CN111854180B - 一种腔体式太阳能平板集热器及其系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种腔体式太阳能平板集热器及其系统，包含水流管，冷凝腔，储热腔，回液管，蒸发器，集液腔，相变工质等，其中水流管外表面做亲液和疏液的表面处理，储热腔储存相变储热材料，蒸发器蒸发侧内部钎焊铝翅片和铝棒。液态相变工质真空充装于太阳能平板集热器内，太阳光经太阳能选择性吸收涂层转为热能传递至蒸发侧内的相变工质，相变工质吸热气化上升至冷凝腔，通过水流管与冷水进行热量交换，相变工质冷凝后经回液管回流至集液腔，完成物质循环和热量传递。本发明所设计的太阳能平板集热器不仅提高太阳能吸收率，强化传热过程，而且通过储存相变储能材料解决太阳能平板集热器过冬防冻的问题，适应范围更广，稳定性更高。
Description
技术领域
本发明涉及一种太阳能平板集热器及其系统，属于太阳能中低温热利用技术领域。
背景技术
2013年我国工业领域能耗约占全国总能耗的70％，，工业能耗的50％～70％为工业加工用热。其中，中低温用热占到了45％以上，中国太阳能光热应用市场潜力巨大，如何降低我国工业能耗和提高太阳能利用率已经成为亟待解决的热点问题。
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，不仅是直接面向消费者的终端产品，也是组成各种太阳能热利用系统的关键部件。平板型太阳集热器是太阳集热器中一种最基本的类型，其结构简单、运行可靠、成本适宜，还具有承压能力强、吸热面积大等特点。本发明采用二次循环技术，通过相变工质的气化与冷凝过程，实现热量的收集与输送，解决了集热器过冬防冻和系统过热等问题。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种腔体式太阳能平板集热器，该平板集热器的太阳能利用率高，传热效果好，能解决过冬防冻和系统过热等问题。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种腔体式太阳能平板集热器，包括水流管、冷凝腔、储热腔、回液管、蒸发器、集液腔和相变工质，所述水流管穿过所述储热腔和所述冷凝腔的中轴线，所述储热腔位于所述冷凝腔的两端，所述储热腔通过横穿所述冷凝腔的两根连通管相连通，所述蒸发器一端连接所述冷凝腔，一端连接所述集液腔，所述回液管设置于所述蒸发器的背阳面，其进口对称分布于所述冷凝腔底部两端且低于冷凝腔底部内表面，出口对称分布于所述集液腔背阳中心水平面，所述相变工质分布在所述冷凝腔、储热腔、回液管、蒸发器和集液腔中。
水流管为导热性能良好的铝合金管，所述水流管上半部分外表面为复合表面，下半部分外表面为光滑疏液表面，所述复合表面为亲液表面与光滑疏液表面复合，所述亲液表面为微纳米粗糙结构，经过低能物质修饰后形成所述光滑疏液表面，所述水流管两个接口处焊接密封法兰。
冷凝腔采用低导热系数的绝热材料，如不锈钢或耐高温塑料聚苯并咪唑等，冷凝腔上部留置一个与回液管进口同中轴线的相变工质充装口，下部留置两个回液管接口，斜下方为焊接蒸发器的槽道，两端与储热腔共用中间隔板。
储热腔采用低导热系数的绝热材料，如不锈钢或耐高温塑料聚苯并咪唑等，所述储热腔与冷凝腔外径相同，上部留置一个相变储能材料充注口，内部充注一定量的相变储能材料，例如石蜡，三水合醋酸钠，聚乙二醇等，在太阳能平板集热器工作温度范围内相态为固态和液态，两侧端板与储热腔和水流管焊接密封，中间隔板与冷凝腔、储热腔、水流管和连通管焊接密封，与冷凝腔外表面一起均涂覆绝热涂层及覆盖一层保温层。
回液管分布于太阳能平板集热器背阳面，其进口对称分布于冷凝腔底部两端且低于冷凝腔底部内表面，出口对称分布于集液腔背阳中心水平面，回液管内部穿过一根塑料软管或附着一层塑料薄膜层，外表面涂覆绝热涂层及包裹一层保温层。
蒸发器吸热侧中间板上表面涂覆太阳能选择性吸收涂层，并在太阳能选择性吸收涂层外侧紧密贴合一块钢化玻璃，固定在中间板上。蒸发器蒸发侧中间板与下部板之间钎焊铝翅片和铝棒，铝翅片为平直多孔型翅片，高度超过相变工质充装量的最大高度且低于中间板的高度，铝翅片的相变工质蒸发通道为正方形，且各相变工质蒸发通道通过多孔相通，铝棒为泡沫铝材料加工而成的棒体，直径与铝翅片高度相差一个翅片厚度，铝棒穿入铝翅片与中间板组成的相变工质蒸发通道内且与中间板钎焊在一起，铝翅片与下部板组成的相变工质蒸发通道内不插入铝棒，下部板下表面涂覆绝热涂层，并在绝热涂层外覆盖一层保温层。
集液腔采用低导热系数的绝热材料，如不锈钢或耐高温塑料聚苯并咪唑等，水平方向留置两个回液管接口，斜上方为焊接蒸发器的槽道，端板焊接密封，外表面涂覆绝热涂层及覆盖一层保温层。
相变工质可以为乙醇、氨、氟利昂等相变材料，液态相变工质从冷凝腔相变工质充装口真空充装于太阳能平板集热器内，太阳光经太阳能选择性吸收涂层转为热能传递至蒸发侧内的相变工质，相变工质吸热气化上升至冷凝腔，与冷水通过水流管进行热量交换，相变工质冷凝后经回液管回流至集液腔，完成物质循环和热量传递。
本发明还提供了一种腔体式太阳能平板集热系统，由若干个上述的太阳能平板集热器通过水流管的密封法兰实现串联、并联或串、并联组合连接而成，所述太阳能平板集热系统中每个太阳能平板集热器内的相变工质相互独立，水通过水流管流经所有的太阳能平板集热器，以达到更高的温度或更大的热水产量。
本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果：
1、采用二次循环技术，通过相变工质的气化和冷凝，实现太阳能的集热和热输送，该技术太阳能利用率高，热耗散小，传热效果好，能解决系统过热和过冬防冻等问题；
2、充装相变储能材料于储热腔，避免水流管内的余水温度过低时凝固使体积膨胀导致水流管破裂，解决集热器过冬防冻等问题，使太阳能平板集热器稳定性更好，适用范围更广；
3、太阳能平板集热系统可由多个太阳能平板集热器通过水流管的密封法兰实现新的串、并联组合连接，完成小型或大型太阳能集热系统，小型化后易实现标准化，结构紧凑，产品合格率和生产率高，大幅度降低其造价和维修费用。
附图说明
图1为本实施例太阳能平板集热系统组合式外形图。
图2为本实施例太阳能平板集热器外形图。
图3为本实施例太阳能平板集热器a-a剖面示意图。
图4为本实施例太阳能平板集热器b-b剖面示意图。
图5为本实施例太阳能平板集热器蒸发器c-c剖面放大示意图。
图6为本实施例太阳能平板集热器水流管表面示意图。
图7为本实施例太阳能平板集热器冷凝腔及储热腔外形图及剖视图
图8为本实施例太阳能平板集热器回液管横截面示意图。
图9为本实施例太阳能平板集热器集液腔外形图及剖视图。
图中，水流管1、冷凝腔2、储热腔3、回液管4、蒸发器5、集液腔6；
密封法兰1.1、复合表面1.2、亲液表面1.2.1、光滑疏液表面1.2.2；
相变工质充装口2.1、冷凝腔绝热涂层2.2、冷凝腔保温层2.3、中间隔板2.4；
储热腔端板3.1、相变储能材料充注口3.2、连通管3.3；
塑料层4.1、回液管绝热涂层4.2、回液管保温层4.3；
钢化玻璃5.1、太阳能选择性吸收涂层5.2、中间板5.3、铝棒5.4、铝翅片5.5、下部板5.6、蒸发器绝热涂层5.7、蒸发器保温层5.8；
集液腔绝热涂层6.1、集液腔保温层6.2、集液腔端板6.3。
具体实施方式
下面结合说明书附图和具体的实施例，对本发明作详细描述。
图1和图2所示，一种腔体式太阳能平板集热器，由水流管1、冷凝腔2、储热腔3、回液管4、蒸发器5、集液腔6和相变工质等组成。所述水流管1穿过所述储热腔3和所述冷凝腔2的中轴线，所述储热腔3位于所述冷凝腔2的两端，所述储热腔3通过横穿所述冷凝腔2的两根连通管3.3相连通，所述蒸发器5一端连接所述冷凝腔2，一端连接所述集液腔6，所述回液管4设置于所述蒸发器5的背阳面，其进口对称分布于所述冷凝腔2底部两端且低于冷凝腔2底部内表面，出口对称分布于所述集液腔3背阳中心水平面，所述相变工质分布在所述冷凝腔2、储热3腔、回液管4、蒸发器5和集液腔6中。
如图3和图6所示，水流管1为导热性能良好的铝合金管，其中水流管1上半部分外表面加工为亲液表面1.2.1与光滑疏液表面1.2.2共存的复合表面1.2，微纳米粗糙结构的亲液表面1.2.1经过低能物质修饰后形成光滑疏液表面1.2.2，下半部分外表面全部修饰为光滑疏液表面1.2.2，水流管1两个接口处焊接密封法兰1.1。水经由密封法兰1.1和水流管1流通于各个太阳能平板集热器之间，吸收相变工质冷凝的热量，其中水流管1上半部分的亲液表面1.2.1为微纳米粗糙结构表面，该表面可以强化换热冷凝效果，上下部分的光滑疏液表面1.2.2使冷凝后的液态相变工质在重力作用下快速向下流动，避免换热表面出现膜态冷凝，可以进一步强化换热效果。
如图3和图7所示，冷凝腔2采用低导热系数的绝热材料，如不锈钢或耐高温塑料聚苯并咪唑等，冷凝腔2上部留置一个与回液管4进口同中轴线的相变工质充装口2.1，下部留置两个回液管4接口，斜下方为焊接蒸发器5的槽道，两端与储热腔3共用中间隔板2.4。由于冷凝腔2内部为真空工作环境，所以需要保证焊接的密封性，与中间隔板2.4、水流管1、连通管3.3、回液管4及蒸发器5的焊接需要进行多次检漏，其次，由于太阳能平板集热器工作时冷凝腔2内部为高温气态相变工质，与环境温差较大，需要做好保温措施，减少热损失。
如图3和图7所示，储热腔3采用低导热系数的绝热材料，如不锈钢或耐高温塑料聚苯并咪唑等，位于冷凝腔2两端，与冷凝腔2外径相同，水流管1从中轴线穿过储热腔3和冷凝腔2，两个储热腔3通过横穿冷凝腔2的两根铝制连通管3.3相连通，上部留置一个相变储能材料充注口3.2，内部充注一定量的相变储能材料，例如石蜡，三水合醋酸钠，聚乙二醇等，在太阳能平板集热器工作温度范围内相态为固态和液态，两侧储热腔端板3.1与储热腔3和水流管1焊接密封，中间隔板2.4与冷凝腔2、储热腔3、水流管1和连通管3.3焊接密封，与冷凝腔2外表面一起均涂覆冷凝腔绝热涂层2.2及覆盖一层冷凝腔保温层2.3。相变储能材料充装于储热腔3和连通管3.3内，水流管1入口处的水温较低，出口处的水温较高，连通管3.3可以使两侧储热腔3内部的相变储能材料温度均衡，且能大幅度提高入口处相变储能材料的温度，避免水流管1内的余水温度过低时凝固使体积膨胀导致水流管1破裂，解决太阳能平板集热器过冬防冻等问题，使太阳能平板集热器稳定性更好，适用范围更广。
如图3，图4和图8所示，回液管4分布于太阳能平板集热器背阳面，其进口对称分布于冷凝腔2底部两端且低于冷凝腔2底部内表面，出口对称分布于集液腔6背阳中心水平面，回液管4内部具有一塑料层4.1，所述塑料层为塑料软管或塑料薄膜，外表面涂覆回液管绝热涂层4.2及包裹一层回液管保温层4.3。回液管4应尽量保证流道光滑，减少转折处，多道保温绝热措施可以避免回液管4内的液态相变工质与环境进行换热，在外界环境低温时向外放热，及在外界环境高温时液态相变工质吸热气化阻塞液态相变工质回流，保证液态相变工质稳定回流。
如图4和图5所示，蒸发器5吸热侧中间板5.3上表面涂覆太阳能选择性吸收涂层5.2，并在太阳能选择性吸收涂层5.2外侧紧密贴合一块钢化玻璃5.1，固定在中间板5.3上。蒸发器5蒸发侧中间板5.3与下部板5.6之间钎焊铝翅片5.5和铝棒5.4，铝翅片5.5为平直多孔型翅片，高度超过相变工质充装量的最大高度且低于中间板5.3的高度，铝翅片5.5的相变工质蒸发通道为正方形，且各相变工质蒸发通道通过多孔相通，铝棒5.4为泡沫铝材料加工而成的棒体，直径与铝翅片5.5高度相差一个翅片厚度，铝棒5.4穿入铝翅片5.5与中间板5.3组成的相变工质蒸发通道内且与中间板5.3钎焊在一起，铝翅片5.5与下部板5.6组成的相变工质蒸发通道内不插入铝棒5.4，下部板5.6下表面涂覆绝热涂层5.7，并在蒸发器绝热涂层5.7外覆盖一层蒸发器保温层5.8。太阳能选择性吸收涂层5.2可以高效率的吸收太阳辐射并转化为热能传递至中间板5.3，钢化玻璃5.1可以减少对外热传导及外界空气的热对流，对高温的蒸发器5内部起到良好的保温作用。多孔铝翅片5.5和泡沫铝材质的铝棒5.4可以增大导热率和与相变工质的接触面积，加快蒸发结核的速率，达到强化相变工质吸热蒸发的效果。下部板5.6两道保温措施可以减少相变工质向外界环境放热，由于背阳面面积较大，环境温度低，需要强化保温措施。
如图4和图9所示，集液腔6采用低导热系数的绝热材料，如不锈钢或耐高温塑料聚苯并咪唑等，水平方向留置两个回液管4接口，斜上方为焊接蒸发器5的槽道，集液腔端板6.3焊接密封，外表面涂覆集液腔绝热涂层6.1及覆盖一层集液腔保温层6.2。集液腔6内部为相变工质，需要做好密封和保温效果。
如图2所示，相变工质可以为乙醇、氨、氟利昂等相变材料，液态相变工质从冷凝腔2相变工质充装口2.1真空充装于太阳能平板集热器内，太阳光经太阳能选择性吸收涂层5.2转为热能传递至蒸发侧内的相变工质，相变工质吸热气化上升至冷凝腔2，与冷水通过水流管1进行热量交换，相变工质冷凝后经回液管4回流至集液腔6，完成物质循环和热量传递，将太阳能转化为热能传递至所需的热水中。此热量传递过程采用二次循环技术，通过相变工质的气化和冷凝，实现太阳能的集热和热输送，该技术太阳能利用率高，热耗散小，传热效果好，能解决系统过热等问题。
如图1所示，若干太阳能平板集热器通过串并联等组合形式组成太阳能平板集热系统，其中每个太阳能平板集热器内的相变工质相互独立，水通过水流管1流经所有的太阳能平板集热器，以达到更高的温度或更大的热水产量。当采用串联形式组装的时候，后段的太阳能平板集热器入口水温度要明显高于前段的太阳能平板集热器入口水温度，后段太阳能平板集热器较小体积的设计可以避免系统过热的问题，并能提高太阳能平板集热器的承压能力，且太阳能平板集热器小型化后易实现标准化，结构紧凑，产品生产率高，大幅度降低其造价和维修费用。
以上仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。本发明未涉及的技术均可通过现有的技术加以实现。
Claims (10)
1.一种腔体式太阳能平板集热器，其特征在于：包括水流管、冷凝腔、储热腔、回液管、蒸发器、集液腔和相变工质，所述水流管穿过所述储热腔和所述冷凝腔的中轴线，所述储热腔位于所述冷凝腔的两端，所述储热腔通过横穿所述冷凝腔的两根连通管相连通，所述蒸发器一端连接所述冷凝腔，一端连接所述集液腔，所述回液管设置于所述蒸发器的背阳面，其进口对称分布于所述冷凝腔底部两端且低于冷凝腔底部内表面，出口对称分布于所述集液腔背阳中心水平面，所述相变工质分布在所述冷凝腔、回液管、蒸发器和集液腔中。
2.根据权利要求1所述的太阳能平板集热器，其特征在于：所述水流管为导热性能良好的铝合金管，所述水流管上半部分外表面为复合表面，下半部分外表面为光滑疏液表面，所述复合表面为亲液表面与光滑疏液表面复合，所述亲液表面为微纳米粗糙结构，经过低能物质修饰后形成所述光滑疏液表面，所述水流管两个接口处焊接密封法兰。
3.根据权利要求1所述的太阳能平板集热器，其特征在于：所述冷凝腔上部留置一个与回液管进口同中轴线的相变工质充装口，下部留置两个回液管接口，斜下方设有焊接所述蒸发器的槽道，两端与所述储热腔共用中间隔板。
4.根据权利要求1所述的太阳能平板集热器，其特征在于：所述储热腔与所述冷凝腔外径相同，上部留置一个相变储能材料充注口，内部充注一定量的相变储能材料，两侧储热腔端板与所述储热腔和水流管焊接密封，中间隔板与所述冷凝腔、储热腔、水流管和连通管焊接密封，与所述冷凝腔外表面一起均涂覆冷凝腔绝热涂层及覆盖一层冷凝腔保温层，所述相变储能材料在太阳能平板集热器工作温度范围内的相态为固态和液态，包括石蜡、三水合醋酸钠或聚乙二醇。
5.根据权利要求1所述的腔体式太阳能平板集热器，其特征在于：所述回液管内部具有一塑料层，所述塑料层为塑料软管或塑料薄膜，所述塑料层外表面涂覆回液管绝热涂层及包裹一层回液管保温层。
6.根据权利要求1所述的腔体式太阳能平板集热器，其特征在于：所述蒸发器设有中间板和下部板，所述中间板上表面涂覆太阳能选择性吸收涂层，并在太阳能选择性吸收涂层外侧紧密贴合一块钢化玻璃，所述中间板与下部板之间钎焊铝翅片和铝棒，所述下部板下表面涂覆蒸发器绝热涂层，并在蒸发器绝热涂层外覆盖一层蒸发器保温层。
7.根据权利要求6所述的腔体式太阳能平板集热器，其特征在于：所述铝翅片为平直多孔型翅片，高度超过相变工质充装量的最大高度且低于中间板的高度，铝翅片的相变工质蒸发通道为正方形，且各相变工质蒸发通道通过多孔相通，铝棒为泡沫铝材料加工而成的棒体，直径与铝翅片高度相差一个翅片厚度，铝棒穿入铝翅片与中间板组成的相变工质蒸发通道内且与中间板钎焊在一起，铝翅片与下部板组成的相变工质蒸发通道内不插入铝棒。
8.根据权利要求1所述的腔体式太阳能平板集热器，其特征在于：所述集液腔水平方向留置两个回液管接口，斜上方为焊接蒸发器的槽道，集液腔端板焊接密封，外表面涂覆集液腔绝热涂层及覆盖一层集液腔保温层。
9.根据权利要求1所述的腔体式太阳能平板集热器，其特征在于：所述相变工质可以为乙醇、氨、氟利昂等相变材料，液态相变工质从冷凝腔相变工质充装口真空充装于太阳能平板集热器内，太阳光经太阳能选择性吸收涂层转为热能传递至蒸发侧内的相变工质，相变工质吸热气化上升至冷凝腔，与冷水通过水流管进行热量交换，相变工质冷凝后经回液管回流至集液腔，完成物质循环和热量传递。
10.一种腔体式太阳能平板集热系统，其特征在于：若干个权利要求1-9之一所述的太阳能平板集热器通过水流管的密封法兰实现串联、并联或串、并联组合连接，所述太阳能平板集热系统中每个太阳能平板集热器内的相变工质相互独立，水通过水流管流经所有的太阳能平板集热器，以达到更高的温度或更大的热水产量。
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