[发明专利]一种基于相变材料的自动防冻防过热平板集热器

权利要求书

1.一种基于相变材料的自动防冻防过热平板集热器，其特征在于，包括集热器框架，玻璃盖板、流体管道、吸热板、保温板、可调保温板、空气格栅和底板等组成；

所述的空气格栅在吸热板与玻璃盖板之间，并位于集热器框架内部，在空气格栅长边侧设置有长保温杆，空气格栅短边侧设置有短保温杆；

相变封装容器的上方设置有保温板，下方设置有保温板，相变封装容器用于封装相变材料，保温板的底部设置有底板；

吸热板位于可调保温板的上方，且吸热板和保温板之间设置有流体管道。

2.根据权利要求1所述的一种基于相变材料的自动防冻防过热平板集热器，其特征在于，所述的空气格栅用来对空气夹层内空气进行均匀分割，夹层内每一个小空气模块长×宽×高尺寸为20mm×10mm×10mm，在每一个模块上下斜对角均开有0.1mm的小孔，用于在模块伸缩或折叠过程中空气流通；

空气格栅由高分子薄膜与隔热布组成，厚度为0.1mm。

3.根据权利要求1所述的一种基于相变材料的自动防冻防过热平板集热器，其特征在于，所述的长保温杆内部设置长封闭杆，长封闭杆内部设有可转动的转杆，短保温杆内部设置短封闭杆。

4.根据权利要求1所述的一种基于相变材料的自动防冻防过热平板集热器，其特征在于，所述的长封闭杆侧面开有0.5mm宽的槽型开口，用以通过牵引绳，其内部设有可转动的转杆，以及与转杆相连的转动马达。

5.根据权利要求1所述的一种基于相变材料的自动防冻防过热平板集热器，其特征在于，所述空气格栅经牵引绳通过短封闭杆侧面槽与引导片连接，使得空气格栅在折叠与拉伸时更好的覆盖整个空气夹层。

6.根据权利要求3所述的一种基于相变材料的自动防冻防过热平板集热器，其特征在于，在所述空气格栅长边一侧的两端黏贴的挡板，通过牵引绳将转杆与其相连，用于将空气格栅展开，起到遮挡阳光与隔绝集热器向外界散热的作用；

在空气格栅中除上述两端的挡板之外，其余的挡板通过牵引绳与另一侧的转杆相连，用于将空气格栅折叠、收回，使集热器重新恢复集蓄热功能。

7.根据权利要求3所述的一种基于相变材料的自动防冻防过热平板集热器，其特征在于，所述的转杆在一端与小功率转动马达相连，转动马达直接连接外部的停启开关，通过转动马达的转动带动转杆对空气格栅的折叠与拉伸；

转杆为圆柱形，直径为6mm，壁厚2mm。

8.根据权利要求5所述的一种基于相变材料的自动防冻防过热平板集热器，其特征在于，所述的牵引绳直径为0.2mm，表面光滑；

所述的引导片的尺寸长×宽为4mm×2mm，厚度为1.5mm，其布置间距为200mm。

9.根据权利要求7所述的一种基于相变材料的自动防冻防过热平板集热器，其特征在于，所述停启开关的运行策略为：

白天，根据集热器或水箱内水温超过90℃(可人工设定)，展开空气格栅，集热器或水箱内水温低于80℃(可人工设定)关闭格栅，在此功能基础上可增加人工设定空气格栅展开时间；

夜间，可根据实时天气预报判断夜间有无出现0℃以下可能，存在可能性时，在夜间6点开启格栅，早上根据当地日出关闭格栅，或人工设定空气格栅展开与关闭时间。

10.根据权利要求1所述的一种基于相变材料的自动防冻防过热平板集热器，其特征在于，所述的相变材料及可调保温板厚度计算步骤为：

1)、选择并确定相变材料物性参数：潜热(kj/kg)，密度ρ(kg/m3)，凝固点t_x(℃)，最不利环境温度t_w(℃)；

2)、由于集热器工作时处于倾斜状态，温度为上部高、下部低的非均匀状态，因此集热器最低温度低于平均温度，为保证集热器水不被冻结，集热器平均温度t_g取10℃；

使用该结构时，当水温持续稳定在10℃时，相变材料向上部(流体管道)放热量等于管道向玻璃盖板的散热量，此时达到动态平衡，计算此时集热器单位面积散热量Q₁(w)和上表面散热量Q_s(w)；

集热器表面的对流换热系数受环境风速影响较大，为方便计算，将关联式写成下式表示：

h_w＝a+bw

其中a，b为常数，w为风速m/s；

根据大量数据验证，得到下式关于集热器表面与环境的对流和换热系数hw表达式：

h_w＝5.7+3.8w

集热器保温层、玻璃盖板、相变层等导热热阻大小与材料厚度及材料自身的导热系数有关，其热阻表达式为：

其中δ为材料厚度m，λ为材料的导热系数W/(m/k)；

盖板外表面与环境的辐射换热系数：

T_sky＝0.0552(T_a)^1.5

式中，ε_c1为盖板外表面的发射率；δ为斯蒂芬一波尔兹曼常数；

吸热板和盖板内表面之间的辐射传热系数：

式中，ε₃是盖板内表面发射率，ε_abs是吸热板发射率；

集热器在使用过程中以一定倾角进行放置，此时的倾斜空气夹层可认为是有限空间自然对流；

当(Gr_σ·Pr·cosθ)＜1700时,夹层内空气可按纯导热计算；

当1708＜(Gr_σ·Pr·cosθ)时，通常把两侧的传热热阻用一个当量表面传热系数h_e表示，通过夹层的热流密度为：

式中，t_w1、t_w2分别为热壁和冷壁的温度，K；Nu_δ为夹层传热努谢尔特数；

当1708＜(Gr_σ·Pr·cosθ)＜5900时，封闭夹层Nu_δ准则关联式为：

当5900＜(Gr_σ·Pr·cosθ)＜1×10⁶时，封闭夹层Nu_δ准则关联式为：

Nu_δ＝C(Gr_σ·Pr·cosθ)^m

得到倾斜夹层(热面在下与水平夹角θ)时：

C＝0.229，m＝0.252(5900＜(Gr_σ·Pr·cosθ)＜9.24×10⁴)

C＝0.157，m＝0.285(9.24×10⁴＜(Gr_σ·Pr·cosθ)＜1×10⁶)

依据环境温度及相关传热系数计算得到集热器单位面积散热量Q₁(w)和上表面散热量Q_s(w)；

3)、计算单位面积集热器相变材料铺设厚度L₁(单位m)：

其中，Q₁为单位面积集热器散热量，w；H为散热时间，h；

4)、计算相变材料与管道之间的可调保温板厚度L₂(单位m)：