CN110906430A - 一种用于智慧社区的太阳能集热器及其供暖系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于智慧社区的热效率高的太阳能集热器及其供暖系统，集热器包括透明前盖板、后壳、吸热层、位于吸热层下方并与其紧密接触的导热管，后壳上设有保温结构，保温结构紧贴吸热层并包裹导热管，透明前盖板和吸热层之间设置有多孔高透光材料层，保温结构包括相变储能层以及保温层，相变储能层贴合在吸热层后方并包覆导热管，保温层设置在相变储能层和后壳之间；设置的多孔高透光材料层不妨碍太阳能的吸收，多孔材料相比格栅更能够降低空气的对流和热量散失；相变储能材料通过融化的物相变化，从吸热层吸收热量并实现储能，减少吸热层的热量散失；夜间温度降低后，相变材料由吸热转为释热，对导热管起到供热、维持温度、防冻等多方面的效果。

Description

一种用于智慧社区的太阳能集热器及其供暖系统

技术领域

本发明涉及智慧社区技术领域，尤其是涉及一种用于智慧社区的具有高热效率的太阳能集热器及其供暖系统。

背景技术

智慧社区是以先进的物联网通信技术、智能化自动控制技术以及各种新设施新材料技术来构建人类居住生活的社区空间，达到舒适、安全、节能、环保的理念。

供暖系统和热水系统都是社区必备的基础设施。通过燃烧化石能源实现的供暖系统和热水系统不但能耗大，而且增加了空气污染，不符合智慧社区的要求。而太阳能集热实现的供暖系统和热水系统则充分体现了智慧社区的理念，因此，越来越多的新兴智慧社区铺设了基于太阳能集热的供暖和热水循环系统。

太阳能集热器用于吸收太阳能，是智慧社区供暖和热水系统的关键部件。传统的太阳能集热器包括透明前盖板、后壳、吸热层、位于吸热层下方并与其紧密接触的导热管，导热管内流动导热介质(例如水)，保温结构紧贴吸热层并包裹导热管以防止热量散失。

由于保温结构的存在，吸热层吸收的太阳能热量从后部散失的占比很小，但是为了透光，前盖板和吸热层之间只有空气，没有防止热量散失的结构，导致散失热量中80％以上的占比是从前盖板散失的。经过热力学分析，在前盖板散失热量过程中，空气对流是热量散失的主要方式，因此要想办法降低前盖板和吸热层之间空气的对流性。针对以上问题，有的现有技术提出在前盖板安装蜂窝格栅，把前盖板和吸热层之间的空间分隔，降低对流，但是这种方式增加了前盖板的结构复杂性和制造难度，且容易损坏。

另外，现有技术中影响热效率的另一个因素就是导热管一般无法将吸热层的热量全部传导，热量传导不及时也会导致散失增大；另外，夜间不能吸收太阳能，导热管内介质温度明显降低，对供暖不利。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于智慧社区的热效率高的太阳能集热器及其供暖系统，以解决现有技术中前盖板和吸热层之间只有空气，没有防止热量散失的结构，导致散失热量中80％以上的占比从前盖板散失；导热管无法将吸热层的热量全部传导，热量传导不及时导致散失增大；另外，夜间不能吸收太阳能，导热管内介质温度明显降低，对供暖不利的技术问题；本发明提供的诸多技术方案中的优选技术方案所能产生的诸多技术效果详见下文阐述。

为实现上述目的，本发明提供了以下技术方案：

本发明提供的一种热效率高的太阳能集热器，包括透明前盖板、后壳、吸热层、位于吸热层下方并与其紧密接触的导热管，所述后壳上设有保温结构，保温结构紧贴吸热层并包裹导热管，所述透明前盖板和吸热层之间设置有多孔高透光材料层，所述保温结构包括相变储能层以及保温层，所述相变储能层贴合在吸热层后方并包覆导热管，所述保温层设置在相变储能层和后壳之间。

可选地，多孔高透光材料层的材料为通过溶胶-凝胶法制备的多孔纳米晶TiO₂薄膜。

可选地，相变储能层的材料为低温相变储能材料。

可选地，低温相变储能材料为Na₂HP0₄·xH₂0/淀粉接枝丙烯酸钠储热材料或Na₂HP0₄·xH₂0/聚丙烯酸钠储热材料。

可选地，相变储能层包括相变温度依次升高并且依次连接的第一相变层、第二相变层、...、第n相变层，n≥2，所述第一相变层水平铺展贴合设置在吸热层背面，所述第n相变层与后壳上的保温层水平铺展贴合。

可选的，相变储能层包括相变温度依次升高的第一相变层、第二相变层、...、第n相变层，n≥2，所述相变储能层垂直贴合在吸热层背面，相变储能层的中心层为第一相变层，第一相变层的左右两侧由内到外依次贴合设置第二相变层、...、第n相变层，所述第n相变层与导热管贴合设置。

可选的，第一相变层、第二相变层、...、第n相变层之间依次通过导热层连接。

一种具有高热效率的用于智慧社区的太阳能集热器供暖系统，包括上述的太阳能集热器，还包括控制器、用热端、相变储热换能器和换热导管，所述太阳能集热器和控制器、相变储热换能器通过换热导管相连构成供热回路，所述用热端与相变储热换能器通过换热导管相连构成用热回路。

可选地，相变储热换能器包括外壳、贴合在外壳内部的隔热层以及设置在隔热层内的两个环状相变储热装置，所述换热导管贯穿所述相变储热换能器，所述一个环状相变储热装置包覆在供热回路的换热导管上，另一个环状相变储热装置包覆在用热回路的换热导管上。

可选地，环状相变储热装置包括相变温度依次降低并且由内到外依次设置的第一相变层、第二相变层、...、第n相变层，n≥2，所述换热导管贴合包覆在第一相变层的环状结构内。

本发明提供的一种用于智慧社区的热效率高的太阳能集热器及其供暖系统，其有益效果为：

太阳能集热器上设置的多孔高透光材料层的高透光性不妨碍太阳能的吸收，多孔材料相比格栅更能够降低空气的对流和热量散失，并且方便安装；相变储能材料通过融化的物相变化，从吸热层吸收热量并实现储能，可以将吸热层无法导出的热量进行存储，减少吸热层的热量散失；夜间吸热层和导热管温度降低后，相变材料由吸热转为释热，可以对导热管起到一定的供热、维持温度、防冻等多方面的效果；太阳能集热器供暖系统增加了相变储热换能器，也是利用相变材料，把白天的富余热量进行储存，夜间释热实现供暖，实现错峰供热。

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一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明传统太阳能集热器的结构示意图；

图2是本发明太阳能集热器的结构示意图；

图3是本发明太阳能集热器的另一种结构示意图；

图4是本发明太阳能集热器的另一种结构示意图；

图5是本发明太阳能集热器的相变储能层的一种结构示意图；

图6是本发明太阳能集热器供暖系统的结构框图；

图7是本发明太阳能集热器供暖系统的相变储热换能器的结构示意图。

图中1-透明前盖板，2-后壳，3-吸热层，4-导热管，5-多孔高透光材料层，6-相变储能层，7-保温层，8-导热层，9-控制器，10-用热端，11-相变储热换能器，12-换热导管，13-外壳，14-隔热层，15-环状相变储热装置，16-低温相变层，17-中温相变层，18-高温相变层。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。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的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。

作为可选地实施方式，

实施例1:

如图1-5所示，一种用于智慧社区的热效率高的太阳能集热器，包括透明前盖板1、后壳2、吸热层3、位于吸热层3下方并与其紧密接触的导热管4，后壳2上设有保温结构，保温结构紧贴吸热层3并包裹导热管4，透明前盖板1和吸热层3之间设置有多孔高透光材料层5，保温结构包括相变储能层6以及保温层7，相变储能层6贴合在吸热层3后方并包覆导热管4，保温层7设置在相变储能层6和后壳2之间。

本太阳能集热器为了克服传统集热器前盖板和吸热层3之间容易散失热量的技术问题，在前盖板和吸热层3之间设置多孔高透光材料层5，多孔高透光材料层5具有高透光性，太阳光可以高效地透射到吸热层3上，不影响太阳能的吸收，并且多孔高透光材料层5具有均匀的纳米级气孔结构，相比栅格结构可以更好地降低前盖板和吸热层3之间的空气对流，减少热量散失；同时，为了减少吸热层3和导热管4之间的热量散失，增设相变储能层6，相变储能层6采用相变材料制成，基于相变材料熔化和凝固过程的相变，实现热量的吸收存储和放热供暖，将吸热层3未能传递给导热管4的热量吸收储存，随着外界温度的变化，将储存的热量散发出来进行热能利用，进一步提高吸热层3的热能利用率，实现错峰供热。

实施例2：

在上述实施例的基础上，作为进一步的优选方案：如图2-5所示，多孔高透光材料层5的材料为通过溶胶-凝胶法制备的多孔纳米晶TiO2薄膜，多孔纳米晶TiO2薄膜具有良好的透光性以及纳米级的微孔结构，保证太阳能吸收效率的情况下还通过微孔结构高效地减少空气对流，可以很好地替代传统的栅格结构，降低吸热层3从前面板一侧的热量流失，其中值得说明的是，由于制备过程的多样性，不同制备方法制备的多孔纳米晶TiO2薄膜的透光性会有所不同，为了保证多孔纳米晶TiO2薄膜的透光性，选择溶胶-凝胶法进行制备，制备的方法步骤如下，

步骤1：将2mL乙酰丙酮加入到20mL无水乙醇中，然后加入定量的钛酸丁酯，磁力搅拌得混合溶液A。将1mL去离子水加入到20mL无水乙醇中，用硝酸调节pH值为3～4，得混合溶液B。在磁力搅拌下，将B缓慢滴加到A中。继续搅拌1h，得到黄色透明溶胶；

步骤2：将上述溶胶转入聚四氟乙烯制内杯的反应釜中，于80℃下陈化24h。采用浸渍提拉法制备薄膜，将经无水乙醇和蒸馏水超声洗涤干燥后的玻璃基片浸入上述陈化的溶胶中停留片刻，以6～8cm/min的速度垂直提拉上来，于100℃下干燥30min，重复浸渍提拉过程，收集新鲜溶胶、溶胶陈化24h相应的干凝胶膜样品，其中，除了在80℃下陈化24h之外，还可以在150℃下陈化2h；

步骤3：将覆有干凝胶的玻璃直接置于500℃的空气氛围中煅烧1h，得到TiO2薄膜；

得到的TiO2薄膜即为多孔纳米晶TiO2薄膜，80℃下陈化24h及150℃下陈化2h溶胶制备的薄膜其透光性能较佳，500nm透光率最高可达到96％及90％，完全可以满足对太阳能吸收的要求。

实施例3：

在上述实施例的基础上，作为进一步的优选方案：如图2-5所示，相变储能层6的材料为低温相变储能材料；所述低温相变储能材料为Na2HP04·xH20/淀粉接枝丙烯酸钠储热材料或Na2HP04·xH20/聚丙烯酸钠储热材料，值得说明的是，低温相变储能材料可分为无机、有机物及其复合物，十二水磷酸氢二钠化合物是其中质量储热密度最大的一种，选择设置的低温相变储能材料的作用在于，在白天温度由低升高的过程中，在吸热层3温度达到其相变温度后，低温相变储能材料发生相变过程，将吸热层3多余的热量进行吸收并储存，白天到夜晚随着温度降低的过程中，在温度降低到相变温度后，低温相变储能材料进行逆向相变，将储存的热量散发出来，供给给导热管4，对导热管4起到一定的供热、维持温度、防冻等多方面的效果，之所以没有选用高温相变储能材料，是因为高温相变储能材料的相变温度较高，所以在白天到夜晚的过程中，可能在傍晚温度没有很低的时候，高温相变储能材料就已经发生相变散发热能，进而在温度更低的半夜，就不能起到很好的供热、维持温度、防冻的功能。

实施例4：

在上述实施例的基础上，作为进一步的优选方案：如图3所示，相变储能层6包括相变温度依次升高并且依次连接的第一相变层、第二相变层、...、第n相变层，n≥2，所述第一相变层水平铺展贴合设置在吸热层3背面，所述第n相变层与后壳2上的保温层7水平铺展贴合，第一相变层、第二相变层、...、第n相变层之间依次通过导热层8连接。

储能相变层包括了多层不同相变温度的相变材料制成，可以有效实现梯级相变储能，梯级相变储能相比于单一相变层储能的优点在于，单一相变层的相变温度较为固定，在温度没有达到相变温度时，相变层不会发生相变，也就不能有效地进行储能，而梯级相变储能包括了多个不同相变温度的相变层，扩大了相变的温度范围，进而可以在更大的温度范围内都可以发生相变过程，对热量进行储存，其中，以n＝3为例，对应的第一相变层、第二相变层和第三相变层分别对应低温相变层16、中温相变层17和高温相变层18进行原理说明，水平分层设置的储能相变层由上到下依次为低温相变层16、中温相变层17和高温相变层18，低温相变层16与吸热层3相连，高温相变层18与保温层7相连，在白天温度由低升高的过程中，吸热层3的温度逐渐升高，储能相变层的低温相变层16首先进行相变进而储存一部分吸热层3的多余热量，低温相变层16热量储满后，热量传递给中温相变层17，中温相变层17热量储满后，热量传递给高温相变层18，在三个相变层进行相变的过程中，由于相变材料本身具有良好的导热性，已经相变完成的相变层就变成导热性良好的导热层8，不会影响热量的传递，使得内部的高相变温度的相变层也能够及时的相变吸热；在白天到夜晚随着温度降低的过程中，在温度降低到一定温度后，首先是高温相变层18进行逆向相变，将储存的热量散发出来，供给给导热管4，然后随着温度继续降低，依次是中温相变层17和低温相变层16进行散热，值得注意的是，由于高温相变层18设置在远离吸热层3和前盖板的一侧，而且高温相变层18的另一侧为保温层7，高温相变层18是在温度降低的过程中首先进行散热的，所以在高温相变层18首先散热的时候，其和前盖板一侧的吸热层3之间还具有中温相变层17和低温相变层16的隔断，使得散发的热量能更少地从前面板散发流失，若高温相变层18设置在靠近前面板的一侧，则温度会快速地从前面板流失，造成热能的浪费。

实施例5：

在上述实施例的基础上，作为进一步的优选方案：如图4所示，相变储能层6包括相变温度依次升高的第一相变层、第二相变层、...、第n相变层，n≥2，所述相变储能层6垂直贴合在吸热层3背面，相变储能层6的中心层为第一相变层，第一相变层的左右两侧由内到外依次贴合设置第二相变层、...、第n相变层，所述第n相变层与导热管4贴合设置，第一相变层、第二相变层、...、第n相变层之间依次通过导热层8连接。

储能相变层包括了多层不同相变温度的相变材料制成，并且垂直的设置在吸热层3和保温层7之间，以n＝3为例，对应的第一相变层、第二相变层和第三相变层分别对应低温相变层16、中温相变层17和高温相变层18进行原理说明，垂直分层设置的储能相变层由内到外依次为低温相变层16、中温相变层17和高温相变层18，高温相变层18与导热管4贴合，并且低温相变层16、中温相变层17和高温相变层18的上下表面分别与吸热层3和保温层7贴合，或者具体地说，低温相变层16、中温相变层17和高温相变层18的上表面与吸热层3贴合，低温相变层16、中温相变层17和高温相变层18的下表面与保温层7贴合，在白天温度由低升高的过程中，吸热层3的温度逐渐升高，储能相变层的低温相变层16、中温相变层17和高温相变层18都与吸热层3接触，但首先进行相变的是低温相变层16，然后依次是中温相变层17和高温相变层18，并且导热管4也与吸热层3贴合吸热，在相变储能层6相变完成后，完成热量存储，在白天到夜晚随着温度降低的过程中，在温度降低到一定温度后，首先是高温相变层18进行逆向相变，将储存的热量散发出来，供给给导热管4，此时虽然有一部分热量会从吸热层3和前面板流失，但由于其设置的结构，与前面板一侧的吸热层3接触面积较小，所以散失的热量较低，不会影响正常供热，并且相比于传统的结构，其储热效率更好，热量流失更少，然后随着温度继续降低，依次是中温相变层17和低温相变层16进行散热，值得注意的是，中温相变层17散发的热量通过高温相变层18的热传导传递给导热管4，低温相变层16散发的热量通过中温相变层17和高温相变层18的热传导传递给导热管4，可以发现，在温度降低的过程中，首先散热的是与导热管4相贴合的高温相变层18，可以高效地将热量传递给导热管4，虽然最后相变的是最远离导热管4的低温相变层16，但低温相变层16是最后相变的一层，在中温相变层17或者高温相变层18进行相变散热的时候，未完全吸热相变的低温相变层16仍可以将热量进行吸收，完成相变吸热过程，并且在低温相变层16进行逆向相变散热的时候，其热量可以通过中温相变层17和高温相变层18的热传导作用传递给导热管4，其主要的优点在于，外界温度升高，进行吸热相变的过程可以同时进行，并且低温相变层16完成的相变程度最高，最先完成热量存储，在外界温度降低过程中，首先散热的高温相变层18直接与导热管4接触，可以减少热量的流失，率先完成热量存储的低温相变层16则可以在温度更低的时候，提供能多的热量给导热管4，使得在深夜温度更低的时候，也可以有热量给予提供。

实施例6：

在上述实施例的基础上，如图1-7所示，一种用于智慧社区的热效率高的太阳能集热器供暖系统，包括上述的太阳能集热器，还包括控制器9、用热端10、相变储热换能器11和换热导管12，所述太阳能集热器和控制器9、相变储热换能器11通过换热导管12相连构成供热回路，所述用热端10与相变储热换能器11通过换热导管12相连构成用热回路。

供暖系统通过太阳能集热器进行能量的储存以及热源供应，控制器9图奥杰太阳能集热器的供暖的温度，换热导管12内的导热介质进行热量传递，用热端10则进行温度选择和供暖的开闭，其中由于导热介质在换热导管12内流动的过程中，会有一部分热量从换热导管12流失，设置的相变储热换能器11也是利用相变材料，把白天的富余热量进行储存，夜间释热实现供暖，减少热量的流失。

实施例7：

在上述实施例的基础上，作为进一步的优选方案：相变储热换能器11包括外壳13、贴合在外壳13内部的隔热层14以及设置在隔热层14内的两个环状相变储热装置15，所述换热导管12贯穿所述相变储热换能器11，所述一个环状相变储热装置15包覆在供热回路的换热导管12上，另一个环状相变储热装置15包覆在用热回路的换热导管12上。

实施例8：

在上述实施例的基础上，作为进一步的优选方案：如图7所示，环状相变储热装置15包括相变温度依次降低并且由内到外依次设置的第一相变层、第二相变层、...、第n相变层，n≥2，所述换热导管12贴合包覆在第一相变层的环状结构内。

环状相变储热装置15包括了多层不同相变温度的相变材料制成，并且由内到外依次包覆在导热管4的外部，以n＝3为例，对应的第一相变层、第二相变层和第三相变层分别对应高温相变层18、中温相变层17和低温相变层16进行原理说明，首先，换热导管12的温度降低的过程中，是与导热管4直接接触的高温相变层18发生相变进行散热，以维持导热管4内导热介质的温度，所以将高温相变层18设置在最内层，并且由于隔热层14的存在，在换热导管12温度升高的过程中，虽然最外层的低温相变层16首先完成相变，但随着温度升高，其热量不会从外壳13散发出去，不担心热量散发的问题。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种用于智慧社区的热效率高的太阳能集热器，包括透明前盖板(1)、后壳(2)、吸热层(3)、位于吸热层(3)下方并与其紧密接触的导热管(4)，所述后壳(2)上设有保温结构，保温结构紧贴吸热层(3)并包裹导热管(4)，其特征在于，所述透明前盖板(1)和吸热层(3)之间设置有多孔高透光材料层(5)，所述保温结构包括相变储能层(6)以及保温层(7)，所述相变储能层(6)贴合在吸热层(3)后方并包覆导热管(4)，所述保温层(7)设置在相变储能层(6)和后壳(2)之间。

2.根据权利要求1所述的一种用于智慧社区的热效率高的太阳能集热器，其特征在于，所述多孔高透光材料层(5)的材料为通过溶胶-凝胶法制备的多孔纳米晶TiO₂薄膜。

3.根据权利要求1或2所述的一种用于智慧社区的热效率高的太阳能集热器，其特征在于，所述相变储能层(6)的材料为低温相变储能材料。

4.根据权利要求3所述的一种用于智慧社区的热效率高的太阳能集热器，其特征在于，所述低温相变储能材料为Na₂HP0₄·xH₂0/淀粉接枝丙烯酸钠储热材料或Na₂HP0₄·xH₂0/聚丙烯酸钠储热材料。

5.根据权利要求1所述的一种用于智慧社区的热效率高的太阳能集热器，其特征在于，所述相变储能层(6)包括相变温度依次升高并且依次连接的第一相变层、第二相变层、...、第n相变层，n≥2，所述第一相变层水平铺展贴合设置在吸热层(3)背面，所述第n相变层与后壳(2)上的保温层(7)水平铺展贴合。

6.根据权利要求1所述的一种用于智慧社区的热效率高的太阳能集热器，其特征在于，所述相变储能层(6)包括相变温度依次升高的第一相变层、第二相变层、...、第n相变层，n≥2，所述相变储能层(6)垂直贴合在吸热层(3)背面，相变储能层(6)的中心层为第一相变层，第一相变层的左右两侧由内到外依次贴合设置第二相变层、...、第n相变层，所述第n相变层与导热管(4)贴合设置。

7.根据权利要求5或6所述的一种用于智慧社区的热效率高的太阳能集热器，其特征在于，所述第一相变层、第二相变层、...、第n相变层之间依次通过导热层(8)连接。

8.一种用于智慧社区的热效率高的太阳能集热器供暖系统，包括太阳能集热器，其特征在于，还包括控制器(9)、用热端(10)、相变储热换能器(11)和换热导管(12)，所述太阳能集热器和控制器(9)、相变储热换能器(11)通过换热导管(12)相连构成供热回路，所述用热端(10)与相变储热换能器(11)通过换热导管(12)相连构成用热回路；

所述太阳能集热器为权利要求1-7任一项所述的太阳能集热器。

9.根据权利要求8所述的一种用于智慧社区的热效率高的太阳能集热器供暖系统，其特征在于，所述相变储热换能器(11)包括外壳(13)、贴合在外壳(13)内部的隔热层(14)以及设置在隔热层(14)内的两个环状相变储热装置(15)，所述换热导管(12)贯穿所述相变储热换能器(11)，所述一个环状相变储热装置(15)包覆在供热回路的换热导管(12)上，另一个环状相变储热装置(15)包覆在用热回路的换热导管(12)上。

10.根据权利要求9所述的一种用于智慧社区的热效率高的太阳能集热器供暖系统，其特征在于，所述环状相变储热装置(15) 包括相变温度依次降低并且由内到外依次设置的第一相变层、第二相变层、...、第n相变层，n≥2，所述换热导管(12)贴合包覆在第一相变层的环状结构内。

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