CN111412666A - 一种相变储热的控温式太阳能烘箱 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种相变储热的控温式太阳能烘箱，包括：聚光集热装置：由热水箱、聚光集热组件和方向控制组件组成，用以实现对热水箱内工质的加热；相变储热装置：由带有储热箱万向轮的外壳以及设置在外壳内多个并联的模块箱串组成，用以实现对热水箱流出的工质进行储热；多功能干燥装置：包括干燥箱以及设置在干燥箱上的汇集水箱组成，所述的汇集水箱分别与相变储热装置和热水箱连接，用以对干燥箱提供热量。与现有技术相比，本发明具有梯级控温、高效集热干燥、结构新颖、简单可靠、安全高效、实用性强等优点。

Description

一种相变储热的控温式太阳能烘箱
技术领域
本发明涉及可再生能源利用领域，尤其是涉及一种相变储热的控温式太阳能烘箱。
背景技术
随着传统不可再生能源的消耗，全球气候不断恶化等问题接踵而来，人类生存的环境由此受到严重的威胁，太阳能由于其清洁、安全、节能等优点，具有广阔的应用前景，但太阳能受到天气、地理环境等因素的影响，其能量的利用率不稳定且能量密度较低。
提高可再生能源的利用已成为未来能源领域的重要发展趋势，因此开拓太阳能在节能环保领域的利用在解决能源危机方面具有重要意义，目前，充分发挥太阳能在光照时间长、采光充足地区的优势是主流发展方向，但是，太阳能由于间歇性、不稳定性仍然阻碍了其应用范围。因此，需要研发一种相变储热的控温式太阳能烘箱，即可以利用清洁环保的太阳能作为能源供给，同时利用相变模块也可以提高设备能源输出的稳定性，达到对各类农产品和中药材烘干与加热等效果。
中国专利(申请号201620202984.6)提出一种管内相变储能太阳能干燥器，该干燥器太阳能通过热管吸收热量提供给干燥箱，多余热量由废热回收换热器吸收。此装置在一定程度上可以解决食品干燥、提供家庭热水等问题，但是该干燥器无大容量储热装置，不能保证全天连续进行干燥加工，尤其在阳光不足的条件下，无法保证干燥设备的正常运行，不适合大规模推广应用；另外，中国专利(申请号201010600814.0)提出了一种基于相变暖气片双滚筒的干果和茶叶烘干装置，此装置有利于对茶叶以及农产品进行烘干处理，但该专利控温效果较差，不能全天候对农产品进行干燥。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种相变储热的控温式太阳能烘箱，本发明高效地收集太阳能并将太阳热存储在相变储热装置中，通过调节储热模块的数量和控制循环工质的流量可持续并控制烘箱温度进行除湿和干燥，可以广泛应用于农作物或中药材干燥、家庭热水与供暖系统等方面。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种相变储热的控温式太阳能烘箱，包括：
聚光集热装置：由热水箱、聚光集热组件和方向控制组件组成，用以实现对热水箱内工质的加热；
相变储热装置：由带有储热箱万向轮的外壳以及设置在外壳内多个并联的模块箱串组成，用以实现对热水箱流出的工质进行储热；
多功能干燥装置：包括干燥箱以及设置在干燥箱上的汇集水箱组成，所述的汇集水箱分别与相变储热装置和热水箱连接，用以对干燥箱提供热量。
所述的聚光集热组件包括聚光板以及分别用以支撑连接聚光板的聚光支撑杆，所述的聚光支撑杆顶端与热水箱底部连接，底端分别与聚光板的四角连接。
所述的方向控制组件包括方向角电机、俯仰角电机、安装在聚光板底部两端的支架、光敏阵列以及单片机，所述的支架之间设有连杆，并且在该连杆上偏心的安装有第一齿轮，所述的方向角电机输出轴固定有转盘，所述的俯仰角电机固定在转盘上，所述的俯仰角电机的输出轴通过第二齿轮与第一齿轮啮合传动，所述的安装支架固定在聚光板底部，所述的承重杆用以固定聚光板，所述的光敏阵列固定在承重杆上，并且与单片机通信用以控制方向角电机和俯仰角电机的启停。
所述的聚光板为金属分体冲压成型的偏轴偏焦聚光板。
每个模块箱串均由多个串联的模块箱构成，通过分流水管和第一进水管与热水箱的出水管连通，并且通过第一出水管与汇集水箱连接，每个模块箱内设有换热管，并在其余空间填充有复合相变材料。
所述的干燥箱内由下至上依次设有低温箱、中温箱和高温箱，所述的低温箱设有低温水管，所述的中温箱设有中温水管，所述的高温箱设有高温水管，所述的低温水管、中温水管和高温水管相互并联，其进水端与汇集水箱的第二出水口连通，出水端与汇集水箱的第三进水管连通，汇集水箱的第三出水管与热水箱的进水管连通，汇集水箱的第二进水管与第一出水管连通。
所述的低温水管、中温水管和高温水管的管径依次增大，并在进水端分别设有控制阀。
所述的低温水管的管径范围为8～12mm，所述的中温水管的管径范围为12～16mm，所述的高温水管的管径范围为16～20mm。
所述的复合相变材料采用相变温度为50～300℃，相变潜热为150～300kJ/kg，过冷度为0.1～10℃的相变材料。
所述的模块箱的四个角以及中心区域开设用以安装R型热电阻测温的开孔。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1)本发明采用实时跟踪太阳的偏轴偏焦式聚光集热装置，可以高效收集太阳热用于加热聚光板焦点处的热水箱，为干燥和取暖提供热源。
2)相变储热装置由若干个高性能复合相变材料模块组成，通过调节储热模块的连接方式和数量，可实现全天候热量均匀输出，满足不同农产品或中药材等的干燥和生活取暖的需求。
3)多功能干燥装置设置多层加热空间，通过调节循环工质的流量来维持不同的温度，可以达到梯级控温和分阶段干燥的效果，其干燥效率高及稳定可靠。
4)该相变储热的控温式太阳能烘箱收集太阳热进行热量储存并加热多功能烘箱，能源利用率高，干燥效果好，适用性强，可广泛应用于农作物或中药材干燥、家庭热水系统以及家庭供暖等方面。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图。
图2为本发明聚光集热装置的结构示意图。
图3为本发明相变储热装置的结构示意图。
图4为本发明多功能干燥装置的结构示意图。
图中标记说明：
100、聚光集装置，200、相变储热装置，300、多功能干燥装置，101、方向角电机，102、俯仰角电机，103、安装支架，104、光敏阵列，105、承重杆，106、聚光板，107、聚光支撑杆，108、热水箱，201、外壳202、储热箱万向轮，203、模块箱，204、第一进水管，205、分流水管，206、复合相变材料，207、第一出水管，208、换热管，301、第二进水管，302、汇集水箱，303、第二出水管304、第三出水管，305、高温箱，306、高温水管，307、中温箱，308、中温水管，309、低温箱，310、低温水管，311、干燥装置万向轮，312、第三进水管。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例
如图1所示，本发明提供一种相变储热的控温式太阳能烘箱，包括聚光集热装置100、相变储热装置200和多功能干燥装置300。
如图2所示，聚光集热装置100由热水箱108、聚光集热组件(方向角电机101、俯仰角电机102、带有套设第一齿轮的连杆的安装支架103)和方向控制组件(光敏阵列104、承重杆105、聚光板106、聚光支撑杆107、单片机)组成，方向角电机101与俯仰角电机102传动连接并位于聚光集热组件的底部，四条聚光支撑杆107上端与热水箱108底部可转动的连接，形成聚光板106的支撑框架，在框架的底面安装偏轴偏焦的聚光板106，该聚光板106聚焦于热水箱108底部加热，聚光板106通过承重杆105进行加固，光敏阵列104固定在承重杆105上，用以将采集到的光照强度信息发送给单片机，单片机通过控制方向角电机101和俯仰角电机102的启停使聚光板106的方向与太阳光照随时间变化的规律相适应，即通过光敏阵列104内的感光二极管采集光信号，传输到单片机，进而控制方向角电机101和俯仰角电机102调整角度从而调节聚光板106达到热量收集的最大化。
在进行聚光板106方向角和俯仰角调解时，先行进行方向角的调节，竖直安装的方向角电机101启动带动安装在输出轴上的转盘，转盘转动从而带动俯仰角电机102转动，从而实现方向角的变化，当方向角调节到位后，再启动俯仰角电机102，从而带动第一齿轮转动，第二齿轮与第一齿轮啮合并传动旋转，由于第二齿轮与连杆偏心装配，因此第二齿轮转动会带动连杆上下摆动从而调节俯仰角。
如图4所示，相变储热装置200包括外壳201、带有万向轮的储热箱、设置在储热箱内部串并联的模块箱203、第一进水管204、分流水管205和第一出水管207，热水箱108的出水管与第一进水管204连接，分流水管205与第一进水管204连接，用以连通各模块箱串，模块箱203内设有换热管208，并在其余空间填充复合相变材料206，换热管208通过循环工质(本例中采用水)吸收复合相变材料206内热量，第一进水管204中的热量通过分流水管205主要以热传导的方式交换到复合相变材料206中，且在分流水管205上包覆保温材料。
模块箱203内设置蛇形分布换热管208，热工质从热水箱108中流出到达第一进水管204，流经分流水管205，最后从第一出水管207流出，相变储热装置200包括多个模块箱203组成，通过调节模块箱203的连接方式和数量，可实现全天候热量均匀输出。
如图3所示，多功能干燥装置300由第二进水管301、汇集水箱302、第二出水管303、第三出水管304、高温箱305、高温水管306、中温箱307、中温水管308、低温箱309、低温水管310、干燥装置万向轮311和第三进水管312；第二进水管301与第一进水口207相连接，且通过汇集水箱302进入第二出水口303，第二出水管303中工质流入高温水管306、中温水管308和低温水管310，管内循环工质进入第三进水管312，分别加热高温箱305、中温箱307和低温箱309。最终通过汇集水箱302流入第三出水管304并回到热水箱108，多功能干燥装置300得到来自相变储热装置200中的热量，通过调节循环工质的流量来维持不同的温度，可以达到梯级控温和分阶段干燥的效果，工质随着管道最终回到热水箱108，相变储热调温型自适应太阳能多功能烘箱中管道形成一个闭环。
第二进水管301与第一进水口207相连接，且通过汇集水箱302到达第二出水口303，第二出水管303中工质流入高温水管306、中温水箱308和低温水管310，管内工质循环进入第三进水管312，通过汇集水箱302流入第三出水管304，最终回到热水箱108，多功能干燥装置300设置高、中、低三层加热空间，通过调节循环工质的流量分别相对应的温度箱，可以达到梯级控温和分阶段干燥的效果，其干燥效率高及稳定可靠。
本发明的具体工作原理如下：
在相变储热调温型自适应太阳能多功能烘箱中，聚光集热装置的主要作用是通过太阳光照射获得热能传递给热水箱，通过两个不同自由度的电机协同作用，采用光敏阵列实时监测太阳光照的强度，偏轴偏焦式的聚光板自追踪太阳能，高效吸收的能量转化到热水箱中加热工质。相变储热装置采用易冲压且耐高负荷的不锈钢材料作为外壳，设计为双开门结构便于后续开关阀门以及检查维修等工作，底部转轮采用加厚钢片增强其稳定性，且加上刹车片便于储热装置停靠于指定地点。主要是将收集到的热能转换到复合相变材料中，通过将热水箱中的热工质传输到第一进水管，流经分流水管，最后从第一出水管流出，此举不仅能为复合相变材料存储热量，同时可将热量传输到多功能干燥装置中。相变蓄热模块通过多种工况对输入烘箱的热量进行合理控制，模块与烘箱之间设置宝塔接头与管道相连接，烘箱中设置高、中、低三个层级，高、中、低温水管的管径范围分别为16～20mm、12～16mm以及8～12mm，不同管径可为烘箱提供的梯级温度，且达到分阶段干燥的效果，其干燥效率高及稳定可靠。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。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她不同形式的变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而这些属于本发明的实质精神所引申出的显而易见的变化或变动仍属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种相变储热的控温式太阳能烘箱，其特征在于，包括：
聚光集热装置(100)：由热水箱(108)、聚光集热组件和方向控制组件组成，用以实现对热水箱(108)内工质的加热；
相变储热装置(200)：由带有储热箱万向轮(202)的外壳(201)以及设置在外壳(201)内多个并联的模块箱串组成，用以实现对热水箱(108)流出的工质进行储热；
多功能干燥装置(300)：包括干燥箱以及设置在干燥箱上的汇集水箱(302)组成，所述的汇集水箱(302)分别与相变储热装置(200)和热水箱(108)连接，用以对干燥箱提供热量。
2.根据权利要求1所述的一种相变储热的控温式太阳能烘箱，其特征在于，所述的聚光集热组件包括聚光板(106)以及分别用以支撑连接聚光板(106)的聚光支撑杆(107)，所述的聚光支撑杆(107)顶端与热水箱(108)底部连接，底端分别与聚光板(106)的四角连接。
3.根据权利要求2所述的一种相变储热的控温式太阳能烘箱，其特征在于，所述的方向控制组件包括方向角电机(101)、俯仰角电机(102)、安装在聚光板(106)底部两端的支架(103)、光敏阵列(104)以及单片机，所述的支架(103)之间设有连杆，并且在该连杆上偏心的安装有第一齿轮，所述的方向角电机(101)输出轴固定有转盘，所述的俯仰角电机(102)固定在转盘上，所述的俯仰角电机(102)的输出轴通过第二齿轮与第一齿轮啮合传动，所述的安装支架(103)固定在聚光板(106)底部，所述的承重杆(105)用以固定聚光板(106)，所述的光敏阵列(104)固定在承重杆(105)上，并且与单片机通信用以控制方向角电机(101)和俯仰角电机(102)的启停。
4.根据权利要求3所述的一种相变储热的控温式太阳能烘箱，其特征在于，所述的聚光板(106)为金属分体冲压成型的偏轴偏焦聚光板。
5.根据权利要求1所述的一种相变储热的控温式太阳能烘箱，其特征在于，每个模块箱串均由多个串联的模块箱(203)构成，通过分流水管(205)和第一进水管(204)与热水箱(108)的出水管连通，并且通过第一出水管(207)与汇集水箱(302)连接，每个模块箱(203)内设有换热管(208)，并在其余空间填充有复合相变材料(206)。
6.根据权利要求5所述的一种相变储热的控温式太阳能烘箱，其特征在于，所述的干燥箱内由下至上依次设有低温箱(309)、中温箱(307)和高温箱(305)，所述的低温箱(309)设有低温水管(310)，所述的中温箱(307)设有中温水管(308)，所述的高温箱(305)设有高温水管(306)，所述的低温水管(310)、中温水管(308)和高温水管(306)相互并联，其进水端与汇集水箱(302)的第二出水口(303)连通，出水端与汇集水箱(302)的第三进水管(312)连通，汇集水箱(302)的第三出水管(304)与热水箱(108)的进水管连通，汇集水箱(302)的第二进水管(301)与第一出水管(207)连通。
7.根据权利要求6所述的一种相变储热的控温式太阳能烘箱，其特征在于，所述的低温水管(310)、中温水管(308)和高温水管(306)的管径依次增大，并在进水端分别设有控制阀。
8.根据权利要求7所述的一种相变储热的控温式太阳能烘箱，其特征在于，所述的低温水管(310)的管径范围为8～12mm，所述的中温水管(308)的管径范围为12～16mm，所述的高温水管(306)的管径范围为16～20mm。
9.根据权利要求5所述的一种相变储热的控温式太阳能烘箱，其特征在于，所述的复合相变材料(206)采用相变温度为50～300℃，相变潜热为150～300kJ/kg，过冷度为0.1～10℃的相变材料。
10.根据权利要求5所述的一种相变储热的控温式太阳能烘箱，其特征在于，所述的模块箱(203)的四个角以及中心区域开设用以安装R型热电阻测温的开孔。
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112082277A (zh) * 2020-08-07 2020-12-15 长沙理工大学 中药材太阳能相变储热干燥装置及干燥方法
CN112944967A (zh) * 2021-01-25 2021-06-11 杭州德尚科技有限公司 一种pvt热量存储利用装置及其控制方法

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