CN110454990A - 一种真空式集热系统及集热方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种真空式集热系统及集热方法，涉及太阳能热利用技术领域，系统包括真空式集热器、第一阀门、第一风机、第二阀门、第二风机、储热器和热输出器；真空式集热器相互串联和/或并联连接，串联和/或并联连接后的总进口通过管道与储热器出口连接，总出口依次经第一阀门和第一风机通过管道与储热器进口连接；热输出器的进口通过管道与储热器的出口连接，出口经第二阀门通过管道与储热器连接，第二风机并联连接在第二阀门两端。本发明具有光热转换效率高、储热能力强的优点。
Description
技术领域
本发明涉及太阳能热利用技术领域，具体涉及一种真空式集热系统及集热方法。
背景技术
太阳能是一种可再生的新能源，它具有环保、长久的优势，是应对能源短缺气候变化的重要选择之一，越来越受到世人的强烈关注。太阳能利用技术主要指太阳能转换为热能、机械能、电能、化学能等技术，其中太阳能向热能转换历史最久远、开发最普遍，被称为太阳能热利用。
目前较为普遍的平板式太阳能集热系统的集热器，其吸热体是吸热板，吸热板的材料有金属、塑料、橡胶、陶瓷等，结构有排管和集管，为了加大吸收太阳能的作用，吸热板上有涂层，涂层分为非选择性涂层和选择性涂层，涂层的加工工艺有真空镀膜、阳极化镀膜等。
吸热板的涂层材料对吸收太阳辐射能量起非常重要的作用。因为太阳辐射的波长主要集中在0.3-2.5um的范围内，而吸热板的热辐射则主要集中在2-20um的波长范围内，要增强吸热板对太阳辐射的吸收能力，又要减小热损失，降低吸热板的热辐射，就需要采用选择性涂料。选择性涂料是对太阳短波辐射具有较高吸收率，而对长波辐射发射率却较低的一种涂料，目前国内外的生产厂大多采用磁控溅射的方法制作选择性涂层，可达到吸收率0.93-0.95，发射率0.12-0.04，大大提高了吸热性能。
但是，尽管采用了这些技术手段，但平板式太阳能集热器仍然无法克服吸热面积比较小，热损失较大的问题。吸热面积有限，集热器的体积限制了吸热板的面积，进而限制了吸热面积，而太阳能集热器的体积不能无限增大。尽管使用了选择性涂层提高了吸热板的吸热效率，但是当吸热板温度升高后，热损失也会增加，只能通过改进保温隔热层材料、或是加厚玻璃盖板、以及增设透明蜂窝等手段来降低热损。因此，光热转换效率受吸热板材料和结构影响较大，为了提高转换效率，只能选用昂贵的材料和复杂的机构，加工成本很高，加工难度很大。
发明内容
因此，本发明实施例要解决的技术问题在于现有技术中的集热系统光热转换效率低。
为此，本发明实施例的一种真空式集热系统，包括：真空式集热器、第一阀门、第一风机、第二阀门、第二风机、储热器和热输出器；
真空式集热器相互串联和/或并联连接，串联和/或并联连接后的总进口通过管道与储热器出口连接，总出口依次经第一阀门和第一风机通过管道与储热器进口连接；
热输出器的进口通过管道与储热器的出口连接，出口经第二阀门通过管道与储热器连接，第二风机并联连接在第二阀门两端。
优选地，所述真空式集热器包括：真空管、金属网状构件、上通道和下通道；
至少两个真空管阵列排布在上通道和下通道之间，真空管的一端与上通道连通，另一端与下通道连通；
至少两个金属网状构件层叠阵列连接于真空管空腔内部，具有储热和限制对流作用。
优选地，所述金属网状构件为钢丝网。
优选地，所述钢丝网的丝线为中空管，中空管内部填充有吸热液体。
优选地，所述真空式集热器包括：真空管、金属网状构件、上通道和下通道；
至少两个真空管阵列排布在上通道和下通道之间，真空管的一端与上通道连通，另一端与下通道连通；
至少两个金属网状构件层叠阵列连接于真空管空腔内部，具有可调节的储热和限制对流作用。
优选地，所述金属网状构件包括第一金属管板和第二金属管板；
第一金属管板和第二金属管板均包括平行排列的金属管，平行排列的金属管形成板状，金属管具有管盖，管盖与金属管管壁之间通过转轴可转动连接，用于根据光照和温度的变化调节储热和限制对流作用；
第一金属管板和第二金属管板交替层叠排列，相邻管板的金属管排列方向相互交叉或垂直。
优选地，所述金属网状构件包括呈网状结构的金属片和传动机构；
金属片的一端与传动机构连接，在传动机构的带动下进行移动，用于根据光照和温度的变化调节储热和限制对流作用。
本发明实施例的一种真空式集热系统的集热方法，包括以下步骤：
S1、真空式集热器对气体进行加热；
S2、第一阀门和第一风机开启，将经真空式集热器加热后的气体，传输至储热器中，并使气体在真空式集热器和储热器之间循环流动一段时间；
S3、一段时间后，第二阀门开启或者第二阀门和第二风机共同开启，将热气体从储热器传输至热输出器用于使用，将热输出器输出的冷却气体传输至储热器。
优选地，所述真空式集热器对气体进行加热的步骤包括：
S11、第一层金属网状构件吸收透过真空管管壁照射来的光线热量；
S12、第二层以上的金属网状构件吸收透过真空管管壁照射来的光线热量和透过上层金属网状构件的孔隙照射来的光线热量；
S13、真空管内部气体经加热后从上通道或下通道排出；
S14、当光照较弱和/或温度较低时，管盖关闭在金属管上，使金属网状构件的孔隙较大；
S15、当光照较强和/或温度较高时，管盖绕转轴转动打开一定角度，使金属网状构件的孔隙较小。
优选地，所述真空式集热器对气体进行加热的步骤包括：
S11’、第一层金属网状构件吸收透过真空管管壁照射来的光线热量；
S12’、第二层以上的金属网状构件吸收透过真空管管壁照射来的光线热量和透过上层金属网状构件的孔隙照射来的光线热量；
S13’、真空管内部气体经加热后从上通道或下通道排出；
S14’、当光照较弱和/或温度较低时，传动机构驱动金属片移动，使至少两个金属网状构件的孔隙同轴排列；
S15’、当光照较强和/或温度较高时，传动机构驱动金属片移动，使至少两个金属网状构件的孔隙非同轴相错排列。
本发明实施例的技术方案，具有如下优点：
本发明实施例提供的真空式集热系统，通过设置集热器金属网状构件，加大吸收热量能力，并且具有稳定或可调节的储热和限制对流作用，极大地提高了光热转换效率。并且器件结构简单、工作可靠、成本较低。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式中的技术方案，下面将对具体实施方式描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例1中真空式集热系统的一个具体示例的结构示意图；
图2为本发明实施例1中真空式集热器的一个具体示例的结构示意图；
图3为本发明实施例1中真空管的一个具体示例的结构示意图；
图4为本发明实施例2中金属网状构件的一个具体示例的结构示意图；
图5为图4的金属网状构件的侧视图；
图6为本发明实施例3中金属网状构件的一个具体示例的结构示意图；
图7为本发明实施例4中集热方法的一个具体示例的流程图。
附图标记：1-真空管，2-金属网状构件，21-第一金属管板，211-金属管，212-管盖，213-转轴，22-第二金属管板，23-金属片，24-传动机构，3-上通道，4-下通道，001-真空式集热器，002-第一阀门，003-第一风机，004-第二阀门，005-第二风机，006-储热器，007-热输出器。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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。
在本发明的描述中，需要说明的是，本文所用的术语仅用于描述特定实施例的目的，而并非旨在限制本发明。除非上下文明确指出，否则如本文中所使用的单数形式“一”、“一个”和“该”等意图也包括复数形式。使用“包括”和/或“包含”等术语时，是意图说明存在该特征、整数、步骤、操作、元素和/或组件，而不排除一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元素、组件、和/或其他组合的存在或增加。术语“和/或”包括一个或多个相关列出项目的任何和所有组合。术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，还可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
实施例1
本实施例提供一种真空式集热系统，如图1所示，包括：真空式集热器001、第一阀门002、第一风机003、第二阀门004、第二风机005、储热器006和热输出器007。真空式集热器001相互串联和/或并联连接，如图1所示，两组三个真空式集热器001分别串联，两组串联后的真空式集热器001组再相互并联。串联和/或并联连接后的总进口通过管道与储热器006出口连接，总出口依次经第一阀门002和第一风机003通过管道与储热器006进口连接。热输出器007的进口通过管道与储热器006的出口连接，出口经第二阀门004通过管道与储热器006进口连接，第二风机005并联连接在第二阀门004两端。第一、第二风机003、005起到加速气体流动和引导气体流动方向的作用。气体在真空式集热器001、储热器006、热输出器007之间循环流动。
工作时，真空式集热器001对气体进行加热；加热后的气体经第一阀门002和第一风机003传输至储热器006中，并使气体在真空式集热器001和储热器006之间循环流动；一段时间后，热气体从储热器004传输至热输出器007供用户使用，再经第二阀门004和第二风机003将热输出器007输出的冷却气体传输至储热器004，继续通过冷、热气体混合对气体进行加热。
优选地，如图2和图3所示，真空式集热器001包括：真空管1、金属网状构件2、上通道3和下通道4。至少两个真空管1阵列排布在上通道3和下通道4之间，真空管1的一端与上通道3连通，另一端与下通道4连通。优选地，真空管1选用双层玻璃管，起到更好的保温隔热作用。至少两个金属网状构件2层叠阵列连接于真空管1空腔内部，具有储热和限制对流作用。图1和图2中示出了具有五个金属网状构件2，但并不限于五个，也可以是两个、三个、四个、六个等，只要真空管内部空间允许可以选择设置较多个以提高热效率。金属网状构件2的端部连接在真空管1内壁上。上通道3和下通道4分别作为通风进口和出口。真空管1分别和上通道3和下通道4交叉或垂直相连接，因而气体在上通道3、真空管1、下通道4之间流动需要转向，以减小气体对流，降低热损失，提高储热能力。
上述真空式集热器的工作原理为：光线(如太阳光)透过真空管1照射到金属网状构件2上，金属网状构件2吸收热量，温度升高，由于金属网状构件2之间有孔隙，光线穿过孔隙还会照射在下层金属网状构件上，随着辐射量的不断增大，管内气体受热后使真空管1内的气体温度升高，气体上升，进入上通道中排出。
优选地，金属网状构件2为钢丝网。如图3所示，钢丝网在真空管1空腔内为横向排列，但不限于此，还可以钢丝网为横向和纵向共同交叉排列。
优选地，钢丝网的丝线为中空管，中空管内部填充有吸热液体，吸热液体的储热能力优于钢丝网本身，从而进一步提高了光热转换效率和储热能力。
上述真空式集热系统，通过设置真空式集热器的金属网状构件，加大吸收热量能力，并且具有稳定的储热和限制对流作用，极大地提高了光热转换效率。并且器件结构简单、工作可靠、成本较低。
实施例2
本实施例提供一种真空式集热系统，与实施例1不同的是，真空式集热系统中的真空式集热器包括：真空管1、金属网状构件2、上通道3和下通道4。至少两个真空管1阵列排布在上通道3和下通道4之间，真空管1的一端与上通道3连通，另一端与下通道4连通。至少两个金属网状构件2层叠阵列连接于真空管1空腔内部，具有可调节的储热和限制对流作用。
与实施例1所不同的是，至少两个金属网状构件2具有可调节的储热和限制对流作用。
优选地，如图4和图5所示，金属网状构件2包括第一金属管板21和第二金属管板22。第一金属管板21和第二金属管板22均包括平行排列的金属管211，平行排列的金属管211形成板状，金属管211的横截面可以为圆形、正方形、矩形、梯形等，金属管211具有管盖212，管盖212与金属管211管壁之间通过转轴可转动连接，用于根据光照和温度的变化调节储热和限制对流作用。第一金属管板21和第二金属管板22交替层叠排列，相邻管板的金属管排列方向相互交叉或垂直。
工作时，当在早上或傍晚时分，光照较弱，温度较低时，管盖212关闭在金属管211上，使金属管211之间的孔隙较大，提高光线向下透射的能力，上下层的金属网状构件均能得到充足的光线照射，提高光热转换效率。
当在中午时分，光照增强，温度升高时，随着光照的逐渐增强，温度的逐渐增高，管盖212可以绕转轴213逐渐缓慢打开(此打开过程为连续过程，打开过程中不作停留)或者每次打开到预设角度后停留一段时间，直至打开至与关闭时的角度呈180°，预设角度根据实际光照强度和温度设定，使金属管211之间的孔隙逐渐被遮挡而减小，降低真空管1内部气体在孔隙之间的对流换热，将气体控制在金属网状构件之中，从而抑制了气体自然对流热损失，提高了储热能力。
实施例3
本实施例提供一种真空式集热系统，与实施例1不同的是，真空式集热系统中的真空式集热器包括：真空管1、金属网状构件2、上通道3和下通道4。至少两个真空管1阵列排布在上通道3和下通道4之间，真空管1的一端与上通道3连通，另一端与下通道4连通。至少两个金属网状构件2层叠阵列连接于真空管1空腔内部，具有可调节的储热和限制对流作用。
与实施例1所不同的是，至少两个金属网状构件2具有可调节的储热和限制对流作用。
优选地，如图6所示，金属网状构件2包括呈网状结构的金属片23和传动机构24。金属片23的一端与传动机构24连接，在传动机构24的带动下进行移动，用于根据光照和温度的变化调节储热和限制对流作用。金属片23的肋具有一定的宽度，相比于钢丝网，吸热面积更大，吸热储热能力更强。优选地，传动机构为齿轮和齿条传动机构，金属片23的下部具有齿条结构，与齿轮相啮合连接，齿轮转动，带动金属片左右移动。
工作时，当在早上或傍晚时分，光照较弱，温度较低时，传动机构24驱动金属片23移动，使至少两层呈网状结构的金属片23的孔隙同轴排列，使对光线的阻挡较小，能使较多的光线透射到下层，提高光线向下透射的能力，上下层的金属网状构件均能得到充足的光线照射，提高光热转换效率。
当在中午时分，光照增强，温度升高时，随着光照的逐渐增强，温度的逐渐增高，传动机构24驱动金属片23左/右移动，使至少两层呈网状结构的金属片23左右相错开，孔隙逐渐被遮挡而减小，降低真空管1内部气体在孔隙之间的对流换热，将气体控制在金属网状构件之中，从而抑制了气体自然对流热损失，提高了储热能力。
实施例4
本实施例提供一种真空式集热系统的集热方法，如图7所示，包括以下步骤：
S1、真空式集热器001对气体进行加热。
S2、第一阀门002和第一风机003开启，将经真空式集热器001加热后的气体，传输至储热器006中，并使气体在真空式集热器001和储热器006之间循环流动一段时间，以使气体达到稳定的温度。该一段时间可根据实际需要进行设置。
S3、一段时间后，第二阀门004开启或者第二阀门004和第二风机005共同开启，将热气体从储热器006传输至热输出器007用于使用，将热输出器007输出的冷却气体传输至储热器006，以使被冷却的气体回热。
优选地，真空式集热器001对气体进行加热的步骤包括：
S11、第一层金属网状构件2吸收透过真空管1管壁照射来的光线热量。
S12、第二层以上的金属网状构件2吸收透过真空管1管壁照射来的光线热量和透过上层金属网状构件2的孔隙照射来的光线热量。
S13、真空管1内部气体经加热后从上通道3或下通道4排出。
S14、当光照较弱和/或温度较低时，管盖212关闭在金属管211上，使金属网状构件2的孔隙较大，提高光线向下透射的能力，上下层的金属网状构件均能得到充足的光线照射，提高光热转换效率。
S15、当光照较强和/或温度较高时，管盖212绕转轴213转动打开一定角度，使金属网状构件2的孔隙较小，降低真空管1内部气体在间隙之间的对流换热，将气体控制在金属网状构件之中，从而抑制了气体自然对流热损失，提高了储热能力。
或者优选地，真空式集热器001对气体进行加热的步骤包括：
S11’、第一层金属网状构件2吸收透过真空管1管壁照射来的光线热量。
S12’、第二层以上的金属网状构件2吸收透过真空管1管壁照射来的光线热量和透过上层金属网状构件2的孔隙照射来的光线热量。
S13’、真空管1内部气体经加热后从上通道3或下通道4排出。
S14’、当光照较弱和/或温度较低时，传动机构24驱动金属片23移动，使至少两个金属网状构件2的孔隙同轴排列，使对光线的阻挡较小，能使较多的光线透射到下层，提高光线向下透射的能力，上下层的金属网状构件均能得到充足的光线照射，提高光热转换效率。
S15’、当光照较强和/或温度较高时，传动机构24驱动金属片23移动，使至少两个金属网状构件2的孔隙非同轴相错排列，间隙减小，降低真空管1内部气体在间隙之间的对流换热，将气体控制在金属网状构件之中，从而抑制了气体自然对流热损失，提高了储热能力。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
Claims (10)
1.一种真空式集热系统，其特征在于，包括：真空式集热器(001)、第一阀门(002)、第一风机(003)、第二阀门(004)、第二风机(005)、储热器(006)和热输出器(007)；
真空式集热器(001)相互串联和/或并联连接，串联和/或并联连接后的总进口通过管道与储热器(006)出口连接，总出口依次经第一阀门(002)和第一风机(003)通过管道与储热器(006)进口连接；
热输出器(007)的进口通过管道与储热器(006)的出口连接，出口经第二阀门(004)通过管道与储热器(006)进口连接，第二风机(005)并联连接在第二阀门(004)两端。
2.根据权利要求1所述的真空式集热系统，其特征在于，所述真空式集热器(001)包括：真空管(1)、金属网状构件(2)、上通道(3)和下通道(4)；
至少两个真空管(1)阵列排布在上通道(3)和下通道(4)之间，真空管(1)的一端与上通道(3)连通，另一端与下通道(4)连通；
至少两个金属网状构件(2)层叠阵列连接于真空管(1)空腔内部，具有储热和限制对流作用。
3.根据权利要求2所述的真空式集热系统，其特征在于，所述金属网状构件(2)为钢丝网。
4.根据权利要求3所述的真空式集热系统，其特征在于，所述钢丝网的丝线为中空管，中空管内部填充有吸热液体。
5.根据权利要求1所述的真空式集热系统，其特征在于，所述真空式集热器(001)包括：真空管(1)、金属网状构件(2)、上通道(3)和下通道(4)；
至少两个真空管(1)阵列排布在上通道(3)和下通道(4)之间，真空管(1)的一端与上通道(3)连通，另一端与下通道(4)连通；
至少两个金属网状构件(2)层叠阵列连接于真空管(1)空腔内部，具有可调节的储热和限制对流作用。
6.根据权利要求5所述的真空式集热系统，其特征在于，所述金属网状构件(2)包括第一金属管板(21)和第二金属管板(22)；
第一金属管板(21)和第二金属管板(22)均包括平行排列的金属管(211)，平行排列的金属管(211)形成板状，金属管(211)具有管盖(212)，管盖(212)与金属管(211)管壁之间通过转轴可转动连接，用于根据光照和温度的变化调节储热和限制对流作用；
第一金属管板(21)和第二金属管板(22)交替层叠排列，相邻管板的金属管排列方向相互交叉或垂直。
7.根据权利要求5所述的真空式集热系统，其特征在于，所述金属网状构件(2)包括呈网状结构的金属片(23)和传动机构(24)；
金属片(23)的一端与传动机构(24)连接，在传动机构(24)的带动下进行移动，用于根据光照和温度的变化调节储热和限制对流作用。
8.一种真空式集热系统的集热方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、真空式集热器(001)对气体进行加热；
S2、第一阀门(002)和第一风机(003)开启，将经真空式集热器(001)加热后的气体，传输至储热器(006)中，并使气体在真空式集热器(001)和储热器(006)之间循环流动一段时间；
S3、一段时间后，第二阀门(004)开启或者第二阀门(004)和第二风机(005)共同开启，将热气体从储热器(006)传输至热输出器(007)用于使用，将热输出器(007)输出的冷却气体传输至储热器(006)。
9.根据权利要求8所述的集热方法，其特征在于，所述真空式集热器(001)对气体进行加热的步骤包括：
S11、第一层金属网状构件(2)吸收透过真空管(1)管壁照射来的光线热量；
S12、第二层以上的金属网状构件(2)吸收透过真空管(1)管壁照射来的光线热量和透过上层金属网状构件(2)的孔隙照射来的光线热量；
S13、真空管(1)内部气体经加热后从上通道(3)或下通道(4)排出；
S14、当光照较弱和/或温度较低时，管盖(212)关闭在金属管(211)上，使金属网状构件(2)的孔隙较大；
S15、当光照较强和/或温度较高时，管盖(212)绕转轴(213)转动打开一定角度，使金属网状构件(2)的孔隙较小。
10.根据权利要求8所述的集热方法，其特征在于，所述真空式集热器(001)对气体进行加热的步骤包括：
S11’、第一层金属网状构件(2)吸收透过真空管(1)管壁照射来的光线热量；
S12’、第二层以上的金属网状构件(2)吸收透过真空管(1)管壁照射来的光线热量和透过上层金属网状构件(2)的孔隙照射来的光线热量；
S13’、真空管(1)内部气体经加热后从上通道(3)或下通道(4)排出；
S14’、当光照较弱和/或温度较低时，传动机构(24)驱动金属片(23)移动，使至少两个金属网状构件(2)的孔隙同轴排列；
S15’、当光照较强和/或温度较高时，传动机构(24)驱动金属片(23)移动，使至少两个金属网状构件(2)的孔隙非同轴相错排列。
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