用于固定式反光板线聚焦集热器的集热管的制作方法

1.本发明涉及一种用于固定式反光板线聚焦集热器的集热管。


背景技术：

2.为了将太阳能转化为更高品位的热能，需要通过聚光方式来获得更高温度的工质，现有聚光方式主要包括线聚焦和点聚焦两种方式，其中线聚焦包括槽式和线性菲涅尔式，点聚焦包括塔式和蝶式，由于线聚焦方式的成本低、适用范围广，得到更多的推广应用。
3.中国专利“反射固定式线聚焦集热单元及反射固定式线聚焦集热装置(专利号2021100520754)”和“采用转杆式调节接收器的反光板固定式聚光集热装置(专利号2021100520769)”提出了反光板固定放置的太阳能线聚焦集热器，相对于槽式和线性菲涅尔式等结构的集热装置，降低了建造成本和运行成本，同时具有较高的单位占地面积太阳能利用率。
4.由于这种聚光方式所形成的聚光光斑要较槽式的聚光光斑大，采用现有结构的集热管存在以下主要不足：
①
采用传统的真空集热管，其吸热管和玻璃管的管径较槽式的会显著增加，一方面增加了集热管的重量和成本，另一方面由于介质通道的增加造成单位流量换热量和单位长度温升值的下降。
②
采用cpc集热器通过二次聚光可以减少集热管的管径，但这种方式一方面增加了设备和成本，另一方面造成了部分光学损失，仅适用于高聚光比的情况。
③
采用一字形吸热板的真空集热管，可以减少吸热管的管径，但用于定反光板线聚焦方式时，由于运行中集热管的朝向相对反光板的位置发生转动，需要有较宽的吸热板才能接收到反射的全部太阳光，这一方面进一步增加了玻璃管的直径，另一方面由于这种结构的肋效率较低而影响了换热效率。


技术实现要素：

5.为克服现有集热管所存在的上述问题中的至少一个，本发明提出了一种用于固定式反光板线聚焦集热器的集热管，其包括同轴套设在一起的吸热管和玻璃管，其中玻璃管套设在吸热管的外侧，玻璃管的两端分别经膨胀节密封地连接在吸热管上，吸热管与玻璃管之间形成为真空腔，在真空腔内设置有四块吸热板，每块吸热板的一端均固定连接在吸热管的外表面上，吸热板的另一端沿吸热管的径向朝远离吸热管的方向延伸，吸热板与玻璃管的内表面之间具有间隙。
6.具体地，对应于每根集热管，该固定式反光板线聚焦集热器均具有一反光板，该反光板的上表面向下凹陷并形成为反光面，该反光面呈沿第一轴线方向延伸的槽状，该反光面的径向截面为一抛物线的一部分；
7.该集热管采用如下步骤确定：
8.(1)使反光面的径向截面的两个端点的连线水平设置，确定太阳光相对于竖直方向在反光面上的最大入射角和最小入射角；
9.(2)在最大入射角与最小入射角之间取n个特征入射角，n≥3；
10.(3)对每个特征入射角均进行光线追迹模拟，在反射光束的最窄处绘制特征截光线段，并取特征截光线段的中心点为特征点；反射光束由反光板的反光面所反射出的所有反射光汇聚而成；
11.(4)采用最小二乘法将各特征点拟合为一拟合圆，确定该轨迹圆的圆心和半径；
12.(5)将各特征截光线段绕拟合圆的圆心转动，使各特征截光线段在拟合圆的同一点上汇集、并形成为一个外形呈两端宽中间窄的线束组；
13.(6)沿着该线束组的边缘绘制两个三角形；以两个三角形远离特征点的四个顶点作为顶点、绘制一个四边形；
14.(7)确定吸热管的外径；
15.(8)以四边形的形心作为吸热管的圆心，绘制吸热管的外壁所在的圆，将外壁所在的圆称为外形圆；
16.(9)分别以该外形圆与两个三角形的四个交点为起点，以四边形的四个顶点为终点绘制四条线段，四条线段的位置和长度作为吸热板的位置和宽度；吸热板的宽度是指吸热板在吸热管径向方向上的尺寸；
17.(10)以吸热管的圆心为圆心确定玻璃管的内径，宽度最大的吸热板与玻璃管的内表面之间的距离为3-20mm。具体地，100≥n≥3。
18.本技术中的集热管具有小管径、低热损、高换热、低成本的优势。本技术中的集热管能够直接作为接收器使用，无需现有技术中的cpc反光板，能够在满足吸热要求的情况下，降低固定式反光板线聚焦集热器的制造成本和重量，并由此能够降低固定式反光板线聚焦集热器的运行成本，同时提高了集热器的光学效率。
19.本技术中的集热管还具体优势如下：
20.(1)相对于其它集热管，由于能够根据不同地区阳光的照射角度，具有针对性地设计相应的集热管，使得在满足接收运行时间段内全部阳光的情况下，最大限度地减小玻璃管的直径。
21.(2)能够根据需要对集热管的吸热管和玻璃管进行匹配，以适用于各种管径大小的吸热管，用于满足介质流量、单位流量换热量、单位长度温升值、单位长度换热量等参数要求。
22.(3)相对于其它带有吸热板的集热管，本技术能够在满足采光要求的情况下，尽可能减少吸热板的尺寸和重量、以及辐射换热系数和热损，并具有较高的肋效率和传热系数。
23.(4)本集热管的结构形式简单，涉及的工艺成熟，易推广应用。
24.本技术中设置了四块吸热板，具体地，吸热管的外径为10-100mm，且吸热管的外径不大于四边形两条对角线中较短的对角线的长度的60％。该设计能够在保证降低吸热管的外径的情况下，最大限度地吸收太阳能。相对于两片式，可以在满足接收全部太阳光的情况下，减少外玻璃管的直径20-40％，提升换热的肋效率15-30％。相对于无翅片式，能够降低吸热管的流通面积50-90％，显著降低吸热管的重量，提高介质的单位体积换热量30-60％。
25.进一步，各特征截光线段的交叉点与两个三角形的一个顶点重合，由于部分特征点不在拟合圆上，使得交叉点偏离四边形的形心，从而造成吸热板的位置偏离吸热管的径向，造成集热管的加工困难，为克服这一问题，步骤(6)中，在将各特征截光线段汇集为线束组时，采用如下方法：首先在拟合圆上确定一个汇集点，然后将一根起点为拟合圆的圆心并
经过该汇集点的射线作为汇集线，再将各特征截光线段绕拟合圆的圆心转动，使各特征截光线段的特征点位于该汇集线上，最后将各特征截光线段沿汇集线平移到汇集点上，形成线束组。
26.采用该设计，能够使得各特征截光线段的特征点完全重合，所获得的四边形为一平行四边形，两个三角形均有一个顶点位于四边形的形心上，所获得的吸热板能够沿吸热管的径向延伸，有利于降低集热管的加工难度。
27.具体地，该反光板的反光面的径向截面为一抛物线的一部分，该抛物线的公式为：其中，x为横坐标，y为纵坐标，p为焦距，该抛物线的焦点为f，该反光板的反光面相对于该抛物线的对称轴非对称；
28.反光板的反光面的径向截面形状采用如下步骤确定：
29.(21)确定该反光板的径向截面的两个端点，将该两个端点分别称为端点a和端点b，将端点a和端点b之间的连线成为线段确定线段的长度，确定抛物线的焦点f到线段的距离；
30.(22)确定使用该集热管的固定式反光板线聚焦集热器所在地区的纬度，将该纬度的角度确定为θ；
31.(23)将线段倾斜，且使该线段与水平线之间的夹角等于θ，即使线段与x轴之间的夹角等于θ；
32.(24)确定焦距p的值，以及端点a和端点b的坐标；具体可以采用计算机辅助或者计算来确定焦距p的值，以及端点a和端点b的坐标；
33.(25)确定反光面的径向截面形状。
34.采用上述步骤可以方便、快捷地确定反光面在不同地区所需要的弧形，以充分利用所在地区的太阳能，该方式可以精准的得到符合设计要求的弧形反光面。
35.采用该方式设计的集热器形式，可以在反光板固定的情况下保证较好的聚光集热效果，相对于反光板转动的形式，能够降低集热器重量30-60％，降低集热器的建造成本和运维成本20-40％；同时避免反光板转动带来的集热器间距问题，提高太阳能单位面积利用率25-50％。
附图说明
36.图1是本技术中集热管的一实施例的结构示意图。
37.图2为图1中d-d向的视图。
38.图3为反光板结构示意图。
39.图4为反光板的反光面的设计辅助图。
40.图5为太阳光在反光板上的最大入射角和最小入射角的示意图。
41.图6为特征入射角均进行光线追迹模拟示意图。
42.图7为根据特征点所获得的拟合圆的示意图。
43.图8为各特征截光线段绕拟合圆的圆心转动后所获得的线束组的示意图。
44.图9为根据线束组所获得的两个三角形的示意图。
45.图10为根据线束组所获得的四边形的示意图。
46.图11为集热管的运行轨迹的设计辅助图。
47.图12是本技术与现有技术中集热管的截面对比图。
具体实施方式
48.以下首先对本技术中用于固定式反光板线聚焦集热器的集热管10的结构进行说明，参阅图1和图2，该集热管10包括同轴套设在一起的吸热管11和玻璃管12，其中玻璃管12套设在吸热管的外侧，玻璃管的两端分别焊接有一可伐合金管14，可伐合金管14背离玻璃管的一端焊接有一端盖15，每一端盖均经一膨胀节16密封地连接在吸热管11的外壁上，吸热管与玻璃管之间形成为真空腔17，在真空腔17内设置有四块吸热板13，每一吸热板13的一端焊接在吸热管的外壁上，吸热板的另一端沿吸热管的径向朝远离吸热管的方向延伸，且吸热板与玻璃管的内表面之间具有间隙。吸热管的制作采用现有技术即可完成。
49.以下对集热管的设计进行说明，请参阅图3，附图中，第一轴线w的指向表示第一轴线方向。对应于每根集热管10，该固定式反光板线聚焦集热器均具有一反光板20，该反光板20的上表面向下凹陷并形成为反光面22，该反光面22呈沿第一轴线方向延伸的槽状，请同时参阅图4，该反光面的径向截面为一抛物线81的一部分。图3中的反光板固定安装支座24上。
50.该反光板可以是现有技术中符合上述要求的反光板，或者该反光板采用下述步骤确定其反光面22的径向截面形状：
51.请参阅图4，反光板的反光面22的径向截面为抛物线81的对称轴82的一侧的一部分，该抛物线的公式为：其中，x为横坐标，y为纵坐标，p为焦距，该抛物线的焦点为f，反光板的反光面22的径向截面形状采用如下步骤确定：
52.(21)确定该反光板的径向截面的两个端点，将该两个端点分别称为端点a和端点b，将端点a和端点b之间的连线成为线段确定抛物线的焦点f到线段的距离图4中，c表示焦点f到线段的垂线的垂足。
53.图4中，为显示清楚，端点a和端点b均采用一个小圆圈表示；
54.(22)确定使用该集热管的固定式反光板线聚焦集热器所在地区的纬度，将该纬度的角度确定为θ；
55.(23)将线段倾斜，且使该线段与水平线之间的夹角等于θ；
56.(24)采用计算机辅助或者计算确定焦距p的值，以及端点a和端点b的坐标；
57.(25)确定反光面的径向截面形状。
58.以下以一具体实施例来说明反光板的反光面的设计：
59.(21)线段的长度取1061mm，确定抛物线的焦点f到线段的距离为1406mm；
60.(22)确定该反射固定式线聚焦集热单元所在地区(南京)的纬度为32
°
；
61.(23)绘制与x轴之间的夹角等于32
°
的射线，即绘制与水平线之间的夹角等于32
°
的射线。
62.(24)通过计算机作图，改变焦距p并平移射线，使得射线与抛物线的交点ab两点的间距为1061mm，焦点f到线段的距离为1406mm，此时得到焦距p的值为2074mm；端点a的坐
标(-1978,800)，端点b的坐标(-1078,238)。
63.(25)确定反光面的径向截面形状。
64.或根据以下5个方式求解p及a(x1、y1)b(x2、y2)等5个未知数
[0065][0066][0067][0068][0069][0070]
其中：l
ab
为线段的长度，l
fc
为焦点f到线段的距离。
[0071]
然后根据下述步骤对集热管进行确定：
[0072]
(1)请参阅图5，使反光面的端点a和端点b之间的连线23水平设置，即使反光面的径向截面的两个端点的连线水平设置，确定太阳光相对于竖直方向在反光面上的最大入射角α和最小入射角β。本实施例中，最大入射角α为62
°
，最小入射角β为2
°
。
[0073]
(2)在最大入射角α与最小入射角β之间按10
°
的间隔取7个特征入射角，即n＝7。可以理解，在其他实施例中，特征入射角的数量还可以为3、5、9、15、20、30、50或100，或者为3-100之间的其他数量。
[0074]
(3)请参阅图6，对每个特征入射角均进行光线追迹模拟，在反射光束的最窄处绘制特征截光线段41，并取特征截光线段的中心点为特征点。反射光束由反光板的反光面所反射出的所有反射光汇聚而成。图6的图(a)和图(b)分别示例性地显示了特征入射角为2
°
和12
°
所形成的特征截光线段和特征点。其中的特征点未标注。
[0075]
(4)请参阅图7，采用最小二乘法将各特征点拟合为一拟合圆30，确定拟合圆的圆心31和半径r。图7中，为显示清楚，拟合圆30的圆心31采用一个小的圆圈表示，同样为了显示清楚，在特征截光线段41上增加了一个小的圆圈，以表示各个特征截光线段41的位置。确定拟合圆30的圆心坐标为(-506，935)，拟合圆的半径r＝1015mm。
[0076]
(5)请参阅图8，将各特征截光线段41绕拟合圆的圆心转动，使各特征截光线段在拟合圆的同一点上汇集、并形成为一个外形呈两端宽中间窄的线束组410。
[0077]
为简化后续设计，本实施例中，在将各特征截光线段汇集为线束组410时，采用如下方法：首先在拟合圆30上确定一个汇集点，然后将一根起点为拟合圆的圆心31并经过该汇集点的射线作为汇集线，再将各特征截光线段绕拟合圆的圆心转动，使各特征截光线段的特征点位于该汇集线上，最后将各特征截光线段沿汇集线平移到汇集点上，形成线束组，使得各特征截光线段的特征点汇聚为一个特征总点。
[0078]
可以理解在其他实施例中，仍可以采用仅使各特征截光线段绕拟合圆的圆心转动，且不平移的方式来形成线束组。
[0079]
(6)请参阅图9，沿着该线束组的边缘绘制两个三角形42，两个三角形均有一个点位与特征总点重合，两个三角形42共同形成一个中心对称图形。请参阅图10，以两个三角形远离特征总点的四个顶点作为顶点、绘制一个四边形43。图10中，为显示清楚，线束组410被
删除。图9和图10中，m1和m2表示两个三角形中的一个三角形远离特征总点的两个顶点，m3和m4表示另一个三角形远离特征总点的两个顶点，m1、m2、m3和m4还同时形成为四边形43的四个顶点。
[0080]
(7)确定吸热管的外径，本实施例中，吸热管的外径为15mm。本技术中的吸热管的外径根据具体需要进行选择，具体可在10-100mm之间选择，且不要大于四边形两条对角线中较短的对角线的长度的60％，以在获得最佳吸热效果的同时，尽量降低吸热管的重量。
[0081]
(8)以四边形43的形心431作为吸热管的圆心、以吸热管的外径作为直径绘制外形圆；图10中，为显示清楚，形心431采用一个小的圆圈表示。该形心与特征总点重合。
[0082]
(9)分别以该外形圆与两个三角形的四个交点为起点，以四边形的四个顶点为终点绘制四条线段，线段的位置和长度作为吸热板的位置和宽度。本技术中，吸热板的宽度是指吸热板在吸热管径向方向上的尺寸，图2中，标记s表示吸热板的宽度。本实施例中，由于四边形为一平行四边形，且该平行四边形的两条对角线的长度不同，四块吸热板的宽度分别为23.8mm、23.8mm、21.9mm和21.9mm，为便于加工，将四块吸热板的宽度经取整后统一为24mm。
[0083]
(10)以吸热管的圆心为圆心绘制玻璃管的内径，玻璃管的内表面与吸热板之间的距离取7.0mm，则玻璃管的内壁的半径为38.5mm。即本实施例中，宽度最大的吸热板与玻璃管的内表面之间的距离为7mm。可以理解，在其他实施例中，宽度最大的吸热板与玻璃管的内表面之间的距离为3mm、5mm、9mm、12mm、15mm或20mm，当然也可以为3-20mm之间的其他距离。
[0084]
该集热管的运行轨迹位于拟合圆上，以下对该集热管10的运行轨迹进行确定：
[0085]
请参阅图11，将太阳光在反光面上的最大入射角时的特征截光线段的特征点作为第一特征点415，将太阳光在反光面上的最小入射角时的特征截光线段的特征点作为第二特征点416，绘制以拟合圆的圆心31为起点、经过第一特征点的第一射线417，绘制以拟合圆的圆心31为起点、经过第二特征点的第二射线418，则拟合圆位于第一射线417与第二射线418之间的劣弧线段480为该集热管10的运行轨迹。
[0086]
本技术的集热管与现有两种集热管的比较列入下表。
[0087] 本技术集热管无吸热板式集热管有吸热板式集热管辐射热损
★★★★★★★★★★★
玻璃管径
★★★★★★★★★★★★
集热管重量
★★★★★★★★★★★★★
单位流量换热量
★★★★★★★★★★★★
单位长度换热量
★★★★★★★★★★★★★
传热肋效率
★★★★
——
★★★
[0088]
注：上表中，
★
越多说明性能越好。
[0089]
请同时参阅图12，图12中，图12(a)为本技术中集热管10的结构简图，其与图2相同，图12(b)为现有技术中无吸热板式集热管801的结构简图，图12(c)为现有技术中有吸热板式集热管802的结构简图。
[0090]
本方式相对于传统的真空集热管(无吸热板式)具有如下优势：
①
本方式由于热辐射面积和辐射角系数的降低，热损有一定的下降；
②
本方式由于吸热管和玻璃管管径的减
小，管壁及介质容量也因此下降，所以重量下降了约50％，成本也因此下降；
③
本方式由于吸热管管径的减小，换热面积与介质流量的比值也因此下降，同时避免了介质温度分层对换热效果的影响，所以单位流量的换热量提升了约40％。
[0091]
本方式相对于传统的真空集热管(有吸热板式)具有如下优势：
①
由于本聚光方式运行时集热管的朝向相对反光板发生转动，为了接收全部的太阳光，传统的一字型吸热板需要设计的较长，因此外玻璃管管径较大，造成了集热管重量和成本的提升；
②
传统的一字型吸热板由于有较细较长的结构，传热肋效率较低，本方式的四条短吸热板设计，提升了约25％的传热肋效率和传热效果，同时减少集热管尺寸约30％，降低成本约30％。

技术特征：
1.一种用于固定式反光板线聚焦集热器的集热管，其特征在于，包括同轴套设在一起的吸热管和玻璃管，其中玻璃管套设在吸热管的外侧，玻璃管的两端分别经膨胀节密封地连接在吸热管上，吸热管与玻璃管之间形成为真空腔，在真空腔内设置有四块吸热板，每块吸热板的一端均固定连接在吸热管的外表面上，吸热板的另一端沿吸热管的径向朝远离吸热管的方向延伸，吸热板与玻璃管的内表面之间具有间隙。2.根据权利要求1所述的集热管，其特征在于，对应于每根集热管，该固定式反光板线聚焦集热器均具有一反光板，该反光板的上表面向下凹陷并形成为反光面，该反光面呈沿第一轴线方向延伸的槽状，该反光面的径向截面为一抛物线的一部分；该集热管采用如下步骤确定：(1)使反光面的径向截面的两个端点的连线水平设置，确定太阳光相对于竖直方向在反光面上的最大入射角和最小入射角；(2)在最大入射角与最小入射角之间取n个特征入射角，n≥3；(3)对每个特征入射角均进行光线追迹模拟，在反射光束的最窄处绘制特征截光线段，并取特征截光线段的中心点为特征点；(4)采用最小二乘法将各特征点拟合为一拟合圆，确定该轨迹圆的圆心和半径；(5)将各特征截光线段绕拟合圆的圆心转动，使各特征截光线段在拟合圆的同一点上汇集、并形成为一个外形呈两端宽中间窄的线束组；(6)沿着该线束组的边缘绘制两个三角形；以两个三角形远离特征点的四个顶点作为顶点、绘制一个四边形；(7)确定吸热管的外径；(8)以四边形的形心作为吸热管的圆心，绘制吸热管的外壁所在的圆，将外壁所在的圆称为外形圆；(9)分别以该外形圆与两个三角形的四个交点为起点，以四边形的四个顶点为终点绘制四条线段，四条线段的位置和长度作为吸热板的位置和宽度；(10)以吸热管的圆心为圆心确定玻璃管的内径，宽度最大的吸热板与玻璃管的内表面之间的距离为3-20mm。3.根据权利要求2所述的集热管，其特征在于，100≥n≥3。4.根据权利要求2所述的集热管，其特征在于，吸热管的外径为10-100mm，且吸热管的外径不大于四边形两条对角线中较短的对角线的长度的60％。5.根据权利要求2所述的集热管，其特征在于，步骤(6)中，在将各特征截光线段汇集为线束组时，采用如下方法：首先在拟合圆上确定一个汇集点，然后将一根起点为拟合圆的圆心并经过该汇集点的射线作为汇集线，再将各特征截光线段绕拟合圆的圆心转动，使各特征截光线段的特征点位于该汇集线上，最后将各特征截光线段沿汇集线平移到汇集点上，形成线束组。6.根据权利要求2所述的集热管，其特征在于，该反光板的反光面的径向截面为一抛物线的一部分，该抛物线的公式为：其中，x为横坐标，y为纵坐标，p为焦距，该抛物线的焦点为f，该反光板的反光面相对于该抛物线的对称轴非对称；反光板的反光面的径向截面形状采用如下步骤确定：
(21)确定该反光板的径向截面的两个端点，将该两个端点分别称为端点a和端点b，将端点a和端点b之间的连线成为线段确定线段的长度，确定抛物线的焦点f到线段的距离；(22)确定使用该集热管的固定式反光板线聚焦集热器所在地区的纬度，将该纬度的角度确定为θ；(23)将线段倾斜，且使该线段与水平线之间的夹角等于θ；(24)确定焦距p的值，以及端点a和端点b的坐标；(25)确定反光面的径向截面形状。

技术总结
本发明公开了一种用于固定式反光板线聚焦集热器的集热管，其包括同轴套设在一起的吸热管和玻璃管，其中玻璃管套设在吸热管的外侧，玻璃管的两端分别经膨胀节密封地连接在吸热管上，吸热管与玻璃管之间形成为真空腔，在真空腔内设置有四块吸热板，每块吸热板的一端均固定连接在吸热管的外表面上，吸热板的另一端沿吸热管的径向朝远离吸热管的方向延伸，吸热板与玻璃管的内表面之间具有间隙。本申请中的集热管具有小管径、低热损、高换热、低成本的优势。优势。优势。


技术研发人员：余雷 杨嵩 王军
受保护的技术使用者：南京索乐优节能科技有限公司
技术研发日：2023.05.15
技术公布日：2023/8/6