專利名稱：一種石英熱管及陣列太陽能光熱轉化器及方法
技術領域：
本發(fā)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(fā)電、制冷、干燥，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，主要采用真空玻璃管技術將太 陽能轉化為熱能，在此種技術上，有采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(fā)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涂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，選擇性涂層很好的實現了太陽能的轉化，但是，其轉化 后的熱能利用起來很不經濟，如采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，雖然采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，目前這種技術應用于低溫的熱水應用，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，主要采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，僅是采用直接在其上面放置簡單的灶具，而無法進行 大規(guī)模的采集和利用；同時也無法實現對太陽能進行收集以便于夜間及陰雨天應用；現有的技術太陽能中高溫的發(fā)電技術，主要是采用塔式、槽式、及蝶式，槽式太陽 能是已經商業(yè)化的太陽能光熱轉換器件，主要采用外不為玻璃管，內部為不銹鋼金屬管，內 部抽真空，實現太陽能的采集；但是該種吸收器價格高，只有少數的企業(yè)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于光熱轉化太陽能轉換器件， 特別是塔式太陽能，主要由于光熱轉換器需要在600-1500度的區(qū)間進行工作，由于高溫所 采用的金屬器件無法長時穩(wěn)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(yōu)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波段范圍內任 意選擇所需品種。由于石英玻璃耐高溫，熱膨脹系數極小，化學熱穩(wěn)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(wěn)定度光 學系統(tǒng)的必不可少的光學材料。石英玻璃的熱膨脹系數小，為5. 5X10_7°C，只有普通玻璃 的1/12-1/20。部標準規(guī)定將試樣的灼燒到1200°C后急速投到冷水中，反復三次以上不允 許炸裂，石英玻璃加入適量鈦元素后還可做成零膨脹系數的材料，由于石英器件的眾多的 優(yōu)勢，將石英器件應用于太陽能利用，特別是中高溫的太陽能光熱轉化，將是解決中高溫太 陽能采集的可行的技術方法。隨著太陽能鏡技術的發(fā)展，可以采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后，將產生很高的熱流密度，采用普通的傳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(fā)明內容
本發(fā)明的目的是提供一種石英太陽能光熱轉化器和石英太陽能光熱轉化器陣列 及轉化方法，采用將石英玻璃器件制造為熱管器件的方法，實現太陽能的采集以及利用，使 本發(fā)明的轉化器適合于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，以及應用于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(wěn)定性 差、成本高、結構復雜、適用范圍小特別是難以在中高溫中穩(wěn)定的長時間的進行光熱轉換的 問題。本發(fā)明充分的利用石英器件的物理化學性能實現太陽能的采集，為太陽能的利用 提供一種新的技術手段和方法。采用此種技術方法可以實現對太陽能的不同溫度、大規(guī)模 的綜合利用。具體發(fā)明內容如下一種石英熱管及陣列太陽能光熱轉化器，其特征是包括至少一個由石英器件構 成的熱管、在石英器件的至少一部分殼體上設置有太陽能涂層，將太陽能轉換為熱能。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，從而成為石英熱管。流體從熱管的冷凝端與熱管進行換熱，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。對于400度以下的溫度，通常采用水、導熱油為流體，對于高于400度的應用，可以 采用各種金屬、非金屬、化學鹽類工作介質進行傳熱換熱；對于低溫的發(fā)電設備，采用低溫有機工作介質為流體，對于中高溫采用水為發(fā)電 工作介質。為了增加石英器件的高溫使用強度，在石英管上燒結A1203、SiC ；太陽能涂層為低溫、中溫、高溫的太陽能涂層，可以在真空或非真空環(huán)境進行工 作，涂層選擇下列至少一種或其組合A、金屬、金屬氧化物、金屬化合物，包括銀、銅、鋁、A1203、SiC;B、聚合物，高分子聚合物；C、納米材料，包括納米氧化鋅；D、粘接劑；E、微粒，金屬及非金屬的顆粒。太陽能涂層設置在石英器件的外部殼體、內部殼體的至少一部分上。太陽能涂層 設置在石英器件的外部殼體、內部殼體的至少一部分上，為了增加太陽能轉化面積，在石英 器件的外部設置有金屬的翼片，并在翼片上設置有太陽能涂層。根據不同的溫度，可以采用不同的涂層，但是對于高溫涂層如A1203、SiC既可以 實現太陽光額度轉化，同時還可以實現增加石英管的強度以及提高石英管的石英溫度；可 以采用不同的加工方法實現在石英材料上加工涂層，通常可以采用燒結、噴涂、濺射等不同 的方式，只要可以達到目的，任何的加工方法都可以被采用。
石英器件的形狀為圓柱、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、扇形的一種或多種。石英器件熱管的至少一端設置有連接器件，用于與其他器件進行連接A、金屬或非金屬的套管；B、內或外波紋管連接；C、非金屬器件，包括采用橡膠膠圈、密封墊、硅膠圈、軟木塞。一種石英熱管陣列太陽能光熱轉化器，至少包含有多個石英器件構成的熱管、在 石英器件的至少一部分殼體上設置有太陽能涂層，多個石英器件熱管組成一個陣列，實現 將太陽能轉換為熱能。多個石英器件熱管組成的陣列可以根據需要進行不同的設計，但是通常可以選自 下列一種A、多個石英器件熱管平行排列，每個石英器件熱管的蒸發(fā)端和冷凝端設置在同一 側，多個熱管的冷凝端與一個流體進行換熱，用于太陽能低溫、中溫、高溫的應用；B、有多個石英器件熱管組成一個陣列，多個熱管的冷凝端共同夠成一個腔體，其 整體購車為一個擁有多個蒸發(fā)端與一個共同的冷凝端的熱管。C、由多個石英熱管進行并排排列為陣列，多個石英熱管被一個分隔板進行分割， 分隔板的一側為太陽能照射及吸收部分，也是熱管的蒸發(fā)端，另外一側為多個熱管的冷凝 端，用于太陽能低溫、中溫、高溫的應用，特別是用于塔式太陽能采集；D、在每一個石英熱管的冷凝端設置有一個套管，套管可以與其他的套管進行連 接；多個石英熱管通過套管實現連接?？梢圆捎萌魏涡螤顚崿F本發(fā)明的目的，但是石英器件熱管的腔體的形狀為圓柱、 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、扇形的一種 或多種。根據槽式、蝶式及塔式太陽能的采集的需要，設計和采用不同的形狀?！N石英熱管陣列太陽能光熱轉化方法，其步驟是首先是太陽能聚光裝置將太 陽光照射在權利要求l-io所述的石英熱管陣列太陽能光熱轉化器上；其次是石英器件上 的太陽能涂層將太陽能轉換為熱能；最后是石英器件的熱管將熱能傳遞和/或交換到外 部，實現太陽能的光熱轉化及熱能最終的利用。


圖1 石英熱管太陽能光熱轉化器圖2 帶有翼片的熱管太陽能光熱轉化器圖3:圓柱石英熱管圖4 多熱管并聯的熱管光熱轉化器圖5 多蒸發(fā)端一個冷凝端的太陽能光熱轉化器圖6 帶有連接套管的太陽能光熱轉化器圖中標記的具體含義如下1 石英器件熱管，2 太陽能涂層，3 熱管蒸發(fā)端，4 熱管冷凝端，5 帶有太陽能涂 層的翼片，6:膠圈，7:套管。
具體實施例方式實施例一石英熱管太陽能光熱轉化器按照圖1所示，將石英管(1)制造為熱管，在中間部位加工有太陽能涂層(2)，熱管 的加工有太陽能涂層的一端為熱管的蒸發(fā)端，熱管的另外一端為冷凝端。對以低溫100度 以下的熱水應用，可以采用低溫太陽能涂層，流體為水；對于100-400度的中溫應用，采用 中溫的太陽能涂層，流體為導熱油；對于400度以上的高溫應用，采用高溫的太陽能涂層， 流體為空氣；對于低溫的應用，可以采用非跟蹤的太陽能采集，對于中溫的應用，可以采用 槽式線聚焦的太陽能采集，對于高溫的應用，可以采用蝶式或塔式的太陽能跟蹤技術；這樣 對于任何需要的工作溫度，都可以采用雙石英管實現太陽能的采集和利用。實施例二 帶有翼片的雙通管太陽能光熱轉化器按照圖2所示，石英管為帶有翼片的熱管，在中間部位設置有太陽能涂層(2)，為 了增加太陽能吸熱的面積，在石英管的外部設置有金屬翼片，在金屬翼片上設置有太陽能 涂層，金屬翼片將太陽能轉化為熱能后傳遞到石英管。對于溫100度以下的熱水應用，可以 采用低溫太陽能涂層，流體為水；對于100-400度的中溫應用，采用中溫的太陽能涂層，流 體為導熱油；對于400度以上的高溫應用，采用高溫的太陽能涂層，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(fā)電及利用；對于低溫的應用，可以采用非跟蹤 的太陽能采集，對于中溫的應用，可以采用槽式線聚焦的太陽能采集，對于高溫的應用，可 以采用蝶式或塔式的太陽能跟蹤技術；這樣對于任何需要的工作溫度，都可以實現太陽能 的采集和利用。實施例三圓柱石英熱管按照圖3所示，英管器件熱管為圓柱體，在圓柱體的表面設置有太陽能涂層，為熱 管的蒸發(fā)端，在另外一側為熱管的冷凝端；對于低溫100度以下的熱水應用，可以采用低溫 太陽能涂層，流體為水；對于100-400度的中溫應用，采用中溫的太陽能涂層，流體為化學 鹽類物質；對于400度以上的高溫應用，采用高溫的太陽能涂層，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(fā)電及利用；對于低溫的應用，可以采用 非跟蹤的太陽能采集，對于中溫的應用，可以采用槽式線聚焦的太陽能采集，對于高溫的應 用，可以采用蝶式或塔式的太陽能跟蹤技術；這樣對于任何需要的工作溫度，都可以采用此 光熱轉化器實現太陽能的采集和利用。實施例四多熱管并聯的熱管光熱轉化器按照圖4所示，由三個石英熱管并聯而成，三個石英熱管的冷凝端共同與一個管 道連接，在管道上設置有進口(5)和出口(6)，流體從進口進入后從出口排出；對于低溫100 度以下的熱水應用，可以采用低溫太陽能涂層，流體為水；對于100-400度的中溫應用，采 用中溫的太陽能涂層，流體為化學鹽類物質；對于400度以上的高溫應用，采用高溫的太陽 能涂層，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(fā)電及利用；對 于低溫的應用，可以采用非跟蹤的太陽能采集，對于中溫的應用，可以采用槽式線聚焦的太 陽能采集，對于高溫的應用，可以采用蝶式或塔式的太陽能跟蹤技術。實施例五多蒸發(fā)端一個冷凝端的太陽能光熱轉化器按照圖5所示，由三個石英管構成一個整體熱管，三個石英管的殼體上設置有太陽能涂層，并同時與一個柱體進行連接，柱體為熱管的冷凝端，這樣構成為一個整體的熱 管。對于低溫100度以下的熱水應用，可以采用低溫太陽能涂層，流體為水；對于100-400度 的中溫應用，采用中溫的太陽能涂層，流體為化學鹽類物質；對于400度以上的高溫應用， 采用高溫的太陽能涂層，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(fā)電及利用；對于低溫的應用，可以采用非跟蹤的太陽能采集，對于中溫的應用，可以采用 槽式線聚焦的太陽能采集，對于高溫的應用，可以采用蝶式或塔式的太陽能跟蹤技術。實施例六帶有連接套管的太陽能光熱轉化器按照圖6所示，由三個帶有套管的石英熱管串聯而成，每一個熱管的蒸發(fā)端上設 置的套管可以相互連接，在三個石英管的殼體上設置有太陽能涂層(2)；流體從套管的一 端進入從另外一端流出。對于低溫100度以下的熱水應用，可以采用低溫太陽能涂層，流 體為水；對于100-400度的中溫應用，采用中溫的太陽能涂層，流體為化學鹽類物質；對于 400度以上的高溫應用，采用高溫的太陽能涂層，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(fā)電及利用；對于低溫的應用，可以采用非跟蹤的太陽能采集，對 于中溫的應用，可以采用槽式線聚焦的太陽能采集，對于高溫的應用，可以采用蝶式或塔式 的太陽能跟蹤技術。
權利要求
一種石英熱管太陽能光熱轉化器，其特征是包括至少一個由石英器件構成的熱管、在石英器件的至少一部分殼體上設置有太陽能涂層，將太陽能轉換為熱能。
2.根據權利要求1所述的石英熱管太陽能光熱轉化器，其特征是石英器的至少一端 為熱管的蒸發(fā)端，其另外一端為熱管的冷凝端；流體從熱管的冷凝端與熱管進行換熱，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。
3.根據權利要求1所述的石英熱管太陽能光熱轉化器，其特征是為了增加石英器件 的高溫使用強度，在石英管上燒結上三氧化二鋁，碳化硅。
4.根據權利要求1所述的石英熱管太陽能光熱轉化器，其特征是太陽能涂層為低溫、 中溫、高溫的太陽能涂層，可以在真空或非真空環(huán)境進行工作，涂層選擇下列至少一種或其 組合A、金屬、金屬氧化物、金屬化合物；包括；銀、銅、鋁、三氧化二鋁，碳化硅；B、聚合物；高分子聚合物，C、納米材料；包括納米氧化鋅，D、粘接劑；F、微粒，金屬及非金屬的顆粒。
5.根據權利要求1所述的石英熱管太陽能光熱轉化器，其特征是太陽能涂層設置在 石英器件的外部殼體、內部殼體的至少一部分上，為了增加太陽能轉化面積，在石英器件的 外部設置有金屬的翼片，并在翼片上設置有太陽能涂層。
6.根據權利要求1所述的石英熱管太陽能光熱轉化器，其特征是石英器件的形狀為 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、扇形的 一種或多種。
7.根據權利要求1所述的石英熱管太陽能光熱轉化器，其特征是石英器件的至少一 端設置有連接器件，用于與其他器件進行連接A、金屬或非金屬的套管；B、內或外波紋管連接；C、非金屬器件，包括采用橡膠膠圈、密封墊、硅膠圈、軟木塞。
8.一種石英熱管陣列太陽能光熱轉化器，其特征是至少包含有多個石英器件構成的 熱管、在石英器件的至少一部分殼體上設置有太陽能涂層，多個石英器件熱管組成一個陣 列，實現將太陽能轉換為熱能。
9.根據權利要求8所述的石英熱管陣列太陽能光熱轉化器，其特征是多個石英器件 熱管組成的陣列選自下列一種A、多個石英器件熱管平行排列，每個石英器件熱管的蒸發(fā)端和冷凝端設置在同一側， 多個熱管的冷凝端與一個流體進行換熱，用于太陽能低溫、中溫、高溫的應用；B、有多個石英器件熱管組成一個陣列，多個熱管的冷凝端共同夠成一個腔體，其整體 購車為一個擁有多個蒸發(fā)端與一個共同的冷凝端的熱管。C、由多個石英熱管進行并排排列為陣列，多個石英熱管被一個分隔板進行分割，分隔 板的一側為太陽能照射及吸收部分，也是熱管的蒸發(fā)端，另外一側為多個熱管的冷凝端，用 于太陽能低溫、中溫、高溫的應用，特別是用于塔式太陽能采集；D、在每一個石英熱管的冷凝端設置有一個套管，套管可以與其他的套管進行連接；多個石英熱管通過套管實現連接。
10.根據權利要求9所述的石英熱管陣列太陽能光熱轉化器，其特征是石英器件熱管的腔體的形狀為圓柱、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、扇形的一種或多種。
11.一種石英熱管陣列太陽能光熱轉化方法，其步驟是首先是太陽能聚光裝置將太 陽光照射在權利要求1-10所述的石英熱管陣列太陽能光熱轉化器上；其次是石英器件上 的太陽能涂層將太陽能轉換為熱能；最后是石英器件的熱管將熱能傳遞和/或交換到外 部，實現太陽能的光熱轉化及熱能最終的利用。
全文摘要
本發(fā)明的提供了一種適合于不同的溫度的太陽能光熱轉化器及陣列，特別是實現太陽能的中高溫的光熱轉換器件，以及應用于塔式以及蝶式的太陽能光熱轉化器件；采用將石英玻璃器件制造為熱管器件的方法，實現太陽能的采集以及利用，包括至少一個由石英器件構成的熱管、在石英器件的至少一部分殼體上設置有太陽能涂層，將太陽能轉換為熱能。采用此種技術方法可以實現對太陽能的不同溫度、大規(guī)模的綜合利用。
文檔編號F24J2/46GK101876492SQ20091030202
公開日2010年11月3日 申請日期2009年4月30日 優(yōu)先權日2009年4月30日
發(fā)明者李建民 申請人:北京智慧劍科技發(fā)展有限責任公司