CN102080890A - 平板式太阳能集热系统防冻装置 - Google Patents
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Abstract
平板式太阳能集热系统防冻装置用薄壁玻璃器皿，水平安装、连接在平板式太阳能集热系统的平板式集热器或平板式太阳能房顶的下汇集管延伸出集热器或太阳能房顶并处于自然环境中的下汇集管延伸部分，玻璃器皿与下汇集管联通并处于同一个水平面上。主要用于平板式集热器或黑瓷复合陶瓷太阳板太阳能房顶，从而确保金属平板太阳能集热体或黑瓷复合陶瓷太阳板在冬天使用的安全性。
Description
技术领域
本发明涉及平板式太阳能集热系统的防冻装置，特别涉及以玻璃器皿作为防冻装置。
背景技术
太阳能利用包括光电利用和光热利用，光电利用主要指太阳能电池，光热利用主要指聚光太阳能发电装置和太阳能集热(器)系统，应用最广泛的太阳能集热(器)系统是太阳能热水(器)系统。
太阳能热水(器)系统可以简称太阳能热水器，一般主要由支架、集热器、水箱构成，集热器分为玻璃真空管式和平板式两种，一般平板式集热器由金属平板集热体、金属外壳、保温材料、透明盖板构成，玻璃真空管本身是集热器也是集热体，太阳能热水器中最关键的部件是太阳能集热体，太阳能集热体主要分为真空玻璃管和金属平板式两大类，金属平板式分为管板式、翼管式、蛇管式和通孔扁盒式集热体，实质上翼管式、蛇管式与管板式一样都是铜管和金属板的结合，本发明中统称为金属管板式，目前能够长期承受热水腐蚀的金属材料是铜材，所以金属平板式集热体中与水接触部位一般都是铜材，通常太阳能热水器以其集热体的种类来分类。
太阳能是面能源，理论和实践都已经证明效率最高的太阳能集热体是金属材料制造的通孔扁盒式太阳能集热体，在这种集热体中，阳光吸收面下面布满待加热的介质，热交换最直接、迅速，热传导距离最短，这种结构需要使用大量铜材，铜材非常昂贵，焊缝很长，制造工艺复杂，制造成本很高，难以大规模使用。
本发明人在近几年发明了黑瓷复合陶瓷太阳板，也是一种平板式太阳能集热体，其结构是通孔扁盒式，与金属材料制造的通孔扁盒式太阳能集热体相比，形状基本相同，只是材料不同；黑瓷复合陶瓷太阳板由普通陶瓷和钒钛黑瓷组成，其基体是普通陶瓷，表面层是对阳光具有很高吸收率的钒钛黑瓷层。没有白度要求的普通陶瓷是目前已知的成本最低、寿命最长、性能最稳定的工程材料之一，以提钒尾渣为主要原料的钒钛黑瓷是目前已知的成本最低、寿命最长、性能最稳定的太阳能吸收材料；制造一平方米陶瓷太阳板的成本是制造同面积常规太阳能集热体的几分之一到十分之一，能耗是几分之一到几十分之一，使用寿命是几倍到十几倍；经国家太阳能热水器质量监督检验中心检验，黑瓷复合陶瓷太阳板的阳光吸收比是0.95，以黑瓷复合陶瓷太阳板组成的太阳能热水器的日得热量是8.6MJ以上，高于国家标准规定的7.0MJ。
我国目前主要采用真空玻璃管太阳能热水器，约占90％，其余是金属管板式太阳能热水器，也有极少量主要用于试验的通孔扁盒式太阳能热水器，欧、美、日、澳大利亚等国主要采用金属平板式太阳能热水器，也有少量通孔扁盒式太阳能热水器商品。
一般房顶至少由结构层、保温层、防水层构成，大多数房顶由混凝土结构层、保温层、水泥层、防水层构成；房顶的主要功能是隔热、保温，抵御风、雨、雪、日晒等对室内环境的影响；通常房顶包括平房顶、人字形的斜房顶和一面坡的斜房顶。
房顶是离人类最近、使人类最容易获得阳光的场所。所以一般人们将太阳能热水器安装在房顶上，以取得太阳能。如上所述，太阳能热水器主要由支架、集热器、水箱构成，经过多年使用，人们发现在房顶上大量安装太阳能热水器会严重影响建筑物的整齐和美观，安装过程和支架的压力容易损坏房顶防水层，支架腐蚀等原因会造成安全问题。
长期以来人们一直希望实现太阳能热水器与建筑一体化。
06年生效的国家标准“民用建筑太阳能热水系统应用技术规范”，09年7月6日财政部、建设部发出的关于“可再生能源建筑应用”的两项通知；各省正在酝酿、出台的新建筑必须采用太阳能热水系统的强制性规定等，都强调太阳能热水系统与建筑一体化。
尽管06年生效的国家标准“民用建筑太阳能热水系统应用技术规范”明确提出“太阳能热水系统与建筑结合，就是把太阳能热水系统产品作为建筑构件安装，使其与建筑有机结合”“使太阳能热水系统与建筑有机结合，成为建筑的一部分”，已经过去5年了，但是，到目前为至，房顶仍然主要是包括结构层、保温层、水泥层、防水层，自成体系；太阳能热水器仍然只是由支架、集热器、水箱构成，自成体系。
至今，太阳能热水器仍然主要是架设在房顶上的自成体系的后置设备，个别的变化是将加固的集热器外壳紧贴斜房顶的防水层固定，从远处看似乎与房顶实现了一体化，本质上根本没有实现太阳能热水器与建筑一体化。
合并平板式太阳能热水器与普通建筑物房顶功能相同的部分，合并平板式太阳能热水器与普通建筑物房顶的结构层、保温层、防水层，实现太阳能热水器与建筑一体化称作太阳能房顶，采用金属平板式太阳能集热体的称作金属平板式太阳能房顶，采用陶瓷平板式太阳能集热体的称作陶瓷平板式太阳能房顶，简称平板式太阳能房顶或太阳能房顶。
平板式太阳能集热系统包括平板式太阳能集热器和平板式太阳能房顶。平板式太阳能集热系统包括金属平板式太阳能集热器和陶瓷平板式太阳能房顶。平板式太阳能集热体包括金属平板式太阳能集热体和陶瓷平板式太阳能集热体。
玻璃真空管集热体本身有一定的隔热保温结构和性能，平板式太阳能集热体本身没有隔热保温结构和性能，当平板式太阳能集热体中的水结冰时，体积膨胀会破坏平板式太阳能集热体，平板式太阳能集热系统必须有冬天防止冻坏的方法、措施或装置。平板式太阳能集热系统通常采用防冻液循环换热的方法或达到冰点前放水的方法，放水的方法也称作落水法。防冻液循环换热的方式会降低热效率10％左右，目前落水法主要依靠控制系统指令水泵、阀门及时放水，金属平板式太阳能集热系统可以具有十几年的使用寿命，陶瓷平板式太阳能集热系统可以具有上百年的使用寿命，有的地区冬天长达半年，在十几年、上百年的时间里，只要某一天控制系统或者水泵、阀门发生一次机械或电气故障，平板式太阳能集热体内的水产生结冰现象，平板式太阳能集热体就会大面积破坏，集热体是太阳能集热系统的主体设备，损失是很大的，这是采用落水法的主要缺点之一。
黑瓷复合陶瓷太阳板太阳能房顶的太阳能集热体是黑瓷复合陶瓷太阳板，黑瓷复合陶瓷太阳板是陶瓷材料，其优点是成本低、寿命长、效率高、不腐蚀、不老化、不褪色、阳光吸收率不衰减，缺点是不具有金属的延伸性，是完全的脆性材料，一旦板内的水结冰膨胀，黑瓷复合陶瓷太阳板比金属平板式太阳能集热体更容易破裂。
发明内容
本发明的目的是使平板式太阳能热水系统的控制系统即使发生各种故障也不会冻坏太阳能集热体。
为最大限度利用太阳能、减少水泵工作时间、提高太阳能热水系统工作可靠性，本发明在春夏秋冬都采用图1所示的系统，当上午太阳能集热器或太阳能房顶2中的温度比水箱4中的水温高8℃时，打开电动阀13和水泵17，水从水箱注入太阳能集热器或太阳能房顶2，开始阳光加热循环，当太阳能集热器或太阳能房顶2中的温度只比水箱4中的水温高2℃时，电动阀13和水泵17停止工作，节省电能，再次高8℃时，重新开始工作，太阳能集热系统这种工作原理称作温差循环；下午当日头西斜，阳光不足，不能再使水温提高，此时水温已达到当天的最高点，为防止阳光不足水温下降，热能损失，当连续1个小时太阳能集热器或太阳能房顶2中的温度只比水箱4中的水温高2℃或2℃以下时，电动阀12和水泵18开始工作，将太阳能集热器或太阳能房顶2中的水抽入水箱，这时太阳能集热器或太阳能房顶2中没有水；为防止万一，下午4点时电动阀14自动打开，半小时以后自动关闭；使用者如果认为有疑问时，可以打开手动阀门16；冬天，当发生无预兆停电时电动阀15自动打开将太阳能集热器或太阳能房顶2中的水放入水箱。
此外，本发明为防止冬天由于任何意外故障破坏太阳能集热体，采用另外的防冻装置，这种防冻装置是薄壁玻璃器皿3，水平安装、连接在平板式太阳能集热系统的平板式集热器或平板式太阳能房顶2的下汇集管5延伸出集热器或太阳能房顶并处于自然环境中的下汇集管延伸部分，玻璃器皿3与下汇集管5联通并与下汇集管5处于同一个水平面上。
所述的玻璃器皿3可以是T型玻璃管11或者是具有内管的T型玻璃管9或者是直角玻璃管，玻璃器皿3与下汇集管5之间可以安装阀门。
在平板式太阳能集热器或平板式太阳能房顶的十几年或上百年寿命之中的任何某一天由于控制系统、水泵、阀门发生意外电气或机械故障，使用者或管理者没有发现故障的情况下，平板式太阳能集热器或平板式太阳能房顶中的水没有及时放入保温水箱，冬天气温很低，平板式太阳能集热器或平板式太阳能房顶中的水温不断下降，玻璃器皿中的水温也不断下降，平板式太阳能集热器或平板式太阳能房顶中的平板式太阳能集热体的上面有至少一层玻璃板起到一定的保温作用，下面有保温材料可以起到保温作用，水温下降的比较慢，玻璃器皿直接暴露在自然环境中，其中水的温度下降的更快，首先达到冰点以下，首先结冰，水结冰时体积膨胀，对器皿的侧壁造成压力，使侧壁破裂，平板式太阳能集热器或平板式太阳能房顶中的水被放光，保证了平板式太阳能集热体的安全。
T型玻璃管11或者具有内管的T型玻璃管9是这样工作的，T型玻璃管有一个开口的短管，开口的另一端与一根封闭的长管的中部相通，短管、长管、汇集管5的直径基本相同，短管的开口与下汇集管延伸部分连接、相通，长管安装呈水平位置，短管、长管、汇集管5的中轴线处于同一个水平面上，T型玻璃管与下汇集管延伸部分之间可以安装阀门，在春夏秋季关闭阀门，使T型玻璃管处于非工作状态，或者在春夏秋季拆下T型玻璃管，T型玻璃管只有在冬天才需要进入工作状态，当水箱中的水进入平板式太阳能集热器或平板式太阳能房顶2的时候，水也充满T型玻璃管，当水温达到最高点，水被放入水箱时，T型玻璃管也被放空，冬夜低温对被放空的平板式太阳能集热器、平板式太阳能房顶2或T型玻璃管都不会产生影响。
在平板式太阳能集热器或平板式太阳能房顶的十几年或上百年的使用寿命之中的任何某一天由于控制系统、水泵、阀门发生意外电气或机械故障，使用者或管理者没有发现故障的情况下，平板式太阳能集热器或平板式太阳能房顶中的水没有及时放入保温水箱，冬天气温很低，平板式太阳能集热器或平板式太阳能房顶中的水温不断下降，T型玻璃管中的水温也不断下降，平板式太阳能集热器或平板式太阳能房顶中的平板式太阳能集热体的上面有至少一层玻璃板起到一定的保温作用，下面有保温材料可以起到保温作用，水温下降的比较慢，T型玻璃管直接暴露在自然环境中，其中水的温度下降的更快，在T型玻璃管中，长管中部的水离太阳能集热体中的水距离比较近，水温下降比较慢，长管两端的水温度下降最快，首先达到冰点以下，首先结冰，冰柱的长度由两端逐步向中间延伸，水结冰时体积膨胀，对长管的侧壁造成压力，随着两端冰柱向中间延伸压力逐步增大，在两端冰柱会合前压力会使外侧壁破裂，平板式太阳能集热器或平板式太阳能房顶中的水压冲开破裂的玻璃长管的外侧壁，使平板式太阳能集热器或平板式太阳能房顶中的水放光，保证了平板式太阳能集热体的安全。
上述玻璃器皿价格便宜，使用成本低廉，可以确保各种平板式太阳能集热体的使用安全。尤其是充分保证了黑瓷复合陶瓷太阳板太阳能房顶的太阳能集热体-黑瓷复合陶瓷太阳板的冬天使用安全。
附图说明：
图1表示平板式太阳能集热器或平板式太阳能房顶的常规温差循环方法，表示了本发明采取的安全措施和采用的安全装置，表示了玻璃器皿安全装置的安装位置。
图2表示T型玻璃管中的水开始结冰的状态。
图3表示T型玻璃管中的冰柱将外侧壁顶破，平板式太阳能集热器或平板式太阳能房顶中的水排出时的状态。
图4表示T型玻璃管11的结构。
图5表示具有内管的T型玻璃管9的结构。
图6表示具有内管的T型玻璃管9纵剖面图。
图7表示具有内管的T型玻璃管的侧视图。
图8表示黑瓷复合陶瓷太阳板的外形、横剖面和纵剖面图。
图9表示一种金属平板式太阳能集热体。
图中标记的说明
1、太阳能集热系统的通气孔 2、平板式太阳能集热器或平板式太阳能房顶 3、薄壁玻璃器皿 4、水箱 5、平板式太阳能集热器或平板式太阳能房顶的下汇集管 6、冰 7、水 8、玻璃碎片 9、具有内管的T型玻璃管 10、具有内管的T型玻璃管的内管 11、T型玻璃管 12、回水电动阀 13、上水电动阀 14、定时开关电动阀 15、停电时才开启的电动阀(常闭电动阀) 16、手动阀 17、上水水泵 18、回水水泵 19、黑瓷复合陶瓷太阳板 20、金属平板式太阳能集热体 21、金属平板式太阳能集热体的上汇集管 22、排管 23、吸收阳光的黑色翼板 24、金属平板式太阳能集热体的下汇集管
具体实施方式：
1、与原房顶共用结构层、保温层、防水层的混凝土结构黑瓷复合陶瓷太阳板太阳能房顶2，T型玻璃管有一个开口的短管，开口的另一端与一根封闭的长管的中部相通，短管、长管、汇集管5的直径基本相同，短管的开口与陶瓷太阳板太阳能房顶的下汇集管延伸部分连接、相通，长管安装呈水平位置，短管、长管、汇集管5的中轴线处于同一个水平面上，T型玻璃管与下汇集管延伸部分之间安装阀门，在春夏秋季关闭阀门，使T型玻璃管处于非工作状态，冬天时打开阀门进入工作状态，当水箱中的水进入太阳能房顶2的时候，水也充满T型玻璃管，当水温达到最高点，水被放入水箱时，T型玻璃管也被放空，冬夜低温对被放空的陶瓷太阳能房顶2或T型玻璃管都不会产生影响。在控制系统、水泵、阀门发生意外电气或机械故障，使用者或管理者没有发现故障的情况下，陶瓷太阳能房顶中的水没有及时放入保温水箱，冬天气温很低，陶瓷太阳能房顶中的水温不断下降，T型玻璃管中的水温也不断下降，长管两端的水的温度下降最快，首先结冰膨胀，使T型玻璃管外侧壁破裂，陶瓷太阳能房顶中水的压力冲开破裂的玻璃长管的外侧壁，使陶瓷太阳能房顶中的水放光，保证了黑瓷复合陶瓷太阳板的安全。
2、同实施1，T型玻璃管换为具有内管的T型玻璃管。
3、同实施1，T型玻璃管换为直角玻璃管。
4、同实施1，陶瓷太阳能房顶换为平板式太阳能集热器。
Claims (5)
1.一种平板式太阳能集热系统防冻装置，其特征在于防冻装置是薄壁玻璃器皿，水平安装、连接在平板式太阳能集热系统的平板式集热器或平板式太阳能房顶的下汇集管延伸出集热器或太阳能房顶并处于自然环境中的下汇集管延伸部分，玻璃器皿与下汇集管联通并与下汇集管处于同一个水平面上。
2.根据权利要求1所述的一种平板式太阳能集热系统防冻装置，其特征在于所述的玻璃器皿是T型玻璃管。
3.根据权利要求1所述的一种平板式太阳能集热系统防冻装置，其特征在于所述的玻璃器皿是具有内管的T型玻璃管。
4.根据权利要求1所述的一种平板式太阳能集热系统防冻装置，其特征在于所述的玻璃器皿与下汇集管之间装有阀门。
5.根据权利要求1所述的一种平板式太阳能集热系统防冻装置，其特征在于所述的平板式太阳能房顶是黑瓷复合陶瓷太阳板太阳能房顶。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20121107 Termination date: 20150307 |
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| EXPY | Termination of patent right or utility model |