本发明涉及一种具有二次聚光器的高温太阳能集热管及其槽式集热器。
背景技术：
槽式太阳能热发电技术是目前国际上商业应用最广、运行最稳定的太阳能热发电技术，其采用抛物面槽式集热器将太阳光反射并聚焦到位于其焦线的高温太阳能集热管上，加热管内流体，实现太阳能与热能的转化。槽式集热器作为槽式太阳能发电系统中从光能到热能转化的关键性部件，其光热转换效率直接决定了系统的发电效率。根据槽式集热器原理可知，提高槽式聚光器的开口宽度不仅可以显著降低系统成本，而且具有提高聚光比的可能性。而聚光比的提高可以进一步提高系统的发电效率。因此，为了追求更高的发电效率，降低投资成本，采用更大开口的槽式聚光器成为了当前槽式太阳能热发电系统的发展趋势。但目前单纯增加槽式聚光器的开口宽度，其相应的焦斑宽度也会随之增大，会有部分聚光光斑超出高温太阳能集热管的金属内管直径宽度，浪费太阳聚光辐射能量。
同时，提高槽式集热器的工作温度可以显著提高系统的发电效率，目前采用550℃熔盐作为传热工质的槽式太阳能热发电系统已经验证了其可行性。但高温太阳能集热管在超过400℃以上高温工作时，由于金属内管温度增加，其向外热辐射损失也急剧增加，特别是若金属内管直径增加，其热损失由于散热面积增加大而显著增加，从而导致系统发电效率降低。特别是，高温太阳能集热管在550℃时，由于周向能流密度分布不均匀导致金属内管周向温度梯度非常大，造成金属内管产生较大热应力和弯曲变形。因此，目前急需开发出一种具有高聚光比、低热损且热应力较小的高温太阳能集热管，对提高槽式太阳能热发电系统的发电效率和安全性、降低系统成本具有重要的意义。
技术实现要素：
本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提出一种适用于更高温度、高聚光比、低热损且热应力小的高温太阳能集热管及其槽式集热器。本发明在高温太阳能集热管的环形真空封闭空间内增加经过特殊光学设计的二次聚光器，在不增加金属内管直径的前提下，将溢出金属内管范围的聚光通过二次聚光器再次反射到金属内管上，使金属内管的能流密度更加均匀，既提高了聚光比，又降低了热损失和热应力。同时，通过在二次聚光器外壁面增加选择性吸收涂层的方法，提高二次聚光器的温度，降低金属内管与二次聚光器间的辐射换热温差，从而进一步降低高温太阳能集热管的辐射热损失。经过光学计算，与传统5.76m开口宽度的槽式集热器相比，采用本发明的高温太阳能集热管及相同开口宽度的槽式集热器，可将聚光比提高最高达1.8倍左右，周向能流密度更加均匀。本发明设计合理，结构简单，非常适用于更高温、更大聚光比的槽式太阳能热发电系统，可显著提高系统光热转化效率和运行的安全性。
为了实现上述目的，本发明采取如下技术方案：
本发明高温太阳能集热管包括金属内管、套装在金属内管外面的玻璃外管、及位于玻璃外管和金属内管之间的环形真空封闭空间内的二次聚光器。所述的金属内管表面具有选择性吸收涂层。所述的二次聚光器位于所述金属内管的上方；所述的二次聚光器朝向所述金属内管的一面具有反射镜面，可将溢出金属内管的聚光再次反射到金属内管上，均匀并提高金属内管上的能流密度。反射镜面由于具有较低的发射率，可以减少二次聚光器与金属内管间的辐射热损。为了提高二次聚光器的温度，所述的二次聚光器背向所述的金属内管一面具有吸热面，所述的吸热面具有太阳选择性吸收涂层，可以直接吸收太阳光。
为了方便制作，一种优选的方案为所述的二次聚光器采用耐高温的不锈钢或铝制成，所述的反射镜面为反射率85％以上的镜面不锈钢层、镜面铝层、银膜层或铝膜层。
为了保障所述的二次聚光器成型精度和降低成本，另一优选的方案为所述的二次聚光器采用透明的玻璃制成，所述的吸热面为从外到内依次为增透层、吸收层和红外高反射层的太阳选择性吸收涂层，所述的反射镜面是通过所述的红外高反射层(93)透过玻璃实现对聚光的高反射。
由于所述的金属内管随温度变化而发生轴向或径向位移，因此所述的二次聚光器沿轴向通过多个具有弹性的支架固定在金属内管外壁上。
为了将溢出金属内管的聚光光线再次聚集到金属内管上，所述的二次聚光器的横截面至少为抛物线、渐开线或直线中的一种；为了保持金属内管与玻璃外管同轴和聚光均匀，优选二次聚光器横截面中心为渐开线、渐开线两侧为抛物线或直线，且所述的二次聚光器为对称结构。
为了增加金属内管上聚光能流密度的均匀性，另一优选方案为二次聚光器横截面为对称的渐开线、抛物线或直线结构，且所述的二次聚光器的对称中心交点距离所述的金属内管外壁的最小距离不超过30mm。
为了将更多的溢出所述的金属内管的聚光再次反射到金属内管上，进一步提高聚光比，所述的金属内管中心位于玻璃外管中心正上方1-30mm，使金属内管与所述的二次聚光器更接近，从而使所述的二次聚光器反射的光线更多的投射到金属内管3的上部，将具有更加均匀的能流密度。优选的，所述的二次聚光器横截面中心为对称的渐开线或抛物线，渐开线或抛物线的两侧为抛物线，且所述的二次聚光器为对称结构。
所述的金属内管是椭圆形，且其长轴方向朝向所述的二次聚光器。
本发明槽式集热器包括槽式聚光器和所述的具有二次聚光器的高温太阳能集热管。所述的槽式聚光器为一次聚光器，具有抛物面反射镜。抛物面反射镜将太阳光反射并聚焦到具有二次聚光器的高温太阳能集热管上，所述的二次聚光器的反射镜面面向所述的槽式聚光器，可将溢出金属内管的反射聚光光线再次反射到金属内管上。
为了使槽式聚光器反射聚焦溢出金属内管的光线都能从金属内管上方溢出，减小二次聚光器的开口宽度，所述的金属内管的中心位于抛物面反射镜的焦线正下方1-30mm。
为了增加金属内管对反射聚焦光线的拦截能力，优选金属内管为椭圆形，在金属内管当量直径不增加或增加有限情况下，进一步降低金属内管辐射热损，增加聚光比，其长轴面向二次聚光器，且金属内管的中心为位于所述的抛物面反射镜的焦线上。
为了增加槽式聚光器的开口宽度，降低风力载荷及减小其聚光焦斑，所述的槽式聚光器有两种以上不同焦距的抛物面反射镜，且各抛物面反射镜的焦线位置相同；为了进一步提高聚光比，槽式聚光器开口宽度与金属内管的当量直径之比大于等于80。
本发明的技术优势在于：
1)在大开口的槽式集热器中，太阳聚光焦斑易于溢出高温太阳能集热管的金属内管范围，难以有效提高聚光比。本发明根据大开口槽式集热器的聚光参数进行光学设计，通过在高温太阳能集热管内增加二次聚光器，将溢出金属内管的聚光光线再次反射到金属内管上，在大幅度提高槽式集热器的开口宽度和保持金属内管直径不变的条件下，显著提高聚光比，避免因金属内管增大而造成更高的热损。
2)二次聚光器外壁具有选择性吸收涂层，直接吸收太阳能量，可以提高二次聚光器温度，减少二次聚光器与金属内管间的辐射温差，从而降低金属内管向外的辐射热损失。
3)本发明在环形真空封闭空间内布置二次聚光器，二次聚光器根据槽式聚光器、高温太阳能集热管位置进行光学设计，通过具有渐开线、抛物线和直线等横截面的二次聚光器反射更多的太阳光线，同时采用椭圆形金属内管，增加了对聚光的拦截能力，配合二次聚光器，显著提高了聚光比和能流密度的均匀性，非常适用于更高温、更大开口的槽式集热器，显著提高槽式太阳能热发电系统的发电效率和安全性。
附图说明
图1为本发明实施例1横截面为渐开线与直线组合的二次聚光器的高温太阳能集热管示意图；
图2为本发明实施例2横截面为直线的二次聚光器的高温太阳能集热管示意图；
图3为本发明实施例3横截面为渐开线与抛物线组合的二次聚光器的高温太阳能集热管示意图；
图4为应用本发明实施例1的具有二次聚光器的高温太阳能集热管的槽式集热器；
图5为应用本发明实施例2的具有二次聚光器的高温太阳能集热管的槽式集热器；
图6为应用本发明实施例3的具有二次聚光器的高温太阳能集热管的槽式集热器。
图中：1具有二次聚光器的高温太阳能集热管，2槽式聚光器，3金属内管，4玻璃外管，5环形真空封闭空间，6二次聚光器，7选择性吸收涂层，8反射镜面，9吸热面，10弹性支架，11抛物面反射镜，91增透层，92吸收层，93红外高反射层。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。
如图1所示，本发明具有二次聚光器的高温太阳能集热管的实施例1包括金属内管3、套装在金属内管3外面的玻璃外管4、位于玻璃外管4和金属内管3之间的环形真空封闭空间5内的二次聚光器6。金属内管3表面具有耐高温的太阳选择性吸收涂层，吸收比为95％。二次聚光器6位于金属内管3的上方，采用耐高温的不锈钢制成，为对称结构，二次聚光器6的横截面中心为渐开线、渐开线的两侧为直线；二次聚光器6内壁具有反射镜面8，为反射率为91％的镜面不锈钢层，反射镜面8朝向金属内管3，将溢出金属内管3的聚光再次反射到金属内管3上，均匀和提高金属内管3上的能流密度。反射镜面8为镜面不锈钢层，其发射率小于20％，可以减少二次聚光器6与金属内管3间的辐射热损。为了增加二次聚光器6的温度，二次聚光器6的外壁有吸热面9，吸热面9为吸收比为92％的太阳选择性吸收涂层，且背向金属内管，可以直接吸收太阳光，进一步降低了二次聚光器6与金属内管3之间的辐射换热。二次聚光器6沿轴向通过多个具有弹性支架10固定在金属内管3外壁上。
如图2所示，本发明具有二次聚光器的高温太阳能集热管的实施例2包括金属内管3、套装在金属内管3外面的玻璃外管4、位于玻璃外管4和金属内管3之间的环形真空封闭空间5内的二次聚光器6。金属内管3表面具有耐高温的太阳选择性吸收涂层，吸收比为96％，为了进一步提高聚光比，减小金属内管散热面积，金属内管3采用椭圆形管，其长轴面向二次聚光器6，根据槽式聚光器2的反射光线分布计算，这样可以显著提高对槽式聚光器反射光线的截取。二次聚光器6位于金属内管3的上方，采用耐高温的铝制成。为了保持金属内管3与玻璃外管4同轴和聚光均匀，二次聚光器6的横截面为简单的对称直线结构，二次聚光器6的内壁具有反射镜面8，为反射率为94％的铝膜层，反射镜面8朝向金属内管3，将溢出金属内管3的聚光再次反射到金属内管3上，均匀和提高金属内管3上的能流密度。同时，由于反射镜镜面8的铝膜层的发射率仅为6％，可以显著降低二次聚光器6和金属内管3之间的辐射热损失。为了进一步降低二次聚光器6与金属内管3之间的辐射换热，二次聚光器6的外壁有吸热面9，吸热面9具有吸收比为96％的太阳选择性吸收涂层，且背向金属内管3，可以直接吸收太阳光，增加二次聚光器6的温度。二次聚光器6沿轴向通过多个具有弹性支架10固定在金属内管3外壁上。
如图3所示，本发明具有二次聚光器的高温太阳能集热管的实施例3包括金属内管3、套装在金属内管3外面的玻璃外管4、位于玻璃外管4和金属内管3之间的环形真空封闭空间5内的二次聚光器6。金属内管3表面具有选择性吸收涂层，吸收比为96％。二次聚光器6位于金属内管3的上方，其横截面为渐开线与抛物线组合，对称构成；二次聚光器6采用透明的玻璃热弯制作成型，保障了二次聚光器6的聚光精度。二次聚光器6背向金属内管3的一面具有吸热面9，吸热面9为从外到内依次为增透层91、吸收层92和红外高反射层93的太阳选择性吸收涂层，其吸收率为96％、发射率为10％，吸热面9可直接吸收太阳光，进一步降低二次聚光器6与金属内管3之间的辐射热损。二次聚光器6的反射镜面8是通过吸热面9的红外高反射层93透过玻璃实现对聚光的高反射的，其朝向金属内管3，将溢出金属内管3的聚光再次反射到金属内管3上，均匀和提高金属内管3上的能流密度。由于反射镜面8的发射率为10％，减少了二次聚光器6与金属内管3间的辐射热损。为了将更多的溢出金属内管3的聚光再次反射到金属内管3上，进一步提高聚光比，金属内管3的中心位于玻璃外管4中心正上方10mm处，使其与二次聚光器6更接近，从而使二次聚光器6反射的光线更多的投射到金属内管3的上部，将具有更加均匀的能流密度。二次聚光器6沿轴向通过多个具有弹性支架10固定在金属内管3外壁上。
如图4所示，应用本发明实施例1高温太阳能集热管的槽式集热器包括槽式聚光器2和实施例1的具有二次聚光器的高温太阳能集热管1。槽式聚光器2是一次聚光器，开口宽度为9m。为了降低风力载荷及减小其聚光焦斑，槽式聚光器2上具有焦距分别为r1＝2.2m和r2＝2.4m的两种抛物面反射镜11。具有二次聚光器的高温太阳能集热管1的金属内管3外径为80mm，金属内管3的中心位于槽式聚光器2的焦线上，聚光比为112。抛物面反射镜11将大部分太阳光反射并聚焦到金属内管3上，部分未投射到金属内管3的聚光光线经过二次聚光器6的反射镜面8被反射到金属内管3上。
如图5所示，应用本发明实施例2高温太阳能集热管的槽式集热器包括槽式聚光器2和实施例1的具有二次聚光器的高温太阳能集热管1。槽式聚光器2是一次聚光器，其开口宽度为8.2m，焦距为2.2m；槽式聚光器2具有抛物面反射镜11。为了增加金属内管3对反射聚焦光线的拦截能力，具有二次聚光器的高温太阳能集热管1的金属内管3为椭圆形管，长轴长度为80mm，短轴长度为50mm，金属内管3的中心位于抛物面反射镜11的焦线上，聚光比为118。抛物面反射镜11将大部分太阳光反射并聚焦到金属内管3上，部分未投射到金属内管3的聚光光线经过二次聚光器6的反射镜面8被反射到金属内管3上。
如图6所示，应用本发明具有二次聚光器的高温太阳能集热管的槽式集热器包括槽式聚光器2和实施例1的具有二次聚光器的高温太阳能集热管1。槽式聚光器2是一次聚光器，具有抛物面反射镜11。槽式聚光器2的开口宽度为5.76m，焦距为1.7m。具有二次聚光器的高温太阳能集热管1的金属内管3外径为40mm，金属内管3与玻璃外管4同轴布置。二次聚光器6的横截面中心为对称的渐开线、渐开线的两侧为抛物线，聚光比为144。为了使槽式聚光器2反射聚焦溢出金属内管3的光线都能从金属内管3的上方溢出，减少二次聚光器6的开口宽度，所述的金属内管3中心位于抛物面反射镜11的焦线正下方10mm处。抛物面反射镜11将大部分太阳光反射并聚焦到金属内管3上，部分未投射到金属内管3的聚光光线经过二次聚光器6的反射镜面8被反射到金属内管3上。
1.一种具有二次聚光器的高温太阳能集热管，包括金属内管(3)、套装在金属内管(3)外面的玻璃外管(4)、及位于玻璃外管(4)和金属内管(3)之间的环形真空封闭空间(5)，所述的金属内管(3)表面具有选择性吸收涂层(7)，其特征在于：所述的高温太阳能集热管的环形真空封闭空间(5)具有二次聚光器(6)；所述的二次聚光器(6)的横截面至少包括抛物线、渐开线或直线中的一种；所述的二次聚光器(6)位于所述金属内管(3)的上方；所述的二次聚光器(6)朝向所述金属内管(3)的一面具有反射镜面(8)；所述的二次聚光器(6)背向所述的金属内管(3)的一面具有吸热面(9)，所述的吸热面(9)具有太阳选择性吸收涂层。
2.根据权利要求1所述的具有二次聚光器的高温太阳能集热管，其特征在于：所述的二次聚光器(6)的对称中心交点距离所述的金属内管(3)外壁的最小距离不超过30mm。
3.根据权利要求1所述的具有二次聚光器的高温太阳能集热管，其特征在于：所述的二次聚光器(6)为对称结构，其横截面的中心为对称的渐开线或抛物线，渐开线或抛物线的两侧为抛物线或直线。
4.根据权利要求1所述的具有二次聚光器的高温太阳能集热管，其特征在于：所述的金属内管(3)中心位于玻璃外管(4)中心正上方1-30mm。
5.根据权利要求1所述的具有二次聚光器的高温太阳能集热管，其特征在于：所述的二次聚光器(6)采用耐高温的不锈钢或铝制成，所述的反射镜面(8)为反射率85％以上的镜面不锈钢层、镜面铝层、银膜层或铝膜层。
6.根据权利要求1所述的具有二次聚光器的高温太阳能集热管，其特征在于：所述的二次聚光器(6)采用透明的玻璃制成，所述的吸热面(9)为从外到内依次为增透层(91)、吸收层(92)和红外高反射层(93)的太阳选择性吸收涂层；所述的反射镜面(8)通过所述的的红外高反射层(93)透过玻璃实现对聚光的高反射。
7.根据权利要求1所述的具有二次聚光器的高温太阳能集热管，其特征在于：所述的二次聚光器(6)沿轴向通过多个具有弹性支架(10)固定在金属内管(3)外壁上。
8.一种采用权利要求1-7任一项所述的高温太阳能集热管的槽式集热器，包括槽式聚光器(2)，其特征在于：所述的槽式聚光器(2)为一次聚光器，具有抛物面反射镜(11)；所述的抛物面反射镜(11)将太阳光反射并聚焦到所述的具有二次聚光器的高温太阳能集热管(1)上，所述的二次聚光器(6)的反射镜面(8)面向所述的槽式聚光器(2)，所述的二次聚光器(6)的反射镜面(8)将溢出所述的金属内管(3)的反射聚光再次反射到所述的金属内管(3)上。
9.根据权利要求8所述的槽式集热器，其特征在于：所述的具有二次聚光器(6)的高温太阳能集热管(1)的金属内管(3)为圆管，金属内管(3)的中心位于所述的抛物面反射镜(11)的焦线正下方1-30mm。
10.根据权利要求8所述的槽式集热器，其特征在于：所述的具有二次聚光器(6)的高温太阳能集热管(1)的金属内管(3)为椭圆形管，金属内管(3)的中心位于所述的抛物面反射镜(11)的焦线上。
11.根据权利要求8所述的槽式集热器，其特征在于：所述的槽式聚光器(2)具有两种以上不同焦距的抛物面反射镜(11)，且各抛物面反射镜(11)的焦线位置相同，所述的槽式聚光器(2)开口宽度与所述的金属内管(3)的当量直径之比大于等于80。
技术总结