CN101957014A - Cpc抛物线聚能太阳能采暖系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种CPC抛物线聚能太阳能采暖系统，该系统是由CPC双抛物线聚能式太阳能采暖集热器、带内置生活热水水箱的太阳能贮热水箱、智能化控制系统、采暖循环切换与循环、以及太阳能互补热源与采暖终端组成。优点和效果：本发明解决了集热器安装占地面积大，可安装有效集热面积的屋面大都不能满足太阳能贡献率40％的供热采暖负荷的问题；同时还解决了系统制造及安装费用较高的问题，以及集热器易损坏和夏季过热冬季防冻的问题。该系统接受太阳能光热的面积比接受太阳能辐射面积小，安装占地面积较小，制造安装费用比真空管式集热器低10％～20％。同时，CPC抛物线聚能式太阳能集热器使用寿命可以达到二十五年以上。远高于现有的系统寿命。

Description

CPC抛物线聚能太阳能采暖系统

技术领域

本发明属于新能源行业，太阳能利用领域。

背景技术

目前，我国太阳能供热采暖的集热设备主要有U形管、玻璃双真空管、玻璃单真空管、平板式等属于接受太阳能光热的面积与接收太阳辐射面积相等的平面型集热器，安装占地面积大，可安装有效集热面积的屋面大都不能满足太阳能贡献率40％的供热采暖负荷的需要；同时还有太阳能集热系统制造及安装费用较高的问题，以及集热器易损坏和夏季过热冬季防冻的共同问题。

发明内容

本发明的目的在于针对上述已有技术不足之处而提出了全新的设计，为了解决集热器安装占地面积大，可安装有效集热面积的屋面大都不能满足太阳能贡献率40％的供热采暖负荷的需要的问题；同时为了解决太阳能集热系统制造及安装费用较高的问题，寿命短，以及集热器易损坏和夏季过热冬季防冻的共同问题。

为了从实用性和经济性两个方面加大太阳能供热采暖的推动力度，研制了CPC抛物线聚能式太阳能采暖系统。

本发明为了解决上述已有技术的不足之处而采用以下的技术方案：

一种CPC抛物线聚能太阳能采暖系统，其特征是：该系统是由CPC抛物线聚能式太阳能采暖集热器、高位换热贮热水箱、膨胀水箱组成开放式封闭系统，该系统是由CPC双抛物线聚能式太阳能采暖集热器、带内置生活热水水箱的太阳能贮热水箱、智能化控制系统、采暖循环切换与循环、以及太阳能互补热源与采暖终端组成。

所述的一种CPC抛物线聚能太阳能采暖系统，其特征是：该系统是由CPC抛物线聚能式太阳能采暖集热器收取太阳能得到热量之后，由太阳能热水管从贮热水箱上部注入贮热水箱进行储热，而贮热水箱底部的低温水经太阳能回水管输送给到CPC抛物线聚能式太阳能采暖集热器的进水端，再进行太阳能加热，加热后的热水再经太阳能热水管输入给贮热水箱，形成贮热水箱、太阳能回水管、CPC抛物线聚能式太阳能采暖集热器、太阳能热水管、贮热水箱的换热、贮热的循环方式。

所述的一种CPC抛物线聚能太阳能采暖系统，其特征是：该系统是利用不同水温容重和不同高度差重力来实现自然循环的运行方式。

所述的一种CPC抛物线聚能太阳能采暖系统，其特征是：该系统所采用的集热器结构是CPC抛物线聚能式太阳能集热器的集热体与聚光器的最佳几何尺寸的结构是：

该系统的CPC聚能式太阳能集热器的集热体采用圆管助热板复合式结构，圆管为远红外涂层的主集热体，助热板是三角翼形副集热体，通过坐标公式x＝γsinα-ιcosα和y＝-γcosα-ιsinα计算和验证以圆管集热体为中心的双面渐开线，对应圆管的切线定位集热器的太阳最大半接受角。

所述的一种CPC抛物线聚能太阳能采暖系统，其特征是：该系统的聚光器：在坐标系沿集热体渐开线取动点M(x1，z1)，M点到集热体中心做曲线的轨迹是聚光器的抛物线，管中心是焦点，外圆是焦面，在本项目开发过程验证标准方程x²＝4fy，式中：f是以钢管中心为抛物线焦点对动点M的函数；y＝0.5P/L，其中：P为集热器的设计功率，有效集热效率取50％，L为集热器的槽长度，将钢管的中心设为O点为抛物线顶点，钢管的垂直轴线是抛物线的主光轴，则聚光比C＝采光面积/焦面面积。

所述的一种CPC抛物线聚能太阳能采暖系统，其特征是：该系统的抛物线聚能式集热器的的采用的材料：

(1)集热器材料，主集热体材料规格DN80X4；副集热体材料薄钢板几何成型一面作远红外涂层，另一面作镜面涂层；中心加热管为DN40X1不锈钢管；传热介质为250#导热硅油。

(2)聚光器材料，聚光材料是镀银、镀铝玻璃镜、涤纶镀铝薄膜、抛光铝板、抛光不锈钢板。

本发明的优点和效果：本发明解决了集热器安装占地面积大，可安装有效集热面积的屋面大都不能满足太阳能贡献率40％的供热采暖负荷的需要的问题；同时还解决了太阳能集热系统制造及安装费用较高的问题，以及集热器易损坏和夏季过热冬季防冻的共同问题。

为了从实用性和经济性两个方面加大太阳能供热采暖的推动力度，我们研制了CPC抛物线聚能式太阳能采暖系统。该系统接受太阳能光热的面积比接受太阳能辐射面积小，安装占地面积较小，制造安装费用比真空管式集热器低10％～20％。同时，CPC抛物线聚能式太阳能集热器使用寿命可以达到二十五年以上。远高于现有的系统寿命。

本发明实施的效果

1、提高了太阳能集热设备的使用寿命。常规的太阳能集热设备一般为5-10年，本集热器可以达到30年。

2、提高了太阳能集热设备的集热效率。常规的太阳能集热设备的集热效率一般为50％左右，本集热器可以达到75％以上。

3、本集热器是全金属结构，比较常规的集热设备，本集热器故障率几乎为零，基本可以实现免维护。

4、本集热器的制造、安装成本相当于常规集热设备的1/3，极具市场经济性，能够为老百姓能和推广太阳能采暖所接受。

5、夏季过热与冬季防冻有了一种根本性的解决方式。对我国西、北部推广太阳能采暖，普及推广太阳能光热利用起到了决定性的作用。

6、对不同地理纬度，在相同地理纬度而不同的季节，在相同季节的不同时间，CPC双抛物线聚能太阳能采暖集热器具有很强的阳光对应性和接收性。从图三可见，当CPC双抛物线聚能太阳能采暖集热器安装角度和安装位置固定后，太阳顶天角A随季节或早晚时间变化时，F1+F2的当量Q始终不变，而F1+F2＝Q则是CPC双抛物线聚能太阳能采暖集热器所接受的太阳总光热，因此，CPC双抛物线聚能太阳能采暖集热器比常规的太阳能集热器集热效率提高50％以上。

附图说明

以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

图1是本发明的CPC抛物线聚能太阳能采暖系统示意图；

图2是CPC双抛物线聚能太阳能采暖集热器主视结构示意图；

图3是CPC抛物线聚能式太阳能采暖集热器的侧视结构示意图；

图4是CPC双抛物线聚能太阳能采暖系统数学模型示意图。

具体实施方式

参照附图1所示，

原理说明

第一，CPC双抛物线聚能太阳能采暖集热系统，其中：1是CPC双抛物线聚能式太阳能采暖集热器、2是太阳能热水管、3是太阳能回水管、4是带内置生活热水水箱的太阳能贮热水箱(以下简称贮热水箱)、5是贮热水箱供热水管、6是贮热水箱回水水管、7是贮热水箱溢水管、8是贮热水箱补水管、9是贮热水箱排污管、10是贮热水箱温度检测探头、11是大气温度检测探头、12是室内温度检测探头、13是太阳能采暖智能化控制系统、14是应急手动阀门、15是采暖热源切换电磁阀、16是采暖循环泵、17是太阳能互补热源与采暖终端供热管、18是太阳能互补热源与采暖终端回水管。

所述的CPC双抛物线聚能太阳能采暖系统，其特征是：该系统是利用不同水温容重和不同高度差重力来实现自然循环的运行方式。

第二，本发明的CPC双抛物线聚能太阳能采暖集热系统，其特征是：该系统是由CPC双抛物线聚能式太阳能采暖集热器、带内置生活热水水箱的太阳能贮热水箱、智能化控制系统、采暖循环切换与循环、以及太阳能互补热源与采暖终端组成，其中：太阳能互补热源是常规供热设备，将根据用户条件选择电热热源、燃气热源、燃煤热源以及生物质(如牛羊粪干物质)等不同的热源，采暖终端一般为盘管地热辐射式地板采暖或金属壁挂式暖气片。内置式生活热水水箱主要用于缺水地区可以贮存用水，并进行换热、加热，将直接用于生活洗涤；有自来水的地区可以将内置式生活热水水箱换成浮动盘管，边进自来水边换为生活热水，提供方便的生活使用，尤其满足青藏高原、黄土高原、内蒙古高原等缺水地区的采暖与供热的需要。

所述的CPC双抛物线聚能太阳能采暖系统集热系统，该系统是由CPC抛物线聚能式太阳能采暖集热器1收取太阳能得到热量之后，由太阳能热水管2从贮热水箱上部注入贮热水箱4进行储热，而贮热水箱4底部的低温水经太阳能回水管3输送给到CPC抛物线聚能式太阳能采暖集热器1的进水端，再进行太阳能加热，加热后的热水再经太阳能热水管2输入给贮热水箱4，形成贮热水箱4、太阳能回水管3、CPC抛物线聚能式太阳能采暖集热器1、太阳能热水管2、贮热水箱4的换热、贮热的循环方式。

第三，被太阳能加热的水从贮热水箱4经采暖供水管5、太阳能互补热源与采暖终端供热管17对采暖对象进行供热，然后经太阳能互补热源与采暖终端回水管18和采暖回水管6返回贮热水箱4，形成贮热水箱4、采暖供水管5、采暖互补热源与采暖终端、采暖回水管6、贮热水箱4的供热、散热、采暖(供热)的循环方式。

第四，所述的CPC双抛物线聚能太阳能采暖系统，其特征是：该系统所采用的太阳能采暖智能化控制系统是太阳能采暖供热系统运行的控制装置，太阳能采暖智能化控制系统13中设有贮热水箱温度检测探头10太阳能换热温度控制、设有大气温度检测探头11用于太阳能集热系统防冻、防过热的安全管理，设有室内温度检测探头12用于采暖室内温度控制。在太阳能采暖智能化控制系统13的控制调节下CPC抛物线聚能太阳能采暖系统分别适应电热采暖壁挂炉、燃气采暖壁挂炉、生物质采暖炉(含燃煤采暖炉)等不同的互补热源。

当太阳能集热系统的互补热源是电热采暖壁挂炉或燃气壁挂炉时，当贮热水箱温度检测探头10检测到贮热水箱4的水温达到采暖循环需要的温度时，太阳能采暖智能化控制系统13启动采暖循环泵16，同时关闭采暖热源切换电磁阀15，采暖循环热水来自于贮热水箱4。当贮热水箱温度检测探头10检测到贮热水箱4的水温低于采暖循环水温要求时，太阳能采暖智能化控制系统13关闭采暖循环泵16，同时关闭采暖热源切换电磁阀15防止互补热源的电热或燃气热量流失到贮热水箱，而此时采暖完全由电热或燃气装置补充采暖的热量，贮热水箱继续由CPC抛物线聚能式太阳能采暖集热器1接受太阳能光热集热。当贮热水箱4的温度达到要求后，太阳能采暖智能化控制系统13将电热或燃气互补装置关闭，重新启动采暖循环泵16进行太阳能采暖，形成贮热水箱4、采暖终端、贮热水箱4的太阳能采暖循环系统，以及电热或燃气热的互补辅助加热的采暖循环系统。

当太阳能集热系统的互补热源是生物质采暖炉(含燃煤采暖炉)时，当贮热水箱温度检测探头10检测到贮热水箱4的水温达到采暖循环需要的温度时，太阳能采暖智能化控制系统13启动采暖循环泵16，同时关闭采暖热源切换电磁阀15，采暖循环热水来自于贮热水箱4，形成贮热水箱4、采暖终端的太阳能采暖供热系统。当贮热水箱温度检测探头10检测到贮热水箱4的水温低于采暖循环水温要求时，太阳能采暖智能化控制系统13关闭采暖循环泵16，同时启动采暖热源切换电磁阀15，形成贮热水箱4、生物质采暖炉(含燃煤采暖炉)和采暖终端的生物质燃料给太阳能集热系统提供互补热源的采暖循环系统。

参照附图2、图3所示，CPC双抛物线聚能太阳能采暖集热器与结构说明

原理说明

CPC双抛物线聚能太阳能采暖集热器，其中：19是太阳能采暖集热器上抛物线聚能器、20是太阳能采暖集热器下抛物线聚能器、21是三角翼副集热体、22是钢管主集热体、23是太阳能换热循环管、24是金属支架(并连接防雷避雷装置)。

所述的CPC抛物线聚能太阳能采暖系统，该系统的CPC聚能式太阳能集热器的集热体采用圆管助热板复合式结构，圆管为远红外涂层的主集热体，助热板是三角翼形副集热体。

所述的CPC抛物线聚能太阳能采暖系统，该系统的抛物线聚能式集热器的的采用的材料：

(1)集热器的材料集热器分为主集热体、副集热体、不锈钢管加热管、太阳能贮热介质和太阳能换热介质。

①主集热体为规格DN100X4冷拔无缝钢管；副集热体为冷轧薄钢板。

②主集热体轴线0°为起点的60°与-60°面(即受热底面)采用纳米金属黑体远红外涂层做吸热、助热，主集热体轴线60°至-60°面(即非受热上面)采用纳米碳化硅钙纤维层隔热、保温。

③主集热体内灌注容积2/3的250#导热硅油传热为太阳能贮热介质。

④封闭的主集热体中心穿过DN32X1不锈钢管加热管，管内循环的太阳能换热介质可以根据冬季气温条件的不同，当极端最低气温-5℃以下地区采用饮用级水为介质，当极端最低气温-15℃以下地区采用溴化锂导热水溶液为介质，当极端最低气温-35℃以下地区采用常压乙醇铬化合物导热水溶液为介质。

(2)聚光器材料。聚光材料是镀银、镀铝玻璃镜、涤纶镀铝薄膜、抛光铝板、抛光不锈钢板。

所述的CPC双抛物线聚能太阳能集热器，该集热器所采用的集热体结构是CPC双抛物线聚能式太阳能集热体，太阳能采暖集热器上抛物线聚能器19和太阳能采暖集热器下抛物线聚能器20是聚能装置，具有最佳几何尺寸的结构，钢管主集热体22内设有耐保温、耐低温的导热硅油，导热硅油吸收和贮存太阳能的热量，钢管主集热体22是全封闭承压式结构，钢管主集热体22底部120°夹角的外表涂有远红外吸热助热层，钢管主集热体22上部240°夹角的外表涂有纳米阻热保温层。钢管主集热体22轴线位置设有三角翼副集热体21，既是防止太阳光线散射，又是辅助吸热。钢管主集热体22内置太阳能换热循环管23，太阳能换热循环管23连接图1所示中贮热水箱22的太阳能供热管20和太阳能回水管21，形成钢管主集热体22、太阳能供热管20、图示1中贮热水箱22、太阳能回水管21和钢管主集热体22的温差自然循环的换热循环系统。

参照附图4所示，

三、CPC双抛物线聚能太阳能采暖系统数学模型

所述的CPC双抛物线聚能太阳能采暖集热器聚能器的抛物线轨迹要根据不同地理纬度采用数学模型进行确定。防冻涂料、太阳能换热介质要根据不同海拔高度、不同极端最低气温、不同太阳能辐射强度而确定。

所述的CPC双抛物线聚能太阳能采暖集热器聚能器的抛物线轨迹参照地理纬度(即太阳对地夹角)A、太阳顶天角(即夹角的余角)D，以及中心轴B到O2的距离，通过坐标公式F1＝BsinA-BlcosD和F2＝-BcosA-BsinD计算取定抛物线轨迹点，将轨迹点标定在图示中心轴线B两侧及抛物线开口处的三个标尺上，三个标尺与中心轴线的相对位置可以采用通用的三角函数计算取得，即：∠C1B标尺和∠BC2标尺，以及与∠C1B和∠BC2之间连接的O11标尺。然后通过标准方程E1²＝4fC1和E2²＝4fC2计算主集热体的坐标连线，将E1、E2与B交合点既是主集热体的中心轴线。式中：f是以钢管中心为抛物线1焦点E1对动点F1，以及抛物线2焦点E2对动点F2的双面渐开线的函数；C1和C2是对应主集热体(圆管)的切线，是太阳最大半接受角。

主集热体上能够获得太阳能量多少的焦点的汇集面传统叫做焦斑。其特征是：该聚光器的焦斑面积数学模型为S＝0.75PL，其中：P为集热器的设计功率，有效集热效率取75％，L为主集热体的长度，主集热体(钢管)的轴中心是坐标的O点，也是抛物线的顶点，主集热体(钢管)的垂直轴线B是抛物线的主光轴，则聚光比(T)＝采光面积(X)/焦面面积(S)。

实施例1

1、确定集热器结构通过项目开展的过程确定CPC抛物线聚能式太阳能集热器的集热体与聚光器的最佳几何尺寸的结构。

2、确定集热体CPC聚能式太阳能集热器的集热体拟采用圆管助热板复合式结构。圆管为远红外涂层的主集热体，助热板是三角翼形副集热体，通过坐标公式x＝γsinα-ιcosα和y＝-γcosα-ιsinα计算和验证以圆管集热体为中心的双面渐开线，对应圆管的切线定位集热器的太阳最大半接受角。

3、确定聚光器在坐标系沿集热体渐开线取动点M(x1，z1)，M点到集热体中心做曲线的轨迹是聚光器的抛物线，管中心是焦点，外圆是焦面。在本项目开发过程验证标准方程x²＝4fy，式中：f是以钢管中心为抛物线焦点对动点M的函数；y＝0.5P/L，其中：P为集热器的设计功率，有效集热效率取50％，L为集热器的槽长度。将钢管的中心设为O点为抛物线顶点，钢管的垂直轴线是抛物线的主光轴。则聚光比C＝采光面积/焦面面积。

4、确定抛物线聚能式集热器的材料

(1)集热器材料主集热体材料规格暂定DN80X4；副集热体材料暂定薄钢板几何成型一面作远红外涂层，另一面作镜面涂层；中心加热管为DN40X1不锈钢管；传热介质为250#导热硅油。

(2)聚光器材料聚光材料拟在镀银、镀铝玻璃镜、涤纶镀铝薄膜、抛光铝板、抛光不锈钢板各种材料中经聚光性能、集热转换率、耐寒热变化、寿命等试验后选择。

5、集热与贮热系统结构由CPC抛物线聚能式太阳能采暖集热器、高位换热贮热水箱、膨胀水箱组成开放式封闭系统。经过理论计算和现场试验确定自然循环换热结构方式、免维护方式。

Claims (6)

1.一种CPC抛物线聚能太阳能采暖系统，其特征是：该系统是由CPC抛物线聚能式太阳能采暖集热器、高位换热贮热水箱、膨胀水箱组成开放式封闭系统，该系统是由CPC双抛物线聚能式太阳能采暖集热器、带内置生活热水水箱的太阳能贮热水箱、智能化控制系统、采暖循环切换与循环、以及太阳能互补热源与采暖终端组成。

2.根权利要求1所述的一种CPC抛物线聚能太阳能采暖系统，其特征是：该系统是由CPC抛物线聚能式太阳能采暖集热器(1)收取太阳能得到热量之后，由太阳能热水管(2)从贮热水箱上部注入贮热水箱(4)进行储热，而贮热水箱(4)底部的低温水经太阳能回水管(3)输送给到CPC抛物线聚能式太阳能采暖集热器(1)的进水端，再进行太阳能加热，加热后的热水再经太阳能热水管(2)输入给贮热水箱(4)，形成贮热水箱(4)、太阳能回水管(3)、CPC抛物线聚能式太阳能采暖集热器(1)、太阳能热水管(2)、贮热水箱(4)的换热、贮热的循环方式。

3.根权利要求1所述的一种CPC抛物线聚能太阳能采暖系统，其特征是：该系统是利用不同水温容重和不同高度差重力来实现自然循环的运行方式。

4.根权利要求1所述的一种CPC抛物线聚能太阳能采暖系统，其特征是：该系统所采用的集热器结构是CPC抛物线聚能式太阳能集热器的集热体与聚光器的最佳几何尺寸的结构是：

该系统的CPC聚能式太阳能集热器的集热体采用圆管助热板复合式结构，圆管为远红外涂层的主集热体，助热板是三角翼形副集热体，通过坐标公式x＝γsinα-ιcosα和y＝-γcosα-ιsinα计算和验证以圆管集热体为中心的双面渐开线，对应圆管的切线定位集热器的太阳最大半接受角。

5.根权利要求1所述的一种CPC抛物线聚能太阳能采暖系统，其特征是：该系统的聚光器：在坐标系沿集热体渐开线取动点M(x1，z1)，M点到集热体中心做曲线的轨迹是聚光器的抛物线，管中心是焦点，外圆是焦面，在本项目开发过程验证标准方程x²＝4fy，式中：f是以钢管中心为抛物线焦点对动点M的函数；y＝0.5P/L，其中：P为集热器的设计功率，有效集热效率取50％，L为集热器的槽长度，将钢管的中心设为O点为抛物线顶点，钢管的垂直轴线是抛物线的主光轴，则聚光比C＝采光面积/焦面面积。

6.根权利要求1所述的一种CPC抛物线聚能太阳能采暖系统，其特征是：该系统的抛物线聚能式集热器的的采用的材料：

(1)集热器材料，主集热体材料规格DN80X4；副集热体材料薄钢板几何成型一面作远红外涂层，另一面作镜面涂层；中心加热管为DN40X1不锈钢管；传热介质为250#导热硅油。

(2)聚光器材料，聚光材料是镀银、镀铝玻璃镜、涤纶镀铝薄膜、抛光铝板、抛光不锈钢板。

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