CN105066471A - 热管式平板太阳能空气集热器及其采暖方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种热管式平板太阳能空气集热器及其采暖方法，该集热器包括太阳能平板集热与热传输段、空气通风换热段，太阳能平板集热与热传输段包括钢化玻璃、高效吸热涂层、保温隔热空气层及平板热管的蒸发段，高效吸热涂层的背面与平板热管的蒸发段的正面有机结合，钢化玻璃覆盖在与高效吸热涂层有机结合的平板热管的蒸发段的外表面，保温隔热空气层设置在高效吸热涂层与钢化玻璃之间且高效吸热涂层的正面与钢化玻璃内表面距离为20mm～50mm；空气通风换热段包括风道、风机和平板热管的冷凝段，平板热管的冷凝段设置在风道内，所述风机设置在风道的一侧。该集热器具有换热效率高、可靠强，结构简单、安装方便、免维护、寿命长的优点。

Description

热管式平板太阳能空气集热器及其采暖方法

技术领域

本发明涉及一种太阳能采暖技术领域，特别是一种新型的热管式平板太阳能空气集热器及其采暖方法。

背景技术

为了实现太阳能的高效利用，与以水为工质的太阳能集热器相比较，空气有着其特有的优越条件，如投资相对低廉、冬季可防止冷冻、不必过分在意泄漏问题的发生、启动速度快等，使得太阳能空气集热器可简单有效的用于冬季的采暖、优化室内气流组织等，并成为了太阳能采暖的新方向。而在非供暖季为了避免能源的浪费，也可用于工业及农副产品进行干燥作业等。板式太阳能空气集热器是一种以直接利用空气进行集热的装置。其结构简单，非常适用于农村偏远地区、工业厂房、边远哨所的建筑采暖及工农业物料干燥等领域。与真空管型的太阳能空气集热器相比，具有不易破损，阻力小，有效吸收太阳辐照面积大，结构简单，易于维护等优点。

传统的板式太阳能空气集热器是通过涂有选择性吸收涂层的吸热膜将太阳辐射能转化为热能吸收，热量通过对流和导热的形式传递给空气，进而加热空气。即目前的平板太阳能空气集热器是空气与吸热膜直接换热，属于传统的板掠式对流换热，此种结构形式的太阳能集热面在集热的同时也充当空气通风换热面，因此存在集热面与换热面只能作为一体的弊端，使得其换热容易出现流动、换热及温度都不均匀的情况，使得空气与吸热板的有效换热量减少，降低了板式太阳能空气集热器的换热效率和可靠性。而且传统板式太阳能空气集热器之间的连接、密封都较复杂、不可靠、成本高，以及空气流动阻力较大消耗较大风机功耗等，采暖系统基本不太实用。

发明内容

本发明针对现有的板式太阳能空气集热器空气与吸热膜直接换热导致换热效率低以及可靠性差等问题，提供一种新型的热管式平板太阳能空气集热器，设置太阳能平板集热与热传输段以及空气通风换热段，通过具有微热管阵列的平板热管与吸热涂层紧密有机结合，平板热管内工质的不断冷凝、蒸发相变，最终与风道内空气换热，平板热管可实现大面积热吸收及冷凝段的高效热释放，集热器则实现了太阳能集热、热输运及空气换热之间的分离，区别于传统太阳能空气集热器都是将太阳能集热面与空气通风换热面只能做成一体的弊端，本发明可以大幅提高太阳能的吸收效率并提高热量的传递效率，增强集热效果的同时，集热器可大幅降低空气流动阻力。本发明还涉及一种利用该热管式平板太阳能空气集热器的采暖方法。

本发明的技术方案如下：

一种热管式平板太阳能空气集热器，其特征在于，包括太阳能平板集热与热传输段、空气通风换热段，所述太阳能平板集热与热传输段包括钢化玻璃、高效吸热涂层、保温隔热空气层及平板热管的蒸发段，所述平板热管为由金属材料经焊接或挤压或冲压成型的具有两个及以上并排排列的微热管阵列的平板结构，所述高效吸热涂层的背面与平板热管的蒸发段的正面有机结合，所述钢化玻璃覆盖在与高效吸热涂层有机结合的平板热管的蒸发段的正面，所述保温隔热空气层为高效吸热涂层与钢化玻璃之间留有的四周封闭的起保温隔热的空气且高效吸热涂层的正面与钢化玻璃内表面距离为20mm～50mm；所述空气通风换热段包括风道、风机和平板热管的冷凝段，所述平板热管的冷凝段设置在与太阳能集热与热传输段完全隔离的风道内，所述风机设置在风道的一侧。

所述平板热管的冷凝段外部设置有若干金属制的散热翅片，所述散热翅片均设置在风道内且各散热翅片的设置方向与风道平行。

所述平板热管的微热管阵列中的各微热管等效直径为1mm～5mm。

所述平板热管的微热管阵列中的各微热管内设置有起强化传热作用的若干微翅片或者微槽。

所述高效吸热涂层的正面与钢化玻璃内表面距离为35mm。

所述风道的外表面包覆有保温材料。

所述平板热管的蒸发段的背面包覆有保温材料。

一种太阳能空气集热的采暖方法，其特征在于，采用上述的热管式平板太阳能空气集热器，将所述热管式平板太阳能空气集热器设置于室外，并将风道的出风口连通室内，在太阳能平板集热与热传输段太阳能热透过钢化玻璃被与高效吸热涂层有机结合的平板热管的蒸发段吸收后，在平板热管的微热管阵列内形成热管效应，由空气通风换热段的平板热管的冷凝段与风道内空气换热，最终放热到室内。

将所述热管式平板太阳能空气集热器沿一定倾角设置在屋顶上。

将热管式平板太阳能空气集热器的倾角设置在当地纬度加减10度之间。

本发明的技术效果如下：

本发明涉及的热管式平板太阳能空气集热器，包括太阳能平板集热与热传输段、空气通风换热段，具体包括钢化玻璃、高效吸热涂层、保温隔热空气层、平板热管、风道和风机，高效吸热涂层的背面与平板热管的蒸发段有机结合，钢化玻璃覆盖在与高效吸热涂层有机结合的平板热管的蒸发段的正面，保温隔热空气层设置于高效吸热涂层与钢化玻璃之间且高效吸热涂层的正面与钢化玻璃内表面距离为20mm～50mm，即形成具有特定厚度的保温隔热空气层，以减少因为密度差引起的空气自然对流向外散热；平板热管的冷凝段设置在风道内，风机设置在风道的一侧。本发明分别设置了物理隔离的太阳能平板集热与热传输段以及空气通风换热段，在太阳能平板集热与热传输段采用了具有微热管阵列的平板热管与高效吸热涂层紧密的有机结合的全新结构形式，使接触形式更加紧密，接触热阻减小，结构更加简单，提高了太阳能吸热效率和热量的传递效率，太阳能热透过钢化玻璃被紧密贴合有或涂有高效吸热涂层的平板热管的蒸发段大量吸收，平板热管的平板面积大能增加与太阳能换热面积并利用平板热管自身的高效的换热及热输运的特点，以及利用高效吸热涂层的高吸收、低发射率及高隔热保温特性，使得在平板热管的蒸发段间接吸收太阳能辐射热量后，其蒸发段的液体迅速蒸发，并在平板热管的另一端，即在位于风道的平板热管冷凝段冷却凝结放热，即由冷凝段与风道内空气换热，平板热管的微热管阵列中的工质不断的蒸发、冷凝相变，将热传到散热段(即平板热管的冷凝段)，风机使得空气热沿一定风向从风道流出，可以大幅提高太阳能的吸收效率并提高热量的传递效率，避免了现有的板式太阳能空气集热器空气与吸热涂层直接换热导致流动、换热及温度都不均匀的情况，从而导致换热效率低以及可靠性差等问题。本发明的热管式平板太阳能集热器区别于传统太阳能空气集热器都是将太阳能集热面与空气通风换热面只能做成一体的弊端，将集热与通风的风道进行了物理隔离，克服了直接通风造成的大量热损失，具有换热效率高、可靠强，结构简单、安装方便、免维护、寿命长的优点，而且无需集热与蓄热用液体介质，具有全干式，简单、高效、防冻，安全可靠，成本低廉的优点。

平板热管为由金属材料经焊接或挤压或冲压成型的具有两个及以上并排排列的微热管阵列的平板结构，各微热管内灌装液体工质且两端密封组成阵列，各微热管内自然形成热管效应，整体构成平板热管，该结构的平板热管制作工艺简单，具有热管传热效率高的优点，同时，平板热管可实现大面积热吸收及冷凝段的高效热释放，能够进一步提高吸收太阳能的效率和传热效率。优选设置单根微热管的等效直径为1mm-5mm，单根微热管的等效直径不得低于1mm，使得单根微热管的热传输能力不得低于1W，从而使微热管阵列的总体热输运极限要高于吸收太阳能的能力。同时，单根微热管的等效直径不得高于5mm，使得单根微热管的内部承压能力要高于20大气压。

优选在平板热管的冷凝段外部设置有若干金属制的散热翅片，散热翅片均设置在风道内且各散热翅片的设置方向与风道平行，使得平板热管的蒸发段间接吸收太阳能辐射热量后，再由冷凝段通过各金属制的散热翅片与风道内空气换热，金属制的散热翅片增大了换热表面积，增强了与空气的换热，进一步提高换热效率。

优选在风道的外表面或者是平板热管的蒸发段的背面包覆有保温材料，对集热器风道和平板热管的背面进行保温，可以防止空气对流和传导而损失热量。

本发明还涉及一种太阳能空气集热的采暖方法，采用本发明所述的热管式平板太阳能空气集热器，将所述热管式平板太阳能空气集热器设置于室外，风道的出风口连通室内，太阳能热透过钢化玻璃被与高效吸热涂层有机结合的平板热管的蒸发段吸收后，在平板热管的微热管阵列内形成热管效应，由平板热管的冷凝段与风道内空气换热，最终放热到室内。该采暖方法利用了高效吸热涂层的高吸收、低发射率及高隔热保温特性，以及平板热管自身的高效的换热及热输运的特点，通过室外的平板热管蒸发段间接吸热后蒸发至位于风道的冷凝段冷却凝结放热，在风机的作用下将吸收的太阳能通过出风口释放到室内，这个过程自动反复循环，将集热与通风的风道进行了物理隔离，利用太阳能高效低成本地实现对室内供暖，大大提高采暖效果。

将所述热管式平板太阳能空气集热器沿一定倾角设置在屋顶上，优选沿当地纬度方向加减10度之间设置，该设置可以使太阳光透过钢化玻璃直射入紧密贴合有或溅射或涂有高效吸热涂层的平板热管，平板热管的吸热也达到最佳状态，此外，平板热管中的液体工质也能够在重力的作用下从冷凝段回流到蒸发段，促进了液体工质的流动，也有助于增强传热能力，进一步提高室内采暖的效率。

附图说明

图1为本发明热管式平板太阳能空气集热器的优选结构示意图。

图2为图1的侧面结构示意图。

图3为本发明热管式平板太阳能空气集热器的局部结构示意图。

图4a、图4b和图4c分别为本发明热管式平板太阳能空气集热器的平板热管的整体结构示意图以及两种A-A剖视图。

图中各标号列示如下：

1－钢化玻璃；2－空气层；3－高效吸热涂层；4－平板热管；41－平板热管的蒸发段；42－平板热管的冷凝段；43－微热管阵列；5－散热翅片；6－风道；7－风机；8－保温材料；9－微翅片。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行说明。

本发明涉及一种热管式平板太阳能空气集热器，其结构如图1和图2所示，可理解为图1是正面结构示意图，图2为其侧面结构示意图，包括太阳能平板集热与热传输段、空气通风换热段，其中，太阳能平板集热与热传输段包括钢化玻璃1、保温隔热空气层2(简称空气层2)、高效吸热涂层3、平板热管4的蒸发段41，平板热管4为由金属材料经焊接或挤压或冲压成型的具有两个及以上并排排列的微热管阵列的平板结构，平板热管4包括平板热管的蒸发段41和平板热管的冷凝段42，高效吸热涂层3紧密贴合在或溅射或涂在平板热管的蒸发段41的正面(即平板热管4的蒸发段41面向太阳或者说是面向钢化玻璃的一面用以转化吸收太阳能)且高效吸热涂层3的背面与平板热管的蒸发段41有机结合，钢化玻璃1覆盖在与高效吸热涂层3有机结合的平板热管的蒸发段41的正面，高效吸热涂层3与钢化玻璃1之间留有四周封闭的起保温隔热的空气，即形成空气层2，高效吸热涂层3的正面与钢化玻璃1内表面距离为20mm～50mm，即空气层2的厚度为20mm～50mm。空气通风换热段包括风道6、风机7和平板热管的冷凝段42，平板热管的冷凝段42设置在与太阳能集热与热传输段完全隔离的风道6内，风机7设置在风道6的一侧。图1和图2所示实施例中优选在平板热管的冷凝段42外部设置有若干金属制的散热翅片5，如可以是若干铝制的散热翅片5，散热翅片5均设置在风道6内且各散热翅片5的设置方向与风道6平行。金属制的散热翅片5与平板热管的冷凝段42的结合的最佳方式为焊接方式。

本发明的热管式平板太阳能集热器将集热与通风的风道进行了物理隔离，克服了直接通风造成的大量热损失，如图3所示的局部结构包括高效吸热涂层3、平板热管4和散热翅片5，平板热管4带有铝制的散热翅片5的一端插置于通风管道——风道6中，平板热管4的另一端与高效吸热涂层3有机结合。平板热管4的蒸发段41向阳的一侧为吸收太阳辐射面(即为平板热管4的蒸发段41的正面)，其上设置有能高效吸收太阳能的高效吸热涂层3，平板热管4的蒸发段41的正面以及与其有机结合的高效吸热涂层3整体形成吸热段，以尽可能提高吸热效率。本发明采用了具有微热管阵列的平板热管4与高效吸热涂层3紧密的有机结合的全新结构形式，使接触形式更加紧密，接触热阻减小，结构更加简单，平板热管4可实现大面积热吸收及冷凝段的高效热释放，集热器则实现了太阳能集热、热输运及空气换热之间的分离，可以大幅提高太阳能的吸收效率并提高热量的传递效率，增强集热效果的同时，集热器可大幅降低空气流动阻力。钢化玻璃1为透光部件，将钢化玻璃1覆盖在紧密贴合有或溅射有或涂有高效吸热涂层3的平板热管的蒸发段41的正面，高效吸热涂层3与钢化玻璃1之间留有空气层2，空气层2的厚度为20mm～50mm，优选设置空气层2的厚度为35mm，目的是减少因为密度差引起的空气自然对流向外散热。钢化玻璃1在安装时可通过边框、支架或支座等部件支撑实现空气层。平板热管4的冷凝段42与在其上设置的散热翅片5整体形成放热段并插入到风道6中。风道6为两端开口的直筒形结构。如图2所示，优选在风道6的外表面以及平板热管的蒸发段41的背面包覆有保温材料8，对集热器的风道6和平板热管4的背面进行保温，可以防止空气对流和传导而损失太阳能热量。

平板热管4为由金属材料经焊接或挤压或冲压成型的具有两个及以上并排排列的微热管阵列的平板结构，平板热管4的整体结构如图4a所示，图4b为图4a的A-A剖视图，优选设置微热管阵列43中的各微热管等效直径为1mm～5mm，各微孔管的通孔内灌装有液体工质(可以是制冷剂，如丙酮或其它液体工质)并且各通孔两端密封封装以形成为多跟独立的微热管，各微热管内自然形成热管效应，并排排列的微热管形成微热管阵列43，单根微热管的等效直径不得低于1mm，使得微热管阵列的总体热输运极限要高于吸收太阳能的能力。同时，单根微热管的等效直径不得高于5mm，使得单根微热管的内部承压能力要高于20大气压。最佳优选的单根微热管等效直径为1.5-3mm，即通孔的等效直径优选为1.5-3mm。微孔管阵列的各微孔管相互独立并通过管壁相互连接，彼此互为支持，起到加强筋的作用，可以显著提高平板热管4的结构强度，提高平板热管4的可靠性。平板热管4的微热管阵列43中的各微热管内还可以设置有起强化传热作用的若干微翅片或者微槽，如图4c所示的另一种平板热管4的A-A剖视图，各微热管内设置起强化传热作用的若干微翅片9，充分利用了热管高效换热的特性，设置微翅片能够进一步增强微热管内液体工质的换热能力，并且微翅片9与孔内壁之间具有毛细力，微翅片9与微翅片9之间如果距离合适也会产生毛细力，毛细力的形成促进了工质的流动，也有助于增强传热能力。

本发明的热管式平板太阳能集热器的工作原理是：在太阳能平板集热与热传输段，其中的吸热段吸收太阳辐射，即太阳能热透过钢化玻璃1被与高效吸热涂层3有机结合的平板热管4的蒸发段41大量吸收(或者说是被紧密贴合有或溅射有或涂有高效吸热涂层3的平板热管4的蒸发段41大量吸收)，平板热管的蒸发段41间接吸收太阳能辐射热量后，其蒸发段41的液体工质迅速吸热蒸发，高温蒸汽通过各微热管阵列的热管效应通过各微热管管路进入放热段，进行冷凝放热，也就是说，在平板热管4的另一端，即在位于风道6的平板热管4冷凝段42冷却凝结放热，平板热管4的微热管阵列中的工质不断的蒸发、冷凝相变，将热传到散热段(即平板热管的冷凝段42)，在空气通风换热段，由冷凝段42通过各铝制的散热翅片5与风道6内空气换热，风机7使得空气热沿一定风向从风道6流出，在与风道6中的空气进行热交换后冷凝为液态流回吸热段，以此往复循环就可以将吸收到的太阳能辐射不断地传递给风道6内的空气，以获取具有一定温度的热空气，该集热器可以大幅提高太阳能的吸收效率并提高热量的传递效率，从而达到高效利用太阳能资源，用于室内采暖或作物干燥等。铝制的散热翅片5增大了换热表面积，增强了与空气的换热，进一步提高换热效率。

本发明还涉及一种太阳能空气集热的采暖方法，该采暖方法采用了本发明上述的热管式平板太阳能空气集热器，具体是将如图1所示的热管式平板太阳能空气集热器设置于室外，并将风道6的出风口连通室内，在太阳能平板集热与热传输段，太阳能热透过钢化玻璃1被涂有(或溅射有或紧密贴合有)高效吸热涂层3的平板热管4的蒸发段41吸收后，在平板热管4的微热管阵列43内形成热管效应，加热微热管阵列中的液体工质如制冷剂，使得制冷剂在蒸发段吸热蒸发，将热传递到冷凝段，由空气通风换热段的平板热管4的冷凝段42与风道6内空气进行强制对流换热，将热量释放从而加热空气，同时制冷剂冷凝，制冷剂在微热管内进行不断的相变循环将太阳能辐射得热高效连续地传递给空气。风机7作为动力驱动，通过风机7给风道6以及散热翅片5送风，驱动散热翅片5尽快将太阳能热量通过风道6散发至室内，达到采暖的效果。

将所述热管式平板太阳能空气集热器沿一定倾角设置在屋顶上，优选沿当地纬度方向加减10度之间设置，此时太阳光能够近乎直射照射钢化玻璃1及涂有高效吸热涂层3的平板热管的蒸发段41的吸热面，太阳光透过钢化玻璃1直射入涂有高效吸热涂层3的平板热管4，平板热管4的吸热也达到最佳状态，平板热管的蒸发段41的吸热面吸收太阳能热量后，热量进入到平板热管的蒸发段41的液体工质中，蒸发段41中的液体工质吸热后蒸发气化，自然流动至上端的冷凝段42，平板热管的冷凝段42和散热翅片5位于风道6内，该冷凝段42经散热翅片5与风道的空气换热，太阳能热量能够通过风道6被风机7吹入室内，达到采暖的效果。同时冷凝段42液化，平板热管4中的液体工质也能够依靠重力以及自身毛细力作用从冷凝段42流回蒸发段41，自动完成回路循环，促进了液体工质的流动，也有助于增强传热能力，进一步提高室内采暖的效率。本发明的采暖方法在安装热管式平板太阳能空气集热器时可以通过角钢支架和支座等部件来支撑平板热管和风道等部件。

本发明的太阳能空气集热的采暖方法为一种新型高效低成本的全干式太阳能采暖方法，该方法安全可靠，成本低廉，节约能源，适合工厂、校舍、农村住房等冬季采暖。特别针对的是农村偏远地区、岗亭值班、别墅等场所采暖条件有限，没办法实现集中供热，而单台的太阳能集热器比较适合不成体系的建筑，如果在偏远的地方或岗亭等地以传统方式供热，热水管网系统设计比较复杂，并且不便于管理，投资太大，而在太阳资源能够保证的地区如西北地区，若能实现有效的利用太阳能，即可解决这些地区的采暖问题，又能节约资源。

应当指出，以上所述具体实施方式可以使本领域的技术人员更全面地理解本发明创造，但不以任何方式限制本发明创造。因此，尽管本说明书参照附图和实施例对本发明创造已进行了详细的说明，但是，本领域技术人员应当理解，仍然可以对本发明创造进行修改或者等同替换，总之，一切不脱离本发明创造的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明创造专利的保护范围当中。

Claims (10)

1.一种热管式平板太阳能空气集热器，其特征在于，包括太阳能平板集热与热传输段、空气通风换热段，所述太阳能平板集热与热传输段包括钢化玻璃、高效吸热涂层、保温隔热空气层及平板热管的蒸发段，所述平板热管为由金属材料经焊接或挤压或冲压成型的具有两个及以上并排排列的微热管阵列的平板结构，所述高效吸热涂层的背面与平板热管的蒸发段的正面有机结合，所述钢化玻璃覆盖在与高效吸热涂层有机结合的平板热管的蒸发段的正面，所述保温隔热空气层为高效吸热涂层与钢化玻璃之间留有的四周封闭的起保温隔热的空气且高效吸热涂层的正面与钢化玻璃内表面距离为20mm～50mm；所述空气通风换热段包括风道、风机和平板热管的冷凝段，所述平板热管的冷凝段设置在与太阳能集热与热传输段完全隔离的风道内，所述风机设置在风道的一侧。

2.根据权利要求1所述的热管式平板太阳能空气集热器，其特征在于，所述平板热管的冷凝段外部设置有若干金属制的散热翅片，所述散热翅片均设置在风道内且各散热翅片的设置方向与风道平行。

3.根据权利要求1或2所述的热管式平板太阳能空气集热器，其特征在于，所述平板热管的微热管阵列中的各微热管等效直径为1mm～5mm。

4.根据权利要求3所述的热管式平板太阳能空气集热器，其特征在于，所述平板热管的微热管阵列中的各微热管内设置有起强化传热作用的若干微翅片或者微槽。

5.根据权利要求1或2所述的热管式平板太阳能空气集热器，其特征在于，所述高效吸热涂层的正面与钢化玻璃内表面距离为35mm。

6.根据权利要求1或2所述的热管式平板太阳能空气集热器，其特征在于，所述风道的外表面包覆有保温材料。

7.根据权利要求1或2所述的热管式平板太阳能空气集热器，其特征在于，所述平板热管的蒸发段的背面包覆有保温材料。

8.一种太阳能空气集热的采暖方法，其特征在于，采用权利要求1至7之一所述的热管式平板太阳能空气集热器，将所述热管式平板太阳能空气集热器设置于室外，并将风道的出风口连通室内，在太阳能平板集热与热传输段太阳能热透过钢化玻璃被与高效吸热涂层有机结合的平板热管的蒸发段吸收后，在平板热管的微热管阵列内形成热管效应，由空气通风换热段的平板热管的冷凝段与风道内空气换热，最终放热到室内。

9.根据权利要求8所述的采暖方法，其特征在于，将所述热管式平板太阳能空气集热器沿一定倾角设置在屋顶上。

10.根据权利要求9所述的采暖方法，其特征在于，将热管式平板太阳能空气集热器的倾角设置在当地纬度加减10度之间。