一種內石英太陽能光熱轉化器及方法

2023-12-10 08:56:22 1

專利名稱：一種內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
4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內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，同時將石英器件製造成為熱管，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，將太陽能轉換為熱能，石英器件將熱能傳遞和/或交 換到透光器件的外部，實現太陽能的光熱轉化及熱能最終的利用。透光器件為可以將太陽 光透過的器件，包括普通的非石英玻璃、透光塑料及各種透光材料。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。直接將石英器件製作為一個換熱器件或者以石英器件為殼體按照熱管的生產制 造技術使其成為熱管從而構成本發明的石英器件。當將石英器件設置成為熱管時，所述的 石英器件被設置成為熱管的蒸發端，優選的熱管選擇自下列至少一種A、普通熱管；B、整體熱管；C、分離式循環熱管；D、可連接熱管；F、脈衝熱管；G、循環自激震蕩熱管。本發明所述的石英器件還可以設置為至少含有一個進口(5)或/和一個出口(6) 的石英器件，一種流體(14)通過進口進入，達到出口後流出，流體與石英器件進行熱能交 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 件的石英器件，此時僅有一個口，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。
石英器件可以應用於30-1500度的大範圍的溫度區域，對於低溫應用，通常採用 水為工作介質進行傳熱；對於60-400度的溫度的應用，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。為了增加石英器件的強度或太陽能轉換面積，在石英器件的內或外表還設置有金 屬器件或翅片。在石英器件的外部設置有金屬器件，在金屬器件上設置有太陽能塗層，從而 增加石英器件的太陽能轉換能力，為了能夠使其具備更強的承壓能力，在器件的上設置有 金屬器件，如在石英管的內部設置金屬管，這樣可以增加其承壓能力。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，透光器件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 與透光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透光器件構成一個密閉腔 體，內部可以保持真空度。B、非真空器件石英器件與透光器件非真空密閉，氣體可以進入或排出；C、半真空器件石英器件與透光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。在石英器件外部、石英器件與透光器件之間或/和在石英器件的外部設置有太陽 能鏡；在透光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；石英器件與透光器件之間的器件，優選採用反射或折射的太陽鏡，將進入到腔體 的太陽光聚焦到石英器件上；對於在透光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、折射後聚焦於石英器件上，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。
在石英器件或透光器件的太陽光不能照射到的部位上還設置有保溫材料，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。為了增加石英器件對太陽能吸收的效率，石英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，但是石英器件及透光器件的形狀通常可以 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。一種內石英太陽能光熱轉化方法，利用以上所述的內石英太陽能光熱轉化器進行 太陽能光熱轉換，其步驟是首先是將太陽光聚焦於石英器件上；其次是通過設置在石英 器件外表或透光器件內壁的太陽能塗層將太陽能轉換為熱能，最後是通過石英器件將熱能 傳遞和/或交換到透光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 外真空玻璃管內石英管太陽能光熱轉化器圖2 真空玻璃管石英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忠標記的具體含義如下1 石英器件，2 透光器件，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。實施方式實施例一外玻璃內石英管太陽能光熱轉化器按照圖1所示，外部為真空玻璃管(2)，內部是石英管(1)組成太陽能光熱轉化器， 在內石英管上設置有太陽能塗層(3)，內石英管與外真空玻璃管通過連接結構(4)進行連 接，內石英管一端為進口(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，都可以採用此實現太陽能的採集和利用。實施例二 真空玻璃管石英熱管太陽能光熱轉化器按照圖2所示，外部為真空玻璃管為一端封口的盲管(2)，內部是將石英管制造為 石英熱管的石英器件(1)組成的太陽能光熱轉化器，在內部的石英管熱管上(1)設置有太 陽能塗層(3)，內熱管與外真空玻璃管通過連接結構(4)進行連接，內熱管的蒸發設置在真 空玻璃管的內部，冷凝端設置在真空玻璃管的外部；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，都可以此光熱轉化器實現 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，外部為六邊形透光器件(2)，在透光器件的太陽光入射部位設置有 太陽能透鏡(8)，其餘部分採用耐溫、保溫材料，在內部的石英器件上(1)設置有太陽能塗 層(3)，內石英器件與外透光器件通過連接結構(4)進行連接，內石英器件設置在透光器件 的內部，同時在石英器件上設置有進口(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，石英管器件為一個半圓形的柱體(1)及設置在內部 額度石英管(1)，石英器件設置在一個更大的半圓形透光器件的內部，在半圓形透光器件上 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)是三個石英熱管組件，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，內熱管設置在半圓形石英器件的內部，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
一種內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將太陽能轉換為熱能的太陽能塗層，所述石英器件將熱能傳遞和/或交換到透光器件的外部。
2.根據權利要求1所述的內石英太陽能光熱轉化器，其特徵是所述的石英器件被設 置成為熱管的蒸發端，熱管選擇自下列至少一種A、普通熱管；B、整體熱管；C、分離式循環熱管；D、可連接熱管；F、脈衝熱管；G、循環自激震蕩熱管。
3.根據權利要求1所述的內石英太陽能光熱轉化器，其特徵是所述的石英器件為至 少含有一個進口(5)或/和一個出口(6)的石英器件，一種流體(14)通過進口進入，達到 出口後流出，流體與石英器件進行熱能交換，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。
4.根據權利要求1-3所述的內石英太陽能光熱轉化器，其特徵是為了增加石英器件 的強度或太陽能轉換面積，在石英器件的內或外表還設置有金屬器件或翅片。
5.根據權利要求1-3所述的內石英太陽能光熱轉化器，其特徵是透光器件與石英器 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。
6.根據權利要求1-3所述的內石英太陽能光熱轉化器，其特徵是石英器件與透光器 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透光器件構成一個密閉腔體，內 部可以保持真空度。B、非真空器件石英器件與透光器件非真空密閉，氣體可以進入或排出；C、半真空器件石英器件與透光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。
7.根據權利要求1-3所述的內石英太陽能光熱轉化器，其特徵是在石英器件與透光 器件之間或/和在透光器件的外部設置有太陽能鏡，將太陽光進行反射、投射、折射後聚焦 於石英器件上，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、對熱輻射進行反射的材料，包括錫箔。
8.根據權利要求1-3所述的內石英太陽能光熱轉化器，其特徵是在石英器件或透光 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；
9.根據權利要求1-3所述的內石英太陽能光熱轉化器，其特徵是石英器件及換熱部 件的形狀為圓柱、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、扇形一種或多種。
10.一種內石英太陽能光熱轉化方法，利用權利要求1-9所述的內石英太陽能光熱轉 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石英器件上；其次是通過設 置在石英器件外表或透光器件內壁的太陽能塗層將太陽能轉換為熱能，最後是通過石英器 件將熱能傳遞和/或交換到透光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內石英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。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。採用石英器件為太陽能採集器件，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，將太陽能轉換為熱能，石英器件將熱能傳遞和/或交換到透光器件的外部，實現太陽能的光熱轉化及熱能最終的利用。本發明的目的就是提供一種適合於不同的溫度的太陽能光熱轉化器，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。
文檔編號F24J2/51GK101876485SQ20091030202
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