CN104236131B - 一种带有相变蓄热室模块的太阳能平板集热器 - Google Patents
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Abstract
一种带有相变蓄热室模块的太阳能平板集热器，通过相变蓄热室模块和吸热膜集热板对传热工质实现两级加热，并与隔热中空框、低铁超白钢化玻璃盖板以及封装有隔热保温材料的槽钢支架底框组装而成。相变蓄热室模块包括蓄热室、一级集热翅管和二级集热翅管，蓄热室内部为平行管式的套筒，外有耐压保护壳，套筒内设有传热工质流经的换热内管，换热内管与套筒之间装相变材料，套筒与耐压保护壳之间采用气凝胶毡作为保温隔热层，换热内管的两端通过连接的两级集热翅管与传热工质进出的集管连通构成集热回路。本发明为中空隔热、相变蓄热及二次加热功能的新型太阳能平板集热器。
Description
技术领域
本发明属于利用太阳能的集热设备及绿色节能产品领域，具体涉及一种带有相变蓄热室模块的太阳能平板集热器。
背景技术
太阳能是可以利用的可再生、可持续的绿色清洁能源。太阳能集热器是组成各种太阳能热利用系统的关键部件，因此，集热器热性能对太阳能系统收益影响特别显著。
平板型太阳集热器是太阳集热器中一种最基本的类型，其结构简单、运行可靠、承压能力强、吸热面积大，是太阳能与建筑结合最佳选择的集热器类型之一。
平板型太阳能集热器主要有吸热板、透明盖板、隔热层和外壳等几部分组成。工作时，太阳辐射穿过透明盖板后，投射在吸热板上，被吸热板吸收并转化成热能，然后传递给吸热板内的传热工质，使传热工质的温度升高，作为集热器的有用能量输出；与此同时，温度升高后的吸热板不可避免的要通过传导、对流和辐射等方式向四周散热，成为集热器的热量损失。
目前，相变储热材料在太阳能回收利用中的应用得到了越来越广泛的重视，它可以大大减小储热设备的体积，同时，可以弥补由于季节气候的变化带来的太阳能利用效率不足的问题。但基本上是作为系统中的储热设备置于用户端的“后台”，而最近国外发明的集成相变材料的太阳能集热器（专利号：WO2013/182916）,也仅仅是将相变储热器前移至集热器，通过两个循环导热回路连接并组装在一个平板集热器内。其中，一个回路为内循环回路，由集热管将吸热板吸收的太阳能通过传热工质转换到相变蓄热器内，另一个回路是将相变储热器内的热量通过传热工质转换到集热器以外的用户设备。
发明内容
本发明的目的是直接将相变储热材料利用在平板太阳能集热器内，提高相变蓄热材料在平板太阳能集热器的集成应用，提供一种具有两级集热同时蓄热的热交换效率高的带有相变蓄热室模块的太阳能平板集热器。
本发明提供的带有相变蓄热室模块的太阳能平板集热器，包括吸热膜集热板、透明盖板、底板以及平板集热器固定框，所述吸热膜集热板下面设置有一组相变蓄热室模块，相变蓄热室模块由蓄热室、一级集热翅管和二级集热翅管组装而成，蓄热室外部为耐压保护壳，蓄热室内部设有平行管式的套筒，套筒内设有传热工质流经的换热内管，换热内管与套筒之间填装相变蓄热材料，套筒与耐压保护壳之间采用气凝胶毡作为保温隔热层，换热内管的两端分别与蓄热室外的一级集热翅管、二级集热翅管的一端连通，一级集热翅管、二级集热翅管的另一端分别与下集管、上集管连通，各相变蓄热室模块中的一级集热翅管、二级集热翅管与传热工质进出的上集管、下集管共同组装成集热管束架，构成集热回路；各相变蓄热室模块连同集热管束架安装在封装有隔热保温材料的槽钢支架底框上，槽钢支架底框安装在底板上，集热管束架的四周设置有用于固定吸热膜集热板的内框，且吸热膜集热板与一级集热翅管和二级集热翅管紧密贴合，保证对一级集热翅管、二级集热翅管内的传热工质加热。整体集热回路，具有一、二级集热翅管通过吸热膜吸收太阳能，蓄热室对一级集热翅管流入的传热工质吸收的太阳能进行储存，而蓄热室又同时对流入二级集热翅管的传热工质进行加热。
所述的平板集热器固定框包括隔热中空框和槽钢支架底框，隔热中空框固定在槽钢支架底框上，隔热中空框为耐高温、隔热挤出型材，中间有一较长的竖腔，竖腔的两侧为对称的小空腔，两个小空腔及中间的竖腔形成一个凹槽，集热管束架四周设置的内框嵌装在隔热中空框的凹槽内，隔热中空框的上端通过施打丁基胶和结构密封胶固定透明盖板。在所述隔热中空框的集管出口处预装适宜集管形变要求的密封管嘴，集管与隔热中空框开孔的间隙进行丁基胶密封。所述的隔热中空框上加装的密封管嘴由外螺纹管嘴、方形锁紧螺帽与保护螺帽构成，集管由外螺纹管嘴内通道穿过，在外螺纹管嘴与集管装配形成的空隙处施打丁基胶进行密封，方形锁紧螺帽为铝板制成，呈扁平状，中间开孔并有与外螺纹管嘴配合的内螺纹，方形锁紧螺帽预先放置于中空框竖腔中且在开孔周围，方形锁紧螺帽与外螺纹管嘴形成的装配空隙处施打丁基胶进行密封，丁基胶的密封面宽度3毫米以上。
所述的吸热膜集热板通过激光或超声波焊接在集热管束架周围设置的内框上，集热管束架的中心区对吸热膜集热板起内部支撑，保证吸热膜集热板张紧并保持表面的平整。
所述的槽钢支架底框由大号槽钢焊接成矩形外框，矩形外框内侧等间距焊接一组小号槽钢，小号槽钢槽口朝下，顶端与矩形外框齐平，各相变蓄热室模块中的蓄热室通过其两侧的固定耳板将各相变蓄热室模块连同集热管束架固定在槽钢支架底框上，槽钢支架底框内侧蓄热室与底板之间填充保温隔热材料。
满足承重要求的槽钢支架底框与封装有透明盖板的隔热中空框通过螺栓连接，在隔热中空框与槽钢支架及底板的外围加装带有保温层的装饰框。
所述的相变蓄热室模块中的一级集热翅管的外端口通过钎焊与传热工质进入的下集管连接相通，保证吸热膜集热板吸收的太阳能对一级集热翅管内传热工质加热，将热量从相变蓄热室的上端带入并通过换热内管与蓄热室内相变蓄热材料进行热量交换并储存，二级集热翅管的外端口通过钎焊与传热工质流出的上集管连接相通，保证从相变蓄热室下端经过热交换的传热工质流经二级集热翅管向上进入传热工质流出的上集管，从而使得吸热膜集热板对二级集热翅管内的传热工质进行二次太阳能加热。由于一、二级集热翅管尺寸相同，所获得的太阳能相等，当从相变蓄热室下端流出并进入二级集热翅管入口的传热工质温度大于下集管流入一级集热翅管的入口处的传热工质温度，则使二级集热翅管流入上集管的传热工质温度升高，即集热器的出口温度高，因此，蓄热室起到了对流经一级集热翅管内的传热工质的太阳能回收，而蓄热室又同时对流入二级集热翅管的传热工质进行预热。
所述的集热管束架，是由多个相变蓄热室模块与上、下两个集管钎焊连接相通制成，一、二级集热翅管在蓄热室的同侧，与换热内管呈相同的夹角，其外端口朝向相反，分别与上、下两个集管钎焊连接内部连通，集热翅管组中心区域向上拱起成一个平面以支撑吸热膜集热板，上、下集管低于该支撑面，集管的中心线与隔热中空框竖腔的中心线在同一水平面，而多个相变蓄热室模块排列在集热翅管组的背面，工作时背对太阳光的一面。
所述的集热管束架周围设置有内框，内框为铝制方管，在对应上、下集管的位置开孔以便集管的穿过，采用连角器将铝方管组装成与吸热膜集热板尺寸相同的矩形框，在内框上平铺吸热膜集热板，集热管束架的中心区对吸热膜集热板起内部支撑，通过激光或超声波焊接在内框上，保证吸热膜集热板张紧并保持表面的平整。
所述的透明盖板采用低铁超白钢化玻璃，通过丁基胶和密封结构胶固定在隔热中空框正面，与吸热集热板形成20毫米的空气隔热层，正面为工作时朝向太阳。
所述的装饰外框，为铝型材或铝板制成，与中空框型材的间隙处，加装保温隔热材料，也可灵活地与门窗幕墙系统的结构外框进行装配。
本发明的优点和积极效果：
1、通过在集热器内使用相变蓄热材料，使太阳能的吸收与储存得到充分的利用。
2、通过隔热中空框的丁基胶和密封结构胶的封装，减少由于气密性差导致的热损失以及结露引起的太阳能吸收率低的问题。
3、集热板与相变蓄热室的高度集成，节约了空间以及换热器及管路的热损失，并使太阳能的连续供热得到了保证。
附图说明
图1是带有相变蓄热室的平板集热器的横向剖面示意图。
图2、图3是相变蓄热室集热管模块的示意图。
图4、图5是集热管束架的示意图。
图6是固定集热管束架的槽钢支架示意图。
图7是集热管束架固定在槽钢支架后的示意图。
图8是密封管嘴与隔热中空框装配示意图。
图9、图10是带有相变蓄热室的平板集热器局部装配示意图。
图中，1、透明盖板；2、吸热膜集热板；3、底板；4.1、一级集热翅管；4.2、二级集热翅管；4.3、换热内管；5、集热管束架；5.1、上集管；5.2、下集管；6、内框；7、蓄热室；7.1、耐压保护壳；7.2、气凝胶毡；7.3、套筒；8、相变蓄热材料；9、槽钢支架底框；9.1、大号槽钢；9.2、小号槽钢；10、隔热保温材料（聚氨酯泡沫）；11、装饰外框；12.1、外螺纹管嘴；12.2、方形锁紧螺帽；12.3、保护帽；12.4、密封胶；13、隔热中空框；14、排空阀；15、固定耳板；16、丁基胶；17、密封结构胶。
具体实施方式
实施例1：
如图1所示，带有相变蓄热室模块的平板太阳能集热器，包括一组相变蓄热室模块、吸热膜集热板2、隔热中空框13、透明盖板1以及封装有隔热保温材料10的槽钢支架底框9。
如图1、2、3所示，相变蓄热室模块由蓄热室7、一级集热翅管4.1和二级集热翅管4.2组装而成，蓄热室7的内部为平行管式的套筒7.3，外部为耐压保护壳7.1及带有排气阀14的压盖，可由铝精密铸造制成。套筒内设有传热工质流经的换热内管4.3，换热内管与套筒之间填装相变蓄热材料8，套筒与耐压保护壳之间采用气凝胶毡作为保温隔热层。一、二级集热翅管与换热内管4.3为同一管径的铜管，将一根与一、二级集热翅管和换热内管3等长的直的铜管，先加装套筒7.3并填充相变蓄热材料8，加装气凝胶毡7.2保温层后装进铸铝制成的耐压保护壳7.1内，加盖好带排气阀14的密封盖，直铜管在密封盖的上下进口处钎焊封装。将直铜管沿蓄热室中心线煨弯成“小号”管身形状，朝下折弯成一级集热翅管4.1，朝上折弯成二级集热翅管4.2。
如图4至图7所示，集热管束架5，是由多个相变蓄热室模块与上、下两个集管钎焊连接相通制成，一、二级集热翅管在蓄热室7的同侧，与换热内管4.3呈相同的夹角，其外端口朝向相反，分别与上、下两个集管钎焊连接内部连通。一级集热翅管4.1的外端口通过钎焊与传热工质进入的下集管5.2连接相通，保证吸热膜集热板2吸收的太阳能对一级集热翅管4.1内传热工质加热，一级集热翅管的传热工质从蓄热室7的上端将热量带入并通过换热内管4.3与蓄热室内相变蓄热材料8进行热量交换并储存。二级集热翅管4.2的外端口通过钎焊与传热工质流出的上集管5.1连接相通，内经热交换的传热工质从蓄热室7下端流经二级集热翅管4.2向上进入上集管5.2，从而使得吸热膜集热板2对二级集热翅管4.2内的传热工质进行二次太阳能加热。由于一、二级集热翅管尺寸相同，所获得的太阳能相等，当从蓄热室7下端流出并进入二级集热翅管4.2入口的传热工质温度大于下集管5.2流入一级集热翅管4.1的入口处的传热工质温度，则使二级集热翅管4.2出口并流入上集管5.1的传热工质温度升高，因此，蓄热室7起到了对流经一级集热翅管4.1内的传热工质的太阳能进行储存回收，而蓄热室又同时对流入二级集热翅管4.2的传热工质进行预热。
如图5所示，集热管束架5的翅管组中心区域向上拱起成一个平面以支撑吸热膜集热板2，上、下集管5.1、5.2低于该支撑面，集管的中心线与隔热中空框13竖腔的中心线在同一水平面，而多个蓄热室7排列在集热翅组的背面，工作时背对太阳光的一面。
如图6所示，槽钢支架底框9，由大号槽钢9.1焊接成矩形外框，用小号槽钢9.2对应蓄热室两侧的耳板15间距等距分布焊接在矩形外框内侧，小号槽钢9.2槽口朝下，顶端与矩形外框的外沿齐平，用于安装集热管束架5，矩形外框背面内腔填充保温隔热材料10，用镀锌板做底板3焊接封装制成槽钢支架底框。通过蓄热室7两侧的固定耳板15将集热管束架5固定在槽钢支架底框9上。
如图1所示，集热管束架5周围设置有内框6，内框6为铝制方管，在对应上、下集管5.1、5.2的位置开孔以便集管的穿过，采用连角器将铝方管组装成与吸热膜集热板2尺寸相同的矩形框，在内框上平铺吸热膜集热板2，集热管束架5的中心区对吸热膜集热板2起内部支撑，通过激光或超声波焊接在内框6上，保证吸热膜集热板2张紧并保持表面的平整。
如图1所示，隔热中空框13采用改性聚氨酯为原料的挤拉型材，具有耐高温、隔热、耐候及机械性能好等特点。隔热中空框13中间有一较长的竖腔，竖腔与低铁超白钢化玻璃盖板1封装一侧为小空腔（见图8），与槽钢支架底框封装一侧为向外开有槽口的矩形空腔，预装与槽钢支架底框连接的螺栓，同时竖腔两侧的空腔形成一个将内框6含住的凹槽。隔热中空框的较长的竖腔，对应集管的进出口位置开孔，加装用于封装隔热中空框13与集管连接部位的密封管嘴，密封管嘴由外螺纹管嘴12.1、方形锁紧螺帽12.2与保护螺帽12.3构成，外螺纹管嘴12.1内径管可穿过集管5.1、5.2，在外螺纹管嘴12.1与集管装配形成的空隙处施打密封胶12.4进行密封，方形锁紧螺帽12.2为4毫米铝板制成，呈扁平状，中间开孔并有内螺纹，预先放置于中空框竖腔中，在开孔周围，方形锁紧螺帽12.2与外螺纹管嘴形成的装配空隙处施打密封胶进行密封，密封胶的密封面宽度3毫米以上。
所述的低铁超白钢化玻璃盖板1，通过丁基胶和密封结构胶固定在隔热中空框13正面，与吸热膜集热板2形成20毫米的空气隔热层，正面为工作时朝向太阳。
所述的装饰外框11，为铝型材或铝板制成，与隔热中空框型材的间隙处，加装保温隔热材料10，也可灵活地与门窗幕墙系统的结构外框进行装配。
Claims (7)
1.一种带有相变蓄热室模块的太阳能平板集热器，包括吸热膜集热板、透明盖板、底板以及平板集热器固定框，其特征在于：所述吸热膜集热板下面设置有一组相变蓄热室模块，相变蓄热室模块由蓄热室、一级集热翅管和二级集热翅管组装而成，蓄热室外部为耐压保护壳，蓄热室内部设有平行管式的套筒，套筒内设有传热工质流经的换热内管，换热内管与套筒之间填装相变蓄热材料，套筒与耐压保护壳之间采用气凝胶毡作为保温隔热层，换热内管的两端分别与蓄热室外的一级集热翅管、二级集热翅管的一端连通，一级集热翅管、二级集热翅管的另一端分别与下集管、上集管连通，各相变蓄热室模块中的一级集热翅管、二级集热翅管与传热工质进出的上集管、下集管共同组装成集热管束架，构成集热回路；各相变蓄热室模块连同集热管束架安装在封装有隔热保温材料的槽钢支架底框上，槽钢支架底框安装在底板上，集热管束架的四周设置有用于固定吸热膜集热板的内框，且吸热膜集热板与一级集热翅管和二级集热翅管紧密贴合，保证对一级集热翅管、二级集热翅管内的传热工质加热。
2.如权利要求1所述的带有相变蓄热室模块的太阳能平板集热器，其特征在于：所述的平板集热器固定框包括隔热中空框和槽钢支架底框，隔热中空框固定在槽钢支架底框上，隔热中空框为耐高温、隔热挤出型材，中间有一较长的竖腔，竖腔的两侧为对称的小空腔，两个小空腔及中间的竖腔形成一个凹槽，集热管束架四周设置的内框嵌装在隔热中空框的凹槽内，隔热中空框的上端通过施打丁基胶和结构密封胶固定透明盖板。
3.如权利要求2所述的带有相变蓄热室模块的太阳能平板集热器，其特征在于：在所述隔热中空框的上集管和下集管出口处预装适宜上集管和下集管形变要求的密封管嘴，上集管和下集管与隔热中空框开孔的间隙进行丁基胶密封。
4.如权利要求3所述的带有相变蓄热室模块的太阳能平板集热器，其特征在于：所述的隔热中空框上加装的密封管嘴由外螺纹管嘴、方形锁紧螺帽与保护螺帽构成，上集管和下集管由外螺纹管嘴内通道穿过，在外螺纹管嘴与上集管和下集管装配形成的空隙处施打丁基胶进行密封，方形锁紧螺帽为铝板制成，呈扁平状，中间开孔并有与外螺纹管嘴配合的内螺纹，方形锁紧螺帽预先放置于中空框竖腔中且在开孔周围，方形锁紧螺帽与外螺纹管嘴形成的装配空隙处施打丁基胶进行密封。
5.如权利要求1至4任一项所述的带有相变蓄热室模块的太阳能平板集热器，其特征在于：所述的吸热膜集热板通过激光或超声波焊接在集热管束架周围设置的内框上，集热管束架的中心区对吸热膜集热板起内部支撑，保证吸热膜集热板张紧并保持表面的平整。
6.如权利要求1至4任一项所述的带有相变蓄热室模块的太阳能平板集热器，其特征在于：所述的槽钢支架底框由大号槽钢焊接成矩形外框，矩形外框内侧等间距焊接一组小号槽钢，小号槽钢槽口朝下，顶端与矩形外框齐平，各相变蓄热室模块中的蓄热室通过其两侧的固定耳板将各相变蓄热室模块连同集热管束架固定在槽钢支架底框上，槽钢支架底框内侧蓄热室与底板之间填充保温隔热材料。
7.如权利要求1至4任一项所述的带有相变蓄热室模块的太阳能平板集热器，其特征在于：满足承重要求的槽钢支架底框与封装有透明盖板的隔热中空框通过螺栓连接，在隔热中空框与槽钢支架及底板的外围加装带有保温层的装饰框。
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