一种用于寒区输水渠道的太阳能碎石槽辅热防冰冻结构

技术领域

本发明涉及水利工程技术领域，具体而言，涉及一种用于寒区输水渠道的太阳能碎石槽辅热防冰冻结构。

背景技术

输水渠道是目前我国调水工程中最为基本的形式之一，截至目前为止，我国已修筑大概300万公里的输水渠道，其中80％位于季节性冻土地区。由于恶劣的外界环境，渠基土不断经历着冻融循环的过程，进而导致寒区渠道均发生着不同程度的冻胀破坏。因此，对于寒区冬季输水渠道而言，通过设置辅热设施后进而推迟衬砌结构结冰时间，即可以推后渠道停水期、延长供水时长，进而取得较好的社会经济效益。目前针对寒区冬季输水渠道安全输水传统辅热方法主要有：电加热法、抽水融冰法、结构保温法和水力调控法等，而这些技术方法具有成本较高、依赖地下水资源和只适用于部分渠段关键部位等不足之处，为此提出一种用于寒区输水渠道的太阳能碎石槽辅热防冰冻结构。

发明内容

根据本发明的实施例旨在解决或改善上述技术问题中的至少之一。

根据本发明的实施例的第一目的在于提供一种用于寒区输水渠道的太阳能碎石槽辅热防冰冻结构。

发明第一方面的实施例提供了一种用于寒区输水渠道的太阳能碎石槽辅热防冰冻结构，用于水渠辅热，所述水渠包括基土和开设在基土上表面的渠道，包括：集中部，所述集中部安装在所述水渠的基土上；蓄热槽，开设在所述水渠的基土内部，所述蓄热槽内部设置有填充物，且填充物内部设置有导流腔；导热管，所述导热管分别与集中部内部和所述蓄热槽内部相连通；其中，所述蓄热槽内壁最低点低于所述水渠的渠道内壁最低点。

根据本发明提供的一种用于寒区输水渠道的太阳能碎石槽辅热防冰冻结构，通过集中部的作用将接收到的太阳能进行集中，有利于太阳能的更加集中的使用，使得对其暂时储存和输送更加方便，通过蓄热槽在基土内部的开设，并形成密闭的空间，有利于热能的储存，将底部接触的地热热能向水渠提供了条件，通过导热管对集中部和蓄热槽的连通，使得集中部收集的太阳热能输送到蓄热槽内，使得蓄热槽能够通过两种途径收集到热能，增大了获得热能的途径和单位时间内获得的热能量，通过蓄热槽内部填充物的导流腔，使得热量向上持续移动在顶端靠近水渠内壁，并对其持续的加热，可以为寒区渠道工程安全度过寒冷冬季保驾护航，通过冬季白天将当地太阳光热能源蓄集在蓄热槽底部，进而增强蓄热槽基础辅热能力，并在夏季将充足的太阳辐射光热能源蓄存在蓄热槽，以便冬季更够更好地辅热水渠，并且蓄热槽还具有排放与收集基土渗漏水的作用，可以实现削减冻胀作用防止冰冻破坏的综合效果。

另外，根据本发明的实施例提供的技术方案还可以具有如下附加技术特征：

上述任一技术方案中，所述蓄热槽内壁上端面倾斜设置，且平行于所述渠道的内壁。

在该技术方案中，通过蓄热槽内壁上端倾斜并平行于渠道内壁设置，使得蓄热槽顶端散发的热能在基土传导到水渠内壁的距离相等，同时倾斜设置的顶部面更够有效的增大该面的表面积，有助于热能更好的散发。

上述任一技术方案中，所述蓄热槽的纵向截面高度大于宽度设置。

在该技术方案中，由于蓄热槽的挖掘需要工程设备的参与，在面对广大的水渠辅热工程作业中，挖掘立方土的多少直接影响到了本专利的实施成本，一方面在挖掘立方土不变的情况下，蓄热槽的纵向截面高度大于宽度设置，使得蓄热槽挖掘的更深，能够更加近的接触到地下的地热热能，另一方面在保证水渠不受冻的情况下，能够尽可能少的挖掘立方土，能够更加低成本的实施本专利，有助于本专利的大规模展开。

上述任一技术方案中，所述集中部包括：聚光板和集热管，所述集热管安装在聚光板上，所述聚光板设置在所述基土上，所述集热管和所述导热管相连接，且内部相互连通；其中，所述集热管安装在聚光板上时，所述集热管位于所述聚光板的上下两端之间，且与聚光板之间形成有间隙。

在该技术方案中，通过聚光板对收到的阳光集中聚集到集热管上，方便了集热管同时接收大量的太阳热能，通过集热管位于所述聚光板的上下两端之间，且与聚光板之间形成有间隙，使得集热管能够相对接触到更多的聚光板反射的太阳能。

上述任一技术方案中，所述聚光板设置有抛物线型内凹面，且所述集热管的轴线与所述聚光板的抛物线型内凹面的焦点重合。

在该技术方案中，通过聚光板设置有抛物线型内凹面有利于太阳能的集中反射，通过集热管的轴线与所述聚光板的抛物线型内凹面的焦点重合，使得集热管能够处于大部分聚光板反射的太阳能上，有助于太阳能的传递接收。

上述任一技术方案中，所述集热管外壁设置有玻璃管，且所述玻璃管与所述聚光板之间形成有间隙，所述集热管外壁涂抹有吸收涂层。

在该技术方案中，通过玻璃管对集热管的隔离处理，避免外部雨水和其他带有腐蚀性的物质直接接触到集热管上，造成集热管的过早老化，通过玻璃管的透明特性，能够降低对太阳光的反射，降低集热管对太阳能的吸收干扰，集热管涂抹吸收涂层，具体为选择性吸收涂层，对可见光区和近红外光区有高吸收率、在远红外区有尽可能低的发射率的涂层，可提高吸热体对太阳辐射能的吸收能力，降低吸热体对环境散射的能力。

上述任一技术方案中，所述集中部还包括：太阳能自动跟踪装置，所述太阳能自动跟踪装置用于与所述聚光板相连接以使所述聚光板能够跟随太阳光移动。

在该技术方案中，通过太阳能自动跟踪装置能够自动的对太阳光的射向监测，并带动聚光板进行角度转动，使得聚光板能够以更加适合的角度，以便接收并反射更多的太阳能。

上述任一技术方案中，所述导热管上设置有鼓风机，所述鼓风机用于与所述导热管内部相连通以使所述导热管内部空气流动。

在该技术方案中，加设鼓风机外接外部电源，通过鼓风机的作用，有助于导热管内部的空气流动，有助于热能更快速的传输到蓄热槽底部。

上述任一技术方案中，所述蓄热槽内壁底端安装有隔离栅，所述隔离栅沿所述渠道内水流的垂直方向依次设置，且所述隔离栅与所述渠道内水流方向平行。

在该技术方案中，加设隔离栅有利于蓄热槽内部的填充物内部之间的导流腔的气体和液体流动更加规范，避免彼此之间过多的交流接触，避免了内部过多的损耗。

上述任一技术方案中，所述蓄热槽内壁设置有至少两个预设方向上的温度传感器组，至少两个所述预设方向包括至少一个水平于所述渠道内壁和至少一个朝向所述蓄热槽底部方向。

在该技术方案中，通过温度传感器组的设置能够对蓄热槽内部的温度进行测定绕后向外部数据传输，有助于工作人员第一时间掌握蓄热槽内部的温度参数。

上述任一技术方案中，所述蓄热槽内壁至少三个预设部位设置有湿度传感器，至少三个所述预设部位包括至少一个位于所述蓄热槽的顶部、至少一个位于所述蓄热槽的中部和至少一个位于所述蓄热槽的底部。

在该技术方案中，通过加设湿度传感器有助于工作人员了解到更加准确的了解到蓄热槽内部的水分含量，无需直接打开蓄热槽既能得知。

上述任一技术方案中，所述蓄热槽内壁至少三个预设部位设置有风速传感器，至少三个所述预设部位包括至少一个位于所述蓄热槽的顶部、至少一个位于所述蓄热槽的中部和至少一个位于所述蓄热槽的底部。

在该技术方案中，通过加设湿度传感器有助于工作人员了解到更加准确的了解到蓄热槽内部的气体对流速度，无需直接打开蓄热槽既能得知，有助于对蓄热槽内部的对流换热情况进行了解。

根据本发明的实施例的附加方面和优点将在下面的描述部分中变得明显，或通过根据本发明的实施例的实践了解到。

附图说明

图1为本发明的纵向剖切示意图；

图2为本发明的蓄热槽及其连接结构示意图；

图3为本发明的导热管结构示意图；

图4为本发明的温度传感器组及其连接结构示意图；

图5为本发明的集热管、玻璃管和吸收涂层剖切后结构示意图；

图6为本发明的效果数据对比图；

图7为本发明的聚光板和集热管尺寸关系示意图。

其中，图1至图7中附图标记与部件名称之间的对应关系为：

1水渠、101基土、102渠道、2集中部、201聚光板、202集热管、2021玻璃管、2022吸收涂层、3蓄热槽、301填充物、302隔离栅、303积水、4导热管、401鼓风机、5温度传感器组、6湿度传感器、7风速传感器。

具体实施方式

为了可以更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

请参阅图1-5，根据本发明提供的一种用于寒区输水渠1道的太阳能碎石槽辅热防冰冻结构，用于水渠1辅热，水渠1包括基土101和开设在基土101上表面的渠道102，包括：集中部2，集中部2安装在水渠1的基土101上；蓄热槽3，开设在水渠1的基土101内部，蓄热槽3内部设置有填充物301，且填充物301内部设置有导流腔；导热管4，导热管4分别与集中部2内部和蓄热槽3内部相连通；其中，蓄热槽3内壁最低点低于水渠1的渠道102内壁最低点。

根据本发明提供的一种用于寒区输水渠1道的太阳能碎石槽辅热防冰冻结构，通过集中部2的作用将接收到的太阳能进行集中，有利于太阳能的更加集中的使用，使得对其暂时储存和输送更加方便，通过蓄热槽3在基土101内部的开设，并形成密闭的空间，有利于热能的储存，将底部接触的地热热能向水渠1提供了条件，通过导热管4对集中部2和蓄热槽3的连通，使得集中部2收集的太阳热能输送到蓄热槽3内，使得蓄热槽3能够通过两种途径收集到热能，增大了获得热能的途径和单位时间内获得的热能量，通过蓄热槽3内部填充物301的导流腔，使得热量向上持续移动在顶端靠近水渠1内壁，并对其持续的加热，可以为寒区渠道102工程安全度过寒冷冬季保驾护航，通过冬季白天将当地太阳光热能源蓄集在蓄热槽3底部，进而增强蓄热槽3基础辅热能力，并在夏季将充足的太阳辐射光热能源蓄存在蓄热槽3，以便冬季更够更好地辅热水渠1，并且蓄热槽3还具有排放与收集基土101渗漏水的作用，可以实现削减冻胀作用防止冰冻破坏的综合效果。

进一步地，填充物301采用碎石进行蓄热槽3的内部填充，利用碎石的大小和表面结构的随机和不一致性，使得碎石之间产生多个导流腔，以便内部进行更好地气体额液体导流，在碎石和蓄热槽3底部之间铺设导热管4。

进一步地，蓄热槽3为以水渠1为对称轴两端对称设置。

进一步地，蓄热槽3内部装有不高于蓄热槽3深度三分之一的积水303，可进行吸热蒸发，然后到达蓄热槽3顶端冷凝放热的循环，有助于蓄热槽3底部的热能向蓄热槽3顶端和水渠1传递。

进一步地，水渠1内壁采用衬砌混凝土处理。

进一步地，导流管4为纵向U型设置，一端口进气，另一端口出气，且导流管4横向为S型，底部的S型更够提供更多的接触面，有助于均匀和更多传递热量，导流管4出气端为U型设置且可分离设置，避免外部杂物堵塞导流管内部。

上述任一实施例中，如图1至图5所示，蓄热槽3内壁上端面倾斜设置，且平行于渠道102的内壁。

在该实施例中，通过蓄热槽3内壁上端倾斜并平行于渠道102内壁设置，使得蓄热槽3顶端散发的热能在基土101传导到水渠1内壁的距离相等，同时倾斜设置的顶部面更够有效的增大该面的表面积，有助于热能更好的散发。

上述任一实施例中，如图1至图5所示，蓄热槽3的纵向截面高度大于宽度设置。

在该实施例中，由于蓄热槽3的挖掘需要工程设备的参与，在面对广大的水渠1辅热工程作业中，挖掘立方土的多少直接影响到了本专利的实施成本，一方面在挖掘立方土不变的情况下，蓄热槽3的纵向截面高度大于宽度设置，使得蓄热槽3挖掘的更深，能够更加近的接触到地下的地热热能，另一方面在保证水渠1不受冻的情况下，能够尽可能少的挖掘立方土，能够更加低成本的实施本专利，有助于本专利的大规模展开。

上述任一实施例中，如图1至图5所示，集中部2包括：聚光板201和集热管202，集热管202安装在聚光板201上，聚光板201设置在基土101上，集热管202和导热管4相连接，且内部相互连通；其中，集热管202安装在聚光板201上时，集热管202位于聚光板201的上下两端之间，且与聚光板201之间形成有间隙。

在该实施例中，通过聚光板201对收到的阳光集中聚集到集热管202上，方便了集热管202同时接收大量的太阳热能，通过集热管202位于聚光板201的上下两端之间，且与聚光板201之间形成有间隙，使得集热管202能够相对接触到更多的聚光板201反射的太阳能。

进一步地，集热管202通过固定架固定在聚光板201上。

上述任一实施例中，如图1至图5所示，聚光板201设置有抛物线型内凹面，且集热管202的轴线与聚光板201的抛物线型内凹面的焦点重合。

在该实施例中，通过聚光板201设置有抛物线型内凹面有利于太阳能的集中反射，通过集热管202的轴线与聚光板201的抛物线型内凹面的焦点重合，使得集热管202能够处于大部分聚光板201反射的太阳能上，有助于太阳能的传递接收。

上述任一实施例中，如图1至图5所示，集热管202外壁设置有玻璃管2021，且玻璃管2021与聚光板201之间形成有间隙，集热管202外壁涂抹有吸收涂层2022。

在该实施例中，通过玻璃管2021对集热管202的隔离处理，避免外部雨水和其他带有腐蚀性的物质直接接触到集热管202上，造成集热管202的过早老化，通过玻璃管2021的透明特性，能够降低对太阳光的反射，降低集热管202对太阳能的吸收干扰，集热管202涂抹吸收涂层2022，具体为选择性吸收涂层2022，对可见光区和近红外光区有高吸收率、在远红外区有尽可能低的发射率的涂层，可提高吸热体对太阳辐射能的吸收能力，降低吸热体对环境散射的能力。

进一步地，集热管202采用铜管制成，玻璃管2021于集热管202采用两端固定封堵，集热管202和玻璃管2021之间采用真空处理。

上述任一实施例中，如图1至图5所示，集中部2还包括：太阳能自动跟踪装置，太阳能自动跟踪装置用于与聚光板201相连接以使聚光板201能够跟随太阳光移动。

在该实施例中，通过太阳能自动跟踪装置能够自动的对太阳光的射向监测，并带动聚光板201进行角度转动，使得聚光板201能够以更加适合的角度，以便接收并反射更多的太阳能。

进一步地，聚光板201下表面采用支架固定，并且支架固定连接太阳能自动跟踪装置的输出轴，太阳能自动跟踪装置采用现有的市售装置。

上述任一实施例中，如图1至图5所示，导热管4上设置有鼓风机401，鼓风机401用于与导热管4内部相连通以使导热管4内部空气流动。

在该实施例中，加设鼓风机401外接外部电源，通过鼓风机401的作用，有助于导热管4内部的空气流动，有助于热能更快速的传输到蓄热槽3底部。

上述任一实施例中，如图1至图5所示，蓄热槽3内壁底端安装有隔离栅302，隔离栅302沿渠道102内水流的垂直方向依次设置，且隔离栅302与渠道102内水流方向平行。

在该实施例中，加设隔离栅302有利于蓄热槽3内部的填充物301内部之间的导流腔的气体和液体流动更加规范，避免彼此之间过多的交流接触，避免了内部过多的损耗。

上述任一实施例中，如图1至图5所示，蓄热槽3内壁设置有至少两个预设方向上的温度传感器5组，至少两个预设方向包括至少一个水平于渠道102内壁和至少一个朝向蓄热槽3底部方向。

在该实施例中，通过温度传感器5组的设置能够对蓄热槽3内部的温度进行测定绕后向外部数据传输，有助于工作人员第一时间掌握蓄热槽3内部的温度参数。

上述任一实施例中，如图1至图5所示，蓄热槽3内壁至少三个预设部位设置有湿度传感器6，至少三个预设部位包括至少一个位于蓄热槽3的顶部、至少一个位于蓄热槽3的中部和至少一个位于蓄热槽3的底部。

在该实施例中，通过加设湿度传感器6有助于工作人员了解到更加准确的了解到蓄热槽3内部的水分含量，无需直接打开蓄热槽3既能得知。

上述任一实施例中，如图1至图5所示，蓄热槽3内壁至少三个预设部位设置有风速传感器7，至少三个预设部位包括至少一个位于蓄热槽3的顶部、至少一个位于蓄热槽3的中部和至少一个位于蓄热槽3的底部。

在该技术方案中，通过加设湿度传感器6有助于工作人员了解到更加准确的了解到蓄热槽3内部的气体对流速度，无需直接打开蓄热槽3既能得知，有助于对蓄热槽3内部的对流换热情况进行了解。

进一步地，通过信号发生模块与与远程气象站进行数据传输。

上述任一实施例中，如图6所示，为太阳能集热碎石辅热开启后渠道行水面6次实时监测(0、36、48、56、70、82小时)，由于刚开始启动为10:00AM，当地光照不足，太阳能集热装置并未产生较大热量；23h后当地开始第一次降雪，36h后渠道表面被积雪覆盖(如图6中A所示)；虽然有降雪影响，但该系统在两日集热蓄能储备后，对渠道表面积雪结冰处开始释放热量，在衬砌结构与冰盖相交处开始化雪辅热增温(如图6中C所示)；随着系统不断加热衬砌结构表面，70h后化雪辅热面积开始增大(如图6中E所示)；直至82h后，渠道行水位表面已无积雪，系统启动前冻结形成的完整冰盖在辅热系统作用下形成较薄的若干独立冰盖，整个82h监测过程说明了太阳能集热碎石辅热的有效性和实用性。

上述任一实施例中，如图7所示，抛物面方程为y＝x2/4f，根据y和x的关系式进行聚光板201的弧度设计，f为抛物线焦距值，a为聚光槽开口宽度，集热管位于抛物线焦点；太阳张角大小为32度，r

d＝2r

聚光集热器的聚光比为聚光器开口面积Aa与接收器上接收辐射的表面面积Ar之比，即：

聚光比C可反映出聚光集热器使能量集中的可能程度，对于接收器为圆管的槽形抛物面集热器，当a/f＝4时，有最大聚光比Cmax＝68.3，真空集热管中热交换过程可由下式表示：

式中：h为集热管对环境的热损失系数，W(m2·℃)；Aa为聚光板开口面积，m2；I(t)为太阳的辐照度，W/m2；为聚光板的聚光效率，％；Q(t)为集热管内导热工质流量，m3/s；d1为集热管直径，m；d2为玻璃管直径，m；Ta，ρa，Ca，Va分别为集热管内空气的温度(℃)，密度(kg/m3)，比热(J/(k·kg))和体积(m3)；Tc，ρc，Cc，Vc分别为集热管温度(℃)，密度(kg/m3)，比热(J/(k·kg))和体积(m3)；Te为环境温度，℃；T1为集热铜管内进口空气温度，℃；T2为集热铜管内出口空气温度，℃。

依据公式对加热系统中聚光槽、集热管尺寸、数量以及布置形式等进行设计，其具体参数如下所示：

太阳能集热管参数

综上所述：采用线性聚焦技术将光能转化为热能并加以利用的实用装置，通过槽式抛物面反射镜进行聚焦、反射，采用集热管吸收太阳能，从而实现太阳能从光能到热能的转化，使得热介质达到一定温度，再通过换热系统缠身用户所需求的热介质，进而利用在其它方面。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。