CN100554812C - 墙体热板式太阳能集热器及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于太阳能应用领域中的一种墙体热板式太阳能集热器及其制造方法。集热器置于建筑物的向阳面墙体内，由热板支架上相互平行、倾斜放置的N块热板组成，N≥2，N块热板的入射光互不遮挡，热板为矩形板，集热管是由热板金属壳体上、下表面及连接两面的焊缝形成的一个个与底边垂直的空腔，换热器为置于集热管的上方与这些集热管相通的横向换热腔，换热腔内有换热管通过，进、出换热腔体处换热管的外壁与换热腔体密封，热板的下面有保温层。采用选材、冲压、折叠、剪切、安装换热管、焊封、检漏测试、……等机械化连续作业的方法制作。集热器满足与建筑物一体化的要求，具有热效率高、能够实现机械化作业、综合成本低的优点。

Description

墙体热板式太阳能集热器及其制造方法

技术领域

本发明属于太阳能应用领域，涉及一种墙体热板式太阳能集热器及其制造方法。

技术背景

在太阳能热利用系统中，集热器是个关键产品。我国的太阳能应用起步较晚，目前我国太阳能集热器是以玻璃真空管式为主，占63.16％。全玻璃真空管的太阳能集热器因其集热温度低、集热面积有限、只能放在楼顶上，与建筑物不协调等缺点，妨碍了太阳能集热器的应用和发展。因此，发展平板型太阳能集热器是今后太阳能应用的一个方向。现有的平板型太阳能集热器，一种集热元件是由铜管和铝翅片形成的复合板芯，由于铜和铝的膨胀系数不同，经多次热胀冷缩后，二者间会产生较大的热阻，使得热损失较多，造成集热效率不高。另一种是近年发展起来的热管平板型太阳能集热器，其基本集热元件结构是热管，在热管上联接一个与其一体的翅片，通过面积较大的吸热翅片吸收太阳热，并传到与其一体的热管上，通过热管的冷凝端与换热器交换热量，这些热管安装在一个壳体内，壳体的上盖装有透明的玻璃或太阳板，由于翅片与热管的接触面积很小，翅片所吸收的太阳热只有一部分传到热管上，所以集热器的综合热效率相对较低；另外，由于受热上升的蒸汽工质与冷凝后的液态工质都要从热管内的狭窄通道经过，工质上下路径不通畅，也影响了换热效率。再者，受到墙体内有限空间的限制，墙体集热器的采光面很难做到与入射光垂直或接近垂直，使得在采光面积相同的情况下，热效率不高，外挂式墙体集热器的集热效率就更低；同时，由于现有的热管平板型太阳能集热器，因其本集热部件是一根根热管，而热管的生产工序多而复杂，不利于大规模连续作业，因此生产效率较低，综合生产成本高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种综合热效率高、综合成本低、能够机械化连续作业的墙体热板式太阳能集热器及其制造方法。

本发明所提供的墙体热板式太阳能集热器，集热器置于建筑物的向阳面墙体内或预留的空间内，其特点是所述墙体热板式太阳能集热器由热板支架上相互平行、倾斜放置的N块热板组成，N≥2，N块热板的入射光互不遮挡，由集热管和换热器构成的热板为矩形板，所述的集热管是由热板金属壳体上、下表面及连接两面的焊缝形成的一个个与底边垂直的空腔，所述换热器为置于集热管的上方与这些集热管相通的横向换热腔，换热腔内有换热管通过，所述的换热管进、出横向换热腔体处与换热腔体密封，热板的下面有保温层。

本发明所提供的墙体热板式太阳能集热器由热板支架上相互平行、倾斜放置的N块热板组成，N≥2，N块热板的入射光互不遮挡。这种结构，一方面由于墙体集热器是由多块互相平行的热板构成，可以根据使用地的地理纬度，调节热板支架，使得在一年内多数时间里，在有限的墙体空间内，可以使每一块热板的采光面与入射光线垂直或接近垂直，在采光面积相同的情况下，大大提高了热板的集热效率，由于射到集热器采光面太阳光越接近垂直，集热器单位面积所接收的太阳能就越多，所接收的太阳能与入射角(入射光线与集热面法线间的夹角)的余弦成正比，当集热器的采光面偏离阳光直射的角度越大，所吸收的太阳能就越少。本发明所提供的墙体热板式太阳能集热器的结构使有限空间内的单位采光面积上所吸收的太阳热大大增加，从而增强了其集热效率，同时，由于组成墙体热板式太阳能集热器的热板的集热管是由热板金属壳体上、下表面及连接两面的焊缝形成的一个个与底边垂直的空腔，热板的壳体即是各个集热管的壳体，也就是热板的壳体直接、整体地采热，这些采集的太阳热全部直接传给热板内的工质，降低了传导过程中的热量损失，也提高了热效率。由于换热器为置于集热管上方与集热管相通的横向换热腔体，换热器内有换热管通过，换热管的进、出横向换热腔体处与换热腔体密封。使得包括置于集热管上方与集热管相通的横向换热腔体在内的整个热板是一个上下相通的真空密封腔体，工质在受热蒸发后上升至上方与集热管相通的横向换热腔内，直接与换热管交换热量后变成液态工质，靠重力可以从与集热管相通的横向换热腔体的各处流回热板的采热区，再受热、蒸发…，如此循环，工质上下流动通畅，进一步提高了换热效率。热板下面的保温层不但阻断了热量从下方向外散失的路径，而且使得加强了热板的牢固性。本发明中的墙体热板式太阳能集热器除了置于热板上方横向换热腔内的换热管以外，其余部分都是用一块金属带材制作的，便于机械化大批量生产，因此生产的效率高、成本低。本发明所提供的墙体热板式太阳能集热器由于集热器置于建筑物的向阳面墙体内，可直接做成窗下太阳能集热器、窗上太阳能集热器、墙体太阳能集热器、阳台太阳能集热器等，进、出水管都可隐蔽于墙体之内，一方面可大大节省建筑材料和建筑施工成本，另一方面太阳能集热器与建筑物又形成了有机的结合。

本发明所提供的墙体热板式太阳能集热器能满足与建筑物一体化的要求，具有热效率高、能够机械化连续作业、综合成本低的优点。

本发明所提供的墙体热板式太阳能集热器的制造方法按下述生产步骤进行：

(1)选择宽度为2倍热板宽度的金属带材；

(2)冲压：以金属带材宽度的中心线为界，在其两侧对称位置上，留出横向换热腔，其余部分连续冲压出与横向换热腔方向垂直的弧面槽；

(3)折叠：将冲压后的金属带材以其宽度的中心线为界对折；

(4)剪切：将折叠后的金属带材送入剪板机，按热板所要求的长度剪切成一块块半成品热板；

(5)安装换热管：将换热管插入半成品热板上部留出的横向换热腔中；

(6)焊接：用焊机将半成品热板换热腔的端部与该处换热管的外壁、对边、侧边焊封，并留出排气、充液口，对相邻与底边垂直的弧面槽的间隔处进行滚焊或点焊；

(7)检漏测试，补焊：充气对换热管进、出换热腔的端部及侧边进行检漏，对漏气处进行补焊；

(8)抽真空、充工质：在排气、充液口连接排气、充液装置将热板的密封空腔内气体排出，使内部压力在1.33-0.13帕，并向腔内注入工质；

(9)涂选择性吸收涂层；

(10)制作保温层；

(11)安装热管支架、将热板放置在支架上，把每块热板换热腔内的换热管用连接管连接起来。

本发明所提供的墙体热板式太阳能集热器的制造方法，改变了现有技术中太阳能集热器手工组装的现状，把太阳能集热器的生产变成机械化的连续作业，大大提高了生产效率。实现工业化流水线生产后，所生产的太阳能热板一致性好，质量更能得到保证。

附图说明

图1是本发明所提供的墙体热板式太阳能集热器中热板实施方式之一的结构示意图；

图2是本发明所提供的墙体热板式太阳能集热器中热板实施方式之二的结构示意图；

图3是本发明所提供的墙体热板式太阳能集热器中热板实施方式之三的结构示意图；

图4是本发明所提供的墙体热板式太阳能集热器实施方式之一的结构示意图；

图5是本发明所提供的墙体热板式太阳能集热器实施方式之二的结构示意图；

图6是本发明所提供的墙体热板式太阳能集热器实施方式之三的结构示意图；

图1——图6中：1、热板壳体，2、置于热板上方的横向换热腔，3、由热板金属壳体上、下表面及连接两面的焊缝形成的一个个与底边垂直的空腔，4、换热管，5、换热管外部的吸热翅片，6、保温层，7、热板支架，8、支撑热板的托架。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式做进一步的说明。参见图1、图2，图3中所示为本发明所提供墙体热板式太阳能集热器中热板的三种实施方式。从各图中可知，热板上的集热管是由热板金属壳体上、下表面及连接两面的焊缝形成的一个个与底边垂直的空腔，换热器置于集热管的上方，是与这些集热管相通的横向换热腔，换热器内有换热管通过，所述的换热管进、出横向换热腔体处与换热腔体密封。这种结构使得除置于上方的横向换热腔外，整块热板都是有效采光面。同时，由于横向换热腔与热板上的竖直的空腔相通，所以工质的上、下通道十分通畅，从而进一步提高了其传热效率。置于热板下面、与其紧密结合的保温层，一方面切断了热板从下表面散失热量的路径，另一方面保温层更增加了热板的牢固性。从图1中可知：热板壳体上构成集热管的一个个与底边垂直空腔的上表面为凸弧面、下表面为平面。从图2中可知：热板壳体上构成集热管一个个与底边垂直空腔的上表面为凸弧面、下表面为向内凹的弧面。从图3中可知：热板壳体上构成集热管一个个与底边垂直空腔的上表面为凸弧面、下表面一也是凸弧面。这三种结构的热板一天内的采光时间均较长，即使在太阳快落的时候，太阳光都可照射到热管的弧面上。参见图4、图5，图6，每图是本发明所提供的墙体热板式太阳能集热器的一种实施方式。从图中可知：本发明所提供的墙体热板式太阳能集热器由置于热板支架上相互平行、倾斜放置的N块热板组成，N≥2，N块热板的入射光互不遮挡。图4的实施方式中，墙体热板式太阳能集热器由置于热板支架上三块相互平行、倾斜放置的热板组成，其中热板采用图1所示的结构，从图中可知：该墙体集热器上第一块热板的换热管进口与进水管连接后，依次连接第二热板、第三块热板的换热腔体内的换热管，第三块热板的换热腔体内换热管的出口与出水管相接。这种连接方法可以使总出水管的出水温度大大提高，而且，进水与出水为两个方向。图5的实施方式中，墙体热板式太阳能集热器由置于热板支架上相互平行、倾斜放置的两块热板组成，其中热板采用图2所示的结构，两块热板换热腔体内的换热管由连接管连接，第一块热板中换热腔内的换热管进口与进水管相通，第一块热板换热腔内的换热管出口与出水管相通，这种连接方法可以使总出水温度提高，进水与出水方向相同。图6的实施方式中，墙体热板式太阳能集热器由置于热板支架上的相互平行、倾斜放置的两块热板组成，采用如图3所示的热板结构，构成该墙体集热器的两块热板换热腔内换热管的两进口连接后与总进水管相接，换热管的两出口连接后与总出水管相接，这种连接方式可使热水总量增加。从图4、图5、图6中可知：本发明所提供的热板式墙体集热器是由在热板支架上相互平行、倾斜放置的多块热板组成，这样就可以根据使用地的地理纬度，调节热板支架，使得在一年内多数的时间里，在有限的墙体空间内，可以使每一块热板的采光面与入射光线垂直或接近垂直，在采光面积相同的情况下，大大提高了热板的集热效率。为进一步提高热板的集热效率，在热板的上表面还可装一块菲涅耳透镜，将太阳光集聚到热板的采光面上。从而进一步提高热板的集热效率。这种结构还可以把墙体内各支架上热板换热腔内的换热管用连接起来，形成建筑物的整套供热系统。

下面进一步说明本发明所提供的墙体热板式太阳能集热器的制造方法。本发明所说的制造方法依次按：选材——冲压——折叠——剪切——安装换热管——焊封——检漏测试、补焊——抽真空、充工质——涂选择性吸收涂层——制作保温层——架设热管支架、装配进行。具体做法是：选择宽度为2倍热板宽度的带材，可以是不锈钢材，也可以是铜材或铝材。将上述带材送入冲压机，以其宽度的中心线为界，在其两侧对称位置上，留出横向换热腔，其余部分连续冲压出与横向换热腔方向垂直的弧面槽，此步骤可以在一侧的其余部分连续冲压出与横向换热腔走向垂直的弧面槽，另一侧为平面；也可以在其两侧对称位置上，留出横向换热腔，在两侧的其余部分连续冲压出与横向换热腔走向垂直的弧面槽，两侧的弧面槽位置对应，一侧为凸面槽，另一侧为凹面槽；还可以在其两侧对称位置上，留出横向换热腔，在两侧的其余部分连续冲压出与横向换热腔方向垂直的弧面槽，两侧的弧面槽位置对应，两侧均为凸面槽。将冲压后的带材以其宽度的中心线为界对折，使冲压出的凸面材凸弧面一侧向上。送入剪板机，按热板所要求的长度剪切成一块块半成品热板。将换热管插入半成品热板上部留出的横向换热腔中，将换热腔的端部与该处换热管的外壁焊接；为增强换热管的吸热能力，在其外表面设有连为一体的翅片。留出排气、充液口后，将半成品热板的对边、侧边的其余部分焊封。在相邻的与底边垂直的弧面槽间隔处点焊或滚焊，将弧面槽间隔处壳体的上、下表面焊接起来。通过上一工序一侧留出的排气、充液口，向热板内充气，使气压控制在0.6兆帕以内，对热板换热腔的端部及热板的侧边进行检漏，对漏气处进行补焊。将留出的排气、充液口与一个排气、充液装置连接，将热板内空气排出，使热板内空气压力达到1.33-0.13帕，同时向热板内充工质，工质可采用水、醇、酮、醇水混合液、酮水混合液等。采用溅射技术或喷涂技术在热板的上表面涂黑色选择性吸收涂层；在热板的下表面制作保温层，可以直接在热板的下表面采用聚氨酯发泡制作保温板；安装热管支架、将热板放置在支架上，用连接管把每块热板换热腔内的换热管连接起来，第一种连接方法是：第一块热板换热腔内换热管的进水口与总进水管连接、依次连接第二、第三……、第N块热板换热腔体内的冷凝管，第N块热板换热腔体内的冷凝管的出水口与总出水管相接；第二种连接方法是：用连接管把N块热板上集热管上方的横向换热腔内换热管连接起来与总进水管相接，再用连接管把N块热板上横向换热腔内的换热管连接起来与总出水管相接。采用本发明所提供的制造方法，热板支架可采用金属制作，做好后固定在建筑物墙体上预留的空间内。也可把热板支架上放置热板的托板做成方向可调节的，调节机构可放在建筑物室内，这样做后，可随季节的变换调节热板的方向，使热板的集热面与入射的太阳光垂直，从而提高集热效率。

Claims (7)

1、一种墙体热板式太阳能集热器，集热器置于建筑物的向阳面墙体内或预留的空间内，其特征在于所述墙体热板式太阳能集热器由热板支架上相互平行、倾斜放置的N块热板组成，N≥2，N块热板的入射光互不遮挡，由集热管和换热器构成的热板为矩形板，所述的集热管是由热板金属壳体上、下表面及连接两面的焊缝形成的一个个与底边垂直的空腔，所述换热器为置于集热管的上方与这些集热管相通的横向换热腔，换热腔内有换热管通过，进、出换热腔体处换热管的外壁与换热腔体密封，热板的下面有保温层。

2、根据权利要求1所述的墙体热板式太阳能集热器，其特征在于所述热板壳体上构成集热管的一个个与底边垂直的空腔的上、下面均为凸弧面。

3、根据权利要求1所述的墙体热板式太阳能集热器，其特征在于所述热板壳体上构成集热管一个个与底边垂直的空腔的上表面为凸弧面，下表面为平面。

4、根据权利要求1所述的墙体热板式太阳能集热器，其特征在于所述热板壳体上构成集热管一个个与底边垂直的空腔的上表面为凸弧面，下表面为凹弧面。

5、根据权利要求1所述的墙体热板式太阳能集热器，其特征在于所述组成集热器的N块热板上集热管上方的横向换热腔体内换热管与总进水管连接，依次从第一、第二、……、第N块热板的换热腔体内通过后，与总出水管相接。

6、根据权利要求1所述的热板式太阳能集热器，其特征在于所述组成集热器的N块热板上集热管上方的横向换热腔体内换热管均与总进水管相通，N根换热管分别从第一、第二……、第N块热板的换热腔体内通过后，汇总进总出水管。

7、一种墙体热板式太阳能集热器的制造方法，其特征在于按下述生产步骤进行：

(1)选择宽度为2倍热板宽度的金属带材；

(2)冲压：以金属带材宽度的中心线为界，在其两侧对称位置上，留出横向换热腔，其余部分连续冲压出与横向换热腔方向垂直的弧面槽；

(3)折叠：将冲压后的金属带材以其宽度的中心线为界对折；

(4)剪切：将折叠后的金属带材送入剪板机，按热板所要求的长度剪切成一块块半成品热板；

(5)安装换热管：将换热管插入半成品热板上部留出的横向换热腔中；

(6)焊接：用焊机将半成品热板换热腔的端部与该处换热管的外壁、对边、侧边焊封，并留出排气、充液口，对相邻与底边垂直的弧面槽的间隔处进行滚焊或点焊；

(7)检漏测试，补焊：充气对换热管进、出换热腔的端部及侧边进行检漏，对漏气处进行补焊；

(8)抽真空、充工质：在排气、充液口连接排气、充液装置将热板的密封空腔内气体排出，使内部压力在1.33-0.13帕，并向腔内注入工质；

(9)涂选择性吸收涂层；

(10)制作保温层；

(11)安装热管支架、将热板放置在支架上，把每块热板换热腔内的换热管用连接管连接起来。

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