CN109373604B - 逆温式太阳能集热装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种逆温式太阳能集热装置，该逆温式太阳能集热装置包括：至少一个太阳能集热模块；所述太阳能集热模块包括：前后两个呈纵向间隔设置的集热器；每个所述集热器包括：多个真空集热管(3)和集热器联箱(2)；前反射镜(5)，垂直所述集热管排布平面，设置在最下部的真空集热管(3)的底部；前反射镜(5)相对于水平方向倾斜设置，后反射镜(11)，设置在最上部的真空集热管(3)的顶部。本发明有四大创新点：天气越冷，出热越多，天气越热，出热越少；把太阳移动这一破坏因素转化为积极因素，第一次让反射镜由主动式追日变成被动式追日，第一次具有了抵抗雹、雪天气灾害的能力。

Description

逆温式太阳能集热装置

技术领域

本发明涉及太阳能领域，具体涉及一种太阳能热力采集装置，特别是日输出热量在寒冷的冬季比炎热的夏季更高的逆(环)温式太阳能集热装置(模块)，即一种逆温式太阳能集热装置。

背景技术

冬季供暖是中高纬度地区民用建筑和公用建筑的刚性需求。为此，全世界每年都要消耗大量化石能源，如煤、油、气……等。这已成为大气污染物排放的重要源头之一。为了改善大气环境，降低污染物排放强度，近年来国内外都在一定规模上进行了用产热过程零排放的太阳能集热器进行冬季供暖的尝试，取得了一些成功经验，也发现了一些很难克服的缺陷和不足。(国际上如加拿大能源部、丹麦阿康桑马克公司。国内如清华阳光、太阳雨等单位都有大大小小太阳能采暖工程案例之详细资料可供参考)。

其中急需解决的难点有：太阳能集热装置在真正采暖季受环境温度过低、供热负荷过大、太阳幅照量不足影响，致使系统产热能力不足，供热工质温度过低，达不到采暖终端需要的温度下限，必然降低供暖质量。另外，非采暖季，受环境温度升高、太阳辐照量增加、采暖终端设备关闭影响，系统产热量反而会严重过剩。致使工质温度过高，极易对设备中某些部件造成损害(尤其对真空管类集热器而言)，容易产生蒸汽伤人。

综上所述，现有技术中存在以下问题：太阳能集热装置在冬季产热能力比夏季少，降低供暖质量，夏季产热能力过剩，容易损害设备。

发明内容

本发明提供一种逆温式太阳能集热装置，即一种太阳能集热装置、或者是一种太阳能集热模块、或是一种太阳能集热(器)模块，以提升冬季供暖质量。

为此，本发明提出一种逆温式太阳能集热装置，所述逆温式太阳能集热装置包括：

至少一个太阳能集热模块；所述太阳能集热模块包括：

前后两个呈纵向间隔设置的集热器；

每个所述集热器包括：

多根真空集热管3，从上至下并排排布并形成集热管采光平面；

连接所述真空集热管3的集热器工质流出管口1、集热器工质流入管口4、和集热器联箱2；

前反射镜5，垂直所述集热管排布平面，设置在真空集热管3的底部，所述前反射镜5 向真空集热管3的前方延伸；前反射镜5相对于水平方向倾斜设置，前反射镜5相对于水平方向的倾角为α；

后反射镜11，设置在真空集热管3的顶部，并向真空集热管3的后方延伸；后反射镜11与集热管排布平面的夹角为β。

进一步的，所述太阳能集热模块还包括：支撑所述真空集热管3、前反射镜5、和后反射镜11的支架7。

进一步的，所述支架7的纵向断面包括：支撑在工作面上的大直角三角形BCD、以及安装在大直角三角形BCD斜边上的小直角三角形BEA，其中，小直角三角形BEA的短直角边BE安装在大直角三角形BCD斜边上，大直角三角形BCD的长直角边水平设置在工作面上。

进一步的，α值按以下公式计算：α＝45°-A，A为安装逆温式太阳能集热装置的当地，冬至正午太阳高度角。

进一步的，β值按以下公式计算：β＝(45°+A)/2。

进一步的，前反射镜5贴支架ED段安装并与ED段等长，前反射镜5的长度大于或等于顶部的真空集热管与底部的真空集热管的距离L。

进一步的，所述集热器为双翼式太阳能集热器。

进一步的，集热器联箱贴小直角三角形BEA的大直角边AE段安装。

进一步的，后反射镜11贴支架AB段安装，后反射镜11的长度等于L/cosβ。

进一步的，所述逆温式太阳能集热装置包括：多个布置成一列的太阳能集热模块，多个集热器在东西方向上可适度延长。

本发明能加快太阳能采暖技术的市场占有率、替代化石燃料消耗、降低大气污染物排放浓度、节约供暖成本、提升供暖质量、延长设备使用寿命。

本发明通过改变太阳能集热器受光面初始安装角度(由平式、仰式安装变为俯式安装)，和在集热器前后按一定夹角各增设一面平面反光镜两项措施，得到了如下效果：在冬季，阳光同时投射到集热器和前镜面上，使集热器因受到直射和镜面反射两束光的共同叠加作用而成倍地增强了集热器热量输出。由冬到夏，由于太阳高度角的日渐提升，太阳对集热器入射斜度便日趋加大，最终达到和采光面平行。反射光也逐步移出集热器。到夏至季节，集热器上合成幅照量已为零值，仅依靠前排模块的后镜反射光来维持一定的热量输出。但已不可能造成热量过剩出现了。籍此原理，本发明无需任何动力输入，只靠太阳在其运行轨迹上高度的季节变化，就达到了让系统每日热输出量冬多夏少的目的。根据这种日输出热量与天气炎热程度成反向变化的规律特点，以“逆温性”三字对发明命名。本发明除去解决了传统太阳能采暖工程发热量冬天不够用，夏天用不完的难题之外，还额外取得了以下四项技术成果：

一、提高了温度等级。

二、降低了工程成本。

三、下冰雹砸不着真空管。

四、降大雪落不到集热器。

附图说明

图1为本发明的集热器的结构示意图；

图2为本发明的集热器在夏至的幅照原理示意图；

图3为本发明的集热器在春分和秋分的幅照原理示意图；

图4为本发明的集热器在冬至的幅照原理示意图；

图5为本发明的集热器采光效果示意图；

图6为传统的普通的集热器在水平放置时的采光效果示意图；

图7为传统的普通的集热器在倾斜放置时的采光效果示意图；

图8为本发明具有多个集热器的逆温式太阳能集热装置的反光示意图；

图9为传统的普通的多个集热器的采光示意图。

附图标号说明：

1、集热器工质流出管口；2、集热器联箱；3、真空集热管；4、集热器工质流入管口；5、前反射镜；6、前反射镜边框；7、支架；8、支架柱腿；9、底盘；10、后反射镜边框； 11、后反射镜；20、集热器；30、入射光线；31、反射光线；35、外层玻璃管；36、内层玻璃管；37、抽真空间隙；38、工质；40、工作面；51、反射区域；52、反射区域。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明。

太阳能冬季供暖技术是一种以太阳幅照为热源的新能源利用形式。相比其它能源供暖，有着排放为零和无偿索取两大优势，值得大力发展。但不足也很明显，一是太阳幅照本身就属低密度能源。二是尤其在冬季，太阳日幅照量必然处于全年最低谷段。都会使系统在寒冷季节发生热量不足或供热温度过低现象出现。靠加大集热面积的做法提升不了出热温度反而带来了春夏秋三季热量过剩的弊端。

另外，非采暖季，受环境温度升高、太阳辐照量增加、采暖终端设备关闭影响，系统产热量反而会严重过剩。致使工质温度过高，极易对设备中某些部件造成损害(尤其对真空管类集热器而言)。

本发明的工作原理为：

本发明把太阳能集热系统日得热量从固有的夏多冬少改变为冬多夏少。本发明采用让集热器采光面上接受到的太阳幅照量在冬天得到大幅度增高，夏天大幅度消减就可以做到。本发明使用了两种技术手段来调节集热器采光面上不同季节的幅照量，一是通过改变太阳对集热器采光面的光线入射角。二是通过改变阳光在镜面反射后对集热器采光面的投射分量。但这两个改变不是采用主动式的动力驱动方式，而是采用静态的被动方式。系统不设任何可动部件。仅依靠当地不同季节太阳高度角自然变化规律，就可以自动完成集热面上各季节幅照量增增减减的变化要求。

各地正午时分太阳高度角全年的变化，在任何纬度上，都是夏至最高，冬至最低，两者有46°54’左右的恒定差值。这是地球上太阳位置高低变化的普遍规律。前面提到的冬至正午的太阳高度角(A)，既可以根据当地纬度值推算，也可以在冬至当天中午12点零分用实测手段得出。按照从(A)值推算出的“α”角度值搭建的系统结构，保证了在冬至当天中午太阳光投射光束轨迹恰好与直角AED的分角线重合。这样一来，单个的太阳能集热器等量地接受到太阳投射过来的直射光和前镜(前反射镜5)投射过来的二次反射光。两束光叠加，使得单个集热器上自身得到了全年最高辐射量值。

随着季节从冬至向前或向后推移，太阳中午高度角值是逐日增高的趋势。经过春、秋分，直至夏至，达到最高值。夏至相对冬至日已增加了46°54’之多(集热器采光面与冬至中午阳光投射光线夹角为45°，仅1°之差)，太阳光束在集热器采光面投影已为零。投在前反射镜的太阳光也悉数被反射回太空，两束光对集热器幅照量均为零。集热器无光可采，产热也自然归零或接近归零。因而，夏天的热量过剩，设备过热的弊端由此得以消除。对于以纯采暖为目的太阳能系统得出上述效果已属达标。

然而对于热需求为全年性的太阳能系统，盛夏季节系统无热输出就成为功能短板。后镜的设置可以将此短板补齐。因为后镜(后反射镜11)的安装角度是按照在夏至正午时分可以把太阳光线以水平方向反射到后排集热器受光面的原则设计的，故后排集热器仍然能够有一定的热量输出，即反射光线31照射后排的真空集热管3。以上过程可从(图2) 的上、中、下三图的光路走向示意图上展示出来。图4为冬至正午情况、图3为春(秋) 分正午情况、图2为夏至正午情况。右侧是前排集热器，左侧是后排集热器。对于大型工程而言，后排集热器的逐季出热情况即可代表整个工程的热输出季节变化全貌。该图是按北纬40°地段要求的工程参数绘制。从图上冬至、春(秋)分、夏至三个特征节点上集热器可以截获的太阳光束垂直宽度就可以判断出全年系统得热量的变化趋势曲线。图3和图 4中，除了太阳直接的入射光线30的照射外，还有反射光线31起作用，反射光线31来自两个反射区域，一个是反射区域51，来自入射光线30被位于前方(前排)的后反射镜11 反射到后方(后排)的前反射镜5上，后方(后排)前反射镜5再次进行反射，将反射光线31反射到后方(后排)的真空集热管3上；另一个是反射区域52，前方(前排)的前反射镜5直接反射入射光线30，形成反射区域52；通过测量可知三节点上日截获光束垂直宽度的比例约是，冬至：春(秋)分：夏至＝2：1.5：1，基本成线性分布。

对于相同的真空集热管3来说，本发明的布置有前反射镜5，无论是比传统的普通的集热器在水平放置、以及倾斜放置的采光效果都要强。以常用的真空集热管3为例，其外层玻璃管35的外径为58mm，内层玻璃管36的外径为47mm，真空集热管3能接受的太阳光的最大照射柱面直径为47mm，对于普通的水平放置集热器，除了最外侧(图中为最右侧的真空集热管3)的照射柱面直径d3为47mm外，其他真空集热管3的照射柱面直径d4为30mm 左右，而普通的倾斜放置集热器，通过角度调整(例如在60度倾斜时)，可以达到照射柱面直径d3为47mm；而本发明除了直接的入射光线在真空集热管3上形成照射柱面直径d3 为47mm外，反射光线还在真空集热管3柱面上形成照射直径d3为47mm，入射光线的照射和反射光线的照射相互叠加，真空集热管3收到的照射区域和强度为普通的倾斜放置集热器接收到倾斜式的近2倍，水平式的近3倍。

本发明实施例的方案如下：

本发明实施例提出一种逆温式太阳能集热装置，所述逆温式太阳能集热装置包括：

至少一个太阳能集热模块；所述太阳能集热模块包括：

前后两个呈纵向间隔设置的集热器20；两个集热器20呈前后方向，即南北方向排布；

每个所述集热器20包括：

多根真空集热管3(也称真空管)，各真空管从上至下并排排布并形成集热管采光平面；真空集热管3为横向插入联箱的全玻璃(或金属流道)太阳能真空集热管；即为横插式(真空集热管水平设置)，也可以为纵插式(真空集热管上下方向设置)，本发明实施例中，真空集热管为横插式，但本发明不局限于横插式，真空集热管3包括：外层玻璃管35、内层玻璃管36、外层玻璃管35与内层玻璃管36之的抽真空间隙37，内层玻璃管36内装有用于供热或热交换的工质38；

连接所述真空集热管3的集热器工质流出管口1、集热器工质流入管口4、和集热器联箱2；以储存、提供热交换所需的工质38，工质38例如为水；

前反射镜5，垂直所述集热管排布平面，设置在最下部的横插式真空集热管3的底部，所述前反射镜5向真空集热管3的前方延伸；前反射镜5相对于水平方向倾斜设置，前反射镜5相对于水平方向的倾角为α；前反射镜5安装在前反射镜边框6中，前反射镜边框 6安装在支架7上；

后反射镜11，设置在最上部的横插式真空集热管3的顶部，并向真空集热管3的后方延伸；后反射镜11与集热管排布平面的夹角为β。后反射镜11安装在后反射镜边框10中，后反射镜边框10安装在支架7上。

本发明有四大创新点：逆温特点：天气越冷，出热越多，天气越热，出热越少；把太阳移动这一历来所有太阳能工程效能发挥的破坏因素转化为积极因素，让反射镜由主动式追日变成被动式追日，具有了抵抗雹、雪天气灾害的能力。

进一步的，所述太阳能集热模块还包括：支撑所述真空集热管3、前反射镜5、和后反射镜11的支架7。集热器联箱2也通过螺栓螺母牢牢固定在支架7上。通过支架7，可以提供稳定的支撑，可以实现各反光镜和真空集热管的倾斜角度的固定。支架7通过支架柱腿8安装在底盘9上，底盘9安装在工作面(房顶或地面或屋面)上，支架柱腿8也可以是通过地墩锚固在地面(或屋面)。

进一步的，所述支架7的纵向断面包括：支撑在工作面上的大直角三角形BCD、以及安装在大直角三角形BCD斜边上的小直角三角形BEA，其中，小直角三角形BEA的短直角边BE安装在大直角三角形BCD斜边上，大直角三角形BCD的长直角边水平设置在工作面上。应确保支架BCD三角形的CD边为南北向，(D点在南、C点在北)CD边所在平面被定义为系统水平面。

进一步的，α值按以下公式计算：α＝45°-A，A为安装逆温式太阳能集热装置的当地，冬至正午太阳高度角。

进一步的，β值按以下公式计算：β＝(45°+A)/2。

以北京为例，北京处于北纬40度左右，冬至正午(12点)太阳高度角A为25°，α＝20°，β＝35°。

在冬季和春秋季，本发明的太阳能的利用率较高，冬季最高，供热效率最好，春秋季次之，夏季最少。而在夏季不需要太多太阳能，可以少用，因此，在夏季，利用前反射镜的反光，实现后方的集热器的供热，而后方的集热器本身基本与太阳光的方向平行，尤其是夏至时，没有直接的太阳光照射产生的供热，这样，就可以控制夏季的供热过高，损坏设备的问题。对于前方的集热器的供热，可以在前方的集热器的前方再设置一个反光镜即可。

进一步的，前反射镜5贴支架ED段安装并与ED段等长，前反射镜5的长度大于或等于顶部的真空集热管与底部的真空集热管的距离L，以保证反射足够的光线。

进一步的，所述集热器联箱2为纵式联箱，即联箱为上下方向设置，集热器为双翼式太阳能集热器，以实现双侧的上下方向的热交换。

进一步的，集热器联箱贴所述支架7的大直角边AE段安装，以实现安装的稳定。

进一步的，后反射镜11贴支架AB段安装，后反射镜11的长度等于L/cosβ。

下面以北京为例，举例说明一下本发明的具体参数：

冬至正午太阳高度角A为25°，α＝20°，β＝35°。集热器顶部的真空集热管与底部的真空集热管的距离L为2000mm，前反射镜5垂直集热管排布平面并且前反射镜5的长度等于L，即为2000mm。前反射镜5与水平面的夹角为20度，后反射镜11与集热管排布平面的夹角为35度。上述各角度可以有5度的偏差。后反射镜11的长度为2460至2520mm，较佳选择为2490mm，基本上按后反射镜11的长度等于L/cosβ来确定。支架的长直角边，即支撑在工作面(房顶、或地面)的直角边，也是与水平面平行的直角边BC的长度为3403mm，以提供足够的支撑。前后两个集热器的间距适用设计规范，以冬至中午时分前排集热器不遮挡后排前镜为原则

进一步的，所述逆温式太阳能集热装置包括：多个布置成一列的太阳能集热模块。也就是，多个(可以为3个，几个或十几个或几十个)集热器按前后方向排成一列。当然，逆温式太阳能集热装置可以包括多排太阳能集热模块，即形成联排，使得逆温式太阳能集热装置形成多排多列的矩阵式排布，以获得规模化供热。

进一步的，反射镜材质建议为钢化玻璃，能够起到较好的防护和阻挡作用，镀银(铝) 层具有防潮功能，以适应雨雪和潮湿天气。

1、本发明提升了非聚光类太阳能光热系统的输出工作温度等级，使其从最高70几摄氏度升格到最高80～150℃温区范围。这已被实施实验装置冬季运行实测记录数据所证实。集热器直接出水温度不仅超出各类地源、水源、空气源热泵的冬季最高出水温度，也明显超出浅层地热所能达到的温度上限。与各种常规能源的热水锅炉不相上下。这为在除采暖、生活热水之外的工农业低、中温应用提供了可能。输出温度得以提升主因在于，集热器全面积在被太阳直接照射的同时又增加了一倍面积的镜面反射光的叠加效应。参见(图3)，该图对比展示了三种不同安装方式下每根太阳能集热管在隆冬季份的受光细部情景，分别为集热器水平摆放、倾斜摆放和本发明的俯式摆放。可以明显看到，在同一地点、同一时间、同一幅照条件下，采用本发明的集热器每根集热管表面受到的太阳照射强度是倾斜式的两倍，是水平式的三倍。幅照能流密度成倍数提高，其输出温度自然也会相应提高。

2、本发明在使用同类太阳能集热元件、满足相同规模热负荷终端供给要求的规定条件下，降低了占太阳能采暖工程总成本六到七成的集热器成本。如(图4)所示，同样大小的屋顶空间，在热需求处于峰段的低日照角季节内，平装方式5套模块还不如本方案两套模块获取的辐射光量值大。故此节约了三分之二的集热器面积和相应的管路及配件。扣除两面反射镜成本增量，仍可节省过半采热方阵的工程量和投资额。

3、本发明提升了真空管类太阳能光热系统抵御多种天气灾害的能力。做为以太阳为热源的取能装置，露天安装是唯一选择。会遭遇各种恶劣天气条件的侵扰和破坏，一旦面临诸如强风尤其是冰雹恶劣天气，常常使做为易碎玻璃制品的真空管造成部分损坏或全盘损毁。本发明独有的后镜配置，恰好能成为一道有效屏障，阻挡住来自北面的大风直吹，和来自上方的大小冰雹的轰击。玻璃真空管方阵瞬间被冰雹灭顶的状况一去而不复返。

4、本发明对素有太阳能冬季供暖运行第一“杀手”之称的积雪危害具有先天性免“疫”功能。雾霾、阴云、超低温的肆虐再怎么严重，也不过造成系统连续七、八天日产热量减少。而遇上集热器上有厚层积雪，却可能造成长达一两个月的彻底停工，哪怕是天天阳光明媚，也无济于事。一冬三场大雪，太阳能等于没装(对于平装式和低倾角式工程影响尤为严重)。到现在为止，国内外还没有一个工程案例能避开积雪之害。唯有本发明的安装方式，由于有后镜(后反射镜)为棚，起到挡板的作用，可以完全避免任何一根集热管上有落雪积存。反射镜面上虽有可能积雪，却依然可以发挥漫反射功能。只要雪后天气放晴，太阳能便可立刻进入正常工作状态。由于本发明的前镜(前反射镜)采用了从底部向上的放射光线，这样，即使出现集热管上被风吹来的飞雪覆盖，或其他意外的集热管的顶部被覆盖的情况，集热管的底部仍然能接受到前镜(前反射镜)的反光，集热器仍然可以继续工作。

以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用以限定本发明的范围。为本发明的各组成部分在不冲突的条件下可以相互组合，任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作出的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。

Claims (8)

1.一种逆温式太阳能集热装置，其特征在于，所述逆温式太阳能集热装置包括：

至少一个太阳能集热模块；所述太阳能集热模块包括：

前后两个呈纵向间隔设置的集热器；

每个所述集热器包括：

多根真空集热管(3)，从上至下并排排布并形成集热管采光平面；

连接所述真空集热管(3)的集热器工质流出管口(1)、集热器工质流入管口(4)、和集热器联箱(2)；

前反射镜(5)，垂直所述集热管排布平面，设置在真空集热管(3)的底部，所述前反射镜(5)向真空集热管(3)的前方延伸；前反射镜(5)相对于水平方向倾斜设置，前反射镜(5)相对于水平方向的倾角为α；

后反射镜(11)，设置在真空集热管(3)的顶部，并向真空集热管(3)的后方延伸；后反射镜(11)与集热管排布平面的夹角为β；

α值按以下公式计算：α＝45°-A，A为安装逆温式太阳能集热装置的当地，冬至正午太阳高度角；

β值按以下公式计算：β＝(45°+A)/2。

2.如权利要求1所述的逆温式太阳能集热装置，其特征在于，所述太阳能集热模块还包括：支撑所述集热器联箱(2)、前反射镜(5)、和后反射镜(11)的支架(7)。

3.如权利要求2所述的逆温式太阳能集热装置，其特征在于，所述支架(7)的纵向断面包括：支撑在工作面上的大直角三角形BCD、以及安装在大直角三角形BCD斜边上的小直角三角形BEA，其中，小直角三角形BEA的短直角边BE安装在大直角三角形BCD斜边上，大直角三角形BCD的长直角边水平设置在工作面上。

4.如权利要求2所述的逆温式太阳能集热装置，其特征在于，前反射镜(5)贴支架ED段安装并与ED段等长，前反射镜(5)的长度大于或等于顶部的真空集热管与底部的真空集热管的距离L。

5.如权利要求2所述的逆温式太阳能集热装置，其特征在于，所述集热器为双翼式太阳能集热器。

6.如权利要求3所述的逆温式太阳能集热装置，其特征在于，集热器联箱贴所述小直角三角形BEA的大直角边AE段安装。

7.如权利要求2所述的逆温式太阳能集热装置，其特征在于，后反射镜(11)贴支架AB段安装，后反射镜(11)的长度等于L/cosβ。

8.如权利要求2所述的逆温式太阳能集热装置，其特征在于，所述逆温式太阳能集热装置包括：多个布置成一列的太阳能集热模块，且在东西方向能任意延伸。