一种太阳能半透聚光集储热一体窗

1.本发明旨在提供一种太阳能半透聚光集储热一体窗，属于建筑能源领域。


背景技术：

2.太阳能是一种丰富、洁净的能源，对其进行深入的研究，可以达到完全或部分的满足建筑物的能源需要，并可节省和保护矿物燃料，降低温室气体的排放量。目前，最成熟的太阳能利用技术有三大类，即pv(光伏)、pt(光热)、pv/t(光伏热)。太阳能技术作为一种可持续发展的新技术，将太阳能光热转换技术与现代建筑相结合可以为住宅供暖和生活热水提供良好的生产潜力。但是在现有技术中普遍存在的技术问题主要有：1)能量传输效率低，平板式集热器在冬季供暖时贡献率不足40％；2)布置方式单一，大多数太阳能集热器主要布置在楼顶与建筑斜面上，体积笨重，面积利用率低；3)存在安全隐患，大多数集热器采用水作为传热介质，水在低温条件下容易结冰，水结冰体积膨胀容易导致管道破裂，引发液体泄漏。


技术实现要素：

3.针对现有技术存在的问题，本发明提供一种太阳能半透聚光集储热一体窗，在窗户上设置集热器，并调节聚光槽的接收角进行采光与集热，充分利用光能，为住户日常生活用热提供热能。
4.本发明的技术方案是：
5.一种太阳能半透聚光集储热一体窗，包括窗框1、低铁玻璃4、聚光集储热系统，所述聚光集储热系统包括多个聚光槽2、多个真空集热管3、集成管5、换热管14、储能材料16、储料管17，窗框1朝室外的一侧设置有低铁玻璃4，窗框1中间设置多个聚光槽2，每个聚光槽2的焦线处均设有真空集热管3，窗框1内部纵向和横向设置有联通的集成管5，真空集热管3内设置储料管17，储料管17内设置换热管14，换热管14内流通换热工质15，真空集热管3、储料管17、换热管14三者套装组成三套管，换热管14与储料管17的夹层充装储能材料16，真空集热管3与储料管17之间覆有太阳能吸收涂层19，换热管14通过密封接头20与集成管5联通，窗框1内的集成管5通过外接管21与外部用热设备联通，换热工质15通过泵从窗框1侧面的另一外接管流入集成管5。
6.本发明太阳能半透聚光集储热一体窗还包括端板6，聚光槽2两端固定设置端板6，聚光槽2为非对称贝壳形抛物面，聚光槽焦线与真空集热管3中心线重合，聚光槽2凹面涂有pmma波长选择膜13。
7.本发明太阳能半透聚光集储热一体窗还包括固定轮ⅰ7、齿轮8、固定轮ⅱ9、传动杆10、外螺纹套筒11，聚光槽2两侧固定的端板6中的一个端板6固定设置在固定轮ⅰ7和固定轮ⅱ9之间，固定轮ⅰ7另一侧固定连接齿轮8，三套管依次穿过固定轮ⅱ9、端板6、固定轮ⅰ7、齿轮8上的孔，真空集热管3与固定轮ⅱ9、端板6、固定轮ⅰ7、齿轮8上的孔之间存在间隙，三套管穿过齿轮8后进入窗框1内部，真空集热管3与窗框1之间设置橡胶圈18，橡胶圈18用于密
封和紧固；齿轮8与外螺纹套筒11上的螺纹啮合，螺纹套筒11固定设置在传动杆10上，传动杆10转动时，螺纹套筒11跟着转动，带动齿轮8转动，齿轮带动固定轮ⅱ9、端板6、固定轮ⅰ7转动，继而带动聚光槽2转动，因为真空集热管3与固定轮ⅱ9、端板6、固定轮ⅰ7、齿轮8上的孔之间存在间隙，真空集热管3不跟着转动。
8.所述螺纹套筒11的数量与真空集热管3和聚光槽2的数量相同。
9.所述传动杆10设置在窗框1侧面内，传动杆10上设置转动把手12。
10.所述聚光槽2的非对称贝壳形抛物面的反射面面形公式为：
[0011][0012]
其中：
[0013][0014]
其中，θ为抛物面的圆心角，反射面以上述面形为基础进行低于1/2的高度截取，聚光比为1.5-3。
[0015]
本发明在集热模式下，聚光槽2“关闭”，聚光槽2/pmma波长选择膜13将入射太阳光谱的可见部分传输到内部空间，光谱的红外部分集中在真空集热管3上，以收集热能，阻挡太阳光谱的红外部分有助于被动冷却内部空间；在采光模式下，聚光槽2“打开”，以允许整个太阳光传输到室内空间。
[0016]
本发明抛物面聚光器在冬季的供热效率高于夏季，其辐射收集特性与建筑人居用热需求形成了天然的匹配，低铁玻璃作为外保护屏障，可以保护聚光集储热系统在遭遇特殊天气时不被破坏，真空集热管内的储能材料在低温条件下也不易结冰，不会产生其体积膨胀导致集热管破裂的现象，且其潜热值较大更加有利于提升集热效率。
[0017]
本发明将太阳能集热装置与玻璃维护结构融为一体，实现了太阳能集热装置的建筑构建化，既降低了能源消耗，又增添了建筑美观；弧形贝壳形的聚光槽面形外凸小，抗风和抗冲击能力强，还可以通过转轮实现聚光集热器的打开和关闭，当早上太阳辐射达到一定值时打开，在部分透光保证采光的前提下，开始集热和储热，当傍晚太阳辐射下降到一定值时关闭，将集热管包裹在内，减少了与空气的对流散热及对天空的辐射散热损失，也保护了聚光器反射面表层免受风沙磨损。
[0018]
本发明在窗框面积有限的条件下，加大了太阳能能流密度，将热量聚集到真空集热管内储热材料中，按需再从储热材料中将热量取出，可实现较高品位的热量平稳输出；当管内充装相变储热材料时，可以提升储能密度，在小空间储存大量潜热，而相变材料温度因聚光作用不会太低，保持了良好的换热温差；相变材料因潜热存储，其温度也不会大幅提高，可维持较小的热损失和较高的热效率。
附图说明
[0019]
图1为本发明的太阳能半透聚光集储热一体窗的结构示意图；
[0020]
图2为本发明的太阳能半透聚光集储热一体窗的部分结构示意图；
[0021]
图3为本发明的太阳能半透聚光集储热一体窗传动杆组示意图；
[0022]
图4为本发明的太阳能半透聚光集储热一体窗聚光槽示意图；
[0023]
图5为本发明的太阳能半透聚光集储热一体窗三套管一端的细节图；
[0024]
图6为本发明的太阳能半透聚光集储热一体窗真空管横截面示意图；
[0025]
图7为本发明的太阳能半透聚光集储热一体窗集成管示意图；
[0026]
图中：1-窗框，2-聚光槽，3-真空集热管，4-低铁玻璃，5-集成管，6-端板，7-固定轮ⅰ，8-齿轮，9-固定轮ⅱ，10-传动杆，11-外螺纹套筒，12-转动把手，13-pmma波长选择膜，14-换热管，15-换热工质，16-储能材料，17-储料管，18-橡胶圈，19-太阳能吸收涂层，20-密封接头，21-外接管。
具体实施方式
[0027]
下面结合附图对本发明的实施方式做进一步的说明。
[0028]
实施例1
[0029]
一种太阳能半透聚光集储热一体窗，如图1、2、3、4、5、6、7所示，包括窗框1、低铁玻璃4、聚光集储热系统，聚光集储热系统包括多个聚光槽2、真空集热管3、集成管5、端板6、固定轮ⅰ7、齿轮8、固定轮ⅱ9、传动杆10、外螺纹套筒11、转动把手12、pmma波长选择膜13、换热管14、换热工质15、储能材料16、储料管17、橡胶圈18、太阳能吸收涂层19、密封接头20、外接管21，窗框1朝室外的一侧设置有低铁玻璃4，窗框1中间设置四个聚光槽2，每个聚光槽2的焦线处均设有真空集热管3，窗框1内部纵向和横向设置有联通的集成管5，真空集热管3内设置储料管17，储料管17内设置换热管14，换热管14内流通换热工质15，真空集热管3、储料管17、换热管14三者套装组成三套管，换热管14与储料管17的夹层充装储能材料16，真空集热管3与储料管17之间覆有太阳能吸收涂层19，换热管14通过密封接头20与集成管5联通，窗框1左侧集成管5通过外接管21与外部用热设备联通，用于对室内用热设备提供热水或热空气，外界用热设备通过泵与窗框1右侧集成管5联通，可以通过控制外接管21进出口阀门开闭控制流量大小，使换热工质15充分与储能材料16间壁式换热，换热工质15循环使用，本实施例换热工质可以使用水，那么可以将热水用完之后直接泵入新的冷水。
[0030]
聚光槽2两端设置端板6，聚光槽2为非对称贝壳形抛物面，聚光槽焦线与真空集热管3中心线重合，聚光槽2凹面涂有pmma波长选择膜13；聚光槽2两侧固定的端板6中的一个端板6固定设置在固定轮ⅰ7和固定轮ⅱ9之间(粘接固定)，固定轮ⅰ7另一侧固定连接齿轮8，三套管依次穿过固定轮ⅱ9、端板6、固定轮ⅰ7、齿轮8上的孔，真空集热管3与固定轮ⅱ9、端板6、固定轮ⅰ7、齿轮8上的孔之间存在间隙，三套管穿过齿轮8后进入窗框1内部，且真空集热管3与窗框1之间设置橡胶圈18，橡胶圈18用于密封和紧固，三套管中的换热管14与窗框1内部纵向和横向设置的集成管5连通，保持内部换热工质15的流通；齿轮8与外螺纹套筒11上的螺纹啮合，螺纹套筒11固定设置在传动杆10上，传动杆10转动时，螺纹套筒11跟着转动，带动齿轮8转动，齿轮带动固定轮ⅱ9、端板6、固定轮ⅰ7转动，继而带动聚光槽2转动，因为真空集热管3与固定轮ⅱ9、端板6、固定轮ⅰ7、齿轮8上的孔之间存在间隙，三套管不跟着转动；螺纹套筒11的数量与真空集热管3和聚光槽2的数量相同，传动杆10设置在窗框1侧面内，传动杆10上设置转动把手12。
[0031]
聚光槽2的非对称贝壳形抛物面的反射面面形公式为：
[0032][0033]
其中：
[0034][0035]
其中，θ为抛物面的圆心角，反射面以上述面形为基础进行低于1/2的高度截取，聚光比为1.5-3。
[0036]
本实施例换热工质15与储能材料16之间为间壁式换热，特定波段的太阳辐射通过聚光槽2的真空层聚焦到真空管3内的太阳能吸收涂层19上，太阳能吸收涂层19覆在储料管17的外表面，储料管17此时作为吸收体，将热量传递至储能材料16，储能材料16得到热量后由固态变为液态，热量以潜热的形式储存在储能材料16内部，换热工质15在换热管14内部与储能材料16换热，换热管14通过密封接头20与集成管5联通，窗框1左端集成管5通过外接管21与外部用热设备联通，外接管21分布于窗框1左右两端，用于导出与通入换热工质15，与窗框1集成的集成管5与三套管内部的换热管14联通，通过阀门开闭调节工质流量。
[0037]
低铁玻璃4嵌合在窗框1内，位于聚光槽2的外侧，低铁玻璃1允许外部光线穿过的同时保护了聚光槽2在遭遇特殊天气不被破坏，延长了聚光槽2的使用寿命。
[0038]
聚光槽2的开合角度根据采光需求、集热需求进行调整，进行采光需求时，人为通过旋转转动把手12将聚光槽2旋转至与水平面垂直以允许最多的光线进入室内，用于室内采光；进行集热需求时，根据太阳入射角，将聚光槽2旋转至特定角度以达到最佳接收角，聚光槽2将特定波段的太阳光线聚焦到真空管3上，位于真空管3内部的吸收涂层19得到热量将其传给储能材料17以潜热形式储存，与换热工质15进行换热。
[0039]
本发明采用上述结构的一种太阳能半透聚光集储热一体窗，调节聚光槽角度进行采光和集热，可以为室内聚光集热。
[0040]
本发明贝壳形聚光槽可以与管形或平板形吸收体结合，可以实现夏季采光量低于冬季采光量，与季节用热相符合，通过与储热结合，夏季可降低建筑制冷的能耗，将产热水作为主要目标，冬季可加热空气实现建筑室内供暖。在不同季节实现不同用途，而换热管公用，可实现民用建筑根据热需求切换用热模式。
[0041]
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，本领域的普通技术人员应当理解：其对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能脱离本发明技术方案的精神和范围。

技术特征：
1.一种太阳能半透聚光集储热一体窗，其特征在于：包括窗框(1)、低铁玻璃(4)、聚光集储热系统，所述聚光集储热系统包括多个聚光槽(2)、多个真空集热管(3)、集成管(5)、换热管(14)、储能材料(16)、储料管(17)，窗框(1)朝室外的一侧设置低铁玻璃(4)，窗框(1)中间设置多个聚光槽(2)，每个聚光槽(2)的焦线处均设有真空集热管(3)，窗框(1)内部纵向和横向设置联通的集成管(5)，真空集热管(3)内设置储料管(17)，储料管(17)内设置换热管(14)，换热管(14)内流通换热工质(15)，真空集热管(3)、储料管(17)、换热管(14)套装组成三套管，换热管(14)与储料管(17)的夹层充装储能材料(16)，真空集热管(3)与储料管(17)之间覆有太阳能吸收涂层(19)，换热管(14)通过密封接头(20)与集成管(5)联通，集成管(5)通过外接管(21)与外部用热设备联通，换热工质(15)通过泵从窗框(1)侧面外接管流入集成管(5)。2.根据权利要求1所述太阳能半透聚光集储热一体窗，其特征在于：聚光槽(2)为非对称贝壳形抛物面，聚光槽(2)凹面涂有pmma波长选择膜(13)。3.根据权利要求1所述太阳能半透聚光集储热一体窗，其特征在于：还包括端板(6)，聚光槽(2)两端设置端板(6)。4.根据权利要求3所述太阳能半透聚光集储热一体窗，其特征在于：还包括固定轮ⅰ(7)、齿轮(8)、固定轮ⅱ(9)、传动杆(10)、外螺纹套筒(11)，聚光槽(2)两侧端板(6)中的一个端板(6)固定设置在固定轮ⅰ(7)和固定轮ⅱ(9)中间，固定轮ⅰ(7)另一侧固定连接齿轮(8)，固定轮ⅱ(9)、端板(6)、固定轮ⅰ(7)、齿轮(8)上设有孔，三套管依次穿过固定轮ⅱ(9)、端板(6)、固定轮ⅰ(7)、齿轮(8)上的孔，真空集热管(3)与固定轮ⅱ(9)、端板(6)、固定轮ⅰ(7)、齿轮(8)上的孔之间存在间隙；齿轮(8)与外螺纹套筒(11)上的螺纹啮合，螺纹套筒(11)固定设置在传动杆(10)上。5.根据权利要求4所述太阳能半透聚光集储热一体窗，其特征在于：传动杆(10)设置在窗框(1)侧面内，传动杆(10)上设置转动把手(12)。6.根据权利要求4所述太阳能半透聚光集储热一体窗，其特征在于：三套管穿过齿轮(8)后进入窗框(1)内部，且真空集热管(3)与窗框(1)之间设置橡胶圈(18)。

技术总结
本发明提供一种太阳能半透聚光集储热一体窗，包括窗框、低铁玻璃、聚光集储热系统，聚光集储热系统包括多个聚光槽、多个真空集热管、集成管、换热管、储能材料、储料管，窗框朝室外的一侧设置低铁玻璃，窗框中间设置多个聚光槽，每个聚光槽的焦线处均设有真空集热管；本发明在两种模式下工作：在集热模式下，聚光槽“关闭”，波长选择膜将入射太阳光谱的可见部分传输到内部空间，光谱的红外部分经波长选择膜反射集中在真空集热管内的吸收涂层材料上以收集热能，阻挡太阳光谱的红外部分有助于被动冷却内部空间；在采光模式下，聚光槽“打开”，以允许整个太阳光传输到内部空间。允许整个太阳光传输到内部空间。


技术研发人员：别玉 刘云龙 龙威 施健鹏 陈飞
受保护的技术使用者：广州大学
技术研发日：2023.04.17
技术公布日：2023/8/4