CN201866958U - 太阳能多孔介质空气加热器及检测系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公布了一种太阳能多孔介质空气加热器及检测系统，所述加热器包括高穿透率玻璃、多孔介质吸热体、凸台与垫圈、空气出口、加热器支架、送风机、空气加热器的底板、支架、入口连接件、出口连接件、下端板、上端板、左侧端板、右侧端板。所述系统包括太阳直接辐射测量仪、空气温度传感器、空气出口温度传感器、室内空气温度传感器、风机电机和设备控制器。本实用新型加热器出口空气温度可以通过风机的调速电机控制空气流量来控制，实现自动无级调节。

Description

太阳能多孔介质空气加热器及检测系统

技术领域

本实用新型是通过利用太阳能加热多孔介质材料，而空气通过多孔介质材料时被加热，出口得到可为空气调节利用的高温空气，所以本实用新型属于可再生能源里的太阳能利用、热能动力以及材料领域。

背景技术

21世纪，人类面临实现经济和社会可持续发展的重大挑战，在有限可利用资源和环境可承载能力的双重制约下，如何持续发展经济已成为全球关注的热点问题，其中，能源资源的不断匮乏与能源需求的急剧增加是当今急需解决的主要矛盾问题之一。而我国属太阳能资源丰富的国家之一，陆地面积每年接受的太阳辐射能相当于2.4×10⁴亿吨标准煤，约等于数万个三峡工程发电量的总和。如果将这些太阳能有效利用，对于缓解我国的能源问题、减少CO₂的排放量、保护生态环境、确保经济发展过程中的能源持续稳定供应等都将具有重大而深远的意义。所以，由于太阳能具有储量的“无限性”，存在的普遍性，利用的清洁性，开发的经济性等若干明显的优越特性，必将在世界能源结构转换中担纲重任，成为理想的替代能源之一。

太阳能的转换和利用方式主要有光-电转换、光-热转换和光-化学转换等。利用光产生伏打效应原理制成的太阳能电池，可将太阳的光能直接转换成电能，称为光-电转换，即太阳能光电利用。光-化学转换目前处于研究阶段，这种转换技术包括半导体电极产生电而电解水产生氢、利用氢氧化钙或者金属氢化物热解储能等内容。接收或聚集太阳能使之转换为热能，然后用于生产和生活的一些方面，是光-热转换即太阳能热利用的基本方式，我国的太阳能光热利用在世界上属于最成功的国家之一。太阳能热水系统是太阳能热利用的主要形式，太阳能热利用后发电的近年受到广泛的关注，将吸收的太阳能辐射热能转换成电能的发电目前包括两大类型：一类是利用太阳能热能直接发电，如半导体或者金属材料的温差发电、真空器件中的热电子以及碱金属热电转换和磁流体发电等，目前这类发电量较小，有的甚至处于研发阶段；另一类是将太阳能通过热机带动发电机，其基本组成与常规的火力发电类似。

除此之外，近年，随着太阳能利用的研究深入，太阳能又被逐渐引入到空气调节的领域来，并被收到了广泛的关注。如利用太阳能加热水后利用加热空气、太阳能幕墙以及太阳能和热泵空调结合等。

专利号为200510040068.3的专利“结合储热材料的太阳能空气集热器”公开了一种结合储热材料的太阳能空气集热器，它是在传统的平板式空气集热器的吸热板与底板之间，填充储热材料，利用储热材料来吸收和储存多余的太阳能热量。储热材料封装在金属容器内，避免了储热材料吸热融化后的泄漏和变形。本实用新型使太阳能空气集热器自身具备了储热功能，提高了集热效率，但是这种集热效率的提高非常有限，集热器本身只是对常规的集热器稍作了一些改动，集热器的空气阻力依然较大。

实用新型内容

技术问题：本实用新型的目的是开发一种太阳能多孔介质空气加热器及检测系统，解决空气对太阳辐射能吸收效率低和阻力大的问题。

技术方案：

本实用新型为实现上述目的，采用如下技术方案：

本实用新型太阳能多孔介质空气加热器，其特征在于包括高穿透率玻璃、多孔介质吸热体、凸台与垫圈、空气出口、加热器支架、送风机、空气加热器的底板、支架、入口连接件、出口连接件、下端板、上端板、左侧端板、右侧端板；其中，高穿透率玻璃通过凸台与垫圈分别与下端板、上端板、左侧端板和右侧端板连接，底板上部设置支架，支架上设置多孔介质吸热体，多孔介质吸热体与高穿透率玻璃对应设置，底板上还设置入口连接件和出口连接件，送风机与入口连接件连通，出口连接件与热空气的用户连接，底板下部加热器支架安装固定。

优选地，所述送风机采用轴流式风机。

优选地，所述入口连接件的是由外到内的渐扩的圆锥形。

优选地，所述多孔介质吸热体为含硅粘土或堇青石。

优选地，所述支架由支架和垫片构成，所述支架底部设置于底板上部，支架上部设置垫片。

优选地，所述多孔介质吸热体由多块多孔介质构成，采用隔板间隔；所述高穿透率玻璃由与多孔介质块数相同的玻璃构成，所述玻璃分别与孔介质对应设置。

太阳能多孔介质空气加热器的检测系统，包括太阳直接辐射测量仪、空气温度传感器、空气出口温度传感器、室内空气温度传感器、风机电机和设备控制器，其中设备控制器通过太阳直接辐射测量仪采集的太阳直接辐射强度、空气温度传感器采集的空气温度值、室内空气温度传感器采集的温度值控制送风机电机开启与否，如果太阳直接辐射强度大于能够提供空气最小流量(30％的最大流量)条件下出口温度大于热空气用户的温度，则开启太阳能多孔介质空气加热器。

有益效果：

能源与环境制约着社会与经济的发展，而太阳能由于其自身的优点，近年在发电、热水、空调等领域被广范利用。利用太阳能空气集热器加热空气后用于空调或干燥是太阳能的一条有效利用途径，现存的太阳能空气加热器的效率相对较低，并且集热器的阻力一般较大。本实用新型利用一些多孔介质对辐射能吸收率高、导热系数大、强度高的优点，利用多孔介质制成加热器，太阳辐射能量可以通过表面和表面孔隙被固体骨架吸收，后再通过导热方式在固体骨架中传递，当空气通过多孔介质孔隙时，和固体骨架发生对流换热，并被加热。为了提高出口空气的温度，设置空气与多孔介质间多行程换热。整个空气加热设备的沿程阻力可以通过设置多孔介质参数以及送风机合理选型来处理。加热器的太阳能热利用效率在90％以上，而加热器的粘性系数k1在2.5X10^-8-3X10^-8，而惯性系数k2在0.03-0.04。加热器出口空气温度可以通过风机的调速电机控制空气流量来控制，实现自动无级调节。

附图说明

图1-多行程太阳能多孔介质空气加热器设备主视图；

图2-主视图中沿着A-A的刨视图；

图3-主视图中沿着B-B的刨视图。

附图标记：

1-太阳直接辐射测量仪；

2-空气温度传感器；

3、7-凸台与垫圈；

4-太阳辐射；

5、11、14-隔板；

6-高透射率玻璃；

8-多孔介质；

9-空气出口；

10-空气出口温度传感器；

12、13-支架；

15-送风机；

16-室内空气温度传感器；

17-设备控制器；

18、19-高穿透率玻璃；

20、21-多孔介质；

22-底板；

23-设备支架；

24-入口连接件；

25-出口连接件；

26-垫片；

27-下端板；

28-上端板；

29-左侧端板；

30-右侧端板；

31-风机电机。

具体实施方式

本实用新型采用太阳辐射加热多孔介质，后应用空气通过多行程的多孔介质而被加热，加热空气可以供空气调节以及干燥等用途。

多孔介质材料近年在建筑、水利和能源领域得到广泛的应用，在能源领域，多孔介质具有可以整流和提高体积对流换热效率的作用。一些多孔介质材料，如含硅粘土，还具有对辐射能吸收率高、导热系数大、强度高的优点，所以利用多孔介质制成吸热器，太阳辐射能量可以通过表面和表面孔隙被固体骨架吸收，后再通过导热方式在固体骨架中传递，当空气通过多孔介质孔隙时，和固体骨架发生对流换热，并被加热。为了提高出口空气的温度，设置空气与多孔介质间多行程换热。整个空气加热设备的沿程阻力可以通过设置多孔介质参数以及送风机合理选型来处理。

如图1至3所示，本实用新型多孔介质空气加热器设备，包括空气加热器本体和空气加热器设备的检测控制系统。空气加热器本体包括送风机15、入口连接件24、空气加热器的底板22、多孔介质吸热体20和21、支架23、垫片26、下端板27、高穿透率玻璃18和19、垫圈3和7、侧板27～30、出口连接件25、空气出口9、支架12和13。其中，送风机15的特征在于属于轴流式风机，风机可以通过调频来控制送风量和送风的压头，入口连接件24是由外到内的渐扩的圆锥形，并在空气加热器的底板22处与之相连接；空气加热器本体包括四块六面体的多孔介质吸热体20和21，吸热体的吸热表面是正方形，材质为含硅粘土或堇青石等，吸热体20和21通过立在底板22上的支柱23和支柱上的垫片26支架，由于加热器本体顷斜放置，吸热体20和21的下侧靠在加热器的下端板27上，支柱和支柱上的垫片26构成的支架各自共16个，支架焊接在底板上；空气加热器本体包括高穿透率玻璃18和19等共四块，玻璃的穿透率大，并通过凸台与垫圈3和7与四个侧板27～30连接；空气加热器本体包括出口连接件25，渐缩型的连接件，直至空气出口9，空气的出口可以和热空气的用户连接；空气加热器本体还包括吸热器本体的支架12和13等。

多行程太阳能多孔介质空气加热器设备的检测控制系统，空气加热器设备的检测控制系统包括太阳直接辐射测量仪1、空气温度传感器2、空气出口温度传感器10、室内空气温度传感器16、风机电机31和设备控制器17。其中设备控制器17通过太阳直接辐射测量仪1采集的太阳直接辐射、空气温度传感器2采集的空气温度值、室内空气温度传感器16采集的温度值控制送风机电机31开启与否，开启与否的方法是如果太阳直接辐射强度大于能够提供空气用户最小流量条件下温度的能量，则开启加热器。出口空气的温度可以通过PID算法控制送风机转速31从而调节送风量来达到。

而空气每经一次多孔介质的压力损失计算可按照下式计算：

$\mathrm{\Δp}=L\frac{\mathrm{\η}}{k1}\left(\frac{u_0}{\mathrm{\φ}}\right)+L\frac{\mathrm{\ρ}}{k2}{\left(\frac{u_0}{\mathrm{\φ}}\right)}^2$

其中：

Δp：空气每经一次多孔介质的压力损失；

L：多孔介质厚度；

η：空气动力黏度；

φ：孔隙率；

u₀：空气的进入多孔介质的入口速度；

ρ：空气密度kg/m³；

k1：粘性系数，一般取2.5X10^-8-3X10^-8；

k2：惯性系数，一般取0.03-0.04。

而空气在孔道内(多孔介质区域除外)的速度应小于3m/s。

本实用新型工作原理如下：太阳辐射能量通过表面和表面孔隙后被固体骨架吸收，后能量通过导热方式在固体骨架中由表及里传递，控制器17采集太阳直接辐射数据1、空气用户内的气温16和室外空气温度2后，判断能否开启空气加热器设备。如果太阳直接辐射强度大于能够提供空气用户最小流量条件下的能量，则开启加热器，空气通过多孔介质，并与多孔介质的固体骨架对流换热，空气温度升高，这样空气共四次通过多孔介质，空气压力降低，温度不断升高，并在出口处9达到空气用户的要求。出口空气的温度可以通过PID算法控制送风机转速31从而调节送风量来达到。整个空气加热设备的沿程阻力可以通过设置多孔介质参数以及送风机合理选型来处理。

实施例：

对于一个室内空气量需求为200m³/h，加热空气温度升高需20℃，即空气加热器的热功率需求约1.5kw，太阳直接辐射为800w/m²，太阳辐射的光热转化效率约93％条件下，设计的加热器吸热面的面积约2m²，吸热器的宽度为0.7m，长度为2.8m，多孔介质块由四块组成，每块的宽度为0.7m，长度为0.7m，厚度为3cm，多孔介质固体骨架的材质选用堇青石、含硅粘土等，孔隙率均匀并为0.7，空气进入多孔介质的速度为1.5m/s，多孔介质与表面透光玻璃和底板之间的距离均为4cm，整个空气加热器系统的阻力损失为172Pa，而送风机最大空气流量为250m³/h，出口的压头为200Pa，空气入口与底板的连接处面积0.1m²，出口处与底板的连接处面积也为0.1m²，空气入口面积为0.25m²。空气加热器的倾角视加热器需放置的位置来定，但保证太阳辐射的余弦损失最小，空气加热器的地板距地面高度为3cm即可。

控制器采集太阳直接辐射数据、空气用户内的气温和室外空气温度后，判断能否开启空气加热器设备。如果太阳直接辐射强度大于能够提供空气用户最小流量条件下的能量，则开启加热器。出口空气的温度可以通过PID算法控制送风机转速从而调节送风量来达到。

Claims (7)

1.一种太阳能多孔介质空气加热器，其特征在于包括高穿透率玻璃、多孔介质吸热体、凸台与垫圈(3、7)、空气出口(9)、加热器支架(12、13)、送风机(15)、空气加热器的底板(22)、支架(23)、入口连接件(24)、出口连接件(25)、下端板(27)、上端板(28)、左侧端板(29)、右侧端板(30)；其中，高穿透率玻璃通过凸台与垫圈分别与下端板(27)、上端板(28)、左侧端板(29)和右侧端板(30)连接，底板(22)上部设置支架(23)，支架(23)上设置多孔介质吸热体，多孔介质吸热体与高穿透率玻璃对应设置，底板(22)上还设置入口连接件(24)和出口连接件(25)，送风机(15)与入口连接件(24)连通，出口连接件(25)与热空气的用户连接，底板(22)下部加热器支架安装固定。

2.根据权利要求1所述的太阳能多孔介质空气加热器，其特征在于所述送风机(15)采用轴流式风机。

3.根据权利要求1所述的太阳能多孔介质空气加热器，其特征在于所述入口连接件(24)的是由外到内的渐扩的圆锥形。

4.根据权利要求1所述的太阳能多孔介质空气加热器，其特征在于所述多孔介质吸热体为含硅粘土或堇青石。

5.根据权利要求1所述的太阳能多孔介质空气加热器，其特征在于所述支架(23)由支架和垫片(26)构成，所述支架底部设置于底板(22)上部，支架上部设置垫片(26)。

6.根据权利要求1所述的太阳能多孔介质空气加热器，其特征在于所述多孔介质吸热体由多块多孔介质构成，采用隔板间隔；所述高穿透率玻璃由与多孔介质块数相同的玻璃构成，所述玻璃分别与孔介质对应设置。

7.一种根据权利要求1所述的太阳能多孔介质空气加热器的检测系统，其特征在于包括太阳直接辐射测量仪(1)、空气温度传感器(2)、空气出口温度传感器(10)、室内空气温度传感器(16)、风机电机(31)和设备控制器(17)，其中设备控制器(17)通过太阳直接辐射测量仪(1)采集的太阳直接辐射强度、空气温度传感器(2)采集的空气温度值、室内空气温度传感器(16)采集的温度值控制送风机电机(31)开启与否，如果太阳直接辐射强度大于能够提供空气最小流量条件下出口温度大于热空气用户的温度，则开启太阳能多孔介质空气加热器。 

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