CN111238061B - 一种中空平板太阳能集热器及其工作和制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种中空平板太阳能集热器及其工作和制作方法，该集热器包括中空板、上集管组件、下集管组件和保温板。所述中空板为自带流体通道的吸热板，其为空心结构，且其内部具有并列的、可通过工质的流体通道；所述上集管组件和下集管组件由侧面带孔的上干管和下干管，以及插入上干管和下干管侧面的孔的若干立管构造而成；所述中空板的上下端口与上集管组件以及下集管组件之间采用灌封胶粘接的方法结合到一起形成管板式吸热板，工质自下集管组件进入中空板的流体通道并从上集管组件流出；所述保温板粘贴在所述中空板的背阴面。

Description

一种中空平板太阳能集热器及其工作和制作方法
技术领域
本发明属于太阳能利用技术领域，具体涉及一种中空平板太阳能集热器及其工作和制作方法。
背景技术
太阳能集热器是一种吸收太阳辐射并将产生的热能传递到传热介质的装置，其是各种太阳能热利用装置的关键部分。平板型太阳集热器是太阳集热器中一种最基本的类型，其采用吸热板和流体通道结合的原理，通过表面涂有吸收层的吸热板吸收太阳辐射能转换成热能，并传递给板上布置的流体通道内的工质，吸热后的工质带着有用的热能传递到储热系统中。此类集热器结构简单、运行可靠，但存在表面热损大，集热效率低的问题。
为解决集热器表面热损大，集热效率低的问题，经检索，中国专利公开号为CN107314557A的专利，提供一种太阳能平板集热器，主要由软膜和背板构成，软膜设于背板的外侧面上，用于吸收太阳能；软膜与背板的外侧面之间设有间隙，传热工质在该间隙内形成水膜，从而增大有效集热面积，降低表面热损，提高了集热效率。上述专利提供的技术方案不仅提高了集热性能，而且结构更加简单，将是一类具有良好应用前景的太阳能平板集热器。但是上述专利还存在以下不足：第一，该集热器内液流采用上供下回的组织方案，容易导致液流分布不均和排气不彻底，使其内部无法被循环液体工质充满，从而造成集热器面积无法被完全地利用，有效集热面积将一直低于集热器面积；第二，由于集热器由软膜这种柔性材料和背板构成，上供下回的液流方式还将引起软膜和背板之间产生吸附作用，进一步降低了有效集热面积。有效集热面积的降低将带来集热器集热效率的降低。
综上，如何提供一种更理想的集热器构造方案，使集热器内部被循环液体工质充满，让集热器面积能够被充分利用，已经成为亟需解决的问题。
发明内容
为了克服现有技术存在的一系列缺陷，本发明的目的在于针对上述问题，提供一种中空平板太阳能集热器，包括中空板、上集管组件、下集管组件和保温板，所述中空板为自带流体通道的吸热板，其为空心结构，其内部具有并列的、可通过工质的流体通道；所述上集管组件和下集管组件由侧面带孔的上干管和下干管，以及插入上干管和下干管侧面的孔的若干立管构造而成；所述中空板的上下端口与上集管组件以及下集管组件之间采用灌封胶粘接的方法结合到一起形成管板式吸热板，工质自下集管组件进入中空板的流体通道并从上集管组件流出；所述保温板粘贴在所述中空板的背阴面。
进一步的，所述中空板选用深色板材，或者选用透明板材并在其朝阳面涂覆对板材无腐蚀性的深色涂料。
进一步的，所述中空板为透明聚碳酸酯中空板，且其朝阳面涂覆有对其无腐蚀性的黑色涂料。
进一步的，中空板的朝阳面覆盖透明盖板。
进一步的，上集管组件与下集管组件的构造及材料完全相同。
进一步的，固化后的灌封胶在管板间的粘接部位形成固体状的胶合带，且其将中空板端的孔槽和立管，以及上干管与下干管的侧面的孔道包裹并粘接为一体，实现上集管组件、下集管组件与中空板的粘接与密封。
进一步的，所述保温板为橡塑海绵保温板。
本发明的目的还在于提供一种中空平板太阳能集热器的工作方法，其原理是，将中空板的朝阳面吸收太阳辐射能并转换成热能，工质从下集管组件进入中空板并在中空板的流体通道内吸收中空板表面传递的热能，吸热后的工质从上集管组件流出；其中，工质带走的热流量，计算公式如下式所示：
cmρmqv(to-ti)＝αEsA-h(tc-ta)A
式中：to为传热介质从流体通道流出时的温度，单位为K；ti为传热介质进入流体通道时的温度，单位为K；cm为传热工质的比热容，单位为J/(kg·K)；ρm为传热工质的密度，单位为kg/m3；qv为循环传热工质的体积流量，单位为m3/s；Es为集热器接收的太阳辐射照度，单位为W/m2；tc为集热器表面温度，单位为K；ta为集热器周围的气温，单位为K；A为集热器面积，单位为m2；α为集热器表面的太阳辐射吸收率；h为集热器表面与周围空间之间的表面传热系数，W/(m2·K)。
本发明的目的还在于提供一种中空平板太阳能集热器的制作方法，包括以下步骤：
S1):挑选中空板
选用深色板材，或者选用透明板材并在其朝阳面涂覆对其无腐蚀性的深色涂料；
S2):制作下集管组件和上集管组件
选择侧面带孔的管件作为下集管组件的下干管：下干管的长度必须超过中空板宽度，下干管侧面的孔道的孔径必须略小于中空板通道的孔径，且孔数与中空板通道数相同，两两相邻的下干管侧面的孔道之间的孔距相同；
选择管件作为下集管组件的下立管：下立管的外径与下干管侧面的孔道的孔径一致，下立管长度必须足以深入到下干管及中空板下端的内部；
将下立管插入下干管侧面的孔道中，完成下集管组件的制作；
使用下集管组件的制作方法完成上集管组件的制作；
S3):制作管板式吸热板
将下集管组件上安插的整排下立管同时插入中空板下端口，并在下立管与中空板下端口之间预留一段便于充填灌封胶的距离；
在中空板下端口与下集管组件结合部的一侧形成一个通长的灌胶区，在对侧的结合部缝隙处倾倒液体灌封胶形成外部胶合带；
外部胶合带固化后，向下干管内的下立管与其结合的部位倾倒液体灌封胶形成内部胶合带；
等下干管内的胶液固化后，按照与上述灌胶工序相同的方法，完成中空板上端口与上集管组件的粘接；
S4):检查胶合带的质量
胶合带固化后，检查胶面是否密实；
S5):完成中空平板太阳能集热器的制作
在中空板的背阴面，粘贴保温板。
进一步的，在中空板的朝阳面覆盖透明盖板。
与现有技术相比，本发明提供了一种中空平板太阳能集热器及其制作方法，具备以下有益效果：
1)通过使用刚性材料的中空板作为自带流体通道的吸热板，流体通道面积与吸热板面积基本相等，与传统平板集热器相比，有效集热面积更大，表面热损失更小，集热效率更高；构造上集管组件以及下集管组件，并利用灌封胶实现中空板与集管组件的紧密连接，以实现构造的中空平板太阳能集热器内下供上回的液流组织方式，从而实现集热器内的液流分布均匀和排气彻底，使其内部被循环液体工质充满，让集热器面积能够被充分利用，实现集热器整个表面吸收的热量高效地传递给内部的循环液体工质，与膜类平板集热器采用的软膜集热器构造方案和上供下回液流组织方式相比，实现了更高的集热效率；
2)中空板内具有并联的流体通道，使得中空平板太阳能集热器内过流断面大，流动阻力小，同时，作为通道内外界面的板壁很薄，换热热阻小，热效率高；
3、中空平板太阳能集热器的组件均可就地取材，原材料来源广泛，且价格低廉，耐用性好；利用灌封胶实现的吸热体的管板结合新方法，保证了管板连接的牢靠性，进一步保证中空平板集热器的耐用性；
4)中空平板太阳能集热器的制作不需要模具，方法简单，节约了成本，提高了工作效率；
5)空平板太阳能集热器不仅可安装于室外，同样适合安装于温室北墙内表面；这种安装方式不仅无需占用温室栽培面积，而且由于温室内的温度相较于室外更高，可显著降低集热器向周围环境的散热；另外，安装于室内的中空平板太阳能集热器还可在温室需要加温时，作为采暖散热器使用，节约了太阳能加温系统的设备费用。
附图说明
图1是本发明的一种中空平板太阳能集热器的结构主视图；
图2是为沿图1中A-A线的剖面图。
图中附图标记为：
1-中空板，2-上集管组件，3-下集管组件，4-灌封胶，5-保温板、6-下干管，7-下立管。
具体实施方式
为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。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作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。
下面通过参考附图描述的实施例以及方位性的词语均是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
如图1和图2所示，一种中空平板太阳能集热器，包括中空板1、上集管组件2、下集管组件3和保温板5。
所述中空板1为自带流体通道的吸热板，其为空心结构，其内部具有并列的、可通过工质的流体通道；所述上集管组件2和下集管组件3由侧面带孔的上干管和下干管6，以及插入上干管和下干管6侧面的孔的若干立管构造而成；所述中空板1的上下端口与上集管组件2以及下集管组件3之间采用灌封胶4粘接的方法结合到一起形成管板式吸热板，工质自下集管组件3进入中空板1的流体通道并从上集管组件2流出；所述保温板5粘贴在所述中空板1的背阴面。
优选地，所述中空板1选用深色板材，或者选用透明板材并在其朝阳面涂覆对板材无腐蚀性的深色涂料。
优选地，所述中空板1为透明聚碳酸酯中空板，且其朝阳面涂覆有对其无腐蚀性的黑色涂料。
优选地，中空板1的朝阳面覆盖透明盖板。
优选地，上集管组件2与下集管组件3的构造及材料完全相同。
优选地，固化后的灌封胶4在管板间的粘接部位形成固体状的胶合带，且其将中空板1端的孔槽和立管，以及上干管与下干管6的侧面的孔道包裹并粘接为一体，实现上集管组件2、下集管组件3与中空板1的粘接与密封。
优选地，所述保温板5为橡塑海绵保温板。
本发明还提供了一种中空平板太阳能集热器的工作方法，其原理为：中空板1的朝阳面吸收太阳辐射能并转换成热能，工质从下集管组件3进入中空板1并在中空板1的流体通道内吸收中空板1表面传递的热能，吸热后的工质从上集管组件2流出；其中，工质带走的热流量，计算公式如下式所示：
cmρmqv(to-ti)＝αEsA-h(tc-ta)A
式中：to为传热介质从流体通道流出时的温度，单位为K；ti为传热介质进入流体通道时的温度，单位为K；cm为传热工质的比热容，单位为J/(kg·K)；ρm为传热工质的密度，单位为kg/m3；qv为循环传热工质的体积流量，单位为m3/s；Es为集热器接收的太阳辐射照度，单位为W/m2；tc为集热器表面温度，单位为K；ta为集热器周围的气温，单位为K；A为集热器面积，单位为m2；α为集热器表面的太阳辐射吸收率；h为集热器表面与周围空间之间的表面传热系数，W/(m2·K)。
本发明还提供了一种中空平板太阳能集热器的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1):挑选中空板1
选用深色板材，或者选用透明板材并在其朝阳面涂覆对其无腐蚀性的深色涂料；
S2):制作下集管组件3和上集管组件2
选择侧面带孔的管件作为下集管组件3的下干管6：下干管6的长度必须超过中空板1宽度，下干管6侧面的孔道的孔径必须略小于中空板1通道的孔径，且孔数与中空板1通道数相同，两两相邻的下干管6侧面的孔道之间的孔距相同；
选择管件作为下集管组件3的下立管7：下立管7的外径与下干管6侧面的孔道的孔径一致，下立管7长度必须足以深入到下干管6及中空板1下端的内部；
将下立管7插入下干管6侧面的孔道中，完成下集管组件3的制作；
使用下集管组件3的制作方法完成上集管组件2的制作；
S3):制作管板式吸热板
将下集管组件3上安插的整排下立管7同时插入中空板1下端口，并在下立管7与中空板1下端口之间预留一段便于充填灌封胶4的距离；
在中空板1下端口与下集管组件3结合部的一侧形成一个通长的灌胶区，在对侧的结合部缝隙处倾倒液体灌封胶4形成外部胶合带；
外部胶合带固化后，向下干管6内的下立管7与其结合的部位倾倒液体灌封胶4形成内部胶合带；
等下干管6内的胶液固化后，按照与上述灌胶工序相同的方法，完成中空板1上端口与上集管组件2的粘接；
S4):检查胶合带的质量
胶合带固化后，检查胶面是否密实；
S5):完成中空平板太阳能集热器的制作
在中空板1的背阴面，粘贴保温板5。
其中，在中空板1的朝阳面覆盖透明盖板。
为了更好的理解上述制作方法，现在举例进行说明，实际制作步骤为：
S1)挑选中空板1
选择10mm厚的透明聚碳酸酯中空板，并在其朝阳面覆盖对板材无腐蚀性的黑色涂料。
S2)制作上集管组件2和下集管组件3
选择长度超出中空板1宽度的Φ50聚氯乙烯圆管作为下集管组件3的下干管6，左右端各多出的60mm是用于下集管组件3端头的密封或与太阳能系统其他部件的连接；之后，在下干管6侧面长度与中空板1等宽的一条直线上，加工出一排Φ8小孔，必须保证下干管6上的孔数与中空板1通道数相同，孔距保持一致。
选择Φ8聚氨酯圆管制作下集管组件3的下立管7，下立管7长度为60mm，足以深入到下干管6及中空板1下端的内部；将下立管7插入下干管6上的小孔中。至此，便完成下集管组件3的制作。上集管组件2的制作与下集管组件3完全相同。
S3)制作管板式吸热板
将下干管6上安插的整排下立管7同时插入中空板1下端口，下立管7与中空板1下端口之间留有2mm的距离，用于在下集管组件3与中空板1下端口之间充填灌封胶4。
在中空板1下端口与下集管组件3结合部的前侧，粘贴胶带，在中空板1下端与下干管6之间形成一个通长的灌胶区；之后，将集热器组件倾斜摆放，在后侧的结合部缝隙处倾倒液体灌封胶4，在中空板1下端与下集管组件3两侧的结合部分别形成外部胶合带，如图1所示；等灌封胶4固化后，将集热器组件直立摆放，向下干管6内的下立管3与下干管6结合的部位，倾倒液体灌封胶4，形成内部胶合带，胶合带的截面，如图2所示。
等下干管6内的灌封胶4固化后，180°翻转整个集热器组件，按照与上述灌胶工序相同的方法，完成中空板1上端口与上集管组件2的粘接。
在完成中空板1上下端口分别与上集管组件2和下集管组件3之间的全部灌胶工序后，便完成了由中空板1及构造的上集管组件2和下集管组件3组成的管板式吸热板的制作。
S4)检查胶合带的质量
在所有胶合带固化后，去除用于形成灌胶区的胶带，观察胶面有无不密实之处，如发现未灌实的部位，需设法弥补。
S5)完成中空平板太阳能集热器的制作
在中空板1的后表面，粘贴橡塑海绵保温板。
最后需要指出的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制。尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种中空平板太阳能集热器，包括中空板(1)、上集管组件(2)、下集管组件(3)和保温板(5)，其特征在于，所述中空板(1)为自带流体通道的吸热板，其为空心结构，且其内部具有并列的、可通过工质的流体通道；所述上集管组件(2)和下集管组件(3)由侧面带孔的上干管和下干管(6)，以及插入上干管和下干管(6)侧面的孔的若干立管构造而成；所述中空板(1)的上下端口与上集管组件(2)以及下集管组件(3)之间采用灌封胶(4)粘接的方法结合到一起形成管板式吸热板，工质自下集管组件(3)进入中空板(1)的流体通道并从上集管组件(2)流出；所述保温板(5)粘贴在所述中空板(1)的背阴面，固化后的灌封胶(4)在管板间的粘接部位形成固体状的胶合带，且其将中空板(1)端的孔槽和立管，以及上干管与下干管(6)的侧面的孔道包裹并粘接为一体，实现上集管组件(2)、下集管组件(3)与中空板(1)的粘接与密封。
2.根据权利要求1所述的中空平板太阳能集热器，其特征在于，所述中空板(1)选用深色板材，或者选用透明板材并在其朝阳面涂覆对板材无腐蚀性的深色涂料。
3.根据权利要求2所述的中空平板太阳能集热器，其特征在于，所述中空板(1)为透明聚碳酸酯中空板，且其朝阳面涂覆有对其无腐蚀性的黑色涂料。
4.根据权利要求2所述的中空平板太阳能集热器，其特征在于，中空板(1)的朝阳面覆盖透明盖板。
5.根据权利要求1所述的中空平板太阳能集热器，其特征在于，上集管组件(2)与下集管组件(3)的构造及材料完全相同。
6.根据权利要求1所述的中空平板太阳能集热器，其特征在于，所述保温板(5)为橡塑海绵保温板。
7.一种根据权利要求1-6任一所述的中空平板太阳能集热器的工作方法，其特征在于，中空板(1)的朝阳面吸收太阳辐射能并转换成热能，工质从下集管组件(3)进入中空板(1)并在中空板(1)的流体通道内吸收中空板(1)表面传递的热能，吸热后的工质从上集管组件(2)流出；其中，工质带走的热流量，计算公式如下式所示：
cmρmqv(to-ti)＝αEsA-h(tc-ta)A
式中：to为传热介质从流体通道流出时的温度，单位为K；ti为传热介质进入流体通道时的温度，单位为K；cm为传热工质的比热容，单位为J/(kg·K)；ρm为传热工质的密度，单位为kg/m3；qv为循环传热工质的体积流量，单位为m3/s；Es为集热器接收的太阳辐射照度，单位为W/m2；tc为集热器表面温度，单位为K；ta为集热器周围的气温，单位为K；A为集热器面积，单位为m2；α为集热器表面的太阳辐射吸收率；h为集热器表面与周围空间之间的表面传热系数，W/(m2·K)。
8.根据权利要求1-6任一所述的一种中空平板太阳能集热器的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1):挑选中空板(1)
选用深色板材，或者选用透明板材并在其朝阳面涂覆对其无腐蚀性的深色涂料；
S2):制作下集管组件(3)和上集管组件(2)
选择侧面带孔的管件作为下集管组件(3)的下干管(6)：下干管(6)的长度必须超过中空板(1)宽度，下干管(6)侧面的孔道的孔径必须略小于中空板(1)通道的孔径，且孔数与中空板(1)通道数相同，两两相邻的下干管(6)侧面的孔道之间的孔距相同；
选择管件作为下集管组件(3)的下立管(7)：下立管(7)的外径与下干管(6)侧面的孔道的孔径一致，下立管(7)长度必须足以深入到下干管(6)及中空板(1)下端的内部；
将下立管(7)插入下干管(6)侧面的孔道中，完成下集管组件(3)的制作；
使用下集管组件(3)的制作方法完成上集管组件(2)的制作；
S3):制作管板式吸热板
将下集管组件(3)上安插的整排下立管(7)同时插入中空板(1)下端口，并在下立管(7)与中空板(1)下端口之间预留一段便于充填灌封胶(4)的距离；
在中空板(1)下端口与下集管组件(3)结合部的一侧形成一个通长的灌胶区，在对侧的结合部缝隙处倾倒液体灌封胶(4)形成外部胶合带；
外部胶合带固化后，向下干管(6)内的下立管(7)与其结合的部位倾倒液体灌封胶(4)形成内部胶合带；
等下干管(6)内的胶液固化后，按照与上述灌胶工序相同的方法，完成中空板(1)上端口与上集管组件(2)的粘接；
S4):检查胶合带的质量
胶合带固化后，检查胶面是否密实；
S5):完成中空平板太阳能集热器的制作
在中空板(1)的背阴面，粘贴保温板(5)。
9.根据权利要求8所述的中空平板太阳能集热器制作方法，其特征在于，在中空板(1)的朝阳面覆盖透明盖板。
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