一種外石英太陽能光熱轉化器及方法

2023-12-10 08:49:42

專利名稱：一種外石英太陽能光熱轉化器及方法
技術領域：
本發明涉及太陽能的熱利用，將太陽能轉化為熱能的器件，涉及利用太陽能進行 供暖、熱水、烹飪、發電、製冷、乾燥，特別是太陽能的中高溫度的利用。
背景技術：
太陽能成熟的應用技術為太陽能的低溫熱水利用，主要採用真空玻璃管技術將太 陽能轉化為熱能，在此種技術上，有採用將熱管插入到真空玻璃管內部將熱量傳遞到外部 獲得太陽能的技術，以及在真空玻璃基礎上進一步的完善而開發的各種器件，其中真空玻 璃管中設置有真空層進行保溫，在真空層的內部設置選擇性塗層對太陽能進行吸收轉化， 雖然真空玻璃層很好的實現了保溫，選擇性塗層很好的實現了太陽能的轉化，但是，其轉化 後的熱能利用起來很不經濟，如採用現有的方法將水直接流入到真空玻璃管內部直接進行 換熱，但到了冬季就無法使用，雖然採用熱管技術在冬季實現了傳熱，但增加了成本、降低 了熱能的利用率，目前這種技術應用於低溫的熱水應用，而無法實現太陽能的中高溫的應 用，如太陽能熱電的應用；現有的對太陽能的中高溫度利用的太陽灶，主要採用反射板對太陽光進行反射， 將太陽能直接聚焦到一個灶具上，實現對太陽能的利用，此種技術很好的達到了太陽能的 中高溫收集，但其熱能接受方式單一，僅是採用直接在其上面放置簡單的灶具，而無法進行 大規模的採集和利用；同時也無法實現對太陽能進行收集以便於夜間及陰雨天應用；現有的技術太陽能中高溫的發電技術，主要是採用塔式、槽式、及蝶式，槽式太陽 能是已經商業化的太陽能光熱轉換器件，主要採用外部為玻璃管，內部為不鏽鋼金屬管，內 部抽真空，實現太陽能的採集；但是該種吸收器價格高，只有少數的企業可以掌握其生產技 術；同時蝶式太陽能與塔式太陽能應用的主要技術難題也在於光熱轉化太陽能轉換器件， 特別是塔式太陽能，主要由於光熱轉換器需要在600-1500度的區間進行工作，由於高溫所 採用的金屬器件無法長時穩定的工作，因而塔式的太陽能電站就無法長期的進行工作，因 而需要對高溫的太陽能光熱轉換器件改進。石英玻璃的光學性能有其獨到之處，它既可以透過紫外光譜，是所有透過紫外材 料最優者，又可透過可見光和近紅外光譜。用戶可以根據需要，從185-3500mu波段範圍內 任意選擇所需品種。由於石英玻璃耐高溫，熱膨脹係數極小，化學熱穩定性好，氣泡、條紋、 均勻性、雙折射又可與一般光學玻璃媲美，所以它是在各種亞劣場合下工作具有高穩定度 光學系統的必不可少的光學材料。石英玻璃的熱膨脹係數小，為5. 5X10_7°C，只有普通玻 璃的1/12-1/20。部標準規定將試樣的灼燒到1200°C後急速投到冷水中，反覆三次以上不 允許炸裂，石英玻璃加入適量鈦元素後還可做成零膨脹係數的材料，由於石英器件的眾多 的優勢，將石英器件應用於太陽能利用，特別是中高溫的太陽能光熱轉化，將是解決中高溫 太陽能採集的可行的技術方法。隨著太陽能鏡技術的發展，可以採用普通的光學鏡或菲涅爾光學鏡對太陽能進行 收集，但是，有太陽能鏡技術將太陽能進行收集後，將產生很高的熱流密度，採用普通的傳熱材料進行轉換將無法實現高熱流密度的熱能的傳遞，因此，需要一種新型的技術將太陽 能進行熱能的轉換利用，特別是太陽能的中高溫度的光熱轉換，來實現對太陽能的中高溫 的應用
發明內容
本發明的目的是提供一種太陽能光熱轉化器，將石英器件應用於轉化器中，使本 發明的轉化器適合於不同的溫度的太陽能光熱利用，特別是實現太陽能的中高溫的光熱轉 換器件，以及應用於塔式以及蝶式的太陽能光熱轉化器件，解決了現有轉換器的穩定性差、 成本高、結構複雜、適用範圍小特別是難以在中高溫中穩定的長時間的進行光熱轉換的問題。本發明的另一個目的是提供一種外石英太陽能光熱轉化的方法，將石英器件應用 於太陽能利用，特別是中高溫的太陽能光熱轉化，解決了中高溫太陽能採集的問題，為太陽 能光熱轉化特別是中高溫的轉化提供了一種新的可行的技術方法。本發明充分的利用石英器件的物理化學性能實現太陽能的採集，為太陽能的利用 提供一種新的技術手段和方法。採用此種技術方法可以實現對太陽能的大規模的綜合利 用，利用各種熱管技術以及流體換熱技術將吸收後的熱能進行利用，特別是採用熱管技術 對高熱流密度的熱量進行轉換利用，從而實現了對太陽能的中高溫度的利用。具體發明內容如下一種外石英太陽能光熱轉化器，至少包括一個石英器件、在石英器件內部設置有 一個換熱裝置，在換熱裝置的外表面或石英器件的內壁設置有太陽能塗層。只要可以將太陽能轉化的熱能進行利用，都可以成為本發明的可以利用的換熱 器，通常換熱裝置可以為熱管的蒸發端(4)。將熱管的蒸發端設置在石英器件的內部，冷凝 端設置在石英器件的外部，此種換熱主要採用各種熱管技術進行換熱，包括任何的封閉腔 體熱驅動的換熱技術，實現了高效、大熱流密度的換熱。任何種類的結構，只要符合換熱的要求，都可以用於進行換熱，所述熱管至少可以 採用下列一種普通熱管、整體熱管、分離式循環熱管、可連接熱管、脈衝熱管。本發明的中的換熱裝置還可以採用至少含有一個進口(5)或/和一個出口(6) 的部件，一種流體(14)通過進口進入，達到出口後流出，流體與部件中太陽能轉化的熱能 進行熱交換，流體為液體、氣體、固液混合物、氣液混合物、氣液固混合物中的一種。包含一 個盲管器件的換熱器，此時換熱裝置僅有一個口，即是進口也是出口，熱流體被加熱後在進 行換熱；同時也可以是有一個進口和一個出口的器件，流體從進口進入從出口流出。對於 400度一下的溫度，通常採用導熱油為流體，對於高於400度的應用，可以採用各種金屬、非 金屬、化學鹽類工作介質進行傳熱換熱；對於低溫的發電設備，採用低溫有機工作介質為流 體，對於中高溫採用水為發電工作介質。換熱裝置的材質可以選擇下列一種A、金屬，不鏽鋼、鐵管；B、非金屬管，包括石英管、玻璃管、塑料管；C、複合管，包括金屬與非金屬的複合管以及金屬與金屬，非金屬與非金屬的複合管。
由於石英管的熱膨脹係數比玻璃小，因而可以採用各種低成本的連接方式，針對 不同的溫度區間，可以採用不同的連接方式，換熱裝置與石英器件的連接方式採用下列一 種A、過度材料連接，包括可伐合金連接、金屬或陶瓷的過度材料；B、內或外波紋管連接；C、非金屬軟連接，包括採用橡膠膠圈、密封墊、矽膠圈、軟木塞。對於低溫的太陽能塗層，可以採用真空密閉，對於高溫的太陽能塗層，可以採用非 真空或半真空的密閉，因而針對不同的應用溫度，可以採用適合的封閉方式，通常石英器件 與換熱裝置構成下列器件之一A、真空器件通過抽真空或加熱排氣使得石英器件與換熱裝置構成一個密閉腔 體，內部可以保持真空度。B、非真空期間石英器件與換熱裝置非真空密閉，氣體可以進入或排出；C、半真空期間石英器件與換熱裝置構成一個密閉腔體，但是不是採用真空密閉， 隨著使用內部的真空度將逐漸降低。在石英器件外部、石英器件與換熱裝置之間或/和在石英器件的外部設置有太陽 能鏡；在石英器件外部採用投射的各種太陽能鏡將太陽光射入到腔體的內部，優選採用菲 涅爾透鏡；石英器件與換熱裝置之間的器件，優選採用反射或折射的太陽鏡，將進入到腔體 的太陽光聚焦到換熱裝置上；對於在石英器件的外部可以設置反射或透射鏡，實現聚焦或 者二次聚焦，即首先採用一種太陽能鏡進行聚焦，如果需要再進行二次聚焦或多次聚焦，直 到複合設計要求；對於高溫的太陽能利用，輻射換熱將成為關鍵換熱，因而需要增加反輻射 的太陽能鏡，如可以採用低價的錫箔實現反輻射換熱；無論採用哪種方式，只要可以將太陽 光進行透射、反射、折射後聚焦於換熱器上，都是可以採用的方法，通常太陽能鏡選自下列 一種A、複合拋物面反射鏡；B、菲尼爾鏡(10)，包括或反射鏡；C、凹、凸(11)透鏡;D、盤式拋物面反射鏡(12)；E、柱、槽(13)狀拋物面反射鏡；F、平面反射鏡；G、對熱輻射進行反射的材料，包括錫箔。在石英器件或換熱裝置的太陽光不能照射到的部位上還是設置有保溫材料，以便 於減少熱損，根據不同的應用溫度，可以採用不同的保溫方式，對於高溫應用，首先需要石 棉、纖維、水泥等實現高溫的保溫，然後還需要低溫的聚氨酯、聚苯材料等保溫材料，通常可 以採用至少選擇下列一種或多種的組合材料A、含有真空層(1)的金屬或非金屬材料；B、石棉、纖維保溫材料；C、保溫水泥；D、聚氨酯、聚苯材料、塑料、尼龍保溫材料；E、保溫塗料。
為了增加換熱裝置對太陽能吸收的效率，換熱裝置的太陽光照射的部位設置有增加換熱能力的器件，優選為翅片，在翅片上，還設置有太陽能塗層。可以採用任何形狀實現本發明的目的，但是石英器件及換熱部件的形狀通常可以 為圓柱、球形、橢圓形、多面體、扇形、帶有凹或凸孔的多面體的一種或多種，圓柱的器件適 合於線聚焦的太陽能採集，如石英管、或內外部都是石英管的器件，球形、橢圓形、多面體、 扇形；以及帶有凹或凸孔的圓柱、球形、橢圓形、多面體、扇形適合於蝶式及塔式太陽能的採 集及利用，可以根據不同的太陽採集，採用不同的形狀；帶有凹或凸孔的圓柱用於增加太陽 能的利用效率。一種外石英太陽能光熱轉化方法，利用上述的外石英光熱轉化器進行太陽能光熱 轉換，其步驟是首先是將太陽光聚焦於換熱裝置上；其次是通過設置在換熱裝置外表面 或石英器件內壁的太陽能塗層將太陽能轉換為熱能，最後是通過設置在石英器件內部的換 熱裝置將熱能傳遞和/或交換到石英器件的外部，從而實現太陽能的光熱轉化及熱能的利用。


圖1 雙石英管太陽能光熱轉化器；圖2 外石英盲管內熱管太陽能光熱轉化器；圖3 六邊形光熱轉化器；圖4 半圓形光熱轉化器。附圖中標記的內容如下1 換熱裝置，2 石英器件，3 太陽能塗層，4 連接方式，5 流體進口，6 :流體出 口，7 腔體，8 太陽能透鏡，9 太陽能反射鏡，10 保溫材料。
具體實施例方式實施例一雙石英管太陽能光熱轉化器按照圖1所示，外部為石英管(2)，內部的換熱器(1)是由金屬管組成的太陽能 光熱轉化器，在內石英管上設置有太陽能塗層(3)，內金屬管與外石英管通過連接結構(4) 進行連接，內金屬管內一端為進口(5)，另一端為出口(6)；對以低溫100度以下的熱水應 用，可以採用低溫太陽能塗層，可以採用真空連接；流體為水；對於100-400度的中溫應用， 採用中溫的太陽能塗層，其內外管的而連接方式，採用半真空的連接，流體為導熱油；對於 400度以上的高溫應用，採用高溫的太陽能塗層，採用非真空密閉，流體為空氣；對於低溫 的應用，可以採用非跟蹤的太陽能採集，對於中溫的應用，可以採用槽式線聚焦的太陽能採 集，對於高溫的應用，可以採用蝶式或塔式的太陽能跟蹤技術；這樣對於任何需要的工作溫 度，都可以採用雙石英管實現太陽能的採集和利用。實施例二 外石英盲管內熱管太陽能光熱轉化器按照圖2所示，外部為石英管為一端封口的盲管(2)，內部的換熱器⑴是金屬熱 管組成的太陽能光熱轉化器，在內部的熱管上(1)設置有太陽能塗層(3)，內熱管與外石英 管通過連接結構(4)進行連接，內熱管的蒸發設置在石英管的內部，冷凝端設置在石英管 的外部；對以低溫100度以下的熱水應用，可以採用低溫太陽能塗層，可以採用真空連接；流體為水；對於100-400度的中溫應用，採用中溫的太陽能塗層，其內外管的而連接方式， 採用半真空的連接，流體為導熱油；對於400度以上的高溫應用，採用高溫的太陽能塗層， 採用非真空密閉，流體為水，這樣可以實現高壓高溫的蒸汽供應，實現高效的太陽能發電及 利用；對於低溫的應用，可以採用非跟蹤的太陽能採集，對於中溫的應用，可以採用槽式線 聚焦的太陽能採集，對於高溫的應用，可以採用蝶式或塔式的太陽能跟蹤技術；這樣對於 任何需要的工作溫度，都可以外石英盲管內熱管太陽能光熱轉化器實現太陽能的採集和利 用。實施例三六邊形光熱轉化器
按照圖3所示，外部為六邊形石英管器件(2)，在石英器件的太陽光入射部位設置 有太陽能透鏡(8)，內部的換熱器(1)是不鏽鋼的圓柱體器件，在內部的換熱裝置上(1)設 置有太陽能塗層(3)，內換熱裝置與外石英管通過連接結構(4)進行連接，內換熱裝置設 置在石英器件的內部，同時在換熱裝置上設置有進口(5)和出口(6)，流體從進口進入，從 出口流出；對於低溫100度以下的熱水應用，可以採用低溫太陽能塗層，連接方式可以採用 非真空連接，流體為水；對於100-400度的中溫應用，採用中溫的太陽能塗層，其內外管的 而連接方式，採用半真空的連接，流體為化學鹽類物質；對於400度以上的高溫應用，採用 高溫的太陽能塗層，採用非真空密閉，流體為高溫化學鹽，這樣可以實現高壓高溫的蒸汽供 應，實現高效的太陽能發電及利用；對於低溫的應用，可以採用非跟蹤的太陽能採集，對於 中溫的應用，可以採用槽式線聚焦的太陽能採集，對於高溫的應用，可以採用蝶式或塔式的 太陽能跟蹤技術；這樣對於任何需要的工作溫度，都可以採用六邊形光熱轉化器實現太陽 能的採集和利用。實施例四半圓形光熱轉化器按照圖4所示為截面側視圖，外部石英管器件為一個半圓形的柱體(2)，石英器件 設置在一個更大的金屬半圓形器件的內部，在金屬半圓器件上設置有太陽能透鏡(8)，可 以使太陽能光入射到腔體內(7)，在腔體內部與石英器件外部設置有太陽能反射鏡(9)，採 用錫箔實現對輻射的反射，特別是是實現高溫的太陽能採集時，需要針對輻射換熱進行特 別的反射處理；在石英器件的太陽光不能照射的部位設置有保溫材料(10)，內部的換熱器 (1)是一個熱管組件，在兩側的熱管為流體的進口(5)和出口(6)，在熱管上(1)設置有太 陽能塗層(3)，內熱管器件與外石英管通過連接結構(4)進行連接，內熱管設置在石英器件 的內部，流體從進口進入，從出口流出；對於低溫100度以下的熱水應用，可以採用低溫太 陽能塗層，連接方式可以採用非真空連接，流體為水；對於100-400度的中溫應用，採用中 溫的太陽能塗層，其內外管的而連接方式，採用半真空的連接，流體為化學鹽類物質；對於 400度以上的高溫應用，採用高溫的太陽能塗層，採用非真空密閉，流體為水，這樣可以實現 高壓高溫的蒸汽供應，實現高效的太陽能發電及利用；對於低溫的應用，可以採用非跟蹤的 太陽能採集，對於中溫的應用，可以採用槽式線聚焦的太陽能採集，對於高溫的應用，可以 採用蝶式或塔式的太陽能跟蹤技術；本結構特別適合於塔式及蝶式的太陽能採集，對於高 溫的太陽能利用更具備高效率和低成本；這樣對於任何需要的工作溫度，都可以採用六邊 形光熱轉化器實現太陽能的採集和利用。
權利要求
一種外石英太陽能光熱轉化器，其特徵是至少包括一個石英器件、在石英器件內部設置有一個換熱裝置，在換熱裝置的外表面或石英器件的內壁設置有太陽能塗層。
2.根據權利要求1所述的外石英太陽能光熱轉化器，其特徵是所述換熱裝置為熱管 的蒸發端，所述熱管的冷凝端設置在石英器件的外部。
3.根據權利要求2所述的外石英太陽能光熱轉化器，其特徵是所述熱管至少為下列 一種普通熱管、整體熱管、分離式循環熱管、可連接熱管、脈衝熱管。
4.根據權利要求1所述的外石英太陽能光熱轉化器，其特徵是所述換熱裝置為至少 含有一個進口(5)或/和一個出口(6)的部件，一種流體(14)通過進口進入，達到出口後 流出，流體與部件中太陽能轉化的熱能進行熱交換，流體為液體、氣體、固液混合物、氣液混 合物、氣液固混合物中的一種。
5.根據權利要求1-4所述的外石英太陽能光熱轉化器，其特徵是換熱裝置材質為下 列一種A、金屬，不鏽鋼、鐵管；B、非金屬管，包括石英管、玻璃管、塑料管；C、複合管，包括金屬與非金屬的複合管以及金屬與金屬，非金屬與非金屬的複合管。
6.根據權利要求1-4所述的外石英太陽能光熱轉化器，其特徵是換熱裝置與石英器 件的連接方式採用下列一種A、過度材料連接，包括可伐合金、金屬或陶瓷的過度材料；B、內或外波紋管連接；C、非金屬軟連接，包括採用橡膠膠圈、密封墊、矽膠圈、軟木塞。
7.根據權利要求1-4所述的外石英太陽能光熱轉化器，其特徵是石英器件與換熱裝 置構成下列器件之一A、真空器件；通過抽真空或加熱排氣使得石英器件與換熱裝置構成一個密閉腔體，內 部可以保持真空度。B、非真空期間；石英器件與換熱裝置非真空密閉，氣體可以進入或排出；C、半真空期間；石英器件與換熱裝置構成一個密閉腔體，但是不是採用真空密閉，隨著 使用內部的真空度將逐漸降低。
8.根據權利要求1-4所述的外石英太陽能光熱轉化器，其特徵是在石英器件外部、石 英器件與換熱器件之間或/和在石英器件的外部設置有太陽能鏡，將太陽光進行反射、透 射、折射後聚焦於換熱裝置上，太陽能鏡選自下列一種A、複合拋物面反射鏡；B、菲尼爾鏡(10)，包括或反射鏡；C、凹、凸(11)透鏡；D、盤式拋物面反射鏡(12)；E、柱、槽(13)狀拋物面反射鏡；F、平面反射鏡；G、對熱輻射進行反射的材料，包括錫箔。
9.根據權利要求1-4所述的外石英太陽能光熱轉化器，其特徵是在石英器件或換熱 裝置上的太陽光不能照射到的部位上還設置有保溫材料，所述保溫材料為至少選擇下列一種或多種的組合材料A、含有真空層(1)的金屬或非金屬材料；B、石棉、纖維保溫材料；C、保溫水泥； D、聚氨酯、聚苯材料、塑料、尼龍保溫材料；E、保溫塗料。
10.根據權利要求1-4所述的外石英太陽能光熱轉化器，其特徵是在所述換熱裝置上 設置有翅片。
11.根據權利要求1-4所述的外石英太陽能光熱轉化器，其特徵是石英器件及換熱裝 置的形狀為圓柱、球形、橢圓形、多面體、扇形、以及帶有凹或凸孔的圓柱、球形、橢圓形、多 面體、扇形的一種或多種。
12.—種外石英太陽能光熱轉化方法，利用權利要求1-11所述的外石英光熱轉化器進 行太陽能光熱轉換，其步驟是首先是將太陽光聚焦於換熱裝置上；其次是通過設置在換 熱裝置外表面或石英器件內壁的太陽能塗層將太陽能轉換為熱能，最後是通過設置在石英 器件內部的換熱裝置將熱能傳遞和/或交換到石英器件的外部，從而實現太陽能的光熱轉 化及熱能的利用。
全文摘要
本發明公布了一種適合於不同的溫度的太陽能光熱轉化器和利用石英器件進行太陽能光熱轉化的方法。採用石英器件實現太陽能的不同溫度的採集，至少包括一個石英器件、在石英器件內部設置有一個換熱器件，在換熱器件外表或石英器件內壁設置有太陽能塗層，將太陽能轉換為熱能，換熱器件將熱能傳遞和/或交換到石英器件的外部，實現太陽能的光熱轉化及熱能最終的利用。在吸熱器件上，特別是採用熱管技術進行換熱技術將熱能進行吸收利用，特別是對太陽能的中高溫的應用。採用此種技術方法可以實現對太陽能的大規模的綜合利用，利用各種熱管技術以及流體換熱技術將吸收後的熱能進行利用，特別是採用熱管技術對高熱流密度的熱量進行轉換利用，從而實現了對太陽能的中高溫度的利用。
文檔編號F24J2/24GK101876486SQ20091030202
公開日2010年11月3日 申請日期2009年4月30日 優先權日2009年4月30日
發明者李建民 申請人:北京智慧劍科技發展有限責任公司