CN219141124U - 一种太阳能相变集热储热管及其阵列 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种太阳能相变集热储热管及其阵列，包括太阳能集热管、相变材料、端部塞体以及取热管道，所述太阳能集热管包括玻璃外管和内管，其特征在于，所述太阳能集热管水平放置；所述相变材料填充于所述太阳能集热管的底部空间，所述太阳能集热管上部空间形成空腔结构，所述取热管道水平布置于所述相变材料内。该装置集热储热一体化，采用太阳能集热管与相变材料结合的方式，结构简单，在太阳能集热管空间内纵向设置空腔和轴向设置间隔物，可以有效降低相变材料热变形产生的径向和轴向的张力，避免太阳能集热管得到破坏，成本可控，适于大规模推广应用。

Description

一种太阳能相变集热储热管及其阵列

技术领域

本实用新型涉及太阳能相变集热储热领域，尤其涉及相变集热储热管及其阵列。

背景技术

太阳能集热管是由具有太阳选择性吸收涂层的内玻璃管和同轴的罩玻璃管构成的，一般情况下为了保持较高的集热效率，减少散热，内外管夹层之间抽成高真空的，用于收集太阳能热量以加热管内流体介质的装置，由于夹层之间被抽真空，有效降低了向周围环境散失的热损失，使集热效率得以提高。目前我国太阳能热水器累计安装量的90％为真空管热水器，这一使用总量则占世界使用总量的97％。虽然使用量很大，但是在寒冷的冬季使用量会大幅度减少，因为水在真空玻璃管中会发生相变，由液态得水变为固态的冰，体积膨胀，导致真空集热管发生破损。

太阳能集热系统有350℃以上的热发电用的高温太阳能利用，100℃至350℃的中高温蒸汽供热系统，以及100℃以下的中低温系统，常用于生产热水。太阳能集热是随太阳辐射变化的，一般均配套相应的储热系统，占用空间大，且需要高位布置，系统结构复杂，成本高。针对上述系统的复杂性，目前也有进行原位存储的技术，如采用大口径的真空集热管，工质为水，由于水发生相变时体积增大，太阳能集热管还会存在一些偶发或者特殊的破损、泄露，导致工质大量流失，导致大规模应用时使用和运维成本的升高。

如果在太阳能集热管使用时采用相变材料作为传热工质，就可以利用相变材料得相变潜热，即同样多的热量使用得相变传热工质的量较水会大幅度减少，但是由于相变材料在发生相变的时候体积会发生变化，因此相变材料在真空集热管中使用较少。

本申请中的太阳能相变集热储热系统采用安全、低毒的相变工质，采取水平放置以及太阳能集热管中留存空腔等措施，解决目前大规模集热储热一体化太阳能集热管应用时破损率及成本较高等问题。

实用新型内容

本实用新型的目的在于寻找一种高效、结构简单、成本较低的集热储热一体化的集热装置，在太阳能集热管中填充相变材料，相变材料仅填充部分空间，当发生相变时利用圆管侧壁上力的分解和相变材料上表面不受约束的特性，使相变材料的体积得到可控释放，有效降低相变材料热变形产生的张力，避免太阳能集热管的破损以及相变材料的大量泄露。

本实用新型提供了一种太阳能相变集热储热管，包括太阳能集热管、相变材料、端部塞体以及取热管道，所述太阳能集热管包括玻璃外管和内管，其特征在于，所述太阳能集热管水平放置；所述相变材料填充于所述太阳能集热管的底部空间，所述太阳能集热管上部空间形成空腔结构，所述取热管道水平布置于所述相变材料内，由于空腔结构的存在，所述相变材料由于重力作用存在于所述太阳能集热管的中部和底部，当温度升高，所述相变材料发生融化时，体积增大，由于所述空腔结构的存在，所述相变材料在上表面可以自由膨胀，不会对太阳能集热管的上下壁面产生压力，避免因为所述相变材料体积增大造成所述太阳能集热管破损；当温度下降，所述相变材料发生凝固时，体积变小，同样由于空腔结构的存在，太阳能集热管也不会因为应力发生破损。

进一步地，所述内管为玻璃内管或金属内管。

优选地，所述玻璃外管和内管之间为真空结构，用于减少所述太阳能集热管的散热，提升集热效率。

进一步地，所述太阳能集热管的内部在长度方向上均匀设置有间隔物，当所述相变材料发生相变时，体积会发生较大变化，由于所述间隔物的设置，所述相变材料在轴向方向上可以允许一定的移动，不会对太阳能集热管的端部造成压力。所述间隔物材质优选为四氟材质或硅橡胶材质。

进一步地，所述玻璃外管内壁向阳面设置有反射涂层，可以将部分不能直接吸收的太阳光进行二次反射，最终到达所述太阳能集热管的内管上，起到较好的聚光效果，提高对太阳光的利用效率。

优选地，所述玻璃外管直径与所述内管直径之比大于2。常规的太阳能集热管外管直径为58mm，内管直径为47mm，比值为1.234，但是本实用新型中设置了起到聚光效果的反射涂层，因此可以将外管和内管直径之比进一步扩大，以起到更好的聚光集热效果。

优选地，所述相变材料为以三水醋酸钠或尿素为主体的复合相变材料，所述三水醋酸钠和尿素成本较低，其中三水醋酸钠的熔点为58.4℃，适合用于低温应用领域，所述尿素的初熔点为132.7℃，适合用于中高温领域。实际应用时，所述复合相变材料以三水醋酸钠或尿素为主体，考虑实际使用需要，还会添加一些增强换热能力的设计、降低过冷度的添加剂以及固体小块。

进一步地，所述内管内壁设置有增强换热结构，能够提升热量传递的速度，使所述相变材料各个位置的温度分布更加均匀。

进一步地，所述增强换热结构材质为铝，铝的导热性良好，适合作为所述增强换热结构的材料。

进一步地，所述增强换热结构布置于所述相变材料侧面及底部，即所述增强换热结构只分布于部分所述内管内壁，能够起到热量传导的作用，使所述相变材料的温度分布更均匀。

优选地，所述增强换热结构布置于所述内管内壁且包围所述取热管道，即所述增强换热结构布置于所述太阳能集热管的整个内壁，并且延伸到所述取热管道，使所述取热管道的取热效果得到了有效提升。

优选地，所述端部塞体设置有卸压孔，能够将所述空腔结构的部分压力释放，保护所述太阳能集热管不破损。

一种太阳能相变集热储热管阵列，包括平行布置的多个上述太阳能相变集热储热管，形成集热储热系统，可以民用或者商用。

进一步地，所述太阳能相变集热储热管阵列还包括倾斜向阳布置的支撑结构，所述太阳能相变集热储热管阵列水平布置于所述支撑结构的倾斜面上，能够接收更多的有效阳光，收集更多的热量。

进一步地，所述多个平行布置的太阳能相变集热储热管串联/并联/串并联结合，具体的连接方式可以根据用户使用需求和相变材料进行确定和调整。

本实用新型提供了一种以相变材料作为传热工质的太阳能集热储热管，采用相变材料，充分利用相变潜热，热效率高；太阳能集热管为圆形结构，且内部设有空腔结构和间隔物，可以有效平衡相变材料发生相变时的应力，大大降低太阳能集热管的破损率；另外采用原位存储的方式，节约了常规的水箱等配套设施，成本有效下降。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为太阳能相变集热储热管的剖面图。

图2为太阳能相变集热储热管的截面图。

图3为另一实施例太阳能相变集热储热管的截面图。

图4为再一实施例太阳能相变集热储热管的截面图。

图5为又一实施例太阳能相变集热储热管的截面图。

图6为太阳能相变集热储热管阵列示意图

图中，A为太阳能相变集热储热管，1为太阳能集热管，2为相变材料，3为间隔物，4为端部塞体，5为卸压孔，6为取热管道，7为空腔结构，8为增强换热结构，9为反射涂层，10为支撑结构。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

如图1所示，本实用新型为一种太阳能相变集热储热管剖面图，所述太阳能相变集热储热管包括太阳能集热管1、相变材料2、端部塞体4以及取热管道6，所述太阳能集热管1包括玻璃外管和内管，其特征在于，所述太阳能集热管1水平放置，所述相变材料2填充于所述太阳能集热管1的底部空间，所述太阳能集热管1上部空间形成空腔结构7，所述取热管道6水平布置于所述相变材料2内，由于所述空腔结构7的存在，所述相变材料2由于重力作用存在于所述太阳能集热管1的中部和底部。优选地，所述相变材料2至少占据所述太阳能集热管1的三分之二空间。当温度升高，所述相变材料2发生融化时，体积增大，由于所述空腔结构7的存在，所述相变材料2在上表面可以自由膨胀，不会对太阳能集热管的上下壁面产生压力，避免因为所述相变材料体积增大造成所述太阳能集热管破损；当温度下降，所述相变材料发生凝固时，体积变小，同样由于空腔结构的存在，太阳能集热管也不会因为应力发生破损。为了改善所述相变材料2的换热能力的设计以及过冷度，在实际应用过程中，会在所述相变材料2中添加固体小块和/或添加剂，所述固体小块作为成核剂，所述固体小块优选为砂砾或小石子，成本低且稳定可靠，能够使所述相变材料2能够均匀冷却和凝固，不发生体积突变,防止太阳能集热管1破损。述相变材料2优选为以三水醋酸钠或尿素为主体的复合相变材料，所述三水醋酸钠和尿素成本较低，其中三水醋酸钠的熔点为58℃，适合用于低温应用领域，所述尿素的初熔点为132.7℃，适合用于中高温领域。实际应用时，所述复合相变材料以三水醋酸钠或尿素为主体，考虑实际使用需要，还会添加一些增强换热能力的设计、降低过冷度的添加剂以及固体小块。另外还可以根据用户需求的用热参数，采用其他相变材料作为所述相变材料。

所述太阳能集热管1的内部在轴向方向上均匀设置有间隔物3，当所述相变材料2发生相变时，体积会发生较大变化，由于所述间隔物3的设置，所述相变材料2在轴向方向上可以允许一定的移动量，不会对所述太阳能集热管1的端部造成压力。所述间隔物3的作用是平衡所述相变材料2在轴向上的伸缩，因此需要选用有弹性、能伸缩、易变型的，且在所述相变材料中耐候性好的材料。所述间隔物3材质优选为四氟材质或硅橡胶材质，例如蓬松的发泡四氟和发泡弹性硅橡胶，弹性好，在三水醋酸钠或尿素等相变材料2中兼容性较好，能够起到平衡所述相变材料2在发生凝固或融化时轴向上的应力，且成本较低，容易成型和安装。例如在2m长的太阳能集热管1的内腔中每间隔200mm设置一个四氟材质的间隔物3。所述端部塞体4设置有卸压孔5，当所述空腔结构7中有一定压力时，开启所述泄压孔能够将所述空腔结构7的部分压力释放，保护所述太阳能集热管1不破损。所述取热管道6优选为

U型管，如图2所示，一端为取热流体的入口，一端为取热流体的出口，用于夜间将所述相5变材料2储存的热量取出进行利用。

需要指出的是，所述太阳能集热管1的内管可以为玻璃内管或金属内管，可以根据具体用户需求进行选择使用。优选地，所述玻璃外管和内管之间为真空结构，用于减少所述太阳能集热管1的散热，提升集热效率。也就是说所述太阳能集热管1可以为真空太阳能集热管或者非真空太阳能集热管，当为真空太阳能集热管时，所述玻璃外管和内管之间抽真空。

如图3所示，为太阳能相变集热储热管的另一实施例，所述内管内壁设置有增强换热结

构8，能够提升热量传递的速度，使所述相变材料2各个位置的温度分布更加均匀，热量传递更加充分。所述增强换热结构8材质优选为铝，所述铝的导热性良好，适合作为所述增强换热结构8的材料。所述玻璃外管内壁向阳面设置有反射涂层9，可以将部分不能直接吸收

的太阳光进行二次反射，最终到达所述太阳能集热管1的内管上，起到较好的聚光效果，提5高对太阳光的利用效率。优选地，所述玻璃外管直径与所述内管直径之比大于2。常规的太

阳能集热管外管直径为58mm，内管直径为47mm，比值为1.234，但是本实用新型中设置了起到聚光效果的反射涂层，因此可以将外管和内管直径之比进一步扩大，以起到更好的聚光集热效果，提高对太阳光的利用效率。

当所述内管为金属内管，且所述金属内管、所述增强换热结构8以及所述取热通道6均0为同一金属材质，可以为一体成型结构，所述金属材质优选为铝，具体如图5所示，工艺结

构简单，加工步骤少，制造成本大幅度降低，取热效果更佳。

在本实用新型中，所述增强换热结构8展示了两种实施例，图3示出了第一种实施例，所述增强换热结构8布置于所述相变材料2侧面及底部，即所述增强换热结构8只分布于部

分所述内管内壁，能够起到热量传导的作用，使所述相变材料2的温度分布更均匀。图4示5出了第二种实施例，所述增强换热结构8布置于所述内管内壁且包围所述取热管道6，即所

述增强换热结构8布置于所述太阳能集热管1的整个内壁，并且延伸到所述取热管道6，并且对所述取热管道6进行包围，使所述取热管道的取热效果得到了有效提升。需要说明的是，本实用新型未列出的本领域内的现有增强换热结构都可利用于本实用新型提出的所述太阳能相变集热储热管中。

所述太阳能相变集热储热管的工作原理如下：

所述相变材料2温度升高或者降低时，当温度到达熔点时，融化/凝固现象发生的同时，伴随着所述相变材料2体积的减小/增大，所述间隔物3的设置，可以允许所述相变材料2在轴向方向上有一定的移动量，所述空腔结构7的设置，可以使所述相变材料2在上部空间有一定的伸缩量，如此，严格控制了所述太阳能集热管的破损率，同时不存在所述相变材料大量泄漏造成财务损失。

本实用新型保护的所述太阳能集热储热管与相变材料相结合，利用所述太阳能集热管内部预留空腔结构以及在所述太阳能集热管内部等间距设置间隔物的方式，解决了相变材料在使用时发生相变，体积发生变化造成的所述太阳能集热管破损问题；另外由于相变材料的相变潜热较大，利用少量的相变材料就可以收集和储存较多的热量，集热储热效率高。

三水醋酸钠熔点为58.4℃，潜热为265kJ/kg，固态密度为1.45kg/dm3，液态密度为1.28kg/l，添加了合适配比成核剂和增稠剂的三水醋酸钠经多次相变热循环后，潜热仍可保持在250kJ/kg左右，取250kJ/kg计算。GB/T19141《家用太阳能热水器技术条件》中日太阳能辐射标准取值为17MJ/㎡，真空管集热器开口面积取真空管内管径累积面积的约1.4倍，真空管集热器集热效率取55％，真空管内三水醋酸钠充填量取固态体积的80％(液态体积约90.6％)，以最常见的内管外径47mm(内径44mm)、玻璃外管外径58mm的全玻璃太阳能集热管为例，所述全玻璃太阳能集热管为真空集热管，有效管长1700mm，管间距70mm的集热器为例，管内容积为2.58升，充填三水醋酸钠量为3.0kg，潜热为750kJ。在每日17MJ/㎡的辐射下，单支真空管得热量为1.11MJ，可储热量占总集热量为67.34％，如果太阳能系统是8小时均匀集热，24小时均匀供热，正好满足系统使用。

传统集热储热系统由集热管和储水箱组成，系统相对比较复杂，一般情况下储水箱需要空间布置，且需要高位布置。而本实用新型中的太阳能相变集热储热罐同时具有集热和储热功能，省略了储水箱，节约了设备空间，且不需要高空施工，系统简约，集热储热效率高，具备全天24小时均匀供热的功能。

如图6所示的一种太阳能相变集热储热管阵列，包括平行布置的多个上述太阳能相变集热储热管A，形成集热储热系统，可以民用或者商用。优选地，所述多个太阳能相变集热储热管A等间距布置。所述多个平行布置的太阳能相变集热储热管A串联/并联/串并联结合，具体的连接方式可以根据用户使用需求和相变材料物化性质进行确定和调整。优选地，所述太阳能相变集热储热管A阵列还包括倾斜向阳布置的支撑结构10，所述太阳能相变集热储热管A阵列水平布置于所述支撑结构的倾斜面上，能够接收更多的有效阳光，收集更多的热量。需要指出的是，实际使用时，一般需要控制相变材料的使用温度，采用安装温度测点的方式，控制相变材料不要超过最高使用温度，使相变材料不发生化学变化，以维持相变材料的使用寿命。

本实用新型提供了一种以相变材料作为传热工质的太阳能相变集热储热管，采用安全、可靠、低成本的相变材料，充分利用相变潜热，热效率高；太阳能集热管的截面为圆形，且内部设有空腔结构和间隔物，可以有效平衡相变材料发生相变时径向和轴向的应力，大大降低太阳能集热管的破损率；另外采用原位存储的方式，节约了常规的水箱等配套设施，成本有效下降。

应当理解的是，本实用新型并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本实用新型的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (15)

1.一种太阳能相变集热储热管，包括太阳能集热管、相变材料、端部塞体以及取热管道，所述太阳能集热管包括玻璃外管和内管，其特征在于，所述太阳能集热管水平放置；所述相变材料填充于所述太阳能集热管的底部空间，所述太阳能集热管上部空间形成空腔结构，所述取热管道水平布置于所述相变材料内。

2.根据权利要求1所述的一种太阳能相变集热储热管，其特征在于，所述内管为玻璃内管或金属内管。

3.根据权利要求2所述的一种太阳能相变集热储热管，其特征在于，所述玻璃外管和内管之间为真空结构。

4.根据权利要求1所述的一种太阳能相变集热储热管，其特征在于，所述太阳能集热管的内部在轴向方向上均匀设置有间隔物。

5.根据权利要求4所述的一种太阳能相变集热储热管，其特征在于，所述玻璃外管内壁向阳面设置有反射涂层。

6.根据权利要求1所述的一种太阳能相变集热储热管，其特征在于，所述玻璃外管直径与所述内管直径之比大于2。

7.根据权利要求1所述的一种太阳能相变集热储热管，其特征在于，所述相变材料为以三水醋酸钠或尿素为主体的复合相变材料。

8.根据权利要求1所述的一种太阳能相变集热储热管，其特征在于，所述内管内壁设置有增强换热结构。

9.根据权利要求8所述的一种太阳能相变集热储热管，其特征在于，所述增强换热结构材质为铝。

10.根据权利要求8所述的一种太阳能相变集热储热管，其特征在于，所述增强换热结构布置于所述相变材料侧面及底部。

11.根据权利要求8所述的一种太阳能相变集热储热管，其特征在于，所述增强换热结构布置于所述内管内壁且包围所述取热管道。

12.根据权利要求1所述的一种太阳能相变集热储热管，其特征在于，所述端部塞体设置有泄压孔。

13.一种太阳能相变集热储热管阵列，其特征在于，所述阵列包括平行布置的多个如权利要求1-9任一项所述的太阳能相变集热储热管。

14.根据权利要求13所述的一种太阳能相变集热储热管阵列，其特征在于，还包括倾斜向阳布置的支撑结构，所述太阳能相变集热储热管阵列水平布置于所述支撑结构的倾斜面上。

15.根据权利要求13所述的一种太阳能相变集热储热管阵列，其特征在于，所述多个平行布置的太阳能相变集热储热管串联/并联/串并联结合。

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