抗冻太阳能平板集热器及其设计方法技术

抗冻太阳能平板集热器及其设计方法，其设计方法的主要特征是通过当地气象资料，确定相变蓄能材料的厚度。该抗冻太阳能平板集热器，相变蓄能板整齐紧密的排列在吸热板与保温层之间；相变蓄能板内部沿长度方向设有挡板；在集热器出口处相变蓄能板的上下表面分别添加了温度传感器，及温度控制器。当吸热板的温度降低到相变蓄能材料相变温度时，相变蓄能板内的蓄能材料发生相变，释放潜热阻止温度继续降低，达到抗冻功能。若遇到极端天气时，可利用温度控制器启动泵，进行强迫循环防冻。本发明专利技术防冻装置结构简单，安全可靠，且热损失低，可以有效的防止太阳能平板集热器因结冰而造成的损坏。

【技术实现步骤摘要】
抗冻太阳能平板集热器及其设计方法
本专利技术属于太阳能集热器
，涉及一种抗冻太阳能平板集热器及其设计方法。
技术介绍
关于太阳能平板集热器的防冻问题，目前在工程领域采用的方法主要有双回路系统、强制循环法，相关研究较多。但通过改变集热自身结构实现防冻，不完全依赖于外部条件的研究较少。相关的专利有，专利技术专利“真空平板太阳能集热装置”（专利申请号为200710303714.X）、专利技术专利“防冻平板太阳能集热器”（专利申请号为201210090849.3）、专利技术专利“一种增加金属翅片的储能型太阳平板集热器”（专利申请号为200810123872.1）、专利技术专利“一种相变蓄热太阳能热水器”（专利申请号为201210473798.2）。与本专利技术较为接近的专利是后两个，这两项技术均在吸热板与保温层之间增加了相变蓄能材料层，换热水管均为蛇形管置于相变材料内部，组成集热蓄热一体化的太阳能热水器，同时也起到防冻的作用。从集热器的防冻功能方面分析，上述两项技术还明显存在以下问题：1、没有给出计算相变材料使用量的方法；2、集热器使用时需要倾斜放置，因此当相变蓄能材料凝固时，固相材料会下沉，出现固液分离的情况，使吸热板的温度分布严重不均匀，容易出现局部冻结；3、采用的相变蓄能材料的相变温度较高。在防冻时，吸热板温度相对较高，热损失大；4、没有考虑极端天气和连续阴雪天的情况。在此特殊天气情况下，有可能相变蓄能材料储能量不足以弥补热损失，水管温度降低到零下，发生冻结。
技术实现思路
针对上述存在的问题，本专利技术提供一种的抗冻太阳能平板集热器及其设计方法。本专利技术是抗冻太阳能平板集热器装置及其设计方法，抗冻太阳能平板集热器装置，其结构从上到下依次设有玻璃盖板1，吸热板2，相变蓄能板3，保温层4，壳体5，相变蓄能板3内部沿长度方向设有挡板13；相变蓄能板3整齐紧密的排列在吸热板2与保温层4之间；在集热器出口7处相变蓄能板3的上下表面分别安装了第一温度传感器8和第二温度传感器9；所述的第一温度传感器8、第二温度传感器9连接温度控制器10。抗冻太阳能平板集热器的设计方法，其步骤为：（1）确定设计抗冻时长t0和设计环境温度平均值Ta0：①根据当地气象资料，统计全年中当地日最低气温低于0℃的天数N，称为可结冰日；②统计可结冰日内每天环境温度低于0℃且无日照的时长t，及该时间段内环境温度平均值Ta；最后确定设计防冻时长t0及设计环境温度平均值Ta0，必须满足时长t小于t0的天数为K1·N，Ta大于Ta0的天数为K2·N；③K1、K2为抗冻保证系数，取值要大于0.8；（2）选取相变蓄能材料，其相变温度在4—8℃之间，相变潜热高于80kJ/kg；（3）确定相变蓄能材料的厚度：根据下式计算相变相变蓄能材料厚度，式中d为相变相变蓄能材料厚度，单位为cm；ρ为相变蓄能材料密度，单位为g/cm3；cl为液相比热容，单位为J/(g·℃)；cs为固相比热容，单位为J/(g·℃)；Tm为相变温度，单位为℃；L为相变潜热，单位为J/g；U为集热器总热损系数，单位为W/(cm2·℃)；T0为集热器初始温度，单位为℃，可取10-30℃，Tt为允许的最低温度，单位为℃，其取值高于2℃，低于Tm相变蓄能材料相变温度，单位为℃；t0为设计抗冻时长，单位为s；Ta0为设计抗冻时长内环境温度平均值，单位为℃。（4）确定相变蓄能板的尺寸，封装相变蓄能材料，整齐的排列在吸热板与保温层之间；相变蓄能板3的宽度小于集热器支管的间距，相变蓄能板3的长度小于吸热板长度，相变蓄能板3的高度大于相变蓄能材料的厚度d，小于d+5mm，且在相变蓄能板3的内部沿长度方向每隔5-10cm放一块挡板13。本专利技术的有益效果为：（1）在抗冻太阳能平板集热器的设计方法中给出了确定相变蓄能材料厚度的方法，能够合理的确定相变蓄能材料的使用量。避免出现相变蓄能材料的使用量太少或太多的情况。当相变蓄能材料太少时，蓄存能量太少，起不到防冻作用；当相变蓄能材料太多时，集热器热容大幅度增加，减慢集热器的启动速度。（2）相变蓄能板内部沿长度方向每隔5-10cm设有一块挡板，可以有效防止固液分离，吸热板的温度分布均匀，不会出现局部冻结。（3）相变蓄能板内选用相变温度在4-8℃的相变蓄能材料，集热器内部温度较低，可以减少热损失。（4）相变蓄能板的上下表面分别装有温度传感器，并且配有温度控制器，可控制泵的启停。在极端冷的天气情况下，通过强制循环，仍能有效防冻，安全可靠。附图说明图1为本专利技术设计方法的流程图，图2为本专利技术的抗冻太阳能平板集热器的侧视图，图3为图1中相变蓄能板的放大图，图4为本专利技术的相变蓄能板排列的俯视图，图5兰州地区可结冰日的抗冻时长t统计图，图6是兰州地区无日照时间内环境温度平均值Ta统计图，图7是西安地区可结冰日的抗冻时长t统计图，图8是西安地区无日照时间内环境温度平均值Ta统计图，图9是实施例4相变蓄能板排列的俯视图，图10是实施例5相变蓄能板排列的俯视图，图中附图标记及对应名称为：玻璃盖板1、吸热板2、相变蓄能板3、保温材料4、壳体5、集热器入口6、集热器出口7、第一温度传感器8、第二温度传感器9、温度控制器相变蓄能材料10、上盖板11、相变蓄能材料12、挡板13、下底板14、管道15。具体实施方式如图2~图4所示，本专利技术的抗冻太阳能平板集热器装置，其结构从上到下依次设有玻璃盖板1，吸热板2，相变蓄能板3，保温层4，壳体5，相变蓄能板3内部沿长度方向设有挡板13；相变蓄能板3整齐紧密的排列在吸热板2与保温层4之间；在集热器出口7处相变蓄能板3的上下表面分别安装了第一温度传感器8和第二温度传感器9；所述的第一温度传感器8、第二温度传感器9连接温度控制器10。如图2~图4所示，当吸热板2的温度降低到相变蓄能材料相变温度时，相变蓄能板3内的相变蓄能材料发生相变，释放潜热阻止温度继续降低，达到防冻功能。若遇到极端天气时，相变蓄能材料的储能量不足以维持吸热板2的温度，则需要温度控制器启动泵，循环温度高于相变蓄能材料相变温度的水，防冻、并给相变材料蓄能。本专利技术的平板集热器是管板式，或者是翼管式，或者是扁盒式，或者是蛇管式。如图2、图3、图4、图9、图10所示，相变蓄能板3由上盖板11、下底板14、挡板13和填充在上盖板11、下底板14内的相变蓄能材料12组成；下底板14为长方形盒装。阻止蓄能材料发生相变后，固相材料向下沉积。相变蓄能板3与集热器的吸热板2和管道15紧密接触，在其接触界面处的间隙内放入导热填缝材料，降低两者之间接触热阻。所述两个温度传感器8、9分别置于集热器出口处的相变蓄能板3的上下表面，并连接温度控制器10。当遇到极端天气时，相变蓄能材料的储能量不足以维持吸热板2的温度，当上表面的温度降到最低允许温度Tt时，便启动泵循环温度高于Tm+5℃的水，相变蓄能材料发生相变，直到相变蓄能材料全部融化，即下表面温度传感器测得的温度达到Tm+1℃时，泵停止运行。如图1所示，抗冻太阳能平板集热器的设计方法，其步骤为：（1）确定设计抗冻时长t0和设计环境温度平均值Ta0：①根据当地气象资料，统计全年中当地日最低气温低于0℃的天数N，称为可结冰日；②统计可结冰日内每天环境温度低于0℃且无日照的时长t，及该时间段内环境本文档来自技高网...

【技术保护点】
抗冻太阳能平板集热器装置，其结构从上到下依次设有玻璃盖板（1），吸热板（2），相变蓄能板（3），保温层（4），壳体（5），其特征在于，相变蓄能板（3）内部沿长度方向设有挡板（13）；相变蓄能板（3）整齐紧密的排列在吸热板（2）与保温层（4）之间；在集热器出口（7）处相变蓄能板（3）的上下表面分别安装了第一温度传感器（8）和第二温度传感器（9）；所述温度传感器（8）、（9）连接温度控制器（10）。

【技术特征摘要】
1.抗冻太阳能平板集热器装置，其结构从上到下依次设有玻璃盖板（1），吸热板（2），相变蓄能板（3），保温层（4），壳体（5），及第一温度传感器（8）、第二温度传感器（9）、温度控制器（10），其特征在于，所述相变蓄能板（3）内相变蓄能材料的相变温度在4—8℃之间，相变潜热高于80kJ/kg；相变蓄能板（3）内部沿长度方向设有挡板（13）；相变蓄能板（3）整齐紧密的排列在吸热板（2）与保温层（4）之间；相变蓄能材料的厚度由下式确定：；式中d为相变蓄能材料厚度，单位为cm；ρ为相变蓄能材料密度，单位为g/cm3；cl为液相比热容，单位为J/(g·℃)；cs为固相比热容，单位为J/(g·℃)；Tm为相变温度，单位为℃；L为相变潜热，单位为J/g；U为集热器总热损系数，单位为W/(cm2·℃)；T0为集热器初始温度，单位为℃，可取10-30℃，Tt为允许的最低温度，单位为℃，其取值高于2℃，低于Tm相变蓄能材料相变温度，单位为℃；t0为设计抗冻时长，单位为s；Ta0为设计抗冻时长内环境温度平均值，单位为℃。2.根据权利要求1所述的抗冻太阳能平板集热器装置，其特征在于该平板集热器是管板式，或者是翼管式，或者是扁盒式，或者是蛇管式。3.根据权利要求1所述的抗冻太阳能平板集热器装置，其特征在于相变蓄能板（3）由上盖板（11）、下底板（...

【专利技术属性】
技术研发人员：王智平，赵静，路阳，王克振，陆鑫，张楠，寇宗丽，
申请(专利权)人：兰州理工大学，
类型：发明
国别省市：甘肃;62