一種內石英陣列太陽能光熱轉化器及方法

2023-12-10 08:53:52 1

專利名稱：一種內石英陣列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，主要採用外不為玻璃管，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合於不同的溫度的陣列的太陽能光熱轉化器及轉化方 法，特別是實現太陽能的中高溫的陣列光熱轉換器件，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，應用於槽式、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內石英陣列太陽能光熱轉化器，至少包括多個石英吸熱器件組成一個陣列， 石英吸熱器件至少包括一個石英器件、在石英器件外部設置有一個透光器件，在石英器件 外表或透光器件內壁設置有太陽能塗層，實現太陽能的光熱轉化及熱能最終的利用。充分 的利用石英器件的物理化學性能實現太陽能的採集，將為太陽能的利用提供一種新的技術 手段和方法。本發明的石英吸熱器件可以設置為多種形式，其基本形式可以為下列幾種石英吸熱器件可以設置為盲管石英吸熱器件，其一端為盲管，另一端開口，其外部 設置有相同的透光器件，流體從石英管的進口和出口流出，在石英器件的中間的部位殼體 的內部或外部設置有太陽能塗層。石英吸熱器件可以設置為含有至少一個進口和一個出口的石英吸熱部件；在其外 部設置有一個透光器件，在石英部件的進口與出口之間設置有太陽能塗層；一種流體通過 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；石英吸熱器件可以設置為石英熱管吸熱器件，將石英管制造為熱管，並在其外部 設置有一個透光器件，石英熱管的蒸發端的殼體上設置有太陽能塗層。根據不同的需要可以將上述的石英吸熱器件進行多種的組合而成為石英吸熱器 件陣列，通常可以通過串聯、並聯、或串並聯組成一個陣列，以適合於50-1300度的非跟蹤、 槽式、蝶式、塔式的各種應用；所述的流體為液體、氣體、固液混合物、氣液混合物、氣液固混 合物中的一種或多種。任何種類的結構，主要符合換熱的要求，都可以用於進行換熱，通常換熱部件的熱 管為至少下列一種熱管A、普通熱管；B、整體熱管；C、分離式循環熱管；
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D、可連接熱管；F、脈衝熱管。太陽能塗層選擇下列至少一種或其組合A、金屬及金屬氧化物，包括；銀、銅、三氧化二鋁；B、聚合物；C、納米材料；包括氧化鋅納米，D、粘接劑；E、由單金屬組成的塗層；F、太陽能多層選擇塗層。石英吸熱器件的外部，還設置有一個腔體，腔體將多個吸熱器件完全容納，並與吸 熱期間構成為一個可以封閉連接的器件，在腔體上設置有一個可以使太陽光射入到腔體內 部的太陽能鏡，太陽光射入到體內部的吸熱器件的太陽能塗層上。石英吸熱器件與腔體的連接方式採用下列一種A、過度材料連接，包括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。腔體與石英吸熱器件構成下列器件之一A、真空器件；通過抽真空或加熱排氣使得石英器件與吸熱器件構成一個密閉腔 體，內部可以保持真空度。B、非真空期間；石英器件與吸熱器件非真空密閉，氣體可以進入或排出；C、半真空期間；石英器件與吸熱器件構成一個密閉腔體，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。當沒有設置腔體時，在石英吸熱器件的外部設置有太陽能鏡；當設置有腔體時，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；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； 石英器件與換熱器件之間的器件，優選採用反射或折射的太陽鏡，將進入到腔體的太陽光 聚焦到換熱器件上；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。在石英器件或換熱器件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⑴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；為了增加換熱器件對太陽能吸收的效率，換熱器件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。所述的透光器件為真空玻璃管、玻璃管、透光塑料管、石英管的一種。一種內石英陣列太陽能光熱轉化方法，其步驟是首先是通過太陽能聚光裝置將 太陽光照射在權利要求1-10所述的內石英陣列太陽能光熱轉化器上；其次是石英器件外 表或透光器件內壁上的太陽能塗層將太陽能轉換為熱能；最後是石英吸熱器件將熱能傳遞 和/或交換到外部，實現太陽能的光熱轉化及熱能最終的利用。


圖1 石英並聯太陽能光熱轉化器圖2 石英盲管並聯太陽能光熱轉化器圖3 三個並排石英熱管光熱轉化器圖4 並聯半圓形光熱轉化器圖中標記的具體含義如下1 透光器件，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石英並聯太陽能光熱轉化器按照圖1所示，外部為真空玻璃管⑵，內部為三個相互並聯的石英管⑴組成的 太陽能光熱轉化器，多個石英管的進口利用一個管道進行連接為一個進口，三個石英管的 出口相互連接成為一個出口 ；在內石英管上設置有太陽能塗層(3)，內石英管與真空玻璃 管通過連接結構(4)進行連接；對於低溫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，都可以採用此實現太 陽能的採集和利用。實施例二 石英盲管並聯太陽能光熱轉化器按 照圖2所示，外部為石英管(2)，內部同樣由三個石英管(1)組成的太陽能光熱 轉化器，在內部的石英管上(1)設置有太陽能塗層(3)，內石英管與外石英管通過連接結構 (4)進行連接，三個石英管進行串聯；對於低溫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，都可以石英盲管並聯太陽能光熱轉化器 實現太陽能的採集和利用。實施例三三個並排石英熱管光熱轉化器按照圖3所示，外部為一個玻璃六面體(2)，在玻璃六面體的太陽光入射部位設置 有太陽能透鏡(8)，內部由三個石英熱管並排組成，在內部的熱管的蒸發端上(1)設置有太 陽能塗層(3)，熱管的冷凝端設置在另外一個箱體內，另外的箱體內設置有進口(5)和出口 (6)，可以利用流體進行換熱；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，都可以採用三個並排 石英熱管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，外部透光器件為一個半圓形的玻璃器件(2)，石英 吸熱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)，內部由 三個石英熱管組成，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)，內石英熱管器件與外金屬器件通過連接結構(4)進行連接，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
一種內石英陣列太陽能光熱轉化器，其特徵是至少包括多個石英吸熱器件組成一個陣列，石英吸熱器件至少包括一個石英器件、在石英器件外部設置有一個透光器件，在石英器件外表或透光器件內壁設置有太陽能塗層，實現太陽能的光熱轉化及熱能最終的利用。
2.根據權利要求1所述的內石英陣列太陽能光熱轉化器，其特徵是石英吸熱器件至 少由下列一種組成A、盲管石英吸熱器件一端為盲管，另一端開口，其外部設置有相同的透光器件，流體 從石英管的進口和出口流出，在石英器件的中間的部位殼體的內部或外部設置有太陽能塗 層；B、含有至少一個進口和一個出口的石英吸熱部件在其外部設置有一個透光器件，在 石英部件的進口與出口之間設置有太陽能塗層；一種流體通過進口進入，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；C、石英熱管吸熱器件將石英管制造為熱管，並在其外部設置有一個透光器件，石英熱 管的蒸發端的殼體上設置有太陽能塗層。
3 根據權利要求1、2所述的內石英陣列太陽能光熱轉化器，其特徵是所述的多個石 英吸熱器件通過串聯、並聯、或串並聯組成一個陣列，適合於50-1300度的應用；所述的流 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或多種。
4.根據權利要求1所述的內石英陣列太陽能光熱轉化器，其特徵是太陽能塗層選擇 下列至少一種或其組合A、金屬及金屬氧化物，包括銀、銅、三氧化二鋁；B、聚合物；C、納米材料，包括氧化鋅納米，D、粘接劑；E、由單金屬組成的塗層；F、太陽能多層選擇塗層。
5.根據權利要求1所述的內石英陣列太陽能光熱轉化器，其特徵是在石英吸熱器件 的外部，還設置有一個腔體，腔體將多個吸熱器件完全容納，並與吸熱器件構成為一個可以 封閉連接的器件，在腔體上設置有一個可以使太陽光射入到腔體內部的太陽能鏡，太陽光 射入到腔體內部的石英吸熱器件的太陽能塗層上。
6.根據權利要求5所述的內石英陣列太陽能光熱轉化器，其特徵是石英吸熱器件與 腔體的連接方式採用下列一種A、過度材料連接，包括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5所述的內石英陣列太陽能光熱轉化器，其特徵是腔體與吸熱器件 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吸熱器件構成一個密閉腔體，內 部可以保持真空度。B、非真空期間石英器件與吸熱器件非真空密閉，氣體可以進入或排出；C、半真空期間石英器件與吸熱器件構成一個密閉腔體，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、5所述的內石英陣列太陽能光熱轉化器，其特徵是在石英吸熱器 件外部或者在腔體上、腔體與吸熱器件之間或/和在其腔體外部設置有太陽能鏡，將太陽 光進行反射、投射、折射後聚焦於吸熱器件上，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、對輻射進行反射的材料，包括錫箔。
9.根據權利要求1所述的內石英陣列太陽能光熱轉化器，其特徵是腔體或/和吸熱 器件的太陽光不能照射到的部位上還是設置有保溫材料，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所述的內石英陣列太陽能光熱轉化器，其特徵是石英吸熱器件優 選採用石英石英，腔體的形狀為圓柱、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，所述的透光器件為真空玻璃管、玻璃管、透光 塑料管、石英管的一種。
11.一種內石英陣列太陽能光熱轉化方法，其步驟是首先是通過太陽能聚光裝置將 太陽光照射在權利要求1-10所述的內石英陣列太陽能光熱轉化器上；其次是石英器件外 表或透光器件內壁上的太陽能塗層將太陽能轉換為熱能；最後是石英吸熱器件將熱能傳遞 和/或交換到外部，實現太陽能的光熱轉化及熱能最終的利用。
全文摘要
本發明的提供了一種適合於不同的溫度的陣列的太陽能光熱轉化器，特別是實現太陽能的中高溫的陣列光熱轉換器件，以及應用於槽式、塔式以及蝶式的太陽能光熱轉化器件；一種內石英陣列太陽能光熱轉化器，至少包括多個石英吸熱器件組成一個陣列，石英吸熱器件至少包括一個石英器件、在石英器件外部設置有一個透光器件，在石英器件外表或透光器件內壁設置有太陽能塗層，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F24J2/48GK101876494SQ20091030202
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