CN105509345A - 一种采用蜂窝形储热单元的太阳能蓄热装置 - Google Patents

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杨肖虎
张思鸣
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Abstract

本发明提供了一种采用蜂窝形储热单元的太阳能蓄热装置，包括储热箱体，储热箱体上设有冷水进水口、太阳能热水进水口、热水出水口和太阳能热水回水口；储热箱体内设有若干相变储热单元，相变储热单元包括储热容器及其中封装的相变储热材料；太阳能热水管路依次穿过各相变储热单元，且其两端分别连接太阳能热水进水口和太阳能热水回水口。本发明提供的采用蜂窝形储热单元的太阳能蓄热装置，能够利用太阳能蓄热，节能环保，采用相变蓄热材料，相比传统的太阳能储热水箱，其储热密度大，热利用时间长，在夜间及阴雨天气时能够持续产生热水。该太阳能蓄热装置的储热过程和放热过程可以单独进行也可以同时进行，互不干扰，使用时间灵活。

Description

一种采用蜂窝形储热单元的太阳能蓄热装置
技术领域
本发明涉及一种太阳能蓄热装置，具体涉及一种采用蜂窝形储热单元的太阳能蓄热装置。
背景技术
新能源应该具有清洁、高效、广阔的发展前景等特点，太阳能又以自身优势在新能源开发中独树一帜：太阳能的储量极为丰富，虽然太阳辐射只有极微小的部分到达地球，但据此计算，一年内到达地面的太阳能总量折合成标准煤仍约1.892×1017t，是目前世界主要能源探明储量的一万倍；太阳能处处都可以利用，有利于缓解能源供需矛盾，缓解运输压力，能解决偏僻边远地区及交通不便的农村、海岛等的能源供应问题；太阳能是取之不尽、用之不竭的。凭借这些优势，太阳能的开发利用具有极其广阔的前景。在现今能源短缺的时代，各国政府都将太阳能资源利用作为国家可持续发展战略的重要内容。虽然太阳能资源非常充足，太阳能的利用同样面临一些问题：太阳能虽然总量丰富，但其能流密度低，单位面积上的能量稀薄；太阳能在其利用过程中由于昼夜更替和季节变化等因素的影响以及阴晴云雨等因素的制约，太阳能的间断性和不稳定性就会显露出来。若要对太阳能资源进行热利用，就必须采取蓄热装置来保证太阳能利用的稳定与连续。
传统的太阳能储热形式多数为水箱直接储热，即经过太阳能集热器加热的热水进入一个大的储水箱体，将已经被加热的水存储起来，待有需要时供人们使用。这种储热方式虽然利用形式简单，但由于利用的是水的显热进行储热，其储能密度小，并且储热体积大，在无太阳条件下利用时出水水温会不断下降，用户使用时不方便。相变储热是指相变材料在相变温度下发生物相变化，并伴随着吸收或放出热量，可用来控制周围环境的温度，或用以储存热能。相较于传统的储热方式，其优点在于：相变储热利用相变材料的潜热进行热量储存，储能密度大，相对储热体积小，相同储热量下储热体积仅为显热储热的50％或者更少；并且在无太阳条件下利用时可利用时间长，出水水温较均匀，用户使用时方便舒适。
太阳能相变储热已成为太阳能利用的重要途径，如今已有各式各样的相变储能专利及产品。但如何使相变储热过程更快速更有效地进行，保证出水温度平稳又是亟待解决的问题。根据储热箱体内部的结构的不同，其储热放热时的效率也有高低，并且现有结构中的出口水温并不能很好保证。申请号为200810228927.5的中国专利公开了一种相变储热罐，采用的技术方案是在一外层带有保温套的塑料罐内设置有热媒介质管和相变储热剂，通过阀门开关来转换蓄热和供热功能。其内部结构简单，相变储热材料均匀分布，不能形成温度的梯级利用，易造成出水温度不够平稳。其相变储热材料与管路接触面积小，蓄热和供热的效率低，也易造成罐内相变蓄热材料的温度分布差异过大。其蓄热和供热功能共用一套管路，虽然简化了罐体内部结构，但不能做到蓄热和供热同时进行。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种采用蜂窝形储热单元的太阳能蓄热装置，该太阳能储热装置换热效率高、安全可靠。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种采用蜂窝形储热单元的太阳能蓄热装置，包括储热箱体，储热箱体的上部设有冷水进水口和太阳能热水进水口，储热箱体的下部设有热水出水口和太阳能热水回水口；储热箱体内设有太阳能热水管路和若干个相变储热单元，其中相变储热单元包括储热容器及封装在储热容器内部的相变储热材料；太阳能热水管路自上而下依次穿过各相变储热单元，且太阳能热水管路的上部连接太阳能热水进水口，下部连接太阳能热水回水口，相邻的相变储热单元间留有供换热介质流动的通道。
所述的储热箱体内设置若干层相变储热单元，每层中包括若干个相变储热单元。
每层相变储热单元中储热容器的尺寸相同，各层相变储热单元中储热容器的尺寸自上而下逐渐增大。
各层相变储热单元中储热容器内部封装的相变储热材料的熔点自上而下逐渐减小。
各层中相变储热单元的数量相同，均为n个；储热箱体中的太阳能热水管路为由n条支路构成的同程式管路，其中第i条支路从上到下依次穿过各层中第i个相变储热单元，i＝1～n，且所有支路的上部均与太阳能热水进水口相连，所有支路的下部均与太阳能热水回水口相连。
所述的储热箱体中相邻的相变储热单元呈正三角形排列。
所述的相变储热单元中储热容器为六角蜂窝形柱状结构。
所述的太阳能热水管路的材质为不锈钢，且太阳能热水管路的结构形式为盘管形式。
所述的储热箱体的顶部开设有通气口。
所述的储热箱体的材质为不锈钢，储热箱体的内壁与保温层紧密贴合，形成太阳能蓄热装置的外壳。
相对于现有技术，本发明的有益效果为：
本发明提供的采用蜂窝形储热单元的太阳能蓄热装置，能够利用太阳能蓄热，节能环保，采用相变蓄热材料，相比传统的太阳能储热水箱，其储热密度大，热利用时间长，在夜间及阴雨天气时能够持续产生热水。该太阳能蓄热装置的储热过程和放热过程可以单独进行也可以同时进行，互不干扰，使用时间灵活。该太阳能蓄热装置在放热时，储热单元完全浸没在冷水中，冷水与储热容器接触面积大，换热效果好。
进一步的，本发明提供的采用蜂窝形储热单元的太阳能蓄热装置，对于储热过程，太阳能热水水温逐渐降低，相变储热材料按照熔点分层布置，自太阳能热水进水口至出水口，相变材料熔点由高到低，可以匹配流经不同高度相变储热单元的热水温度，实现了温度的梯级利用，有利于相变材料相态的均匀分布。对于取热过程，相变储热材料按熔点分层布置，自冷水入水口至热水出水口，相变材料熔点逐渐降低，加热冷水，并使冷水温度逐步升高，最终接近下层相变材料的熔点，稳定出口水温。
进一步的，本发明提供的采用蜂窝形储热单元的太阳能蓄热装置中，储热容器呈六角蜂窝形柱状结构，增大了储热容器与储热箱体内换热介质的接触面积，即增强了该装置的换热效率，加快了该装置供热过程的放热速度。相邻的相变储热单元呈正三角形分布，流体通道曲折，可增强流体流动过程中对流体的扰动，同样提高了该装置的换热效率和放热速度。储热容器按照尺寸不同分层布置，自冷水入水口至热水出水口，储热容器尺寸逐渐增大，在冷水与相变储热材料温差逐渐减小时增大换热面积，加强换热效果，并且流道越来越窄，使水能够充分和储热容器接触，增强了水与相变储热材料的换热，也能使水温更贴近最下层相变储热材料的相变温度，稳定出口水温。
进一步的，本发明提供的采用蜂窝形储热单元的太阳能蓄热装置中，太阳能热水管路整体采用同程式布置，管内水流均匀，自上而下，依次与各相变储热单元换热，使得各支路的换热效果能够保持一致。而且竖直方向的各支路采用盘管形式，管程较长，能够提高储热过程的换热时间。
附图说明
图1是本发明提供的采用蜂窝形储热单元的太阳能蓄热装置的主剖视图。
图2是本发明提供的采用蜂窝形储热单元的太阳能蓄热装置的侧剖视图。
图3是本发明提供的采用蜂窝形储热单元的太阳能蓄热装置的局部结构示意图。
图4是利用本发明提供的采用蜂窝形储热单元的太阳能蓄热装置的工作***原理图。
其中：1为储热箱体，2为冷水进水口，3为热水出水口，4为太阳能热水进水口，5为太阳能热水回水口，6为储热容器，7为相变储热材料，8为太阳能热水管路，9为通气口，10为保温层，11为太阳能蓄热装置，12为太阳能集热器，13为第一循环水泵，14为第二循环水泵，15为供暖设备，16为生活用水末端，17为第一球阀，18为第二球阀，19为自来水进水口，20为第三球阀。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细说明。
本发明总的构思是：通过使用正三角形排放的六角蜂窝形的储热容器6，增大换热表面积以及对冷水的扰流，因而增强换热效果。通过进行不同熔点相变储热材料7的分层布置，最大程度吸收太阳能热水中的热量。通过进行不同尺寸储热容器6的分层布置，逐层加热冷水，最终稳定出口水温。通过使用同程式太阳能热水管路，保证太阳能热水均匀流过储热单元。
为了详细说明本发明的技术内容以及构造和目的，下面结合附图对本发明进行具体介绍。
如图1至图3所示，本发明提供的采用蜂窝形储热单元的太阳能蓄热装置，包括储热箱体1，储热箱体1的材质为不锈钢，储热箱体1的内壁与保温层10紧密贴合，二者形成太阳能蓄热装置的外壳。储热箱体1上设有冷水进水口2、热水出水口3、太阳能热水进水口4、太阳能热水回水口5和通气口9，储热箱体1内设有太阳能热水管路8和若干个相变储热单元，其中相变储热单元包括储热容器6及其内部封装的相变储热材料7，通气口9位于储热箱体1的顶部，冷水进水口2与太阳能热水进水口4位于储热箱体1的上部并异侧分布，热水出水口3与太阳能热水回水口5位于储热箱体1的下部并异侧分布，热水出水口3与储热箱体1底部平齐；太阳能热水管路8上部连接着太阳能热水进水口4，下部连接着太阳能热水回水口5，太阳能热水管路8自上而下依次穿过各相变储热单元，太阳能热水进水口4、太阳能热水回水口5与太阳能热水管路8所形成的太阳能管路形式为同程式管路。太阳能热水管路8的材质为不锈钢，自上而下的结构形式为盘管形式。
其中储热容器6的结构为六角蜂窝形柱状结构，在储热箱体1内部层状分布，位于最上层的储热容器6的六角蜂窝形尺寸最小，自上而下，各层储热容器6的六角蜂窝形尺寸逐渐增大，位于最下层的储热容器6的六角蜂窝形尺寸最大，每层储热容器6的尺寸相同，相邻的储热容器6间留有通道。储热箱体1内所有的储热容器6呈正三角形排放。各层中储热容器6的数量相同，均为n。储热箱体1内的各层中第i(i＝1～n)个储热容器6从上到下依次通过太阳能热水管路8相连，且最上层中各个储热容器6均通过太阳能热水管路8与太阳能热水进水口4相连，最下层中各个储热容器6均通过太阳能热水管路8与太阳能热水回水口5相连。
储热容器6内部封装的相变储热材料7的熔点自上而下逐渐减小，位于储热箱体1最上层的相变储热材料7的熔点最高，位于最下层的相变储热材料7的熔点最低。
由图1、图2可知，本发明提供的采用蜂窝形储热单元的太阳能蓄热装置的工作流程是：
该太阳能蓄热装置储热时，太阳能热水由太阳能热水进水口4进入储热箱体1，太阳能热水在太阳能热水管路8内部向下流动，太阳能热水管路8首先通过第一层储热单元的中心位置，太阳能热水流经相变储热单元时，与储热容器6内部的相变储热材料7产生热交换，热量存储在熔点较高的相变储热材料7中；之后太阳能热水继续向下通过第二层相变储热单元进行储热，以此类推，当太阳能热水通过最下层的相变储热单元后，各支路水流汇集并由太阳能热水回水口5流出储热箱体1。由于太阳能热水在流动过程中温度不断降低，而在不同高度位置上储热容器6内封装的相变储热材料7的熔点不同，位置越低，相变储热材料7的熔点越低，当太阳能热水温度较高时，可以先与熔点高的相变储热材料7进行换热，当太阳能热水温度降低时，可以与熔点较低的相变储热材料7进行换热，因此不同熔点的相变储热材料可以和不断降低的太阳能热水温度很好匹配，可以最大程度储存热量。由于太阳能热水管路8是同程式分布，因此每一分路内的水流均匀，保证了每一个相变储热单元都可以和相同流量的太阳能热水进行热交换。
该太阳能蓄热装置取热时，冷水由上部的冷水进水口2直接进入储热箱体1，与储热容器6直接接触，并与其内部的相变储热材料7产生热交换，自上向下流动，冷水温度逐渐升高，并由储热箱体1下部的热水出水口3流出，供生活使用。当冷水流经上部尺寸较小的相变储热单元时，由于冷水与相变储热材料7的温差大，换热量大，冷水温度上升较快；当冷水向下流动时，水温逐渐升高，相变储热材料7的熔点逐渐降低，其与冷水之间的温差越来越小，而储热容器6的尺寸不断增大，冷水与储热容器6的换热面积越来越大，克服了由于温差变小而可能带来的换热量下降的缺陷，水温仍会逐渐上升，最终接近或达到最下层相变储热材料7的熔化温度，出水温度均匀稳定。
对于含有本发明提供的采用蜂窝形储热单元的太阳能蓄热装置的工作***，结合图1至图4对其工作流程进行说明。
该工作***储热时，太阳能热水循环中的水由太阳能集热器12加热，加热后的高温热水通过第一循环水泵13施加压力，由太阳能热水进水口4进入储热箱体1，太阳能热水经过相变储热单元换热后产生低温热水，经过太阳能热水回水口5回到太阳能集热器12中继续加热，循环使用。
该工作***取热时，冷水由上部的冷水进水口2直接进入本发明的太阳能蓄热装置11，流经相变储热单元换热后由下部的热水出水口3流出热水。进入的冷水可以是供暖设备15回流的低温热水，也可以是由自来水进水口19新引入的自来水。冷水在第二循环水泵14的推动下由冷水进水口2进入储热箱体1。热水出水口3流出的热水可以作为供暖设备15的高温水使用，也可以直接作为生活热水经生活用水末端16流出使用。当用户不使用生活用水也不使用供暖用水时，第一球阀17、第二球阀18和第三球阀20关闭，储热水箱1中的水不流动。当用户不使用生活用水但需要使用供暖用水时，第一球阀17和第三球阀20关闭，第二球阀18打开，此时储热箱体1和供暖设备15形成循环，供暖设备15的高温热水直接由热水出水口3取得，供暖后的低温水经冷水进水口2流回储热箱体1继续加热。当用户使用生活用水但不使用供暖用水时，第一球阀17打开，第二球阀18关闭，此时储热箱体1中的热水直接供给生活用水末端16，而储热箱体1内的水位会降低，第三球阀20打开，储热箱体1由自来水管路补充冷水，冷水进入储热箱体1后被加热，可以继续供给热水。当用户同时使用生活用水和供暖用水时，第一球阀17、第二球阀18和第三球阀20打开，热水同时供给生活用水和供暖用水，储热箱体1内水位会下降，继续由自来水管路补充冷水。
整个***及本发明提供的采用蜂窝形储热单元的太阳能蓄热装置在工作时，储热过程和放热过程相互分离，可以分开或同时进行，使用时间段灵活。
上述结合附图进行说明的具体内容只是示意性的，并非构成对本发明保护范围的限制，所属领域的研究人员在本发明提供的采用蜂窝形储热单元的太阳能蓄热装置的基础上，不需付出创造性劳动而做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种采用蜂窝形储热单元的太阳能蓄热装置，其特征在于：包括储热箱体(1)，储热箱体(1)的上部设有冷水进水口(2)和太阳能热水进水口(4)，储热箱体(1)的下部设有热水出水口(3)和太阳能热水回水口(5)；储热箱体(1)内设有太阳能热水管路(8)和若干个相变储热单元，其中相变储热单元包括储热容器(6)及封装在储热容器(6)内部的相变储热材料(7)；太阳能热水管路(8)自上而下依次穿过各相变储热单元，且太阳能热水管路(8)的上部连接太阳能热水进水口(4)，下部连接太阳能热水回水口(5)，相邻的相变储热单元间留有供换热介质流动的通道。
2.根据权利要求1所述的采用蜂窝形储热单元的太阳能蓄热装置，其特征在于：所述的储热箱体(1)内设置若干层相变储热单元，每层中包括若干个相变储热单元。
3.根据权利要求2所述的采用蜂窝形储热单元的太阳能蓄热装置，其特征在于：每层相变储热单元中储热容器(6)的尺寸相同，各层相变储热单元中储热容器(6)的尺寸自上而下逐渐增大。
4.根据权利要求2所述的采用蜂窝形储热单元的太阳能蓄热装置，其特征在于：各层相变储热单元中储热容器(6)内部封装的相变储热材料(7)的熔点自上而下逐渐减小。
5.根据权利要求2所述的采用蜂窝形储热单元的太阳能蓄热装置，其特征在于：各层中相变储热单元的数量相同，均为n个；储热箱体(1)中的太阳能热水管路(8)为由n条支路构成的同程式管路，其中第i条支路从上到下依次穿过各层中第i个相变储热单元，i＝1～n，且所有支路的上部均与太阳能热水进水口(4)相连，所有支路的下部均与太阳能热水回水口(5)相连。
6.根据权利要求1-5中任意一项所述的采用蜂窝形储热单元的太阳能蓄热装置，其特征在于：所述的储热箱体(1)中相邻的相变储热单元呈正三角形排列。
7.根据权利要求1-5中任意一项所述的采用蜂窝形储热单元的太阳能蓄热装置，其特征在于：所述的相变储热单元中储热容器(6)为六角蜂窝形柱状结构。
8.根据权利要求1-5中任意一项所述的采用蜂窝形储热单元的太阳能蓄热装置，其特征在于：所述的太阳能热水管路(8)的材质为不锈钢，且太阳能热水管路(8)的结构形式为盘管形式。
9.根据权利要求1-5中任意一项所述的采用蜂窝形储热单元的太阳能蓄热装置，其特征在于：所述的储热箱体(1)的顶部开设有通气口(9)。
10.根据权利要求1-5中任意一项所述的采用蜂窝形储热单元的太阳能蓄热装置，其特征在于：所述的储热箱体(1)的材质为不锈钢，储热箱体(1)的内壁与保温层(10)紧密贴合，形成太阳能蓄热装置的外壳。
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