CN101025291A - 光热灰体集热加热器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种光热灰体集热加热器，其主要结构包括：至少有一电磁辐射透明管和灰体材料，灰体材料置于该透明管之内，该电磁辐射透明管为被加热流体流道管，该管设有被加热流体进出口，透明管内有将灰体材料与透明管隔开的灰体材料约束机构。灰体材料系为杆状、块状或片状材料，置于约束机构内。灰体材料系选自于各种有机物在高温缺氧条件下制成的炭聚合物或为非导电材料深色陶瓷或深色高分子聚合物。其流体是直接需要加热的任何液体。其电磁辐射透明管与散热器连通，形成环路，环路上有被加热流体的循环泵。将流体混入提高沸点及降低冰点的盐类或有机溶剂使之成为间接传热液体。电磁辐射透明管是能透过紫外光～红外光的电磁辐射透明管。

Description

光热灰体集热加热器
技术领域
本发明涉及一种光热灰体集热加热器，系有关于一种光、热幅射为能源的集热器与加热器模块，其尤指一种应用于燃烧加热器与太阳能之幅射集热器与加热器模块之结构。
背景技术
传统集热器通常只吸收传导热或红外线部分的辐射热，对于可见光和紫外线，因为根本无法转换而无法变成可供利用的热源。在吸收光子时，又因为通常吸光物质不是粗造多孔隙及非导电性的近乎黑体的灰体物质，也使得吸收率大打折扣，吸收光子的能力就显的非常低，是效率很低的集热工具，也是效率不高的加热器，所以一般只可以作为太阳能热水器用途，对于农业、工业、机关、学校、公共场所或家庭显少有其它实际的应用。
传统技术一般的集热管可分成两种方法：
1.金属集热器：
1)燃烧加热集热装置：传统燃气加热通常使用铜管做为集热装置，放置于燃烧火焰上方，铜管内径通水，铜管所吸收的热量藉由传导方式将热量传导给水，例如：家中使用的热水器就是此一形式。
2)电热器加热集热装置：通常使用高阻抗电阻(电热丝与陶瓷电热管)置于液体中，电流通过电阻就会发生热量(P＝I2×R)，所产生的能量形式，除了可见光以外，其余都是红外线与远红外线(电磁辐射热)，所产生的热量藉由传导方式将热量传导给液体。这种加热方式通常只能对水加热，因为电热丝与液体是直接接触，所以有几个严重的问题会发生：
i.电热丝或陶瓷电热管本身与酸、碱或其它具有腐蚀性液体直接接触，会与液体发生化学反应或溶解机制，直接损坏电热加热装置。
ii.电热丝或陶瓷电热管与有机液体(如：甲醇、丙酮等)直接接触加热，极易引燃，发生火灾。
iii.电热丝或陶瓷电热管对鱼塭或游泳池等大型液体槽加热，倘若液体槽有裂缝，槽内液体渗出，电路会发生短路接地的问题，会有惊人的电流因为电路接地而损耗掉。
iv.电热丝(陶瓷电热管)使用于家庭热水器，一般只能间接加热，倘若直接加热，就可能发生与上述第iii项述短路发生接地的问题，可能会导致触电的危险。
v.电热丝与陶瓷电热管所产生的热量形式都是(远)红外线电磁辐射波，导体对于电磁波是反射体(宛如镜子反射可见光电磁辐射波相同，这是电磁学的基本定理)，导电能力越好的材料，反射能力就越佳，倘若使用铜管吸热装置，就是非常不智的作法，铁制品会比铝制或铜制品改进许多，若使用非导电灰体材料就是更佳的吸收热能物质。
3)、太阳能加热集热装置：是一种经过电镀或喷烤漆制成的高集热效果的金属板，底部是PU泡绵或玻璃绵的保温层，整个集热器上方以强化玻璃覆盖之。为使集热器的集热效口高，其基本形式为吸收白日阳光照射，在表面涂上黑色的口属板(集热板)，一般将熏黑或涂黑的铜管排列于集热板之下，覆盖玻璃等的简单装置，集热板是为了增大与阳光接触的面积。也有口掉玻璃盖使口属板直接口在大气中的形式。
传统式燃烧器加热管使用燃烧瓦斯、石英管或电热丝直接对铜管加热，水于铜管内流通，铜管吸收热源的热幅射后再传导热能给水，并且由水吸收热能，不管使用何者加热源所产生的热能，来源不外是(1)(远)红外线、(2)可见光、(3)近紫外光、(4)被加热的空气与燃烧产生的水蒸汽。
其中(远)红外线、可见光、与近紫外光都是电磁波幅射，而铜管是良导体，对于电磁波幅射是很好的反射体，所以这一部份的反射损耗极大，而这损耗的部分又是热能的主要来源，其中石英管与电热丝(非直接接触式，电热丝直接接触铜管会有触电的危险)根本就是依靠幅射加热，其损耗可见一般。也就是说，铜管所吸收的热源主要是第(4)项：被加热的空气与燃烧产生的水蒸汽，铜管相对于本发明的热吸收材料，是比较没效率的。
2.集热管：
如图1：1是玻璃或其它透明容器，2是流体，3是灰体物质。传统的集热管是在管壁镀上氧化铬或氮化铝造出灰体，由于传导作用，当阳光照度变弱时，集热管内的热水会将已经收集的热反过来传导到玻璃管，玻璃管再将热传导到灰体镀膜，灰体镀膜是热幅射的极佳吸收体，同时也是热幅射的极佳发射体，热幅射经由管壁的灰体幅射出去造成热能巨大的损失。
灰体镀膜是在玻璃管壁以蒸镀或溅镀方式镀上氧化铬或氮化铝薄膜作为光子吸收膜，无论蒸镀或溅镀，通常都必须在真空中操作，工艺十分复杂且不便。
现就氧化铬与氮化铝特性与使用不便作一说明：
氧化铬(氧化铬镀膜集热管)：
因为毒性问题，六价铬为禁止使用之物质，所以只可以使用三氧化铬，三氧化铬通常呈暗红色斜方结晶，可溶于水、醇、硫酸和乙醚，但不溶于丙酮，容易潮解。
因为三氧化铬可溶于水、醇和乙醚，而且容易潮解，所以不能镀于玻璃管内壁。三氧化铬于玻璃管外壁所吸收的热幅射必须依靠玻璃管本身与流体(水或醇)之间的热传导达成，但是玻璃本身对于热传导是个很好的隔热材料，三氧化铬在此所扮演的角色是“灰体”，“灰体”对热幅射是很好的吸收材料，相对的也是很好的幅射材料，因为玻璃管不能迅速地将三氧化铬吸收的热幅射，借助热传导机制转移给流体，热幅射就会快速地逸散于空间之中，此时，集热管就转变成为散热管，造成热的损失。
三氧化铬致命的缺点是具有燃爆特性：铬酸酐本身不可燃，但遇有机物和易燃物质，能导致有机物、可燃物的燃烧，与硫、磷及某些有机物混合，经摩擦、撞击，有引起燃爆的危险，与松软的粉末状可燃物能组成爆炸性混合物。将三氧化铬薄膜镀于玻璃管外壁会吸湿。将三氧化铬薄膜镀于玻璃管内壁，遇到有机流体会发生反应，甚至会爆炸，皆有不便之处。
三氧化铬
常规
别名 铬酸酐
CAS号 1333-82-0
分子式 CrO3
摩尔品质 99.99g/mol
物理性质
熔点 196℃(分解)
外观 固体，暗红色斜方结晶
安全性
主要危险 1.遇有机物会起火2.腐蚀性极强3.致癌性物质
若非注明，所有数据都依从国际单位制，以及来自标准状况的条件。
三氧化铬的熔点极低，只有196℃，物理性质又不稳定。因为三氧化铬的不便使用，所以就有人开始使用氮化铝薄膜，
氮化铝(氮化铝镀膜集热管)：
氮化铝(AlN)是一种人造陶瓷材料，氮原子和铝原子之间主要以共价键结合，为六方晶系之纤维矿型(Wurtzite)结构，亦即与金钢石相似，由四面体配置的强共价键所构成。强度极大的共价键使得氮化铝具备高熔点，且借助共价键的共振形成声子传递热能，使得氮化铝同时具备高热传导性。因其符合：(1)低原子量；(2)原子间键结强；(3)结晶结构简单；(4)晶格振荡谐和性高等四项特征，成为少数具有高热传导率的非金属固体。氮化铝单晶的理论热传导率可达320W/m□K。氮化铝的硬度亦高，其破坏强度达5000kg/cm2，维氏硬度约1200kg/cm2。另外氮化铝具有直接能带，其能带宽(Energy Band Gap)为6.2eV故高纯度氮化铝晶是无色而透光的(室温之吸收波长为2000)，但在氮化铝中如存有氧或金属不纯物则会失去其透光性，其物理及化学特性如表：
氮化铝
分子量  40.988
密度  3,26g/cm3
熔点  假设3300K
热分解温度  2790K
结晶结构  六方晶系，Wurtzite
晶格参数  A＝3.11，C＝4.98
比热(Cp*)300K  7.2cal/mol□K
线膨胀系数25-200℃  4.03×10-6/℃
热传导率25℃  270W/m.K
电阻率25℃  约1013Ω2cm
介电系数  0＝9.14
折射率2500  nθ＝2.5，n0＝2.4
能带宽  6.2eV
主要的吸收波长  2000
所以由上表可知使用氮化铝有几个问题发生：
Figure A20071005134800061
氮化铝主要吸收波长为2000，是深紫外线波长，阳光幅射到地表几乎没有这个波段，所以氮化铝对于阳光幅射的吸收并不是好的材料。
氮化铝使由人工合成，不是自然界已经存在的材料，氮化铝的备制与取得十分不易。
Figure A20071005134800063
氮化铝于O2、O3与-OH基中使用都有可能被氧化成为白色的氧化铝。
所以氮化铝不可以在高温使用，一般都在150℃以下使用。
由于氮化铝于-OH基中使用都有可能被氧化，所以一般都镀膜于玻璃管外壁，氮化铝收集到的热必须透过热传导极差的玻璃或压克力才可以到达水，玻璃或压克力本身对于热传导是个很好的隔热材料，三氧化铬在此所扮演的角色是「灰体」，「灰体」对热幅射是很好的吸收材料，相对的也是很好的幅射材料，因为玻璃管不能迅速地将三氧化铬吸收的热幅射借着热传导机制转移给流体，热幅射就会快速地逸散于空间之中，集热管就转变成为散热管，造成热的损失。
温度是梯度，而幅射发散速率是由温度梯度分布决定，由于灰体物质与空气直接接触，温度下降极快，水的温度不但会藉由玻璃传导给灰体，也会直接藉由幅射作用送到灰体物质再散发到空气。由于灰体幅射效应，阳光幅射强度降低时，集热管就会转变成为散热管。
传统之加热器通常是使用燃烧器或电热器直接对集热器加温，例如：浴室用热水器通常使用瓦斯对铜管加热，使鱼缸用电热加温棒加热，锅具使用电热丝电炉加热。
发明内容
本发明之主要目的在于提供一种光热灰体集热加热器，利用深色非导电物质作为集热器与加热器模块之结构，利用深色非导电物质作为其灰体幅射集热器与加热器模块。
本发明之次要目的，在于提供一种利用深色非导电物质作为一般燃烧系统或电热系统之集热器与加热器模块之结构，其系利用深色非导电物质或炭聚合物作为其灰体幅射集热器与加热器模块。
本发明之次要目的，在于提供一种利用炭聚合物作为集热器与加热器模块之结构，炭聚合物的多孔特性可以净化水质，保持玻璃管的洁净，增加集热管的使用寿命。
本发明的技术方案：本发明的光热灰体集热加热器主要包括：至少有一电磁辐射透明管和灰体材料，灰体材料置于该透明管之内，该电磁辐射透明管为被加热流体流道管，该管设有被加热流体进出口，透明管内有将灰体材料与透明管隔开的灰体材料约束机构。
所述的光热灰体集热加热器，灰体材料系为杆状、块状或片状材料，置于约束机构内。
所述的光热灰体集热加热器，其灰体材料系选自于各种有机物在高温缺氧条件下制成的非周期性晶格排列的炭聚合物。
所述的光热灰体集热加热器，其灰体材料系为非导电材料深色陶瓷或深色高分子聚合物。
所述的光热灰体集热加热器，其电磁辐射透明管与散热器连通，形成环路，环路上有被加热流体的循环泵。
所述的光热灰体集热加热器，其流体是直接需要加热的任何液体。
所述的光热灰体集热加热器，其流体是混入提高沸点及降低冰点的盐类或有机溶剂的间接传热液体。
所述的光热灰体集热加热器，其电磁辐射透明管是能透过紫外光～微波的电磁辐射透明管。
本发明的优点：
兹就使用传统之加热器与本发明之加热器加热做以下比较：
加热方式     优点     缺点
燃烧瓦斯 1.直接燃烧，结构简单2.质量稳定3.成本低廉 1.燃烧器不能于液体中燃烧，无法直接对液体加热，不能使用于化学槽或鱼池等大型液体槽中2.对易燃性液体使用有导致火灾危险3.只可以直接加热，无法对远方对象加热
电阻加热器 1.直接燃烧，结构简单2.可以直接使用于液体中3.质量稳定4.成本低廉 1.直接与金属流管接触或插入液体中使用会有触电危险，必须加装绝缘2.加装绝缘热传导会变差，增加耗能3.大型水槽有泄漏，电流会不经过电阻直接接通大地，无法加热4.流体会腐蚀电阻是加热器5.易燃液体不可直接插入使用，加热受限
石英加热器 1.直接燃烧，结构简单2.质量稳定 1.石英管遇冷热变化会破裂2.插入液体中直接使用会有触电危险3.易燃液体不可直接插入使用，加热受限
(本发明)灰体(流体)加热器 1.可以间接加热，安全，加热方式不受限制2.加热器不会被腐蚀3.加热器的流体沸点机制可以作为控温机制4.可以使用于化学槽或鱼池等大型液体槽中5.能对远方物件加热，如太阳热发电机、太阳能空调 结构较简单，加热器加工工艺容易，成本低。
附图说明
图1：传统灰体集热管结构；
图2：本发明光热灰体集热加热器加热管结构；
图3：本发明光热灰体集热加热器对水槽给热示意图；
图4：本发明光热灰体集热加热器对电机组给热示意图；
图5：太阳幅射的电磁波谱图。
图中：1是电磁辐射透明管(玻璃或其它透明容器)、2是流体、3是灰体材料、4.是灰体光热吸收器模块、5是热源、6是被加热水或流体、7是水槽或化学反应槽、8是发电机或其它加温、致冷设备、9是吸热器、10是循环泵(pump)、11是散热器、12是约束机构。
具体实施方式
本发明所指作为集热器之中光与热吸收的灰体材料是物理意义上的灰体，因为现实中显少有真正的黑体材料，一般的黑色非导电材料中有许多材料都是灰体材料，由于成本与简化结构需求，所以本发明使用灰体材料作为黑体材料的替代，可以把灰体物质表面加以粗造化，粗造后的灰体材料会更趋近黑体材料，这是对灰体材料的定义。黑炭近乎于灰体，是光的绝佳吸收体。黑炭是碳的同素异形体，黑炭不同于石墨，黑炭内主要是碳的微结晶，是不连续且散乱的微结晶，所以不能导电，电磁波幅射照射在黑炭表面被反射的比例很小，是个物理化学特性稳定、无毒又容易取得的灰体材料。
本发明要使用非结晶的炭做为灰体材料，一般炭生成条件是将有机固态物质在无氧状态下高温制成，常见的有木炭、竹炭、椰子壳炭，木炭、竹炭与椰子壳炭有多孔特性，同时又可以净化水质，且又保持玻璃管的洁净，增加集热管的使用寿命。
需要说明的是：虽然都是黑炭，煤炭也属于木炭、竹炭、椰子壳炭或其它植物木质部分的碳化物，但是煤炭就不是好的黑体材料，由于煤炭是在高温与高压的环境下长时间慢慢生成，所有具有较完整的周期性结晶结构是不适用的黑炭材料，所以并非所有黑炭材料都可以使用。
煤炭与石墨是碳分子在无氧高温高压时慢慢向量排列而成，石墨分子是呈现周期性的六角密堆积(hcp)晶格结构，有光泽，良导体，对于电磁波具有良好的反射性与一定能力的屏蔽力，其晶格结构层与层之间可以滑动，可作为润滑剂使用。而炭是无氧高温状态下快速生成，特别必须注意的是快速生成的炭聚合物，碳分子才会呈散乱非稳定的微结晶排列，常有纤维状杂质，多孔隙，绝缘体，无光泽，对于电磁波才是良好的吸收体。
其中必须被特别注意的是木炭、竹炭与椰子壳炭等黑炭类材料，材质极为松软，是良好的灰体材料，但是材质太过松软，必须使用灰体约束机构。深色陶瓷制品也是极脆易碎的材料，直接加热使用时必须使用灰体约束机构，否则一经流体冲刷就会碎裂化，会严重的污染被加热液体与机组设备。所以使用时必须是杆状、块状或片状黑炭类材料并且加以固定，或使用约束机构把松软的黑炭类材料约束一起，不使松软的黑炭类材料因为移动互相撞击，避免松软的黑炭类材料粉碎，降低材料碎片与粉末污染液体，并且可以使松软的黑炭类材料对液体中存在的污染微物产生吸附能力，可以净化水质，增长吸热管的使用寿命。
下面讨论幅射被灰体(黑体)吸收后的问题通常可以从三方面来讨论：
1.黑体辐射与普朗克的能量子：
光就是某一特定频率范围的电磁波。当物体被加热，它以电磁波的形式散发红外线辐射。当物体继续加热变得炽热，红色波长部分开始变得可见。但是大多数热辐射仍然是红外线，能够达成并可以量度部分灰体光谱。
黑体幅射量子方程是量子力学的第一部分。能量E、辐射频率f及温度T可以被写成：
E = hf e hf kT - 1
h＝6.63×10-27尔格.秒＝6.63×10-34焦耳.秒(普朗克常数)
k＝1.3806505(24)×10-23J/K(玻尔兹曼常数)。
2.光与物质的相互作用-黑体辐射：
黑体是一个理想化的物体，它可以吸收所有照射到它上面的辐射，并将这些辐射转化为热辐射，这个热辐射的光谱特征仅与该灰体的温度有关。普朗克将物体中的原子看作微小的振荡器的灰体辐射的公式，这些原子振荡器的能量不是连续的，而是离散的：
En＝n×h×v，后来方程式被修正为：En＝(n+1/2)×h×v
3.辐射换热(黑体辐射(BlackbodyRadiation))；
黑体辐射定律：Eb＝σbT4
黑度(灰度)：ε＝E/Eb，E＝εEb＝εσbT4
两表面间的辐射换热：有效辐射的概念：J＝εEb+ RG
其中，J：有效辐射，εEb：自身辐射，R：反射率；G：投射辐射
ρ v = 8 πhv 3 c 3 1 exp ( hv / k B T ) - 1 , 或 ρ λ = 8 πhc λ 5 1 exp ( hc / λ k B T ) - 1 ,
其中ρv为辐射能密度(radiant energy density)，v是频率，T是绝对温度，α和β是常数，c是光速。
1.光电效应
通过光照可以从金属中打出电子来，可以测量这些电子的动能。不论入射光的强度只有当光的频率超过一个临限值后才会有电子被射出。被打出的电子的动能随光的频率线性升高，而光的强度仅决定射出的电子的数量。爱因斯坦提出了光的量子的理论来解释。光的量子的能量为：
E＝h×v
光电效应中这个能量被用来将金属中的电子射出(逸出功)和加速电子(动能)：
hv = E Workfunction + 1 2 mv 2
这里m是电子的质量，v是其速度。假如光的频率太小的话，那么它无法使得电子越过逸出功，不论光强有多大。
玻尔模型：电子放射电磁波，不按照麦克斯威的电磁学，而是在两个“稳定状态”的“能阶”之间作“量子跃迁”。这个模型为原子结构和光谱线给出了一个理论原理。玻尔认为电子只能在一定能量En的轨道上运转。假如一个电子从一个能量比较高的轨道(En)跃到一个能量比较低的轨道(Em)上时，它发射的光的频率为hv＝En-Em通过吸收同样频率的光电子可以从低能的轨道跃到高能的轨道上。
2.居量反转(population inversion)：
当灰体物质吸收了高能态的光子(如：紫外线)后，会发生“自发放射”与“激发放射”，被激发处于高能态电子借着电子跃迁可以转变为红外线(热能)或机械能。如果是机械能，根据热力学第一定律(能量不灭原理)就是能量守恒定律，机械能所造成的扰动，最后终将完全转变为热的型态，而转变后的热又被流体所完全吸收。
热力学第一定律(能量不灭原理)就是能量守恒定律：
每个系统都有内能U，它只能通过功W和热Q以能量的形式而改变，即：dU＝δQ+δW
一个封闭系统的能量不会改变。不同的能量形式之间可以相互转化，但是能量既不能凭空产生，也不能凭空消失，充分地说明灰体所吸收的太阳幅射光子几乎是完全转变为热。
事实上，所有的物质吸收到高能态的光子都会幅射出红外线，通过“居量反转”这个非线性光学的解释，就可以解释为何可见光与紫外线可以转化成为热能(红外线、远红外线与机械能震动)。
灰体再将所吸收的光子转化为热，热会经过热交换被流体吸收，成为极佳的热吸收与交换源。灰体物质沉浸于流体之中，所施加于灰体物质之辐射能量几乎是100％都为流体所吸收，否则能量会得不到去处，如此就会违背能量不灭定律，所以高温的灰体材料浸在流体之中，根据温度是梯度分布的理论，高温的灰体物质会将温度迅速地传导给流体，以达到更趋近费米能阶的稳态(基态)，所以灰体不会因为高温而燃烧，或因为热震而碎裂。
下面对于本发明之结构以及部分实施例进行说明：
本发明可使用于燃烧器之集热器和加热器，如热水器的热交换器，功效尤佳，特别是燃烧直接集热加热器与间接集热加热器。
传统式燃烧器加热管使用燃烧瓦斯、石英管或电热丝直接对铜管加热，水于铜管内流通，铜管吸收热源的热幅射后再传导热能给水，并且由水吸收热能，不管使用何者加热源所产生的热能，来源不外是(1)(远)红外线、(2)可见光、(3)近紫外光、(4)被加热的空气与燃烧产生的水蒸汽。
其中(远)红外线、可见光、与近紫外光都是电磁波幅射，而铜管是良导体，对于电磁波幅射是很好的反射体，所以这一部份的反射损耗极大，而这损耗的部分又是热能的主要来源，其中石英管与电热丝(非直接接触式，电热丝直接接触铜管会有触电的危险)根本就是依靠幅射加热，其损耗可见一般。也就是说，铜管所吸收的热源主要是第(4)项：被加热的空气与燃烧产生的水蒸汽，铜管相对于本发明的热吸收材料，是比较没效率的。
如图2：本发明系使用耐热电磁辐射透明管1作为流体流道管，在管内放入黑炭(木炭或竹炭)等灰体材料3，约束机构12将黑炭约束在透明管1的轴心周围，使灰体物料3与透明管1之间有间隔，防止灰体材料3将热量指接传递给透明管1。灰体对于幅射是极佳的吸收体，灰体吸收热幅射之后又立刻直接传导给通过的流体(因为温度是梯度函数，高能阶会传导给低能阶，使高能阶物体更趋近于费米能阶)，使流体升温。
灰体材料还可为非导电材料深色陶瓷或深色高分子聚合物。深色系指任何加有黑色成分的颜色。
其中电磁辐射透明管1可为玻璃管、石英管、陶瓷管、纤维管或高分子聚合管其中之一，只要对电磁辐射波无阻碍即可。
本实施例是流体直接被加热使用，如太阳能热水器，流体是直接被加热的水。即本发明可以制作太阳能集热管乃至太阳能热水器。太阳能集热管有一电磁辐射透明管以及灰体材料，灰体材料置于该透明管之内，该电磁辐射透明管为被加热流体流道管，该管设有被加热流体进出口，可多管串、并连。其它技术与现有技术相同，本发明的要点在于吸热灰体材料置于该透明管之中。
如图3、图4：本发明也可以作为加热源，间接对其它对象加热：
图3中：1是电磁辐射透明管(玻璃、陶瓷、石英、塑料或其它对辐射透明之非导电材质容器)、2是流体、3是灰体材料、4.是灰体光热吸收器模块、5是热源、6是被加热的流体、7是水槽或化学反应槽、10是循环泵(pump)。
该电磁辐射透明管1与辅助散热器11连通，形成环路，环路上有被加热流体的循环泵10。流体2在循环泵10的作用下在环路中流动，通过散热器11将热量传递给水槽7中的被加热水或流体6。或者散热器11直接将热量散发到周围，作为暖气设备。
图4是本发明光热灰体集热加热器对电机组给热实施例：
1是电磁辐射透明管(玻璃或其它透明容器)、2是流体、3是灰体材料、4.是灰体光热吸收器模块、8是发电装置或其它加温、致冷设备、9是吸热器、10是循环泵(pump)、13是热传导管。
该电磁辐射透明管1与作为散热器的热传导管13连通，形成环路，环路上有被加热流体的循环泵10。流体2在循环泵10的作用下在环路中流动，通过热传导管13将热量传递给吸热器9，吸热器9将热能传递给发电装置或其它加温、致冷设备8。如应用于太阳能发电、太阳能制冷等各领域。
现就流体部分举例说明如下：
1.通常使用不具燃烧性的水。
2.为了提高沸点与降低冰点，也可以可混入与水互溶的流体或物质，做成间接加热之加热器，例如：混入盐类或有机溶剂。
i盐类：如盐水的密度不固定(浓度愈大则密度愈大)，且沸腾时沸点不在一定点温度上(温度会持续上升)。一大气压下，纯水沸点100℃，盐类的熔点与沸点都必较高，例如食盐(钠盐)熔点800℃而沸点1465℃，溴化锂(锂盐)的沸点1265℃。故加热盐水时可以使流体的沸点提升，增加集热器得使用范围，而且能大大降低水的冰点。食盐水是导电物质，更可以加速热的传导。
ii有机溶剂：如乙二醇在常温下为无色、无臭、有甜味的粘稠液体。比重1.1132，沸点197.2℃，凝固点-12.6℃，闪点116℃，自燃点412℃，爆炸极限上限3.2％～15.3％(体积)。能与水、乙醇和丙酮混溶，能大大降低水的冰点。
iii乙二醇及食盐水等不冻流体，会增加水的折射率，使光的入射率增加。因为水的折射率为1.33，容器玻璃的折射率为1.5，而食盐水可以提高水的折射率，甚至超过玻璃的折射率，可以大大提高光辐射的入射率与穿透率，使灰体物质可以吸收到更多的光子，提高太阳能使用效率。因为光从光疏物质(玻璃壁)进入光密物质(食盐水)是高透射，相反地，光从光密物质(玻璃壁)进入光疏物质(水)是高反射。
如此组合是可以得到优良的光吸收率与光热转换率。主要是可以得到更高温的热交换热源流体。
电磁辐射透明管是能透过紫外光～红外光的电磁辐射透明管。
阳光中的红外线与远红外线可以直接被木炭吸收经过热交换将热直接交换给「盐水+乙二醇」，因为「盐水+乙二醇」的沸点远超过100℃，所以不只可以作为太阳能热水器的热交换器热源用途，更可以用来驱动各种发电机，作为太阳能发电之用途。
本发明的灰体与流体使用于电磁辐射透明管(玻璃、陶瓷、石英、塑料或其它对辐射透明之非导电材质容器)中，灰体可以不直接与透明管接触，降低热能借助传导作用直接对透明管作无效的加热，灰体沉浸在流体中，灰体发散热幅射也必为流体接受，本发明可以减少热能因为灰体直接发散幅射于空气造成的热能损失。传统的集热管是在管壁镀上氧化铬或氮化铝造出灰体，由于传导作用，集热管内的热水会将热传导到玻璃管，玻璃管再将热传导到灰体，灰体是热幅射的极佳吸收体，同时也是热幅射的极佳发射体，热幅射经由管壁的灰体幅射出去造成热能巨大的损失。
现就本发明吸收太阳能作为实施例进行说明，太阳能量传到地球表面主要是辐射热，现在对包括太阳光在内的各种射线先加以说明：
太阳的光度(Luminosity)，光度即物体所辐射的总能量，太阳光度是4×1026W。可是一秒钟内一个特定面积所接收到的能量称做辐射流量(flux)，地球在一秒钟内一平方米接收到的太阳辐射流量为1370W。地球接收到的能量又叫太阳常数(Solar Constant)，此数值为2cal/cm2/min，意思是在一个天文单位的距离，太阳能量可于一分钟加热一立方米的水2K，这只是太阳光度的一部份。
太阳光的光谱从紫外线UV-B一直延伸到红外线，最长波长约为4,000nm。
不过以能量分布来说见图7：
●主要是在狭窄的可见光线波段，占44％，
●其它则为紫外线占7％，
●红外线占37％，
●远红外线部分占11％。
传统集热器通常只可以吸收红外线与远红外线部分的48％热辐射，对于其它51％的可见光与紫外线因为根本无法转换，因此无法吸收变成可供利用的热源，而且于吸收光子时，又因为通常吸光物质不是粗造多孔隙且非导电性的近乎灰体物质，也使得吸收率大打折扣，是效率很低的集热工具。所以较难在单位面积内聚集较高的能源。
本发明可以应用于燃烧集热加热装置、电热集热加热装置、地热集热加热装置、生物能集热加热与太阳能集热装置装置其中之一。
本发明还可以使用于各式锅具或锅炉受热源部分，不但可以提高对热辐射的吸收能力，并且转换后的热度因为受到流体沸点的限制，更可以确保锅或锅炉具受到的温度控制，保障使用锅具或锅炉的安全。由于沸点的控制，更可以利于使热源保持恒温状态。

Claims (10)

1.一种光热灰体集热加热器，其主要结构包括：至少有一电磁辐射透明管和灰体材料，灰体材料置于该透明管之内，该电磁辐射透明管为被加热流体流道管，该管设有被加热流体进出口，透明管内有将灰体材料与透明管隔开的灰体材料约束机构。
2.根据权利要求1所述的光热灰体集热加热器，其特征在于：灰体材料系为杆状、块状或片状材料，置于约束机构内。
3.根据权利要求1或2所述的光热灰体集热加热器，其特征在于：灰体材料系选自于各种有机物在高温缺氧条件下制成的非周期性晶格排列的炭聚合物。
4.根据权利要求1或2所述的光热灰体集热加热器，其特征在于：灰体材料系为非导电材料深色陶瓷或深色高分子聚合物。
5.根据权利要求1或2所述的光热灰体集热加热器，其特征在于：该电磁辐射透明管与散热器连通，形成环路，环路上有被加热流体的循环泵。
6.根据权利要求1或2所述的光热灰体集热加热器，其特征在于：流体是直接需要加热的任何液体。
7.根据权利要求1或2所述的光热灰体集热加热器，其特征在于：流体是混入提高沸点及降低冰点的盐类或有机溶剂的间接传热液体。
8.根据权利要求3所述的光热灰体集热加热器，其特征在于：流体是直接需要加热的任何液体。
9.根据权利要求5所述的光热灰体集热加热器，其特征在于：流体是混入提高沸点及降低冰点的盐类或有机溶剂的间接传热液体。
10.根据权利要求1或2所述的光热灰体集热加热器，其特征在于：电磁辐射透明管是能透过紫外光～微波的电磁辐射透明管。
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