一种低热损耐寒高效平板型太阳能集热器论文和设计-苏万振

全文摘要

本实用新型提供了种低热损耐寒高效平板型太阳能集热器，主要由边框部件1、保温结构2、板芯部件3、隔热密封条4、盖板部件5、压条部件6、密封结构8、支撑棒9组成；通过多种措施，使平板型太阳能集热器瞬时效率截距η0不低于76%的条件下，集热器的热损系数降低50%以上，为高纬度、高寒地区的平板型太阳能热水与采暖提供高效、可靠与经济的产品，为太阳能制热提供切实可行的产品解决方案。

主设计要求

1.一种低热损耐寒高效平板型太阳能集热器，其特征是：所述低热损耐寒高效平板型太阳能集热器具有热损低、效率高的技术特征；为实现该技术特征，所述低热损耐寒高效平板型太阳能集热器主要由边框部件（1）、保温结构（2）、板芯部件（3）、隔热密封条（4）、盖板部件（5）、压条部件（6）、密封结构（8）、支撑棒（9）组成。

设计方案

2.根据权利要求1所述的低热损耐寒高效平板型太阳能集热器，其特征是：所述保温结构（2）分为3层结构，分别为聚氨酯保温层（10）、复合材料保温层（11）、红外反射隔热层（12）；所述聚氨酯保温层（10）的底部厚度T1不低于25mm，所述聚氨酯保温层（10）的侧面厚度T3不低于20mm；所述复合材料保温层（11）采用厚度T2不低于5mm的气凝胶毡保温材料或是厚度T2不低于3mm纳米保温隔热涂料。

3.根据权利要求1所述的低热损耐寒高效平板型太阳能集热器，其特征是：所述边框部件（1）与所述低热损耐寒高效平板型太阳能集热器的内腔之间利用所述保温结构（2）完全隔开；在所述盖板部件（5）与所述边框部件（1）之间采用所述隔热密封条（4）进行间隔与密封，用于隔断权利要求1所述低热损耐寒高效平板型太阳能集热器的内腔与所述边框部件（1）之间因相互接触而形成的热桥。

4.根据权利要求1所述的低热损耐寒高效平板型太阳能集热器，其特征是：所述板芯部件（3）由吸热板（13）与流道组件（14）构成，所述吸热板（13）与所述流道组件（14）通过激光焊接、高频脉冲焊或是超声波焊接工艺结合为管板式结构。

5.根据权利要求1所述的低热损耐寒高效平板型太阳能集热器，其特征是：所述盖板部件（5）采用中空玻璃结构时，构成中空玻璃的两片玻璃的间距D1不低于6mm并且在其内腔需填充体积百分比含量90%以上的N_{2<\/sub>或是大分子惰性气体如Ar，用于降低所述盖板部件（5）通过对流途径散失的热量，并且所述中空玻璃组件上设有压力平衡装置（7），所述压力平衡装置（7）采用孔径不超过0.1mm的不锈钢毛细管制作而成，所述压力平衡装置（7）一端与中空玻璃内腔相通，另一端与集热器内腔相通，构成中空玻璃的每一片玻璃的所有外表面上均沉积有纳米减反增透膜。}

6.根据权利要求1所述的低热损耐寒高效平板型太阳能集热器，其特征是：所述盖板部件（5）的下表面与所述板芯部件（3）的上表面之间的间距D2通过所述支撑棒（9）的作用保持在15~20mm之间用于降低集热器对流造成的热损失。

7.根据权利要求1所述的低热损耐寒高效平板型太阳能集热器，其特征是：所述板芯部件（3）由吸热板（13）与流道组件（14）构成，当所述吸热板（13）与所述流道组件（14）通过激光焊接结合为一体时，其焊点（15）的总面积不低于30000mm²用于提高集热器的光热转换效率。

设计说明书

技术领域

本实用新型涉及一种平板太阳能集热器，尤其是一种低热损耐寒高效平板型太阳能集热器。

背景技术

平板型太阳能集热器由于有效集热面积大，外形尺寸变化灵活，与建筑结合能力强等优点在全球范围内得到了迅速的发展与应用。随着环保压力的增大与清洁采暖概念的提出，为平板型太阳能集热器提供了新的发展机遇；但是由于平板型太阳能集热器热损大的原因导致其无法应用到西藏、新疆、东三省等高寒高纬度地区的热水或是采暖等项目，严重限制了其应用场合的扩展。现存市场上的平板型太阳能集热器应用到高纬度、高寒地区的热水、采暖或是三联供等项目时，由于工作温度与环境温度的温差大，导致集热器工作时的归一化温差点增大，效率曲线后移，实际工作时的光热转换效率仅有20%~25%之间，难以满足高寒、高纬度地区的热水或是采暖的应用要求。

发明内容

本实用新型目的在于克服现有常规平板型太阳能集热器热损大的缺陷，为太阳能在高温差环境下的应用提供一种切实可行的具有商业推广价值的低热损耐寒高效平板型太阳能集热器，该集热器较常规平板型太阳能集热器的热损系数降低50%以上，瞬时效率截距达到76%以上，即使工作在较高的归一化温差点时仍然可以保持50%以上的光热转换效率，使本发明低热损耐寒高效平板型太阳能集热器满足高寒、高纬度地区的热水与采暖应用需求，降低西藏、东三省等高寒、高纬度地区的太阳能热水、采暖项目的工程造价、提高太阳能光热项目的投资回报率。

所述一种低热损耐寒高效平板型太阳能集热器技术方案为：

一种低热损耐寒高效平板型太阳能集热器结构包括：外壳部件、保温结构、板芯部件、盖板部件、密封结构、压条组成。

所述一种低热损耐寒高效平板型太阳能集热器的外壳部件由边框与背板两部分组成，边框可以采用挤压成型铝合金边框或是耐候高强塑料边框，背板材质可选择彩涂板、镀铝锌板、镀锌板、压花铝板或是耐紫外线PVC板；边框上留有安装背板的卡槽，在边框组装之前将背板安装与边框上的卡槽内，然后通过压力机将背板与边框挤压为一体。

所述一种低热损耐寒高效平板型太阳能集热器的保温结构分为3层，分别为聚氨酯保温层、复合材料保温层、红外反射隔热层；聚氨酯保温层采用恒温恒压聚氨酯发泡工艺一体发泡成型，底面厚度不低于25mm，侧面厚度不低于20mm，用于减少通过集热器边框散失的热量，降低集热器的热损系数U；复合材料保温层采用不低于5mm的气凝胶毡保温材料或是厚度不低于3mm纳米保温隔热涂料，防止平板型太阳能集热器因长时间空晒或是闷晒而造成因集热器温度过高而对聚氨酯保温层造成的损坏；红外反射隔热层材料为镜面反射铝箔纸、锡箔纸或是其对红外线具有较高反射作用的材料，用于降低平板型太阳能集热器的辐射散热。

所述一种低热损耐寒高效平板型太阳能集热器的板芯部件由流道组件与吸热板构成，流道材质为紫铜或是稀土合金管通过火焰钎焊焊接为栅形流道，流道组件与吸热板通过激光焊接、高频脉冲焊或是超声波焊接工艺结合为管板式结构，激光焊接时要求流道组件与吸热板之间的传热面积不低于30000mm²，用于保证吸热板与流道之间的传热能力从而提高平板型太阳能集热器的瞬时效率截距。

所述一种低热损耐寒高效平板型太阳能集热器的盖板部件为中空玻璃组件、高强超薄真空型平板玻璃或是高透光气凝胶玻璃，当采用气凝胶玻璃时两片玻璃之间的间距不低于6mm中间填充N_{2<\/sub>或是大分子惰性气体如Ar，并且中空玻璃组件上设有压力平衡装置，用于平衡当集热器应用在高海拔地区时中空玻璃与集热器外界大气之间的压力差，提高集热器在使用过程中的稳定性与可靠性；盖板表面涂有纳米减反增透膜，将盖板的整体透光率提升到90%以上，增加照射到吸热板上的有效光照能量，从而有效提高集热器的瞬时效率截距；盖板安装与边框上之后，通过支撑棒或是特殊间隔部件严格控制吸热板与盖板之间的间距为15~20mm之间，降低因盖板与吸热板之间的空气热对流而造成的平板型太阳能集热器通过盖板损失的热量。}

所述一种低热损耐寒高效平板型太阳能集热器的盖板与边框的结合处采用无热桥结构，即在盖板与边框之间采用传热系数较低的隔热密封材料进行间隔，如硅胶条、氟胶条等；边框与集热器内腔之间通过保温材料进行间隔，降低平板型太阳能集热器通过集热器边框散失的热量，从而进一步降低集热器的热损系数，使集热器在高温差的工况下依然保持较高的光热转换效率。

本发明的有益效果是：

通过本发明所述方案在保证平板型太阳能集热器瞬时效率截距η_{0<\/sub>不低于76%的条件下，集热器的热损系数降低到2.76W\/㎡·K以下（国标规定平板型太阳能集热器的热损系数为不低于6.0W\/㎡·K，市场上现有常规平板太阳能集热器的热损系数为5.4W\/㎡·K~5.6W\/㎡·K之间），在此性能参数条件下，当倾斜表面太阳能总辐照量为1000W\/㎡，环境温度为-10℃，集热器进口温度为70℃时，每平方米本发明所述低热损耐寒高效平板型太阳能集热器可以输出518W以上的能量（而市场上现有常规平板型太阳能集热器每平方米仅可以输出200W~250W能量），在应用到西藏、新疆东三省等高寒、高纬度地区的太阳能热水、采暖等项目时可以降低系统的整体造价，缩小系统占地面积，缩短太阳能光热系统的投资回收期。}

附图说明

图1为本发明一种低热损耐寒高效平板型太阳能集热器的结构示意图。

图2 为本发明一种低热损耐寒高效平板型太阳能集热器的主视图。

图3为本发明一种低热损耐寒高效平板型太阳能集热器的A-A剖视图。

图4为本发明一种低热损耐寒高效平板型太阳能集热器的局部放大视图I。

图5为本发明一种低热损耐寒高效平板型太阳能集热器的B-B剖视图。

图6为本发明一种低热损耐寒高效平板型太阳能集热器的板芯部件示意图。

图7为本发明一种低热损耐寒高效平板型太阳能集热器的局部放大视图II。

附图标记说明： 1. 边框部件；2. 保温结构；3. 板芯部件；4. 隔热密封条；5.盖板部件；6.压条部件；7. 压力平衡装置；8.密封结构；9.支撑棒；10.聚氨酯保温层；11.复合材料保温层；12.红外反射隔热层；13.吸热板；14.流道组件；15.焊接接触点；16纳米减反增透膜。

具体实施方式

如图1、图2与图3所示，所述本发明一种低热损耐寒高效平板型太阳能集热器主要由边框部件1、保温结构2、板芯部件3、隔热密封条4、盖板部件5、压条部件6、密封结构8、支撑棒9组成。

如图4所示，一种低热损耐寒高效平板型太阳能集热器的保温结构2分为3层，分别为聚氨酯保温层10、复合材料保温层11、红外反射隔热层12；底部聚氨酯保温层10的厚度T1不低于25mm，侧面聚氨酯保温层10的厚度T3不低于20mm；复合材料保温层11采用厚度T2不低于5mm的气凝胶毡保温材料或是厚度T2不低于3mm纳米保温隔热涂料，用于防止平板型太阳能集热器在长时间空晒或是闷晒的工况下，因板芯部件3处的温度过高而对聚氨酯保温层10造成的损坏，同时该复合材料保温层11具有进一步降低集热器热损系数U的作用；红外反射隔热层12采用镜面反射铝箔纸、锡箔纸或是其对红外线具有较高反射作用的材料均匀平整的敷设于一种低热损耐寒高效平板型太阳能集热器的边框部件1的内表面，用于降低平板型太阳能集热器的辐射散热，从而再进一步降低平板型太阳能集热器的热损系数U。

如图4与图5所示，一种低热损耐寒高效平板型太阳能集热器的内腔与边框部件1之间利用保温结构2的聚氨酯保温层10、复合材料保温层11与红外反射隔热层12三层隔热结构完全隔开；在一种低热损耐寒高效平板型太阳能集热器的盖板部件5与边框部件1之间采用热阻值较大的隔热密封材料4进行间隔与密封，隔断在常规的平板型太阳能集热器内腔与边框部件1之间因相互接触而形成的热桥，减少平板型太阳能集热器因热桥作用而造成的热量损失，通过相关的实验验证可以得出通过采用隔断平板型太阳能集热器热桥的措施可以将平板型太阳能集热器的热损系数U降低20%以上；所述隔热密封条4采用复合硅橡胶或是氟橡胶材料挤塑而成。

如图6所示，板芯部件2由吸热板13与流道组件14构成，所述吸热板13与流道组件14通过激光焊接、高频脉冲焊或是超声波焊接工艺结合为管板式结构。

如图5所示，一种低热损耐寒高效平板型太阳能集热器的盖板部件5采用中空玻璃结构时，构成中空玻璃的两片玻璃的间距D1不低于6mm并且在其内腔需填充体积百分比含量90%以上的N_{2<\/sub>或是大分子惰性气体如Ar，用于降低通平板型太阳能集热器通过对流途径散失的热量，并且中空玻璃组件上设有压力平衡装置7，所述压力平衡装置7采用孔径不超过0.1mm的不锈钢毛细管制作而成，该压力平衡装置7一端与中空玻璃内腔相通，另一端与集热器内腔相通，用于平衡当集热器应用在高海拔地区时中空玻璃与集热器外界大气之间的压力差，使集热器与中空玻璃之间形成内呼吸作用，提高集热器在使用过程中的稳定性与可靠性；构成中空玻璃的每一片玻璃的所有外表面上均镀有纳米减反增透膜，将盖板的整体透光率提升到90%以上，增加照射到板芯部件3的吸热板13上的有效光照能量，从而有效提高集热器的瞬时效率截距。}

如图3与图5所示，一种低热损耐寒高效平板型太阳能集热器的盖板部件5的下表面与板芯部件3的吸热板13上表面之间的间距D2通过支撑棒9的作用保持在15~20mm之间，减少通过板芯部件3的吸热板13与盖板部件5之间的空气热对流散失的热量，进一步降低平板型太阳能集热器的热损系数U。

如图7所示，板芯部件2由吸热板13与流道组件14通过激光焊接结合为一体时，其焊点15的总面积不低于30000mm²，用于提高吸热板13与流道组件14之间的传热能力，从而提高平板型太阳能集热器的瞬时效率截距，进而提高平板型太阳能集热器的光热转换效率。

综上，通过上述多种措施，可以使平板型太阳能集热器瞬时效率截距η_{0<\/sub>不低于76%的条件下，集热器的热损系数降低50%以上，为高纬度、高寒地区的平板型太阳能热水与采暖提供高效、可靠与经济的产品，为太阳能制热提供切实可行的产品解决方案。}

设计图

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