CN120403091B - 一种基于平板微热管的太阳能集热器 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种基于平板微热管的太阳能集热器，涉及太阳能热利用技术领域，包括集热箱体、集热管、平板微热管，集热箱体倾斜设置于地面；集热管设置于集热箱体内，集热管的两端均设置于集热箱体两侧，集热管的一端为进水口，集热管的另一端为出水口；平板微热管沿集热管的轴线间隔设置有多个，平板微热管包括蒸发段和冷凝段；冷凝段为圆弧状，冷凝段贴合设置于集热管周侧，冷凝段的圆心位于集热管的轴线上，冷凝段对集热管进行加热；蒸发段位于冷凝段下端；本申请具有提高热传导效率的效果。

Description

一种基于平板微热管的太阳能集热器

技术领域

本申请涉及太阳能热利用技术领域，特别涉及一种基于平板微热管的太阳能集热器。

背景技术

太阳能集热器作为一种高效利用太阳能的装置，广泛应用于热水供应、供暖及发电等领域。随着全球能源需求的增加和环保意识的提升，太阳能技术的发展受到广泛关注。太阳能集热器通过吸收太阳辐射能并将其转化为热能，为人类提供了一种清洁、可再生的能源解决方案，对缓解能源危机和减少环境污染具有重要意义。在这一领域，各国研究人员不断探索创新设计，以提高集热效率和降低成本，从而推动太阳能技术的普及与应用。

在太阳能集热器（如平板集热器、真空管集热器）中，集热管的设计影响着流体流动、换热性能、压力损失、安装维护等多个方面。直线型集热管具有流动阻力小、流动更均匀，易于控制流量分布、制造与安装成本较低以及清洗与维护方便等优点，但是换热能力有限，局部温度梯度较大。而折返弯曲型集热管可以提高流体扰动，流体在折返过程中不断混合，达到湍流状态，不容易形成局部过热，系统温度分布更均匀，提高热利用率，然而折返弯曲型集热管的流体流动阻力较大，制造难度较高，弯管部分易积垢，清洗维护较为复杂，如若设计不合理，折返弯管还可能形成局部低速区或涡流区域，影响换热效果。

因此，如何使用低成本的直线型集热管实现高效换热，成为亟待解决的技术难题。

发明内容

为了提高热传导效率的问题，本申请提供一种基于平板微热管的太阳能集热器。

本申请提供一种基于平板微热管的太阳能集热器,采用如下的技术方案：

一种基于平板微热管的太阳能集热器，包括集热箱体，所述集热箱体倾斜设置于地面；集热管，所述集热管设置于所述集热箱体内，所述集热管的两端均设置于所述集热箱体两侧，所述集热管的一端为进水口，所述集热管的另一端为出水口；平板微热管，所述平板微热管沿所述集热管的轴线间隔设置有多个，所述平板微热管包括蒸发段和冷凝段；所述冷凝段为圆弧状，所述冷凝段贴合设置于所述集热管周侧，所述冷凝段对所述集热管进行加热；所述蒸发段位于所述冷凝段下端。

通过采用上述技术方案，使用时将相变介质（如丙酮等制冷剂）填充入平板微热管中，相变介质在常温下为液体，受重力作用集聚在蒸发段的底端。集热箱体被太阳能照射后，受热的相变介质在蒸发段蒸发为气体升至冷凝段，在冷凝段与低温的集热管接触进行换热，换热后冷凝为液体沿平板微热管壁流回蒸发段实现热循环。当相变介质为层流或弱湍流时，集热管内相变介质受热不均，局部温度梯度较大，导致出流温度不稳定。将冷凝段设计为圆弧状并包裹集热管，保证集热管内相变介质受热均匀，使得出流温度更加稳定。

可选的，每个所述冷凝段的圆心角均为180度；且相邻冷凝段在集热管轴线的垂面上的投影对称分布。

通过采用上述技术方案，冷凝段的圆心角设置为180度，使得冷凝段与集热管的接触面积增大，从而提高热传递效率，确保集热管内的液体能够被均匀加热。相邻冷凝段在集热管轴线垂面上的投影对称分布，则进一步提升了热能的分布，避免了局部过热或加热不均的问题，提高整体集热器的能量转换效率。

可选的，所述集热箱体内固定设置有保温层，所述保温层底部固定设置于所述集热箱体底部，所述保温层的上端将所述平板微热管包裹。

通过采用上述技术方案，保温层底部固定于集热箱体底部，形成了稳定的结构支撑，确保保温层在长时间使用过程中不会发生位移或脱落，从而维持良好的保温效果。保温层上端将平板微热管半包裹，进一步减少了热量向外界环境的传导损失，提升了热量的利用率，使得集热器能够在较低的能量损耗下实现更高的热能输出。

可选的，每个所述平板微热管均并列设置有多个微通道。

通过采用上述技术方案，每个平板微热管均并列设置有多个微通道，使得热量能够更均匀地传递至集热管内的液体中，从而提升整体的热交换效率。同时，通过设置多个互相隔断的微通道，能够分散相变介质的流动路径，减少蒸发段各通道之间的相互干扰，这种结构实现了对液体回流分布的优化，确保液体流动更加顺畅从而促进热量在平板微热管内的高效传递。

可选的，每个所述微通道为毛细微孔道，所述毛细微孔道直径为2mm-20mm。

通过采用上述技术方案，毛细微孔道的设置能够显著提升平板微热管内部的毛细吸液能力，使得相变介质在蒸发段和冷凝段之间的循环更加顺畅。毛细微孔道设置在2-20mm之间既保证了通道的流通性，又有效增加了介质的接触面积，从而提高了热传导效率。

可选的，所述集热管内液体的流动速度为0.05m/s-0.1m/s。

通过采用上述技术方案，集热管内液体以0.05m/s-0.1m/s的速度流动，改变了相变介质的流动状态，避免了过低流速导致的换热不充分以及过高流速带来的能量损耗问题。能够确保相变介质在集热管内形成稳定的湍流状态，从而提高热量传递效率。

综上所述，本发明实施例提供一种基于平板微热管的太阳能集热器，包括以下至少一种有益技术效果：

1、使用时将相变介质填充入平板微热管中，相变介质在常温下为液体，受重力作用集聚在蒸发段的底端。集热箱体被太阳能照射后，受热的相变介质在蒸发段蒸发为气体升至冷凝段，在冷凝段与低温的集热管接触进行换热，换热后冷凝为液体沿平板微热管壁流回蒸发段实现热循环。传统直线型集热管中相变介质主要呈层流或弱湍流状态，相变介质受热后沿管道径向方向形成热梯度，靠近管壁区域温度较高，而管道中心区域温度相对较低，造成换热效率较低，且局部温度梯度较大。通过将冷凝段结构设计为圆弧状并从两侧包裹集热管，可有效改善相变介质的受热均匀性，从而显著提升集热管的换热效率。

2、冷凝段的设置使得平板微热管与集热管之间的接触更加贴合，有效增大了两者之间的接触面积，从而显著提升了热传递效率。此外，还能够确保热量从平板微热管均匀传导至集热管，减少了热损失，进一步提高了太阳能集热器的整体换热性能。

3、集热管内液体以0.05m/s-0.1m/s的速度流动，改变了相变介质的流动状态，避免了过低流速导致的换热不充分以及过高流速带来的能量损耗问题。能够确保相变介质在集热管内形成稳定的湍流状态，从而提高热量传递效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种基于平板微热管的太阳能集热器的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种基于平板微热管的太阳能集热器的爆炸图；

图3为本发明实施例提供的一种基于平板微热管的太阳能集热器中平板微热管的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的一种基于平板微热管的太阳能集热器中微通道的结构示意图。

图中标识说明：

集热箱体；11、集热管；12、平板微热管；121、冷凝段；122、蒸发段；14、保温层；15、微通道；16、吸收涂层；17、玻璃盖板。

具体实施方式

以下结合附图1－4对本申请作进一步详细说明。

结合图1、图2和图3，本申请实施例公开一种基于平板微热管12的太阳能集热器，包括集热箱体1、集热管11、平板微热管12，集热箱体1倾斜设置于地面；集热管11设置于集热箱体1内，集热管11的两端均设置于集热箱体1两侧，集热管11的一端为进水口，集热管11的另一端为出水口；平板微热管12固定设置于集热管11周侧。其中，平板微热管12沿集热管11的轴线间隔设置有多个，每个平板微热管12包括蒸发段122和冷凝段121；冷凝段121为圆弧状，冷凝段121贴合设置于集热管11周侧，冷凝段121对集热管11进行加热；蒸发段122位于冷凝段121下端。

在本申请实施例中，集热箱体1为方状设置，集热箱体1的为方状设置面积更大，能够平铺更多平板微热管12，单位面积受热密度提升。同时，方形结构便于布置保温层14，侧面热损失可以控制在1%以内。因此，集热箱体1为方状设置能更好的提高集热器的集热效率。

结合图3和图4，平板微热管12上端与集热管11固定的一端均为冷凝段121，冷凝段121贴合于集热管11周侧。每个平板微热管12均并列设置有多个微通道15。其中，平板微热管12为金属材料通过焊接、冲压或挤压成型。冷凝段121的弧度贴合于集热管11即可。需要说明的是，每个冷凝段121的圆心角均为180度；且相邻冷凝段121在集热管11轴线的垂面上的投影对称分布。即，多个平板微热管12均一上一下间隔设置在集热管11周侧，一个平板微热管12贴合于集热管11一侧，另一个平板微热管12设置于与其中一个平板微热管12位置相对的一侧，同时，两个平板微热管12的轴线在同一直线上。以此方式将多个平板微热管依次排列在集热管11上。平板微热管12的材料为延展性与导热性能良好的铝合金。其中，蒸发段122位于冷凝段121下端，蒸发段为直板状设置。蒸发段122与冷凝段121连通，且为一体设置，也就是说，冷凝段121由平板微热管12上端弯曲而成。

需要说明的是，每个平板微热管12均设置有多个微通道15。每个微通道15为毛细微孔道，毛细微孔道直径为2mm-20mm。比表面积可达5000-50000 m²/m³（常规设备仅约100m²/m³），极大增加了热交换面积。其中，微通道15的设置使得相变介质在流动过程中与管壁的接触面积增大，从而提高了热交换效率。通过设置多个互相隔断的微通道15，能够分散相变介质的流动路径，减少蒸发段各通道之间的相互干扰，这种结构实现了对液体回流分布的优化，确保液体流动更加顺畅从而促进热量在平板微热管12内的高效传递。微通道15内壁设置有微翅片，增加微通道15内壁的表面积，显著扩大了与流体的接触面积，并有效加快了流体的相变速率，从而进一步提高集热效率。每个微通道15均进行抽真空、灌装相变介质的处理，灌装的相变介质为制冷剂。

在具体使用时，冷水从集热管11的进水口进入，然后通过平板微热管12进行热量交换之后温度升高，并从出水口流出。由于平板微热管12内放置有液态制冷剂，因此，平板微热管12内的液态制冷剂吸收太阳能后蒸发成气态，气态制冷剂由于密度降低，因此顺着微通道15上升至冷凝段121内，并与集热管11内的冷水进行热交换，此时冷水与气态制冷剂会发生冷凝现象，冷凝后的液体在重力作用下回流至平板微热管12底部，进再在次吸收太阳能进行气化，重复上述步骤，对集热管11内的冷水进行加热，进而可以通过平板微热管12持续进行热量传递，最后将加热后的水流通过集热管11输送给用户，进而提高太阳能集热器的集热效率。

回看图2，集热箱体1内固定设置有保温层14，保温层14底部固定设置于集热箱体1底部，保温层14的上端将平板微热管12包裹。平板微热管12上表面设置有吸收涂层16。

在本申请实施例中，保温层14为热导率低、保温绝热、不燃、耐热、抗冻、耐腐蚀的玻璃棉。这种设置有效减少了热量散失，提高了集热器的整体效率。此外，集热箱体1上端设置有玻璃盖板17，其中集热箱体1与玻璃盖板17组合成封闭结构，两者之间通过密封胶圈进行密封连接，有效防止外界空气进入，保持内部真空环境，进一步提高保温效果。

具体的，平板微热管12上表面设置有吸收涂层16，该涂层采用太阳能吸收率高、热发射率低的吸热蓝膜，厚度约为5μm-10μm。吸热蓝膜的制备方法可采用化学气相沉积法或磁控溅射法，具体可根据工艺条件选择。吸收涂层16上方覆盖有玻璃盖板17，玻璃盖板17选用厚度为3mm的超白透光钢化玻璃，表面涂有减反射层，确保较高的透光率。玻璃盖板17与集热箱体1之间通过密封胶圈进行密封连接，有效防止外界空气进入，保持内部真空环境，进一步提高保温效果。

具体一申请实施例中，集热管11内液体的流动速度为0.05m/s-0.1m/s。

本实施例的实施原理为：当太阳光照射到玻璃盖板17上时，光线透过玻璃盖板17到达吸收涂层16，吸收涂层16将太阳辐射转化为热能，平板微热管12内部的相变介质受热蒸发，通过微通道15将热量快速传递至集热管11。集热管11内的水流在泵的作用下以湍流状态流动，将热量带走并传递给用户。显著提高了太阳能集热器的换热效率，实现了高效、稳定的热量传递。

本具体实施例仅仅是对本申请的解释，其并不是对本申请的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本申请的权利要求范围内都受到专利法的保护。

Claims (5)

1.一种基于平板微热管的太阳能集热器，其特征在于，包括：

集热箱体（1），所述集热箱体（1）倾斜设置于地面；

集热管（11），所述集热管（11）设置于所述集热箱体（1）内，所述集热管（11）的两端均设置于所述集热箱体（1）两侧，所述集热管（11）的一端为进水口，所述集热管（11）的另一端为出水口；

平板微热管（12），所述平板微热管（12）沿所述集热管（11）的轴线间隔设置有多个，所述平板微热管（12）包括蒸发段（122）和冷凝段（121）；

所述冷凝段（121）为圆弧状，所述冷凝段（121）贴合设置于所述集热管（11）周侧，所述冷凝段（121）对所述集热管（11）进行加热；

所述蒸发段（122）位于所述冷凝段（121）下端；

每个所述冷凝段（121）的圆心角均为180度；且相邻所述冷凝段（121）在集热管（11）轴线的垂面上的投影对称分布。

2.根据权利要求1所述的一种基于平板微热管的太阳能集热器，其特征在于：所述集热箱体（1）内固定设置有保温层（14），所述保温层（14）底部固定设置于所述集热箱体（1）底部，所述保温层（14）的上端将所述平板微热管（12）包裹。

3.根据权利要求1所述的一种基于平板微热管的太阳能集热器，其特征在于，每个所述平板微热管（12）均并列设置有多个微通道（15）。

4.根据权利要求3所述的一种基于平板微热管的太阳能集热器，其特征在于，每个所述微通道（15）为毛细微孔道，所述毛细微孔道直径为2mm-20mm。

5.根据权利要求1所述的一种基于平板微热管的太阳能集热器，其特征在于，所述集热管（11）内液体的流动速度为0.05m/s-0.1m/s。