大型、高效、相对低成本槽式太阳能锅炉系统.pdf

大型、高效、相对低成本槽式太阳能锅炉系统属于光学、热学、传热学、材料学、机械动力学、天文学等综合应用领域。在目前槽式太阳能锅炉(集热器)是太阳能热利用领域较为经济模式，但热效率低下(只有20％-40％)、成本相对较高、机械支撑控制部件结构复杂、聚光倍率低(一般只有30-80)等缺陷。而本发明利用大型开口槽提高聚光倍率和效率；利用变通性防风墙、落地轴转动、圆弧与微分抛物镜面、焦轴转动等降低成本增强“抗风能力”；利用“斜槽”“正槽”梯度复合槽技术提高聚光倍率和效率；利用抛物线支架与分体镜面结合降低机械加工和组装难度；利用金属腔体式吸收增加光吸收率及降低成本。其综合热效率可以达到50％以上，成本降至1000元/平方米以下，可以广泛应用于太阳能蒸汽锅炉及大型太阳能槽式发电站。

1，  一种高效率低成本槽式太阳能中高温锅炉系统。其特点是热效率大于50％，成本可以低于1000元/平方米。主要通过大型、高聚光比、变通性防风墙与镜面承受风荷分离、转动轴“落地”、或是圆弧与微分抛物镜面复合焦轴转动镜面相对不动、抛物面框架和分体抛物镜面组合、正槽斜槽梯度复合、腔体式光吸收等途径来实现。

2，  根据1描述的特点，其高效率和低成本主要通过“大型”和“高聚光比”来实现，大型一般指槽开口直径在3-30米，聚光比在150-2000之间(普通国际惯例槽式聚光比只有30-80)。接收器用金属铝制品时单位面积分布功率10-100w/cm²，最佳聚光比1000左右，接收器最佳功率分布60w/cm²左右。用铜及金、银、钻石等作为传热介质时可根据传导系数及熔点进行相应计算。

3，  根据1描述的特点，大型槽转动、风荷因素复杂，改用变通性防风墙技术，防风墙风荷与抛物镜面风荷分离，即变通性防风墙技术是此槽式太阳能中高温锅炉系统技术之一。

4，  根据1描述的特点，转动轴“落地”技术有益于减轻转动负荷，是关键技术之一。

5，  根据1描述的特点，除了镜面转动之外，还有一种方式就是：圆弧与微分抛物镜面复合焦轴转动镜面相对不动，这种方式可以让镜面按季节适当调整。

6，  根据1描述的特点，因其“大型”，在其加工时需分节分片设计加工制作，实行具有抗风能力的框架结构，框架结构由单体抛物线支架以穿插或焊接方式连接。分体镜面每一片采光面积约1-6m²，与支架之间用螺丝螺母固定连接。

7，  根据1描述的特点，因为大型槽在东西或南北放置时，当太阳赤纬或高度角变化时，总有一部分光超出槽口之外，造成能量损失及存在安全隐患，采用正槽斜槽梯度复合式可以避免此缺点，并且可以几倍增加聚光倍率。正槽及斜槽概念：以X轴和Y轴确定的平面抛物线(方程式x^2＝2PY或X平方＝4fy)沿Z轴平移，得到的抛物面槽叫“正槽”。以X轴和Y轴确定的平面抛物线(方程式x^2＝2PY或X平方＝4fy)与X轴和Y轴确定的平面以一定角度倾斜(大于0°小于45°)沿Z轴平移得到的曲面“槽”叫倾斜槽，简称“斜槽”。不同倾斜角度的抛物线沿Z轴平移得到的曲面槽依次排列在一起称为槽的“梯度复合”。

8，  根据1描述的特点，腔体吸收装置主要防止可见光线反射及高温吸收体的红外线辐射，其特点是此装置不仅有一个“腔体”，并且腔体内多皱多面具有“黑体”特性，更重要的是腔体外围结构中大于1/2的面积被保温材料合围，这样区别于直通管式镀膜钢管或直通式真空管，目的在于增加吸收率减少热损失，当然也不排除在此结构下方增加一层高透光、耐高温、远红外反射玻璃并且抽真空。

大型、高效、相对低成本槽式太阳能锅炉系统
技术领域：
光学、热学、传热学、材料学、机械动力学、天文学、数学
背景技术：
目前世界范围内槽式集热技术的发展主要应用在槽式太阳能集热和槽式太阳能发电。虽然相对其他太阳能集热方式成本较低，但成本依然在2000-5000元人民币/每平方。聚光倍率一般在30-80，太阳能的热转化效率在20-40％。
发明内容：
通过对槽式集热系统每一个关键环节的改进，比如通过增大开口面、提高聚光比、镜面单一式正槽改为正槽斜槽梯度复合、框架抛物面线性结构与分体镜面结合、真空管吸收改为腔体吸收等通用技术改革。再加上支撑结构“落地”技术减少整槽转动成本、变通性防风墙技术减少大型抛物面的机械负荷。及在槽式抛物镜面变成圆弧与微分抛物镜面复合的同时槽式一维跟踪改为单焦轴的跟踪。使太阳能槽式成本降至1000元人民币/每平方以下或者“更低”，聚光倍率升至150-2000，太阳能热转化率升至50％以上或“更高”，使太阳能作为“新能源”大面积应用取代传统能源成为可能。
附图说明：
图1为开口直径8米，焦距2米(2000mm)，抛物线方程为x平方＝8000y的抛物线缩小图。
图2为图1所示的抛物线组成的大型槽外观示意图，主要显示其框架结构。
图3为大型槽的轴转动系统显示。其中1为块状反射镜面，2为中心轴支撑架，3为腔体吸收部件即“焦线”，4为吸收部件的支撑机构。
图4为“斜槽”示意图，东西放置时则抛物线向西倾斜，放在正槽的东部。
图5为“正槽”示意图，抛物线垂直于水平面，正、斜槽梯度复合时放在中部。
图6为“斜槽”示意图，东西放置时则抛物线向东倾斜，放在正槽的西部。
图7为简易腔体吸收部件横切面图，其中1为红外线反射面，2为真空层或者有其他材料组成的保温层，3为水及油等工质，4为锯齿状光吸收面，可镀选择性涂层。
图8为改进型，其“腔体”特点更加突出，其中1为红外线反射面，2为真空层或者有其他材料组成的保温层，3为水及油等工质，4为锯齿状光吸收面，可镀选择性涂层。
图9为玻璃透光真空型“腔体”。其中1为红外线反射面，2为真空层或者有其他材料组成的保温层，3为水及油等工质，4为锯齿状光吸收面，可镀选择性涂层。5为真空层，6为高透光耐高温远红外反射玻璃。
图10为图9结构翻版，外型一样，但水及油等工质放在了吸收层下边、玻璃层上边，具体为：1和7为红外线反射面，2和5为真空层或者有其他材料组成的保温层，3为水及油等工质，4为锯齿状光吸收面，可镀选择性涂层。6为高透光耐高温远红外反射玻璃。
图11为改进后的光吸收面。
图12为圆弧与抛物镜面复合槽的横切面。其中1为太阳直射光线，2为圆弧圆心及各微分抛物线的焦点，3为微分抛物镜面，4为圆弧面。S0、S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7、S8为微分抛物线示意图。
图13为变通性防风墙技术及转动轴落地技术示意图。1为转动轴，2为转动轴的固定槽，3为支撑支架，4为同步千金顶，5为变通性防风墙的支撑结构示意图，6为变通性防风墙的弧形挡风板，7为槽型抛物面，8为直射太阳光线。
具体实施模式：
目前槽式抛物面聚光应用效率低的原因：聚光倍率低类似于低温类应用，在低温应用中要求光吸收部件比如真空管的光吸收效率高红外线发射频率低，但在实际上玻璃的透光技术中做不到对可见光和近红外的高度吸收及对远红外的反射，所以大量的热量以远红外辐射的形式透过真空管的玻璃散发到集热器以外，造成真空管吸收的“热效”低下。
对于目前存在的问题，可以通过另一种途径去解决，比如太阳灶及塔式发电在聚光倍率高到200以上时，热效率通常超过50％。即通过大型槽、高聚光比去解决槽式“效率”和成本的问题。
点聚焦式的太阳灶聚光倍率在200-2000之间，用普通的铝制烧水壶作为热吸收体效率高时可达70％，但聚光倍率超过2000以上时，尽管有“水”作为降温物质，金属依然融化，壶底穿孔。塔式发电的聚光倍率超过200，热效可达58％，原因在于“聚光比”高。道理是这样的，物体吸收热量的同时也在释放热量，单位时间内集热体聚集的热量远远大于放出的热量，热效就会提高，高聚光比正好具有此功效。但槽式集热系统因其结构特点，聚光倍率一般在30-80之间，把槽式聚光倍率提高到200以上确实较难。大型槽式抛物面系统也因结构复杂及考虑风荷等问题也会增加成本。考虑以上因素，可以用以下方式来解决：
1，大开口抛物面槽、高聚光倍率。槽开口一般大于3米，根据设计的焦线宽度，聚光倍率高于200，设计槽开口宽度5米、6米、7米、8米、10米甚至30米(结合以下正斜槽梯度复合)都可以考虑。把“大型槽”开口定义在3米以上，聚光倍率150以上。在相应的聚光倍率下，不同地区光照度不同，严格准确的概念应该是“能流密度”，即吸收体的单位面积接收辐射功率的大小。“大型槽”概念只是相对的，大型槽的概念必须要求单位面积分布功率达到10-100w/cm²，最佳聚光比1000左右，铝制接收器最佳功率分布60w/cm²左右。而目前槽式太阳能功率分布密度按30-80聚光倍率分析在一般地区只有2-5w/cm².。
2，转动成本及风荷。镜面成本较低又具有高聚光比及降低单位阳光面积成本的显著特点，但随着槽型面积的增大，其重量也会增大，转动成本及风荷因素变得复杂。怎样解决这个问题？可以有以下几种方式：一，变通性防风墙技术，将防风墙和槽式结构分开，槽式抛物面为“轻”质结构，而根据不同地区不同时间不同风向设置季节性防风墙。比如在冬季可以将防风墙加固在北面，而夏季可以减小防风墙高度以免阻挡太阳光线及留出更多空间。这样在设计槽型抛物面时可以将风荷考虑在防风墙技术之内。同时防风墙技术可以变被动为主动，可以变成主动式风能利用技术，这里不述。二，支撑转动轴“落地”技术。槽式抛物面有一个转动轴，通常在支撑支架上，槽型抛物面的部分或全部重心聚集于转动轴，这样成本较高。如图13显示，槽型抛物面重心主要聚集于落地转动轴上，而转动轴在弧形槽内转动属于“滚动麽擦”，由于转动轴在弧形槽内以防止转动轴“脱位”。图13中转轴较粗，可以空心，事实上可以做的较小，而同时必须使支架支撑使重心大部集结于转动轴。这样方使同步千斤顶的力较小。三，焦轴转动技术。焦轴(即焦线部位的吸收部件，以下称焦轴)转动。如图1、图2、图3所示，对于开口面积小于3米的抛物面槽，其聚光焦线宽度即使做到2cm，其聚光倍率也会小于150，而一般用低成本镀膜和反光膜做成的槽的聚光“焦线”宽度是5-12cm，如果把抛物面槽开口做大，又能减少机械强度解决抗风能力，对节约槽式成本及提高热效很有好处。但是普通的槽式抛物面在光线变化时焦线成“散”状，光线偏离中心位置越大，“焦线”更变成一个更大的“焦面”，说到底，普通抛物面在阳光角度变化时根本不能聚焦。要解决这个问题，可以采取圆弧面与微分抛物面复合法。如图12，即做一个圆柱形面，里面固定上许多“微型”抛物面，“微型”是相对的，根据现实中“焦线”宽度的要求而设定。而每一块抛物面都是焦距不同的抛物面，由于在圆弧中的位置不同，其相对于圆弧中的位置在太阳光垂直入射时(如图12)其焦点都位于圆弧的圆心。抛物面不是圆弧形，但其微分时接近圆弧。抛物面贴近周围圆弧。这种方式制作较为麻烦，且有误差。但可以使镜面相对固定，也可以季节性调整，焦轴每天只需直线运动就可以近似或者说是“模糊”聚焦。
3，正槽斜槽梯度复合。以X轴和Y轴确定的平面抛物线(方程式x^2＝2PY或X平方＝4fy)沿Z轴平移，得到的抛物面槽叫“正槽”，也就是我们目前几十年生产实践中见到的“槽”。以X轴和Y轴确定的平面抛物线(方程式x^2＝2PY或X平方＝4fy)与X轴和Y轴确定的平面以一定角度倾斜(平面夹角大于0°小于45°)沿Z轴平移得到的“槽”叫倾斜槽，简称“斜槽”。倾斜槽从外观上看不“倾斜”，只是加工镜面时的方式不同，与正槽相比，在同一高度位置槽式反射镜面上的每一点的切平面发生了角度改变。
“斜槽”对于东西放置的槽和南北放置的槽都非常有用。因为槽上相对“正槽”而言同一位置的每一点的切平面的倾斜角度发生改变，导致焦线的东西(或南北)位置发生变化及产生高度变化。与“正槽”复合时需重新确定抛物线方程。设两平面倾斜角度＝α，则抛物线方程为：X平方＝4fy/cosα，其中f为正槽的焦距(即抛物线原点到焦点的距离)。在同样的光线照射下，“斜槽”的焦线与“正槽”的焦线可以完全或部分重合，具体情况需根据设计要求具体计算。
“正槽斜槽梯度复合”就是指倾斜不同角度的槽按照一定倾斜角度的大小依次排列并与正槽排列在一起。目的是让不同的槽的焦线聚合在一起，提高聚光倍率。同时因为东西放置或南北放置的“正槽”在太阳光东西、南北、上下三维变化时几乎总有焦线阳光倾斜出槽，造成能源浪费及造成安全隐患，而梯度复合槽可以杜绝这一缺陷。
图4，图5、图6是倾斜槽的示意图。其中图4在东西放置的槽的排列中放置在东边，槽的抛物面可以理解为抛物线沿水平面的垂线方向向西倾斜。图5为正槽。图6放置在西边，槽的抛物面可以理解为抛物线沿水平面的垂线方向向东倾斜。此图为示意图，生产中可以多种倾斜槽进行“梯度复合”。
4，抛物面框架线性结构与分体镜面结合。大型抛物面的加工与安装与小镜面槽相比居有许多不同之处，需要结构和尺寸相同抛物线支架和抛物镜面组合而成。比如开口8米的抛物面槽，因为可以左右对称，所以只要加工其中的一半线条作为抛物线支撑支架，左右对称并依次排列，形成框架网状结构，如图2和图3.抛物面支架系统可以独立存在，机械强度抗风设计都考虑其中。分体镜面可以设计宽度0.5-2米长度1-3米分体镜面，即在加工时把镜面分段加工，便于加工、运输、组装和维护。这种方式变繁琐为简单，化整为零，可以降低成本。
5，腔体吸收。目前人们一般采取真空式镀膜钢管及直通式真空管作为光吸收部件，在低温应用领域因为集热需要较长时间且能流密度较小，采取这种“管状”吸收方式有积极意义。但作为聚光式中高温领域，考虑“成本”和“效率”因素，可以用腔体吸收方式。腔体吸收的特点如图7、8、9、10、11所示，要求吸收面和外围保温结构分开，减少散热面积；要求吸收面“黑”且如类似“洞”型的形状。光线进入犹如“黑洞”的“腔体”吸收面内极少被反射，在“腔体”内即使有反射光线也被“腔体”内的其他“黑体”反复吸收。红外辐射也被腔体内“黑体”重复吸收，这样达到热量的最低损失。
下面结合附图对“腔体”吸收部件作进一步说明：
图7为简易腔体吸收部件横切面图，其中1为红外线反射面，保证热辐射基本返回工质，减少热损失。2为真空层或者有其他材料组成的保温层，隔绝或减轻热传导。3为水及油等工质，吸收的热量在这一层积聚，到达一定程度冲破压力阀门流出。4为锯齿状光吸收面，锯齿状是为增加其吸收面积，并防止未吸收光线(即反射光线)轻易透出造成能量损失。黑体可镀选择性涂层来增加吸收。
图8为改进型，其“腔体”特点更加突出，其光线更不容易透出。
图9为玻璃透光真空型“腔体”。即为了更好的促进吸收，减少损失，增加了下边的透光玻璃及真空层，透光玻璃要求具有耐高温功能、可见光及近红外的高透过功能及远红外的反射功能。但这样在加工时成本相应提高，安装及产品寿命等都受其影响，从“性价比”上考虑可选择性应用或不用。
图10为图9结构翻版，外型一样，但水及油等工质放在了吸收层下边、玻璃层上边，这样更有利于光线吸收，在片面追求热效而不考虑“成本”的情况下可以一试。具体为：1和7为红外线反射面，2和5为真空层或者有其他材料组成的保温层，3为水及油等工质，4为锯齿状光吸收面，可镀选择性涂层。6为高透光耐高温及远红外反射玻璃。
图11为改进后的光吸收面横切面图。便于两侧光线吸收，更具有应用价值。
光吸收面的宽度一般5-15cm，也可以稍宽或稍窄一些，腔体吸收体的长度因为主要是金属部件(如铝)，可以做的较长，中间可加螺纹结构(类似膨胀节)，两端可附加法兰盘，工程中需要腔体长度较长时，用常规法兰盘连接即可。