CN110701799A - 一种基于搭接式微热管阵列的真空管太阳能集热-储热一体化装置 - Google Patents

一种基于搭接式微热管阵列的真空管太阳能集热-储热一体化装置 Download PDF

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Abstract

一种基于搭接式微热管阵列的真空管太阳能集热‑储热一体化装置，涉及太阳能光热利用领域，该装置主要包括蓄热箱体、全玻璃真空太阳集热管、取热风道、带有储热材料的平板微热管阵列组件。储热时，全玻璃真空太阳集热管内管吸热体吸收太阳能，从而加热管内空气，热空气再以通过热对流的方式将微热管阵列加热。微热管阵列以其优异的热传导性能将热量高效地传递给蓄热箱体中的储热材料，从而将太阳能储存；放热时，空气通道内引入低温空气，储热材料释放热量并通过微热管阵列传递至低温空气，从而提供高温空气；同时储/放热模式下，太阳能一部分将能量储存于储热材料，另一部分将空气通道内的低温空气加热，在获得高温空气的同时，将热量储存。

Description

一种基于搭接式微热管阵列的真空管太阳能集热-储热一体 化装置
技术领域
本发明涉及强化换热技术和太阳能集热、蓄热技术领域，特别是涉及一套以空气作为换热介质并应用搭接式微热管阵列的真空管太阳能空气集热、储热一体化装置。
背景技术
太阳能是一种资源丰富，分布广泛的清洁可再生能源，既可免费收集利用，又无需运输，对环境无任何污染。有效地应用太阳能可为人类提供众多便利，如在采暖期利用太阳能空气集热器加热空气，并将热空气直接送入室内的采暖方式可以有效地缓解冬季对化石能源的消耗，并减少污染性气体的排放，非常适用于偏远农村、山区、工业厂房、值班岗亭等较为分散而又无有效采暖方式的建筑；此外，空气作为换热介质并直接应用的方式无需考虑冬结冰，系统泄漏等问题，启动快，系统简单，运行维护费用相对低廉，并且在非采暖期还可应用于农作物烘干、海水淡化和吸收式制冷等领域。
就目前而言，太阳能集热器作为太阳能光热转化技术中的核心组成部分已在各大领域得以广泛使用，其中真空管集热器因其全玻璃真空太阳集热管所存在的真空管保温层使得其具有优异的保温性，并在众多类型的太阳能集热器脱颖而出。但是由于太阳能的间歇性，不稳定性，分散性等特性，使得太阳能热利用系统中加入有效的储热技术以延长太阳能系统的使用时间，保证系统连续运行是必须的。传统太阳能空气集热-蓄热系统中，太阳能集热器和储热器分开放置，并通过风管进行连接，加之管道中的管件阀件使得系统复杂，占地面积大。此外，储热器中的储热材料与被空气集热器加热的热风之间存在着必然的二次换热现象，使得太阳能系统整体的热效率大大降低。并且空气与储热材料之间大多采用直接接触换热的方式，换热效果较差，并且系统空气流动较大，需要消耗较大的风机能耗等问题，使得太阳能空气系统的应用价值大大降低。
发明内容
本发明的目的在于开发设计出一种基于搭接式微热管阵列的真空管太阳能集热、储热一体化装置。以搭接式微热管阵列作为核心传热元件，将太阳能集热器和储热器进行连接，并且用于接收全玻璃真空太阳集热管(5)所吸收的太阳能和加热储热材料(3)的两个不同功能的微热管阵列(1)进行分离并搭接处理，可减少太阳能热利用系统中的二次换热热损失，减小系统占地面积，并且采用搭接的技术措施避免了在热管中部加热时无法有效运行的问题，强化了储热器的放热效果。
本发明的技术方案如下：
一种基于搭接式微热管阵列的真空管太阳能集热-储热一体化装置，其特征在于，主要构件包括：主要包括蓄热箱体(6)、全玻璃真空太阳集热管(5)、空气风道(7)、带有储热材料(3)的平板微热管阵列组件(4)；
所述平板微热管阵列组件(4)按照长度方向的依次分为四个功能段，分别为集热段、搭接段、蓄热段和取热段四部分。
所述平板微热管阵列组件(4)的集热段内嵌于太阳能全玻璃真空太阳集热管(5)的内部并固定，可设置强化传热措施(如在集热段的表面焊接或粘接强化换热肋片、泡沫金属等)，也可直接放置于全玻璃真空太阳集热管(5)的内腔中。
所述平板微热管阵列组件(4)的搭接段采用两个平板微热管阵列(1)通过端部叠合的方式进行面与面之间粘接、焊接、直接铸造或机械按压的连接方式相连接成直线结构；两相互搭接的微热管阵列(1)内部的工质相互不连通。
所述平板微热管阵列组件(4)的蓄热段放置于蓄热箱体(6)中，所述蓄热段微平板微热管阵列组件的正面和背面焊接或粘接强化换热元件(2)，所述强化换热元件(2)可以是等截面直肋、百叶窗翅片、V型波浪肋片、泡沫金属等增大换热面积的构件。
所述储热材料(3)放置于蓄热箱体(6)中与平板微热管阵列组件(4)的蓄热段外表面相接触，储热材料(3)可以是显热蓄热材料，如水、油、颗粒较小的砂石、或不同金属氧化物等，也可以是相变蓄热材料，如六水氯化钙、三水醋酸钠、有机醇、石蜡、脂肪酸等。
所述平板微热管阵列组件(4)的取热段放置于空气风道(7)中，所述平板微热管阵列组件(4)取热段的正面和背面粘接或焊接强化换热元件(2)；通过风机抽引空气进入空气通道(7)中以得到热空气。
所述的蓄热箱体(6)应在底板与顶板加工有定位和安装平板微热管阵列组件(4)的矩形孔，在蓄热箱体(6)的相对的两侧面各伸出一定长度的平板微热管阵列(1)；安装时，通孔部位应用密封胶圈挤压密封，并涂抹密封胶、AB胶、金属焊接胶等，或直接将缝隙处焊接严密以防止储热材料(3)的泄漏损失。
所述蓄热箱体(6)、空气风道(7)均使用保温材料进行隔热处理。
基于搭接式微热管阵列的集热-储热一体化装置在白天吸收太阳能时，宜根据当地纬度加减10°朝南放置。
所述蓄热箱体(6)可配合全玻璃真空太阳集热管(5)、单支微热管阵列组件(4)和储热材料(3)做成换热单元(8)，应用时采用多单元串联的装配式装置以组成不同集热面积，不同储热量的装置用于不同的场合。所述蓄热箱体(6)也可按需要的整体尺寸制成箱体，与平板微热管阵列组件(4)、全玻璃真空太阳集热管(5)、储热材料(3)和空气通道(7)结合为整体式装置。
所述平板微热管阵列(1)外观为1～3mm厚的铝金属板，内部具有若干独立的、带有微翅片或吸液芯的微热管通道也即微型热管，各微热管通道即微型热管的等效直径为1～5mm。微热管通道中抽真空灌装工质，该工质可以是R134a、R141b、乙醇、甲醇、丙酮等制冷剂。
本发明可实现单独储热、单独放热和同时储/放热。在白天可以关闭空气通道(7)，将全玻璃真空太阳集热管(5)所吸收的太阳能通过微热管阵列(1)传递至储热材料(3)，进行单独储热模式；也可以在白天打开空气通道(7)，进行同时储热、放热模式。若白天储热材料(3)已储存热量，夜间可打开空气通道(7)进行单独放热模式。
本发明的技术效果：
本发明在于利用微热管阵列(1)的高效传热性能并与全玻璃真空太阳集热管(5)对太阳能的高效吸收特性、强化换热元件(2)以及将装有储热材料(3)的储热器相集成，使得太阳能集热器和储热器有机结合，从而实现迅速、高效地吸收、储存和利用太阳能。此外，为了避免应用此种结构在放热时，储热材料(3)加热微热管阵列中间部位时无法有效运行的问题。
实际应用中，可将平板微热管阵列组件(4)、储热材料(3)、储热箱体(6)、全玻璃真空太阳集热管(5)和空气通道(7)制造成换热单元(8)，通过实际所需对换热单元(8)进行组合装配以达到所需集热面积、储热量及供热量；应用时也可以直接将全玻璃真空太阳集热管(5)的数量和储热箱体(6)尺寸进行匹配，将储热箱体(6)按所需整体尺寸进行制作，并与全玻璃真空太阳集热管(5)、平板微热管阵列组件(4)和空气通道(7)进行组装形成整体结构。此外，由于搭接段的存在，应用时可根据用热条件的不同，通过更换微热管阵列组件(4)的集热段和全玻璃真空太阳能集热管(5)的长度或蓄热箱体(6)的大小，以达到实际所需。
全玻璃真空太阳集热管(5)的吸热面积应与储热材料(3)的储热量相匹配，储热材料(3)的储热量也应与实际所需的热量相匹配。所使用的强化换热肋片(2)的形式也应与换热介质相匹配，空气侧以采用等截面直肋、百叶窗翅片以、V型翅片矩形交错翅片等方式等更佳；而储热材料侧以等截面直肋、泡沫金属及矩形交错翅片等方式更佳。
本发明实现了热空气与储热材料(3)之间的二次换热的简化以及系统的占地面积大、布置复杂等问题的改善，并合理有效地收集、储存和利用太阳能，延长了太阳能系统的有效时间，不受时间和供求双方在用能上强度不匹配的限制，平稳的将热量供给用户使用。
附图说明
图1是一种基于搭接式微热管阵列的真空管太阳能集热-储热一体化装置中微热管阵列组件及换热单元的构造示意图。
图2是若干换热单元组合而成的基于搭接式微热管阵列的真空管太阳能集热-储热一体化装置外观示意图。
图3是将根据真空管数量匹配整体蓄热箱体后组装的基于搭接式微热管阵列的真空管太阳能集热-储热一体化装置结构示意图。
图4是微热管阵列的外观示意图。
图5是微热管阵列内部剖面结构示意图。
平板微热管阵列1、强化换热元件2储热材料3、平板微热管阵列组件4、全玻璃真空太阳集热管5、蓄热箱体6、空气风道7、换热单元8、真空管支架9、微型热管10、微型翅片11。
具体实施方式
以下结合附图对本发明进行说明，但本发明并不限于以下实施例。
实施例1
图1为基于搭接式微热管阵列的真空管太阳能集热-储热一体化装置的换热单元8的拆分示意图。两支平板微热管阵列1相互搭接形成搭接式微热管阵列传热元件，微热管阵列组件4的搭接段采用两个微热管阵列1通过粘接、焊接、直接铸造或机械按压连接的方式相连接。两相互搭接的微热管阵列1内部的工质相互不连通。在微热管阵列组件4的蓄热段和取热段的正面和背面焊接或粘接强化换热元件2，述强化换热元件2可以是等截面直肋，百叶窗翅片，V型波浪肋片，泡沫金属等增大换热面积的构件。需要注意的是，取热段的强化换热肋片2应不影响空气的流动。蓄热段的强化换热元件2外侧为储热材料3，并一同放入蓄热箱体6中。储热材料3可以是显热蓄热材料，如水、油、颗粒较小的砂石、或不同金属氧化物等，也可以是相变蓄热材料，如六水氯化钙、三水醋酸钠、有机醇、石蜡、脂肪酸等。蓄热箱体6应在底板与顶板加工有定位和安装微热管阵列组件1的矩形孔，在蓄热箱体6的上下各伸出一定长度的微热管阵列1。安装时，通孔部位应用密封胶圈挤压密封，并涂抹密封胶、AB胶、金属焊接胶等，或直接将缝隙处焊接严密以防止储热材料3的泄漏损失。强化换热元件2、搭接后的微热管阵列1、储热材料3共同组成搭接式微热管阵列组件4，其集热段放置于全玻璃真空太阳集热管5中并固定，可设置强化传热措施如焊接或粘接强化换热肋片、泡沫金属等，也可直接放置于全玻璃真空太阳集热管5的内腔。取热段放置于空气风道7内，由此上述的所有部件共同组成换热单元8。
图2为采用多个换热单元8并排组成而成的多单元组合式搭接微热管阵列真空管集热-储热一体化装置的外观，从外观上看，与一般真空管太阳能集热器类似，但与一般真空管太阳能集热器相比，具备吸收太阳能和储存太阳能两种功能，性价比更高，若储热材料3为相变储热材料，还可更大程度上增加储热密度，并且储、放热过程功率相对稳定。采用多个换热单元8并列排列的方式可根据实际应用热工况的不同增加或者减少换热单元的数量，空气通道7应将所有微热管阵列4的取热段全部包括，以便放热时将每个换热单元8所储存的热量释放。所有全玻璃真空太阳集热管5的底部应设置有支架用以固定全玻璃真空太阳集热管5，防止破损。在白天有阳光时，全玻璃真空太阳集热管5内壁的选择性吸热涂层吸收太阳能并通过内腔的空气加热微热管阵列组件4的集热段，若空气通道7内无空气流动，则装置所收集的太阳能仅将热量通过蓄热段储存在储热材料中，实现单独储热模式；若空气通道7中有空气流动，则装置既将热量储存于储热材料中，还有一部分热量将被空气提取，实现同时储、放热模式。无太阳时可通过储热材料5加热微热管阵列组件4从而加空气通道7中的空气，并将热空气送入所需用户。
图3为根据真空管数量匹配蓄热箱体6并与空气通道7和微热管阵列组件4共同组装为整体式搭接微热管阵列真空管集热储热-一体化装置。与上述多单元组合式一体化装置不同的是，所述的整体式一体化装置的蓄热箱体6为一个整体，在匹配真空管时可通过改变真空管5长度或蓄热箱体6的尺寸以适应所需的用热工况。同样的，真空管支架9也应这只在全玻璃真空太阳能集热管的底部，防止真空管底部的破损。由于搭接段的存在，应用时可根据用热条件的不同，通过更换微热管阵列组件4的集热段和全玻璃真空太阳能集热管5的长度或蓄热箱体6的大小，以达到实际所需。
图4和图5所示为微热管阵列1的外观和内部剖面示意图，微热管阵列1为金属材料焊接、冲压或挤压成型的具有独立的两个及以上并列的微型热管10的平板结构材料。图5为图4的A-A的剖视图，每个微型热管10的当量直径为1～5mm，各微型热管10的内壁带有微型翅片11，通孔内抽真空灌装气液相变介质，该工质可以是R134a、R141b、乙醇、甲醇、丙酮等物质。单根微型热管10的当量直径不宜小于1mm，也不宜高于5mm，最优尺寸为1.5～3mm。微热管阵列1内部的各个微型热管10之间相互独立，并通过管壁相互连接，彼此相互支持，起到加强筋的作用，充分提高微热管阵列1的运行可靠性。
本发明涉及的一种基于搭接式微热管阵列真空管太阳能集热-储热一体化装置，为一个以空气为换热介质并集成太阳能集热和储热两种功能的装置，最主要应用领域为太阳能光热利用、强化换热和热储存领域，利用微热管阵列1的高效传热性能并与全玻璃真空太阳集热管5对太阳能的高效吸收特性、强化换热元件2以及将装有储热材料3的储热器相集成，使得太阳能集热器和储热器有机结合，从而实现迅速、高效地吸收、储存和利用太阳能。此外，为了避免应用此种结构在放热时，储热材料3加热微热管阵列中间部位时无法有效运行的问题。使用本发明将实现热空气与储热材料3之间的二次换热的简化以及系统的占地面积大、布置复杂等问题的改善，并合理有效地收集、储存和利用太阳能，延长了太阳能系统的有效时间，不受时间和供求双方在用能上强度不匹配的限制，平稳的将热量供给用户使用。

Claims (10)

1.一种基于搭接式微热管阵列的真空管太阳能集热-储热一体化装置，其特征在于，主要构件包括：主要包括蓄热箱体(6)、全玻璃真空太阳集热管(5)、空气风道(7)、带有储热材料(3)的平板微热管阵列组件(4)；
所述平板微热管阵列组件(4)按照长度方向的依次分为四个功能段，分别为集热段、搭接段、蓄热段和取热段四部分；
所述平板微热管阵列组件(4)的集热段内嵌于太阳能全玻璃真空太阳集热管(5)的内部并固定，设置强化传热措施，或直接放置于全玻璃真空太阳集热管(5)的内腔中；
所述平板微热管阵列组件(4)的搭接段采用两个平板微热管阵列(1)通过端部叠合的方式进行面与面之间粘接、焊接、直接铸造或机械按压的连接方式相连接成直线结构；两相互搭接的微热管阵列(1)内部的工质相互不连通；
所述储热材料(3)放置于蓄热箱体(6)中与平板微热管阵列组件(4)的蓄热段外表面相接触；
所述平板微热管阵列组件(4)的取热段放置于空气风道(7)中。
2.按照权利要求1所述的一种基于搭接式微热管阵列的真空管太阳能集热-储热一体化装置，其特征在于，所述平板微热管阵列组件(4)的蓄热段放置于蓄热箱体(6)中，所述蓄热段微平板微热管阵列组件的正面和背面焊接或粘接强化换热元件(2)；所述平板微热管阵列组件(4)取热段的正面和背面粘接或焊接强化换热元件(2)；通过风机抽引空气进入空气通道(7)中以得到热空气。
3.按照权利要求2所述的一种基于搭接式微热管阵列的真空管太阳能集热-储热一体化装置，其特征在于，所述强化换热元件(2)是等截面直肋、百叶窗翅片、V型波浪肋片、泡沫金属等增大换热面积的构件。
4.按照权利要求1所述的一种基于搭接式微热管阵列的真空管太阳能集热-储热一体化装置，其特征在于，所述的蓄热箱体(6)应在底板与顶板加工有定位和安装平板微热管阵列组件(4)的矩形孔，在蓄热箱体(6)的相对的两侧面各伸出一定长度的平板微热管阵列(1)；安装时，通孔部位应用密封胶圈挤压密封，并涂抹密封胶、AB胶、金属焊接胶等，或直接将缝隙处焊接严密以防止储热材料(3)的泄漏损失。
5.按照权利要求1所述的一种基于搭接式微热管阵列的真空管太阳能集热-储热一体化装置，其特征在于，所述蓄热箱体(6)、空气风道(7)均使用保温材料进行隔热处理。
6.按照权利要求1所述的一种基于搭接式微热管阵列的真空管太阳能集热-储热一体化装置，其特征在于，储热材料(3)是显热蓄热材料，选自水、油、颗粒较小的砂石、或不同金属氧化物，或是相变蓄热材料，选自六水氯化钙、三水醋酸钠、有机醇、石蜡、脂肪酸。
7.按照权利要求1所述的一种基于搭接式微热管阵列的真空管太阳能集热-储热一体化装置，其特征在于，所述蓄热箱体(6)配合全玻璃真空太阳集热管(5)、单支微热管阵列组件和储热材料(3)做成换热单元(8)，应用时采用多单元串联的装配式装置以组成不同集热面积，不同储热量的装置用于不同的场合；所述蓄热箱体(6)也可按需要的整体尺寸制成箱体，与平板微热管阵列组件(4)、全玻璃真空太阳集热管(5)、储热材料(3)和空气通道(7)结合为整体式装置。
8.按照权利要求1所述的一种基于搭接式微热管阵列的真空管太阳能集热-储热一体化装置，其特征在于，所述平板微热管阵列(1)外观为1～3mm厚的铝金属板，内部具有若干独立的、带有微翅片或吸液芯的微热管通道也即微型热管，各微热管通道即微型热管的等效直径为1～5mm；微热管通道中抽真空灌装工质。
9.按照权利要求8所述的一种基于搭接式微热管阵列的真空管太阳能集热-储热一体化装置，其特征在于，该工质选自R134a、R141b、乙醇、甲醇、丙酮等制冷剂。
10.按照权利要求1所述的一种基于搭接式微热管阵列的真空管太阳能集热-储热一体化装置，其特征在于，基于搭接式微热管阵列的集热-储热一体化装置在白天吸收太阳能时，宜根据当地纬度加减10°朝南放置。
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