CN103017357A - 一种平板型太阳能空气集热器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种平板型太阳能空气集热器，包括盖板(2)、底板(6)和设置在盖板(2)和底板(6)之间的加热板(4)；以及，设置在空气入口处的导流板(8)，所述导流板(8)将部分空气导流至与集热器的侧壁接触。本发明可以有效降低空气流入时集热器的死角、侧壁等部位造成的热损失，提高集热效率。

Description

一种平板型太阳能空气集热器
技术领域
本发明涉及太阳能空气热利用设备的技术领域，特别是涉及一种平板型太阳能空气集热器。
背景技术
太阳能集热器是太阳能供热系统中的重要设备，它收集太阳能使之转换为热能，太阳能供热系统转换效率的高低主要取决于集热器的性能。
目前，太阳能集热器有平板型、真空管型和聚光型三类，相对于真空管型太阳能集热器和聚光型太阳能集热器而言，平板型太阳能集热器具有结构简单、加工容易、造价低的特点，在成本、安全性、使用寿命和与建筑的匹配程度上都比真空管型太阳能集热器和聚光型太阳能集热器具有更大的优势。
一般采用平板型太阳能集热器，分为空气型和液体型两大类。在太阳能热利用技术中，采用空气作为相比集热介质相较于采用液体作为集热介质，具有不需防结冰、不需防微小渗漏、重量轻承压小、不需防腐、不需增加中间换热器等优势，可以有效减少系统部件数目并降低成本。
因此，在各种太阳能集热器中，发展平板型太阳能空气集热器具有很好的前景。
一般而言，平板型太阳能空气集热器由框架、玻璃盖板(或别的透明材料)、吸热板和保温材料组成，空气直接流过玻璃盖板与吸热板之间，被加热空气通过玻璃盖板与环境间的自然对流换热很大，同时吸热板对外界环境的红外辐射也比较大，两者造成很大的集热效率损失。目前普通的平板型太阳能空气集热器的集热效率低于50％。
因此，目前需要本领域技术人员迫切解决的一个技术问题就是：提供一种能降低热损失，提高集热效率的平板型太阳能空气集热器。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种能降低热损失，提高集热效率的平板型太阳能空气集热器。
为了解决上述问题，本发明实施例公开了一种平板型太阳能空气集热器，包括盖板(2)、底板(6)和设置在盖板(2)和底板(6)之间的加热板(4)；以及，设置在空气入口处的导流板(8)，所述导流板(8)将部分空气导流至与集热器的侧壁接触。
优选的，所述导流板(8)采用八字形结构，将空气分为三股，分别从八字形结构的中间和两侧流入。
优选的，所述导流板(8)在水平方向上并列设置有多个，空气分为多路分别从所述多个导流板(8)流入。
优选的，所述多个导流板(8)之间设置有水平方向上的分隔板(9)。
优选的，所述的平板型太阳能空气集热器还包括：
设置在盖板(2)和吸热板(4)之间的透明隔板(3)；
所述盖板(2)与透明隔板(3)形成第一预热层，所述导流板(8)设置在所述第一预热层中，空气从所述导流板(8)中间和两侧流入第一预热层。
优选的，所述的平板型太阳能空气集热器中：
空气从第一预热层流入后，经透明隔板(3)与吸热板(4)形成的一次加热层，从吸热板(4)与底板(6)形成的二次加热层流出。
优选的，所述的平板型太阳能空气集热器还包括：
设置在盖板(2)和吸热板(4)之间的透明隔板(3)；和，设置在所述底板(6)和吸热板(4)之间的普通隔板(7)；
所述盖板(2)与透明隔板(3)形成第一预热层，所述底板(6)与普通隔板(7)形成第二预热层；所述导流板(8)设置在所述第一预热层和第二预热层中，一路空气从所述导流板(8)中间和两侧流入第一预热层，另一路空气从所述导流板(8)中间和两侧流入第二预热层。
优选的，所述的平板型太阳能空气集热器中，
空气从第一预热层流入后，从透明隔板(3)与吸热板(4)形成的第一加热层流出；
以及，另一路空气从第二预热层流入后，从普通隔板(7)与吸热板(4)形成的第二加热层流出。
优选的，所述的平板型太阳能空气集热器的第一预热层中的导流板(8)粘附于盖板(2)下，和/或，粘附于透明隔板(3)上；或者，独立设置在第一预热层中。
优选的，所述的平板型太阳能空气集热器的第二预热层的导流板(8)粘附于透明隔板(3)下；和/或，粘附于底板(6)上；或者，独立设置在第二预热层中。
优选的，所述的平板型太阳能空气集热器的透明隔板为对可见光透射率大于90％，对红外辐射透射率小于90％的隔板；所述普通隔板为不透明隔板。
优选的，所述的平板型太阳能空气集热器的透明隔板为对可见光透射率大于90％，对红外辐射透射率小于20％的隔板。
优选的，所述的平板型太阳能空气集热器的两侧加装有反光板，并根据阳光辐照角度设置安装倾角。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
本发明实施例通过在平板型太阳能空气集热器中的空气入口处设置导流板，使空气从所述导流板中间及两侧流入，导流板将部分空气导流至与侧壁接触，使侧壁、死角等部位有空气流经，热量被空气吸收，从而达到层流效果，使空气充分预热，从而有效降低空气流入时集热器的死角、侧壁等部位造成的热损失，提高集热效率。
本发明实施例通过气膜冷却原理有效降低平板型太阳能空气集热器中被加热空气与环境的自然对流换热，以及，吸热板对环境的红外辐射，从机理上改进了平板空气集热器的集热效果，在略微增加成本的前提下比普通的集热器效率提高了20％以上。
本发明实施例突破了平板空气集热器的效率瓶颈，使得具有成本低、安全性高等多种优势的平板空气集热器在效率上比其它类型和工质的集热器更有优势。本发明因此可以推广到供暖，干燥等多种家用和工业应用领域，具有非常广阔的市场前景。
附图说明
图1是一种典型的平板型太阳能空气集热器的结构图；
图2是本发明的一种导流板的结构示意图；
图3是本发明采用导流板后空气流程的示意图；
图4是本发明的一种平板型太阳能空气集热器实施例2的结构图；
图5是本发明的一种吸热板的结构示意图；
图6是本发明的一种平板型太阳能空气集热器实施例3的结构图；
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本发明实施例的核心构思之一在于，通过在平板型太阳能空气集热器中的空气入口处设置导流板，使空气从所述导流板中间及两侧流入，导流板将部分空气导流至与侧壁接触，使侧壁、死角等部位有空气流经，热量被空气吸收，从而达到层流效果，使空气充分预热，从而有效降低空气流入时集热器的死角、侧壁等部位造成的热损失，提高集热效率。
本发明可以用在现有的任一种平板型太阳能空气集热器中，参考图1所示的典型平板型太阳能空气集热器的结构图，一般而言，平板型太阳能空气集热器至少包括盖板2、底板6和设置在盖板2和底板6之间的加热板4；应用本发明实施例，可以在空气入口处设置导流板8，由所述导流板8将部分空气导流至与侧壁接触。
参考图2所示的导流板结构示意图和图3所示的采用导流板后的空气流向示意图，在本发明的一种优选实施例中，所述导流板8可以采用八字形结构，空气从导流板中间及两侧流入，两侧空气导流至与侧壁接触，使集热器侧壁、死角等部位都有空气流经，热量被空气吸收，从而一方面使空气充分预热，另一方面有效降低集热器的死角、侧壁等部位造成的热损失，提高集热效率。
如图2所示，在具体实现中，若集热器面积较大，则可以在水平方向上并列设置多个导流板8以利于流场布置，在这种情况下，所述多个导流板可连通多个空气入口，即空气可以从所述多个导流板8中间和两侧流入。
在本发明实施例中更为优选的是，还可以在所述多个导流板8之间设置水平方向上的分隔板9，从而使流入的空气预热更加均匀。
参考图3，示出了本发明的一种平板型太阳能空气集热器实施例2的结构图，在本实施例中，所述平板型太阳能空气集热器包括：入风口1、盖板2、透明隔板3、吸热板4、出风口5和底板6。采用本实施例，冷空气通过入风口1首先进入盖板2与透明隔板3形成的第一预热层，由于盖板2和透明隔板3的温差不大，遏制了第一预热层中空气与外界环境的自然对流，第一预热层中空气主要为层流。经第一预热层预热后的空气进入透明隔板3和吸热板4形成的一次加热层，空气被吸热板4加热，一次加热层中空气自然对流较强，湍流加剧，但热量主要传递给第一预热层中的空气。同时，透明隔板3可以采用对可见光透射率很大而对红外辐射透射率较小的隔板，比如去铁玻璃(超白玻璃)，可见光透射率92％，红外透射率10％；可见光透射率应在90％以上且越高越好，红外透射率应在90％以下且越低越好，以20％以下为佳。因此吸热板4的红外辐射被透明隔板3及第一预热层的空气吸收或反射，辐射损失降低。加热后的空气进入吸热板4和底板6形成的二次加热层，继续被吸热板4加热，在具体实现中，底板6上通常设置有保温材料以保温，最终高温空气从出风口5流出。
本实施例利用了气膜冷却原理有效降低平板型太阳能空气集热器中被加热空气与环境的自然对流换热，以及，吸热板对环境的红外辐射。通过在盖板的下表面维持一层低温空气，从而维持盖板的较低温度，降低盖板向外界的散热。本实施例可以在略微增加成本的前提下，将平板型空气集热器的集热效率提高至70％以上。
参考图2所示的导流板结构示意图和图3所示的采用导流板后的空气流向示意图，在本实施例中，所述导流板8可以设置在入风口1处，采用八字形结构，空气分为三股分别从导流板中间及两侧流入，所述导流板将部分空气导流至与侧壁接触，使集热器侧壁、死角等部位都有空气流经，热量被空气吸收，从而达到层流效果，使空气充分预热而集热器侧壁充分冷却，从而有效降低空气流入时集热器的死角、侧壁等部位造成的热损失，提高集热效率。
如图2所示，在具体实现中，若集热器面积较大，则可以根据第一预热层的宽度(通常表现为集热器的宽度)，在水平方向上并列设置多个导流板8，在这种情况下，所述多个导流板可连通多个入风口1，空气可以从所述多个导流板8中间和两侧流入第一预热层。在本发明实施例中更为优选的是，还可以在所述多个导流板8之间设置水平方向上的分隔板9，从而使第一预热层中的空气预热更加均匀。
在具体应用中，所述第一预热层的导流板8可以粘附于盖板下，或者，可以粘附于透明隔板上，或者，还可以独立、可拆卸地设置在第一预热层中，本发明对此无需加以限制。
在本发明一种更为优选的实施例中，为增加换热，在所述一次加热层和/或二次加热层中还可以设置翅片，当空气进入一次加热层和/或二次加热层时，经过所述翅片折流，可以增加流程从而增加换热，并且翅片同时也可以作为导流板，从而更进一步提高集热效率。参考图4所示本发明的一种吸热板的结构示意图，所述翅片10可以设置在吸热板4之上，在具体实现中，所述翅片10还可以设置在吸热板4之下(图中未示出)，或者独立、可拆卸地设置于一次加热层和/或二次加热层中。当然，本领域技术人员依据实际情况任何设置所述翅片均可，本发明对此无需加以限制。
参考图5，示出了本发明的一种平板型太阳能空气集热器实施例3的结构图，在本实施例中，所述平板型太阳能空气集热器包括：上下两个入风口1、盖板2、透明隔板3、吸热板4、上下两个出风口5、底板6和普通隔板7。采用本实施例，一路冷空气通过上面的入风口1进入盖板2和透明隔板3形成的第一预热层，另一路冷空气通过下面的入风口1进入底板6与普通隔板7形成的第二预热层；由于盖板2和透明隔板3，以及，底板6与普通隔板7的温差不大，遏制了第一预热层、第二预热层中空气与外界环境的自然对流，第一预热层、第二预热层中的空气主要为层流。经第一预热层预热后的一路空气进入透明隔板3和吸热板4形成的第一加热层进行加热，经第二预热层预热后的另一路空气进入吸热板4和普通隔板7形成的第二加热层进行加热，第一加热层和第二加热层中空气自然对流较强，湍流加剧，但热量主要传递给第一预热层和第二预热层中的空气；同时，透明隔板3可以采用对可见光透射率很大而对红外辐射透射率较小的隔板，普通隔板7可以采用不透光的隔板，比如普通铁皮，因此，吸热板4的红外辐射被透明隔板3和普通隔板7及第一预热层、第二预热层的空气吸收或反射，辐射损失降低。
当然，由于在本实施例中，一个加热板对两个通道的空气进行加热，因此，为了达到和实施例1相近似的出口温度，则需要控制各个通道空气进入的流量和流速。在这两个实施例中，虽然流量和流速的控制参数不同，但是都能够大大减少热量向周围环境的散热损失。
进一步，对于前述的两个通道(包括上面的入风口和上面的出风口形成的一个通道以及下面的入风口和下面的出风口形成的另一个通道)而言，其可以为两个独立的加热供气通道。作为另一种实现方式，这两个通道也可以为一个整体，即冷空气从统一入口进来后被分为两个通道进行加热，加热后的热空气然后又汇总到一个统一出口送出。本领域技术人员依据实际情况任何设置均可，本发明对此不作限制。
本实施例也利用了气膜冷却原理有效降低平板型太阳能空气集热器中被加热空气与环境的自然对流换热，以及，吸热板对环境的红外辐射。通过在集热器玻璃盖板的下表面维持一层低温空气，从而维持玻璃盖板的较低温度，降低玻璃盖板向外界的散热；此外，在集热器的下底面处，也维持一层低温空气，从而降低底板向外界的散热。相较于前述实施例1而言，本实施例2的优势在于底部也采用了气膜冷却，因此底板上的保温材料可以用量很少甚至不用。
参考图2所示的导流板结构示意图和图3所示的采用导流板后的空气流向示意图，在本实施例中，所述导流板8可以设置在上下两个入风口1处，采用八字形结构，空气分为三股分别从导流板中间和两侧流入，所述导流板将部分空气导流至与侧壁接触，使集热器侧壁、死角等部位都有空气流经，热量被空气吸收，从而达到层流效果，使空气充分预热而集热器侧壁充分冷却，从而有效降低空气流入时集热器的死角、侧壁等部位造成的热损失，提高集热效率。
如图2所示，在具体实现中，若集热器面积较大，则可以根据第一预热层、第二预热层的宽度(通常表现为集热器的宽度)，在水平方向上并列设置多个导流板8以利于流场布置，在这种情况下，所述多个导流板可连通多个入风口，空气可以从所述多个导流板8中间和两侧流入第一预热层、第二预热层。
在本发明实施例中更为优选的是，还可以在所述多个导流板8之间设置水平方向上的分隔板9，从而使第一预热层和第二预热层中的空气预热更加均匀。
在具体应用中，所述第一预热层的导流板8可以粘附于盖板下，或者，可以粘附于透明隔板上，或者，还可以独立、可拆卸地设置在第一预热层中；所述第二预热层的导流板可以粘附于透明隔板下，或者，可以粘附于底板上，或者，还可以独立、可拆卸地设置在第二预热层中，本发明对此无需加以限制。
在本发明一种更为优选的实施例中，为增加换热，在所述第一加热层和/或第二加热层中还可以上设置翅片，当空气进入第一加热层和/或第二加热层时，经过所述翅片折流，可以增加流程从而增加换热，并且翅片同时也可以作为导流板，从而更进一步提高集热效率。参考图4所示本发明的一种吸热板的结构示意图，所述翅片10可以设置在吸热板4之上，在具体实现中，所述翅片10还可以设置在吸热板4之下(图中未示出)，或者独立、可拆卸地设置于第一加热层和/或第二加热层中。当然，本领域技术人员依据实际情况任何设置所述翅片均可，本发明对此无需加以限制。
本发明实施例在具体实现中，所述盖板可以采用钢化玻璃盖板，其余各面设置保温材料减少散热。更为优选的是，所述平板型太阳能空气集热器可以根据阳光辐照角度变更安装倾角，并加装反光板聚集辐照，以起到增加入射强度的作用。
在具体应用中，可根据需求制造不同面积的平板型太阳能空气集热器，如1m*2m的矩形。集热器每层厚度可以参考如下取值：预热层(包括第一预热层、第二预热层)：1-3cm；加热层(包括一次加热层、二次加热层、第一加热层、第二加热层)：4-6cm；此外，底板上所设置的保温层，根据保温材料不同，约为2-6cm。
以下通过一次具体的实验测试情况，进一步说明本发明实施例的运行情况和所能取得的良好效果。
本次实验中，所述平板型太阳能空气集热器(以下简称“集热器”)内部结构如图3所示。集热器面积为1m*50cm，每层厚度为4cm，进出风口为2cm*30cm的矩形。钢化玻璃盖板与透明隔板对太阳光的透射率均为90％以上，吸热板对太阳光的吸收率为91％。同时，在集热器侧面与底部增加保温材料，在吸热板的两侧增加翅片以增加换热面积。集热器平放于地面并被太阳光辐照，实验中设置一台普通的平板型太阳能空气集热器作为对照。
集热器的入口处通过风扇提供一定风速的风，实验中利用热电偶测量进口温度Tin与出口温度Tout，利用太阳能功率计测量垂直于集热器吸热板的入射太阳辐射强度I，利用风速计测量出口的风速v。
集热器的集热效率通过如下公式计算：
η＝cp×v×s×ρ×(Tout-Tin)/(I×S)
其中，η为集热器效率，cp为空气的定压质量热容1.005KJ/(kg*K)，v为出口风速，s为出风口面积60cm3，ρ为空气密度1.293g/L，S为实际吸热板积，本实例中为0.45m2。
实验结果如表1所示。其中在I＝790W/m2的辐照条件下对比了两种集热器的效率，之后在进一步改进本发明的各项性能后(比如增加导流板，和/或，增加一倍翅片数量)，在590W/m2的辐照条件下进行了第二次效率测试
表1：
Figure BDA0000094466720000101
可以看到，本发明在基本相同的辐照条件下比普通的平板空气集热器效率提高了20％左右，经进一步优化后的集热器效率达到70％。经过多次测量，本发明的集热效率比较稳定。在通过发射聚光手段提高辐射强度达到1200W/m2时，出口温度可以达到70℃以上，而效率仍然保持70％以上，在中低温段不存在明显的温度瓶颈。
在具体应用中，太阳辐射强度可任意变化，集热器效率比较稳定。集热器可根据阳光直射角度调整仰角。基本可以全天候使用，室外温度为零下50℃至零上50℃之间，流质温度可达100℃以上。空气流速范围0.1m/s-10m/s，集热器效率随流速不同而有所变化。
本发明利用太阳能加热空气后，在多个领域可以得到应用。例如热风供暖，热风干燥等。具体而言，我国北方采暖系统多采用热水系统，本身需要管道防冻裂等保护措施，利用空气热风供暖，可以大大降低防冻裂等安全措施的成本，是现有供暖系统的重要替代。我国南方也拥有巨大的市场潜力。近年南方低温天气日益增加，供暖需求越来越大。而由于充足的太阳能供给和相对较高的环境温度，太阳能空气集热供暖是南方最适宜的供暖形式。现在南方多个省市开始考虑开始区域供暖，如果抓住此机会进入南方供暖市场，利用本产品集热效率的优势，会有很大的市场回报。
再者，空气干燥需求大能耗高，粮食，果品，木材等干燥工艺都是耗能大户。进一步的，目前城市大量产生的垃圾，以及大量污泥等在进行焚烧或者堆肥等处理之前都必须干燥。在干燥过程中会消耗大量的能量，利用太阳能加热空气制造热风干燥污泥，可以大量减少能耗。这部分潜力很大。
以上对本发明所提供的一种平板型太阳能空气集热器进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (13)

1.一种平板型太阳能空气集热器，其特征在于，包括盖板(2)、底板(6)和设置在盖板(2)和底板(6)之间的加热板(4)；
以及，设置在空气入口处的导流板(8)，所述导流板(8)将部分空气导流至与集热器的侧壁接触。
2.如权利要求1所述的平板型太阳能空气集热器，其特征在于，所述导流板(8)采用八字形结构，将空气分为三股，分别从八字形结构的中间和两侧流入。
3.如权利要求2所述的平板型太阳能空气集热器，其特征在于，所述导流板(8)在水平方向上并列设置有多个，空气分为多路分别从所述多个导流板(8)流入。
4.如权利要求3所述的平板型太阳能空气集热器，其特征在于，所述多个导流板(8)之间设置有水平方向上的分隔板(9)。
5.如权利要求1、2、3或4所述的平板型太阳能空气集热器，其特征在于，还包括：
设置在盖板(2)和吸热板(4)之间的透明隔板(3)；
所述盖板(2)与透明隔板(3)形成第一预热层，所述导流板(8)设置在所述第一预热层中，空气从所述导流板(8)中间和两侧流入第一预热层。
6.如权利要求5所述的平板型太阳能空气集热器，其特征在于，
空气从第一预热层流入后，经透明隔板(3)与吸热板(4)形成的一次加热层，从吸热板(4)与底板(6)形成的二次加热层流出。
7.如权利要求1、2、3或4所述的平板型太阳能空气集热器，其特征在于，还包括：
设置在盖板(2)和吸热板(4)之间的透明隔板(3)；和，设置在所述底板(6)和吸热板(4)之间的普通隔板(7)；
所述盖板(2)与透明隔板(3)形成第一预热层，所述底板(6)与普通隔板(7)形成第二预热层；所述导流板(8)设置在所述第一预热层和第二预热层中，一路空气从所述导流板(8)中间和两侧流入第一预热层，另一路空气从所述导流板(8)中间和两侧流入第二预热层。
8.如权利要求7所述的平板型太阳能空气集热器，其特征在于，
空气从第一预热层流入后，从透明隔板(3)与吸热板(4)形成的第一加热层流出；
以及，
另一路空气从第二预热层流入后，从普通隔板(7)与吸热板(4)形成的第二加热层流出。
9.如权利要求6或8所述的平板型太阳能空气集热器，其特征在于，所述第一预热层中的导流板(8)粘附于盖板(2)下，和/或，粘附于透明隔板(3)上；或者，独立设置在第一预热层中。
10.如权利要求8所述的平板型太阳能空气集热器，其特征在于，所述第二预热层的导流板(8)粘附于透明隔板(3)下；和/或，粘附于底板(6)上；或者，独立设置在第二预热层中。
11.如权利要求6或8所述的平板型太阳能空气集热器，其特征在于，所述透明隔板为对可见光透射率大于90％，对红外辐射透射率小于90％的隔板；
所述普通隔板为不透明隔板。
12.如权利要求6或8所述的平板型太阳能空气集热器，其特征在于，所述透明隔板为对可见光透射率大于90％，对红外辐射透射率小于20％的隔板。
13.如权利要求1所述的平板型太阳能空气集热器，其特征在于，所述平板型太阳能空气集热器两侧加装有反光板，并根据阳光辐照角度设置安装倾角。
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