CN109186104A - 一种防冻防过热变倾角集热器 - Google Patents

Abstract

本发明给出了一种防冻防过热变倾角集热器，包括壳体组件、安装在壳体组件内的热水组件和遮光组件以及可调支撑足组件填充于壳体组件内的相变蓄热材料；壳体组件包括盖体和箱体，盖体和箱体铰接；热水组件包括安装在箱体内的真空加热管；遮光组件包括安装在箱体内的高反光薄膜，高反光薄膜可卷收或释放。本发明的防冻防过热变倾角集热器年热效率高、适用范围广，可以根据不同地区不同季节的太阳高度角进行调节，提升太阳辐射的接收效率；冬天时，真空加热管自身热水和相变蓄热材料可以保证保证真空加热管不被冻裂。夏天时，可以自动控制高反光薄膜的启闭防止集热器过热，保证集热器正常工作，高反光薄膜启闭消耗的电能均由光伏板与蓄电池提供。

Description

一种防冻防过热变倾角集热器

技术领域

本发明属于太阳能利用领域，涉及太阳能集热器，具体涉及一种防冻防过热变倾角集热器。

背景技术

能源问题逐渐成为制约国际社会经济发展的瓶颈，开发太阳能资源，寻求经济发展的新动力，减少化石燃料消耗，已经到了刻不容缓的地步。目前我国能源结构常规能源消耗量大，造成的污染严重，尤其是在建筑的设计使用过程中，建筑能耗总量约占我国能源消费总量中的1/3以上。在建筑设计运行过程中开发利用太阳能，可以调整建筑用能结构，实现清洁供热。针对建筑物中利用太阳能供热，目前有真空加热管集热器、平板集热器等类型可供使用，大幅度提高了太阳能在建筑中的主动利用率。

在太阳能集热器的使用过程中，低温环境下集热器中的存水会冻结，导致真空加热管胀裂破损，尤其是在我国北方及高寒地区。而在夏季，在某些高太阳辐射的地区，集热器内长期高温的情况会造成传热介质的气化损失、变质，太阳能集热器上非金属材料的老化和破坏，继而降低太阳能集热器的使用寿命等，对整个系统的运行造成不利的影响。因此研究分析太阳能集热器发生过热、冻害的原因与机理，开发耐高温、耐冻、易于安装的高效太阳能集热器，对于推动太阳能在全国范围内的高效使用具有重要的意义。

近年来我国太阳能集热器领域出现了很多防冻防过热的新技术，使过去存在冻裂及过热爆管现象的太阳能集热器变得更加耐冻和耐高温，同时也使得集热器的控制更加复杂。为了解决集热器的冻裂问题，入冬后即将集热器中的水排空，停止使用；也有向集热器供热的做法，让集热器温度不至于降到很低使得集热器冻裂；也可在集热器中添加其他辅助热源，在集热器温度低于某一个值时开始制热；还可以在集热器循环水中使用不冻结的传热介质，降低循环水的冰点温度。针对太阳能集热器的过热问题，最主要的是要减少太阳能集热器的得热量，可以在真空加热管达到一定温度时使用防过热罩，也有将太阳能反光板转动至向阳面遮阳的做法，还可以在真空加热管的表面涂抹一层特殊材料以减少太阳的辐射得热。这些解决方案都是从集热器外部来得以实现，并没有解决集热器本身所存在的问题，而且现有的太阳能防冻防过热技术几乎不能同时满足冬季防冻及夏季防过热的问题。

发明内容

针对现有技术中存在的不足，本发明的目的在于，提供一种防冻防过热变倾角集热器，以解决现有技术中的太阳能集热器适用温度变化范围过小的问题。

为了解决上述技术问题，本申请采用如下技术方案予以实现：

一种防冻防过热变倾角集热器，包括壳体组件和安装在壳体组件内的热水组件所述的壳体组件包括盖体和箱体，所述的盖体和箱体铰接，所述的热水组件包括安装在箱体内的真空加热管，还包括遮光组件、可调支撑足组件和填充于壳体组件内的相变蓄热材料；

所述的遮光组件包括安装在所述的箱体内的高反光薄膜，所述的高反光薄膜可卷收或释放；

所述的可调支撑足组件包括安装于地面的伸缩支撑足。

本发明还具有如下技术特征：

具体的，所述的盖体为具有封闭空气层的双层玻璃盖体，所述的盖体和箱体铰接于铰轴；

所述的箱体包括外层箱体和附于外层箱体内侧的聚苯乙烯挤塑板层。

具体的，所述的盖体与箱体接触的位置镶嵌有暖边和保温胶垫。

具体的，所述的热水组件还包括真空加热管头端安装的蓄水箱、真空加热管末端安装的泡沫嵌体、连通所述的蓄水箱的进出水管和温度传感器。

具体的，所述的遮光组件还包括安装在高反光薄膜一端的铅锤棒、安装在高反光薄膜另一端的反光膜卷轴和铅棒导轨，所述的反光膜卷轴通过齿轮啮合连接有牵引电机，所述的铅锤棒两端内嵌于铅棒导轨。

具体的，所述的箱体内还安装有太阳能光伏板和太阳能蓄电池，所述的太阳能光伏板通过导线连接牵引电机并且向牵引电机供电；

所述的太阳能光伏板通过导线连接太阳能蓄电池进行储能。

具体的，所述的可调支撑足组件还包括安装于箱体底部的伸缩杆固定翼、安装于所述的铰轴上的固定支撑足和连接所述的伸缩支撑足的横轴。

具体的，所述的相变蓄热材料封装容器选自不锈钢、聚乙烯、聚丙烯和玻璃中的一种。

具体的，所述的相变蓄热材料的厚度为10～50mm。

具体的，所述的防冻防过热变倾角集热器还包括单元连接管。

本发明与现有技术相比，有益的技术效果是：

(Ⅰ)本发明的防冻防过热变倾角集热器年热效率高、适用范围广，随着季节的变换，太阳高度角也随之发生变化，该集热器可以根据不同季节太阳高度角调整至相应的安装角度，从而提高集热器的集热效率。该集热器拥有10°～40°无级调节的优势，可以满足中国绝大部分地区，其适用范围广；

(Ⅱ)本发明的防冻防过热变倾角集热器对真空加热管起到保护作用，该集热器拥有外壳以及玻璃层，不仅不会影响投射到真空加热管上的太阳能辐射，而且还可以保护真空加热管不受异物跌落损坏。同时该集热器易于安装，使用方便，可以自动控制高反光薄膜的启闭；

(Ⅲ)本发明的防冻防过热变倾角集热器耐高温、耐冻集热器的外保温可以减小真空加热管对外界传递的热量，再加上真空加热管自身热水以及相变蓄热材料所蓄存的热量，可以保证真空加热管不被冻裂。而在炎热的夏天，可以自动控制高反光薄膜的启闭防止集热器过热，保证集热器正常工作；

(Ⅳ)本发明的防冻防过热变倾角集热器不消耗常规电力，在高反光薄膜落下及收起的过程中，电动机所消耗的电能均由光伏板与蓄电池提供，这就使得整个控制系统无需消耗常规电力，实现零能耗运行。

附图说明

图1为本发明的主视结构剖面示意图；

图2为图1的A-A面的剖面结构示意图；

图3为图1的B-B面的剖面结构示意图；

图4为本发明整体安装结构轴侧示意图；

图5为本发明单元安装示意图；

图6为图4或图5的左视剖面结构示意图；

图7为图6的打开状态的结构示意图；

图8为遮光组件牵引电机及反光膜卷轴结构示意图；

图中各个标号的含义为：1-壳体组件，2-热水组件，3-遮光组件，4-可调支撑足组件，5-相变蓄热材料，6-单元连接管，11-盖体，12-箱体，13-铰轴， 14-暖边，15-保温胶垫，21-真空加热管，22-蓄水箱，23-泡沫嵌体，24-进出水管，25-温度传感器，31-高反光薄膜，32-铅锤棒，33-反光膜卷轴，34-铅棒导轨，35-牵引电机，36-太阳能光伏板，37-太阳能蓄电池，41-伸缩支撑足， 42-固定支撑足，43-伸缩杆固定翼，44-横轴，121-外层箱体，122-聚苯乙烯挤塑板层。

以下结合实施例对本发明的具体内容作进一步详细解释说明。

具体实施方式

遵从上述技术方案，以下给出本发明的具体实施例，需要说明的是本发明并不局限于以下具体实施例，凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均落入本发明的保护范围。下面结合实施例对本发明做进一步详细说明。

实施例：

本实施例给出一种防冻防过热变倾角集热器，如图1至图8所示，包括壳体组件1和安装在壳体组件1内的热水组件2壳体组件1包括盖体11和箱体12，盖体11和箱体12铰接，热水组件2包括安装在箱体12内的真空加热管21，其特征在于，

还包括遮光组件3、可调支撑足组件4和填充于壳体组件1内的相变蓄热材料5；

遮光组件3包括安装在箱体12内的高反光薄膜31，高反光薄膜31可卷收或释放；

可调支撑足组件4包括安装于地面的伸缩支撑足41。

作为本实施例的防冻防过热变倾角集热器的一种具体方案，本实施例的盖体11为具有封闭空气层的双层玻璃盖体，盖体11和箱体12铰接于铰轴 13；箱体12包括外层箱体121和附于外层箱体121内侧的聚苯乙烯挤塑板层 122，外层箱体121和聚苯乙烯挤塑板层122之间安装有保温胶垫123。

作为本实施例的防冻防过热变倾角集热器的一种具体方案，本实施例的盖体11与箱体12接触的位置镶嵌有暖边14。

作为本实施例的防冻防过热变倾角集热器的一种具体方案，本实施例的热水组件2还包括真空加热管21头端安装的蓄水箱22、真空加热管末端安装的泡沫嵌体23、连通蓄水箱22的进出水管24和温度传感器25。

作为本实施例的防冻防过热变倾角集热器的一种具体方案，本实施例的遮光组件3还包括安装在高反光薄膜31一端的铅锤棒32、安装在高反光薄膜31另一端的反光膜卷轴33和铅棒导轨34，反光膜卷轴33通过齿轮啮合连接有牵引电机35，铅锤棒32两端内嵌于铅棒导轨34。

作为本实施例的防冻防过热变倾角集热器的一种具体方案，本实施例的箱体12内还安装有太阳能光伏板36和太阳能蓄电池37，太阳能光伏板36 通过导线连接牵引电机35并且向牵引电机35供电；

太阳能光伏板36通过导线连接太阳能蓄电池37进行储能。

作为本实施例的防冻防过热变倾角集热器的一种具体方案，本实施例的可调支撑足组件4还包括安装于铰轴13上的固定支撑足42、安装于箱体12 底部的伸缩杆固定翼43和连接伸缩支撑足41的横轴44。

作为本实施例的防冻防过热变倾角集热器的一种具体方案，本实施例的相变蓄热材料5封装容器选自不锈钢、聚乙烯、聚丙烯和玻璃中的一种。

作为本实施例的防冻防过热变倾角集热器的一种优选方案，本实施例的相变蓄热材料5的厚度为10～50mm。

作为本实施例的防冻防过热变倾角集热器的一种具体方案，本实施例的防冻防过热变倾角集热器还包括单元连接管6。

本发明的防冻防过热变倾角集热器可以通过单元连接管6进行单元组合使用，提升热效率和热水出水量。

本发明的防冻防过热变倾角集热器集热器外壳部分为带有保温材料层的结构，即箱体12。非玻璃部分外壳的箱体12传热系数为0.63W/(m²·K)，盖体11的中空玻璃部分的传热系数为1.62W/(m²·K)，其中暖边14的作用是为了防止热桥的产生。在白天太阳能集热阶段，当集热器内温度高于60℃左右时，相变蓄热材料5开始相变，通过相变时的汽化潜热来蓄积能量，此过程不影响集热器的集热效率；在低温条件下时，通过集热器的带有保温材料层的结构，即箱体12可以减小真空加热管21对外界传递的热量，同时利用真空加热管21自身热水以及相变蓄热材料5所蓄存的热量，保证真空加热管 21内的温度不至于降到很低，使得真空加热管21被冻裂。本发明的防冻防过热变倾角集热器使用CH₃COONa·3H₂O作为相变蓄热材料5，其工作时出现液相，需要合适的盛装容器，其中不锈钢、聚乙烯、聚丙烯和玻璃的耐蚀性最好，因此进一步优选聚乙烯来封装相变蓄热材料5。通过EnergyPlus模拟整个冬季的90天，结果发现箱体内12的最低温度要比室外最低温度高15℃左右，因此，在冬季室外最低温度低于-15℃的地方使用时，还是需要再添加一定量的防冻液。

在炎热夏天室外太阳辐射强，当真空加热管21内的温度达到90℃时，温度传感器25会反馈信息给牵引电机35，牵引电机35随即开启，通过传动轴的转动使得高反光薄膜31在铅锤棒32重力的牵引下逐渐放下，当铅锤棒 32到达最低端时，牵引电机35停止转动，从而减小真空加热管21所能得到的太阳辐射量，以保证真空加热管21管内的温度不再继续升高。为了降低真空加热管21里的温度，增大太阳能集热器的集热量，可以通过向集热器内输送冷水，将热水压出。当管内温度低于80℃时时，温度传感器25会再次向牵引电机35反馈，牵引电机35启动，高反光薄膜31收起，当铅锤棒32到达最顶端时，牵引电机35停止转动，集热器正常工作。在此过程中，牵引电机35所消耗的电能均由太阳能光伏板36或太阳能蓄电池37提供。

以下对本发明的防冻防过热变倾角集热器集热器中相变蓄热材料5的厚度做进一步的计算。

系统储存的热量包含以下3部分：(1)由T_i升温至T_m时所吸收的显热； (2)达到熔点发生相变时吸收的潜热；(3)熔化完成后由T_m升温至T_h时所吸收的显热。系统的总蓄热量可表示为：

Q_L＝mc_ps(T_m-T_i)+mL+mc_pl(T_h-T_m)

式中：Q_L——系统储存的能量，kJ；

L——相变潜热，kJ/kg；

c_pl——液体状态下的比热，kJ/(kg·K)；

c_ps——固体状态下的比热，kJ/(kg·K)；

T_i，T_m，T_h——相变蓄热材料初始温度，熔点温度、最终温度，℃；

m——相变蓄热材料的质量，kg。

而在实际的工程应用当中，不仅需要考虑蓄热量的大小，同时还需要关心所蓄能量的品质，因此还需要对整个相变系统进行分析。相变系统效率的表达式为：

式中S_te、S_C分别为Stefan数及过冷度：

由相变系统效率的表达式可知，效率主要取决于热源温度T_h，相变蓄热材料的熔点温度T_m和环境温度T₀。

以青海地区兴海县为例，该地区冬季气温低，太阳辐射强度较差，可以代表中国低温区域。利用EnergyPlus软件对该集热器在整个冬季内逐时的热量需求进行模拟，取集热器内最低温度为2℃，得到了日最大的热需求量为 9056.1kJ，集热器内最高温度为67℃。集热器底部蓄热槽的平面尺寸取1520 ×1260mm。环境温度取T₀＝2℃，相变蓄热材料5的熔点温度T_m＝58.2℃，热源温度T_h＝67℃，相变蓄热材料5熔解热L＝265kJ/kg，假设相变蓄热材料5 的初始温度T_i＝T₀＝2℃，相变蓄热材料5相变时为均匀相变。故有：

9056.1＝1.97×(58.2-2)×m+265×m+3.22×(67-58.2)×m

解得：m＝22.42kg

相变蓄热材料5在固体状态下，密度ρ＝1.28×10³kg/m³，因此有：

1.28×10³×1.52×1.26×h＝22.42

可以解得此时：h＝0.01m即相变蓄热材料敷设厚度为10mm。

此时有：η_e,L＝0.968

但是在实际的应用过程中，在集热器中添加相变蓄热材料5之后，T_h不可能达到67℃，这就使得计算得到的相变蓄热材料5的量偏小。为了使收集能量的尽可能的大，在本发明的防冻防过热变倾角集热器集热器中优选使用 10～50mm厚的相变蓄热材料5。

Claims (10)

1.一种防冻防过热变倾角集热器，包括壳体组件(1)和安装在壳体组件(1)内的热水组件(2)所述的壳体组件(1)包括盖体(11)和箱体(12)，所述的盖体(11)和箱体(12)铰接，所述的热水组件(2)包括安装在箱体(12)内的真空加热管(21)，其特征在于，

还包括遮光组件(3)、可调支撑足组件(4)和填充于壳体组件(1)内的相变蓄热材料(5)；

所述的遮光组件(3)包括安装在所述的箱体(12)内的高反光薄膜(31)，所述的高反光薄膜(31)可卷收或释放；

所述的可调支撑足组件(4)包括安装于地面的伸缩支撑足(41)。

2.如权利要求1所述的防冻防过热变倾角集热器，其特征在于，所述的盖体(11)为具有封闭空气层的双层玻璃盖体，所述的盖体(11)和箱体(12)铰接于铰轴(13)；

所述的箱体(12)包括外层箱体(121)和附于外层箱体(121)内侧的聚苯乙烯挤塑板层(122)。

3.如权利要求2所述的防冻防过热变倾角集热器，其特征在于，所述的盖体(11)与箱体(12)接触的位置镶嵌有暖边(14)和保温胶垫(15)。

4.如权利要求1所述的防冻防过热变倾角集热器，其特征在于，所述的热水组件(2)还包括真空加热管(21)头端安装的蓄水箱(22)、真空加热管末端安装的泡沫嵌体(23)、连通所述的蓄水箱(22)的进出水管(24)和温度传感器(25)。

5.如权利要求1所述的防冻防过热变倾角集热器，其特征在于，所述的遮光组件(3)还包括安装在高反光薄膜(31)一端的铅锤棒(32)、安装在高反光薄膜(31)另一端的反光膜卷轴(33)和铅棒导轨(34)，所述的反光膜卷轴(33)通过齿轮啮合连接有牵引电机(35)，所述的铅锤棒(32)两端内嵌于铅棒导轨(34)。

6.如权利要求5所述的防冻防过热变倾角集热器，其特征在于，所述的箱体(12)内还安装有太阳能光伏板(36)和太阳能蓄电池(37)，所述的太阳能光伏板(36)通过导线连接牵引电机(35)并且向牵引电机(35)供电；

所述的太阳能光伏板(36)通过导线连接太阳能蓄电池(37)进行储能。

7.如权利要求1所述的防冻防过热变倾角集热器，其特征在于，所述的可调支撑足组件(4)还包括安装于所述的铰轴(13)上的固定支撑足(42)、安装于箱体(12)底部的伸缩杆固定翼(43)和连接所述的伸缩支撑足(41)的横轴(44)。

8.如权利要求1所述的防冻防过热变倾角集热器，其特征在于，所述的相变蓄热材料(5)封装容器选自不锈钢、聚乙烯、聚丙烯和玻璃中的一种。

9.如上述权利要求1～8任一权利要求所述的防冻防过热变倾角集热器，其特征在于，所述的相变蓄热材料(5)的厚度为10～50mm。

10.如上述权利要求1～8任一权利要求所述的防冻防过热变倾角集热器，其特征在于，所述的防冻防过热变倾角集热器还包括单元连接管(6)。