CN107044736B - 一种相变蓄热抗冻型太阳能集热器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种相变蓄热抗冻型太阳能集热器，包括外壳(1)、板芯流道管(2)、保温层(3)、PCM相变蓄热板阵列(4)、相变板阵列框架(5)、吸热板(6)和透明盖板(7)，所述PCM相变蓄热板阵列(4)嵌入相变板阵列框架内并固定成一块整板，位于保温层(3)和吸热板(6)之间，并使用导热胶与板芯流道管(2)粘接，所述吸热板(6)与板芯流道管(2)焊接实现导热传热。本发明装置安全可靠，易于制造加工；使用多块的PCM相变蓄热板拼接成阵列放入太阳能集热器，相变材料的体积变化小，使得相变板不容易发生泄漏；且相变材料的相变温度高、能够有效起到抗冻保护的作用，可在寒冷地区推广使用。

Description

一种相变蓄热抗冻型太阳能集热器

技术领域

本发明涉及太阳能热水器技术领域，尤其涉及一种相变蓄热抗冻型太阳能集热器。

背景技术

太阳能热水器可以利用太阳光将光能转化为水的热能，为生产和生活提供热水。太阳能热水器清洁安全，加工制造成本低廉，便于与建筑一体化结合，目前已被广泛使用。然而对于在寒冷地区使用的太阳能热水器尤其是平板集热器，冬季一天运行过后，到了夜晚往往会出现冻结现象，对集热器造成严重破坏。关于太阳能集热器的防冻问题，目前较常用的措施包括防冻液二次循环、夜间防冻排空和夜间再循环加热等，相关研究和专利较多。但大部分研究和专利都限制于使用较为复杂的辅助保障系统实现抗冻，针对如何提高集热器自身的抗冻能力的研究较少。相关的专利有：发明专利：“防冻平板太阳能集热器”(专利申请号为201210090849.3)、发明专利：“抗冻太阳能平板集热器及其设计方法”(专利申请号为201410496263.6)。第二种专利于与发明比较接近，这项专利也是在吸热板和保温层之间加装相变蓄热材料并使相变材料与蓄热板紧密结合，利用潜热释放达到抗冻效果。然而从集热器抗冻的具体实现方式上来看，此专利存在以下几点缺陷：1，相变板是一块整板同时内部含有挡板，使得相变板加工制造困难，而且相变材料在发生相变使通常伴随比体积的变化，使用整板加挡板容易使相变材料发生泄漏；2，未对相变材料的类型予以确定，由于工程上使用的大部分相变蓄热材料都带有较严重的过冷现象，而且防冻的相变板的相变温度仅仅只能略高于水的冰点，使得相变材料有可能在集热器已经出现冻结后才释放潜热，无法起到抗冻保护作用；3，相变蓄热材料与吸热板紧密结合而没有采取增加导热的措施，使得相变材料释放潜热时与吸热板温差可能较大，增大集热器发生冻结的风险。

发明内容

本发明的目的在于克服上述技术缺陷，提供一种相变蓄热抗冻型太阳能集热器。所述集热器能够有效克服现有的相变材料在相变过程中体积变化大、相变温度低、相变蓄热材料与吸热板之间无导热措施的技术缺陷，从而使得本发明的集热器安全可靠，易于制造加工，具有非常好的抗冻性能，可广泛用于寒冷地区。

为了达到上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种相变蓄热抗冻型太阳能集热器，包括外壳、板芯流道管、保温层、吸热板和透明盖板，所述保温层装设在外壳的腔体内，其特征在于：还包括PCM相变蓄热板阵列和相变板阵列框架，所述PCM相变蓄热板阵列嵌入所述相变板阵列框架内并固定成一块整板，位于保温层和吸热板之间，并使用导热胶与板芯流道管粘接，所述吸热板与板芯流道管焊接实现导热传热，所述透明盖板装设在外壳开口处并将板芯流道管、保温层、PCM相变蓄热板阵列、相变板阵列框架、吸热板封闭在外壳的腔体内。

作为本发明改进的技术方案，所述PCM相变蓄热板阵列由多块独立封装的PCM相变蓄热板构成。

作为本发明改进的技术方案，所述PCM相变蓄热板采用铝盒结构封装相变蓄热复合材料制成，铝盒为长方体箱体结构，铝盒壁厚为0.3～1mm，所述相变蓄热复合材料的相变温度为20℃～30℃。

作为本发明改进的技术方案，所述相变蓄热复合材料主要由纳米二维材料2～5％wt、纳米银0.5～1.5％wt、纳米羟基铁氧体0.1～1％wt、表面活性剂0～1％wt、硅烷偶联剂0～1％wt、无机盐1～4％wt、瓜尔胶2～3.5％wt、聚乙烯醇6～15％wt、水余量构成。

进一步地，所述相变蓄热复合材料主要由纳米二维材料3.2～4.2％wt、纳米银0.6～1％wt、纳米羟基铁氧体0.3～0.8％wt、表面活性剂0～0.6％wt、硅烷偶联剂0.2～0.8％wt、无机盐2～3.5％wt、瓜尔胶2.5～3％wt、聚乙烯醇8～12％wt、水余量构成。

优选地，所述相变蓄热复合材料主要由纳米二维材料3.8％wt、纳米银0.8％wt、纳米羟基铁氧体0.5％wt、表面活性剂0.2％wt、硅烷偶联剂0.5％wt、无机盐2.8％wt、瓜尔胶2.8％wt、聚乙烯醇10％wt、水余量构成。

作为本发明进一步改进的技术方案，所述纳米二维材料包括厚度为1～10nm的硫化钼二维材料、硒化钨二维材料、黑磷二维材料、硒化铋二维材料中的至少一种。

作为本发明进一步改进的技术方案，所述纳米银的粒径为2～20nm，所述纳米羟基铁氧体的粒径为2～20nm。

作为本发明进一步改进的技术方案，所述表面活性剂包括乙烯基双硬脂酰胺、油酸酰、硬脂酸单甘油酯、三硬脂酸甘油酯、苯甲酸钠、水杨酸、水杨酸钠、对氨基苯甲酸、乌拉坦、尿素、酰胺、乙酰胺中的至少一种，所述硅烷偶联剂包括乙烯基三乙氧基硅烷、甲基三甲氧基硅烷、四乙氧基硅烷、乙烯基三甲氧基硅烷、甲基乙烯基二甲氧基硅烷中的至少一种，所述无机盐包括氯化钾、氯化钠、氯化镁、硫酸钾、硫酸钠、硝酸钾、硝酸钠中的至少一种。

作为本发明进一步改进的技术方案，所述相变材料相变过程中的体积变化为1～3％，其处于高于相变温度点的环境下呈糊状，其在低于相变温度点的环境下呈凝胶状。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1、本发明使用相变蓄热材料和集热器组成一个整体，使得太阳能集热器拥有较高的耐低温性能，且质量较轻便于搬运。

2、本发明使用多块PCM相变蓄热板拼接成阵列放入太阳能集热器，相变材料的体积变化小，使得相变板不容易发生泄漏，整个结构易于加工，拥有更高的安全性和可靠性。

3、本发明的PCM相变蓄热板中封装的相变材料，其在高于相变温度点的环境下呈糊状，其在低于相变温度点的环境下呈凝胶状，相变体积小，相变温度高，不会出现过冷现象，有效起到抗冻保护作用。

附图说明

图1是本发明提供的相变蓄热抗冻型太阳能集热器的分解图。

图2是本发明提供的相变蓄热抗冻型太阳能集热器的俯视图。

图3是图2中沿A-A线的剖面图。

图4是图2中沿B-B线的剖面图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明的实施方法，使本发明的技术方案有点更清楚，下面结合具体实施方法和附图，对本发明的技术方案进行清楚完整的描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所或得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的相变蓄热抗冻型太阳能集热器包括外壳1、板芯流道管2、保温层3、PCM相变蓄热板阵列4相变板阵列框架5、吸热板6和透明盖板7，如图1所示。外壳1优选设置为矩形箱体结构。其中，保温层3可以设置为由聚氨酯、玻璃棉或者酚醛树脂制成的保温层，该保温层也可以由其他保温材料制成。如图1、图3和图4所示，PCM相变蓄热板阵列4位于保温层3和板芯流道管2之间，并嵌入相变板阵列框架5内。该框架由金属制作而成可以焊接或者铆接在外壳1上。组成相变蓄热板阵列的每块PCM相变蓄热板独立封装，这样使得相变板不容易发生泄漏，整个结构易于加工，拥有更高的安全性和可靠性。使用导热胶将PCM相变蓄热板阵列4和板芯流道管2粘接，增强流道和蓄热板之间的传热。板芯流道管2布置在PCM相变蓄热板阵列4和吸热板6之间，板芯流道管2可以由铜、铝或者不锈钢等材料制成。其中板芯流道管2可以设置为排列管，蛇形管或者盘管等形式，只要板芯流道管2能够与吸热板6相配合，充分吸收吸热板6传递的热量即可。吸热板6与板芯流道管2焊接，吸热板6优选设置为带有选择性涂层的吸热板，如磁控溅射蓝膜吸热板、黑铬吸热板、阳极氧化吸热板、有机吸热涂层吸热板。

现有的相变蓄热材料主要包括无机相变材料和有机相变材料。单一无机相变材料腐蚀性高，单一有机相变材料导热率低。现有的无机相变材料或有机相变材料通常为液态，封装在本发明的PCM相变蓄热板的铝盒内容易发生泄露，且有机相变材料的相变温度仅略高于水的冰点，故有可能使相变材料在集热器已出现冻结后才释放潜热，无法起到抗冻保护作用。近年来，复合相变储热材料应运而生，它既能有效克服单一的无机物或有机物相变储热材料存在的缺点，又可以改善相变材料的应用效果以及拓展其应用范围。为了满足本装置防漏和高相变温度的要求，本发明对相变材料的配方进行了研制，具体配方如下：所述相变蓄热复合材料主要由纳米二维材料2～5％wt、纳米银0.5～1.5％wt、纳米羟基铁氧体0.1～1％wt、表面活性剂0～1％wt、硅烷偶联剂0～1％wt、无机盐1～4％wt、瓜尔胶2～3.5％wt、聚乙烯醇6～15％wt、水余量构成。其制备方法为，1)将纳米二维材料、纳米银、纳米羟基铁氧体、表面活性剂、硅烷偶联剂、聚乙烯醇共混均匀；2)将瓜尔胶分散到水中，加热至50～60℃，使瓜尔胶融涨，形成透明胶体液一；3)然后将无机盐加入步骤2)中的透明胶体液中，搅拌溶解，得到胶体液二；4)将步骤1)的共混物加入步骤3)制得的胶体液二中，搅拌均匀，得到糊状材料；5)将步骤4)制得的糊状材料装入铝盒中，冷却至5～20℃，得到凝胶状相变蓄热材料；6)将步骤5)得到的凝胶状相变蓄热材料加热至大于30℃时，所述相变蓄热材料由凝胶状转变为糊状；7)再次冷却，可再次得到凝胶状的相变蓄热材料。

相变蓄热复合材料一的配方如下：

相变蓄热复合材料一的相变温度为20℃，相变过程中的体积变化为1.9％。

相变蓄热复合材料二的配方如下：

相变蓄热复合材料二的相变温度为23℃，相变过程中的体积变化为1.4％。

相变蓄热复合材料三的配方如下：

相变蓄热复合材料三的相变温度为27℃，相变过程中的体积变化为1％。

相变蓄热复合材料四的配方如下：

相变蓄热复合材料四的相变温度为27℃，相变过程中的体积变化为2.2％。

相变蓄热复合材料五的配方如下：

相变蓄热复合材料五的相变温度为30℃，相变过程中的体积变化为3％。

相变蓄热复合材料六的配方如下：

相变蓄热复合材料六的相变温度为25℃，相变过程中的体积变化为1.3％。

相变蓄热复合材料七的配方如下：

相变蓄热复合材料七的相变温度为25℃，相变过程中的体积变化为1.7％。

相变蓄热复合材料八的配方如下：

相变蓄热复合材料八的相变温度为21℃，相变过程中的体积变化为1.9％。

相变蓄热复合材料九的配方如下：

相变蓄热复合材料九的相变温度为27℃，相变过程中的体积变化为1.1％。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所做的改变、修饰、替换、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种相变蓄热抗冻型太阳能集热器，包括外壳（1）、板芯流道管（2）、保温层（3）、吸热板（6）和透明盖板（7），所述保温层装（3）设在外壳（1）的腔体内，其特征在于：还包括PCM相变蓄热板阵列（4）和相变板阵列框架（5），所述PCM相变蓄热板阵列（4）嵌入所述相变板阵列框架（5 ）内并固定成一块整板，位于保温层（3）和吸热板（6）之间，并使用导热胶与板芯流道管（2）粘接，所述吸热板（6）与板芯流道管（2）焊接实现导热传热，所述透明盖板（7）装设在外壳（1）开口处并将板芯流道管（2）、保温层（3）、PCM相变蓄热板阵列（4）、相变板阵列框架（5）、吸热板（6）封闭在外壳（1）的腔体内；所述PCM相变蓄热板阵列（4）由多块独立封装的PCM相变蓄热板构；所述PCM相变蓄热板采用铝盒结构封装相变蓄热复合材料制成，铝盒为长方体箱体结构，铝盒壁厚为0.3～1mm，所述相变蓄热复合材料的相变温度为20℃～30℃；所述相变蓄热复合材料主要由纳米二维材料2～5 %wt、纳米银0.5～1.5 %wt、纳米羟基铁氧体0.1～1 %wt、表面活性剂0～1 %wt、硅烷偶联剂0～1 %wt、无机盐1～4 %wt、瓜尔胶2～3.5 %wt、聚乙烯醇6～15 %wt、水余量构成。

2.根据权利要求1所述的相变蓄热抗冻型太阳能集热器，其特征在于：所述相变蓄热复合材料主要由纳米二维材料3.2～4.2 %wt、纳米银0.6～1 %wt、纳米羟基铁氧体0.3～0.8%wt、表面活性剂0～0.6 %wt、硅烷偶联剂0.2～0.8 %wt、无机盐2～3.5 %wt、瓜尔胶2.5～3%wt、聚乙烯醇8～12 %wt、水余量构成。

3. 根据权利要求2所述的相变蓄热抗冻型太阳能集热器，其特征在于：所述相变蓄热复合材料主要由纳米二维材料3.8 %wt、纳米银0.8 %wt、纳米羟基铁氧体0.5 %wt、表面活性剂0.2 %wt、硅烷偶联剂0.5 %wt、无机盐2.8 %wt、瓜尔胶2.8 %wt、聚乙烯醇10 %wt、水余量构成。

4.根据权利要求1所述的相变蓄热抗冻型太阳能集热器，其特征在于：所述纳米二维材料包括厚度为1～10nm的硫化钼二维材料、硒化钨二维材料、黑磷二维材料、硒化铋二维材料中的至少一种。

5.根据权利要求1所述的相变蓄热抗冻型太阳能集热器，其特征在于：所述纳米银的粒径为2～20nm，所述纳米羟基铁氧体的粒径为2～20nm。

6.根据权利要求1所述的相变蓄热抗冻型太阳能集热器，其特征在于：所述表面活性剂包括乙烯基双硬脂酰胺、油酸酰、硬脂酸单甘油酯、三硬脂酸甘油酯、苯甲酸钠、水杨酸、水杨酸钠、对氨基苯甲酸、乌拉坦、尿素、酰胺、乙酰胺中的至少一种，所述硅烷偶联剂包括乙烯基三乙氧基硅烷、甲基三甲氧基硅烷、四乙氧基硅烷、乙烯基三甲氧基硅烷、甲基乙烯基二甲氧基硅烷中的至少一种，所述无机盐包括氯化钾、氯化钠、氯化镁、硫酸钾、硫酸钠、硝酸钾、硝酸钠中的至少一种。

7.根据权利要求1所述的相变蓄热抗冻型太阳能集热器，其特征在于：所述相变材料相变过程中的体积变化为1～3%，其处于高于相变温度点的环境下呈糊状，其在低于相变温度点的环境下呈凝胶状。

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