CN107131660A - 基于菲涅尔透镜集热的太阳能环路热管热泵复合系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于菲涅尔透镜集热的太阳能环路热管热泵复合系统，包括热泵系统、菲涅尔透镜、气线管路、液线管路和用于控制热泵系统的开关阀；热泵系统包括压缩机、冷凝器、节流阀和蒸发器；菲涅尔透镜为蒸发器提供聚焦热量；气线管路连接蒸发器的气体出口和冷凝器的气体入口，液线管路连接冷凝器的液体出口和蒸发器的液体入口；蒸发器、冷凝器、气线管路和液线管路构成环路热管系统。在太阳辐照充足、温度达到工质的相变温度时，环路热管系统工作；在太阳辐照不足时，打开控制热泵系统的开关阀，使热泵系统工作，从而保证热能的稳定供应；因此可以最大限度地利用太阳能，提高集热效率，且可以减少单独运行热泵模式损耗的电能。
Description
技术领域
本发明涉及太阳能集热系统技术领域，更具体地说，涉及一种基于菲涅尔透镜集热的太阳能环路热管热泵复合系统。
背景技术
在干燥室、热水器、除湿器及各类供暖、采暖装置中，太阳能集热系统得到广泛应用。
在现有的太阳能集热系统中，太阳能热泵技术是将太阳能平板集热器作为热泵循环的蒸发器，能够提高蒸发温度；热泵系统相对于单纯的太阳能集热来说，对太阳能辐照强度及环境温度的要求不高，因此可以保证对热能的稳定供给，但单独的热泵模式集热效率过低，且耗电量过大。
而环路热管主要靠工作液体的汽、液相变传热，能够在温度达到一定值后自行启动，将系统温度控制在一定范围内，热阻很小，是一种良好的传热元件，可降低能源消耗，但对太阳辐照强度及环境温度的要求较高，在太阳辐照不足时不能满足热能的供应。
综上所述，如何提供一种保证热能稳定供应的同时集热效率高的太阳能集热系统，是目前本领域技术人员亟待解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种基于菲涅尔透镜集热的太阳能环路热管热泵复合系统，该系统可以最大限度地利用太阳能，提高集热效率，且在保证热能的稳定供应的同时，可减少单独热泵模式损耗的电能。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种基于菲涅尔透镜集热的太阳能环路热管热泵复合系统，包括：
利用压缩机和节流阀驱动工质流动的热泵系统，所述热泵系统包括依次首尾连接的所述压缩机、冷凝器、所述节流阀和蒸发器；
为所述蒸发器提供聚焦热量的菲涅尔透镜；
连接所述蒸发器的气体出口和所述冷凝器的气体入口的气线管路，以及连接所述冷凝器的液体出口和所述蒸发器的液体入口的液线管路；所述蒸发器、所述冷凝器、所述气线管路和所述液线管路构成环路热管系统；
所述热泵系统具有用于控制所述热泵系统的开关阀。
优选地，所述菲涅尔透镜的棱形槽的个数为每毫米2-8个。
优选地，所述菲涅尔透镜为精密型菲涅尔透镜，所述精密型菲涅尔透镜的棱形槽个数为每毫米15-22个。
优选地，所述蒸发器内设置有毛细芯，所述毛细芯用于使液态工质在所述毛细芯的毛细抽吸力的作用下进入所述毛细芯。
优选地，所述毛细芯的孔隙率为45％-80％。
优选地，所述环路热管系统和所述热泵系统的所述工质均为自湿润流体。
优选地，所述自湿润流体为庚醇溶液。
优选地，在所述毛细芯和所述蒸发器贴近热源的管壁之间设有至少一个用于疏导蒸汽的蒸汽槽道。
优选地，所述蒸发器包括用于储存冷凝回流的液态所述工质的储液室。
优选地，所述蒸发器的倾斜角度为30°-50°，以满足冷凝液回流。
本发明提供的基于菲涅尔透镜集热的太阳能环路热管热泵复合系统，包括利用压缩机和节流阀驱动工质流动的热泵系统、聚焦太阳能热量的菲涅尔透镜、气线管路、液线管路和用于控制热泵系统的开关阀；热泵系统包括依次首尾连接的压缩机、冷凝器、节流阀和蒸发器；菲涅尔透镜聚焦太阳能热量为蒸发器提供工作热源；气线管路连接蒸发器的气体出口和冷凝器的气体入口，液线管路连接冷凝器的液体出口和蒸发器的液体入口；蒸发器、冷凝器、气线管路和液线管路构成环路热管系统。
该复合系统采用这样的结构，可以根据气候条件的不同，对系统运行模式进行合理地切换，在太阳辐照充足、温度达到工质的相变温度时，环路热管系统模式运行工作，为用户提供热能；在太阳辐照不足、温度未达到工质的相变温度时，环路热管系统不启动，这时可以打开控制热泵系统的开关阀，使热泵系统模式运行工作，从而保证热能的稳定供应；这样可以最大限度地利用太阳能，提高集热效率，且可以减少单独运行热泵模式损耗的电能；另外，该系统利用菲涅尔透镜将太阳能的热量进行聚焦，为蒸发器提供其工作所需的热源，这进一步提高了集热效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明所提供的基于菲涅尔透镜集热的太阳能环路热管热泵复合系统具体实施例的结构示意图；
图2为本发明所提供的基于菲涅尔透镜集热的太阳能环路热管热泵复合系统具体实施例中环路热管系统的结构示意图；
图3为本发明所提供的基于菲涅尔透镜集热的太阳能环路热管热泵复合系统具体实施例中蒸发器的结构示意图；
图4为本发明所提供的基于菲涅尔透镜集热的太阳能环路热管热泵复合系统具体实施例中热泵系统的结构示意图。
图1-4中：
11为菲涅尔透镜、12为蒸发器、13为开关阀、14为压缩机、15为气线管路、16为冷凝器、17为节流阀、18为液线管路、121为毛细芯、122为储液室、123为蒸汽槽道。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的核心是提供一种基于菲涅尔透镜集热的太阳能环路热管热泵复合系统，该系统可以最大限度地利用太阳能，提高集热效率，且在保证热能的稳定供应的同时，可减少单独热泵模式损耗的电能。
请参考图1-图4，图1为本发明所提供的基于菲涅尔透镜集热的太阳能环路热管热泵复合系统具体实施例的结构示意图；图2为本发明所提供的基于菲涅尔透镜集热的太阳能环路热管热泵复合系统具体实施例中环路热管系统的结构示意图；图3为本发明所提供的基于菲涅尔透镜集热的太阳能环路热管热泵复合系统具体实施例中蒸发器的结构示意图；图4为本发明所提供的基于菲涅尔透镜集热的太阳能环路热管热泵复合系统具体实施例中热泵系统的结构示意图。
本发明提供的基于菲涅尔透镜集热的太阳能环路热管热泵复合系统，包括利用压缩机14和节流阀17驱动工质流动的热泵系统、聚焦太阳能热量的菲涅尔透镜11、气线管路15、液线管路18和用于控制热泵系统的开关阀13；热泵系统包括依次首尾连接的压缩机14、冷凝器16、节流阀17和蒸发器12；菲涅尔透镜11聚焦太阳能热量为蒸发器12提供工作热源；气线管路15连接蒸发器12的气体出口和冷凝器16的气体入口，液线管路18连接冷凝器16的液体出口和蒸发器12的液体入口；蒸发器12、冷凝器16、气线管路15和液线管路18构成环路热管系统。
需要说明的是，菲涅尔透镜11可以将太阳能辐射光线的热量聚焦，从而提高集热效率。菲涅尔透镜11通常为由聚烯烃材料注压而成的薄片，也可以采用一种透明塑料(PMMA)加工而成，具体可以根据用户的实际情况来选择，这里不做限定。
热泵系统将蒸发器12作为蒸发端，将冷凝水箱作为热泵系统的冷凝器16，蒸发器12和冷凝器16之间设置有压缩机14和节流阀17，压缩机14、冷凝器16、节流阀17和蒸发器12依次首尾连接构成热泵系统。蒸发器12利用菲涅尔透镜11聚焦的太阳能热量作为工作热源以蒸发传热工质，工质蒸汽经压缩机14压缩后温度和压力上升，高温高压蒸汽通过冷凝器16冷凝成液体时，释放出热量为用户提供热能，冷凝后的液态工质再经节流阀17回流到蒸发器12，实现工质的循环流动和传热。
在蒸发器12的气体出口和冷凝器16的气体入口连接有气线管路15，气线管路15用于流通蒸发器12内蒸发的工质蒸汽；在冷凝器16的液体出口和蒸发器12的液体入口连接有液线管路18，液线管路18用于流通液态工质；从而蒸发器12、冷凝器16、气线管路15和液线管路18构成环路热管系统。
环路热管系统将蒸发器12作为环路热管系统的蒸发端，将冷凝水箱作为环路热管系统的冷凝器16，蒸发器12和冷凝器16通过气线管路15和液线管路18连接成回路。蒸发器12利用菲涅尔透镜11聚焦的太阳能热量作为工作热源加热工质，工质的温度达到其相变温度时，工质在蒸发器12内蒸发为工质蒸汽，在蒸发器12内蒸发的工质蒸汽通过气线管路15进入冷凝器16后冷凝成液态工质，液态工质进入液线管路18回流到蒸发器12，伴随着工质的传输进行热量传递，因此环路热管系统利用工质相变气压差来实现工质的流动与传热。
开关阀13用于控制热泵系统，在太阳辐照不足时，温度达不到工质的相变温度，因此环路热管系统不能启动，这时可以打开控制热泵系统的开关阀13，以使热泵系统运行工作，为用户提供热源。
综上，本发明提供的基于菲涅尔透镜集热的太阳能环路热管热泵复合系统，可以根据气候条件的不同，对系统运行模式进行合理地切换，在太阳辐照充足、温度达到工质的相变温度时，环路热管系统模式运行工作，为用户提供热能；在太阳辐照不足的阴雨天或夜晚，温度未达到工质的相变温度时，环路热管系统不能启动，此时打开控制热泵系统的开关阀13，使热泵系统模式运行工作，从而保证热能的稳定供应；这样可以最大限度地利用太阳能，提高集热效率，且可以减少单独运行热泵模式损耗的电能；另外，该系统利用菲涅尔透镜11将太阳能的热量进行聚焦，为蒸发器12提供其工作所需的热源，这进一步提高了集热效率。
为了进一步地提高集热效率，在一个具体实施例中，对菲涅尔透镜11的棱形槽进行处理，使其个数为每毫米2-8个，即菲涅尔透镜11上每1毫米的宽度上，菲涅尔透镜11的棱形槽的个数为2-8个，这样可以提高集热效率。
在另一个具体实施例中，菲涅尔透镜11为精密型菲涅尔透镜，精密型菲涅尔透镜的棱形槽个数为每毫米15-22个，即精密型菲涅尔透镜上每1毫米的宽度上，棱形槽的个数为15-22个。
考虑到环路热管系统为自行启动系统，为了确保冷凝后的液态工质回流到蒸发器12的动力源，在一个具体实施例中，蒸发器12内设置有毛细芯121，毛细芯121用于使液态工质在毛细芯121的毛细抽吸力的作用下进入毛细芯121。采用这样的结构，可以利用毛细芯121内形成的毛细抽吸力来实现冷凝液态工质的回流。
具体地，毛细芯121可以为铜-镍混合芯，也可以为烧结多孔镍芯，只要能达到所需要的毛细抽吸力即可，毛细芯121的具体材质可以根据用户需求来确定。
为了确保毛细抽吸力，增强毛细芯121的毛细作用，在一个具体实施例中，毛细芯121的孔隙率为45％-80％，这增加了毛细抽吸力，有利于冷凝液态工质的回流，从而进一步地提高了集热效率。
考虑到工质的湿润特性和循环能力，在一个具体实施例中，环路热管系统和热泵系统的工质均为自湿润流体，自湿润流体的表面张力随温度的升高而递增，因此当液态工质润湿高温区域后，有利于液态工质借助逐渐增加的表面张力沿其毛细芯121进行渗透，从而液态工质自身产生与毛细抽吸力方向一致的推动力，增强工质的沸腾流动传热，进而能够有效地提高集热效率。
考虑到毛细抽吸力的影响，在一个具体实施例中，环路热管系统和热泵系统的自湿润流体工质为庚醇溶液。可选地，庚醇溶液的质量为系统结构总体积的20％-50％，这可以进一步地促进冷凝液态工质的回流，提高集热效率。
为了确保在蒸发器12内蒸发的蒸汽更加顺畅地流通，在一个具体实施例中，在毛细芯121和蒸发器12贴近热源的管壁之间设有至少一个用于疏导蒸汽的蒸汽槽道123。蒸汽槽道123用于疏导蒸汽，使其顺畅地流入气线管路15，从而更进一步地提高了集热效率。
需要说明的是，蒸汽槽道123可以为一个，也可以为多个，多个蒸汽槽道123可以等间隔的设置，具体根据蒸发器12和毛细芯121的尺寸确定，这里不做限制。
另外，在一个具体实施例中，环路热管系统还包括用于储存冷凝回流的液态工质的储液室122，以避免环路热管在功率变化时因回流的液态工质不足而烧干；另外，储液室122还可以控制环路热管系统的工作温度。
需要说明的是，环路热管系统的工作流程为：在蒸发器12内蒸发的蒸汽沿着蒸汽槽道123流入气线管路15，并通过气线管路15进入冷凝器16，在冷凝器16内冷凝成液态工质，液态工质通过液线管路18回流到储液室122，最后在毛细芯121的毛细抽吸力的作用下进入毛细芯121，液态工质受热变成蒸汽进入蒸汽槽道123，从而实现了单向循环。
考虑到冷凝液态工质回流角度的需求，在一个具体实施例中，蒸发器12的倾角为30°-50°，例如蒸发器12的倾角可以设置为40°，比当地纬度略高，从而满足冷凝液态工质回流角度的需求。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
以上对本发明所提供的基于菲涅尔透镜集热的太阳能环路热管热泵复合系统进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
Claims (10)
1.一种基于菲涅尔透镜集热的太阳能环路热管热泵复合系统，其特征在于，包括：
利用压缩机(14)和节流阀(17)驱动工质流动的热泵系统，所述热泵系统包括依次首尾连接的所述压缩机(14)、冷凝器(16)、所述节流阀(17)和蒸发器(12)；
为所述蒸发器(12)提供聚焦热量的菲涅尔透镜(11)；
连接所述蒸发器(12)的气体出口和所述冷凝器(16)的气体入口的气线管路(15)，以及连接所述冷凝器(16)的液体出口和所述蒸发器(12)的液体入口的液线管路(18)；所述蒸发器(12)、所述冷凝器(16)、所述气线管路(15)和所述液线管路(18)构成环路热管系统；
所述热泵系统具有用于控制所述热泵系统的开关阀(13)。
2.根据权利要求1所述的基于菲涅尔透镜集热的太阳能环路热管热泵复合系统，其特征在于，所述菲涅尔透镜(11)的棱形槽的个数为每毫米2-8个。
3.根据权利要求1所述的基于菲涅尔透镜集热的太阳能环路热管热泵复合系统，其特征在于，所述菲涅尔透镜(11)为精密型菲涅尔透镜，所述精密型菲涅尔透镜的棱形槽个数为每毫米15-22个。
4.根据权利要求1-3任一项所述的基于菲涅尔透镜集热的太阳能环路热管热泵复合系统，其特征在于，所述蒸发器(12)内设置有毛细芯(121)，所述毛细芯(121)用于使液态工质在所述毛细芯(121)的毛细抽吸力的作用下进入所述毛细芯(121)。
5.根据权利要求4所述的基于菲涅尔透镜集热的太阳能环路热管热泵复合系统，其特征在于，所述毛细芯(121)的孔隙率为45％-80％。
6.根据权利要求4所述的基于菲涅尔透镜集热的太阳能环路热管热泵复合系统，其特征在于，所述环路热管系统和所述热泵系统的所述工质均为自湿润流体。
7.根据权利要求6所述的基于菲涅尔透镜集热的太阳能环路热管热泵复合系统，其特征在于，所述自湿润流体为庚醇溶液。
8.根据权利要求4所述的基于菲涅尔透镜集热的太阳能环路热管热泵复合系统，其特征在于，在所述毛细芯(121)和所述蒸发器(12)贴近热源的管壁之间设有至少一个用于疏导蒸汽的蒸汽槽道(123)。
9.根据权利要求4所述的基于菲涅尔透镜集热的太阳能环路热管热泵复合系统，其特征在于，所述蒸发器(12)包括用于储存冷凝回流的液态所述工质的储液室(122)。
10.根据权利要求4所述的基于菲涅尔透镜集热的太阳能环路热管热泵复合系统，其特征在于，所述蒸发器(12)的倾斜角度为30°-50°，以满足冷凝液回流。
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