一种太阳能集热吸附复合管及其组成的太阳能集热吸附复合床以及其构成的供冷供热系统

摘要

一种太阳能集热吸附复合管和其组成的太阳能集热吸附复合床的供冷供热系统，包括下联箱、上联箱以及连通所述下联箱和上联箱的若干太阳能集热吸附复合管；太阳能集热吸附复合管包括两端开口的太阳能真空管，其内依次同轴设有外层金属管和内层金属管，外层金属管和内层金属管之间设有固态的吸附剂，内层金属管上设有多个通孔，用于通入吸附质；下联箱和上联箱均由外壳和内套管构成。供冷供热系统包括一个或两个以上相互并联设置的太阳能集热吸附复合管组成的太阳能集热吸附复合床、吸附质循环子系统、水循环子系统，以及连接各系统或装置的管道和管道上设置的水泵、阀门。

说明书

技术领域

本发明涉及太阳能利用技术，具体地指一种太阳能集热吸附复合管及其组成的太阳能集 热吸附复合床以及其构成的供冷供热系统。

背景技术

20世纪70年代以来，受石油危机的影响，许多国家加强了对可再生能源的支持，太阳 能科技突飞猛进，研究领域不断扩大，取得了一批较为重要的成果，如复合抛物面聚光集热 器、真空管集热器、非晶硅太阳能电池、太阳能热发电、光解水制氢等。1992年联合国在巴 西召开了“世界环境与发展大会”，会议通过了《里约热内卢环境与发展宣言》、《21世纪议 程》等一系列重要文件。从那以后，世界太阳能利用又进入一个发展期，其特点是太阳能利 用与世界可持续发展和环境保护紧密结合并注重科技成果转化为生产力，发展太阳能产业， 扩大太阳能利用领域和规模。我国近10年来太阳能利用发展迅速，其领域也得到了扩大，但 是太阳能利用仅局限于发电和供热比较单一，太阳能利用的空间还有待大力开发。

发明内容

本发明所要解决的技术问题就是提供“一种创新的太阳能集热吸附复合管”和一种太阳 能吸附复合床及其构成的供冷供热系统，能够兼备制热制冷双重功能，从而利用单位集热面 积实现白天制热水、晚间制冷水操作或全天连续供冷供热。系统需连续制冷，可设置2套系 统轮流操作，其中1套在脱附，另1套在吸附。

为解决上述技术问题，本发明提供的一种太阳能集热吸附复合管，所述太阳能集热吸附 复合管包括两端开口的太阳能真空管，太阳能真空管内依次同轴设有外层金属管和内层金属 管，所述太阳能真空管与外层金属管之间构成水的通路，所述外层金属管和内层金属管之间 设有固态的吸附剂，用于与外层金属管外的水进行热交换，所述内层金属管上设有多个通孔， 内层金属管用于通入吸附质，吸附质与所述吸附剂构成工质对，用于实现吸附和脱附以完成 放热、吸热过程。

上述技术方案中，所述内层金属管上通孔的孔径为1～2mm。

在上述技术方案中，所述吸附质与所述吸附剂构成工质对为气态吸附质与固态吸附剂构 成的工质对。

在上述技术方案中，所述吸附质与所述吸附剂构成工质对为甲醇-活性炭或氨-活性炭。

本发明还提供了一种由上述太阳能集热吸附复合管组成的太阳能集热吸附复合床，包括 下联箱、上联箱以及连通所述下联箱和上联箱的太阳能集热吸附复合管；所述下联箱和上联 箱均由外壳和内套管构成，外壳和内套管之间为水联箱，内套管为吸附质联箱；所述下联箱 和上联箱的水联箱通过各太阳能集热吸附复合管的水的通路连通，下联箱和上联箱的吸附质 联箱通过各太阳能集热吸附复合管的内层金属管连通。一组吸附床由15～20根吸附复合管组 成。

本发明还提供了一种由上述太阳能集热吸附复合床构成的供冷供热系统，包括一个或两 个以上相互并联设置的太阳能集热吸附复合管组成的太阳能集热吸附复合床、吸附质循环子 系统、水循环子系统，以及连接各系统或装置的管道和管道上设置的水泵、阀门；所述吸附 质循环子系统包括依次连接的冷凝器、储液箱和蒸发器，冷凝器的工质入口与所述太阳能集 热吸附复合管组成的太阳能集热吸附复合床的上联箱的吸附质联箱连通，蒸发器的工质出口 与所述太阳能集热吸附复合管组成的太阳能集热吸附复合床的下联箱的吸附质联箱连通；所 述水循环子系统包括蓄热水箱、冷水箱和蓄冷水箱，所述蓄热水箱的出水口、冷水箱的出水 口以及太阳能集热吸附复合管组成的太阳能集热吸附复合床的下联箱的水联箱相互连通，所 述蓄热水箱的进水口、冷水箱的进水口以及太阳能集热吸附复合管组成的太阳能集热吸附复 合床的上联箱的水联箱相互连通，所述蓄冷水箱、冷水箱以及蒸发器通过水循环管路相互连 通，用于实现任意两者间的热交换，所述蓄热水箱和蓄冷水箱分别与用户相连，用于可控地 实现用户的供热或供冷。

与现有太阳能集热管的技术相比，本发明的太阳能集热吸附复合管可在真空管集热的同 时，还具有制冷的功能，即白天太阳能通过真空管传热给复合管中的吸附剂实现储热，吸附 剂受热温度升高后与吸附质进行热交换使吸附质脱附，脱附后的吸附质经冷却储存在蒸发器 内，夜间通过冷水系统供水给吸附剂降温，降温后的吸附剂与吸附质进行热交换使吸附质进 行吸附，此时吸附质在蒸发器内进行蒸发冷却过程产生制冷量。系统通过吸附质循环子系统 和水循环子系统去实现太阳能集热吸附复合床集热、吸附储热及回收和制冷制冰的功能。提 高了太阳能的能量使用效率。本发明集成系统具有供热和供冷2套管系统，其中的冷水循环 部分是首创，它解决了太阳能吸附制冷时散热难的问题并回收了吸附热。如果需全天连续供 冷供热，必须设置两套规模相同低系统，一套吸附系统吸附时，另一套则处于脱附状态，白 天有太阳辐射时，吸附过程必须借助遮阳屏膜档帘遮挡太阳辐射，此时吸附床必须按一定角 度辐射，其上面覆盖遮阳屏膜档帘，遮阳屏膜档帘安装在吸附床两侧的导轨上，由电动机来 回转动带动遮阳屏膜档帘上下滑动，实现覆盖和裸晒两种工况完成吸附和脱附两个过程。本 发明集成系统具有供热和供冷两套管系统，其中的冷水循环部分是首创，它解决了太阳能吸 附制冷时散热难的问题并回收了吸附热。

附图说明

图1为本发明太阳能集热吸附复合床一个实施例的结构示意图；

图2为图1中太阳能集热吸附复合管的横截面图；

图3为本发明由太阳能集热吸附复合床构成的供冷供热系统一个实施例的结构示意图；

图中：1—太阳能集热吸附复合床(其中：1.1—下联箱、1.2—太阳能集热吸附复合管、 1.3—上联箱、1.2.1—太阳能真空管、1.2.2—外层金属管、1.2.3—内层金属管、1.2.4—吸附剂)， 2.1～2.6—水泵，3—蓄热水箱，4—冷凝器，5—储液箱，6—蒸发器，7—用户，8—冷水箱，9 —蓄冷水箱，10.1～10.10—阀门，11.1～11.2—真空阀。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施例作进一步的详细描述：

如图2所示，本发明提供的一种太阳能集热吸附复合管1.2包括两端开口的太阳能真空 管1.2.1，主要起集热和保温作用，其内依次同轴设有外层金属管1.2.2和内层金属管1.2.3， 外层金属管1.2.2和内层金属管1.2.3均优选导热性好的金属材质制成。太阳能真空管1.2.1与 外层金属管1.2.2之间构成水的通路，使用时，水被加热，可直接供用户使用。外层金属管 1.2.2和内层金属管1.2.3之间设有固态的吸附剂1.2.4，用于与外层金属管1.2.2外的水进行热 交换，实现吸附剂1.2.4的脱附。内层金属管1.2.3可选用铜管，其上设有多个直径约1～2mm 的通孔，内层金属管1.2.3用于通入吸附质，吸附质与上述吸附剂1.2.4构成工质对，用于实 现吸附质的吸附和脱附以完成放热、吸热过程。1～2mm的开孔设计主要考虑工质对的吸附和 脱附效率。研究人员通过实验发现，采用1～2mm的开孔设计能够加速吸附剂1.2.4对吸附质 的吸附，同时在脱附时能够有效控制脱附速率，保证脱附热能够持续释放。

所述吸附质与所述吸附剂1.2.4构成工质对优选气态吸附质与固态吸附剂构成的工质对。 它的优点是解析温度要求不高，适合于太阳能，吸附解析量而且COP值相对比较高。无需单 独设置动力装置。最优选的方案是甲醇-活性炭或氨-活性炭，所述活性炭可加上导热性好的 金属粉末(如铝粉等)再与有机粘接剂混合后粘接到内层金属管1.2.3的外壁上，金属粉末的 质量比不超过30％。

如图1所示，本发明提供的一种太阳能集热吸附复合管组成的太阳能集热吸附复合床1， 包括下联箱1.1、上联箱1.3以及连通下联箱1.1和上联箱1.3的若干太阳能集热吸附复合管 1.2。下联箱1.1和上联箱1.3均由外壳和内套管构成，外壳和内套管之间为水联箱，内套管 则为吸附质联箱；下联箱1.1和上联箱1.3的水联箱通过各太阳能集热吸附复合管1.2的水的 通路连通，下联箱1.1和上联箱1.3的吸附质联箱通过各太阳能集热吸附复合管1.2的内层金 属管1.2.3连通。

如图3所示，本发明利用前述太阳能集热吸附复合床1构成的供冷供热系统，包括三个 相互并联设置的太阳能集热吸附复合床1、吸附质循环子系统、水循环子系统，以及连接各 系统或装置的管道和管道上设置的水泵2.1～2.6、阀门10.1～10.10和真空阀11.1～11.2。吸附质 循环子系统包括依次连接的冷凝器4、储液箱5和蒸发器6，冷凝器4的工质入口与太阳能集 热吸附复合床1的上联箱1.3的吸附质联箱连通，蒸发器6的工质出口与太阳能集热吸附复 合床1的下联箱1.1的吸附质联箱连通。水循环子系统包括蓄热水箱3、冷水箱8和蓄冷水箱 9。其中，蓄热水箱3的出水口、冷水箱8的出水口以及太阳能集热吸附复合床1的下联箱 1.1的水联箱相互连通；蓄热水箱3的进水口、冷水箱8的进水口以及太阳能集热吸附复合床 1的上联箱1.3的水联箱相互连通；蓄冷水箱9、冷水箱8以及蒸发器6通过水循环管路相互 连通，可实现任意两者间的热交换。此外，蓄热水箱3和蓄冷水箱9分别与用户7相连，用 于通过可控地使蓄热水箱3和蓄冷水箱9与用户7进行热交换实现供热或供冷。

该供冷供热系统的工作原理为：

1)供热过程：白天有太阳辐射时，太阳能集热吸附复合床1吸收太阳能，太阳能真空管 1.2.1内的水温升高，当水温达到设定温度时，启动水泵2.1，打开阀门10.2、10.3，阀门10.1 关闭，使蓄热水箱3中的水通过下联箱1.1进入太阳能集热吸附复合床1，经过加热后从上联 箱1.3导出并回到蓄热水箱3中储存待用；

2)制冷制冰过程：白天有太阳辐射，在上述供热过程的同时，热水通过外层金属管1.2.2 传热给已吸附甲醇并形成络合物的吸附剂1.2.4，打开真空阀11.1，一般当吸附剂1.2.4温度 达到60～70℃时，吸附质甲醇开始脱附，当温度达到85℃时，吸附质甲醇会大量脱附出来， 氨通过通孔进入内层金属管1.2.3，再经上联箱1.3的内套管进入冷凝器4冷却，液态甲醇进 入储液箱5，并最终进入蒸发器6储存，直至吸附剂1.2.4脱附完毕；

太阳落山后或白天太阳能辐射能被遮阳屏膜档帘遮挡的情况下，在水循环子系统中：太 阳能集热吸附复合床1内的水温降低，此时，关闭阀门10.2、10.4，打开阀门10.1、10.3，启 动水泵2.2从冷水箱8中抽取20℃以下的冷水，水通过下联箱1.1进入太阳能集热吸附复合 床1，与吸附剂1.2.4进行热交换，吸附剂1.2.4温度下降，处于吸附状态，吸附过程释放的 热量则传给水，使水温逐渐提高，加热后的水从上联箱1.3导出并进入蓄热水箱3中，通过 蓄热水箱3回收了吸附热；与此同时，在吸附质循环子系统中：当吸附剂1.2.4的温度降到 40～50℃时，打开真空阀11.2，吸附剂1.2.4开始吸附甲醇，当吸附剂1.2.4的温度降到30℃ 时，吸附质甲醇会被大量吸附，同时蒸发器6内的甲醇(制冷剂)则蒸发制冷，制冷剂将冷 量传递给冷媒水，储存到蓄冷水箱9，可长时间为用户7供冷，同时，还可借助蒸发器6或 蓄冷水箱9为冷水箱8补充冷量，以保证系统正常运行。

总体说来，蓄热水箱3具有两个功能：一是为用户7储备供热的热水，二是回收吸附的 热量；蓄冷水箱9也具有两个功能：一是为用户7储备供冷的冷水，二是为冷水箱8补充冷 量；冷水箱8的功能是加速吸附放热的过程。

本发明的核心技术在于太阳能集热吸附复合床中太阳能真空管1.2.1、双层金属管1.2.2、 1.2.3和吸附剂1.2.4的结构设置。太阳能集热吸附复合管具有集热、吸附脱附的功能，并通 过吸附质循环子系统和水循环子系统去实现太阳能集热吸附复合床集热、吸附储热及回收和 制冷制冰的功能。提高了太阳能的能量使用效果，节约了占地面积和投资，提高了能效。所 以其保护范围并不限于上述实施例。显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和 变形而不脱离本发明的范围和精神，例如：本发明工质对的选择不限于上述优选的活性炭— 甲醇工质对，还可以是胺-活性炭工质对等解析温度要求不高，适合于太阳能，吸附解析量而 且COP值相对比较高的工质对。相应地，吸附质循环子系统的管路和设备作适当调整；太阳 能集热吸附复合床1中太阳能集热吸附复合管1.2的规格和数量、供冷供热系统中太阳能集 热吸附复合床1的规格和数量等均根据实际使用需要确定等。倘若这些改动和变形属于本发 明权利要求及其等同技术的范围内，则本发明也意图包含这些改动和变形在内。