專利名稱：“黑鏡”式結(jié)構(gòu)太陽能集熱器及采用該集熱器的熱水器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及太陽能集熱器及太陽能熱水器結(jié)構(gòu)設(shè)計領(lǐng)域。
現(xiàn)有的太陽能集熱器，無論是平板式或真空管式，都是通過一容器的外表面接收太陽幅射能量將幅射能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮芎?，再通過熱傳導(dǎo)將熱量傳給位于其內(nèi)部的水或其它載熱工質(zhì)。這樣一系列的將太陽幅射能量轉(zhuǎn)換為水的熱能的間接過程，勢必降低太陽幅射能的利用效率。雖然通過光選擇性涂層可以提高熱轉(zhuǎn)換效率及減少熱幅射損失，但處于空氣中的涂層表面是集熱器溫度最高的表面，其空氣對流熱損失是很難減小的。如果處于空載狀態(tài)，其表面將會達到某一極限高溫，這將無法使用廉價的高分子材料制備容器。采用這類集熱器制做的太陽能熱水器的典型結(jié)構(gòu)主要是將集熱器置于一反射面的聚焦處，以提高太陽光的利用率，但這種熱水器無法克服反射面與集熱器之間空氣熱傳導(dǎo)的損失。美國4038971號專利提供了一種這類熱水器的典型結(jié)構(gòu)，如

圖1所示。該裝置是將一管式集熱器11置于一半園弧反射柱面12的聚焦處，集熱器的管壁吸收反射柱面反射的太陽光，并轉(zhuǎn)化為熱能傳遞給管中的水，將水加熱。為使反射面收集更多的太陽光，該裝置設(shè)置了轉(zhuǎn)動機構(gòu)，可調(diào)整陽光入射到反射柱面的入射角。但在半圓型腔內(nèi)空氣對流所造成的熱損失勢必使發(fā)明者的努力大打折扣，而且轉(zhuǎn)動機構(gòu)復(fù)雜，加上成本高，不易安裝使用。中國94220461.1號專利提供了又一種集熱效率較好的復(fù)合拋物面聚光太陽能熱水器，其結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要由設(shè)置在殼體21內(nèi)的槽形復(fù)合拋物面聚光器22，設(shè)置在聚光器光線出口處的拋物面吸熱板23與吸熱板外凸面設(shè)置成一體的集熱管24組成。但是它同樣在加大采光吸熱面積的同時也加大了空氣對流流失熱量的面積，從而影響了集熱器整體效率的提高，且該裝置的加工制成，安裝調(diào)整也較為復(fù)雜。
本發(fā)明的目的在于為克服已有技術(shù)的不足之處，提出一種“黑鏡”式結(jié)構(gòu)的集熱器，該裝置直接將水作為“黑鏡”中太陽能吸收層的一部分，減少了熱傳導(dǎo)損失，本發(fā)明采用該集熱器設(shè)計的太陽能熱水器，結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，太陽能轉(zhuǎn)換效率高，且適用于采用廉價、輕質(zhì)的塑料一體化制成。
本發(fā)明提出一種黑鏡式結(jié)構(gòu)太陽能集熱器，其特征在于，包括內(nèi)貯有流體的柱狀容器，該容器壁至少其向陽部分呈透明狀，且該容器表面向陽部分結(jié)合一層透射光選擇薄膜，其余部分內(nèi)表面結(jié)合一層吸收光選擇薄膜，該柱狀容器兩端分別設(shè)有開口，與流體流進管及流出管相連。
本發(fā)明所說的柱狀容器壁的向陽部分為平面，其余部分可為內(nèi)聚焦的拋物面或園弧面。在結(jié)構(gòu)強度允許的條件下，也可簡單制成平面。所說的柱狀容器內(nèi)還設(shè)置一根具有高反射率表面的內(nèi)管，該內(nèi)管兩端與所說的流進管，流出管相連通，其管壁有多個開孔與所說柱狀容器內(nèi)相通。所說的內(nèi)管外表面結(jié)合一層光吸收選擇薄膜。所說的柱狀容器表面的向陽部分結(jié)合一層透射光選擇薄膜，其余部分表面結(jié)合一層光反射膜。
本發(fā)明采用上述集熱器設(shè)計出一種太陽能熱水器，由集熱器及外殼組成。所說的外殼由形狀與所說集熱器背陽部分相配合的支撐上架板，側(cè)壁及底板組成的封閉殼體，至少有一個所說的柱狀形集熱器嵌入支撐上架板上。所說的柱狀管的向陽面上安裝有由透明蓋板、蜂窩和空氣隙組成的復(fù)合透明蜂窩板。所說的蜂窩板的蜂窩孔徑與孔深之比最好為小于1/4，蜂窩孔內(nèi)可封貯有CO2氣體；蜂窩板底部與柱狀管之間最好留有0.5～3mm的空氣隙。所說的支撐外殼可為一體成形的泡沫玻璃鋼，其發(fā)泡氣體是CO2，泡型是封閉的用短玻璃纖維和發(fā)泡聚脂樹脂混合材料，外表面裹被有膠衣，殼內(nèi)填充有泡沫塑料。所說的集熱器可為立式放置，每個集熱器向陽面可處于同一平面。所說的集熱器也可為臥式放置，每根集熱器向陽面為相同斜角放置，相鄰兩集熱管間的支撐上架板外表面為光反射面。
本發(fā)明設(shè)計的另一種結(jié)構(gòu)的熱水器，可將集熱器與外殼的支撐上架板合為一體。所說的集熱器的柱狀容器壁的向陽部分可由透明蓋板組成，其余部分由一與該透明蓋板封接的部分支撐上架板組成，該蓋板上安裝有復(fù)合透明蜂窩板。
本發(fā)明的“黑鏡”式太陽能集熱器，由于其利用水本身紅外線吸收率高的性質(zhì)，直接將水作為“黑鏡”中太陽能吸收層的一部分，將太陽光譜能量40％左右的外紅光譜能量直接吸收，又提高了效率。透明光選擇性薄膜及吸收光選擇性薄膜的設(shè)置，最大限度的提高太陽能轉(zhuǎn)換效率，本發(fā)明采用黑鏡式太陽能集熱器設(shè)計的太陽能熱水器結(jié)構(gòu)簡單，熱效率高，加之結(jié)合復(fù)合透明蜂窩保溫層，在保證陽光透射率的條件下，通過蜂窩孔抑制對流，進一步降低了向陽面的熱傳導(dǎo)損失，使得其即使在冬季也能較好的使用。泡沫玻璃鋼架構(gòu)外殼即起支撐作用，又起保溫作用。本發(fā)明的太陽能熱水器，結(jié)構(gòu)可大部分采用有機高分子合成材料制造，因此易于大規(guī)模商品化生產(chǎn)，成本低廉，重量輕，效率高，整體性好，尤其適宜于城市高層建筑作為墻壁式太陽能熱水器使用。
附圖簡要說明圖1為已有技術(shù)的太陽能熱水器結(jié)構(gòu)之一示意圖。
圖2為已有技術(shù)的太陽能熱水器結(jié)構(gòu)之二示意圖。
圖3為本發(fā)明所述集熱器的實施例一結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4為本發(fā)明所述集熱器的實施例二結(jié)構(gòu)示意圖。
圖5為采用本發(fā)明所述集熱器的太陽能熱水器實施例之三結(jié)構(gòu)示意圖。
圖6為實施例三進出水管連接示意圖。
圖7為采用本發(fā)明所述集熱器的太陽能熱水器實施例之四結(jié)構(gòu)示意圖。
圖8為實施例四進出水管連接示意圖。
本發(fā)明設(shè)計出二種集熱器實施例以及采用這兩種集熱管器結(jié)構(gòu)制成兩種太陽能熱水器實施例，如圖3-圖8所示，結(jié)合各附圖詳細描述如下實施例一，為一種集熱器結(jié)構(gòu)，如圖3所示，該集熱器包括半園形柱管31，可采用透明塑料制成，其平面為向陽面311，背面為半園弧面312，向陽面內(nèi)表有一層二氧化錫透射光選擇薄膜32，園弧面內(nèi)表面有一層吸收光選擇性薄膜33，可選用氧化鋁、黑鉻、黑鎳硫化鉛等材料。二種薄薄膜都可通過化學(xué)沉積、電鍍、真空蒸發(fā)或粘貼上。半園形柱管31內(nèi)貯有水34，管兩端開有分別與進、出水管相連接的進、出水口(圖中未示出)。
實施例二，為另一種集熱器結(jié)構(gòu)，如圖4所示。其結(jié)構(gòu)與實施例一基本相同，包括半園形柱管41，由向陽平面411和背陽的拋物柱面412，向陽面內(nèi)表面上的透射光選擇性薄膜42和背面外表面的反光薄膜43組成，在此基礎(chǔ)上，還包括設(shè)置在柱管41內(nèi)拋物柱面聚焦線處的內(nèi)管44。該內(nèi)管兩端與柱管的進、出水口相連接，內(nèi)管兩端部位的管壁上開有多個小孔(圖8中示出)。內(nèi)管44采用鋁管，其表面結(jié)合有吸收光選擇涂層45，如氧化鋁染色或鍍黑鉻、黑鎳，當入射陽光投射在拋物柱面集熱器后管壁412上時，貼在該管外壁上的鍍鉛薄膜45則將入射光線反射聚焦在鋁管44的光選擇性涂層45上，由涂層與將入射的光轉(zhuǎn)換成熱量再將熱量傳遞給水。
實施例三，為一種太陽能熱水器，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。該熱水器采用實施例一結(jié)構(gòu)的四支集熱管51，它們嵌入一體化泡沫玻璃鋼支撐上架板52之中呈一定間隔、平行地水平放置，集熱管51向陽面與水平方向呈一傾斜角α，兩集熱管之間由支撐上架板構(gòu)成一相對于向陽面傾斜的反射面521，每根集熱管的向陽面上安裝有蜂窩，透明蓋板和空氣隙組成的復(fù)合透明蜂窩板53，該蜂窩隔板的蜂窩孔徑與孔深之比小于1/4，蜂窩孔內(nèi)封貯有CO2氣體。蜂窩底部與向陽面之間留有0.5～3mm的空氣隙。上述的支撐上架板52、側(cè)壁54與底板55構(gòu)成一封閉殼體，為加強殼體的支撐強度，其中可填充滿泡沫塑料56。
本實施例中，向陽面的傾斜角度是以當?shù)靥栒丈涞慕嵌仍O(shè)計，保證當夏季太陽在最高位置時能有效的接收太陽照射，貼在集熱器外表面的鍍鋁薄膜可以將冬季太陽在比較低的位置時的投射光折射到集熱管上，從而加大了實際集熱管的采光面積。
所說的透明蓋板是由陽光透過率高的塑料或復(fù)合材料制成，它與蜂窩粘結(jié)在一起，蜂窩壁采用鍍鋁聚脂薄膜制成，當蜂窩孔徑與深度比＜1/4時，透明蓋板的導(dǎo)熱系數(shù)接近其中氣體的導(dǎo)熱系數(shù)，當孔中充有CO2，KT等低導(dǎo)熱率氣體時，其保溫效果更佳。蜂窩與集熱管之間的間隙，組成了復(fù)合透明蜂窩板保溫系統(tǒng)，可以更好的提高保溫效果。當蜂窩壁鍍鋁層＞50nm厚時，由于對入射光的反射，蜂窩孔形成光導(dǎo)管，這將有效的減小太陽光不同入射角的折射損失及提高對大氣中漫射光能量的吸收，從而提高效率。
本實施例還可設(shè)計成將集熱器與外殼的上支撐架板結(jié)合為一體，所說的集熱器的柱狀容器壁的向陽部分由一透明蓋板組成，其余部分主接由一與其封接的部分支撐上架板組成，該蓋板上安裝有復(fù)合透明蜂窩板。
本實施例進、出水管與集熱管的連接如圖6所示，為串聯(lián)方式，即第一管61的出水管611與第二管62的進水管622相連，以此類推。
本實施例由于其體輕和安裝簡便，特別適合于在城市高層建筑中掛于外墻或陽臺外側(cè)。
實施例四，為另一種熱水器結(jié)構(gòu)，如圖7所示。該熱水器采用實施例二結(jié)構(gòu)的六支集熱管71，它們嵌入與實施例三相同的泡沫玻璃鋼支撐上架板72之中，其不同點是集熱管豎直放置且相互緊密排列，每根集熱管的向陽面711處于同一平面內(nèi)，其上安裝一整塊大的復(fù)合和透明蜂窩板73，蜂窩底部與向陽面面為0.5～5mm的空氣隙731，蜂窩板的結(jié)構(gòu)與實施例三完全相同，支撐上架板，側(cè)壁74與底板75構(gòu)成的外殼內(nèi)也填充滿泡沫塑料76。本實施例進、出水管81，82與集熱管83的連接，如圖8所示，為并聯(lián)方式，冷水從底部流入熱水從上部流出。位于加熱管中心的鋁管84其上部與下部的連通孔85連通鋁管內(nèi)外部的水，并使得被加、熱的水匯集到流出管82。由于本實施例中聚焦系統(tǒng)的作用，提高了加熱管中的水的溫差，有利于提高升溫速度及有助于推動自然循環(huán)。
權(quán)利要求
1.一種黑鏡式結(jié)構(gòu)太陽能集熱器，其特征在于，包括內(nèi)貯有流體的柱狀容器，該容器壁至少其向陽部分呈透明狀，該容器表面向陽部分結(jié)合一層透射光選擇薄膜，其余部分內(nèi)表面結(jié)合一層吸收光選擇薄膜，該柱狀管兩端分別設(shè)有開口與流體流進管及流出管相連。
2.如權(quán)利要求1所述的黑鏡式結(jié)構(gòu)太陽能集熱器，其特征在于所說的柱狀容器的向陽部分為平面，其余部分為內(nèi)聚焦的園弧面、拋物面或平面。
3.如權(quán)利要求2所述的黑鏡式結(jié)構(gòu)太陽能集熱器，其特征在于所說的柱狀容器內(nèi)還設(shè)置一根具有高反射率表面的內(nèi)管，該內(nèi)管兩端與所說的流進管，流出管相連通，其管壁有多個開孔與所說柱狀容器內(nèi)相通；所說的柱狀容器表面的向陽部分結(jié)合一層透射光選擇薄膜，其余部分表面結(jié)合一層光反射膜。
4.如權(quán)利要求3所述的黑鏡式結(jié)構(gòu)太陽能集熱器，其特征在于所說的內(nèi)管外表面結(jié)合一層光吸收選擇薄膜。
5.采用如權(quán)利要求1～4所述的集熱器構(gòu)成的太陽能熱水器，包括集熱器與支撐外殼，其特征在于，所說的外殼由形狀與所說集熱管背陽部分相配合的支撐上架板，側(cè)壁及底板組成的封閉殼體，至少有所說的集熱管嵌入支撐架上。
6.如權(quán)利要求5所述的太陽能熱水器，其特征在于所說的柱狀管的向陽面上安裝有由透明蓋板、蜂窩和空氣隙組成的復(fù)合透明蜂窩板。
7.如權(quán)利要求6所述的太陽能熱水器，其特征在于所說的集熱管為立式放置，每根集熱管向陽面處于同一平面。
8.如權(quán)利要求6所述的太陽能熱水器，其特征在于所說的集熱器為臥式放置，每根集熱管向陽面為相同似斜角放置，相鄰兩集熱管間的支撐架外表面為光反射面。
9.采用如權(quán)利要求1-4所述的集熱器的太陽能熱器，包括支撐外殼，其特征在于所說的外殼由支撐上架、側(cè)壁及底板組成的封閉殼體，所說的集熱器的柱狀容器壁的向陽部分由一透明蓋板組成，其余部分由一與其封接的部分支撐上架組成，該蓋板上安裝有復(fù)合透明蜂窩板。
10.如權(quán)利要求5所述的太陽能熱水器，其特征在于所說的支撐外殼為一體成形的泡沫玻璃鋼，其發(fā)泡氣體是CO2，泡型是封閉的用短玻璃纖維和發(fā)泡聚脂樹脂混合材料，外表面裹被有膠衣，殼內(nèi)填充有泡沫塑料。
全文摘要
本發(fā)明涉及太陽能集熱器及太陽能熱水器結(jié)構(gòu)設(shè)計領(lǐng)域。包括內(nèi)貯有流體的柱狀容器，該容器壁至少其向陽部分呈透明狀，且該容器表面向陽部分結(jié)合一層透射光選擇薄膜，其余部分表面結(jié)合一層吸收光選擇薄膜，該柱狀容器兩端分別設(shè)有開口，與流體流進管及流出管相連。該裝置直接將水作為“黑鏡”中太陽能吸收層的一部分，減少了熱傳導(dǎo)損失，本發(fā)明采用該集熱器設(shè)計的太陽能熱水器，結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，太陽能轉(zhuǎn)換效率高，且適用于采用廉價、輕質(zhì)的塑料一體化制成。
文檔編號F24J2/04GK1158970SQ96120410
公開日1997年9月10日 申請日期1996年10月25日 優(yōu)先權(quán)日1996年10月25日
發(fā)明者羅璐 申請人:羅璐