CN104048423A

CN104048423A - 一种改进的太阳能集热器系统

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Publication number: CN104048423A
Application number: CN201410339659.XA
Authority: CN
Inventors: 苏琳; 赵炜
Original assignee: Hangzhou Jin Pei Science And Technology Ltd
Current assignee: Lanzhou Sanyang natural energy science and Technology Co Ltd
Priority date: 2014-07-17
Filing date: 2014-07-17
Publication date: 2014-09-17
Anticipated expiration: 2034-07-17
Also published as: CN104048423B

Abstract

本发明提供了一种太阳能集热器系统，包括集热器和反射镜，集热器包括集热管，集热管为扁平管，所述扁平管呈抛物线状结构或圆弧形结构，所述抛物线或圆弧的弯曲方向与反射镜的抛物线结构相反，集热管的焦点和反射镜的焦点在一个点上。本发明可以充分利用太阳能，避免太阳能热量的损失，达到环保节能的效果。

Description

一种改进的太阳能集热器系统

技术领域

本发明属于太阳能领域，尤其涉及一种太阳能集热器系统。

背景技术

随着现代社会经济的高速发展，人类对能源的需求量越来越大。然而煤、石油、天然气等传统能源储备量不断减少、日益紧缺，造成价格的不断上涨，同时常规化石燃料造成的环境污染问题也愈加严重，这些都大大限制着社会的发展和人类生活质量的提高。能源问题已经成为当代世界的最突出的问题之一。因而寻求新的能源，特别是无污染的清洁能源已成为现在人们研究的热点。

太阳能是一种取之不尽用之不竭的清洁能源，而且资源量巨大，地球表面每年收的太阳辐射能总量为1×10 ¹⁸ kW·h，为世界年耗总能量的一万多倍。世界各国都已经把太阳能的利用作为新能源开发的重要一项，我国政府在《政府工作报告》也早已明确提出要积极发展新能源，其中太阳能的利用尤其占据着突出地位。然而由于太阳辐射到达地球上的能量密度小（每平方米约一千瓦），而且又是不连续的，这给大规模的开发利用带来一定困难。因此，为了广泛利用太阳能，不仅要解决技术上的问题，而且在经济上必须能同常规能源相竞争。

太阳能集热器吸收的太阳能现在有些情况下可能产生过剩，此时此部分太阳能可能会损失掉，因此需要一种对过剩的热量进行充分利用。

无论哪种形式和结构的太阳能集热器，都要有一个用来吸收太阳辐射的吸收部件，集热器的结构对太阳能的吸收起到重要的作用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种新的太阳能集热器系统，从而有效的利用太阳能。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种太阳能集热器系统，包括集热器和反射镜，集热器包括集热管，集热管为扁平管，所述扁平管呈抛物线状结构或圆弧形结构，所述抛物线或圆弧的弯曲方向与反射镜的抛物线结构相反，集热管的焦点和反射镜的焦点在一个点上。

集热管与反射镜相对的下壁面上设置用于强化传热的凸起，以加强对太阳能的吸收，沿着集热管中部向两边延伸，集热管的下壁面的凸起高度越来越低。

集热管与反射镜相对的下壁面上设置用于强化传热的凸起，以加强对太阳能的吸收，沿着集热管中部向两边延伸，集热管的下壁面的凸起密度越来越低。

集热管表面涂敷吸热层，所述吸热层从集热管内向外依次包括红外反射涂层、吸热涂层和减反射涂层，其中红外反射涂层、吸热涂层和减反射涂层的厚度的分别是0.17um、0.65um、0.15um；所述红外反射涂层从内向外为Cu、Ag两层，两层的厚度比例为11:5；吸热涂层从内向外依次包括NbN、ＴｉＡｌ、Ｃｒ_２Ｏ_３三层，三层的厚度比例为10:3:4；减反射涂层从内向外依次是Ｎｂ_２Ｏ_５、Ａｌ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２和Ｓｉ_３Ｎ_４四层，其中四层的厚度比例为5:4:4:2。

沿着集热管中部向两边延伸，集热管的上下壁面的宽度会越来越小。

太阳能集热器系统，还包括与集热器通过管路相连的散热器，散热器包括上集管和下集管以及位于上下集管的翅片管，所述的翅片管为柱形翅片管，所述翅片管包括位于中心位置的长方体以及位于长方体外围的翅片组，所述长方体的横截面是正方形，从横截面上看，所述翅片组包括从四个正方形的对角向外延伸的主翅片和从主翅片向外延伸的第一副翅片，所述翅片组还包括从正方形的四边向外延伸的第二副翅片，所述同一主翅片的向同一方向延伸的第一副翅片互相平行，并且与向同一方向延伸的第二副翅片互相平行,所述主翅片和副翅片延伸的端部形成等边八边形。

所述的第一副翅片与主翅片之间的夹角为45°，所述的相邻的副翅片的距离为L1，所述正方形的边长为L0，所述主翅片的高度为L2，上述三者的关系满足如下公式：

L1/L0=a*ln(L2/L0)+b，其中ln是对数函数，0.22<a<0.24,0.20<b<0.23，

40mm<=L0<=60mm,10mm<=L1<=25mm,55mm<=L2<=80mm;

0.2<L1/L0<0.42,1.2<L2/L0<2.0;0.03<L1/H<=0.15，

翅片管的高度为H，100mm<H<300mm。

与现有技术相比较，本发明具有如下的优点：

1）可以充分利用太阳能，避免太阳能热量的损失，将多余的太阳能储存起来，以便后续使用。

2) 提供了一种新的蓄热材料，满足需求；

3）本发明通过多次试验，得到一个最优的散热器优化结果，并且通过试验进行了验证，从而证明了结果的准确性。

4）通过中央控制器，实现对阀门的自动控制，从而实现太阳能的有效利用。

5）通过集热器的集热管的抛物线的扁平管的形状，达到最优的吸收太阳能。

6）本发明对吸热层的材料和厚度进行精心的选择和实验，已达到最好的吸热的技术效果。

7）对集热器的结构进行合理的设计，避免集热器局部温度过热。

附图说明

图1是太阳能集热器系统的示意图

图2是蓄热器的结构示意图

图3是翅片管结构示意图

图4是散热器结构示意图

图5是集热器结构示意图

图6是图3的翅片管结构的局部示意图

图7是图3的翅片管的侧视图

图8是相邻翅片管连接的示意图

附图标记如下：

1集热器，2蓄热器，3散热器，4阀门，5阀门，6温度传感器，7蓄热器入口管，8集热器出水管路，9长方体基管，10基管，11主翅片，12第二副翅片，13第一副翅片，14壳体，15蓄热材料，16散热器入口管，17集热器回水管路，18阀门，19温度传感器，20集热管，21反射镜，21集热管下壁面。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

一种太阳能集热器系统，如图1所示，所述系统包括集热器1、蓄热器2和散热器3、阀门4、阀门5、阀门18、温度传感器6，所述集热器1与蓄热器2连通形成循环回路，集热器1与散热器3连通形成循环回路，蓄热器2和散热器3所在的管路并联，集热器1吸收太阳能，加热集热器1中的水，加热后的水通过出水管路8分别进入蓄热器2和散热器3，在蓄热器2中进行换热，将热量储存在蓄热器2的蓄热材料中，在散热器3中进行换热，在蓄热器2中和散热器3中流出的水在经过回水管路17进入集热器1中进行换热。

上述系统中，通过太阳能在向蓄热器进行蓄热的同时，可以利用散热器向外散热。当然，蓄热器和散热器可以独立运行，或者单独运行其中之一。

如图1所示，阀门4设置在出水管上，用于控制进入蓄热器2和散热器3的总的水量，阀门5设置在散热器3所在的管路的入口管16的位置，用于控制进入散热器3的水的流量，阀门18设置在蓄热器2所在的管路的入口管7的位置，用于控制进入蓄热器2的水的流量，温度传感器6设置在散热器3的入口的位置处，用于测量进入散热器3的水的温度。所述系统还包括中央控制器，所述中央控制器与阀门4、阀门5、阀门18、温度传感器6进行数据连接。

优选的，当温度传感器6测量的温度低于一定的温度的时候，中央控制器控制阀门5加大开度，同时控制阀门18减少开度，以加大进入散热器3的热水的流量来加大散热量。当温度传感器6测量的温度高于一定的温度的时候，中央控制器控制阀门5减少开度，同时控制阀门18加大开度，以减少进入散热器3的热水的流量来加大散热量。

当温度传感器6测量的温度低到一定程度的时候，此时散热器对外换热的能力会变差，无法满足正常的供暖需求，这表明太阳能集热器的集热能力也出现问题，例如太阳光现不是很强，或者晚上没有太阳的时候，此时阀门4会自动关闭，阀门5和阀门18会完全打开，蓄热器和散热器所在的管路形成一个循环管路，水进入蓄热器中吸收蓄热器中存储的热量，加热的水进入散热器3中进行散热。

通过上述的运行，可以在太阳光线强的时候，在满足散热器3的散热能力，即满足用户散热需求以后，将多余的热量通过蓄热器2存储起来，在太阳能集热器1供热能力不足的情况下，将蓄热器2中的热量充分利用，以满足散热器3的散热需求。这样可以充分利用太阳能，避免过多的热量的浪费。

作为优选，可以不利用进入散热器3中的水的温度来自动控制水的流量，可以采用测量散热器周边的环境温度，例如，测量散热器的室内温度（通过设置室内温度传感器）来自动控制进入散热器的水的流量，如果室内温度过低，则增加进入散热器3的水的流量，如果室内温度过高，则减少进入散热器3的水的流量。

当然，通过室内温度控制流量的一个前提是温度传感器6测量的温度需要高于一定温度，否则，太阳能集热器的集热能力变差的时候，无论如何增加流量，散热效果都不会很好。

在蓄热器和散热器所在的管路形成一个循环管路的时候，当温度传感器6测量的温度低于一定的温度的时候，中央控制器控制阀门5加大开度，同时控制阀门18加大开度，以加大进入散热器3的热水的流量来加大散热量。当温度传感器6测量的温度高于一定的温度的时候，中央控制器控制阀门5减少开度，同时控制阀门18减少开度，以减少进入散热器3的热水的流量来加大散热量。此时的阀门5和15的开度保持一致。

通过这样的控制，能够合理利用蓄热器的热量，避免热量的损失。

所述的蓄热器2的结构如图2所示，所述蓄热器2包括壳体14，壳体14内设置了蓄热材料15，水管设置在蓄热材料15中，所述水管在壳体内是蛇形管结构。水管内水与蓄热材料进行换热，将热量传递给蓄热材料15。

优选的，蓄热材料填充壳体的空间为壳体体积的90-95%，以防止受热膨胀而导致壳体损坏。

所述蓄热材料是陶瓷材料，所述陶瓷材料的质量成分如下：SiO₂30-32%，5.1-5.3%Li₂O、6.5-7.8%TiO₂，3.3-3.5%MgO，1.0-1.3%La₂O₃,2.45-2.55%BaO,其余的是Al₂O₃。

优选的， SiO₂31%，5.22%Li₂O、6.85%TiO₂，3.4%MgO，1.1%La₂O₃,2.5%BaO,其余的是Al₂O₃。

上述的蓄热材料是通过多次试验得到的结果，在具有非常高的蓄热能力，完全满足了太阳能系统运行过程中的对热量的吸收利用。

作为优选，在集热器的出水管路8上设置温度传感器19，用于测量集热器的出水的温度，同时蓄热器设置温度传感器（没有示出）用于测量蓄热材料的温度。在蓄热器的入口管7中设置阀门18，在阀门4打开的时候，当测量的出水温度低于蓄热材料的温度的时候，阀门18关闭。当测量的出水温度高于蓄热材料的温度的时候，阀门18打开。这样避免蓄热器将热量在传递给水管中的水，造成了蓄热器中的热量的损失，以保证蓄热器能够存储足够多的热量。

优选的，所述散热器的为翅片管散热器，具体结构参见图4。翅片管包括上集管10和下集管10以及位于上下集管的翅片管。所述的翅片管为柱形翅片管，所述翅片管包括位于中心位置的长方体9以及位于长方体外围的翅片组，所述长方体9的横截面是正方形，从横截面上看，所述翅片组包括从四个正方形的对角向外延伸的主翅片11和从主翅片11向外延伸的第一副翅片13，所述翅片组还包括从正方形的四边向外延伸的第二副翅片12，所述同一主翅片11的向同一方向延伸的第一副翅片13互相平行，并且与向同一方向延伸的第二副翅片12互相平行,所述主翅片11和副翅片12、13延伸的端部形成等边八边形。

优选的，如图3所示，翅片管沿着正方形对角线所形成的平面镜像对称，同时沿着正方形的两条对边的中点所在的线形成的平面也是镜像对称。

优选的，如图3所示，主翅片11的中心线与等边八边形的一条边垂直且与等边八边形的连接点位于等边八边形的边的中点。

如图3所示，优选的，第二副翅片2”、2’设置在正方形的对角的位置处。

如图3所示，1’、2’,1”、2”所指的副翅片为第二副翅片，3’、4’ 、5’,3”、4” 、5” 所指的副翅片为第一副翅片。

第一副翅片的长度随着距离主翅片对角的距离越来越短。

正方形的边的长度一定的情况下，主翅片和副翅片越长，则理论上换热效果越好，在试验过程中发现，当主翅片和副翅片达到一定长度的时候，则换热效果就增长非常不明显，主要因为随着主翅片和副翅片长度增加，在翅片末端的温度也越来越低，随着温度降低到一定程度，则会导致换热效果不明显，相反还增加了材料的成本，同时，换热过程中，如果翅片管高度太高或者副翅片之间的间距太小，也容易造成换热效果的恶化，因为随着高度的增加，边界层变厚，造成相邻翅片之间边界层互相重合，恶化传热，翅片管高度太低或者副翅片之间的间距太大造成换热面积减少，影响了热量的传递，因此在相邻的副翅片的距离、正方形的边长、主翅片的长度以及翅片管的高度之间满足一个最优化的尺寸关系。

因此，本发明是通过多个不同尺寸的翅片管的上千次试验数据总结出的最佳的翅片管的尺寸优化关系。

L1/L0=a*ln(L2/L0)+b，其中ln是对数函数，0.22<a<0.24,0.20<b<0.23，

40mm<=L0<=60mm,10mm<=L1<=25mm,55mm<=L2<=80mm;

0.2<L1/L0<0.42,1.2<L2/L0<2.0;0.03<L1/H<=0.15。

优选的，翅片管的高度为H，100mm<H<300mm。优选150-220mm。

如图7所示，翅片管的高度H只计算具有翅片的部分的高度。

优选的a=0.24，b=0.22，10mm<=L1<=14mm。

需要说明的是，相邻副翅片的距离L1是从副翅片的中心开始算起的距离。

通过计算结果后再进行试验，通过计算边界以及中间值的数值，所得的结果基本上与公式相吻合，误差基本上在3%以内，最大的相对误差不超过5%，平均误差是1.8%。

优选的，所述的相邻的副翅片的距离相同。其中第一副翅片13与主翅片12之间的夹角为45°意味着副翅片13垂直于主翅片对角的一条边，同时因为副翅片互相平行，使得第二副翅片垂直于其延伸的正方形的边。主要是为减小流动死区充分散热，棱柱形翅片管周围的翅片设计成与中间长方体的四个边分别垂直的形式。

作为优选，主翅片的宽度要大于副翅片的宽度。

优选的，主翅片的宽度为b4，副翅片的宽度为b2，其中2.5*b2<b4<3.5*b2;

作为优选,主翅片的宽度与正方形的边的长度关系为0.06*L0<b4<0.10*L0。

作为优选，长方体9管的管壁厚度为1-3mm，优选2mm。

优选的，如图8所示，相邻翅片管紧密靠在一起，其相应的翅片之间也互相连接，从而形成空气的通道。

优选的，集热器的结构如图5所示，包括集热管20，集热管20为扁平管，所述扁平管呈抛物线状结构或圆弧形结构，所述抛物线或圆弧的弯曲方向与反射镜21的抛物线结构相反，集热管19的焦点和反射镜21的焦点在一个点上。通过设置此种结构，可以扩大集热管的吸热面积，使反射镜反射的光大部分都反射到集热管中，同时集热管的反射光通过反射镜再次反射到集热管，使集热管吸收更多的热量。

优选的，沿着集热管中部（即A点）向两边（即B、C两点）延伸，集热管的上下壁面的宽度会越来越小。主要原因是中部受热最多，而从中部向两边延伸，吸收热量逐渐降低。通过宽度的不断的减小，可以使得整个集热管中水的受热均匀，避免中间温度过高而两侧温度过低。这样也可以避免中间的集热管的材料长期在高温下容易损坏，可以保持整个集热管的温度均匀，延长使用寿命。

集热管的下壁面22上设置用于强化传热的凸起，以加强对太阳能的吸收。沿着集热管中部向两边（即图5集热管20的左右两侧方向）延伸，集热管的下壁面的凸起高度越来越低。主要原因是中部受热最多，而从中部向两边延伸，吸收热量逐渐降低。通过凸起高度的不断的减小，可以使得整个集热管中水的受热均匀，避免中间温度过高而两侧温度过低。这样也可以避免中间的集热管的材料长期在高温下容易损坏，可以保持整个集热管的温度均匀，延长使用寿命。

作为优选，沿着集热管中部向两边（即图5集热管20的左右两侧方向）延伸，集热管的下壁面的凸起密度越来越低。主要原因是中部受热最多，而从中部向两边延伸，吸收热量逐渐降低。通过凸起密度的不断的减小，可以使得整个集热管中水的受热均匀，避免中间温度过高而两侧温度过低。这样也可以避免中间的集热管的材料长期在高温下容易损坏，可以保持整个集热管的温度均匀，延长使用寿命。

集热管20表面涂敷吸热层，所述吸热层从集热管内向外依次包括红外反射涂层、吸热涂层和减反射涂层，其中红外反射涂层、吸热涂层和减反射涂层的厚度的分别是0.17um、0.65um、0.15um；所述红外反射涂层从内向外为Cu、Ag两层，两层的厚度比例为11:5；吸热涂层从内向外依次包括NbN、ＴｉＡｌ、Ｃｒ_２Ｏ_３三层，三层的厚度比例为10:3:4；减反射涂层从内向外依次是Ｎｂ_２Ｏ_５、Ａｌ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２和Ｓｉ_３Ｎ_４四层，其中四层的厚度比例为5:4:4:2。

上述各层中，通过加大吸热涂层的厚度比例，减少红外反射层和减反射层的厚度，可以极大的增加了对太阳能的吸收，同时，通过调整红外反射层和减反射层的各层的材料的厚度比例，也能够实现降低对太阳光的反射的程度。

上述的尺寸比例是通过近百种不同的厚度比例试验得来的最佳的结果。通过实验，对于采用上述吸收涂层中各独立层的成分及厚度，可以使制备的吸收涂层的吸收比大于0.95，并实现0.04的发射率。

对于上述涂层的制造方法，可以使用本领域经常采用的真空磁控溅射镀膜工艺制备。

虽然本发明已以较佳实施例披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims

1.一种太阳能集热器系统，包括集热器和反射镜，集热器包括集热管，集热管为扁平管，所述扁平管呈抛物线状结构或圆弧形结构，所述抛物线或圆弧的弯曲方向与反射镜的抛物线结构相反，集热管的焦点和反射镜的焦点在一个点上。

2.根据权利要求1的太阳能集热器系统，其特征在于，集热管与反射镜相对的下壁面上设置用于强化传热的凸起，以加强对太阳能的吸收，沿着集热管中部向两边延伸，集热管的下壁面的凸起高度越来越低。

3.根据权利要求1所述的太阳能集热器系统，其特征在于，集热管与反射镜相对的下壁面上设置用于强化传热的凸起，以加强对太阳能的吸收，沿着集热管中部向两边延伸，集热管的下壁面的凸起密度越来越低。

4.根据权利要求1所述的太阳能集热器系统，集热管表面涂敷吸热层，所述吸热层从集热管内向外依次包括红外反射涂层、吸热涂层和减反射涂层，其中红外反射涂层、吸热涂层和减反射涂层的厚度的分别是0.17um、0.65um、0.15um；所述红外反射涂层从内向外为Cu、Ag两层，两层的厚度比例为11:5；吸热涂层从内向外依次包括NbN、ＴｉＡｌ、Ｃｒ_２Ｏ_３三层，三层的厚度比例为10:3:4；减反射涂层从内向外依次是Ｎｂ_２Ｏ_５、Ａｌ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２和Ｓｉ_３Ｎ_４四层，其中四层的厚度比例为5:4:4:2。

5.根据权利要求1所述的太阳能集热器系统，沿着集热管中部向两边延伸，集热管的上下壁面的宽度会越来越小。

6.根据权利要求1所述的太阳能集热器系统，还包括与集热器通过管路相连的散热器，散热器包括上集管和下集管以及位于上下集管的翅片管，所述的翅片管为柱形翅片管，所述翅片管包括位于中心位置的长方体以及位于长方体外围的翅片组，所述长方体的横截面是正方形，从横截面上看，所述翅片组包括从四个正方形的对角向外延伸的主翅片和从主翅片向外延伸的第一副翅片，所述翅片组还包括从正方形的四边向外延伸的第二副翅片，所述同一主翅片的向同一方向延伸的第一副翅片互相平行，并且与向同一方向延伸的第二副翅片互相平行,所述主翅片和副翅片延伸的端部形成等边八边形。

7.根据权利要求6所述的太阳能集热器系统，所述的第一副翅片与主翅片之间的夹角为45°，所述的相邻的副翅片的距离为L1，所述正方形的边长为L0，所述主翅片的高度为L2，上述三者的关系满足如下公式：

L1/L0=a*ln(L2/L0)+b，其中ln是对数函数，0.22<a<0.24,0.20<b<0.23，

40mm<=L0<=60mm,10mm<=L1<=25mm,55mm<=L2<=80mm;

0.2<L1/L0<0.42,1.2<L2/L0<2.0;0.03<L1/H<=0.15。