CN104373758A - 一种用于跨季节蓄热技术的太阳能保温结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于跨季节蓄热技术的太阳能保温结构，包括第一保温层、相变保温层、第二保温层和太阳能蓄电装置，其中，所述第一保温层、相变保温层和第二保温层依次设置于待保温的装置的外侧，所述相变保温层内设置有若干根管体，每根管体内填充有相变材料并布置有电热组丝(电加热单元)；所述电热阻丝(电加热单元)与所述太阳能蓄电装置电连接。本发明的装置可以维持待保温的装置内的保温温度，实现长时间的恒温或近似恒温保温效果。

Description

一种用于跨季节蓄热技术的太阳能保温结构

技术领域

本发明涉及长时间相变保温技术领域，涉及一种太阳能光伏电加热式的相变保温层，尤其是一种用于跨季节蓄热技术的太阳能保温结构。 

背景技术

跨季节蓄热过程始终被时间跨度长而导致的热量损失巨大而困扰，目前一般解决的方法都是采用较大的蓄热容积，但经过长时间的蓄热后蓄热温度会有较大的下降，获得的热量品质不高。在热量的储存过程中，由于与外界环境存在着温差，热量散失是不可避免的。传统的保温层都是使用普通的保温材料，如硬质聚氨酯，聚苯乙烯、岩棉等，虽然这些保温材料的导热系数较低，在短时间内的储热过程中能够起到一定的保温作用，保温装置内的温度只会出现较小的温度下降，但在长时间的储热过程中，热量的散失依旧是巨大的，保温装置内的温度依旧会有较大的下降，获得的热量品质不高。 

目前对相变保温层的研究也较多，主要有保温砂浆、相变保温层砌块、硬泡聚氨酯相变保温复合板等，这些相变保温形式主要应用在建筑墙体上，由于保温材料的热阻及相变材料的热容作用，可以延缓和衰减通过保温结构的热流，在短时间内可以有效地延缓温度的下降，并减小温度波动，但长时间下温度波动依旧较大。 

发明内容

发明目的：为解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种用于跨季节蓄热技术的太阳能保温结构，可以长时间或跨季节蓄热，解决季节的变化造成蓄热温度与环境温度存在较大温差，导致蓄热装置散热量较大，获得的热量品质不高的缺陷。 

技术方案：为解决上述技术问题，本发明提供了一种用于跨季节蓄热技术的太阳能保温结构，包括第一保温层、相变保温层、第二保温层和太阳能蓄电装置，其中，所述第一保温层、相变保温层和第二保温层依次设置于待保温的装置的表面，其中，所述相变保温层内设置有若干根管体，每根管体内填充有相变材料并布置有电加热单元；所述电加热单元与所述太阳能蓄电装置电连接。 

具体地，所述的太阳能蓄电装置包括太阳能电池板和蓄电装置，所述蓄电装置与所述电加热单元电连接。通过采用太阳能电池板为电加热装置提供电能。所述太阳能电池板是用以将太阳能转化成电能，供给电加热单元产生热能，太阳能电池板可直接从市场上采购，太阳能电池板的面积及功率可根据散热量进行选 择。 

具体地，所述的蓄电装置包括蓄电池和调压装置，用以储存富余的电能和调节输出电压。 

所述的第一保温层的材料选自硬质聚氨脂泡沫塑料、聚苯乙烯泡沫塑料和聚乙烯塑料泡沫中的任意一种；所述的第二保温层的材料选自硬质聚氨脂泡沫塑料、聚苯乙烯泡沫塑料和聚乙烯塑料泡沫中的任意一种。 

具体地，所述第一保温层的厚度δ₁的范围为20mm～100mm，第二保温层的厚度δ₂和第一保温层的厚度δ₁满足下述公式： 

$\frac{Q}{\mathrm{AT}}=\frac{\mathrm{\Δ}{t}_2}{\frac{{\mathrm{\λ}}_2}{{\mathrm{\δ}}_2}+\frac{1}{h_o}}\±\frac{\mathrm{\Δ}{t}_1}{\frac{1}{h_i}+\frac{{\mathrm{\λ}}_1}{{\mathrm{\δ}}_1}},$

其中，Q(J)为相变层内蓄存的潜热量；T(s)为潜热释放时间；A(m²)为箱体表面积；Δt₁为蓄热温度与相变材料熔点温度温差；Δt₂为相变材料熔点与环境温度温差；h_i(W/(m²·K))为箱体内壁换热系数；h_o(W/(m²·K))为外表面换热系数；λ₁(W/(m·K))为第一保温层材料的导热系数；λ₂(W/(m·K))为第二保温层材料的导热系数；其中，当蓄热温度高于相变材料熔点温度时取负号，当蓄热温度低于相变材料熔点温度时取正号。第一保温层使得蓄热温度与相变保温层温度保持一定的温度差；第二保温层可以进一步减少热量的散失。 

优选地，Δt₁的范围为0.5～1℃。 

所述的相变保温层的相变材料为石蜡类相变材料，优选地，为正十八碳石蜡～正二十七碳石蜡中的任意一种或者几种的混合物，或者54号石蜡等等。根据需要保温的装置所需要保温温度选择合适的相变材料。具体地，根据蓄热温度选择相变材料的熔点，根据吸收或释放的潜热量来确定相变材料的质量以及管体的尺寸。相变材料的作用是蓄存收集到的太阳能，实现太阳能的转移，同时其在潜热释放阶段和吸收阶段温度不变。 

所述的管体的材料为PPR(聚丙烯)、PVC(聚氯乙烯)、PB(聚丁烯)、PE-RT(耐热聚乙烯)、PE(聚乙烯)等中的任意一种。 

所述管体中的电加热单元的连接方式为串联、并联、先串联再并联或先并联 再串联中的任意一种。先串联再并联，即为将电加热单元分层若干组，每组的电加热单元先串联，然后各个组之间并联连接。先并联再串联，是指将电加热单元分为若干组后，每组的电加热单元相互并联，然后，每个组之间串联连接。通过将电加热单元分散设置于管体中，可以保证相变保温层的受热较为均匀。 

所述的电加热单元为碳纤维电热阻丝、镍铬高温电热发热丝和电热片中的任意一种。根据加热功率来选择合适的电加热单元。 

工作原理：在有阳光时段，太阳能电池板产生电能，并将电能通至电热阻丝(电加热单元)，将电能完全转化成热能并储存在相变材料中，补充夜晚等无阳光时段对外的散热，在无阳光时段再次释放潜热，依次循环；在夜晚或没有阳光的时段，相变保温层内的相变材料释放潜热来维持向外的散热量，这一阶段相变材料保持在熔点温度，蓄热装置内蓄热温度不对外散热，从而保证了待保温装置内部温度的恒定，实现长时间的恒温或近似恒温保温效果。 

有益效果：与现有技术相比，本发明的用于跨季节蓄热技术的太阳能保温结构通过在保温装置外侧设置普通保温层-相变保温层-普通保温层，同时在相变保温层内设置电加热单元，从而对相变保温层进行补热，将热量的散失转移至普通保温层，实现了保温装置内的温度恒定。在有阳光的时段，太阳能电池板产生电能，供至相变保温层，电加热单元将电能转化成热能，并储存为相变材料的潜热，在没有阳光的时候，释放潜热，并维持在熔点温度直到第二日，再次通过太阳能电池板进行补热，以此循环，从而维持了保温装置内的保温温度，实现长时间的恒温或近似恒温保温效果。 

附图说明

图1为发明的太阳能保温装置的结构示意图，其中，待保温的装置的外形为方形； 

图2为当待保温装置为圆筒状结构时太阳能保温装置的剖面示意图； 

图3为当待保温装置为方形结构时太阳能保温装置的剖面示意图，其中： 

1-待保温的装置；2-第一保温层；3-相变保温层；4-第二保温层；5-相变材料；6-管体；7-太阳能电池板；8-蓄电装置；9-电线线路和10-电加热单元； 

图4为管体内电加热单元先串联再并联的连接方式示意图； 

图5为管体内电加热单元先并联再串联的连接方式示意图； 

图6为单个管体内部的电加热装置的示意图。 

具体实施方式

本发明的目的在于提供一种用于跨季节蓄热技术的太阳能保温结构，其基本的结构如图1所示，包括第一保温层2、相变保温层3、第二保温层4和太阳能蓄电装置，其中，第一保温层2、相变保温层3和第二保温层4依次设置于待保温的装置1的表面，相变保温层3内设置有若干根由保温效果好的材料(如聚丙烯、聚氯乙烯、聚丁烯、耐热聚乙烯或聚乙烯等)制作而成的管体6，每根管体6内填充有相变材料并布置有电加热单元10(如图6所示)；电加热单元10与太阳能蓄电装置电连接。太阳能蓄电装置包括太阳能电池板7和蓄电装置8，蓄电装置8包括蓄电池和调压装置，蓄电装置8与电加热单元10相连。根据待保温装置的形状来布置各个保温层和相变层，如图2和图3所示，其中，图2为当待保温装置为圆筒状结构时太阳能保温装置的剖面示意图，图3为当待保温装置为方形结构时太阳能保温装置的剖面示意图。 

其中，第一保温层2的材料可以选自硬质聚氨脂泡沫塑料、聚苯乙烯泡沫塑料和聚乙烯塑料泡沫中的任意一种；第二保温层的材料选自硬质聚氨脂泡沫塑料、聚苯乙烯泡沫塑料和聚乙烯塑料泡沫中的任意一种。 

第一保温层2的厚度δ₁为20mm～100mm，第二保温层4的厚度δ₂和第一保温层2的厚度δ₁满足下述公式： 

$\frac{Q}{\mathrm{AT}}=\frac{\mathrm{\Δ}{t}_2}{\frac{{\mathrm{\λ}}_2}{{\mathrm{\δ}}_2}+\frac{1}{h_o}}\±\frac{\mathrm{\Δ}{t}_1}{\frac{1}{h_i}+\frac{{\mathrm{\λ}}_1}{{\mathrm{\δ}}_1}},$

其中，Q为相变层内蓄存的潜热量；T为潜热释放时间；A为箱体表面积；Δt₁为蓄热温度与相变材料熔点温度温差，Δt₁的范围为0.5～1℃；Δt₂为相变材料熔点与环境温度温差；h_i为箱体内壁换热系数；h_o为外表面换热系数；λ₁为第一保温层2的材料的导热系数；λ₂为第二保温层4的材料的导热系数；其中，当蓄热温度高于相变材料熔点温度时取负号，当蓄热温度低于相变材料熔点温度时取正号。相变保温层3的相变材料为石蜡类相变材料，如正十八碳石蜡～正二十七碳石蜡中的任意一种或者几种的混合物，或者54号石蜡等等。根据蓄热温度 选择相变材料的熔点，根据吸收或释放的潜热量来确定相变材料的质量以及管体的尺寸。相变材料的作用是蓄存收集到的太阳能，实现太阳能的转移，同时其在潜热释放阶段和吸收阶段温度不变。 

管体6中的电加热单元10的连接方式可以为多种，如串联、并联、先串联再并联(如图4所示)或先并联再串联(如图5所示)中的任意一种。先串联再并联，即为将电加热单元分层若干组，每组的电加热单元先串联，然后各个组之间并联连接。先并联再串联，是指将电加热单元分为若干组后，每组的电加热单元相互并联，然后，每个组之间串联连接。从而可以更加方便的调整电加热单元的有效电阻值。通过将电加热单元10分散设置于管体中，可以保证相变保温层的受热较为均匀。电加热单元10可以根据需要选择用碳纤维电热阻丝、镍铬高温电热发热丝和电热片中的任意一种。 

本发明的原理是在传统的低导热系数的保温围护结构中增加一层内含加热装置的相变蓄热材料层，其相变温度比跨季节蓄热器内部工质的温度至少高0.5～1℃，形成相变保温层，以隔绝跨季节蓄热器内部的工质向通过围护结构向环境的传热损失。在白天时段，通过加热装置将光伏电池收集到的太阳能转化为热能(无阳光阴天时，使用市电加热)，使相变层内的蓄热材料从固态完全相变成液态，并补偿相变保温层通过围护结构向环境散发的热量，光伏电池所收集的太阳能要大于光伏转换系数乘以相变层蓄热材料完全相变所需的热量和相变保温层通过围护结构向环境散发的热量之和；在夜晚时段，熔融的蓄热材料从液态转变为固态，逐步释放潜热；最外层保温层的厚度要满足相变保温层维持其相变温度。这样相变保温层的温度一直高于跨季节蓄热器内部工质的温度，隔绝工质通过围护结构向外界的传热损失，从而实现了长时间跨季节蓄热保温的目标。所以，通过本发明的结构，并根据需要选择合适的第一保温层材料、第二保温层材料、相变材料、管体的材料以及管体内的电加热装置的类型和连接方式，来总和调节相变保温层的温度，实现长时间的恒温或近似恒温保温效果。 

下面结合说明书附图对本发明进一步说明。 

实施例1 

如图1所示，本发明待保温的装置为一个35℃的恒温中温发酵罐，罐体呈圆筒状，罐体容积为1.06m³，底部直径为0.95m，高1.5m。在发酵罐管体的外侧依次布置软质聚氨酯保温层(第一保温层)、相变保温层和硬质聚氨酯保温层， 厚度分别采用0.02m、0.032m、0.1m。其中，相变保温层内均匀布置有100根PPR塑料管，每个塑料管的直径为0.032m，壁厚0.0044m，管内布置有碳纤维电热阻丝，电阻为33Ω/m，并填充熔点为35℃的石蜡55Kg。在白天有阳光时段，将太阳能电池板产生的电能供至电热阻丝，电能产生热能，储存在石蜡中，石蜡吸收潜热；在夜晚没有阳光时，石蜡开始释放潜热，在潜热量散失较多时，可使用蓄电装置对石蜡补充潜热。石蜡在吸收或释放潜热的时候，温度始终保持在35℃，消化罐也可以保持近似恒温发酵，维持在35℃发酵温度。 

实施例2 

如图2所示，本发明保温装置为一跨季节蓄热水箱，水箱为方形，其容积为1m³，水箱内部截面积为1m²，蓄热温度为55℃，在其外侧依次布置软质聚氨酯保温层、相变保温层和硬质聚氨酯保温层，厚度分别为0.05m、0.032m、0.2m。相变保温层内布置有168根PPR塑料管，直径为0.032m，壁厚为0.0044m，管内布置电热阻丝并填充熔点为55℃的54号石蜡，在白天有阳光时段，将太阳能电池板产生的电能供至电热阻丝，电能产生热能，储存在石蜡中，石蜡吸收潜热；在夜晚没有阳光时，石蜡开始释放潜热，在潜热量散失较多时，可使用蓄电装置对石蜡补充潜热。石蜡在吸收或释放潜热的时候，温度始终保持在55℃，由此，水箱内温度可始终维持在近55℃，将水箱的散热量全部集中为石蜡的潜热，这样就可以长时间的保持水箱内的温度，以满足跨季节长时间储热的需求。 

本发明不限于上述实施例，实施例的目的是让本领域的普通技术人员能够更好的理解本发明，并不能以此限制本发明的保护范围。 

Claims (10)

1.一种用于跨季节蓄热技术的太阳能保温结构，其特征在于，包括第一保温层(2)、相变保温层(3)、第二保温层(4)和太阳能蓄电装置，其中，所述第一保温层(2)、相变保温层(3)和第二保温层(4)依次设置于待保温的装置(1)的外侧，所述相变保温层(3)内设置有若干根管体(6)，每根管体(6)内填充有相变材料(5)并布置有电加热单元(10)；所述电加热单元(10)与所述太阳能蓄电装置电连接。

2.根据权利要求1所述的用于跨季节蓄热技术的太阳能保温结构，其特征在于，所述的太阳能蓄电装置包括太阳能电池板(7)和蓄电装置(8)，所述蓄电装置(8)与所述电加热单元(10)相连。

3.根据权利要求2所述的用于跨季节蓄热技术的太阳能保温结构，其特征在于，所述的蓄电装置(8)包括蓄电池和调压装置。

4.根据权利要求1所述的用于跨季节蓄热技术的太阳能保温结构，其特征在于，所述的第一保温层(2)的材料选自硬质聚氨脂泡沫塑料、聚苯乙烯泡沫塑料和聚乙烯塑料泡沫中的任意一种；所述的第二保温层的材料选自硬质聚氨脂泡沫塑料、聚苯乙烯泡沫塑料和聚乙烯塑料泡沫中的任意一种。

5.根据权利要求4所述的用于跨季节蓄热技术的太阳能保温结构，其特征在于，所述第一保温层(2)的厚度δ₁为20mm～100mm，第二保温层(4)的厚度δ₂和第一保温层(2)的厚度δ₁满足下述公式：

$\frac{Q}{\mathrm{AT}}=\frac{{\mathrm{\Δt}}_2}{\frac{{\mathrm{\λ}}_2}{{\mathrm{\δ}}_2}+\frac{1}{h_o}}\±\frac{\mathrm{\Δ}{t}_1}{\frac{1}{h_i}+\frac{{\mathrm{\λ}}_1}{{\mathrm{\δ}}_1}},$

其中，Q为相变层内蓄存的潜热量；T为潜热释放时间；A为箱体表面积；Δt₁为蓄热温度与相变材料熔点温度温差；Δt₂为相变材料熔点与环境温度温差；h_i为箱体内壁换热系数；h_o为外表面换热系数；λ₁为第一保温层(2)的材料的导热系数；λ₂为第二保温层(4)的材料的导热系数；其中，当蓄热温度高于相变材料熔点温度时取负号，当蓄热温度低于相变材料熔点温度时取正号。

6.根据权利要求5所述的用于跨季节蓄热技术的太阳能保温结构，其特征在于，Δt₁的范围为0.5～1℃。

7.根据权利要求1所述的用于跨季节蓄热技术的太阳能保温结构，其特征在于，所述的相变保温层(3)的相变材料(5)为石蜡类相变材料。

8.根据权利要求1所述的用于跨季节蓄热技术的太阳能保温结构，其特征在于，所述的管体(6)的材料为聚丙烯、聚氯乙烯、聚丁烯、耐热聚乙烯和聚乙烯中的任意一种。

9.根据权利要求1所述的用于跨季节蓄热技术的太阳能保温结构，其特征在于，所述管体(6)中的电加热单元(10)的连接方式为串联、并联、先串联再并联或先并联再串联中的任意一种。

10.根据权利要求1或9所述的用于跨季节蓄热技术的太阳能保温结构，其特征在于，所述的电加热单元(10)为碳纤维电热阻丝、镍铬高温电热发热丝和电热片中的任意一种。