CN111735215A - 一种变面积式相变套管太阳能平板集热器 - Google Patents

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Abstract

一种变面积式相变套管太阳能平板集热器，包括边框，所述的边框内部设置有吸热板，吸热板的上侧密封设置有透明盖板，所述透明盖板位于所述边框的上端口处，吸热板的下侧设置有保温层，所述的吸热板上设置有流体管道，流体管道与相变管道采用同心套管，相变管道位于流体管道内侧。本发明解决平板集热器在高原地区强辐射、大温差、低气压等极端条件下存在集热器内流体温度波动频繁、幅度大，使得平板式太阳能集热器易产生冻裂、过热等损害问题，同时可减少集热管器内PCM接触热阻，降低吸热板温度，从而减少太阳能集热器向环境中的散热，提高热利用效率。

Description

一种变面积式相变套管太阳能平板集热器
技术领域
本发明涉及太阳能光热利用技术领域，特别涉及一种变面积式相变套管太阳能平板集热器。
背景技术
太阳能是取之不尽、用之不竭的无污染清洁能源，作为可再生能源在国家能源结构中占有重要位置，尤其在西部高原太阳能富集地区，利用太阳能进行供暖、热水等已成为常态。利用太阳能集热器对能流密度小、波动不连续的太阳能进行收集、存储、利用可有效提高太阳能利用的稳定性。现有太阳能集热器主要分为真空管(全玻璃真空管、U型管、热管式等)和平板式集热器，平板太阳能集热器由于其受照面积大、成本合理被大面积推广，近几年，尤其是大尺寸平板太阳能集热器被广泛应用于青藏高原太阳能供热工程中，高效大尺寸平板太阳能集热技术是未来太阳能供暖的主要技术和产品形式。
平板型太阳能集热器一般由透明盖板、金属吸热板、隔热层和外壳等几部分组成，当平板型太阳能集热器工作时，太阳辐射穿过透明盖板后，投射在吸热板上，被吸热板吸收并转化成热能，然后传递给吸热板内的传热工质，使传热工质的温度升高，作为集热器的有用能量输出。在高原地区强辐射、大温差、低气压等复杂的极端动态环境条件，平板集热器存在频繁、温度波动幅度大，使得平板式太阳能集热器易产生冻裂、过热等损害问题。开发出适用于高原地区耐高温、耐冻太阳能平板集热器是太阳能热利用市场推广的关键所在。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种变面积式相变套管太阳能平板集热器，解决平板集热器在高原地区强辐射、大温差、低气压等极端条件下存在集热器内流体温度波动频繁、幅度大，使得平板式太阳能集热器易产生冻裂、过热等损害问题，同时可减少集热管器内PCM接触热阻，降低吸热板温度，从而减少太阳能集热器向环境中的散热，提高热利用效率。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种变面积式相变套管太阳能平板集热器，包括边框15，所述的边框15内部设置有吸热板14，吸热板14的上侧密封设置有透明盖板13，所述透明盖板13位于所述边框15的上端口处，吸热板14的下侧设置有保温层16，所述的吸热板14上设置有流体管道8，流体管道8与相变管道9采用同心套管，相变管道9位于流体管道8内侧。
所述的相变管道9内部填充为相变材料2。
所述的边框15侧下位置设置有流体进口21，同进口侧上部设置有流体出口20，所述的流体进口21和流体出口20分别与流体管道8相连通，流体管道8内流动流体1。
所述的相变管道9内设置有对称的圆柱11，圆柱11上套有旋转轴承4，旋转轴承4两侧分别焊接有一对夹片3，所述的圆柱11之间通过方柱10相接。
所述的相变管道9上焊接有用于限制夹片3最大张角的两对挡板7，所述的夹片3内部设置有弹簧6，通过弹簧6使得夹片可以进行张角大小调整，最大张角由挡板7限制为6°，夹片张角之间为相变材料相变过程产生的空穴19，通过夹片张角控制空穴体积，所述的隔膜5将每对夹片3、相变空穴19与相变材料隔开。
所述的相变管道9与流体管道8内设置有支架17和相变管支架18，所述的支架17和相变管支架18位于方柱10两侧，通过支架18将方柱与相变管进行连接，支架17将相变管道9与流体管道8进行连接，从而将内部结构进行固定，为保证一定结构强度，选择每0.5m的距离设置一组支架，所述的方柱10上开有方孔12。
所述的圆柱11、旋转轴承4、夹片3、弹簧6通过隔膜5包裹，隔膜5穿过方孔12。
所述的隔膜5选用PCM强力交叉膜，它由两层高强度的PE膜交叉复合而成，厚度在0.1-0.14mm。
所述的相变管道9与流体管道8均采用铜管。
所述的相变管道9管径30mm，流体管道8管径40mm。
所述的透明盖板13的材料为塑料盖板或者玻璃盖板，透明盖板13距吸热板14距离为40mm，盖板厚度4mm。
所述的吸热板14采用镀有选择性吸收涂层的金属板，选择性吸收涂层的吸收率＞0.92，法向发射率＜0.1。
所述的保温层16选用聚氨酯作为隔热材料，其布置在集热器底部及两侧，底部厚度为40mm，两侧厚度为20mm，导热系数λ<0.04W/(m·K)。
本发明的有益效果：
白天太阳能辐射量大、用户用热负荷小时，可有效缓解集热器过热问题。采用本发明的变面积式相变套管太阳能平板集热器，当白天辐射量大时，集热器水温升高，相变管内石蜡通过显热、潜热的方式吸收水体里的热量。
解决夜间低温时段集热器内工质易冻结破坏集热器结构问题。夜间集热器无法集热，环境温度过低的时候，工质温度不断地降低，相变管内相变材料通过显热、潜热的方式将热量向流体管道内的水进行传递，大大的延缓了集热器内水降低到临界水温的时间；
有效的解决相变材料体积膨胀与收缩产生的附加压力和空穴，当相变材料由液体变为固体时体积收缩，外界对夹片向内的压力减小，同时由于弹簧向外的作用不变使得夹片夹角扩张直至达到平衡。当相变材料由固转到液体时外界对夹片向内的压力增大，同时由于弹簧向外的作用不变，使得夹片夹角收缩直至达到平衡。
可大幅度降低吸热板表面温度，减少平板集热器向外散热损失。对于现有的使用相变材料的集热器，夜间无太阳辐射，在相变材料释放热量的过程中相变材料温度与吸热板温度相当，而变面积式相变套管太阳能平板集热器其相变材料释放的热量先经过水体吸收最后才会传递给吸热板，从而降低吸热板温度，减少集热器向外散失的热量。
该封装方式不仅可以应用固-固相变材料，还可以用于固-液相变材料，大大提升集热器可使用相变材料的范围，同时应用方便，无需复杂加热循环系统，易于控制，可操作性强。
附图说明
图1是本发明整体结构图。.
图2是本发明的剖面示意图；
图3是本发明的管道结构示意图；
图4是本发明流体管道示意图
图5为本发明相变管截面图。
图6是本发明流体管道与内置元件固定示意图。
图7是本发明相变管道与内置元件固定示意图。
图8是本发明相变管内部的结构示意图。
图9是本发明相变管内部的结构示意图。
图10是本发明使用夹片前后效果图。
图11是集热器热量散失热阻图。
图12是变面积式相变套管太阳能平板集热器与普通集热器温度变化图。
图中：1、流体；2、相变材料；3、夹片；4、旋转轴承；5、隔膜；6、弹簧；7、挡板；8、流体管道；9、相变管道；10、方柱；11、圆柱；12、方孔；13、透明玻璃盖板；14、吸热板；15、边框；16、保温层；17、连接流体管支架；18、连接相变管支架；19、相变空穴；20、流体出口；21、流体进口；
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
如图1图2图3图4所示，平板集热器主要由透明盖板13、吸热板14、边框15和保温层16四部分组成。所述吸热板14位于所述边框15内，所述吸热板14的上侧密封设置有所述透明盖板13，优选的，所述透明盖板13位于所述边框15的上端口处。所述保温层16位于所述吸热板14的下侧。吸热板14上放置流体及相变材料管道，用于实现太阳能光热及储热一体化的综合利用。流体管道8和相变管道9采用同心套管，在相变管道9内部用两对夹片3来控制相变管道内有效容积。流体管道与相变管道通过有限根支架17连接，用于固定相变管道相对于流体管道位置。相变管与方柱之间用支架18连接。
作为优选夹片3、旋转轴承4、方柱10应选用具有较好的导热能力，使得PCM具有更好的热效率。其尺寸在满足制作工艺时尽量的小。流体管道8与相变管道9之间通过支架17进行连接固定，通过相变管支架18将方柱10与相变管道9连接；连接方式均为焊接。
相变管道9内包括圆柱11，圆柱11上套有旋转轴承4，夹片3分别通过焊接固定旋转轴承4上，在相变管道9上焊接两个挡板7，用于限制夹片最大张角，相变管道9与流体管道8通过支架17、18焊接固定，固定位置为方柱10的两侧，为保证一定结构强度，选择每0.5m的距离设置一组支架。为了防止夹片3内进入液体相变材料，在方柱10内部开有孔12用隔膜5穿过方孔12将圆柱11、旋转轴承4、夹片3、弹簧6包裹起来。通过夹片3的开口大小控制相变管道9内相变空穴19的体积，挡板3之间夹角为6°，因此夹片最大开口为6°。相变管道9管径30mm，流体管道8管径40mm。
所述优选隔膜5选用PCM强力交叉膜，它由两层高强度的PE膜交叉复合而成，厚度在0.1-0.14mm，具有热稳定性，尺寸稳定性、双向耐撕裂性能、高强度和高延伸率。
所述的透明盖板13的材料为塑料盖板或者玻璃盖板。盖板距吸热板距离为40mm，盖板厚度4mm。
所述的吸热板14采用镀有选择性吸收涂层的金属板，选择性吸收涂层的吸收率＞0.92，法向发射率＜0.1。
所述的保温层16选用聚氨酯作为隔热材料，其布置在集热器底部及两侧，底部厚度为40mm，两侧厚度为20mm，导热系数λ<0.04W/(m·K)。
所述的选用相变材料时应保证材料不易发生化学反应且化学稳定性较好、在多次吸放热后相变温度和相变潜热变化很小、自成核、没有相分离和腐蚀性。
如图3图4图5所示，流体管道8以及相变管道9均采用铜管，相变管道9包括11圆柱，圆柱上套有旋转轴承4，夹片3分别通过焊接固定旋转轴承4上，在相变管道9上焊接两个挡板7，用于限制夹片最大张角，在将相变管道9分为若干段，为保证一定结构强度，选择每50cm长度相变管道9与流体管道8通过支架17、18焊接固定，固定位置为方柱10的两侧。为了防止夹片内进入液体相变材料，在方柱内部开有孔12，用隔膜5将圆柱11、旋转轴承4、夹片3、弹簧6包裹起来。挡板之间夹角为6°，从而限制每对夹片最大开口为6°。
PCM收缩会产生空穴。且固体PCM的λ较小使导热更加恶化。
对于增加夹片改善空穴的效果有下式计算可得。
Figure BDA0002569285990000081
其中k′为夹片最大开口夹角，k为无翅片结构时产生空穴夹角。当2对夹片分别之间夹角为5°时，即k′＝10°得
Figure BDA0002569285990000082
解该式得k≈59.5°
因此当管内体积收缩10％时，上表面与相变材料不接触的弧度为59.5度。而采用上述管道仅为10度，使得接触面积大大增加，极大地强化了传热。如图10所示，阴影部分的面积即为空穴部位。
如图6图7图8图9所示；作为优选夹片3、旋转轴承4、方柱10应选用具有较好的导热能力，使得PCM具有更好的热效率。选择铜导热系数λ＝387.6W/(m·K)作为其材料，其尺寸在满足制作工艺时尽量的小。流体管道1与相变管道2之间通过有限个支架17进行连接固定，通过相变管支架18将方柱10与相变管道9连接；连接方式均为焊接。
可选用石蜡或者天然树脂等作为相变材料，它具有相变潜热高、几乎没有过冷现象、熔化时压力低、不易发生化学反应且化学稳定性较好、在多次吸放热后相变温度和相变潜热变化很小、自成核、没有相分离和腐蚀性，价格较低。
透明盖板的材料为玻璃盖板。盖板距吸热板距离为40mm，盖板厚度4mm，导热系数λ＝0.76W/(m·K)，发射率为10％。
作为优选所述的吸热板芯采用镀有选择性吸收涂层的金属板，选择性吸收涂层的吸收率为0.94，法向发射率为0.08。
作为优选保温层选用聚氨酯作为隔热材料，其布置在集热器底部及两侧，底部厚度为40mm，两侧厚度为20mm，导热系数λ＝0.023W/(m·K)。
如图11图12所示；其中：Tabs为吸热板表面温度；Tc为高温相变材料温度；Ta为环境温度；R1为内铜管的导热热阻加外铜管内外壁面的对流换热热阻；R2为水的导热热阻；R3为外铜管导热热阻加外铜管内外壁面的对流换热热阻；R41、R61、R91分别上盖板与吸热板之间空气、上盖板与环境、下盖板与环境的对流换热热阻；R42、R62、R92分别为上盖板与吸热板之间空气、上盖板与环境、下盖板与环境的辐射换热热阻；R5、R7、R8分别为上盖板、下部保温层、下盖板的导热热阻；
集热器底部外表面与外界环境的换热由两部分组成，一部分为空气与集热器底部的(自然和强制)对流换热，另一部分为集热器底部与周围固体壁面(屋顶或阳台外立面)的辐射换热。对流热阻为
Figure BDA0002569285990000091
辐射热阻为
Figure BDA0002569285990000092
集热器底部外表面的温度常较低，因此它与环境的辐射换热可以忽略不计。出于简化计算的考虑，将关联式写成如下线性函数的形式：
hw＝a+bw
式中，a，b为常数；W是风速，m/s。在太阳能热利用理论中，最常用的由风引起的对流换热模型是下式
hw＝5.7+3.8w
由上述式子可得到吸热板温度与集热器底部温度。同理可得h61；
盖板外表面与环境的辐射换热系数：
Figure BDA0002569285990000101
Tsky＝0.0552(Ta)1.5
式中，εc1为盖板外表面的发射率；σ为斯蒂芬一波尔兹曼常数，δ＝5.67×108w/(m2·k4)σ＝：Tc1为盖板外表面的温度，K；Ta为环境温度，K。
热板和盖板内表面之间的辐射传热系数h42：
Figure BDA0002569285990000102
式中，T3是盖板内表面温度，K；Tabs是吸热板温度，K；ε3是盖板内表面发射率，εabs是吸热板发射率。
热板和盖板之间的对流传热系数h41
Figure BDA0002569285990000103
λg为夹层内空气在平均温度下的导热系数，W/(m·K)；L为空气夹层的厚度，即盖板内表面与吸热板之间的距离。
有限空间自然对流，若夹层两壁之间的温差很小，不引起空气的流动，这时Gr数值很小，夹层为导热。随着温差加大，Gr·Pr的数值增大，夹层中出现向层流特征过渡的环流，直到湍流特征的流动。
Nu＝0.212(Gr·Pr)1/4 7000＜(Gr·Pr)＜3.2×105
外形尺寸2000*1000*80mm，假设环境温度为0℃，相变材料温度均匀为30℃；不考虑集热器侧壁的热损失，流体外管道温度等于吸热板表面温度；计算得到此时单位面积集热器吸热板温度为15.1℃，单位面积集热器散热量为35.3w/m2。不使用此结构的普通集热器，各部件参数、环境相同时，单位面积集热器吸热板温度为30℃，散热量为73.88w/m2，在该条件下降低52％能量散失。
同时针对在外界环境温度为5℃时，变面积式相变套管太阳能平板集热器与普通集热器平均温度从20℃降低到6℃所需时间进行CFD模拟，其模拟材料参数见表一、表二。
表一 相变材料模拟参数表
Figure BDA0002569285990000111
表二 材料物性模拟参数表
Figure BDA0002569285990000112
Figure BDA0002569285990000121
得到变面积式相变套管太阳能平板集热器从20℃均温降低到6℃所需时间为13.8h，而普通集热器仅为4.8h，大大延缓了集热器降温速率，大幅提高集热器耐冻性能，具体温度变化见图9。

Claims (10)

1.一种变面积式相变套管太阳能平板集热器，其特征在于，包括边框(15)，所述的边框(15)内部设置有吸热板(14)，吸热板(14)的上侧密封设置有透明盖板(13)，所述透明盖板(13)位于所述边框(15)的上端口处，吸热板(14)的下侧设置有保温层(16)，所述的吸热板(14)上设置有流体管道(8)，流体管道(8)与相变管道(9)采用同心套管，相变管道(9)位于流体管道(8)内侧；
所述的边框(15)侧下位置设置有流体进口(21)，同进口侧上部设置有流体出口(20)，所述的流体进口(21)和流体出口(20)分别与流体管道(8)相连通，流体管道(8)内流动流体(1)。
2.根据权利要求1所述的一种变面积式相变套管太阳能平板集热器，其特征在于，所述的相变管道(9)内部填充为相变材料(2)。
3.根据权利要求1所述的一种变面积式相变套管太阳能平板集热器，其特征在于，所述的相变管道(9)包括对称设置的圆柱(11)，圆柱(11)上套有旋转轴承(4)，旋转轴承(4)两侧分别焊接有一对夹片(3)，所述的圆柱11之间通过方柱10相接。
4.根据权利要求1所述的一种变面积式相变套管太阳能平板集热器，其特征在于，所述的相变管道(9)上焊接有用于限制夹片(3)最大张角的两对挡板(7)，所述的夹片(3)内部设置有弹簧(6)，通过弹簧(6)使得夹片可以进行张角大小调整，最大张角由挡板(7)限制为6°。
5.根据权利要求4所述的一种变面积式相变套管太阳能平板集热器，其特征在于，夹片(3)张角之间为相变材料相变过程产生的空穴(19)，通过夹片张角控制空穴体积，所述的隔膜(5)将每对夹片(3)、相变空穴(19)与相变材料隔开。
6.根据权利要求4所述的一种变面积式相变套管太阳能平板集热器，其特征在于，所述的相变管道(9)与流体管道(8)内设置有支架(17)和相变管支架(18)，所述的支架(17)和相变管支架(18)位于方柱(10)两侧，通过支架(18)将方柱与相变管进行连接，支架(17)将相变管道(9)与流体管道(8)进行连接，每0.5m的距离设置一组支架，所述的方柱(10)上开有方孔(12)。
7.根据权利要求6所述的一种变面积式相变套管太阳能平板集热器，其特征在于，所述的圆柱(11)、旋转轴承(4)、夹片(3)、弹簧(6)通过隔膜(5)包裹，隔膜(5)穿过方孔(12)。
8.根据权利要求7所述的一种变面积式相变套管太阳能平板集热器，其特征在于，所述的隔膜(5)选用PCM强力交叉膜，它由两层高强度的PE膜交叉复合而成，厚度在0.1-0.14mm。
9.根据权利要求1所述的一种变面积式相变套管太阳能平板集热器，其特征在于，所述的相变管道(9)与流体管道(8)均采用铜管；
所述的相变管道(9)管径30mm，流体管道(8)管径40mm；
所述的透明盖板(13)的材料为塑料盖板或者玻璃盖板，透明盖板(13)距吸热板(14)距离为40mm，盖板厚度4mm。
10.根据权利要求1所述的一种变面积式相变套管太阳能平板集热器，其特征在于，所述的吸热板(14)采用镀有选择性吸收涂层的金属板，选择性吸收涂层的吸收率＞0.92，法向发射率＜0.1；
所述的保温层(16)选用聚氨酯作为隔热材料，其布置在集热器底部及两侧，底部厚度为40mm，两侧厚度为20mm，导热系数λ<0.04W/(m·K)。
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