CN103697603B - 太阳能高效双温相变集热器和用于该集热器的相变材料 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种太阳能高效双温相变集热器，包括进水总管、导流管、换热管、出水总管、真空集热管和蓄热体，蓄热体在真空集热管内部，蓄热体分为中温相变材料填充腔和高温相变材料填充腔，形成双温相变体系，真空集热管外部沿轴向布置有复合抛物面聚光器。本发明还提供了一种高温相变材料，按重量百分比含有以下组分：纳米金属铜2%～4.5%，分散剂1%～2%，余量为赤藻糖醇，分散剂是重量比为1∶1的油酸和十二烷基硫酸钠。本发明集热器的蓄热体分为中温和高温两侧，分别填充不同相变温度的相变材料，并设计出依次对冷水进行加热的管道结构，达到对能量的梯级利用；蓄能材料、真空集热管和复合抛物面聚光器相结合，大大提高太阳能的有效利用率。
Description
技术领域
本发明涉及太阳能资源利用技术领域，具体地说，是一种太阳能高效双温相变集热器和用于该集热器的相变材料。
背景技术
太阳能是一种有效的可再生新能源，具有充足、清洁、环保、安全的优点，得到了越来越多的发展和应用，但其也存在能量密度低、间歇性等缺点，致使太阳能利用率不高。因此，高效地利用太阳能，将白天多余的太阳能在晚间进行供热，利用晴天充足的太阳能在阴天进行利用，或者利用夏季的太阳能进行冬季供热（季节性蓄热），就需要一定结构的高效集热器与蓄能系统相结合。
现有技术的太阳能热水器主要包括集热器、保温水箱、连接管道和支架，这种太阳能热水器的缺点是含有保温水箱，使得热水器体积大，安装不方便，而且受天气或季节变化影响大，供热不稳定。在集热器使用中最常用的就是平板型集热器和全玻璃真空集热管集热器。全玻璃真空集热管通常包括两根同向相互套接的透明玻璃盲管，内玻璃盲管内可装有表面镀上太阳能吸热膜的金属管。全玻璃真空集热管成本低，但热容大，热启动慢，可靠性差。平板型集热器的性能好、可靠性高，但因为防冻要采用二次回路，所以造价高，安装要求高，而且热能利用率低。并且就太阳能本身而言，其密度低、间歇性及稳定性差的缺点导致集热器不能充分利用太阳能，现有技术中，对于这些问题的存在尚未有非常完美的解决办法。
中国专利文献CN201310178000.6，公开了一种蓄能型太阳能集热器，其将填充有蓄热材料的蓄能棒放在玻璃真空集热管内部，换热管在蓄能棒内，导流管在换热管内，该种集热器的蓄能棒只能吸收太阳光直射一面的热能，热能利用率不高。中国专利文献CN201010266827.9，公开了一种太阳能储热集热器，其玻璃真空管置于聚光板上，传热套管位于玻璃真空管的中心，热导材料设置于传热套管与玻璃真空管内壁之间的空间，保温塞密封设置于玻璃真空管上端部和套管外壁，该种集热器不仅能吸收太阳光直射一面的热能，还能通过聚光板将周围热能聚集到玻璃真空管上，可提高热能利用率。由于蓄热单元一面朝向阳光，另一面背向阳光，虽然可用聚光板聚光，但是蓄热单元两侧势必存在温差，只用一种蓄热材料不能根据温差充分吸收热能，对能量进行梯级利用。
关于本发明的太阳能高效双温相变集热器和用于该集热器的相变材料，目前还未见报道。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术中的不足，提供一种太阳能高效双温相变集热器。
本发明的另一个目的是提供一种用于太阳能高效双温相变集热器的高温相变材料。
为实现上述第一个目的，本发明采取的技术方案是：
一种太阳能高效双温相变集热器，包括进水总管、导流管、换热管、出水总管、真空集热管和蓄热体，所述蓄热体在真空集热管内部并且蓄热体内填充有蓄热相变材料，所述的真空集热管外部沿轴向布置有复合抛物面聚光器，真空集热管到复合抛物面聚光器的距离等于聚光器的焦距，所述复合抛物面聚光器固定在底板上；
所述蓄热体内沿轴向设有隔板，将蓄热体分为中温相变材料填充腔和高温相变材料填充腔，其中高温相变材料填充腔朝向复合抛物面聚光器一侧；
所述导流管包括冷水导流管和预热水导流管，所述换热管包括位于蓄热体中温相变材料填充腔的中温侧换热管和位于高温相变材料填充腔的高温侧换热管，所述冷水导流管位于中温侧换热管内部，所述预热水导流管位于高温侧换热管内部；
所述进水总管与冷水导流管相连，所述中温侧换热管与预热水汇集管相连，预热水汇集管通过预热水连接管与预热水导流管相连，所述高温侧换热管与出水总管相连，所述进水总管位于预热水汇集管内部，所述预热水连接管位于出水总管内部。
所述的真空集热管、蓄热体和复合抛物面聚光器组成蓄热单元，所述的蓄热单元至少设有两个。多个蓄热单元并列放置，进水总管与多根冷水导流管相连。
进一步地，所述的预热水汇集管和出水总管的外部设有保温层，所述的保温层的外面设有起保护作用的外壳。保温层能减少预热水汇集管和出水总管的热量损失。
进一步地，所述复合抛物面聚光器与底板之间为保温层，该保温层一方面能保证复合抛物面聚光器的稳固性，另一方面也能减少复合抛物面聚光器和真 空集热管的能量损失。
进一步地，所述的真空集热管包括内玻璃管和外玻璃管，它们同轴相套，内玻璃管和外玻璃管封闭形成一真空腔，所述的内玻璃管与蓄热体管体之间留有空隙。
进一步地，所述的蓄热体的顶部端盖上开有两个圆孔，其中一个圆孔的直径与中温侧换热管的外径相同，另一个圆孔的直径与高温侧换热管的外径相同。
进一步地，所述的中温侧换热管和高温侧换热管通过连接装置分别与预热水汇集管和出水总管相连，中温侧换热管和高温侧换热管可与蓄热体同时拆卸和安装，保证相变材料填充腔的密封性，避免相变材料泄露。
进一步地，所述的蓄热体的中温相变材料填充腔填充的相变材料为八水氢氧化钡，所述的高温相变材料填充腔填充的相变材料按重量百分比含有以下组分：纳米金属铜2%～4.5%，分散剂1%～2%，余量为赤藻糖醇，所述的分散剂是重量比为1∶1的油酸和十二烷基硫酸钠。
为实现上述第二个目的，本发明采取的技术方案是：
一种用于太阳能高效双温相变集热器的高温相变材料，所述的相变材料按重量百分比含有以下组分：纳米金属铜2%～4.5%，分散剂1%～2%，余量为赤藻糖醇，所述的分散剂是重量比为1∶1的油酸和十二烷基硫酸钠，各组分混合均匀即制得所述高温相变材料。
更进一步的技术方案是，相变材料中纳米金属铜的重量百分比为4%，分散剂的重量百分比为1%～2%，余量为赤藻糖醇，所述的分散剂是重量比为1∶1的油酸和十二烷基硫酸钠。
需要说明的是，换热管采用金属材质，可为铜、铁、钢或合金材料等，保温层可为玻璃棉、聚氨酯发泡、岩棉等。复合抛物面聚光器对光线进行聚焦后，焦点主要落在蓄热体的高温相变材料侧，而蓄热体的中温相变材料侧主要接收的还是太阳光的直接辐射，因此导致蓄热体两侧有温差。基于此，将蓄热体用隔板隔开，并填充不同相变温度的相变材料，朝向阳光侧填充中温相变材料，朝向复合抛物面聚光器侧填充高温相变材料。蓄热体的管体、底部端盖、顶部端盖和隔板与中温侧换热管、高温侧换热管组合形成两个密封的相变材料填充腔。换热管与蓄热体顶部端盖的装配方式可选择胀接，以保证密封性，防止相变材料泄露，避免了相变材料与外界大气接触造成材料变性、大气污染的问题。
本发明集热器的运行原理如下：太阳光照射到真空集热管和复合抛物面聚光器上，蓄热体内朝向阳光侧填充的中温相变材料直接吸收太阳辐射能并进行蓄能，另一侧高温相变材料吸收来自复合抛物面聚光器对太阳光聚焦后的能量并进行蓄能，真空集热管能对蓄热体进行有效保温，大大减少热损失；冷水从进水总管流入，通过各个冷水导流管分支流入各个蓄热体内的中温侧换热管，中温侧换热管对进入的冷水进行初步预热，然后流入到预热水汇集管中；预热水通过预热水连接管进入蓄热体内高温侧的各个预热水导流管中，然后通过高温侧换热管进一步加热，最后热水汇集到出水总管中，向外供应热水。
本发明优点在于：
1、利用非跟踪式复合抛物面聚光器对太阳光进行聚焦，增强太阳能照射密度，大大提高太阳能的有效利用率；
2、将蓄能材料与真空集热管相结合，吸收热量及保温效果更佳，充分利用空间进行蓄能，并省去了蓄水箱，缩减成本，提高空间利用率；
3、根据温度的不同，将蓄热体分为中温和高温两侧，分别填充不同相变温度的相变材料，并设计出依次对冷水进行加热的管道结构，达到对能量的梯级利用，并且能够更好地达到人们生活用热水温度；
4、根据蓄能原理对能量进行储存，随用随加热得到新鲜热水，白蓄晚放、晴蓄阴放，充分用能节能；
5、提供了一种新的性能优良的高温相变材料，过冷度小，能用在本发明的集热器中。
附图说明
附图1是本发明太阳能高效双温相变集热器的结构示意图。
附图2是图1中沿A-A方向的剖视图。
附图3是图1中沿B-B方向的剖视图。
附图4是未填充相变材料的蓄热体的结构示意图。
附图5是蓄热体的顶部端盖的结构示意图。
附图6是蓄热体和真空集热管部分的结构示意图。
附图中涉及的附图标记和组成部分如下所示：
110.进水总管，120.冷水导流管，130.中温侧换热管，131.第一连接装置，140.预热水汇集管，150.预热水连接管，160.预热水导流管，170.高温侧换热管，171.第二连接装置，180.出水总管；
210.第一保温层，220.外壳；
300.真空集热管，310.内玻璃管，320.外玻璃管，330.真空腔；
400.蓄热体，410.管体，420.隔板，430.底部端盖，440.顶部端盖，441.第一圆孔，442.第二圆孔，450.中温相变材料，460.高温相变材料；
500.复合抛物面聚光器；
610.第二保温层；620.底板。
具体实施方式
下面结合附图对本发明提供的具体实施方式作详细说明。
实施例1
请参照图1，图1是太阳能高效双温相变集热器的结构示意图。该集热器并列设置有若干根真空集热管300和蓄热体400，蓄热体400在真空集热管300内部。真空集热管300外部沿轴向布置有复合抛物面聚光器500，真空集热管300到复合抛物面聚光器500的距离等于聚光器的焦距。复合抛物面聚光器500固定在底板620上。进水总管110与多根冷水导流管120相连，冷水导流管120位于中温侧换热管130内部。中温侧换热管130位于蓄热体400的中温相变材料450填充腔内。中温侧换热管130与预热水汇集管140相连，将各路预热水汇集一处。图1中只显示出蓄热体400的中温侧。
请参照图2，图2是图1中沿A-A方向的剖视图。预热水汇集管140通过预热水连接管150将预热水送入高温侧，进水总管110位于预热水汇集管140内部，预热水连接管150位于出水总管180内部。在预热水汇集管140和出水总管180的外部设有第一保温层210，第一保温层210能减少预热水汇集管140和出水总管180的热量损失。第一保温层210的外面设有起保护作用的外壳220。图中箭头所示为水流方向，进水总管110上的小圆孔（图中未标出）代表与冷水导流管120的连接处，预热水连接管150上的小圆孔（图中未标出）代表与预热水导流管160的连接处。
请参照图3，图3是图1中沿B-B方向的剖视图。复合抛物面聚光器500与底板620之间为第二保温层610，第二保温层610一方面能保证复合抛物面聚光器500的稳固性，另一方面也能减少复合抛物面聚光器500和真空集热管300的能量损失。蓄热体400的中温相变材料450位于阳光直射一侧，高温相变材料460朝向复合抛物面聚光器500一侧。中温侧换热管130位于中温相变材料450填充腔内，冷水导流管120位于中温侧换热管130内部。高温侧换热 管170位于高温相变材料460填充腔内，预热水导流管160位于高温侧换热管170内部。预热水汇集管140通过预热水连接管150与预热水导流管160相连，高温侧换热管170与出水总管180相连。
请参照图4和图5，图4是未填充相变材料的蓄热体400的结构示意图，图5是蓄热体400的顶部端盖440的结构示意图。蓄热体400内沿轴向设有隔板420，将蓄热体400分为中温相变材料450填充腔和高温相变材料460填充腔。在蓄热体400的顶部端盖440上开有第一圆孔441和第二圆孔442，其中第一圆孔441的直径与中温侧换热管130的外径相同，第二圆孔442的直径与高温侧换热管170的外径相同。蓄热体400的管体410、底部端盖430、顶部端盖440和隔板420与中温侧换热管130、高温侧换热管170组合形成两个密封的相变材料填充腔。中温侧换热管130、高温侧换热管170与顶部端盖440的装配方式可选择胀接，保证密封性。
请参见图6，图6是蓄热体400和真空集热管300部分的结构示意图。真空集热管300包括内玻璃管310和外玻璃管320，它们同轴相套，内玻璃管310和外玻璃管320封闭形成一真空腔330。内玻璃管310与蓄热体400之间留有空隙。中温侧换热管130通过第一连接装置131和预热水汇集管140相连，高温侧换热管170通过第二连接装置171和出水总管180相连，使得中温侧换热管130和高温侧换热管170可与蓄热体400同时拆卸和安装。图中箭头所示为水流方向，冷水导流管120和预热水导流管160的出水口与中温侧换热管130和高温侧换热管170的底壁留有空隙。
蓄热体400内的中温相变材料450为八水氢氧化钡，高温相变材料460按重量百分比含有以下组分：纳米金属铜2%～4.5%，分散剂1%～2%，余量为赤藻糖醇，所述的分散剂是重量比为1∶1的油酸和十二烷基硫酸钠。
当太阳光照射到真空集热管300和复合抛物面聚光器500上，蓄热体400内朝向阳光侧填充的中温相变材料450直接吸收太阳辐射能并进行蓄能，另一侧高温相变材料460吸收来自复合抛物面聚光器500对太阳光聚焦后的能量并进行蓄能。冷水从进水总管110流入，通过各个冷水导流管120分支流入各个蓄热体400内的中温侧换热管130，中温侧换热管130对进入的冷水进行初步预热，然后流入到预热水汇集管140中；预热水通过预热水连接管150进入蓄热体400内高温侧的各个预热水导流管160中，然后通过高温侧换热管170进一步加热，最后热水汇集到出水总管180中，向外供应热水。
实施例2
一种用于太阳能高效双温相变集热器的高温相变材料，所述的相变材料按重量百分比含有以下组分：纳米金属铜2%～4.5%，分散剂1%～2%，余量为赤藻糖醇，所述的分散剂是重量比为1∶1的油酸和十二烷基硫酸钠，各组分混合均匀即制得所述高温相变材料。优选地，纳米金属铜的重量百分比为4%。
按表1所示的重量百分比配制各组高温相变材料样本：
表1各组相变材料的组成（重量百分比%）
| 纳米金属铜 | 分散剂 | 赤藻糖醇 | |
| 样本一 | 0 | 0 | 100 |
| 样本二 | 1 | 1.5 | 97.5 |
| 样本三 | 2 | 1.5 | 96.5 |
| 样本四 | 3 | 1.5 | 95.5 |
| 样本五 | 4 | 1.5 | 94.5 |
| 样本六 | 4.5 | 1.5 | 94 |
| 样本七 | 5 | 1.5 | 93.5 |
| 样本八 | 4 | 1 | 95 |
| 样本九 | 4 | 2 | 94 |
将所有样本从140℃恒温槽取出，放入60℃低温恒温槽中，用组态王测控软件记录其放热过程中的步冷曲线，得到过冷度的大小以及结晶时间等放热性能，结果如表2所示。
表2不同相变材料样本的放热性能结果
从表2中可看出，随着纳米金属铜含量的增加，过冷度呈先减小后增大趋势，纳米金属铜的重量百分比为4%时，样本过冷度从12.78℃锐减至1.33℃，传热性能大幅改善。纳米金属铜的重量百分比在2%～4.5%范围内，样本过冷度均比只含有赤藻糖醇的相变材料的过冷度小。分散剂重量百分比在1%～2%范围内的相变材料的过冷度均较小。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明方法的前提下，还可以做出若干改进和补充，这些改进和补充也应视为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种太阳能高效双温相变集热器，包括进水总管、导流管、换热管、出水总管、真空集热管和蓄热体，所述蓄热体在真空集热管内部并且蓄热体内填充有蓄热相变材料，其特征在于，所述的真空集热管外部沿轴向布置有复合抛物面聚光器，真空集热管到复合抛物面聚光器的距离等于聚光器的焦距，所述复合抛物面聚光器固定在底板上；
所述蓄热体内沿轴向设有隔板，将蓄热体分为中温相变材料填充腔和高温相变材料填充腔，其中高温相变材料填充腔朝向复合抛物面聚光器一侧；
所述导流管包括冷水导流管和预热水导流管，所述换热管包括位于蓄热体中温相变材料填充腔的中温侧换热管和位于高温相变材料填充腔的高温侧换热管，所述冷水导流管位于中温侧换热管内部，所述预热水导流管位于高温侧换热管内部；
所述进水总管与冷水导流管相连，所述中温侧换热管与预热水汇集管相连，预热水汇集管通过预热水连接管与预热水导流管相连，所述高温侧换热管与出水总管相连，所述进水总管位于预热水汇集管内部，所述预热水连接管位于出水总管内部。
2.根据权利要求1所述的太阳能高效双温相变集热器，其特征在于，所述的真空集热管、蓄热体和复合抛物面聚光器组成蓄热单元，所述的蓄热单元至少设有两个。
3.根据权利要求1所述的太阳能高效双温相变集热器，其特征在于，所述的预热水汇集管和出水总管的外部设有保温层，所述的保温层的外面设有起保护作用的外壳。
4.根据权利要求1所述的太阳能高效双温相变集热器，其特征在于，所述复合抛物面聚光器与底板之间为保温层。
5.根据权利要求1所述的太阳能高效双温相变集热器，其特征在于，所述的真空集热管包括内玻璃管和外玻璃管，内玻璃管和外玻璃管封闭形成一真空腔，所述的内玻璃管与蓄热体管体之间留有空隙。
6.根据权利要求1所述的太阳能高效双温相变集热器，其特征在于，所述的蓄热体的顶部端盖上开有两个圆孔，其中一个圆孔的直径与中温侧换热管的外径相同，另一个圆孔的直径与高温侧换热管的外径相同。
7.根据权利要求1所述的太阳能高效双温相变集热器，其特征在于，所述的中温侧换热管和高温侧换热管通过连接装置分别与预热水汇集管和出水总管相连。
8.根据权利要求1所述的太阳能高效双温相变集热器，其特征在于，所述的蓄热体的中温相变材料填充腔填充的相变材料为八水氢氧化钡，所述的高温相变材料填充腔填充的相变材料按重量百分比含有以下组分：
纳米金属铜2％～4.5％，分散剂1％～2％，余量为赤藻糖醇，所述的分散剂是重量比为1∶1的油酸和十二烷基硫酸钠。
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