抗凍太陽能平板集熱器及其設(shè)計方法
【專利摘要】抗凍太陽能平板集熱器及其設(shè)計方法，其設(shè)計方法的主要特征是通過當(dāng)?shù)貧庀筚Y料，確定相變蓄能材料的厚度。該抗凍太陽能平板集熱器，相變蓄能板整齊緊密的排列在吸熱板與保溫層之間；相變蓄能板內(nèi)部沿長度方向設(shè)有擋板；在集熱器出口處相變蓄能板的上下表面分別添加了溫度傳感器，及溫度控制器。當(dāng)吸熱板的溫度降低到相變蓄能材料相變溫度時，相變蓄能板內(nèi)的蓄能材料發(fā)生相變，釋放潛熱阻止溫度繼續(xù)降低，達(dá)到抗凍功能。若遇到極端天氣時，可利用溫度控制器啟動泵，進行強迫循環(huán)防凍。本發(fā)明防凍裝置結(jié)構(gòu)簡單，安全可靠，且熱損失低，可以有效的防止太陽能平板集熱器因結(jié)冰而造成的損壞。
【專利說明】抗凍太陽能平板集熱器及其設(shè)計方法
[0001]

【技術(shù)領(lǐng)域】 本發(fā)明屬于太陽能集熱器【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種抗凍太陽能平板集熱器及其設(shè)計方法。
[0002]

【背景技術(shù)】 關(guān)于太陽能平板集熱器的防凍問題，目前在工程領(lǐng)域采用的方法主要有雙回路系 統(tǒng)、強制循環(huán)法，相關(guān)研究較多。但通過改變集熱自身結(jié)構(gòu)實現(xiàn)防凍，不完全依賴于外部 條件的研究較少。相關(guān)的專利有，發(fā)明專利"真空平板太陽能集熱裝置"（專利申請?zhí)枮?200710303714.X)、發(fā)明專利"防凍平板太陽能集熱器"(專利申請?zhí)枮?01210090849. 3)、發(fā) 明專利"一種增加金屬翅片的儲能型太陽平板集熱器"（專利申請?zhí)枮?00810123872. 1)、 發(fā)明專利"一種相變蓄熱太陽能熱水器"（專利申請?zhí)枮?01210473798. 2)。與本發(fā)明較為 接近的專利是后兩個，這兩項技術(shù)均在吸熱板與保溫層之間增加了相變蓄能材料層，換熱 水管均為蛇形管置于相變材料內(nèi)部，組成集熱蓄熱一體化的太陽能熱水器，同時也起到防 凍的作用。從集熱器的防凍功能方面分析，上述兩項技術(shù)還明顯存在以下問題：1、沒有給出 計算相變材料使用量的方法；2、集熱器使用時需要傾斜放置，因此當(dāng)相變蓄能材料凝固時， 固相材料會下沉，出現(xiàn)固液分離的情況，使吸熱板的溫度分布嚴(yán)重不均勻，容易出現(xiàn)局部凍 結(jié)；3、采用的相變蓄能材料的相變溫度較高。在防凍時，吸熱板溫度相對較高，熱損失大； 4、沒有考慮極端天氣和連續(xù)陰雪天的情況。在此特殊天氣情況下，有可能相變蓄能材料儲 能量不足以彌補熱損失，水管溫度降低到零下，發(fā)生凍結(jié)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 針對上述存在的問題，本發(fā)明提供一種的抗凍太陽能平板集熱器及其設(shè)計方法。
[0004] 本發(fā)明是抗凍太陽能平板集熱器裝置及其設(shè)計方法，抗凍太陽能平板集熱器裝 置，其結(jié)構(gòu)從上到下依次設(shè)有玻璃蓋板1，吸熱板2,相變蓄能板3,保溫層4,殼體5,相變蓄 能板3內(nèi)部沿長度方向設(shè)有擋板13 ;相變蓄能板3整齊緊密的排列在吸熱板2與保溫層4 之間；在集熱器出口 7處相變蓄能板3的上下表面分別安裝了第一溫度傳感器8和第二溫 度傳感器9;所述的第一溫度傳感器8、第二溫度傳感器9連接溫度控制器10。
[0005] 抗凍太陽能平板集熱器的設(shè)計方法，其步驟為： (1) 確定設(shè)計抗凍時長h和設(shè)計環(huán)境溫度平均值Ta(l : ① 根據(jù)當(dāng)?shù)貧庀筚Y料，統(tǒng)計全年中當(dāng)?shù)厝兆畹蜌鉁氐陀讴枴鉉的天數(shù)N，稱為可結(jié)冰日； ② 統(tǒng)計可結(jié)冰日內(nèi)每天環(huán)境溫度低于〇°C且無日照的時間t，及該時間段內(nèi)環(huán)境溫度 平均值Ta ;最后確定設(shè)計防凍時長、及設(shè)計環(huán)境溫度平均值Ta(l，必須滿足時長t小于、的 天數(shù)為K:N，Ta大于Ta(l的天數(shù)為K2N; ③I、K2為抗凍保證系數(shù)，取值要大于0. 8 ; (2) 選取相變蓄能材料，其相變溫度在4一8°C之間，相變潛熱高于80kJ/kg; (3) 確定相變蓄能材料的厚度： 根據(jù)下式計算相變相變蓄能材料厚度，

【權(quán)利要求】
1. 抗凍太陽能平板集熱器裝置，其結(jié)構(gòu)從上到下依次設(shè)有玻璃蓋板（1)，吸熱板（2)， 相變蓄能板（3)，保溫層（4)，殼體（5)，其特征在于，相變蓄能板（3)內(nèi)部沿長度方向設(shè)有擋 板（13);相變蓄能板（3)整齊緊密的排列在吸熱板（2)與保溫層（4)之間；在集熱器出口 (7)處相變蓄能板（3)的上下表面分別安裝了第一溫度傳感器（8)和第二溫度傳感器（9); 所述溫度傳感器（8 )、（ 9 )連接溫度控制器（10 )。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的抗凍太陽能平板集熱器裝置，其特征在于該平板集熱器是管 板式，或者是翼管式，或者是扁盒式，或者是蛇管式。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的抗凍太陽能平板集熱器裝置，其特征在于相變蓄能板（3)由 上蓋板（11)、下底板（14)、擋板（13)和填充在上蓋板（11)、下底板（14)內(nèi)的相變蓄能材料 (12)組成；下底板（14)為長方形盒裝。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的抗凍太陽能平板集熱器裝置，其特征在于相變蓄能板（3)與 集熱器的吸熱板（2)背面和管道（15)緊密接觸。
5. 抗凍太陽能平板集熱器的設(shè)計方法，其特征在于，包括W下步驟： (1) 確定設(shè)計抗凍時長t。和設(shè)計環(huán)境溫度平均值T。。： ① 根據(jù)當(dāng)?shù)貧庀筚Y料，統(tǒng)計全年中當(dāng)?shù)厝兆畹蜌鉁氐陀讴枴鉉的天數(shù)N，稱為可結(jié)冰日； ② 統(tǒng)計可結(jié)冰日內(nèi)每天環(huán)境溫度低于0°C且無日照的時間t，及該時間段內(nèi)環(huán)境溫度 平均值T。；最后確定設(shè)計防凍時長t。及設(shè)計環(huán)境溫度平均值T。。，必須滿足時長t小于t。的 天數(shù)為KiN, Ta大于T。。的天數(shù)為KsN ; ③ Ki、馬為抗凍保證系數(shù)，取值要大于0. 8 ; (2) 選取相變蓄能材料，其相變溫度在4一8C之間，相變潛熱高于SOkJAg ; (3) 確定相變蓄能材料的厚度： 根據(jù)下式計算相變相變蓄能材料厚度，
式中，d為相變相變蓄能材料厚度，P為相變蓄能材料密度、Cl為液相比熱容、C,為固 相比熱容、Tp為相變溫度、L為相變潛熱，U為集熱器總熱損系數(shù)，T。為集熱器初始溫度，可 取10-3(TC，Tt為允許的最低溫度，其取值高于2°C，低于相變蓄能材料相變溫度Tm, t。為設(shè) 計抗凍時長，T。為設(shè)計抗凍時長內(nèi)環(huán)境溫度平均值； (4) 確定相變蓄能板的尺寸，封裝相變蓄能材料，整齊的排列在吸熱板與保溫層之間； 相變蓄能板（3)的寬度小于集熱器支管的間距，相變蓄能板（3)的長度小于吸熱板長 度，相變蓄能板（3)的高度大于相變蓄能材料的厚度山小于d+5mm，且在相變蓄能板（3)的 內(nèi)部沿長度方向每隔5-lOcm放一塊擋板（13)。
【文檔編號】F24J2/34GK104266383SQ201410496263
【公開日】2015年1月7日 申請日期:2014年9月25日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月25日
【發(fā)明者】王智平, 趙靜, 路陽, 王克振, 陸鑫, 張楠, 寇宗麗 申請人:蘭州理工大學(xué)