CN102840687A - 复合曲面容积式太阳能集热器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种复合曲面容积式太阳能集热器，属于太阳能集热领域。其特征是该装置包括集热面与保温面。集热面的外壳与内壳的形状均为曲面，或复合曲面。集热面的外壳采用透光材料制作，内壳采用导热材料或透光材料制作。外壳与内壳之间保持一定距离，其间形成一个封闭的空腔。保温面由防水材料与保温材料组成，防水材料在内，保温材料在外。内、外壳与保温面密封连接。保温面与集热面形成一个封闭的空间，流体在此空间内被加热。内壳与外壳之间可以设置绝热垫，与外壳连接，使内外壳形成一个整体。保温面底部设置可拆装的保温面底盖，两根管穿过保温底盖进入集热器内。集热器装有放空阀与泄压阀。可设置支架与反光板。

Description

复合曲面容积式太阳能集热器

技术领域

本发明属于太阳能集热领域，涉及一种由多种曲面复合而成的太阳能集热器。

背景技术

太阳能作为一种取之不尽的绿色清洁能源，其利用越来越受到人们的重视。作为太阳能热利用最主要的装置，太阳能集热器得到了长足的发展。但是，现有平板式集热器集热效率低，易冻裂；现有真空管集热器结构及工艺复杂，基本为盲管形式，大都需要拆卸排水，而且水垢沉积清理问题很难解决。以上二种集热器不具有储热功能，必须额外设置储热水箱，现在最普遍的真空管太阳能热水器就由于集热储热分离导致占地面积大，兜风严重。现有具有储热功能的容积式集热器往往集热面积偏小，集热效率较低。

发明内容

为克服以上问题，本发明提供了一种结构简单、高效、低成本、排空简便、集热面非常大的容积式集热器。集热器本身存水（或其他流体）量大，所以既可集热，又可储热，完美的实现了集热储热一体化。

本发明的技术方案如下：

本发明复合曲面容积式太阳能集热器，由一个或多个曲面与一个或多个平面复合而成的容积式集热器，最大程度的增大了集热面积，并且能够充分的利用外部地形和周围环境。

集热器的集热面外壳与集热面内壳的形状均为曲面，或复合曲面。集热器除集热面以外的部分由防水材料与保温材料组成，防水材料在内，保温材料在外，二者组成保温面。保温面与集热面内壳形成一个封闭的空间，流体在此空间内被加热。集热面内、外壳与保温面进行密封连接。

各种各样的曲面、平面可以复合出多种多样的复合曲面集热器，其形式变化万千，此处不再赘述。

集热面外壳采用透光材料制作。集热面内壳采用导热材料或透光材料制作。集热面内壳若为导热材料，则在其外表面涂或镀对太阳光有高吸收比又具有低发射率的选择性涂层或镀层，在其内表面涂或镀高反射比涂层或镀层；若集热面内壳为透明材料，则把保温面的内表面涂成深色。集热面外壳与集热面内壳之间保持一定距离，二者之间形成一个封闭的空腔，抽为真空；若不抽真空，则在寒冷的夜晚或阳光极不充足的寒冷白天要把集热器内的水放空，以防止炸裂。在集热面内壳顶部可以设置一支撑垫，与集热面外壳连接，使集热面内外壳形成一个整体，增加集热器抗击、抗压强度。

本发明的曲面容积式太阳能集热器包括伸入集热器内部的第一流体管和第二流体管、集热面外壳、保温底盖、集热面内壳、保温面、泄压阀、放空阀和进水阀。集热器内流体若无定压，则第二流体管为溢流管，第一流体管为进、出水管，不设置泄压阀；若有定压，则第二流体管为出水管，第一流体管为入水管。

保温面在集热器内部的部分有一定的坡度，坡向第一流体管管口，以方便排空集热器内的流体。保温底盖为平面保温底盖，与保温面进行可拆装的密封连接，第一流体管与第二流体管穿过保温底盖进入集热器内部，如遇集热器内部需要检修，则拆下平面保温底盖进行检修。保温面下部可设置支架，也可不设。可以设置反光镜，把其无法照射到集热面的光反射到集热面上，也可不设。

每种曲面都有其对应的空间曲面方程，空间曲面方程通式为：

$F_m(x,y,z)=0$

式中：m=1,2,3,4,5…….（每一个序号代表一种曲面）

上式为空间曲面隐式形式，式中m表示曲面代号。

空间曲面之间（或曲面与平面之间）的交线方程为：

$\left\{\begin{array}{c}{F}_m(x,y,z)=0\\ F_n(x,y,z)=0\end{array}\right.$

式中：n=1,2,3,4,5…….（每一个序号代表一种曲面）

可以根据当地纬度等环境参数，建立曲面各个特征参数之间的关系，以得到理想的集热效率。

该集热器由于自身能够储存大量热水，所以可以在其内部加入温度传感器和电加热器，使集热器变为太阳能热水器。

本发明的有益效果是：

1、集热面由空间曲面构成，最大程度的增大光照面积，极其有利于集热器采集阳光。在占地面积相同的情况下，复合曲面容积式太阳能集热器比普通集热器的集热面大很多。

2、集热器是由一个或多个空间曲面与一个或多个平面复合构成，设计人员可以根据自己的设计，设计出不同的曲面。所以，该集热器组合形式多种多样，能够充分的利用外部环境，因地制宜，与地形、建筑融为一体，极有利于太阳能建筑一体化的实现。

3、集热器本身存水（或其他流体）量大，所以既可集热，又可储热，完美的实现了集热储热一体化。

4、集热器内的水或其他流体可以随时排空（可排入设置在别处的水箱备用，也可直接排入下水道），简单、有效的解决了集热器如何防冻的问题；且设置了可拆装的保温底盖，可以对集热器内部进行检查、维修和除垢，解决了集热器内部除垢的难题。

5、集热面的外壳与内壳之间有支撑垫相连，使二者成为一个整体，大大增加了集热面的抗击、抗压能力。

6、结构简单，维护方便，可靠性高，使用寿命长，性价比高。

附图说明

图1是椭球面与水平面复合而成的复合曲面容积式太阳能集热器结构示意图。图中：由一个集热曲面（椭球面）与一个保温面（水平面）复合而成。

图2是圆锥面、球面与水平面复合而成的复合曲面容积式太阳能集热器结构示意图。图中：由二个集热曲面（圆锥面、球面）与一个保温面（水平面）复合而成。

图3是椭球面、水平面与竖直平面复合而成的复合曲面容积式太阳能集热器结构示意图。图中，集热器由一个集热曲面（椭球面）与二个保温面（水平面、竖直面）复合而成。

图4是椭球面与倾斜平面复合而成的复合曲面容积式太阳能集热器结构示意图。图中，热器由一个集热曲面（椭球面）与一个倾斜的保温面（平面）复合而成。

图5是由半椭球集热面与保温平面复合成的复合曲面容积式太阳能集热器示意图。

图6由半椭球集热面与保温平面复合成的复合曲面容积式太阳能集热器的截面图。

图中： 1第一流体管；2第二流体管；3支撑垫；4集热面外壳；5保温底盖；6集热面内壳；7保温面；8支架；9泄压阀；10放空阀；11上水阀。

具体实施方式

以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施例。

实施例1

如附图1-4所示，集热器集热面的外壳4与内壳6的形状均为曲面，或复合曲面。集热器除集热面以外的部分由防水材料与保温材料组成，防水材料在内，保温材料在外，二者组成保温面7。保温面7与集热面内壳6进行密封连接，二者形成一个封闭的空间，流体在此空间内被加热。集热面外壳4与保温面7也进行密封连接。集热面外壳4采用透光材料制作。集热面内壳6采用导热材料或透光材料制作。内壳若为导热材料，则在其外表面涂或镀对太阳光有高吸收比又具有低发射率的选择性涂层或镀层，在其内表面涂或镀高反射比涂层或镀层；若内壳为透明材料，则把保温面的内表面涂成深色。集热面外壳4与集热面内壳6之间保持一定距离，二者之间形成一个封闭的空腔，可以抽为真空；若不抽真空，则在寒冷的夜晚或阳光极不充足的寒冷白天要把集热器内的水放空。在集热面内壳顶部，设置一支撑垫3与集热面外壳连接，使集热面内外壳形成一个整体，增加集热器抗击、抗压强度。集热器内流体若无定压，则第二流体管2为溢流管，第一流体管1为进、出水管，10为放空阀，11为入水阀；若有定压，则第二流体管2为出水管，9为泄压阀，第一流体管1为入水管，10为放空阀，11为进水阀。保温面7在集热器内部的部分有一定的坡度，坡向第一流体管1管口，以方便排空集热器内的流体。5为平面保温底盖，与保温面7进行可拆装的密封连接。第一流体管1与第二流体管2穿过5进入集热器内部，如遇集热器内部需要检修，则拆下平面保温底盖5进行检修。保温面7下部可设置支架8，也可不设。可以设置反光镜，把其无法照射到集热面的光反射到集热面上，也可不设。

实施例2

由半椭球集热面与保温平面复合成的复合曲面容积式太阳能集热器，如附图5所示：

a为半椭球集热面外壳外表面截x轴所得线段的半长；b为半椭球集热面外壳外表面截y轴所得线段的半长；c为半椭球集热面外壳外表面截z轴所得线段的半长。p为半椭球集热面内壳内表面截x轴所得线段的半长；q为半椭球集热面内壳内表面截y轴所得线段的半长；r为半椭球集热面内壳内表面截z轴所得线段的半长。

yoz平面的截面图如附图6所示：

外壳玻璃厚度为m，內壳玻璃厚度为n，内外壳间空腔厚度为l。则：

$\left\{\begin{array}{c}a-m-n-l=p\\ b-m-n-l=q\\ c-m-n-l=r\end{array}\right.$

半椭球集热面外壳外表面方程为：

$F_1(x,y,z)=\frac{x^2}{a^2}+\frac{y^2}{b^2}+\frac{z^2}{c^2}-1=0$

半椭球集热面外壳内表面方程为：

$F_2(x,y,z)=\frac{x^2}{{(a-m)}^2}+\frac{y^2}{{(b-m)}^2}+\frac{z^2}{{(c-m)}^2}-1=0$

半椭球集热面内壳外表面方程为：

$F_3(x,y,z)=\frac{x^2}{{(a-m-l)}^2}+\frac{y^2}{{(b-m-l)}^2}+\frac{z^2}{{(c-m-l)}^2}-1=0$

半椭球集热面内壳内表面方程为：

$F_4(x,y,z)=\frac{x^2}{p^2}+\frac{y^2}{q^2}+\frac{z^2}{r^2}-1=0$

保温面方程为

$F_5(x,y,z)=z=0(x>0,z>0)$

每两个面之间产生一条交线，交线方程由下式确定：

$\left\{\begin{array}{c}{F}_m(x,y,z)=0\\ F_n(x,y,z)=0\end{array}\right.$

式中：m＝1，2，3，4，5；n＝1，2，3，4，5；每一个序号代表一种曲面，且m≠n。

根据当地纬度Φ，确定椭球体特征参数之间的关系，以得到较大的集热效率。例如，此处我们可以取如下关系：

$\tan \mathrm{\Φ}=\frac{c-m-l}{a-m-l}=\frac{r+n}{p+n}$ 。

Claims (10)

1.一种复合曲面容积式太阳能集热器，其特征在于，该复合曲面容积式太阳能集热器包括伸入集热器内部的第一流体管（1）和第二流体管（2）、集热面外壳(4)、保温底盖（5）、集热面内壳（6）、保温面（7）、泄压阀（9）、放空阀（10）和进水阀（11）。

2.根据权利要求1所述的复合曲面容积式太阳能集热器，其特征还在于集热器内流体若无定压，则第二流体管（2）为溢流管，第一流体管（1）为进、出水管，不再设置泄压阀（9）；若有定压，则第二流体管（2）为出水管，第一流体管（1）为入水管。

3.根据权利要求1所述的复合曲面容积式太阳能集热器，其特征还在于集热器的集热面外壳（4）与集热面内壳（6）的形状均为曲面或复合曲面；每种曲面都有其对应的空间曲面方程，空间曲面方程通式为：

$F_m(x,y,z)=0$

式中：m=1,2,3,4,5…….（每一个序号代表一种曲面）

上式为空间曲面隐式形式，式中m表示曲面代号；

空间曲面之间（或曲面与平面之间）的交线方程为：

$\left\{\begin{array}{c}{F}_m(x,y,z)=0\\ F_n(x,y,z)=0\end{array}\right.$

式中：n=1,2,3,4,5…….（每一个序号代表一种曲面）

根据当地纬度等环境参数，建立曲面各个特征参数之间的关系，得到理想的集热效率。

4.根据权利要求1所述的复合曲面容积式太阳能集热器，其特征还在于集热面外壳（4）采用透光材料制作；集热面内壳（6）采用导热材料或透光材料制作；集热面内壳若为导热材料，则在其外表面涂或镀对太阳光有高吸收比又具有低发射率的选择性涂层或镀层，在其内表面涂或镀高反射比涂层或镀层；若集热面内壳为透明材料，则把保温面的内表面涂成深色；集热面外壳与集热面内壳之间保持距离，二者之间形成一个封闭的空腔。

5.根据权利要求1所述的复合曲面容积式太阳能集热器，其特征还在于集热器除集热面以外的部分由防水材料与保温材料组成，防水材料在内，保温材料在外，二者组成保温面（7）；保温面（7）与集热面内壳（6）形成一个封闭的空间，流体在此空间内被加热；集热面外壳（4）和集热面内壳（6）都与保温面进行密封连接。

6.根据权利要求1所述的复合曲面容积式太阳能集热器，其特征还在于在集热面内壳（4）设置支撑垫（3）与集热面外壳（6）连接，使集热面内外壳形成一个整体。

7.根据权利要求1所述的复合曲面容积式太阳能集热器，其特征还在于保温面（7）在集热器内部的部分有坡度，坡向第一流体管（1）管管口。

8.根据权利要求1所述的复合曲面容积式太阳能集热器，其特征还在于平面保温底盖（5）与保温面（7）进行可拆装的密封连接，第一流体管（1）与第二流体管（2）穿过平面保温底盖（5）进入集热器内部。

9.根据权利要求1所述的复合曲面容积式太阳能集热器，其特征还在于在其内部加入温度传感器和电加热器，成为太阳能热水器。

10.根据权利要求1所述的复合曲面容积式太阳能集热器，其特征还在于保温面（7）下部设置支架（8）；设置反光镜，把其无法照射到集热面的光反射到集热面上。

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