CN113280517A - 一种纳米流体直接吸收式太阳能集热器 - Google Patents

Abstract

本发明属于节能环保技术领域，具体涉及一种纳米流体直接吸收式太阳能集热器。由金属外壁板与透光玻璃盖板围成一个封闭空间，包括集热蓄热区、保温增压区以及热量交换区。集热蓄热区以纳米流体作为直接集热工质，利用低温蓄热体和高温蓄热体储存热量，低温蓄热体由肋片及低熔点相变材料组成，高温蓄热体由透光玻璃和高熔点相变材料组成；保温增压区将纳米流体经循环泵增压后送往集热通道；热量交换区由换热箱和换热盘管组成，换热盘管连接入水口和出水口。纳米流体和不同熔点的相变材料形成多层辐射吸收结构，相比传统集热器具有集热效率高、热损失小、蓄热容量大等优点，无需单独设置蓄热水箱，结构紧凑且天气适应性更好。

Description

一种纳米流体直接吸收式太阳能集热器

技术领域：

本发明属于节能环保技术领域，具体涉及一种纳米流体直接吸收式太阳能集热器。

背景技术：

传统太阳能集热器在迎光面上添加选择性吸收涂层，涂层吸收太阳辐射升温，再传热给工作介质。涂层温度较高存在较大热损失，并且间接集热过程也导致集热效率降低。因此，直接吸收式太阳能集热器应运而生，含有吸热颗粒的集热流体能够高效吸收太阳辐射热量，兼具换热功能，避免了传统太阳能集热器高温涂层和间接集热所造成的热损失。

太阳能集热器和蓄热水箱通常分开设置，蓄热水箱为显热蓄热方式，存在以下缺陷：一方面水箱蓄热量有限，在夜间以及连续阴雨天气时难以满足需求；另一方面水箱体积较大，不美观且占用建筑空间。近年来，相变蓄热技术受到广泛关注，具有储能密度大，恒温释放热量等优点。采用相变蓄热装置可以提高储能效率、减少占用建筑空间、提高供热稳定性。研究表明，将集热器和相变材料整合为一体化集蓄热装置将进一步提高太阳能利用率，节约建筑空间。

常规相变储能装置仅采用一种熔点温度的相变材料，工作温度范围小，天气适应性差。采用多种熔点温度不同的相变材料，吸热和释热过程由温差驱动在各熔点相变材料之间依次完成，工作温度范围广，气候自适应能力强，还能实现太阳能的分级存储及利用。

多层半透明介质全光谱吸收是光热转换传输研究领域最新的热点研究方向，将其应用于太阳能集热器设计中，优化选配不同吸收辐射特性的玻璃板、吸热工质、透明相变材料，有利于实现太阳能全光谱高效吸收。

发明内容：

本发明的发明目的是提供一种纳米流体直接吸收式太阳能集热器，针对现有技术中的不足，在使用纳米流体作为集热工质提升集热效率的同时，嵌入相变材料设计集热和蓄热一体化装置，节约成本和空间；采用高低温熔点相变材料克服单一熔点相变材料适用温度区间小的问题；设计多层半透明辐射吸收结构促进太阳能全光谱吸收。

本发明采用的技术方案为：一种纳米流体直接吸收式太阳能集热器，其特征在于：所述太阳能集热器是由金属外壁板和第一透光玻璃围成的一个封闭的空腔，该封闭空腔通过金属板被分隔成了集热蓄热区、保温增压区和热量交换区3个区；

所述集热蓄热区包括第二透光玻璃、第三透光玻璃、金属内壁板、金属挡板和肋片；所述第二透光玻璃和第一透光玻璃之间为真空保温层，第二透光玻璃和第三透光玻璃之间的集热通道两侧通过纳米流体管与换热箱连通，集热通道内设有有金属挡板，金属挡板交错地焊接在金属外壁板的内壁上，金属挡板上焊接有若干个倾斜的肋片，肋片内填充有相变材料B；第三透光玻璃和金属板之间填充有相变材料A；

所述保温增压区包括两侧的纳米流体管、循环泵和阀门，循环泵和阀门安装在其中一侧的纳米流体管上，保温增压区内填充有保温材料；

所述热量交换区包括换热盘管和换热箱，换热盘管设置在换热箱内部，其两端分别设有入水口和出水口，换热箱内设有纳米流体，纳米流体通过循环泵循环驱动，流经纳米流体管被送至集热通道内。

进一步的，所述肋片与金属挡板之间的夹角为45°，若干个肋片在交错的金属挡板上呈交错排布，且沿纳米流体流动方向交错分布。

进一步的，所述相变材料A和相变材料B均为石蜡，其中相变材料A的熔点为60-65℃，填充厚度为100-200mm；相变材料B熔点为40-45℃，填充厚度为10-30mm。

进一步的，所述真空保温层的厚度为6-20mm，其四周采用环氧树脂密封胶密封。

进一步的，所述保温材料设置于保温增压区和金属外壁板与金属内壁板的夹层内，保温材料为聚氨酯PU或挤塑聚苯乙烯泡沫材料XPS。

进一步的，所述纳米流体为ATO（掺锑的氧化锡）/水纳米流体，粒径为30mm，浓度为1%vol-2%vol。

7进一步的，所述肋片的材质为铝合金、不锈钢或铜。

本发明的有益效果：提供了一种纳米流体直接吸收式太阳能集热器，对现有技术中的不足，在使用纳米流体作为集热工质提升集热效率的同时，嵌入相变材料设计集热和蓄热一体化装置，节约成本和空间；采用高低温熔点相变材料克服单一熔点相变材料适用温度区间小的问题；设计多层半透明辐射吸收结构促进太阳能全光谱吸收。其中纳米流体和不同熔点的相变材料形成多层辐射吸收结构，相比传统集热器具有集热效率高、热损失小、蓄热容量大等优点，无需单独设置蓄热水箱，结构紧凑且天气适应性更好。具体优点如下：

（1）、采用纳米流体作为直接吸收过程的集热工质，可以避免涂层集热升温造成的大量热损失，提高集热效率；

（2）、将相变材料嵌入到太阳能集热器，利用其潜热存储能力，增加太阳能蓄热量，集蓄热一体化设计不占用建筑空间；

（3）、采用两种不同熔点的相变材料，扩大了太阳能集热和蓄热的温度范围，通过能量分级存储及释放，可实现温度自控制及热量梯级利用，同时有利于恒温放热提高供热稳定性；

（4）、该装置将玻璃、纳米流体和石蜡等材料设计成多层辐射吸收结构，形成光谱滤波效应，实现太阳能全光谱动态吸收，提高集热效率。

附图说明：

图1是实施例一中太阳能集热器的剖视结构示意图；

图2是实施例一中太阳能集热器的集热通道剖视结构示意图；

图3是实施例一中太阳能集热器的热量交换区俯视结构示意图。

具体实施方式：

实施例一

参照各图，一种纳米流体直接吸收式太阳能集热器，所述太阳能集热器是由金属外壁板7和第一透光玻璃1围成的一个封闭的空腔，金属外壁板尺寸为：长2-2.2m，优选为2.1m，宽1.5-1.8m，优选为1.65m，高为0.6-0.8m，优选为0.7m。该封闭空腔通过金属板13被分隔成了集热蓄热区、保温增压区和热量交换区3个区；

所述集热蓄热区包括第二透光玻璃3、第三透光玻璃6、金属内壁板9、金属挡板16和肋片17；所述第二透光玻璃3和第一透光玻璃1之间为真空保温层2，第二透光玻璃3和第三透光玻璃6之间的集热通道4两侧通过纳米流体管10与换热箱15连通，集热通道4内设有有金属挡板16，金属挡板16交错地焊接在金属外壁板7的内壁上，金属挡板16上焊接有若干个倾斜的肋片17，肋片17内填充有相变材料B 18；第三透光玻璃6和金属板13之间填充有相变材料A 5；集热蓄热区由集热通道、低温蓄热体、高温蓄热体和真空保温层以及金属挡板组成，其中低温蓄热体由肋片及其内部填充的相变材料B组成，高温蓄热体由第三透光玻璃和金属板及二者夹层填充的相变材料A组成。

所述保温增压区包括两侧的纳米流体管10、循环泵11和阀门12，循环泵11和阀门12安装在其中一侧的纳米流体管10上，保温增压区内填充有保温材料8；

所述热量交换区包括换热盘管14和换热箱15，换热盘管14设置在换热箱15内部，其两端分别设有入水口19和出水口20，换热箱15内设有纳米流体，纳米流体通过循环泵14循环驱动，流经纳米流体管10被送至集热通道4内。

所述肋片17与金属挡板16之间的夹角为45°，若干个肋片（17）在交错的金属挡板16上呈交错排布，且沿纳米流体流动方向交错分布。

所述相变材料A 5和相变材料B 18均为石蜡，其中相变材料A 5的熔点为60-65℃，填充厚度为100-200mm，优选为150mm；相变材料B 18熔点为40-45℃，填充厚度为10-30mm，优选为20mm。

所述真空保温层2的厚度为6-20mm，优选为15mm，其四周采用环氧树脂密封胶密封。

所述保温材料8设置于保温增压区和金属外壁板7与金属内壁板9的夹层内，保温材料8为聚氨酯PU或挤塑聚苯乙烯泡沫材料XPS。

所述纳米流体为ATO（掺锑的氧化锡）/水纳米流体，粒径为30mm，浓度为1%vol-2%vol。

所述肋片17的材质为铝合金、不锈钢或铜。

纳米流体直接吸收式太阳能集热器的工作原理如下：

（1）、集热过程，从换热箱流出的纳米流体经循环泵增压，流入集热通道。白天太阳辐射透过第一透光玻璃、真空层和第二透光玻后进入集热通道，被选择性吸收工质（ATO/水纳米流体）吸收红外波段的太阳光，而其余可见光部分通过第三透光玻透射至相变材料A被吸收。

（2）、蓄热过程，蓄热体分为高温蓄热体和低温蓄热体两部分。低温蓄热体由肋片及其内部填充的相变材料B组成，集热通道中的纳米流体以对流及导热的方式将热量传递至相变材料B中储存。高温蓄热体由第三透光玻璃和金属板及二者夹层填充的相变材料A组成，相变材料A吸收太阳能直射透过第三透光玻璃的可见光能量以及集热通道中纳米流体通过第三透光玻传递的热量，实现蓄热。

（3）、释热过程，在夜间或者阴雨天气时，纳米流体温度缓慢降低，当温度将至相变材料A熔点时，高温蓄热体中相变材料A开始凝固释放潜热并通过第三透光玻璃和金属板传热给集热通道和换热箱中的纳米流体；当相变材料A完全凝固后进一步放热，此时纳米流体温度随相变材料A温度降低而降低；当温度降低至相变材料B熔点时，低温蓄热体中的相变材料B开始进入潜热释热阶段，热量继续释放给纳米流体。整个过程通过高低温稳定放热，实现热能梯级利用。

（4）、换热过程，纳米流体在换热箱中与换热盘管中的水间接换热，所述换热盘管连接至出水口和入水口，根据热水温度不同提供给相应末端用热装置。

设置在集热通道入口处与出口处一侧的肋片，沿着纳米流体流动方向长度逐渐减小，形成肋片凸出长度的梯度，目的是让纳米流体与肋片能充分接触换热。

上述虽然对本发明的具体实施例做出详细说明，但本发明并不限于上述实施例。任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作的等同变化与修改，而不具备创造性劳动的修改或变形仍在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种纳米流体直接吸收式太阳能集热器，其特征在于：所述太阳能集热器是由金属外壁板（7）和第一透光玻璃（1）围成的一个封闭的空腔，该封闭空腔通过金属板（13）被分隔成了集热蓄热区、保温增压区和热量交换区3个区；

所述集热蓄热区包括第二透光玻璃（3）、第三透光玻璃（6）、金属内壁板（9）、金属挡板（16）和肋片（17）；所述第二透光玻璃（3）和第一透光玻璃（1）之间为真空保温层（2），第二透光玻璃（3）和第三透光玻璃（6）之间的集热通道（4）两侧通过纳米流体管（10）与换热箱（15）连通，集热通道（4）内设有有金属挡板（16），金属挡板（16）交错地焊接在金属外壁板（7）的内壁上，金属挡板（16）上焊接有若干个倾斜的肋片（17），肋片（17）内填充有相变材料B（18）；第三透光玻璃（6）和金属板（13）之间填充有相变材料A（5）；

所述保温增压区包括两侧的纳米流体管（10）、循环泵（11）和阀门（12），循环泵（11）和阀门（12）安装在其中一侧的纳米流体管（10）上，保温增压区内填充有保温材料（8）；

所述热量交换区包括换热盘管（14）和换热箱（15），换热盘管（14）设置在换热箱（15）内部，其两端分别设有入水口（19）和出水口（20），换热箱（15）内设有纳米流体，纳米流体通过循环泵（14）循环驱动，流经纳米流体管（10）被送至集热通道（4）内。

2.根据权利要求1所述的一种纳米流体直接吸收式太阳能集热器，其特征在于：所述肋片（17）与金属挡板（16）之间的夹角为45°，若干个肋片（17）在交错的金属挡板（16）上呈交错排布，且沿纳米流体流动方向交错分布。

3.根据权利要求1所述的一种纳米流体直接吸收式太阳能集热器，其特征在于：所述相变材料A（5）和相变材料B（18）均为石蜡，其中相变材料A（5）的熔点为60-65℃，填充厚度为100-200mm；相变材料B（18）熔点为40-45℃，填充厚度为10-30mm。

4.根据权利要求1所述的一种纳米流体直接吸收式太阳能集热器，其特征在于：所述真空保温层（2）的厚度为6-20mm，其四周采用环氧树脂密封胶密封。

5.根据权利要求1所述的一种纳米流体直接吸收式太阳能集热器，其特征在于：所述保温材料（8）设置于保温增压区和金属外壁板（7）与金属内壁板（9）的夹层内，保温材料（8）为聚氨酯PU或挤塑聚苯乙烯泡沫材料XPS。

6.根据权利要求1所述的一种纳米流体直接吸收式太阳能集热器，其特征在于：所述纳米流体为ATO/水纳米流体，粒径为30mm，浓度为1%vol-2%vol。

7.根据权利要求1所述的一种纳米流体直接吸收式太阳能集热器，其特征在于：所述肋片（17）的材质为铝合金、不锈钢或铜。

Images