抗冻太阳能平板集热器及其设计方法
【专利摘要】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。
【专利说明】抗冻太阳能平板集热器及其设计方法
[0001]
【技术领域】 本发明属于太阳能集热器【技术领域】，涉及一种抗冻太阳能平板集热器及其设计方法。
[0002]
【背景技术】 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，发明专利"真空平板太阳能集热装置"（专利申请号为 200710303714.X)、发明专利"防冻平板太阳能集热器"(专利申请号为201210090849. 3)、发 明专利"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)、 发明专利"一种相变蓄热太阳能热水器"（专利申请号为201210473798. 2)。与本发明较为 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。
【发明内容】
[0003] 针对上述存在的问题，本发明提供一种的抗冻太阳能平板集热器及其设计方法。
[0004] 本发明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。
[0005] 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h和设计环境温度平均值Ta(l : ① 根据当地气象资料，统计全年中当地日最低气温低于〇°C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〇°C且无日照的时间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、及设计环境温度平均值Ta(l，必须满足时长t小于、的 天数为K:N，Ta大于Ta(l的天数为K2N; ③I、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4一8°C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，
【权利要求】
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)，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 )。
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（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。
4. 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)与 集热器的吸热板（2)背面和管道（15)紧密接触。
5. 抗冻太阳能平板集热器的设计方法，其特征在于，包括W下步骤： (1) 确定设计抗冻时长t。和设计环境温度平均值T。。： ① 根据当地气象资料，统计全年中当地日最低气温低于〇°C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°C且无日照的时间t，及该时间段内环境温度 平均值T。；最后确定设计防冻时长t。及设计环境温度平均值T。。，必须满足时长t小于t。的 天数为KiN, Ta大于T。。的天数为KsN ; ③ Ki、馬为抗冻保证系数，取值要大于0. 8 ; (2) 选取相变蓄能材料，其相变温度在4一8C之间，相变潜热高于SOkJAg ; (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，P为相变蓄能材料密度、Cl为液相比热容、C,为固 相比热容、Tp为相变温度、L为相变潜热，U为集热器总热损系数，T。为集热器初始温度，可 取10-3(TC，Tt为允许的最低温度，其取值高于2°C，低于相变蓄能材料相变温度Tm, t。为设 计抗冻时长，T。为设计抗冻时长内环境温度平均值； (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山小于d+5mm，且在相变蓄能板（3)的 内部沿长度方向每隔5-lOcm放一块挡板（13)。
【文档编号】F24J2/34GK104266383SQ201410496263
【公开日】2015年1月7日 申请日期:2014年9月25日 优先权日:2014年9月25日
【发明者】王智平, 赵静, 路阳, 王克振, 陆鑫, 张楠, 寇宗丽 申请人:兰州理工大学