采集太阳能的方法及其加热装置.pdf

本发明涉及一种采集太阳能的方法及其加热装置，纵向和横向搭接铺设在斜屋顶上的屋面瓦具有内置常压绕流液道，各屋面瓦的液道是从上到下纵向开放与大气相通的多组并联液道，屋面瓦液道内从上至下流动的液体通过瓦体吸收太阳热能或/和空气热能的同时，吸附在液道吸附层内的液体吸热后脱附形成单向热量传输，液体吸热后作为低温热源。本发明用屋面瓦作为集热单元，不仅能大面积铺设在屋面上与建筑物成一体，液体通过屋面瓦内常压绕流液道与太阳能或/和空气热能进行热交换时，使吸附在液道吸附层上的液体吸热后从吸附层脱附也采集热能，不仅能实现低温采热功能，而且可通过液体的吸附作用，形成单向传输热能，大幅度降低采集太阳能的成本。

1、  一种采集太阳能的方法，其特征在于：相邻纵向和横向搭接铺设在斜屋顶上的屋面瓦具有内置常压绕流液道，各屋面瓦的液道是从上到下纵向开放与大气相通的多组并联液道，屋面瓦液道内从上至下流动的液体通过瓦体吸收太阳热能或/和空气热能的同时，吸附在液道吸附层内的液体吸热后脱附形成单向热量传输，液体吸热后作为低温热源。

2、  一种太阳能加热装置，包括通过管路将蒸发器(2)、压缩机(4)、冷凝器(5)和膨胀阀(7)连接构成封闭式热泵循环以及储热水箱(6)，冷凝器(5)设置在储热水箱(6)内，其特征在于：还具有采热的屋面瓦(8)和其相连通的热媒储热箱(1)，热媒储热箱(1)内设有蒸发器(2)；多个纵向和横向搭接铺设在斜屋顶上的屋面瓦(8)具有内置常压绕流液道，液道是从上至下纵向开放与大气相通的多组并联液道，屋面瓦(8)液道的上部具有吸液层，液体流过液道吸收太阳能或/和空气热能时，吸附在液道吸液层内的液体，在吸热后脱附形成单向热量传输，管路将吸热后的液体送至热媒储热箱(1)作为蒸发器(2)的热源，且热媒储热箱(1)通过循环泵(3)与屋面瓦(8)的上端进液口相通。

3、  根据权利要求2所述的太阳能热加装置，其特征在于：所述的屋面瓦(8)由下瓦体(81)和扣合连接在下瓦体(81)顶部的上瓦体(82)构成，上瓦体(82)具有外表面的防水层和内表面的吸附层，下瓦体(81)两侧具有拱形接边(81-5)和覆盖在拱形接边(81-5)上部的扣合边(81-10)，下瓦体(81)具有液腔(81-11)，液腔(81-11)的上、下端侧具有上、下横挡边(81-1、81-8)，且液腔(81-11)内设有两个以上横向的积液板(81-3)构成绕流式液道，下瓦体(81)位于下横挡边(81-8)的内侧具有贯穿瓦体的出液口(81-7)，下瓦体(81)的出液口(81-7)下部凸起的底座(81-13)与下一个下瓦体(81)上横挡边(81-1)的内侧相接，形成与大气相通的纵向液道，且下瓦体(81)的前下部覆盖在下一个上瓦体(82)和下瓦体(81)上。

4、  根据权利要求3所述的太阳能加热装置，其特征在于：所述的下瓦体(81)靠近上横挡边(81-1)内侧还具有与上瓦体(82)连接的支座(81-2)，支座(81-2)上设有液口，上瓦体(82)的凸块(82-3)卡接在液口内。

5、  根据权利要求4所述的太阳能加热装置，其特征在于：所述积液板(81-3)顶部的一侧设有下凹的液道(81-4)，且相邻积液板(81-3)的液道(81-4)相错布设。

6、  根据权利要求3所述的太阳能加热装置，其特征在于：所述上瓦体(82)的下部还具有插入在下瓦体(81)液腔(81-11)内的翅片(82-4)。

7、  根据权利要求6所述的太阳能加热装置，其特征在于：所述上瓦体(82)相邻的翅片(82-4)相错布设。

8、  根据权利要求3所述的太阳能加热装置，其特征在于：所述下瓦体(81)的顶部具有止口(81-6)和高出止口的支承面(81-8)，上瓦体(82)的外周边卡接在止口(81-6)并支承在支承面(81-8)上与下瓦体(81)连接。

9、  根据权利要求3所述的太阳能加热装置，其特征在于：所述在下瓦体(81)的出液口(81-7)下部凸起的底座(81-13)上，还有与上瓦体(82)前部凸筋(82-1)相配合的限位槽(81-12)

10、  根据权利要求3所述的太阳能加热装置，其特征在于：所述下瓦体(81)中部具有上凸弧面(81-9)，其两侧具有液腔(81-11)，上瓦体(82)也具有与其相配的弧面(82-2)。

采集太阳能的方法及其加热装置
技术领域
本发明涉及一种太阳能热利用技术，尤其是涉及一种采集太阳能的方法及其加热装置。
背景技术
太阳能作为经济、无污染的能源，已在工业和人民生活中得到广泛的应用。但由于太阳能的能流密度极低，因此收集太阳能的主要设备——集热元件就成为太阳能利用的关键技术之一。经过多年的改进，目前典型的集热元件是采用真空管或真空板吸收太阳能，真空管/板内的液体吸收太阳辐射中的直射和散射，并累积储至高温热能后进行循环。但真空管/板吸热是双向传输，因此真空管/板吸热后的液体高温与外界自然环境的温差较大，必须通过真空层对高温热能进行保温，以减小热量的散失。所以目前集热方式和集热结构存在以下问题：1、集热元件制造、使用成本高。为达到高效率的采热效果，尽可能减少热辐射损失问题，集热元件内管的液体吸收热后，还要通过内、外管之间真空层来减少热能的损失。全玻璃真空管虽然热效率最高，但存在着易碎和不能承压的问题；金属热管虽然解决了承压问题，但同时也增加了金属热管制作工艺的复杂性，尤其是端口处的密封不易解决，造成真空层的真空度不易保证，热辐射损失较大，热效率相对降低；真空板式集热器虽然也能较好地解决了承压问题，但玻璃真空板的加工工艺更加复杂，真空度比金属热管还低，热辐射损失大，保温性能较差，其集热效率最低。目前集热单元为减少热辐射损失，都在保温方面采取措施，但这些措施又会进一步增加集热元件的制造成本。再则，由于流经集热元件内的液体是在封闭的管路内进行循环，而液体吸热膨胀后就会在管内产生一定的压力，故集热元件对液管的制造精度要求很高，这不仅会增加集热元件的制造成本，而且由于运行中集热元件内管承压，降低了集热单元和整个加热系统的工作可靠性。2、采热面积小。基于传统结构的真空集热单元的结构，集热单元必须放置在特定的工具架上并固定在屋面上，不仅无法实施大面积采热、利用太阳能，而且采用专用支架给安装、施工带来困难，也给日常维护工作造成不便。3、系统工作可靠性不高。无论是太阳能真空管还是太阳能真空板，均采用真空玻璃制得，因此在温差较大或运输以及安装过程中，玻璃都极易受到损坏，而破坏集热元件的保温层，造成采热效率的下降，故太阳能采热系统的工作可靠性不高。4、不能实现全天候采热。由于太阳光照时间是有限的，故采集太阳能都是间断性采热，受天气影响很大，尤其在阴雨天，就不能采热，因此就需要用电辅助加热，但采用电辅助加热的经济性较差。
虽然目前所公开的热泵式太阳能加热装置，其集热板作为蒸发器对工质进行加热，通过工质循环状态变化，加热贮热水箱内的水。但由于工质是直接通过集热单元吸收热能，不仅集热单元无法大面积铺设，建筑一体化难以解决，而且因每天环境温度变化较大，经济性能不高，不能大面积推广使用。
发明内容
本发明的目的是提供一种采集太阳能的新方法，屋面瓦内常压绕流液道内的液体与太阳能或/和空气热能进行热交换时，同时使吸附在液道吸附层上的液体吸热后从吸附层脱附也采集热能，不仅能实现低温采热功能，而且可通过液体的吸附作用，形成单向传输热能，大幅度降低采集太阳能的成本。
本发明的目的是提供一种太阳能加热装置，用屋面瓦作为集热单元，不仅能大面积铺设在斜屋面上采热，与建筑物成一体，而且在屋面瓦常压绕流液道内的液体在与太阳能热交换的同时，通过液体的吸附作用，实现单向传输热能，大幅度降低集热单元的制造和使用成本，施工方便、运行成本低，结构简单，系统安全可靠、供热性能好。
本发明为实现上述目的的技术方案是，一种采集太阳能的方法，相邻纵向和横向搭接铺设在斜屋顶上的屋面瓦具有内置常压绕流液道，各屋面瓦的液道是从上到下纵向开放与大气相通的多组并联液道，屋面瓦液道内从上至下流动的液体通过瓦体吸收太阳热能或/和空气热能的同时，吸附在液道吸附层内的液体吸热后脱附形成单向热量传输，液体吸热后作为低温热源。
本发明的太阳能加热装置，包括通过管路将蒸发器、压缩机、冷凝器和膨胀阀连接构成封闭式热泵循环以及储热水箱，冷凝器设置在储热水箱内，还具有采热的屋面瓦和其相连通的热媒储热箱，热媒储热箱内设有蒸发器；多个纵向和横向搭接铺设在斜屋顶上的屋面瓦具有内置常压绕流液道，液道是从上至下纵向开放与大气相通的多组并联液道，屋面瓦液道的上部具有吸液层，液体流过液道吸收太阳能或/和空气热能时，吸附在液道吸附层的液体在吸热后脱附形成单向热量传输，管路将吸热后的液体送至热媒储热箱作为蒸发器的热源，且热媒储热箱通过循环泵与屋面瓦的上端进液口相通。
其中，所述的屋面瓦由下瓦体和扣合连接在下瓦体顶部的上瓦体构成，上瓦体具有外表面的防水层和内表面的吸附层，下瓦体两侧具有拱形接边和覆盖在拱形接边上部地扣合边，下瓦体具有液腔，液腔的上、下端侧具有上、下横挡边且液腔内设有两个以上横向的积液板，积液板顶部与上瓦体之间的间隙为液道，下瓦体位于下横挡边的内侧具有贯穿瓦体的出液口，下瓦体的出液口下部凸起的底座与下瓦体上横挡边的内侧相接，形成与大气相通的纵向液道，且下瓦体下部能覆盖在上瓦体上。
本发明采用上述技术方案后：
1、制造、使用成本低。由于本发明用采集太阳能的屋面瓦作为集热单元，在屋面瓦内设有常压绕流液道，使液体在通过瓦体吸收太阳热能或/和空气热能的同时，吸附在液道吸附层的液体在吸热脱附形成单向热量传输，因此使屋面瓦即为吸收热源的载体，又为吸收热能液体的保温体，无需特殊的保温结构，且所采集的热能为低温热源，因此可大幅度降低太阳能采热单元的制造成本。另外由于各屋面瓦之间的液通道路无需管路密封连接，因此也大幅度减低了制造成本和施工的难度，不仅能实现大面积辅设在屋面上采集太阳能或/和空气热能的目标，而且辅设、维修和更换屋面瓦非常方便。
2、施工灵活。本发明的屋面瓦可以根据所需采集的面积来任意辅设，而且辅设时与一般的屋面瓦相同，不受屋面面积大小限制，而且辅设灵活方便，因此易实现最大面积采集、利用太阳能。
3、外观平整，能与建筑物浑然成一体。本发明将采热单元与传统屋面瓦合二为一，不仅完整地保留了屋面瓦防水、隔热的功能，还具有采热的功能，彻底解决了太阳能采热系统与建筑一体化的问题，使屋面瓦的颜色、式样不受限制，丰富了屋面瓦的功能。
4、低热采热效率高，提高了系统的运行可靠性。本发明斜面辅设在屋面上的屋面瓦其液腔内设有积液板，使液体或工质流入液腔时通过各积液板时起到挠流作用，不仅能增加液体或工质在屋面瓦内的行程，充分吸收热能，而且吸附在液道吸附层上的液体吸热后脱附下流，形成热量的单向传输，液体再流入下部的屋面瓦进一步吸热直至到最下部的屋面瓦，最后通过管道送至热媒储热箱内，作为低温热源，实现最经济供热。本发明由于各屋面瓦之间仅依靠相邻之辅设搭接，屋面瓦之间的纵向液道之间无需管路连接，形成与大气相通的纵向液道，因此被加热的液体膨胀后也不会在液道内产生压力，大大提高了加热装置的运行可靠性。
5、综合热效率高。本发明的屋面瓦在太阳能不足时，可利用环境热能加以补充，因此提高了太阳能利用的稳定性及综合热效率。
6、经济性好。本发明可通过大面积采集太阳能收集低温热源作为热泵初始热源，而热泵从低温环境中吸取热量，并将其能位提高后，向储热水箱放热而提高供热性能，由于屋面瓦采集的热量储存作为热泵的热源，因此能实现低廉、经济的方法供热。
下面结合附图对本发明的实施例作进一步的详细描述。
图1是本发明的结构示意图。
图2是本发明的屋面瓦多组辅设后的结构示意图。
图3是本发明屋面瓦的下瓦体的结构示意图。
图4是本发明屋面瓦的下瓦体底部的结构示意图。
图5是本发明屋面瓦的上瓦体的结构示意图。
图6是本发明屋面瓦的上瓦体底部的构示意图。
本发明采集太阳能的方法，是将多个屋面瓦8相邻纵向和横向搭接铺设在斜面屋顶，屋面瓦8具有内置常压绕流液道，各屋面瓦8的液道是从上到下纵向开放与大气相通的多组并联液道，屋面瓦8的液道内从上至下流动的液体通过瓦体吸收太阳热能或/和空气热能的同时，吸附在液道吸附层内的液体吸热后脱附，形成单向热量传输，液体吸热后作为低温热源。
见图1所示的本发明的太阳能加热装置，包括屋面瓦8、设置在热媒储热箱1内的蒸发器2、压缩机4以及设置在储热箱6内的冷凝器5以及膨胀阀7，管路将蒸发器2、压缩机4、冷凝器5和膨胀阀7连接构成封闭式热泵循环机构，屋面瓦8与热媒储热箱1串接，热媒储热箱1通过循环泵3将液体送至屋面瓦8的上端，屋面瓦8的下部通过管路流至热媒储热箱1内，热媒储热箱1内设有蒸发器2。多个纵向和横向搭接铺设在斜屋顶上的屋面瓦8具有内置常压绕流液道，液道是从上至下纵向开放与大气相通的多组并联液道，屋面瓦8液道的上部具有吸附层，液体通过积液板的绕液液道时，其液面与液道顶部接触后即而分离，使液体流过液道时一方面吸收太阳能或/和空气热能，另一方面吸附在液道吸附层的液体在吸热后脱附形成单向热量传输，管路将吸热后的液体送至热媒储热箱1作为蒸发器2的热源。本发明当蒸发器2吸收低温热源后，使其内的工质获取能量得以蒸发，流出的蒸汽工质被压缩机4吸入并被压缩成高温高压的蒸汽工质，进入设置在储热箱6内的冷凝器5内，冷凝器5放热加热储热箱6内的水，冷凝后的工质通过膨胀阀7回到蒸发器2内重新吸热、蒸发循环，蒸发器2不断吸收热媒储热箱1的热量，通过冷凝器5不断放热，对储热箱6内的水进行加热。
见图2-6所示，本发明的采集太阳能的屋面瓦8由下瓦体81和上瓦体82构成，上瓦体82具有外表面的防水层和内表面的吸附层，上瓦体82扣合连接在下瓦体81顶部。下瓦体81的顶部具有止口81-6和高于止口81-6的支承面81-8，上瓦体82的外周边卡接在止口81-6并支承在支承面81-8上与下瓦体81连接，下瓦体81两侧具有拱形接边81-5和覆盖在拱形接边81-5上部的扣合边81-10，扣合边81-10的前、后部还具有内凹的定位槽，使相邻屋面瓦8横向搭接在一起。见图2所示，下瓦体81具有液腔81-11，液腔81-11的上、下端侧具有上横挡边81-1和下横挡边81-8，液腔81-11内设有两个以上横向的积液板81-3构成绕流式液道，见图3所示，积液板81-3顶部的一侧设有下凹的液道81-4，且相邻积液板81-3上的液道81-4相错布设，使液体通过液道81-4时形成双向绕流，使吸附在上瓦体82吸附层上内的液体，在上瓦体82吸热后，自然脱附上瓦体82的吸附层，起到单向传输热能的作用，同时积液板81-3还可以增加液体的吸热行程。下瓦体81位于下横向挡边81-8的内侧具有贯穿瓦体的出液口81-7，下瓦体81的出液口81-7下部凸起的底座81-13与前一个下瓦体81上横挡边81-1的内侧相接，从而使上、下两片屋面瓦形成纵向贯通的与大气相通的开放液道，为便于安装屋面瓦8，下瓦体81的出液口81-7下部凸起的底座81-13还有与上瓦体82前部凸筋82-1相配合的限位槽81-12，下瓦体81下部覆盖在前一个上瓦体82和下瓦体81上，使各瓦之间形成良好的配合，并且下雨时，雨水可通过上瓦体82的上表面将积水排出。
见图3所示，本发明的下瓦体81靠近上横挡边81-1内侧还具有与上瓦体82连接的支座81-2，且支座81-2上设有液口，上瓦体82的凸块82-3卡接在支座81-2的液口内，上瓦体82通过前部的凸块82-3以及周边方便地装在下瓦体81上。
为进一步提高采热效率，见图5所示，上瓦体82的下部还具有插入在下瓦体81液腔81-11内的翅片82-4，将上瓦体82吸收的热量通过翅片传递到液体内对液体进行换热，最好上瓦体82相邻的翅片82-4相错布设，进一步增加液体在屋面瓦内的吸热路程。
为使屋面瓦保持传统瓦的形状，下瓦体81中部具有上凸弧面81-9，其两侧具有液腔81-11，上瓦体82也具有与其相配的弧面82-2。
本发明由于采用结构新颖的屋面瓦，大幅度地降低集热单元的制造和运行成本，实现大面积采用太阳能的目的。