CN102226585A - 太阳能热水集热器 - Google Patents

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由世俊
张欢
张晓伟
李博佳
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Tianjin University
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Tianjin University
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Abstract

本发明公开了太阳能热水集热器，它包括框架，在所述的框架内镶嵌有保温层，在所述的框架的开口侧盖有透明盖板，集热单元由一个接收器和多个聚光器组成并安装在所述的框架内，一个接收器包括与框架固定相连的多根直管段，相邻的直管段之间按预定的距离设置并且相邻的直管段的两管端头连接处为同管径半圆弧连接以形成蛇形布置，每一个聚光器由两个对称设置的半抛物线形聚光板组成且聚光板两端固定在框架上，接收器位于每一个聚光器的两个聚光板的底部相接处，在接收器的一端设置有入水口并且在其另一端设置有出水口，本集热器极大地增大了集热效率。另外，该集热器承压能力高，可制备高于100℃的中温热水。

Description

太阳能热水集热器
技术领域
本发明涉及集热器，具体涉及太阳能热水集热器。
背景技术
聚光类太阳能集热器根据光学原理来提高收集到的太阳辐射的能量密度。在众多聚光类太阳能集热器中，多数集热器属于高温集热器，多用于太阳能发电，并不适用于建筑空调领域使用。CPC集热器的工作温度范围为80-250℃，常用的工作温度范围为80-150℃，比较适合于建筑的采暖和制冷使用。CPC集热器的聚光器CPC是一种依据边缘光线原理设计的低聚焦度非成像聚光器，可以将给定接收角范围内的入射光线按理想聚光比汇聚到接收器上。一般，CPC集热器能达到的聚光比在10以下，具有较大的接收角，运行时不需要连续跟踪太阳，只要将倾斜角度做季节性调整即可。当聚光比在3以下时，可以按固定的倾斜角度安装，不作调整。这种集热器不但能接受太阳的直射辐射，而且能接受散射辐射(能利用总散射辐射的20％)。与平板集热器相比，CPC集热器由于具有一定的聚光作用，吸热体面积相对更小，热损失也相应减小，因而集热温度相对提高，集热效率也相对较高。近年来，许多国家的学者在CPC集热器的理论与应用方面都进行了比较深入的研究。如：[1]P.C.Eames，B.Norton.Detailed Parametric Analyses of Heat Transfer in CPC Solar Energy Collectors[J].Solar Energy，1993，50(4)：321-338。(CPC太阳能集热器传热中的具体参数分析)[2]Farouk Kothdiwala A.Norton B，Eames P C.The Effect of Variation of Angle of Inclination on the Performance of Low-Concentration-Ratio Compound Parabolic Concentrating Solar Collectors[J].Solar Energy，1995，55(4)：301-309。(倾斜角度对低聚光比CPC太阳能集热器性能的影响)[3]Manuel I.Gonzalez，Luis R.Rodriguez，Jesus H.Lucio.Evaluation of Thermal Parameters and Simulation of a Solar-powered，Solid-sorption Chiller with a CPC Collector[J].Renewable Energy，2009，34(3)：570-577。(带CPC集热器的太阳能固体吸附式冷却装置的热参数评定和模拟分析)[4]R Oommen，S Jayaraman. Development and Performance Analysis of Compound Parabolic Solar Concentrators with Reduced Gap Loss
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种占用空间小、集热效率高并且承压能力强的太阳能热水集热器。
本发明的太阳能热水集热器，它包括框架，在所述的框架内镶嵌有保温层，在所述的框架的开口侧盖有透明盖板，集热单元由一个接收器和多个聚光器组成并安装在所述的框架内，所述的一个接收器包括与框架固定相连的多根直管段，所述的相邻的直管段之间按预定的距离设置并且相邻的直管段的两管端头连接处为同管径半圆弧连接以形成蛇形布置，每一个所述的聚光器由两个对称设置的半抛物线形聚光板组成且聚光板两端固定在框架上，接收器位于每一个所述的聚光器的两个聚光板的底部相接处，在所述的接收器的一端设置有入水口并且在其另一端设置有出水口。
本发明的突出优点是：
与CPC集热器相比，蛇形管复合抛物面聚光(Serpentine Compound ParabolicConcentrator，简称SCPC)集热器解决了传统型CPC集热器占用空间大的问题，集热单元按照蛇形布置，组成模块式结构，可以根据建筑特点采用不同的块数来满足用户需求，非常方便使用。同时，这种集热器采用了抛物槽面聚光器和保温性能较好的材料，提高了光学效率，降低了对外热损失，因此，极大程度地增大了集热效率。另外，该集热器承压能力高，可制备高于100℃的中温热水。
附图说明
图1是本发明的太阳能集热器的主视图；
图2是图1所示装置的俯视图；
图3是本发明装置的内部结构图；
图4是本发明装置的安装示意图；
图5是图4所示的集热单元截面示意图；
图6是实施例1中太阳辐照度变化情况；
图7是实施例1中气温变化情况；
图8是实施例1中集热器进口水温随时间变化情况；
图9是实施例l中集热器出口水温随时间变化情况；
图10是实施例l中水箱中水温随时间变化情况；
图11是实施例l中集热器瞬时集热量随时间变化情况；
图12是实施例l中集热器瞬时效率随时间变化情况。
具体实施方式
下面结合具体的实施例，并参照附图，对本发明技术做进一步的说明：
如图1-7所示的本发明太阳能热水集热器，它包括框架l，在所述的框架l内镶嵌有保温层2，在所述的框架l的开口侧盖有透明盖板3，集热单元8由一个接收器4和多个聚光器5组成并安装在所述的框架内，所述的一个接收器4包括与框架l固定相连的多根直管段，所述的相邻的直管段之间按预定的距离设置并且相邻的直管段的两管端头连接处为同管径半圆弧连接以形成蛇形布置，每一个所述的聚光器5由两个对称设置的半抛物线形聚光板组成且聚光板两端固定在框架上，接收器4位于每一个所述的聚光器的两个聚光板的底部相接处，也即两个聚光板的底部对称轴位置上。在所述的接收器的一端设置有入水口并且在其另一端设置有出水口。框架l采用金属材料或高强度塑料制作。保温层2可以采用聚氨酯保温材料。透明盖板3可以采用真空玻璃或单层玻璃，由此减小了辐射损失和对流损失。接收器的入水口6和出水口7与管道之间采用法兰或丝扣连接。太阳能集热器可以采用支架9支撑。
本发明装置的工作原理如下：
蛇形管复合抛物面聚光(Serpentine Compound Parabolic Concentrator，简称SCPC)集热器依据边缘光线的原理设计，可以将给定接收角范围内的入射光线按理想聚光比汇聚到接收器上，它吸收了平板式集热器和CPU集热器的综合优点。太阳的直射辐射、散射辐射和地面反射辐射照射到透明盖板3之后，一部分由透明盖板3反射回环境中，形成反射损失；另一部分经透明盖板3进入聚光器5内部，直射辐射经过聚光器5几次反射之后到达接收器4，在晴天，散射辐射和地面反射辐射可以认为与直射辐射入射角度相同，同样经过几次反射之后到达接收器4。这样，由入水口6流入的水就可以吸收接收器4的热量，被加热后，经出水口7流出。
实施例l
为了获得SCPC集热器的性能，对本发明装置进行了实际测试，测量参数包括自然气象条件(如：太阳辐照度、气温、风速)和SCPC集热系统的运行参数(如：温度、流量)，其中，太阳辐照度采用TRT-2辐射表测量，温度采用T型热电偶(铜-康铜)和Fluke 2686A Data Logging System(DLS)数据记录系统测量，风速采用ZRQF系列智能风速计测量，流量采用LZB型玻璃转子流量计测量。
测量当日的气象条件：晴，平均风速为0.25m/s，太阳辐照度、气温、集热器进口水温、集热器出口水温、水箱温度、瞬时集热量和瞬时效率分别如图6-图12所示。
由以上实验结果可知，受太阳辐照度和气温变化的影响，集热器进口和出口水温均在13:00之前上升较快，之后由于太阳辐照度逐渐减小，进、出口水温的变化也随着减小，曲线变得比较平坦，两者之间的最大温差可达到5.62℃；水箱中水温全天都有持续上升的趋势；集热器瞬时集热量随时间先增大后减小，到13:00左右达到最大瞬时集热量为1414.64W；瞬时集热效率最高可以达到54.15％，日平均集热效率为46.41％。因此，可以得到结论，SCPC集热器具有较高的集热性能，它是一种具有较高效率、较高承压能力和方便推广应用的中温型集热器。

Claims (1)

1.太阳能热水集热器，它包括框架，其特征在于：在所述的框架内镶嵌有保温层，在所述的框架的开口侧盖有透明盖板，集热单元由一个接收器和多个聚光器组成并安装在所述的框架内，所述的一个接收器包括与框架固定相连的多根直管段，所述的相邻的直管段之间按预定的距离设置并且相邻的直管段的两管端头连接处为同管径半圆弧连接以形成蛇形布置，每一个所述的聚光器由两个对称设置的半抛物线形聚光板组成且聚光板两端固定在框架上，接收器位于每一个所述的聚光器的两个聚光板的底部相接处，在所述的接收器的一端设置有入水口并且在其另一端设置有出水口。
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