一种蝶式聚光双层集热器结构的制作方法

1.本实用新型属于太阳能集热器结构设计技术领域，具体涉及一种蝶式聚光双层集热器结构。

背景技术：

2.现有的集热器是以圆柱体为代表（球形体、圆锥体等），采用圆柱螺旋盘状结构，外表面裹以隔热材料，以减少腔体对外界环境的散热，内部有工作介质流通的盘管腔体，由于盘管腔体是圆柱形，这就要求集热玻璃镜面光束聚焦、光斑与圆柱形管壁一定要重交，对后续对焦、风向、跟踪系统的每分度定位要求严格，以保证腔体能充分吸收聚焦的太阳光。经聚光器聚焦后的太阳直射辐射从腔口进入，均匀发散至集热器表面被直接吸收或经过多次反射后被吸收，通过聚光器反射后的太阳光直接照射到盘状加热管的表面，管内工作介质高速流过吸收太阳辐射使介质的温度和压力升高。
3.由于太阳辐射的不稳定性和聚光镜存在的加工精度问题，可能会带来加热管上热流密度分布的不均匀与不稳定现象，将在某些小范围内产生极高的温度，从导热、对流、辐射三种流动传热方式来看，存在光束因角度偏差，形成偏移现象，以及管壁受热不均匀，导致介质流动不均匀及局部过热与失效问题。
4.即：在某一小范围内产生的“热点”会对热管本身系统造成破坏（烧穿等）。

技术实现要素：

5.有鉴于此，本实用新型要解决的技术问题是，提供一种集热能力强、运行成本低、使用寿命长、自动化程度高的蝶式聚光双层集热器结构。
6.本实用新型的技术方案是：
7.一种蝶式聚光双层集热器结构，它包括立架，在立架上设有蝶式跟踪聚光器和能进行二级集热吸收的螺旋双层集热器，螺旋双层集热器与换热系统相连。
8.上述螺旋双层集热器包括带有二级导热腔的壳体，在壳体内设有与壳体内壁相贴合的螺旋盘管，螺旋盘管内为一级导热腔，换热系统内设有分别与一级导热腔、二级导热腔对应相连的第一换热介质和第二换热介质。
9.上述壳体包括圆台形防护罩、二级导热腔、与二级导热腔相互连通的第二换热介质进口和第二换热介质出口，在圆台形防护罩内设有隔热层。
10.上述圆台形防护罩为对称设置，在太阳光入射口处还设有用于引导光束的入射光圈。
11.上述螺旋盘管包括相对太阳光入射口方向前大后小的螺旋状耐高温合金管，且其后端底部为平底环绕结构，在平底环绕结构设有第一换热介质流通的第一换热介质进口和第一换热介质出口。
12.上述螺旋盘管的锥形角为15-20度。
13.上述耐高温合金管的折叠层数至少为15层，底部至少为3圈平底互相环绕设置；并
且耐高温合金管管径至少为135mm。
14.上述第一换热介质为具有良好导热性的气体；第二换热介质为导热油。
15.上述蝶式跟踪聚光器包括蝶形桁架，在蝶形桁架背部设有背板，在背板上连接有用于反射太阳光玻璃镜面；蝶形桁架通过跟踪系统与立架转动连接，使蝶式跟踪聚光器可跟踪太阳方位并将太阳光反射聚焦至螺旋双层集热器内。
16.上述换热系统包括分别与螺旋盘管第一换热介质进出口相连的冷储气罐和热储气罐，以及与二级导热腔相连的熔盐罐。
17.与现有技术比较，本实用新型的有益效果是：
18.1. 螺旋双层集热器内部结构的布置，以增强换热和增大接触面积的方式及时带走聚焦的热量，降低集热器的内壁面温度。采用二级型腔结构，导热油既可以吸热利用，又可以调节因温度过高，导致的螺旋管子烧坏现象的发生。
19.2、集热能力强：碟式双层螺旋集热装置集热能力强，正常工作温度可达850℃以上，能够提供几乎任何场景下的热水、蒸汽需求，在供热领域能够提供极好的出水温度，确保供热质量。
20.3、运行成本低：碟式太阳能供热，相对于传统的燃煤供热、天然气供热、空气源热泵供热等供热方式，在运行期间的成本极低，仅需要在阳光不足的天气通过生物质等方式进行补热，运行成本仅相当于空气源热泵的十分之一。
21.4、维修保养易：传统太阳能供热系统在冰冻、结露、过热、雷、雹、风等气候条件下，极易发生故障、损毁，造成较高的维保成本，碟式双层螺旋集热装置，在抵抗自然灾害方面拥有先天技术优势。
22.5、使用寿命长：普通锅炉的使用寿命约为15年，空气源热泵的寿命7-10年，传统太阳能集热装置寿命约为10年，碟式双层螺旋集热装置采用光热发电级工艺，使用寿命长达25年以上。
23.6、应用范围广：碟式双层螺旋集热装置，既能够实现集中部署，集中供暖，又能够分布式部署，满足分散的供热需求。
24.7、自动化程度高：该技术具有高精度追光精度，稳定的精度寿命的特点，能实现24小时无人值守自动运行，可接受控制中心远程控制，并且提供快速避风，追踪精度校正功能，除此之外，还可提供额外的系统温度测试接口。
25.8、部署灵活，应用前景广：碟式聚光镜双层螺旋集热装置、光热供暖技术可以灵活部署，能够满足分散式村镇以及城市集中的采暖需求。除了供暖，该项技术还可广泛应用于工业蒸汽替代（如食品加工，服装加工，混凝土加工，洗浴等行业）、海水淡化等市场，有望将可再生的清洁能源带向千家万户。
26.9、技术优势：聚光倍数高、集热温度高，达到1000℃，光热效率高；单台模块化分布式，多台集中式应用灵活；占地面积少，可利用空间范围广；双轴跟踪技术门槛高；集热温度可根据用户设计适应温度范围，实现高、中、低温直接利用和储热。
27.本实用新型的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本实用新型的实践中得到教导。本实用新型的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
28.图1是本实用新型的系统结构示意图。
29.图2是本实用新型螺旋双层集热器的立体结构示意图。
30.图3是本实用新型的螺旋双层集热器的剖视图。
31.图4是本实用新型的螺旋双层集热器的俯视图。
32.图中：1-立架；2-蝶式跟踪聚光器；21-蝶形桁架；22-背板；23-玻璃镜面；3-螺旋双层集热器；31-圆台形防护罩；32-二级导热腔；33-螺旋盘管；34-第二换热介质进口；35-第二换热介质出口；36-隔热层；37-入射光圈；38-第一换热介质进口；39-第一换热介质出口；4-导热油；5-冷储气罐；6-热储气罐；7-隔膜阀；8-电磁阀；9-手动闸阀；10-增压风机；11-流量计；12-调节阀；13-pcu框架；14-隔热防护装置；15-太阳光入射口；16-高温旋转接头。
具体实施方式
33.下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型的部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本实用新型保护的范围。
34.如图1-4所示，一种蝶式聚光双层集热器结构，它包括立架1，在立架1上设有蝶式跟踪聚光器2和能进行二级集热吸收的圆台状螺旋双层集热器3，所述螺旋双层集热器3与换热系统相连；螺旋双层集热器3包括带有二级导热腔32的壳体，为了更好的使一级吸热装置和二级吸热装置进行热量传递，将螺旋盘管33在壳体内与壳体内壁相贴合，螺旋盘管33内为一级导热腔，换热系统内设有分别与一级导热腔、二级导热腔对应相连的第一换热介质和第二换热介质。
35.壳体包括圆台形防护罩31，在壳体内设有二级导热腔32，在二级导热腔32内填充有用于受热和温度调节的导热油4，在二级导热腔32相互连通的有第二换热介质进口34和第二换热介质出口35，在圆台形防护罩31内设置有用于隔绝导热油4热量的隔热层36；为避免集热器腔体内的热量散失，将圆台形防护罩31对称设置，按照大直径端对大直径端的安装方式，形成一个两头小，中间大的格局，在太阳光入射口15处还设有用于引导光束的入射光圈37。
36.螺旋盘管33包括相对太阳光入射口15方向前大后小的螺旋状耐高温合金管，且其后端底部为平底环绕结构，在平底环绕结构设有第一换热介质流通的第一换热介质进口38和第一换热介质出口39；螺旋盘管33的锥形角为15-20度；耐高温合金管的折叠层数至少为15层，底部至少为3圈平底互相环绕设置；并且耐高温合金管管径至少为135mm。
37.蝶式跟踪聚光器2包括蝶形桁架21，在蝶形桁架21背部设有背板22，在背板22上连接有用于反射太阳光玻璃镜面23；所述蝶形桁架21通过跟踪系统与立架1转动连接，使蝶式跟踪聚光器2可跟踪太阳方位并将太阳光反射聚焦至螺旋双层集热器3内。
38.换热系统包括分别与螺旋盘管33第一换热介质进出口相连的冷储气罐5和热储气罐6，以及与二级导热腔32相连的熔盐罐。
39.蝶式太阳能聚光螺旋双层集热器3结构的设计，是太阳能高温集热储能的关键部件，在碟式太阳能聚焦集热系统中，太阳能跟踪系统，实行点聚焦，双轴跟踪，高倍的聚光
比，焦点温度达到1000-1300度，螺旋双层集热器3被安置在聚光器的焦点处，来接收来自聚光器的高热流密度的太阳热将其转换成热能。
40.本装置双层结构：腔体内部螺旋盘管33，把高温合金管弯制成反折锥形螺旋状，外围是一个圆台形腔体，螺旋管道33走介质气体聚焦太阳光，圆台形腔体走导热油4液体，二层系统是独立的回路设计，在太阳光束聚光镜反射，聚集到焦点处的螺旋双层集热器3上，螺旋双层集热器3经过光束射线的反射，进行热辐射、热对流、热吸收，将太阳能转换为热能，实现高温、中温多能利用，高温介质气传寄给相变储热箱中，可以完成蒸汽储能，导热油液体传寄的中温热能，实现熔盐储能，用于导热液循环供暖，保证24小时储能、用能。
41.在气体选择中，选择导热性好，氢气、氦气、二氧化碳、氮气等，都具备良好的导热性，本专利优先选择氢气，做为实际工况的首选，氢气价格便宜，市场供应充分。
42.导热油4是一种间接传递热量的热稳定性较好的传热介质。由于其具有加热均匀，调温控制准确，能在低蒸汽压下产生高温，具有抗热裂化和化学氧化的性能，传热效果好，散热快，热稳定性好，节能，输送和操作方便等优点。本专利，充分利用这二种介质，做为蝶式太阳能集热器的首选介质，在实际运用中，也充分说明了，该结构热利用高，实现了高温、中温热能的利用率，光热转换效率达到了95%。
43.在该装置中，碟式光热聚焦，二层结构设计，配合1套200kwh高温储热箱系统，可实现太阳能资源的分布式、城市化、灵活可控的综合能源利用。白天太阳光束辐射导热介质经腔体螺旋双层集热器3，从热头冷端进入200℃的冷气，流经螺旋盘管33，出端温度达到650℃，通过管道把热量带到相变储热箱中。当介质气体因温度过高时，二级导热腔32里面的导热油4，通过流量调节阀，来对热能进行调节，避免因热能过高，导致的集热器烧坏的现象。热量通过二级吸收，一边在储热箱中积累，一边通过换热器，产生蒸汽，热水。夜晚，相变介质慢慢释放热量，保证供热系统24小时连续运转，满足了工业热能的利用。
44.蝶式跟踪聚光器是一个外形类似于雷达天线的大型抛物面装置，抛物面的材料反射性强，用来反射太阳光；蝶式跟踪聚光器2是由跟踪系统驱动时刻跟踪太阳方位，使聚光器将投射到抛物面上的太阳光反射到抛物面的焦点处。
45.螺旋双层集热器3是碟式太阳能储能系统的核心部件，该螺旋体盘旋导热，采用直径20mm高温合金管制作，大端与小端锥形角15度设计，目的是满足太阳光束射线辐射角。螺旋盘管33按照小径135mm，层数15层，底部三圈平底来设计，底部第一换热介质进口38使冷介质气从集热器底部进入，受到壁面导热油4二级辐射加热后，沿内壁面向上流动，导热油从第二换热介质进口34流入，第二换热介质出口35流出。冷热介质气体经过变相储热箱，进行热交换与储存。螺旋双层集热器3外围采用高密度的隔热材料进行包裹，在聚光口聚焦，把汇聚的太阳能接收到腔体内部。蝶形集热热头的开孔口经过优化设计，根据光束聚焦后的光斑直径来设计、目的是避过黑斑焦点，充分利用光斑源设计，把对流和辐射热损失限制在允许的范围内。
46.1.立柱1（立柱1中心安装有360度机构以及上下俯仰机构）；2.回转机构与俯仰机构有连接装置，上面有36根桁架结构组成的蝶形体21；3.蝶形体21上面带定位的背板22结构；4.背板22结构表面上面采用固定胶把0.7mm的玻璃镜面23粘上；5.pcu框架13上面安装螺旋双层集热器3（螺旋双层集热器3由入射光圈37、隔热防护装置14、圆台形防护罩31、隔热层36、高温合金螺旋盘管33组成一个完整的集热器，回折螺旋盘管33由进路15层、折回15
层出路，形成一个腔式回路），底部进气管冷介质气从集热器底部进入，受到壁面加热后，沿内壁面向上流动，最终从集热器开口处上部区域折回螺旋流向底部。二级导热油从一端进入，另一端流出。形成一个完整的闭环回路。整个热介质回路包括冷储气罐5、手动闸阀9、增压风机10、流量计11、调节阀12、高温旋转接头16、电磁阀12、隔膜阀7、热储气罐6、熔盐罐等组成一个完整的碟式太阳能聚焦集热储热闭环系统，完成太阳能光
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热—储能。
47.本装置的工作原理为：聚光双层集热器结构设计，外敷保温层的螺旋盘管33与二级导热腔32贴合，作为碟式太阳能双层集热器的腔式设计，底部螺旋盘管33布局，壁布螺旋锥形螺旋回折式格局，考虑双层集热器3的对流换热与表面辐射，把螺旋盘管33按照小径135mm，螺旋倒角15度，层数15层，底部三圈平底来设计，底部第一换热介质进口38使冷介质气从集热器底部进入，受到壁面加热后，沿内壁面向上流动，最终从集热器3开口处上部区域折回螺旋流向底部。腔体下部分温度较低，上部由于高温气体停滞区的存在，温度较高。另外，外围圆台壳体里面的导热油4介质，也同样收到太阳热得辐射，可以起到受热，调节外围高温合金螺旋盘管33热能调节作用，满足了介质气体温度场的要求，由于加热管内的介质气工质处于高频率往复流动状态，全部管束内壁面均处于均匀一致的介质气对流冷却条件。由于管束是贴近集热器壁面紧凑排列，集热壁面为均匀的强制对流换热，腔内集热管中流动的工质将热量带走，最终系统输入和输出的热量达到热平衡，实现太阳能向热能的转化。
48.另外部采用防护罩31来对管子进行固定，防护罩31采用氧化铝制作，即可耐高温隔热，又可以满足热对流与表面辐射。小口部位有入射光圈37，目的是引导光束在入射光圈出形成焦点，光斑辐射进来以后，在锥形管壁上面直径辐射，在内腔里面形成热流换热和辐射换热。通过壁面的导热、内壁面对聚焦光的反射热、腔体开口处的对流热等。为了满足腔体开口处的对流热损失，尽量设计开口小。避免热流边界和外界风混合对流对集热器热性能的影响。聚光双层集热器结构设计目的是，太阳光束辐射，对流的全吸收。
49.碟式跟踪聚光器2及聚光控制系统采用单立柱双轴跟踪系统，光学拦截率达到95%以上，光热转换效率达到93%以上。单体集热面积100平方米，可为相变储热系统650℃运行的导热工质(气体650℃以上，液体550℃以上)聚集热量，实现清洁供热，积极推进光热供暖项目。
50.双层集热器3具有光热转换效率高、系统成本低、余弦损失少、环境适应强、地理需求低等优势。配合高精度跟踪传感器和自动控制系统，高精度追光、精度自矫正，实现无人自动运行、精度寿命稳定等特点，有效解决集中热网无法覆盖时的供热问题。
51.在选定双层集热器的材料（腔体导热管材料为高温合金管，其耐腐性和成型性都很好，能耐 1300℃的高温，可以满足容重轻、强度高、导热系数、耐高温、耐腐蚀、等特点）和尺寸的情况下，反射热损失是不变的。外围采用耐高温材料，旋压成型，把螺旋盘管33放置在集热器腔体里面，形成二路受热，一路导热氢气，一路导热油4布局，外围采用保温材料性能良好的条件下，双层集热器3的导热损失与对流热损失和辐射热损失相比非常小。因此，腔式双层集热器3的优化方向主要集中在如何减小对流热损失和辐射热损失。
52.对流热损失是由于双层集热器内部的空气温度远高于外界环境温度，引起腔体内部空气与外界空气的对流换热。辐射热损失是由于双层集热器的内壁面温度远高于外界环境温度，因此必然存在内壁面通过双层集热器的开口和外界进行辐射热量交换而双层集热
器的对流热损失比较复杂，受腔体几何结构、倾角以及壁面温度等较多参数的影响，腔式双层集热器的主要能量损失有导热损失、对流热损失和辐射热损失。
53.由于太阳辐射强度的不稳定性，为使工作流体出口温度稳定，通常通过采用随太阳辐射大小来调节加热管中导热介质流量的方式，使得腔式双层集热器的内壁温度趋于稳定。而且采用的不锈钢材料具有优良的导热性，因此双层集热器内壁面采用等壁温边界。由于双层集热器外覆盖绝热保温层，入射口尽量设计小，内部设计圆锥形，这种方案对流热损失值最小。当开口面积一定时，随着双层集热器内表面积的增大，通过采光口进入双层集热器的光线将在腔内多次反射，阻止了部分热气流的外溢。同时，随着双层集热器内表面积的增大，集热器体积也在增大，这样进入集热器内部的气体会增多，而集热器内部的温度场将趋于均匀，有助于减小双层集热器的对流换热损失。这样圆锥形的对流热损失值与圆柱形的相比，热损失最小。
54.以上公开的本实用新型优选实施例只是用于帮助阐述本实用新型。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该实用新型仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述实施例，是为了更好地解释本实用新型的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本实用新型。

技术特征：

1.一种蝶式聚光双层集热器结构，它包括立架（1），其特征在于：在立架（1）上设有蝶式跟踪聚光器（2）和能进行二级集热吸收的螺旋双层集热器（3），所述螺旋双层集热器（3）与换热系统相连。2.根据权利要求1所述的蝶式聚光双层集热器结构，其特征在于：所述螺旋双层集热器（3）包括带有二级导热腔（32）的壳体，在壳体内设有与壳体内壁相贴合的螺旋盘管（33），螺旋盘管（33）内为一级导热腔，所述换热系统内设有分别与一级导热腔、二级导热腔对应相连的第一换热介质和第二换热介质。3.根据权利要求2所述的蝶式聚光双层集热器结构，其特征在于：所述壳体包括圆台形防护罩（31）、二级导热腔（32）、与二级导热腔（32）相互连通的第二换热介质进口（34）和第二换热介质出口（35），在圆台形防护罩（31）内设有隔热层（36）。4.根据权利要求3所述的蝶式聚光双层集热器结构，其特征在于：所述圆台形防护罩（31）为对称设置，在太阳光入射口处还设有用于引导光束的入射光圈（37）。5.根据权利要求2所述的蝶式聚光双层集热器结构，其特征在于：所述螺旋盘管（33）包括相对太阳光入射口（15）方向前大后小的螺旋状耐高温合金管，且其后端底部为平底环绕结构，在平底环绕结构设有第一换热介质流通的第一换热介质进口（38）和第一换热介质出口（39）。6.根据权利要求5所述的蝶式聚光双层集热器结构，其特征在于：所述螺旋盘管（33）的锥形角为15-20度。7.根据权利要求5所述的蝶式聚光双层集热器结构，其特征在于：所述耐高温合金管的折叠层数至少为15层，底部至少为3圈平底互相环绕设置；并且耐高温合金管管径至少为135mm。8.根据权利要求2所述的蝶式聚光双层集热器结构，其特征在于：所述第一换热介质为具有良好导热性的气体；第二换热介质为导热油（4）。9.根据权利要求1所述的蝶式聚光双层集热器结构，其特征在于：所述蝶式跟踪聚光器（2）包括蝶形桁架（21），在蝶形桁架（21）背部设有背板（22），在背板（22）上连接有用于反射太阳光玻璃镜面（23）；所述蝶形桁架（21）通过跟踪系统与立架（1）转动连接，使蝶式跟踪聚光器（2）可跟踪太阳方位并将太阳光反射聚焦至螺旋双层集热器（3）内。10.根据权利要求1所述的蝶式聚光双层集热器结构，其特征在于：所述换热系统包括分别与螺旋盘管（33）第一换热介质进出口相连的冷储气罐（5）和热储气罐（6），以及与二级导热腔（32）相连的熔盐罐。

技术总结

本实用新型公开了一种蝶式聚光双层集热器结构，它包括立架，在立架上设有蝶式跟踪聚光器和能进行二级集热吸收的螺旋双层集热器，螺旋双层集热器与换热系统相连；本实用新型通过适合中高温条件双层集热的结构设计，外围采用带有二级导热腔圆台形结构，内部采用具有一定锥度的螺旋盘管，形成二级集热吸收，来实现太阳热能向工业热能转化，该装置吸热器面积大、流速高，通过二级结构，一级走高端气体，二级走中端液体集热设计，实现太阳热能的充分利用，同时有效避免了某一小范围内产生的热点会对热管本身系统造成破坏的问题。对热管本身系统造成破坏的问题。对热管本身系统造成破坏的问题。