CN101087980A - 辐射收集器 - Google Patents

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Abstract

本发明描述一种辐射收集器，它至少由一由热塑性塑料制成的多层隔板(10)构成。它包括一第一、第二和第三水平隔板(11、12、13)。这些隔板通过垂直隔板(15)彼此连接，其中，第一水平隔板(11)是透明的，设置在第一和第三水平隔板(11、13)之间的第二水平隔板(12)是吸收辐射的，并且是被打孔的。此外本发明还描述一种用于制造该辐射收集器的方法。

Description

辐射收集器
本发明涉及一种由热塑性塑料制成的太阳能运行的辐射收集器及其制造方法。
空气收集器，也叫做空气加热器是辐射热交换器。利用这种交换器例如吸收未被集束的太阳辐射能，并且部分地将其传递到热交换介质空气或者其它气体。这类辐射收集器或者太阳能收集器例如在低温领域使用。
当前用于太阳能辐射的热空气收集器主要由铝或者其它金属制成的吸收器所形成。其原因在于金属的良好的传导能力。因为从空气到平坦的表面的热传导较小，所以在热空气收集器中太阳热量必须分布到大的表面上(例如分布到吸收器的背面的鳍状物上)。
在具有边界层抽吸和打孔的吸收器的热空气收集器中，人们在追求完全不同的方案。例如在DE 19 820 156 A、DE 2 943 159 A和EP 553893 A中描述了这样一种收集器的结构。
具有孔和边界层抽吸的吸收器相对于背后流动的吸收器具有两种优点：第一，打孔明显改进从吸收器到空气的热传导；第二，通过抽吸来阻止收集器中的对流，通过这一措施大大地降低了从吸收器到装玻璃的热损失，并且为了取得高的效率可不再强制要求使用良好冷却的吸收器(即从吸收器到空气的热传导系数高)。也就是说，在收集器的效率方面，在用于边界层抽吸的吸收器中在吸收器中的热传导起的作用小。因此可以使用极薄的吸收器或者使用具有小的导热能力的吸收器。
现有技术已公开的空气收集器的缺点是，吸收器、框架和护板的重量比较高，因为它们是由金属制成的。
因此本发明的任务是，提供一种由热塑性塑料制成的辐射收集器以及提供一种用于制造这种辐射收集器的方法。这种收集器可以比较简单地生产，也就是技术花费少。
本发明的主题是一种至少包括一以热塑性塑料为基础的多层隔板的辐射收集器，它包括一第一、第二和第三水平隔板，这些水平隔板通过垂直隔板彼此连接，其中，第一水平隔板为透明的，设置在第一和第三水平隔板之间的第二水平隔板是吸收辐射、并且设置有孔。
优选地是一种辐射收集器，它的特征在于，水平隔板和垂直隔板形成至少两列重叠且并列设置的腔室，这些腔室彼此隔开，并且可以使载热气体、特别是空气流过。
在一种优选的实施方式中，所述重叠的腔室通过许多孔彼此连接。
一种特别优选的辐射收集器的特征在于，这些腔室在它们的端部处是关闭的，并且位于第二水平隔板上的腔室具有至少一个用于一种载热气体的进口，并且设置在第二水平隔板下面的腔室具有至少一个用于已被加热的载热气体的出口。
辐射收集器的另一种优选的方案的特征在于，这些腔室和一在必要时设置在一唧送泵回路中的风扇连接，并且特别是在腔室的出口的后面连接着一热交换器。
这些腔室优选地具有0.25到3600毫米2的横截面。
在由挤压模塑法制成的多层隔板中水平隔板也有时简单地叫做带，垂直隔板简单地叫做连接片。本发明的另一主题是提供一种用于制造根据本发明的辐射收集器的方法，其中，在第一步骤中借助对透明的且吸收辐射的塑料的共挤压形成一种具有至少一个第一、第二和第三水平隔板，且这些隔板通过垂直隔板彼此连接的多层隔板，它的第二水平隔板包含有吸收辐射的塑料；在第二步骤中激光束穿过第一水平隔板地对准第二水平隔板，并且第二水平隔板借助激光束打孔，并且设置多个孔。
新的辐射收集器例如由一种多层隔板构成。这种多层隔板在现有技术中已完全公开。优选使用的多层隔板具有至少三层优选地彼此平行设置的水平隔板。这些水平隔板通过优选地与之垂直设置的垂直隔板彼此连接。垂直隔板优选地彼此平行设置。这样就出现了至少两层重叠设置且并列的长方形的腔室。当辐射收集器运行时空气或者其它气体流过这些腔室。水平隔板和垂直隔板可以具有相同或者不同的厚度。它们优选地具有0.2至2毫米的厚度。第二水平隔板的壁厚在打孔区域(例如激光打孔)优选地设计为0.2至0.5毫米。垂直隔板的高度为3至50毫米。垂直隔板的高度决定腔室的高质。这个高度可以设计成相同的或者不同的。优选地垂直隔板朝多层隔板中间要比隔板的边缘区域低，以便在太阳光侧射时将自身的阴影最小化。
辐射收集器的吸收层的孔的直径优选地为0.1至1.2毫米，特别优选地为0.2至0.5毫米。
第一水平隔板对于待吸收的辐射是透明的。在波长范围400至1300nm的透射系数优选地至少为60％。在辐射收集器运行时透明的水平隔板面朝太阳。太阳光线通过第一水平隔板射到形成吸收表面的第二水平隔板上。
设置在第一和第三水平隔板之间的第二水平隔板是吸收辐射的，也就是说在400至2500nm的波长范围内他特别地具有至少为80％的吸收能力。具有比较高的吸收能力的第二水平隔板在辐射收集器运行时必须能尽可能多地吸收太阳光。为此，第二水平隔板例如用一种黑色化合物进行染色和/或涂层。将第二水平隔板染成黑色例如可以通过印上黑颜色，用黑铬或者黑铝进行涂层，或者用合适的颜料、优选是炭黑对塑料物质进行直接的染色达到。第二水平隔板在下面也被称作吸收表面。
在可见的波长范围内第二水平隔板的直到20％的部分透明度可通过在红外波长范围内的有或者无反射能力的化合物达到，或者例如以一种附加层的形式和这样一种化合物相组合达到。然后该辐射收集器也适合用于例如在建筑物外壳中的部分透明的玻璃板部件。
在一种优选的实施方式中，第二水平隔板在工作时的面向太阳的一侧具有一择优的吸收层。在这种情况中，第二水平隔板用一种或者多种化合物进行涂层。这些化合物在红外波长范围内具有至少70％的反射能力。若第二水平隔板染成黑色，和/或附加地有黑色化合物的涂层，则这种具有高的反射能力的化合物在红外波长范围内对于可见光来说可以有很强的透光性。这样一些化合物的实例是氧化铟-氧化锡(ITO)、氧化锌(ZnO)和氧化锡(SnO)。红外波长范围应理解为800nm以上的波长范围。
第二水平隔板被打孔。打孔表面占第二水平隔板的整个表面的比例特别是最大为3％，优选地最大为1％，特别优选地为0.1至0.4％。
第三水平隔板可以是透明的或者吸收光的，例如被染色和/或被涂层。在辐射收集器运行时这个水平隔板是背朝太阳的。
也可附加地设置几层并列的腔室。为此设置其它的水平隔板，这些水平隔板又是通过垂直隔板彼此连接。例如可在第三水平隔板的下面设置一第四水平隔板。通过这一措施出现了一第三层的并列的腔室。当辐射收集器运行时这个第三层背朝太阳光。这个第三层的腔室用作绝缘腔室。
多层隔板特别是在两个彼此对置的侧面是敞开的，也就是说这两个垂直于水平隔板和垂直隔板的表面是不受限制的。这样气体就可流过多层隔板的这些腔室。
用垂直隔板封闭其余两个彼此对置的侧面，并且因此不是敞开的。多层隔板可以在两个不敞开的侧面设置一种槽-榫系统，例如在DE10 304 536 A和WO 2004/070287中所描述的。
位于第一和第二水平隔板之间的第一层腔室是朝向太阳的。这些腔室在下面也称之为吸收腔室。位于第二和第三水平隔板之间的第二层腔室是背向太阳的。这些腔室在下面也称之为收集腔室。当辐射收集器运行时两层腔室注入载热气体或者气体流过这些腔室。优选地气体为空气。此外也可以使用其它的气体或者不同气体的混合气，例如具有比空气高的热容量的气体，例如氩气。将冷气体(温度在-10到-30℃的范围内)引入到被太阳照射的吸收腔室中。从那里气体通过第二水隔板的孔进入到紧靠其北面设置的收集腔室中。在穿过这些孔时该气体被加热。被加热的气体从收集腔室流出。
根据本发明的辐射收集器的多层隔板是由热塑性塑料制成。适合的特别是用于第一水平隔板的透明的热塑性塑料的例子是聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯、聚乙烯、聚对苯二甲酸乙二酯、聚氯乙烯和热塑性聚氨酯。可替代地通过多层挤压方法为第二水平隔板(吸收表面)和/或第三水平隔板(也就是背向太阳的表面)使用不同于透明的塑料，例如聚丁烯-对苯二甲酸脂、聚苯乙烯、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)共聚物、热塑性聚氨酯或者聚碳酸酯和ABS的混合物。
现有技术已完全公开了通过挤压制造多层隔板的方法。
按照根据本发明的方法激光束穿过第一水平隔板地对准第二水平隔板，借助激光束对该隔板打孔。该激光束的波长优选地在800至1200nm。例如二极管激光机或者Nd:Yag激光机适合用作此激光机。为此第一水平隔板的透明度必须如此地大，即激光束能基本上顺利地穿透该隔板。然后才由第二水平隔板吸收该激光束。通过激光的能量局部地烧穿第二水平隔板的材料，如是就出现了一孔。激光能优选地为10至100瓦。
借助激光可在第二水平隔板中产生许多孔。这可串联式地或者连续式地进行。
优选地在借助激光束打孔时从多层隔板的两个敞开的一侧对第一和第二水平隔板之间的上层腔室提供压缩空气。由于气流流过这些腔室从而吹走了在激光照射出现的燃烧残渣，这样，这些残渣就不会沉积在多层隔板的壁上。
优选地根据本发明的方法直接在挤压多层隔板之后进行，这样就可在一工序中完成对多层隔板的挤压和打孔。为此例如如此地在挤压喷咀的后面设置一到激光束，即在多层隔板从挤压喷咀出来时激光束穿过第一水平隔板地对准第二水平隔板。
下面借助附图对根据本发明的方法进行更详细的说明。
这些附图是：
图1：根据本发明的辐射收集器的侧向横截面图；
图2：具有泵唧回路的图1的辐射收集器的运行情况简图。
实施例：
图1示出一具有一第一、第二和第三水平隔板11、12、13以及垂直隔板15的多层隔板10。所述垂直隔板15基本垂直于水平隔板11、12、13。在两个彼此对置的侧面上，即在两个垂直于水平隔板和垂直隔板的平面18、19上，该多层隔板是敞开的。第一水平隔板11是透明的。这样激光束20就能穿过第一水平隔板11地对准第二水平隔板12。在图1中通过箭头20表示激光束的方向。激光束20穿透第一水平隔板11，并且被例如涂有炭黑的第二水平隔板12吸收，并因此产生孔1。
将这样一种多层隔板用作太阳工作的辐射收集器，即它具有一第一水平隔板11(也就是面向太阳的透明的水平隔板)，它由聚碳酸酯(Makrolon DP 1-1853：Fa.Bayer Material Science AG，德国)制成，并且外面涂有一层由Makrolon DP1-1816(Fa.Bayer Material ScienceAG，德国)制成的紫外线保护层；并具有一第二水平隔板12(也就是吸收表面)，该水平隔板由不透明的Makrolon 9415(Fa.Bayer MaterialScience AG.德国)制成。吸收表面涂有炭黑。
用波长为1064nm的Nd:Yag激光机对吸收表面进行打孔。这些孔1占整个表面的比例为0.1％，其中孔1的直径为0.3至1毫米。
图2示出按照图1的辐射收集器用作具有热体载空气的太阳能收集器的情况。在这种情况中，太阳辐射2穿过透明的第一水平隔板11射到用作吸收器的第二水平隔板12上。在此形成热量。同时通过进口3通过一抽吸装置5将空气输送到收集器中，并且如此地穿过收集器，使得空气引导通过激光打的孔(孔1)而被输送到出口4。为此腔室8、8a在端部9和9a处必须是封闭的。总体形成一种空气-泵回路6，它可设计成敞开的或者关闭的，将已加热的空气输送到热量使用器7上。

Claims (15)

1.至少包括一以热塑性塑料为基础的多层板(10)的辐射收集器，具有至少一个第一、第二和第三水平隔板(11、12、13)，这些水平隔板通过垂直隔板(15)彼此连接，其中，第一水平隔板是透明的，并且设置在第一和第三水平隔板(11、13)之间的第二水平隔板(12)是吸收辐射的、并且设置有孔(1)。
2.按照权利要求1所述的辐射收集器，其特征在于，在第二水平隔板(12)的整个表面上孔表面所占比例最大为3％，优选地最大为1％，特别优选地为0.1至0.4％。
3.按照权利要求1或2的任一项所述的辐射收集器，其特征在于，水平隔板(11、12、13)和垂直隔板(15)形成至少两列重叠且并列设置的腔室，这些腔室彼此隔开，并且可以使载热气体、特别是空气从中流过。
4.按照权利要求3所述的辐射收集器，其特征在于，所述重叠的腔室(8；8a)通过许多孔(1)连接。
5.按照权利要求3至4的任一项所述的辐射收集器，其特征在于，所述腔室(8；8a)在它们的端部处是关闭的，并且位于第二水平隔板(12)上方的腔室(8)具有至少一个用于一种载热气体的进口(3)，并且位于第二水平隔板(12)下方的腔室(8a)具有至少一个用于已被加热的载热气体的出口(4)。
6.按照权利要求3至5中任一项所述的辐射收集器，其特征在于，这些腔室(8；8a)和一在必要时设置在一唧送泵回路(6)中的风扇(5)连接，并且特别是在腔室(8；8a)的出口(4)的后面连接一热交换器(7)。
7.按照权利要求1至6中任一项所述的辐射收集器，其特征在于，水平隔板(11、12、13)具有0.2至2毫米的厚度。
8.按照权利要求1至7中任一项所述的辐射收集器，其特征在于，垂直隔板(15)具有3至50毫米的高度。
9.按照权利要求1至8中任一项所述的辐射收集器，其特征在于，特别是第一水平隔板(11)的热塑性塑料是从下列材料中选出的一种塑料：聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯、聚乙烯、聚对苯二甲酸乙二酯、聚氯乙烯和热塑性聚氨酯。
10.按照权利要求1至9中任一项所述的辐射收集器，其特征在于，第二水平隔板(12)和/或第三水平隔板(13)的热塑性塑料是从下列材料中选出的一种塑料：聚丁烯-对苯二甲酸脂、聚苯乙烯、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)共聚物、热塑性聚氨酯、或者聚碳酸酯和ABS的混合物。
11.按照权利要求1至10中任一项所述的辐射收集器，其特征在于，第二水平隔板(12)包含炭黑。
12.按照权利要求1至11中任一项所述的辐射收集器，其特征在于，孔的直径为0.1至1.2毫米，优选为0.2至0.5毫米。
13.按照权利要求1至12中任一项所述的辐射收集器，其特征在于，在收集器的侧面对准纵向腔室(8；8a)地设置槽部件和榫部件，这些部件使两个或者多个收集器的侧向拼合成为可能。
14.制造按照权利要求1至13中任一项所述的辐射收集器的方法，其特征在于，在第一步骤中借助对透明的且吸收辐射的塑料的共挤压成形一种具有至少一个第一、第二和第三水平隔板(11、12、13)的多层隔板，这些水平隔板通过垂直隔板(15)彼此连接，其第二水平隔板(12)包含吸收辐射的塑料；在第二步骤中激光束穿过第一水平隔板(11)地对准第二水平隔板(12)，并且第二水平隔板(12)借助激光来打孔，并且设置多个孔(1)。
15.按照权利要求8所述的方法，其特征在于，激光束具有在800至1200nm波长范围内的波长。
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