專利名稱：太陽(yáng)能熱水集熱器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及集熱器，具體涉及太陽(yáng)能熱水集熱器。
背景技術(shù)：
聚光類太陽(yáng)能集熱器根據(jù)光學(xué)原理來(lái)提高收集到的太陽(yáng)輻射的能量密度。在眾多聚光類太陽(yáng)能集熱器中，多數(shù)集熱器屬于高溫集熱器，多用于太陽(yáng)能發(fā)電，并不適用于建筑空調(diào)領(lǐng)域使用。CPC集熱器的工作溫度范圍為80-250°C，常用的工作溫度范圍為80-150°C， 比較適合于建筑的采暖和制冷使用。CPC集熱器的聚光器CPC是一種依據(jù)邊緣光線原理設(shè)計(jì)的低聚焦度非成像聚光器，可以將給定接收角范圍內(nèi)的入射光線按理想聚光比匯聚到接收器上。一般，CPC集熱器能達(dá)到的聚光比在10以下，具有較大的接收角，運(yùn)行時(shí)不需要連續(xù)跟蹤太陽(yáng)，只要將傾斜角度做季節(jié)性調(diào)整即可。當(dāng)聚光比在3以下時(shí)，可以按固定的傾斜角度安裝，不作調(diào)整。這種集熱器不但能接受太陽(yáng)的直射輻射，而且能接受散射輻射(能利用總散射輻射的20%)。與平板集熱器相比，CPC集熱器由于具有一定的聚光作用，吸熱體面積相對(duì)更小，熱損失也相應(yīng)減小，因而集熱溫度相對(duì)提高，集熱效率也相對(duì)較高。近年來(lái)，許多國(guó)家的學(xué)者在CPC集熱器的理論與應(yīng)用方面都進(jìn)行了比較深入的研究。如[1] P. C. Eames, B. Norton. Detailed Parametric Analyses of Heat Transfer in CPC Solar Energy Collectors [J]. Solar Energy，1993，50 (4) :321_338。(CPC太陽(yáng)能集熱器傳熱中的具體參數(shù)分析)[2]Farouk Kothdiwala A.Norton BiEames P C. The Effect of Variation of Angle of Inclination on the Performance of Low-Concentration-Ratio Compound Parabolic Concentrating Solar Collectors[J]. Solar Energy, 1995, 55(4) :301_309o (傾斜角度對(duì)低聚光比CPC太陽(yáng)能集熱器性能的影響)[3] Manuel I.Gonzalez, Luis R. Rodriguez,Jesus H. Lucio. Evaluation of Thermal Parameters and Simulation of a Solar-powered,Solid-sorption Chiller with a CPC Collector[J]. Renewable Energy, 2009,34(3) :570-577。(帶CPC集熱器的太陽(yáng)能固體吸附式冷卻裝置的熱參數(shù)評(píng)定和模擬分析)[4]R Oommen, S Jayaraman. Development and Performance Analysis of Compound Parabolic Solar Concentrators with Reduced Gap Losses-oversized Reflector[J]. Energy Conversion and Mmagement，2001，42 (11) : 1379-1399。(利用超大面積反射器減小空隙損失的CPC太陽(yáng)能集熱器的幵發(fā)及性能分析)[5]R OommemS Jayaraman. Development and Performance Analysis of Compound Parabolic Solar Concentrators with Reduced Gap Losses- iV^ Groove Reflector[J]. Renewable Energy，2002，27 (2) 259-275。(利用V形槽反射器減小空隙損失的CPC太陽(yáng)能集熱器的開(kāi)發(fā)及性能分析) [6]Naum Fraidenraich, Chigueru Tiba, Braulio B. Brandao, etc. Analytic Solutions for the Geometric and Optical Properties of Stationary Compound Parabolic Concentrators with Fully Illuminated Inverted V Receiver[J]. Solar Energy, 2008,82(2) 132-143。(利用倒置V形吸收器充分吸收太陽(yáng)能的固定式CPC集熱器幾何特征和光學(xué)性能的分析解研究)[7]M. Souliotis, Y. Tripanagnostopoulos. ExperimentalStudy of CPC Type ICS Solar Systems[J]. Solar Energy,2004,76, Issue 4, April Pages 389-408。(CPC 型 ICS 太陽(yáng)能系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究)[8]Yong Kim, Gui Young Han, Taebeom Seo. An Evaluation on Thermal Performance of CPC Solar Collector[J]. International Communications in Heat and Mass Transfer,2008,35(4) :446_457。(CPC 太陽(yáng)能集熱器的熱性能評(píng)價(jià))[9]H.E. I. Khonkar，Α. Α. Μ. Sayigh. Optimization of the Tubular Absorber Using a Compound Parabolic Concentrator[J]. Renewable Energy, 1995,6(1) : 17-21。(利用復(fù)合拋物面聚光器的管狀吸收器最優(yōu)化設(shè)計(jì))[10]Mohd. Yusof Hj. Othman, Baharudin Yatim, Kamaruzzaman Sopian, etc. Performance Analysis of a Double-pass Photovoltaic/Thermal(PV/T)Solar Collector with CPC and Fins[J]. Renewable Energy, 2005, 30 (13) :2005_2017。(帶 CPC 和翅片的雙流程 PV/T 太陽(yáng)能集熱器的性能分析)[ll]Manuel I. Gonzalez, Luis R. Rodriguez. Solar Powered Adsorption Refrigerator with CPC Collection System Collector Design and Experimental Test. Energy Conversion and Management, 2007,48 (9) :2587_2594。(帶 CPC 系統(tǒng)的太陽(yáng)能吸附式制冷機(jī)的集熱器設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)測(cè)試)[12]M. Souliotis, Y. Tripanagnostopoulos. Study of the Distribution of the Absorbed Solar Radiation on the Performance of a CPC-type ICS Water Heater. Renewable Energy, 2008,33 (5) :846_858。(太陽(yáng)輻射分布對(duì)CPC型ICS熱水器性能的影響分析)[13]李臻，史月艷，王毓琰，等.具有鏡面反射和漫反射的CPC光學(xué)分析[J],太陽(yáng)能學(xué)報(bào)，2003，M(1) :58-63。[14]任云鋒，魚(yú)劍琳， 趙華.一種CPC型熱管式太陽(yáng)能集熱器的實(shí)驗(yàn)研究[J].西安交通大學(xué)學(xué)報(bào).2007，41 (3) 291-2940 [15]徐海峰，劉震炎.非跟蹤聚焦型太陽(yáng)能冷管及其性能研究[J].太陽(yáng)能學(xué)報(bào)， 2003,24(6) :750-757。[16]沈超.CPC超導(dǎo)熱管集熱器及海水淡化技術(shù)研究(D).西安 西北工業(yè)大學(xué)，2005。[17]張曉東.復(fù)合拋物面型集熱器性能研究[D].西安西北工業(yè)大學(xué)，2006。[18]石玲.CPC熱管式真空管集熱器傳熱模型的分析[D].杭州浙江大學(xué)，2007。 [19]孟華，葛新石，喬力.CPC接收面上光強(qiáng)分布及其影響因素的理論和實(shí)驗(yàn)研究[J].太陽(yáng)能學(xué)報(bào)，1996，17 ) :151-156。[20]劉芳，邢永杰.CPC在太陽(yáng)能集熱器中的應(yīng)用[J]. 太陽(yáng)能學(xué)報(bào)，2001，(2) :18-19。[21]許雪松.CPC型熱管式真空集熱器的研究[D].南京 南京工業(yè)大學(xué)，2004。[22]李業(yè)發(fā).鄭迎松，邱國(guó)等.配有多根真空管的CPC各構(gòu)件吸收光能的理論分析[J].太陽(yáng)能學(xué)報(bào)，1999，(1) :69-73。[23]Runsheng Tang, Maogang Wu, Yamei Yu, Ming Li. Optical Performance of Fixed Ea st-west Aligned CPCs Used in China. Renewable Energy, 2010, 35 (8) : 1837-1841。(應(yīng)用于中國(guó)的固定式東西定位 CPCs 的光學(xué)性能研究)[24]何梓年，葛洪川，蔣富林，等.真空集熱管內(nèi)不同形狀吸熱體表面相對(duì)太陽(yáng)輻照強(qiáng)度的實(shí)驗(yàn)研究[J]·太陽(yáng)能學(xué)報(bào)，1995，16 (4) :361-366。[25]葛洪川，何梓年， 蔣富林，等.真空集熱管內(nèi)不同形狀吸熱體能量收益的研究[J].太陽(yáng)能學(xué)報(bào)，1996，17(1) 15-21。[26]何梓年，蔣富林，葛洪川，等.熱管式真空管集熱器的熱性能研究[J].太陽(yáng)能學(xué)報(bào)，1994，15(1) :73-82。然而，依據(jù)上述現(xiàn)有文獻(xiàn)可知，目前所使用的CPC集熱器基本上都是做成單根管的形式，并且具有較大的接收器管徑，這樣就造成集熱器整體結(jié)構(gòu)需要占用較大空間，此外也沒(méi)有形成模塊化式的產(chǎn)品基礎(chǔ)，不利于進(jìn)一步推廣應(yīng)用
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種占用空間小、集熱效率高并且承壓能力強(qiáng)的太陽(yáng)能熱水集熱器。本發(fā)明的太陽(yáng)能熱水集熱器，它包括框架，在所述的框架內(nèi)鑲嵌有保溫層，在所述的框架的開(kāi)口側(cè)蓋有透明蓋板，集熱單元由一個(gè)接收器和多個(gè)聚光器組成并安裝在所述的框架內(nèi)，所述的一個(gè)接收器包括與框架固定相連的多根直管段，所述的相鄰的直管段之間按預(yù)定的距離設(shè)置并且相鄰的直管段的兩管端頭連接處為同管徑半圓弧連接以形成蛇形布置，每一個(gè)所述的聚光器由兩個(gè)對(duì)稱設(shè)置的半拋物線形聚光板組成且聚光板兩端固定在框架上，接收器位于每一個(gè)所述的聚光器的兩個(gè)聚光板的底部相接處，在所述的接收器的一端設(shè)置有入水口并且在其另一端設(shè)置有出水口。本發(fā)明的突出優(yōu)點(diǎn)是與CPC集熱器相比，蛇形管復(fù)合拋物面聚光(Serpentine Compound ParabolicConcentrator，簡(jiǎn)稱SCPC)集熱器解決了傳統(tǒng)型CPC集熱器占用空間大的問(wèn)題， 集熱單元按照蛇形布置，組成模塊式結(jié)構(gòu)，可以根據(jù)建筑特點(diǎn)采用不同的塊數(shù)來(lái)滿足用戶需求，非常方便使用。同時(shí)，這種集熱器采用了拋物槽面聚光器和保溫性能較好的材料，提高了光學(xué)效率，降低了對(duì)外熱損失，因此，極大程度地增大了集熱效率。另外，該集熱器承壓能力高，可制備高于100°C的中溫?zé)崴?br>

圖1是本發(fā)明的太陽(yáng)能集熱器的主視圖2是圖1所示裝置的俯視圖3是本發(fā)明裝置的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖4是本發(fā)明裝置的安裝示意圖5是圖4所示的集熱單元截面示意圖6是實(shí)施例1中太陽(yáng)輻照度變化情況；
圖7是實(shí)施例1中氣溫變化情況；
圖8是實(shí)施例1中集熱器進(jìn)口水溫隨時(shí)間變化情況；
圖9是實(shí)施例1中集熱器出口水溫隨時(shí)間變化情況；
圖10是實(shí)施例1中水箱中水溫隨時(shí)間變化情況；
圖11是實(shí)施例1中集熱器瞬時(shí)集熱量隨時(shí)間變化情況
圖12是實(shí)施例1中集熱器瞬時(shí)效率隨時(shí)間變化情況。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合具體的實(shí)施例，并參照附圖，對(duì)本發(fā)明技術(shù)做進(jìn)一步的說(shuō)明如圖1-7所示的本發(fā)明太陽(yáng)能熱水集熱器，它包括框架1，在所述的框架1內(nèi)鑲嵌有保溫層2，在所述的框架1的開(kāi)口側(cè)蓋有透明蓋板3，集熱單元8由一個(gè)接收器4和多個(gè)聚光器5組成并安裝在所述的框架內(nèi)，所述的一個(gè)接收器4包括與框架1固定相連的多根直管段，所述的相鄰的直管段之間按預(yù)定的距離設(shè)置并且相鄰的直管段的兩管端頭連接處為同管徑半圓弧連接以形成蛇形布置，每一個(gè)所述的聚光器5由兩個(gè)對(duì)稱設(shè)置的半拋物線形聚光板組成且聚光板兩端固定在框架上，接收器4位于每一個(gè)所述的聚光器的兩個(gè)聚光板的底部相接處，也即兩個(gè)聚光板的底部對(duì)稱軸位置上。在所述的接收器的一端設(shè)置有入水口并且在其另一端設(shè)置有出水口。框架1采用金屬材料或高強(qiáng)度塑料制作。保溫層2可以采用聚氨酯保溫材料。透明蓋板3可以采用真空玻璃或單層玻璃，由此減小了輻射損失和對(duì)流損失。接收器的入水口6和出水口7與管道之間采用法蘭或絲扣連接。太陽(yáng)能集熱器可以采用支架9支撐。本發(fā)明裝置的工作原理如下蛇形管復(fù)合拋物面聚光(Serpentine Compound Parabolic Concentrator，簡(jiǎn)稱 SCPC)集熱器依據(jù)邊緣光線的原理設(shè)計(jì)，可以將給定接收角范圍內(nèi)的入射光線按理想聚光比匯聚到接收器上，它吸收了平板式集熱器和CPU集熱器的綜合優(yōu)點(diǎn)。太陽(yáng)的直射輻射、散射輻射和地面反射輻射照射到透明蓋板3之后，一部分由透明蓋板3反射回環(huán)境中，形成反射損失；另一部分經(jīng)透明蓋板3進(jìn)入聚光器5內(nèi)部，直射輻射經(jīng)過(guò)聚光器5幾次反射之后到達(dá)接收器4，在晴天，散射輻射和地面反射輻射可以認(rèn)為與直射輻射入射角度相同，同樣經(jīng)過(guò)幾次反射之后到達(dá)接收器4。這樣，由入水口 6流入的水就可以吸收接收器4的熱量，被加熱后，經(jīng)出水口 7流出。實(shí)施例1為了獲得SCPC集熱器的性能，對(duì)本發(fā)明裝置進(jìn)行了實(shí)際測(cè)試，測(cè)量參數(shù)包括自然氣象條件(如太陽(yáng)輻照度、氣溫、風(fēng)速)和SCPC集熱系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)(如溫度、流量)，其中，太陽(yáng)輻照度采用TRT-2輻射表測(cè)量，溫度采用T型熱電偶(銅-康銅)和Fluke 2686A Data Logging System(DLS)數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)測(cè)量，風(fēng)速采用ZRQF系列智能風(fēng)速計(jì)測(cè)量，流量采用UB型玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)測(cè)量。測(cè)量當(dāng)日的氣象條件晴，平均風(fēng)速為0.25m/s，太陽(yáng)輻照度、氣溫、集熱器進(jìn)口水溫、集熱器出口水溫、水箱溫度、瞬時(shí)集熱量和瞬時(shí)效率分別如圖6-圖12所示。由以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，受太陽(yáng)輻照度和氣溫變化的影響，集熱器進(jìn)口和出口水溫均在13:00之前上升較快，之后由于太陽(yáng)輻照度逐漸減小，進(jìn)、出口水溫的變化也隨著減小，曲線變得比較平坦，兩者之間的最大溫差可達(dá)到5. 620C ；水箱中水溫全天都有持續(xù)上升的趨勢(shì)；集熱器瞬時(shí)集熱量隨時(shí)間先增大后減小，到13:00左右達(dá)到最大瞬時(shí)集熱量為 1414. 64W;瞬時(shí)集熱效率最高可以達(dá)到15%,日平均集熱效率為46. 41 %。因此，可以得到結(jié)論，SCPC集熱器具有較高的集熱性能，它是一種具有較高效率、較高承壓能力和方便推廣應(yīng)用的中溫型集熱器。
權(quán)利要求
1.太陽(yáng)能熱水集熱器，它包括框架，其特征在于在所述的框架內(nèi)鑲嵌有保溫層，在所述的框架的開(kāi)口側(cè)蓋有透明蓋板，集熱單元由一個(gè)接收器和多個(gè)聚光器組成并安裝在所述的框架內(nèi)，所述的一個(gè)接收器包括與框架固定相連的多根直管段，所述的相鄰的直管段之間按預(yù)定的距離設(shè)置并且相鄰的直管段的兩管端頭連接處為同管徑半圓弧連接以形成蛇形布置，每一個(gè)所述的聚光器由兩個(gè)對(duì)稱設(shè)置的半拋物線形聚光板組成且聚光板兩端固定在框架上，接收器位于每一個(gè)所述的聚光器的兩個(gè)聚光板的底部相接處，在所述的接收器的一端設(shè)置有入水口并且在其另一端設(shè)置有出水口。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了太陽(yáng)能熱水集熱器，它包括框架，在所述的框架內(nèi)鑲嵌有保溫層，在所述的框架的開(kāi)口側(cè)蓋有透明蓋板，集熱單元由一個(gè)接收器和多個(gè)聚光器組成并安裝在所述的框架內(nèi)，一個(gè)接收器包括與框架固定相連的多根直管段，相鄰的直管段之間按預(yù)定的距離設(shè)置并且相鄰的直管段的兩管端頭連接處為同管徑半圓弧連接以形成蛇形布置，每一個(gè)聚光器由兩個(gè)對(duì)稱設(shè)置的半拋物線形聚光板組成且聚光板兩端固定在框架上，接收器位于每一個(gè)聚光器的兩個(gè)聚光板的底部相接處，在接收器的一端設(shè)置有入水口并且在其另一端設(shè)置有出水口，本集熱器極大地增大了集熱效率。另外，該集熱器承壓能力高，可制備高于100℃的中溫?zé)崴?br> 文檔編號(hào)F24J2/46GK102226585SQ20111014092
公開(kāi)日2011年10月26日 申請(qǐng)日期2011年5月27日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月27日
發(fā)明者張曉偉, 張歡, 李博佳, 由世俊 申請(qǐng)人:天津大學(xué)