CN104676909B - 免跟踪双集热管多曲面槽式太阳能空气集热器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及免跟踪双集热管多曲面槽式太阳能空气集热器。由三层构成，外层为多曲面外保护板，中间为保温板，内层为多曲面反射板；聚焦区域放置两根空气集热管，空气集热管由多曲面槽式集热器端口的端头钢板封板支撑并固定，端头钢板封板上方与端头玻璃封板衔接，两端板均与多曲面槽式集热器端口连接并密封；集热管内的辐射对流换热增强器由金属孔板卷板而成；所述多曲面槽式集热器槽口采用超白玻璃盖板并密封；所述多曲面槽式空气集器与外部风管的连接通过两侧端头钢板封板与整流箱连接而实现。本发明还提供了计算集热器免跟踪对应的倾斜角度θ的方法。本发明加热空气量大、集热效率高、成本低、占用空间小、使用与维护简单，可广泛应用。

Description

免跟踪双集热管多曲面槽式太阳能空气集热器

技术领域

本发明涉及免跟踪一种双集热管的多曲面槽式太阳能空气集热器，属于可再生能源应用领域。

背景技术

在可再生能源中，太阳能以其来源广泛、使用简单的特点受到了青睐。然而，由于受太阳运动规律的影响，太阳辐射强度随时间、地点不同而变化。因此，如何开发高效、简便的太阳能集热器成为人们关注的重点。

发明内容

本发明提出了一种免跟踪双集热管多曲面槽式太阳能空气集热器，具有加热空气量大、集热效率高、成本低、占用空间小、使用与维护简单等特点，可广泛应用于日光温室、多层或单层建筑太阳能供热系统。

本发明采用了如下技术方案：

双集热管多曲面槽式太阳能空气集热器，其特征在于：

所述空气集热器的多曲面槽由三层构成，外层为多曲面外保护板，中间为保温板，内层为多曲面反射板；在所述多曲面槽式集热器的光学聚焦区域放置两根空气集热管，空气集热管由多曲面槽式集热器端口的端头钢板封板支撑并固定，端头钢板封板上方与端头玻璃封板衔接，两端板均与多曲面槽式集热器端口连接并密封；放置在所述空气集热管内的辐射对流换热增强器由金属孔板卷板而成；所述多曲面槽式集热器槽口采用超白玻璃盖板并密封；所述多曲面槽式空气集器与外部风管的连接通过两侧端头钢板封板与整流箱连接而实现。

进一步，所述空气集热管的管径为100-110mm。

进一步，所述两根空气集热管圆心上下方向距离为60-65mm、水平方向间距为110-115mm。

进一步，所述辐射对流换热增强器采用黑色金属孔板卷板而成。

进一步，所述玻璃板盖板厚度为8～10mm。

进一步，所述保温板的厚度为30～70mm、导热系数λ≦0.06W/(m·℃)。

所述的双集热管多曲面槽式太阳能空气集热器，其特征在于采用以下方式计算集热器达到免跟踪对应的倾斜角度θ：

集热器光学效率η与偏角ε之间有关系式成立，

η_i＝-0.0034ε_i ²+0.0053ε_i+1 (1)

式中，η_i——集热器在i时刻的光学效率也即集热器入射光线接收率，％；ε_i——i时刻的入射光线偏角(入射光线与镜面法线夹角)，度；

当集热器以倾斜角θ安装时，集热器开口面接收的太阳辐照总量φ_θ如式(2)，

${\mathrm{\φ}}_{\mathrm{\θ}}={\∫}_1^n{I}_{\mathrm{\θi}}\·{\mathrm{\η}}_i\mathrm{di}---\left(2\right)$

式中，φ_θ——集热器以倾斜角θ安装时在太阳能热利用期内，共计n个小时，开口面接受的累积有效太阳辐照量，MJ/(㎡·计算期)；θ——集热器安装倾斜角，镜面法线与水平面夹角，度；i——计算时刻，i＝1～n，h；I_θi——i时刻倾斜角为θ的集热器表面法线方向上的太阳辐照量，W/㎡。

根据式(2)计算得到对应不同倾斜角θ的集热器在整个太阳能热利用期内累积有效太阳辐照量φ_θ，其中最大值φ_θmax，所对应的倾斜角度θ即选定为集热器免跟踪倾斜角。

本发明可将投射并透过玻璃盖板和端头玻璃封板的太阳光，通过多曲面槽式反射板反射并聚焦到两支空气集热管上，被反射或投射到空气集热管上的太阳光透过空气集热管或直接、或通过辐射对流换热增强器加热流过空气集热管内的空气。

本发明的工作过程如下：

太阳光投射并透过玻璃盖板和端头玻璃封板的太阳光，一部分太阳光直接投射到空气集热管上并透过玻璃管或直接或通过辐射对流换热增强器加热流过空气集热管内的空气；另一部分太阳光通过多曲面槽式反射板反射并聚焦到两支空气集热管上、并透过空气集热管，直接或通过辐射对流换热增强器加热流过空气集热管内的空气。

需要加热的低温空气通过整流箱进入到多曲面太阳能空气集热器内，被加热后的热空气通过整流箱与外部风管连接。

多曲面太阳能空气集热器可作为单元组件，或是通过中间连接器将单元各组件进行串联连接，或是将单元组件两端与整流箱连接后再并联连接，以增加空气流量。

本发明的有益效果为：根据本发明的免跟踪倾斜角度计算方法确定的双集热管多曲面槽式太阳能空气集热器的倾斜角度θ，可使本发明的空气集热器在整个太阳能热利用期接受到的太阳辐射量几乎不受太阳高度角变化的影响。与一般单集热管槽式空气集热器比较，本发明的空气集热器加热的空气流量可提高50～60％、集热效率可提高5～10％，并且构造简单、维护方便。

附图说明

图1空气集热器倾斜角度θ等参数示意图

图2本发明的双集热管多曲面槽式太阳能空气集热器剖面图；

图3本发明的双集热管多曲面槽式太阳能空气集热器组件示意图。

图4本发明的双集热管多曲面槽式太阳能空气集热器组件串联连接示意图。

图中：1、多曲面反射板，2、多曲面保温板，3、多曲面外保护板，4、空气集热管，5、辐射对流换热增强管，6、端头钢板封板，7、端头玻璃封板，8、玻璃盖板，9、整流箱，10、中间连接器。

具体实施方式

下面结合附图2～4对本发明的双集热管多曲面槽式太阳能空气集热器进行详细说明。

本体系的结构如图2～4所示，主要包括1、多曲面反射板，2、多曲面保温板，3、多曲面外保护板，4、空气集热管，5、辐射对流换热增强器，6、端头钢板封板，7、端头玻璃封板，8、玻璃盖板，9、整流箱，10、中间连接器。

所述空气集热器的多曲面槽由三层构成，外层为镀锌钢板卷板而成的多曲面外保护板，中间为橡塑保温板，内层为镀膜铝板卷板而成的多曲面反射板；在所述多曲面槽式集热器的光学聚焦区域放置两根空气集热管，空气集热管由多曲面槽式集热器端口的端头钢板封板支撑并固定，端头钢板封板上方与透光性较好的端头玻璃封板衔接，两端板均与多曲面槽式集热器端口连接并密封；放置在所述空气集热管内的辐射对流换热增强器由金属孔板卷板而成；所述多曲面槽式集热器槽口采用超白玻璃盖板并密封；所述多曲面槽式空气集器与外部风管的连接通过两侧端头钢板封板与整流箱连接而实现，整流箱为根据空气动力学原理而设计的空腔，梳理空气由2支集热管合流到1支风管或由1支风管分流到2支集热管时造成的乱流，以减小空气流动阻力；所述串接两组多曲面槽式太阳能空气集热器的中间连接器为铝箔金属软管，直接将两组多曲面槽式太阳能空气集热器的玻璃管对接后连接。

所述空气集热管的管径为100-110mm。

所述辐射对流换热增强器5采用黑色金属孔板卷板而成。

所述玻璃板盖板采用超白玻璃，其厚度为8～10mm。

所述多曲面槽保温板的厚度为30～70mm、导热系数λ≦0.06W/(m·℃)，其厚度及保温性能视工程建造地区的室外气象条件而确定。

两支集热管圆心距离多曲面槽体顶点O点的相对位置如图2所示，分别为(40,100)、(-75,165)。

所述多曲面槽内层的多曲面反射板1为高反射率镀膜铝板卷板而成，中间层的多曲面保温板2为导热系数小的柔性保温板，外层的多曲面保护板3为普通钢板卷板而成；在所述多曲面槽式集热器的聚焦区域放置两根透光性能较好的空气集热管4，并由多曲面槽式集热器端口的端头钢板封板6支撑并固定，端头钢板封板上方与透光性较好的端头玻璃封板7衔接，两端板均与多曲面槽式集热器端口连接并密封；放置在所述空气集热管4内的辐射对流换热增强器5由具有高吸收性能的金属孔板卷板而成；所述多曲面槽式集热器槽口上方的玻璃盖板8采用高倍透光性的玻璃；所述多曲面槽式空气集器与外部风管的连接通过两侧端头钢板封板7与整流箱9连接而实现；所述串接两组多曲面槽式太阳能空气集热器的中间连接器10为耐温性能较好的金属软管，直接将两组多曲面槽式太阳能空气集热器的玻璃管对接后连接。所述空气集热管4的管径约为100～110mm；所述辐射对流换热增强器5采用高吸收率的金属孔板卷板而成；所述玻璃盖板8采用高倍透光性能的超白玻璃，其厚度为8～10mm；所述多曲面保温板2的厚度为30～70mm，其厚度及保温性能视工程建造地区的室外气象条件而确定。

以太阳能热利用期11月25日～次年2月15日(北方严冬时期)为例，说明该期间双集热管多曲面槽式太阳能空气集热器可免跟踪的倾斜角计算方法。

集热器光学效率η与偏角ε之间有关系式成立(式(1))，

η_i＝-0.0034ε_i ²+0.0053ε_i+1 (1)

式中，η_i——集热器在i时刻的光学效率(也即集热器入射光线接收率)，％；ε_i——i时刻的入射光线偏角(入射光线与镜面法线夹角)，度。

当集热器以倾斜角θ安装时，集热器开口面接收的太阳辐照总量φ_θ如式(2)，

${\mathrm{\φ}}_{\mathrm{\θ}}={\∫}_1^n{I}_{\mathrm{\θi}}\·{\mathrm{\η}}_i\mathrm{di}---\left(2\right)$

式中，φ_θ——集热器以倾斜角θ安装时在太阳能热利用期内(共计n个小时)开口面接受的累积有效太阳辐照量，MJ/(㎡·计算期)；θ——集热器安装倾斜角(镜面法线与水平面夹角)，度；i——计算时刻，i＝1～n，h；I_θi——i时刻倾斜角为θ的集热器表面法线方向上的太阳辐照量(该值可根据《建筑热过程》(彦启森、赵庆珠，中国建筑工业出版社，1986)提供方法计算得到)，W/㎡。

图1中h为太阳高度角(同样可根据《建筑热过程》(彦启森、赵庆珠，中国建筑工业出版社，1986)提供方法计算得到)。从几何关系上看，有ε_i＝|h_i-θ_i|关系式成立(当太阳高度角小于集热器安装倾斜角时，按绝对值取值)。对于跟踪式集热器，入射光线偏角ε恒为零(ε_i＝0)，集热器光学效率η_i＝100％。；而对于免跟踪集热器，由于集热器倾斜角θ为定值，导致绝大部分时间入射光线偏角ε不为零(ε_i≠0)，集热器光学效率η_i<100％。

根据式(2)可计算得到对应不同倾斜角θ的集热器在整个太阳能热利用期(11月25日～次年2月15日,当地时间每日9：00～16:00，n＝364)内累积有效太阳辐照量φ_θ，其中最大值φ_θmax()所对应的倾斜角度θ即选定为集热器免跟踪倾斜角。

当已知计算地区经纬度，结合式(1)～式(2)并利用MATLAB编程方法，即可计算得到本发明集热器对应太阳能热利用期的免跟踪倾斜角。

上述虽然结合附图对发明的具体实施方法进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出各种修改或变形，但仍在本发明的保护范围以内。

Claims (8)

1.双集热管多曲面槽式太阳能空气集热器，其特征在于：

所述双集热管多曲面槽式太阳能空气集热器的多曲面槽由三层构成，外层为多曲面外保护板，中间为保温板，内层为多曲面反射板；在所述双集热管多曲面槽式太阳能空气集热器的光学聚焦区域放置两根空气集热管，空气集热管由双集热管多曲面槽式太阳能空气集热器端口的端头钢板封板支撑并固定，端头钢板封板上方与端头玻璃封板衔接，两端板均与双集热管多曲面槽式太阳能空气集热器端口连接并密封；放置在所述空气集热管内的辐射对流换热增强器由金属孔板卷板而成；所述双集热管多曲面槽式太阳能空气集热器槽口采用超白玻璃盖板并密封；所述双集热管多曲面槽式太阳能空气集热器与外部风管的连接通过两侧端头钢板封板与整流箱连接而实现；

采用以下方式计算双集热管多曲面槽式太阳能空气集热器达到免跟踪对应的倾斜角度θ：

双集热管多曲面槽式太阳能空气集热器光学效率η与偏角ε之间有关系式成立，

η_i＝-0.0034ε_i ²+0.0053ε_i+1 (1)

式中，η_i——双集热管多曲面槽式太阳能空气集热器在i时刻的光学效率也即双集热管多曲面槽式太阳能空气集热器入射光线接收率，％；ε_i——i时刻的入射光线偏角(入射光线与镜面法线夹角)，度；

当双集热管多曲面槽式太阳能空气集热器以倾斜角θ安装时，双集热管多曲面槽式太阳能空气集热器开口面接收的太阳辐照总量φ_θ如式(2)，

${\mathrm{\&phi;}}_{\mathrm{\&theta;}}={\&Integral;}_1^n{I}_{\mathrm{\&theta;}i}\&CenterDot;{\mathrm{\&eta;}}_{i}di---\left(2\right)$

式中，φ_θ——双集热管多曲面槽式太阳能空气集热器以倾斜角θ安装时在太阳能热利用期内，共计n个小时，开口面接受的累积有效太阳辐照量，MJ/(㎡·计算期)；θ——双集热管多曲面槽式太阳能空气集热器安装倾斜角，镜面法线与水平面夹角，度；i——计算时刻，i＝1～n，h；I_θi——i时刻倾斜角为θ的双集热管多曲面槽式太阳能空气集热器表面法线方向上的太阳辐照量，W/㎡；

根据式(2)计算得到对应不同倾斜角θ的双集热管多曲面槽式太阳能空气集热器在整个太阳能热利用期内累积有效太阳辐照量φ_θ，其中最大值所对应的倾斜角度θ即选定为双集热管多曲面槽式太阳能空气集热器免跟踪倾斜角。

2.根据权利要求1所述的双集热管多曲面槽式太阳能空气集热器，其特征在于：

所述空气集热管的管径为100-110mm。

3.根据权利要求2所述的双集热管多曲面槽式太阳能空气集热器，其特征在于：

所述两根空气集热管圆心上下方向距离为60-65mm、水平方向间距为110-115mm。

4.根据权利要求1所述的双集热管多曲面槽式太阳能空气集热器，其特征在于：所述辐射对流换热增强器采用黑色金属孔板卷板而成。

5.根据权利要求1所述的双集热管多曲面槽式太阳能空气集热器，其特征在于：

所述玻璃板盖板厚度为8～10mm。

6.根据权利要求1所述的双集热管多曲面槽式太阳能空气集热器，其特征在于：

所述保温板的厚度为30～70mm、导热系数λ≤0.06W/(m·℃)。

7.根据权利要求1所述的双集热管多曲面槽式太阳能空气集热器，其特征在于，其工作过程如下：

太阳光投射并透过玻璃盖板和端头玻璃封板的太阳光，一部分太阳光直接投射到空气集热管上并透过玻璃管或直接或通过辐射对流换热增强器加热流过空气集热管内的空气；另一部分太阳光通过多曲面槽式反射板反射并聚焦到两支空气集热管上、并透过空气集热管，直接或通过辐射对流换热增强器加热流过空气集热管内的空气；需要加热的低温空气通过整流箱进入到多曲面太阳能空气集热器内，被加热后的热空气通过整流箱与外部风管连接。

8.根据权利要求1所述的双集热管多曲面槽式太阳能空气集热器，其特征在于：

多曲面太阳能空气集热器作为单元组件，或是通过中间连接器将单元各组件进行串联连接，或是将单元组件两端与整流箱连接后再并联连接，以增加空气流量。