一种毛细力控制变化的太阳能集热器

1.本发明涉及一种集热器技术，尤其涉及一种毛细力控制变化的太阳能集热器。


背景技术：

2.随着现代社会经济的高速发展，人类对能源的需求量越来越大。然而煤、石油、天然气等传统能源储备量不断减少、日益紧缺，造成价格的不断上涨，同时常规化石燃料造成的环境污染问题也愈加严重，这些都大大限制着社会的发展和人类生活质量的提高。能源问题已经成为当代世界的最突出的问题之一。因而寻求新的能源，特别是无污染的清洁能源已成为现在人们研究的热点。
3.太阳能是一种取之不尽用之不竭的清洁能源，而且资源量巨大，地球表面每年收的太阳辐射能总量为1
×
10 18 kw
·
h，为世界年耗总能量的一万多倍。世界各国都已经把太阳能的利用作为新能源开发的重要一项，我国也早已明确提出要积极发展新能源，其中太阳能的利用尤其占据着突出地位。然而由于太阳辐射到达地球上的能量密度小（每平方米约一千瓦），而且又是不连续的，这给大规模的开发利用带来一定困难。因此，为了广泛利用太阳能，不仅要解决技术上的问题，而且在经济上必须能同常规能源相竞争。
4.太阳能利用装置是将太阳光能转化为热能，通过热能将水从低温加热到高温，以满足人们在生活、生产中的热水使用需求。利用太阳能这种清洁能源有利于减少非可再生能源的使用，降低碳的排放。
5.研究和工程应用都表明，平板式集热器和热管都各自有着优异的换热性能。除此以外，相变材料由于其吸热放热过程温度平稳，可以使得整个系统达到均温的效果，因而在换热领域得到广泛应用。
6.本发明提供了一种新式平板式集热器，通过下部的毛细力以及上部设置的支柱之间的配合，通过配合上部设置的扁平管上部部分，使得热管和平板式集热器进行充分结合，实现集热的高效、均衡以及精准集热。


技术实现要素：

7.本发明旨在至少解决现有技术或者相关技术存在的技术问题之一。本发明提出一种集成效果好，加工难度降低、换热效率高、无能源消耗的板式集热器。
8.本发明技术方案如下：一种毛细力控制变化的太阳能集热器，所述集热器包括位于底部的下部部分；所述反射镜反射太阳光到集热器下部部分的底部；所述下部部分包括第二板和第一板，第二板位于第一板上部，所述第二板的下表面上设置向下延伸的支柱，第一板的上表面上设置向上延伸的下部柱体，所述下部柱体构成下部柱体阵列，所述第二板和第一板形成封闭的下部部分，下部柱体阵列和支柱共同构成下部部分的液体回流部分，支柱之间的间隙大于下部柱体之间的间隙，在下部柱体之间产生毛细驱动力；支柱下部对应的下部柱体的毛细力小于支柱间隙对应的下部柱体的毛细力。
9.作为优选，两个支柱之间的间隙下部对应的下部柱体的毛细力，从一个支柱到另一个支柱之间，毛细力先是逐渐变大，然后逐渐变小。
10.作为优选，毛细力先是逐渐变大的幅度越来越大，然后逐渐变小的幅度越来越大。
11.作为优选，逐渐变大到逐渐变小的临界点是间隙的中部，即从一个支柱到间隙中部，毛细力先是逐渐变大，然后从间隙中部到另一个支柱毛细力逐渐变小。
12.作为优选，随着间隙距离的增加，间隙下部对应的下部柱体毛细力与支柱下部对应的毛细力之间的差距也越来越大。
13.作为优选，所述下部部分包括第二板和第一板，第二板位于第一板上部，所述第二板的下表面上设置向下延伸的支柱，第一板的上表面上设置向上延伸的下部柱体，所述下部柱体构成下部柱体阵列，所述第二板和第一板形成封闭的下部部分，下部柱体阵列和支柱共同构成下部部分的液体回流部分，支柱之间的间隙大于下部柱体之间的间隙，在下部柱体之间产生毛细驱动力；所述上部部分包括盒体和位于盒体上部的上盖，所述盒体包括从盒体底壁向上延伸的上部柱体；所述上盖上设置进口和出口。
14.作为优选，支柱是正方形，下部柱体和上部柱体是圆形。
15.作为优选，所述上部柱体的高度要大于上部部分的高度。
16.与现有技术相比，本发明具有以下优点：1）本发明通过下部柱体毛细力的布局变化，可以使得可流体在第一板底部分布均匀，从而使得换热均衡。
17.2）本发明提供了一种新的板式集热器，通过设置下部部分和上部部分，下部部分具有热管属性，上部部分具有板式集热器属性，使得热管和平板式集热器进行充分结合，实现高效、均衡以及精准集热。
18.3）本发明通过第二板设置支柱以及第一板设置的下部柱体，支柱没有形成毛细力，主要是起到冷凝液体的作用，然后流到第一板，通过下部柱体之间的毛细力将液体抽吸到第一板底部，进行加热。上述设置可以使得冷凝液体快速的流到底部受热面，起到了快速加热的作用，提高了换热效率。
19.4）本发明提供了一种新式的板式集热器，上部部分内部设置上部柱体，流体在柱体之间流动吸热，进一步提高了换热效率。
20.5）本发明通过下部部分下部的圆柱阵列以及上部设置的支柱之间的配合，通过配合上部设置的上部部分的上部柱体，实现高效、均衡以及精准换热。
21.6）本发明通过上述间歇式的集热量变化，使得上部部分下壁面的温度差异不会太大，避免某个位置一直是上升段，温度过高，从而使得下部部分内部上升段和下降段交替变化，保证上部部分下壁面以及下部部分上壁面的温度差异相对较小，在提高换热效率的同时提高产品的使用寿命。
22.7）通过下部部分集热量不同实现快速循环，提高换热效率。
23.8）本发明通过集热量不断增加，使得整个换热过程中温差保持相对稳定，从而形成类似逆流换热的技术效果，而且在反射镜数量保持不变情况下，保持恒定的温差能够超过逆流换热效果，达到最佳的换热效率。
附图说明
24.图1是本发明板式集热系统的结构示意图；图2是本发明板式集热器的结构示意图；图3为本发明的集热器下部部分第二板下部结构示意图；图4为本发明的集热器下部部分第一板上部结构示意图；图5为本发明的集热器上部部分上盖结构示意图；图6为本发明的上部部分盒体部分结构示意图；图7为本发明的现有技术中的反射镜旋转转动结构示意图。
具体实施方式
25.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行补充说明。
26.图1展示了本发明板式集热系统的结构示意图。如图1所示，所述集热系统包括板式集热器1和反射镜2，所述反射镜2反射太阳光聚焦到集热器，用于加热集热器内部的流体。
27.如图1所示，所述反射镜2包括多组，其中每组包括一个或多个反射镜，每组反射镜反射太阳光到集热器的不同位置。例如如图1所示，分别反射太阳光到集热器的左侧、中间和右侧三个位置。
28.作为优选，可以分别反射太阳光到集热器的中心位置和四周位置，用于分别独立加热集热器的中心位置和四周位置。
29.作为优选，反射镜安装在支撑物上。
30.作为优选，反射镜可以进行上下方向转动和/或者绕着支撑物旋转以改变集热器上的太阳光的聚焦位置。
31.图2-5展示了本发明的板式集热器结构示意图。如图2所示，一种板式集热器，所述集热器包括下部部分3和上部部分4，上部部分4位于下部部分3上部，所述下部部分3包括第二板31和第一板32。如图2、3所示，所述第二板31的下表面上设置向下延伸的支柱311，第一板32的上表面上设置向上延伸的下部柱体321，所述下部柱体321构成下部柱体阵列，所述第二板31和第一板32形成封闭的下部部分3，下部柱体与支柱连接；下部柱体阵列和支柱311共同构成下部部分的液体回流部分，支柱之间的间隙大于下部柱体之间的间隙，在下部柱体之间产生毛细驱动力；所述上部部分4包括盒体41和位于盒体上部的上盖42，所述盒体41包括从盒体41底壁向上延伸的上部柱体411；所述上盖42上设置进口421和出口422。
32.本发明提供了一种新的板式集热器，通过设置下部部分和上部部分，下部部分具有热管属性，上部部分具有板式集热器属性，使得热管和平板式集热器进行充分结合，实现集热的高效、均衡以及精准集热。
33.作为优选，第二板内布置的支柱311之间的间隙大于第一板下部柱体之间的间隙，下部柱体的直径和下部柱体之间的间距以产生毛细驱动力。下部柱体阵列具有较小的直径和间距以增大毛细驱动力，目的是为了提高下部内冷凝液体回流的动力，防止局部的高热流密度将其局部瞬间蒸干。并且，下部柱体作为肋片可以加快内部液体工质蒸发相变，减少传热热阻。
34.本发明提供了一种新的板式集热器，通过第二板设置支柱，第一板设置下部柱体，支柱没有形成毛细力，主要是起到冷凝液体的作用，然后流到第一板，通过下部柱体之间的毛细力将液体抽吸到第一板底部，进行加热。上述设置可以使得冷凝液体快速的流到底部受热面，起到了快速加热的作用，提高了换热效率。下部设置下部柱体，通过下部柱体的毛细力也能够使得整体的流体在第一板底部分布均匀，从而使得换热均衡。所述的下部柱体也是肋片，同时加热附近周围的流体，使其快速蒸发，支柱都同时起到翅片作用，起到强化传热作用。
35.作为优选，所述进口和出口设置在上盖的两个对角位置。
36.作为优选，支柱是正方形，下部柱体和上部柱体是圆形。
37.作为优选，支柱分为多组，每组是四个，多组支柱按照横向和纵向布置，从而形成互相平行的横向支柱以及互相平行的纵向支柱。
38.作为优选，所述上部柱体的高度要大于上部部分的高度。
39.支柱之间设置间隙，支柱311下部对应的下部柱体的毛细力小于支柱间隙对应的下部柱体的毛细力。通过上述设置，可以使得流体在第一板底部分布均匀，从而使得换热均衡。
40.作为优选，两个支柱311之间的间隙下部对应的下部柱体的毛细力，从一个支柱到另一个支柱之间，毛细力先是逐渐变大，然后逐渐变小。通过上述设置，可以进一步使得通过毛细力抽吸到间隙中去，可以使得流体在第一板底部分布均匀，从而使得换热均衡。
41.作为优选，毛细力先是逐渐变大的幅度越来越大，然后逐渐变小的幅度越来越大。上述设置可以进一步提高均匀程度。
42.作为优选，逐渐变大到逐渐变小的临界点是间隙的中部，即从一个支柱到间隙中部，毛细力先是逐渐变大，然后从间隙中部到另一个支柱毛细力逐渐变小。
43.作为优选，随着间隙距离的增加，间隙下部对应的下部柱体毛细力与支柱下部对应的毛细力之间的差距也越来越大。通过如此设置，能够使得更加换热均衡，避免换热不均。
44.作为优选，支柱分为多组，每组是四个，多组支柱按照横向和纵向布置，从而形成互相平行的横向支柱以及互相平行的纵向支柱。
45.作为优选，所述进口和出口设置在壳体的对角位置。
46.下部部分的第一板32主要针对增强毛细驱动力进行设计，使单位时间内流过下部柱体321间当下部柱体高度h与间距s的比值为4.8-5.2，优选是5的流量最大，以最大程度提高其换热效果。
47.作为优选，当中心间距s与支柱边长d以及高度h与支柱边长d的比值为分别是1.9-2.1，优选是2时，其渗透率k最大，液体工质在第二板上的流动阻力最小。
48.作为优选，所述上部柱体是弹性部件，通过弹性部件可以使得流体流动的时候冲刷上部柱体，上部柱体会脉动性的摆动，从而促进除垢，振动导致扰流作用，也能强化传热。
49.作为优选，上部柱体可以是弹簧。
50.作为优选，沿着上部部分内的流体流动方向，上部柱体的弹性越来越大。因为随着研究发现，随着流体进行换热，流体温度越来越高，更加容易积垢，而且沿着流体流动方向结垢程度越来越严重，因此通过设置弹性程度不断增加，以达到进一步除垢强化传热目的，
减少大弹性的导热体，降低成本。
51.进一步优选，沿着上部部分内的流体流动方向，上部柱体的弹性越来越大的幅度不断增加。上述的变化也是根据研究发现的，符合结垢的规律，能够进一步降低成本，提高换热效率，降低结垢。
52.本发明基于下部部分的热管性能，将下部柱体布置在下部部分3内部，其第一板32设置的肋片以减少接触热阻，下部部分3第二板31上方布置上部部分，内部通入需要加热的流体。系统工作时，太阳能集热到肋片产生的高热量通引起下部部分下表面局部温度升高，其内部工质开始蒸发相变吸热，产生蒸汽在重力的作用下到达下部部分3的第二板31处，开始冷凝放热并将热量传递给第二板31，此时冷凝后的液体工质通过下部部分内的液体回流部分回到第一板32继续蒸发，利用下部部分内部工质的相变循环达到极高的等效导热系数。此时第二板31温度升高且温度分布较为均匀，提升了上部部分的传热性能，冷却工质从微通道集热器内的微通道内流过，热量被冷却工质吸收流出整个散热结构。
53.本发明通过热管下部的毛细下部柱体阵列以及上部设置的支柱之间的配合，通过配合上部设置的上部部分，实现集热的高效、均衡以及精准集热。
54.作为一个改进，沿着上部部分内的流体流动方向，下部部分的集热量逐渐增加。通过集热量不断增加，使得整个换热过程中温差保持相对稳定，从而形成类似逆流换热的技术效果，而且在反射镜数量保持不变情况下，保持恒定的温差能够超过逆流换热效果，达到最佳的换热效率。
55.进一步优选，沿着上部部分内的流体流动方向，下部部分的集热量逐渐增加的幅度越来越大。上述的优化设计能够进一步保证整个换热过程中温差保持相对稳定，达到更优化的换热效果。
56.集热量的变化可以通过变化反射到集热器不同位置的反射镜的数量来实现，例如沿着流体流动方向，反射镜数量逐渐增加。或者通过反射镜的进行上下方向转动和/或者绕着支撑物旋转以改变集热器上的太阳光的聚焦位置来实现。例如通过转动或者旋转反射镜使得沿着流体流动方向集热量变化。
57.作为一个改进，沿着上部部分内的流体流动方向，下部柱体的导热系数逐渐增加。通过导热系数不断增加，集热量也逐渐增加，使得整个换热过程中温差保持相对稳定，从而形成类似逆流换热的技术效果，而且在总集热量保持不变情况下，保持恒定的温差能够超过逆流换热效果，达到最佳的换热效率。
58.进一步优选，沿着上部部分内的流体流动方向，下部柱体的导热系数逐渐增加的幅度越来越大。上述的优化设计能够进一步保证整个换热过程中温差保持相对稳定，达到更优化的换热效果。
59.作为一个改进，沿着上部部分内的流体流动方向，下部柱体的分布密度逐渐增加。通过分布密度不断增加，使得整个换热过程中温差保持相对稳定，从而形成类似逆流换热的技术效果，而且在总集热量保持不变情况下，保持恒定的温差能够超过逆流换热效果，达到最佳的换热效率。
60.进一步优选，沿着上部部分内的流体流动方向，下部柱体的分布密度逐渐增加的幅度越来越大。上述的优化设计能够进一步保证整个换热过程中温差保持相对稳定，达到更优化的换热效果。
61.作为优选，下部部分的中间部分与周围部分的集热量不同。通过集热量不同，可以实现内部流体的快速循环。例如集热量高的位置蒸汽上升，集热量低的位置液体下降，从而形成类似锅炉上升管和下降管，加大流体内部的循环速度。
62.作为优选，下部部分的中间部分与周围部分可以独立控制集热，从而独立控制中间部分与周围部分的集热量。
63.作为优选，下部部分的中间部分的集热量高于周围部分的集热量。优选是周围部分集热量的2-3倍。
64.作为优选，中间部分与周围部分对应的下部柱体导热系数不同。通过导热系数不同实现集热量的不同。
65.作为优选，中间部分对应的下部柱体的导热系数高于周围部分的导热系数。优选是周围部分导热系数的2-3倍。
66.作为优选，中间部分对应的下部柱体的分布密度高于周围部分的分布密度。优选是周围部分分布密度的2-3倍。
67.通过上述设置，使得下部部分内的流体在中间部分蒸发，然后再周围冷凝下降，在集热量一定情况下形成了快速循环，提高了加热效率。
68.作为优选，下部部分分为三部分，分别是左侧部分、中间部分和右侧部分。中间部分与左侧部分、右侧部分的集热量不同。通过集热量不同，可以实现内部流体的快速循环。例如集热量高的位置蒸汽上升，集热量低的位置液体下降，从而形成类似锅炉上升管和下降管，加大流体内部的循环速度。
69.作为优选，下部部分的中间部分与左侧部分、右侧部分可以独立控制集热，从而独立控制中间部分与周围部分的集热量。
70.作为优选，下部部分的中间部分的集热量高于左侧部分的集热量，同时高于右侧部分的集热量。优选是左侧部分和右侧部分集热量的2-3倍。
71.作为优选，中间部分对应下部柱体与左侧部分、右侧部分的导热系数不同。通过导热系数不同实现集热量的不同。
72.作为优选，中间部分对应的下部柱体的导热系数高于左侧部分、右侧部分的导热系数。优选是左侧部分、右侧部分导热系数的2-3倍。
73.作为优选，中间部分对应的下部柱体的分布密度高于左侧部分、右侧部分的分布密度。优选是左侧部分、右侧部分分布密度的2-3倍。
74.通过上述设置，使得下部部分内的流体在中间部分蒸发，然后在周围冷凝下降，在集热量一定情况下形成了快速循环，提高了加热效率。作为优选，为了避免集热量不同造成上部部分下壁面以及下部部分上壁面的温度差异，造成局部过热，本技术进行了如下改进：下部部分分为中间部分和周围部分两部分，中间部分与周围部分可以独立控制集热，从而独立控制中间部分与周围部分的集热量。
75.控制器控制中间部分和周围部分的集热量间歇式变化，从而使得中间部分和周围部分集热量交替式的替换。
76.在一个周期t内，0-t/2的半个周期时间内，周围部分集热量是t1，中间部分的集热量是t2， t/2-t 的半个周期时间内，周围部分集热量是t2，中间部分的集热量是t1；其中t2》t1；
作为优选，t2是t1的2-3倍。
77.此处的t2和t1不是一个固定数值，仅仅是为了表明t1和t2之间的数据大小以及数据倍数。
78.集热量的变化可以通过控制反射镜进行上下方向转动和/或者绕着支撑物旋转以改变集热器上的太阳光的聚焦位置来实现。例如通过转动或者旋转反射镜使得0-t/2的半个周期时间内，集热到中间部分是周围部分的反射镜数量是2-3倍，同样，t/2-t 的半个周期时间内，集热到周围部分是中间部分的反射镜数量是2-3倍。
79.通过上述间歇式的集热量变化，使得上部部分下壁面的温度差异不会太大，避免某个位置一直是上升段，温度过高，从而使得下部部分内部上升段和下降段交替变化，保证上部部分下壁面以及下部部分上壁面的温度差异相对较小，在提高换热效率的同时提高产品的使用寿命。
80.作为优选，支撑物可以是支杆。
81.作为优选，参照图1。下部部分从左到右分为三部分，分别是左侧部分、中间部分和右侧部分三部分，左侧部分、中间部分和右侧部分可以独立控制集热，从而独立控制左侧部分、中间部分和右侧部分的集热量。
82.控制器控制中间部分和左侧部分、右侧部分的集热量间歇式变化，从而使得中间部分和左侧部分、右侧部分集热量交替式的替换。
83.在一个周期t内，0-t/2的半个周期时间内，中间部分集热量是t1，左侧部分和右侧部分的集热量分别是t2， t/2-t 的半个周期时间内，中间部分集热量是t2，左侧部分和右侧部分的集热量分别是t1；其中t2》2*t1；作为优选，t2是t1的2-3倍。
84.通过上述间歇式的集热量变化，使得上部部分下壁面的温度差异不会太大，避免某个位置一直是上升段，温度过高，从而使得下部部分内部上升段和下降段交替变化，保证上部部分下壁面以及下部部分上壁面的温度差异相对较小，在提高换热效率的同时提高产品的使用寿命。
85.反射镜的进行上下方向转动和/或者绕着支撑物旋转以改变集热器上的太阳光的聚焦位置也属于现有技术。作为优选，可以参照us2010078011a1的反射镜阵列，上述文献的全文，也包括控制反射镜的方式被引入到本技术中。排列并连接成一排的多个太阳能反射镜，以及位于地面附近的多个平行排，而反射镜的横截面轮廓是平坦的（线性的）和/或略微弯曲的，以及位于太阳能反射镜上方并与太阳能反射镜平行的多个收集器排，以收集和吸收由反射镜引导到它们的太阳能并将其直接转换成蒸汽流的热能，而一个收集器用于从多个反射镜收集能量。
86.其中，所述反射镜具有两个独立的定位自由度：一个沿着所述纵向轴线旋转，以及一个线性的、与地面平行且垂直于它们的纵向轴线。反射镜的旋转和线性运动的组合用于跟踪太阳并保持入射光反射到反射镜任一侧上的收集器中的一个，以及将反射镜定位在两个相邻收集器之间的空间中，使得全年期间在太阳的所有位置中场的总反射能量最大化。
87.反射表面是粘附到支撑平台的略微弯曲的玻璃镜。桁架-桥式支撑结构包括纵梁、横梁、桁架和新月形端部件。该圆拱形新月形为反射镜提供围绕其对称中心的旋转自由度。旋转轴线与反射镜结构的重心共同对准，以为跟踪机构提供平滑、平衡的旋转。新月形由角
铁形成。
88.两个相邻的反射镜结构通过（至少）3个驱动销连接。附接到反射镜结构的一端的销自由地滑入附接到相邻反射镜的另一端的套筒中。松配合销-套筒连接将旋转扭矩从一个结构传递到另一个结构，并允许纵向热膨胀。驱动销/套筒是反射镜行的定位和定向系统的一个部件和实施例。
89.跟踪系统的传动系安装在行进滑架上。双功能电动步进马达是列车的驱动器。它通过两个同轴（一个实心，一个空心）提供两个独立的、非重合的旋转驱动。反射镜的旋转由固定到新月形件的圆周上的链轮驱动的滚子链执行。运动通过链轮驱动的滚子链来实现，滚子链将旋转传递到链轮。该链轮与链轮在共同的轴上，链轮接合到滚子链，滚子链固定到安装在混凝土基座上的扁平轨道的底部边缘。滑架具有在扁平轨道上滚动的四个轮。一个托架组件为两个连接的反射镜提供支撑和驱动。导轨上的滑架的引导由固定到滑架的基板的引导板提供。引导板的底部凹口（在扁平轨道下方延伸）在强风的情况下提供反射镜结构的稳定性和安全性。该风保护系统的一部分是“t”形引导板
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在两个相邻新月形的顶部上延伸
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在提升的情况下将它们固定到滑架。在托架的基板上安装有四个滚轮，其提供反射镜结构的新月形的支撑和自由旋转。
90.上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所做的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。