採用槽式太陽能集熱器的熱水蒸汽發生系統的製作方法

2023-06-12 18:16:21

本發明涉及太陽能領域，尤其涉及一種採用槽式太陽能集熱器的熱水蒸汽發生系統。

背景技術：

太陽能集熱器將太陽能轉化為熱能並加以利用，在太陽能系統中佔據重要地位。槽式太陽能集熱器主要包括聚光鏡和吸收器，聚光鏡將入射太陽光聚焦到一條線上，裝在該焦線處的吸收器將太陽光能轉化為熱能。

現有的熱水系統多以真空管吸收器作為系統的吸熱裝置，例如申請號為201410698091.0的發明專利申請中，其設計的槽式太陽能集熱器，可以產生幾十度到400℃的熱水及水蒸汽。雖然其適用工況範圍很大，但對特定工況的實用性較差，集熱器平均效率較低，且在高溫高壓工況下運行時，對系統的維護也提出了更高的要求。

申請號為201510513860.X的發明專利申請中記載一種與槽式太陽能集熱器聯合的熱水系統，但是該系統主要以生產生活用熱水為主，水蒸汽只是太陽能富餘情況下的附加產物，無法實現水蒸汽和熱水聯產。工業用的熱能，無論蒸汽還是高溫熱水，其壓力往往較高，這對系統的承壓能力提出了更高的要求。

技術實現要素：

基於上述問題，本發明的目的在於提供一種採用槽式太陽能集熱器的熱水蒸汽發生系統，其能夠同時提供熱水和蒸汽，滿足生活和工業使用需求。

為實現上述目的，本發明所設計的採用槽式太陽能集熱器的熱水蒸汽發生系統包括：蓄熱水箱、循環水泵、槽式太陽能集熱器組、蒸汽發生器、熱水輸出閥及蒸汽輸出閥，所述循環水泵的入口端與所述蓄熱水箱的冷水出口端用管道連接，所述循環水泵的出口端與所述槽式太陽能集熱器組的入口端通過管道連接，所述槽式太陽能集熱器組包括至少二個槽式太陽能集熱器，所述槽式太陽能集熱器組的出口端通過管道分別與所述蓄熱水箱的熱水入口端、所述蒸汽發生器熱水入口端連接，所述熱水輸出閥連接至所述蓄熱水箱的熱水出口端，所述蒸汽輸出閥連接至所述蒸汽發生器的蒸汽出口端。

作為優選方案，所述槽式太陽能集熱器組還包括多通分流閥和多通合流閥，所述多通分流閥的各個出口端分別與每個槽式太陽能集熱器的入口端一一對應相連，所述多通合流閥的各個入口端分別與每個槽式太陽能集熱器的出口端一一對應相連，所述多通分流閥的入口端與所述循環水泵的出口端用管道連接，所述多通合流閥的出口端與所述蓄熱水箱的熱水入口端用管道連接。

作為優選方案，所述槽式太陽能集熱器組還包括單向閥，所述循環水泵的出口端通過一個所述單向閥與第一個所述槽式太陽能集熱器的入口端相連，每一所述槽式太陽能集熱器的出口端通過一個所述單向閥與相鄰的下一個所述槽式太陽能集熱器的入口端相連，最後一個所述槽式太陽能集熱器的出口端通過一個所述單向閥與所述蒸汽發生器的熱水入口端相連。

作為優選方案，所述採用槽式太陽能集熱器的熱水蒸汽發生系統還包括軟化水裝置，所述軟化水裝置的入口端接冷水，所述軟化水裝置的出口端與所述蓄熱水箱的冷水入口端用管道連接，所述軟化水裝置的入口端的管道上安裝有軟化入口閥，所述軟化水裝置的另一出口端的管道上有軟化出口閥，所述軟化出口閥管道連接至所述循環水泵的入口端。

作為優選方案，所述採用槽式太陽能集熱器的熱水蒸汽發生系統還包括輔助熱源，所述輔助熱源分別與所述蓄熱水箱和所述蒸汽發生器相連並對所述蓄熱水箱和所述蒸汽發生器內的水進行加熱。

作為優選方案，所述採用槽式太陽能集熱器的熱水蒸汽發生系統還包括膨脹罐和膨脹罐閥，所述膨脹罐通過膨脹罐閥和管道接入所述蒸汽發生器的熱水出口端與所述循環水泵的入口端之間管道上。

作為優選方案，所述蓄熱水箱的冷水出口端與所述循環水泵的入口端之間的管路上安裝有水箱循環閥，所述蒸汽發生器的熱水出口端通過飽和熱水循環閥連接至所述循環水泵的入口端，所述蒸汽發生器的入口端與最後一個所述槽式太陽能集熱器出口端連接的管道上安裝有安全閥，所述蓄熱水箱上接有排氣閥。

作為優選方案，所述採用槽式太陽能集熱器的熱水蒸汽發生系統還包括控制器，所述循環水泵、所述多通分流閥、所述多通合流閥、所述單向閥、所述膨脹罐閥、所述安全閥、所述排氣閥、所述水箱循環閥、所述飽和熱水循環閥、所述軟化入口閥及所述軟化出口閥均用信號線連接至控制器；所述控制器控制所述水箱循環閥開、所述多通分流閥開、所述多通合流閥開、所述單向閥閉、所述飽和熱水循環閥閉使所述採用槽式太陽能集熱器的熱水蒸汽發生系統產生熱水。

作為優選方案，所述控制器信號連接至所述蓄熱水箱內的水位傳感器，所述控制器根據接收到所述水位傳感器檢測到的水位信號控制所述軟化入口閥開關，所述控制器根據所述蓄熱水箱內的壓力控制所述排氣閥開關，所述控制器根據管道內的壓力控制所述膨脹罐閥和所述安全閥開關。

作為優選方案，所述槽式太陽能集熱器採用腔體式吸收器，所述腔體式吸收器的腔體內部的截面呈三角形，所述腔體式吸收器包括金屬集熱管、絕熱填充物及選擇性吸收塗層，所述絕熱填充物覆蓋在所述金屬集熱管的外層，所述選擇性吸收塗層附著於所述腔體的內表面。

本發明的有益效果為：本發明提供的採用槽式太陽能集熱器的熱水蒸汽發生系統採用包含多個槽式太陽能集熱器的槽式太陽能集熱器組對水進行加熱，當系統處於熱水模式時，通過蓄熱水箱系統快速生產熱水；當系統處於蒸汽模式時，通過蒸汽發生器系統生產工業用蒸汽。從而，通過改變槽式太陽能集熱器之間的連接方式，實現對生產生活用水和生產工業用高壓蒸汽兩種不同模式切換。

附圖說明

圖1為本發明的第一優選實施例所提供的採用槽式太陽能集熱器的熱水蒸汽發生系統的結構示意圖。

圖2為本發明的第二優選實施例所提供的採用槽式太陽能集熱器的熱水蒸汽發生系統的結構示意圖。

圖3為圖1、圖2中的採用槽式太陽能集熱器的熱水蒸汽發生系統的控制器連接關係示意圖。

圖4為圖2中的採用槽式太陽能集熱器的熱水蒸汽發生系統的熱水產生流程示意圖。

圖5為圖2中的採用槽式太陽能集熱器的熱水蒸汽發生系統的蒸汽發生流程示意圖。

圖6為圖1、圖2中的採用槽式太陽能集熱器的熱水蒸汽發生系統的槽式太陽能集熱器的腔體式吸收器的結構示意圖。

圖中各部件標號如下：

軟化水裝置1、蓄熱水箱2、循環水泵3、多通分流閥4、槽式太陽能集熱器5(其中，金屬集熱管5.1、絕熱填充物5.2、選擇性吸收塗層5.3)、多通合流閥6、單向閥7、蒸汽發生器8、熱水輸出閥9、蒸汽輸出閥10、輔助熱源11、膨脹罐12、膨脹罐閥13、安全閥14、排氣閥15、水箱循環閥16、飽和熱水循環閥17、軟化入口閥18、軟化出口閥19、控制器20。

具體實施方式

為更好地理解本發明，以下將結合附圖和具體實例對發明進行詳細的說明。

本發明提供了一種以水為工質與槽式太陽能集熱器聯合的熱水/蒸汽發生裝置，既滿足生活熱水的供應，亦可滿足工業用水的需求。

請參閱圖1，本發明第一優選實施例的採用槽式太陽能集熱器的熱水蒸汽發生系統包括軟化水裝置1、蓄熱水箱2、循環水泵3、槽式太陽能集熱器5及蒸汽發生器8。

軟化水裝置1的入口端接冷水，對經過軟化入口閥18進入的冷水進行軟化處理。對系統入口的冷水採取軟化措施，可以抑制系統內部水垢的生長，保證整個系統的工作效率。

蓄熱水箱2的冷水入口端與軟化水裝置1的出口端用管道連接。

循環水泵3的入口端與蓄熱水箱2的冷水出口端用管道連接，經過軟化水裝置1軟化後的水，經過軟化出口閥19進入循環水泵3進行循環加熱。

多通分流閥4(三通分流閥)的入口端與循環水泵3的出口端用管道連接，二個槽式太陽能集熱器5的兩個入口端分別與多通分流閥4的二個出口端用管道連接。

多通合流閥5的二個入口端分別與二個槽式太陽能集熱器5的出口端用管道相連。

蓄熱水箱2的熱水入口端與多通合流閥6的出口端用管道連接。

在上述連接關係中，二個槽式太陽能集熱器5通過多通分流閥4、多通合流閥6並聯，對冷水進行太陽能加熱，加熱後的水進入蓄熱水箱2中儲存。需要熱水時，打開連接至蓄熱水箱2的熱水出口端的熱水輸出閥9即可。

為了同時滿足提供蒸汽的需要，提高太陽能的轉換效率，上述採用槽式太陽能集熱器的熱水蒸汽發生系統中還設置有三個單向閥7。

三個單向閥7中的第一個單向閥7用管道串聯循環水泵3的出口端與第一槽式太陽能集熱器5的入口端，第二個單向閥7用管道串聯第一個槽式太陽能集熱器5的出口端與第二個槽式太陽能集熱器5的入口端，第三個單向閥7用管道串聯第二個槽式太陽能集熱器5的出口端與蒸汽發生器8的入口端。通過上述三個單向閥7將二個槽式太陽能集熱器5串聯後再與蒸汽發生器8連接，加熱後的熱水在蒸汽發生器8中轉化為蒸汽。需要蒸汽時，打開連接至蒸汽發生器8的蒸汽出口端的蒸汽輸出閥10即可。

上述採用槽式太陽能集熱器的熱水蒸汽發生系統還包括輔助熱源11，輔助熱源11分別與蓄熱水箱2和蒸汽發生器8相連，在太陽能不足時提供備選加熱方式對蓄熱水箱2和蒸汽發生器8內的水進行加熱。

上述採用槽式太陽能集熱器的熱水蒸汽發生系統還包括膨脹罐12和膨脹罐閥13，膨脹罐12通過膨脹罐閥13接入軟化水裝置1的另一出口端與蒸汽發生器8的熱水出口端之間的管道上。膨脹罐12在蒸汽循環過程中啟用，起到平衡系統壓力的作用。

此外，蒸汽發生器8的入口端與第二個槽式太陽能集熱器5的出口端連接的管道上安裝有安全閥14，蓄熱水箱2上接有排氣閥15，保證系統運行過程中的安全。

此外，水箱循環閥16用管道連接蓄熱水箱2的出口端與循環水泵3的入口端，可將蓄熱水箱2內的水進入管路再次循環加熱。

此外，飽和熱水循環閥17用管道連接蒸汽發生器8的熱水出口端與所述循環水泵3的入口端，可將蒸汽發生器8內的飽和熱水通入循環管路再次加熱。

請參閱圖2，本發明第二優選實施例的採用槽式太陽能集熱器的熱水蒸汽發生系統包括軟化水裝置1、循環水泵3、槽式太陽能集熱器5、蓄熱水箱2及蒸汽發生器8。與第一優選實施例中不同的是，本實施例中的採用槽式太陽能集熱器的熱水蒸汽發生系統包括三個槽式太陽能集熱器5。與之對應地，多通分流閥4為四通分流閥，多通合流閥6為四通合流閥，單向閥7的個數為四個。

由此類推可知，本發明的採用槽式太陽能集熱器的熱水蒸汽發生系統中設置槽式太陽能集熱器組，槽式太陽能集熱器組中採用N個槽式太陽能集熱器5(其中，N為大於或等於2的整數)，與之對應對地，多通分流閥4和多通合流閥6分別具有N個分流端和N個合流端，單向閥7的個數為N+1個。N個槽式太陽能集熱器5的N個入口端分別與多通分流閥4的N個出口端用管道連接，多通合流閥6的N個入口端分別與N個槽式太陽能集熱器5的出口端用管道相連。N+1個單向閥7中的第一個單向閥7用管道串聯循環水泵3的出口端與第一槽式太陽能集熱器5的入口端，第N個單向閥7用管道串聯第N-1個槽式太陽能集熱器5的出口端與第N個槽式太陽能集熱器5的入口端，第N+1個單向閥7管道連接蒸汽發生器8的入口端與第N個槽式太陽能集熱器5的出口端。如此，槽式太陽能集熱器組可在多通分流閥4和多通合流閥6開啟而N+1個單向閥關閉時N個槽式太陽能集熱器5形成並聯；在多通分流閥4和多通合流閥6關閉而N+1個單向閥開啟時，槽式太陽能集熱器組中的N個槽式太陽能集熱器5形成串聯。

需要指出的是，在上述所述的槽式太陽能集熱器組中，每個槽式太陽能集熱器5可為單獨的一個集熱器，也可為多個集熱器組成的集熱器陣列，根據採用槽式太陽能集熱器的熱水蒸汽發生系統的實際應用環境和輸出需求進行適應性調整。

請參閱圖3，控制器20根據傳感器的信號對系統各閥門(包括循環水泵3、多通分流閥4、多通合流閥6、單向閥7、熱水輸出閥9、蒸汽輸出閥10、膨脹罐閥13、安全閥14、排氣閥15、水箱循環閥16、飽和熱水循環閥17、軟化入口閥18及軟化出口閥19)進行控制，從而實現對生產生活用水和生產工業用高壓蒸汽兩種不同模式的切換。具體的控制過程將以圖2中的採用槽式太陽能集熱器的熱水蒸汽發生系統為例，並結合圖4和圖5進行說明。

如圖4所示，冷水經軟化水裝置1軟化後進入蓄熱水箱2，開始循環。當系統生產熱水時，控制器20通過控制水箱循環閥16開、多通分流閥4開、多通合流閥6開、單向閥7閉、飽和熱水循環閥17閉，使得三個槽式太陽能集熱器5並聯。循環水經槽式太陽能集熱器5加熱後，回流進入蓄熱水箱2。蓄熱水箱2內的溫度傳感器輔助控制器20實現對循環水泵3的啟停控制。蓄熱水箱2內的水位傳感器輔助控制器20實現對軟化入口閥18開關控制，及時補充循環水。當蓄熱水箱2內的壓力過高時，排氣閥15打開，調節蓄熱水箱2內的壓力。需要用熱水時，打開熱水輸出閥9，直接供應用戶使用。

如圖5所示，冷水經軟化水裝置1軟化後進入蓄熱水箱2，開始循環。當系統產生蒸汽時，當蓄熱水箱2內的水位和溫度達到一定值，控制器20根據溫度傳感器和水位傳感器的信號，控制多通分流閥4閉、多通合流閥6閉和單向閥7開，系統進入生產蒸汽模式。當系統生產高壓蒸汽時，控制器20通過控制水箱循環閥16閉、多通分流閥4閉、多通合流閥6閉、單向閥7開、飽和熱水循環閥17開，使得三個槽式太陽能集熱器5串聯。循環水進入槽式太陽能集熱器5加熱成為高溫高壓熱水進入蒸汽發生器8，生成幹蒸汽。需要使用蒸汽時，打開蒸汽輸出閥10，即可供用戶使用。蒸汽發生器8內剩餘的高溫飽和水經過飽和熱水循環閥17，回流進入槽式太陽能集熱器5。當系統壓力過大時，控制器20控制膨脹罐閥13開，循環水進入膨脹罐12，平衡系統壓強。當循環水不足時，控制器20控制軟化入口閥18、軟化出口閥19開，補充循環水。安全閥14在管道壓力過高時，打開放氣，確保系統運行安全。當太陽能不充足的情況下，控制器20根據槽式太陽能集熱器上安裝的溫度傳感器和輻照傳感器的信號，開啟輔助熱源11加熱蓄熱水箱2內的水。當需要生產高壓蒸汽時，輔助熱源11加熱蒸汽發生器8中的高溫熱水。

在一般的槽式太陽能集熱裝置中，金屬吸熱管吸收太陽輻射並將太陽能轉化為高溫熱能，並進而將熱量傳遞給管內的傳熱工質。然而，在這個過程中往往伴隨著大量的熱損失。為了減少熱量的損失，現在通常採用玻璃套管形式，即在加熱管外面再包了一層玻璃管，玻璃管與金屬管間抽真空，減少對流和傳導熱損失。但是玻璃與金屬的封接處在長期工作後會出現漏氣的問題，使其集熱效率降低，同時，真空管吸收器還存在生產難度與成本高、抗風抗震能力差的問題，而腔體式吸收器則沒有此類問題。腔體式吸收器利用了腔體的黑腔特性，即入射的太陽光經過腔體內壁的反覆反射、吸收，使其儘可能多的留在腔體內部而不逸出，可以有效地抑制對流和輻射造成的熱損失。而且對於加熱溫度不太高的情況，系統的對流、傳導換熱損失較低，實驗結果顯示，當溫度為200℃時，其集熱效率與真空管吸收器相當，但可靠性和成本大為改善。因此，腔體式吸收器是生產高溫熱水和蒸汽太陽能裝置的一個較好方案。另外，由於真空吸收器的承壓能力較弱，因此對於使用真空管吸收器的太陽能蒸汽系統往往選擇導熱油為中間換熱介質，即先通過太陽能集熱器對導熱油進行加熱，再由導熱油與水換熱產生蒸汽。這一方案使得系統更為複雜，而且更多的換熱環節也會帶來更多的熱損失。而腔體式吸收器承壓能力更強，可以直接以水為工質生產高溫蒸汽，簡化系統並且減少了中間換熱環節帶來的熱損失。

本發明的採用槽式太陽能集熱器的熱水蒸汽發生系統中，槽式太陽能集熱器5採用腔體式吸收器，其結構如圖6中所示。其中，腔體式吸收器包括金屬集熱管5.1、絕熱填充物5.2及選擇性吸收塗層5.3。腔體式吸收器的腔體內部為三角形，通過腔體內壁對入射太陽光的反覆反射與吸收，減少熱損失。金屬集熱管5.1的外層覆蓋絕熱填充物5.2，減少對流、傳導換熱所造成的熱量損失。腔體內表面為選擇性吸收塗層5.3，其在太陽光譜內有儘量高的吸收率，在熱輻射波長範圍內有儘可能低的發射率。採用腔體式吸收器作為槽式太陽能集熱器5的吸熱構件，腔體式吸收器代替真空管吸收器，降低了系統的成本，提高了系統運行的穩定性，同時也可產生高溫高壓蒸汽，滿足工業用熱能需求。

本發明的採用槽式太陽能集熱器的熱水蒸汽發生系統通過改變槽式太陽能集熱器之間的串並聯連接方式，使得系統能夠在生產生活熱水及工業用高壓蒸汽之間自如切換，實現熱水、水蒸汽聯產，其生產的水或水蒸汽的溫度範圍為50～150℃，具備較高的太陽能轉換效率及系統效率。與現有技術相比，本發明具有如下有益效果：

(1)採用腔體式吸收器代替真空管吸收器，使系統適用於高壓工況，從而能夠生產工業用高壓蒸汽和高溫高壓熱水，並且腔體式吸收器的生產難度與成本較低，同時也提高了系統的可靠性。

(2)通過改變槽式太陽能集熱器之間的連接方式，實現對生產生活用水和生產工業用高壓蒸汽兩種不同模式的自如切換。控制器根據傳感器的信號對系統各閥門和水泵進行控制，當系統處於熱水模式時，兩槽式太陽能集熱器模塊並聯，系統快速生產熱水；當系統處於蒸汽模式時，兩槽式太陽能集熱器串聯，系統生產工業用蒸汽。

(3)直接採用水為槽式太陽能集熱器內的加熱工質，避免了以導熱油為中間介質帶來的換熱損失，提高了系統的效率。

(4)採用控制器區間控制實現對循環供熱系統的控制，避免了水泵頻繁啟停，提高了系統的工作穩定性。當水箱內水溫高於設定溫度的上閥值時，關閉水泵，系統循環終止，當水箱內水溫低於設定溫度的下閥值時，開啟水泵，系統開始循環。

以上所述實施例僅表達了本發明的幾種實施方式，其描述較為具體和詳細，但並不能因此而理解為對本發明專利範圍的限制。應當指出的是，對於本領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干變形和改進，這些都屬於本發明的保護範圍。因此，本發明專利的保護範圍應以所附權利要求為準。