xA2-2PY或X平方-4fy)與X軸和Y軸確定的平面以一定角度傾斜(平面夾角大於(T 小於45° )沿Z軸平移得到的"槽"叫傾斜槽，簡稱"斜槽"。傾斜槽從外觀上看不"傾斜"，只是加工鏡面時的方式不同，與正槽相比，在同一高度位置槽式反射鏡面上的每一點的切平面發生了角度改變。
"斜槽"對於東西放置的槽和南北放置的槽都非常有用。因為槽上相對"止槽"而言同一位置的每 一點的切平面的傾斜角度發生改變，導致焦線的東西(或南北)位置發生變化及產生高度變化。與"正槽" 複合時需重新確定拋物線方程。設兩平面傾斜角度=0，則拋物線方程為X平方-4fy/cosa,其中f為正 槽的焦距(即拋物線原點到焦點的距離)。在同樣的光線照射下，"斜槽"的焦線與"正槽"的焦線可以完 全或部分重合，具體情況需根據設計要求具體計算。
"正槽斜槽梯度複合"就是指傾斜不同角度的槽按照一定傾斜角度的大小依次排列並與正槽排列在 起。目的是讓不同的槽的焦線聚合在一起，提高聚光倍率。同時因為東西放置或南北放置的"正槽"在 太陽光東西、南北、上下三維變化時幾乎總有焦線陽光傾斜出槽，造成能源浪費及造成安全隱患，而梯度 複合槽可以杜絕這一缺陷。
圖4，圖5、圖6是傾斜槽的示意圖。其中圖4在東西放置的槽的排列中放置在東邊，槽的拋物面 可以理解為拋物線沿水平面的垂線方向向西傾斜。圖5為正槽。圖6放置在西邊，槽的拋物面可以理解為 拋物線沿水平面的垂線方向向東傾斜。此圖為示意圖，生產中可以多種傾斜槽進行"梯度複合"。
4，拋物面框架線性結構與分體鏡面結合。大型拋物面的加工與安裝與小鏡面槽相比居有許多不同 之處，需要結構和尺寸相同拋物線支架和拋物鏡面組合而成。比如開口8米的拋物面槽，因為可以左右對 稱，所以只要加工其中的一半線條作為拋物線支撐支架，左右對稱並依次排列，形成框架網狀結構，如圖 2和圖3.拋物面支架系統可以獨立存在，機械強度抗風設計都考慮其中。分體鏡面可以設計寬度0.5-2米 長度l-3米分體鏡面，即在加工時把鏡面分段加工，便於加工、運輸、組裝和維護。這種方式變繁瑣為簡 單，化整為零，可以降低成本。
5，腔體吸收。目前人們一般採取真空式鍍膜鋼管及直通式真空管作為光吸收部件，在低溫應用領 域因為集熱需要較長時間且能流密度較小，採取這種"管狀"吸收方式有積極意義。但作為聚光式中高溫 領域，考慮"成本"和"效率"因素，可以用腔體吸收方式。腔體吸收的特點如圖7、 8、 9、 10、 11所示， 要求吸收面和外圍保溫結構分開，減少散熱面積；要求吸收面"黑"且如類似"洞"型的形狀。光線進入 猶如"黑洞"的"腔體"吸收面內極少被反射，在"腔體"內即使有反射光線也被"腔體"內的其他"黑 體"反覆吸收。紅外輻射也被腔體內"黑體"重複吸收，這樣達到熱量的最低損失。
下面結合附圖對"腔體"吸收部件作進一步說明
圖7為簡易腔體吸收部件橫切面圖，其中l為紅外線反射面，保證熱輻射基本返回工質，減少熱損 失。2為真空層或者有其他材料組成的保溫層，隔絕或減輕熱傳導。3為水及油等工質，吸收的熱量在這 一層積聚，到達一定程度衝破壓力閥門流出。4為鋸齒狀光吸收面，鋸齒狀是為增加其吸收面積，並防止 未吸收光線(即反射光線)輕易透出造成能量損失。黑體可鍍選擇性塗層來增加吸收。 圖8為改進型，其"腔體"特點更加突出，其光線更不容易透出。
圖9為玻璃透光真空型"腔體"。即為了更好的促進吸收，減少損失，增加了下邊的透光玻璃及 真空層,透光玻璃要求具有耐高溫功能、可見光及近紅外的高透過功能及遠紅外的反射功能。但這樣在加 工時成本相應提高，安裝及產品壽命等都受其影響，從"性價比"上考慮可選擇性應用或不用。
圖10為圖9結構翻版，外型一樣，但水及油等工質放在了吸收層下邊、玻璃層上邊，這樣更有 利於光線吸收，在片面追求熱效而不考慮"成本"的情況下可以一試。具體為l和7為紅外線反射面， 2和5為真空層或者有其他材料組成的保溫層，3為水及油等工質，4為鋸齒狀光吸收面，可鍍選擇性塗層。 6為高透光耐高溫及遠紅外反射玻璃。
圖ll為改進後的光吸收面橫切面圖。便於兩側光線吸收，更具有應用價值。
光吸收面的寬度一般5-15cm，也可以稍寬或稍窄一些，腔體吸收體的長度因為主要是金屬部件(如 鋁)，可以做的較長，中間可加螺紋結構(類似膨脹節)，兩端可附加法蘭盤，工程中需要腔體長度較長時， 用常規法蘭盤連接即可。
權利要求
1，一種高效率低成本槽式太陽能中高溫鍋爐系統。其特點是熱效率大於50％，成本可以低於1000元/平方米。主要通過大型、高聚光比、變通性防風牆與鏡面承受風荷分離、轉動軸「落地」、或是圓弧與微分拋物鏡面複合焦軸轉動鏡面相對不動、拋物面框架和分體拋物鏡面組合、正槽斜槽梯度複合、腔體式光吸收等途徑來實現。
2，根據1描述的特點，其高效率和低成本主要通過"大型"和"高聚光比"來實現，大型一般指槽開口 直徑在3-30米，聚光比在150-2000之間(普通國際慣例槽式聚光比只有30-80)。接收器用金屬鋁製 品時單位面積分布功率10-100w/ c itf，最佳聚光比1000左右，接收器最佳功率分布60w/ c ttf左右。 用銅及金、銀、鑽石等作為傳熱介質時可根據傳導係數及熔點進行相應計算。
3，根據1描述的特點，大型槽轉動、風荷因素複雜，改用變通性防風牆技術，防風牆風荷與拋物鏡面風 荷分離，即變通性防風牆技術是此槽式太陽能中高溫鍋爐系統技術之一。
4,根據l描述的特點，轉動軸"落地"技術有益於減輕轉動負荷，是關鍵技術之一。
5，根據1描述的特點，除了鏡面轉動之外，還有一種方式就是圓弧與微分拋物鏡面複合焦軸轉動鏡面 相對不動，這種方式可以讓鏡面按季節適當調整。
6, 根據l描述的特點，因其"大型"，在其加工時需分節分片設計加工製作，實行具有抗風能力的框架結 構，框架結構由單體拋物線支架以穿插或焊接方式連接。分體鏡面每一片採光面積約卜6 m'，與支架之 間用螺絲螺母固定連接。
7, 根據1描述的特點，因為大型槽在東西或南北放置時，當太陽赤緯或高度角變化時，總有一部分光超 出槽口之外，造成能量損失及存在安全隱患，採用正槽斜槽梯度複合式可以避免此缺點，並且可以幾 倍增加聚光倍率。正槽及斜槽概念以X軸和Y軸確定的平面拋物線(方程式x八2-2PY或X平方:4fy) 沿Z軸平移，得到的拋物面槽叫"正槽"。以X軸和Y軸確定的平面拋物線(方程式xA2-2PY或X平方 =4fy)與X軸和Y軸確定的平面以一定角度傾斜(人於0°小於45° )沿Z軸平移得到的曲面"槽" 叫傾斜槽，簡稱"斜槽"。不同傾斜角度的拋物線沿Z軸平移得到的曲面槽依次排列在一起稱為槽的"梯 度複合"。
8，根據1描述的特點，腔體吸收裝置主要防止可見光線反射及高溫吸收體的紅外線輻射，其特點是此裝 置不僅有一個"腔體"，並且腔體內多皺多面具有"黑體"特性，更重要的是腔體外圍結構中大於1/2 的面積被保溫材料合圍，這樣區別於直通管式鍍膜鋼管或直通式真空管，目的在於增加吸收率減少熱 損失，當然也不排除在此結構下方增加一層高透光、耐高溫、遠紅外反射玻璃並且抽真空。
全文摘要
大型、高效、相對低成本槽式太陽能鍋爐系統屬於光學、熱學、傳熱學、材料學、機械動力學、天文學等綜合應用領域。在目前槽式太陽能鍋爐(集熱器)是太陽能熱利用領域較為經濟模式，但熱效率低下(只有20％-40％)、成本相對較高、機械支撐控制部件結構複雜、聚光倍率低(一般只有30-80)等缺陷。而本發明利用大型開口槽提高聚光倍率和效率；利用變通性防風牆、落地軸轉動、圓弧與微分拋物鏡面、焦軸轉動等降低成本增強「抗風能力」；利用「斜槽」「正槽」梯度複合槽技術提高聚光倍率和效率；利用拋物線支架與分體鏡面結合降低機械加工和組裝難度；利用金屬腔體式吸收增加光吸收率及降低成本。其綜合熱效率可以達到50％以上，成本降至1000元/平方米以下，可以廣泛應用於太陽能蒸汽鍋爐及大型太陽能槽式發電站。
文檔編號F24J2/46GK101592403SQ20091014537
公開日2009年12月2日 申請日期2009年5月18日 優先權日2009年5月18日
發明者馮益安 申請人:馮益安