CN101307623B - 用于外墙面的选择性太阳能隧道 - Google Patents

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Abstract

一种用于外墙面的选择性太阳能隧道，由可吸收保温气体的聚光体，设在聚光体底部的吸热板和将聚光体密封的透明顶盖构成。依据太阳高度角的不同产生选择性反射，冬季太阳高度角低，光线被全部反射入太阳隧道内部，其辐射能被转化为热能；春、夏、秋三季，特别是夏季，太阳高度角高，光线被全部反射出隧道，不吸收热量。其结构简单，无运动部件，成本低廉。将多个选择性太阳隧道成阵列嵌入建筑砌块、保温砖、外墙板等外表面，可以方便、美观地制成各种选择性建筑构件，运用这些构件建成的建筑物可以在冬季吸收太阳能，降低甚至完全承担采暖热负荷；夏季可以抑制建筑接受太阳辐射，而且保温隔热，从而降低空调热负荷，大幅度降低建筑能耗，节约能源。

Description

用于外墙面的选择性太阳能隧道
技术领域
本发明涉及建筑节能领域，尤其是涉及一种用于外墙面的选择性太阳能隧道。
背景技术
随着人类对居住环境要求的不断提高，建筑能耗也呈不断增长的趋势。发达国家统计资料显示，建筑能耗可占国家总能耗的四分之一至三分之一，因此建筑节能被提上了各国政府和学者的议事日程。
西方发达国家大规模开展建筑节能已持续了三十多年，如今高舒适度、低能耗住宅已相对普遍，欧洲已成为世界上居住品质最高、最科学的地区。同时西方发达国家的建筑节能内容一直在不断更新：最初强调建筑节能，后来又强调在建筑中保持能源、减少热损失，上世纪90年代重点为提高建筑中的能源利用率。进入21世纪后建筑节能的主要内容是建筑能源的可持续性。我国的经济发展一度采取以资源高消费和牺牲环境为代价的粗放型增长模式，建筑节能领域与西方发达国家相比有很大差距。随着近年来我国能源供应短缺问题日益凸显、能源成本不断提高，建筑节能问题的解决已经刻不容缓。
利用太阳能降低建筑能耗的思路早已有之，但在太阳能热利用方面仍存在一些困难：
(1)太阳集热器与建筑一体化的问题不易解决，集热器的布置如何与建筑的外观良好融合、集热器如何实现建筑构件化等一些列问题目前仍需要大量的理论研究和实践探索；
(2)成本偏高，目前太阳集热器不但独立于建筑构件额外制作，而且还要消耗大量金属，由此带来的高成本限制了太阳能热利用的规模；
(3)太阳集热器对太阳的吸收没有选择性，被动式太阳集热系统夏季会的过热的问题不易解决，额外增加了建筑能耗。主动式系统则难以避免系统复杂带来的成本进一步提高；
发明内容
技术问题：本发明的目的是提供一种便于实现与建筑一体化的，在无任何环境污染的条件下，大幅度降低建筑能耗，节约能源，具有“冬暖夏凉”特点的用于外墙面的选择性太阳能隧道。
技术方案：本发明用于外墙面的选择性太阳能隧道，由聚集有保温气体的聚光体，设在聚光体底部的吸热板和将聚光体密封的透明顶盖构成。
所述的聚光体上下内表面为接收光线或反射光线的抛物面，左右两侧面为垂直平面，聚光体与透明顶盖的结合面和与吸热板的结合面为方形；所述的聚光体内表抛物面敷有一层反射光线的铝膜反光材料；所述聚光体的方形端口边长为20～50mm；所述吸热板由基板和附着在基板上的吸热层构成；所述吸热层的材料为黑镍、或黑铬、或阳极氧化铝。
本发明的有益效果：依据太阳高度角的不同产生选择性反射，由于冬季太阳高度角低，阳光入射角小于吸收半角，光线被全部反射入太阳隧道内部，其辐射能被转化为热能；春、夏、秋三季，特别是夏季，太阳高度角高，阳光入射角远大于吸收半角，光线被全部反射出隧道，不吸收热量；隧道内封装的气体可以抑制隧道内部和外部的传热，这一特性在冬季可以提高选择性太阳能隧道的太阳集热效率，夏季可以减小外界对内部的传热，形成“冬暖夏凉”的效果。以正午12时的最大太阳高度角作为吸收半角设计选择性太阳能隧道(Selective Solar Tunnel简称为SST)，则其间太阳光的入射角恒小于吸收半角，因此可保证这段时间内的太阳光线都能到达选择性太阳隧道的吸热板，加之其内部封装流体的保温作用，从而达到太阳能采暖的目的。而在非采暖期，除早晚太阳刚升起和落下时的高度角外(一般时间较短，且太阳辐射值也较小)太阳高度角都将大于选择性太阳隧道的吸收半角，太阳光线会被反射面反射出选择性太阳隧道，阻止了光线到达吸热板，特别在夏季，太阳高度角会很快上升到一个较大的值，这样太阳光线很难进入到选择性太阳隧道内，加之其内部封装流体的阻热作用，可以显著地防止建筑升温。选择性太阳能隧道结构小巧，开口尺寸通常小于50mm，形成的隧道结构可以抑制内部气体的自然对流，减少对流传热量。因此起到隔热的作用。这一特点在冬季可以提高选择性太阳能隧道的太阳能集热效率，夏季可以较少建筑得热。选择性太阳隧道内部结构简单，无任何运动部件，成本低廉。将多个选择性太阳隧道成阵列嵌入建筑砌块、保温砖、外墙板等外表面，可以方便、美观地制成各种选择性建筑构件，运用这些构件建成的建筑物可以在冬季吸收太阳能，降低甚至完全承担采暖热负荷；夏季可以抑制建筑接受太阳辐射，而且保温隔热，从而降低空调热负荷。运用选择性太阳隧道技术便于实现与建筑一体化，在无任何环境污染的条件下，大幅度降低建筑能耗，节约能源。
附图说明
图1是本发明的选择性太阳能隧道结构主视图；
图2是本发明的选择性太阳能隧道结构左视图；
图3是本发明的选择性太阳能隧道光学原理示意图；
图4是本发明的选择性太阳能隧道光学系统计算图；
图5是本发明实施例示意图。
图中：1-透明顶盖，2-聚光体，3-吸热板，4-保温气体，5-空心砖，6-隧道单元。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作进一步描述：
图1所示，选择性太阳能隧道(SST)由透明顶盖1，聚光体2和吸热板3构成，透明顶盖1密封在聚光体2的顶部，吸热板3固定在聚光体2的底部，形成密闭空间的聚光体2内聚集有保温气体4。透明顶盖1的作用是让太阳辐射透过，阻止吸收表面的红外辐射和减少对流损失，从而保证选择性太阳隧道的聚光体2具有较好的绝热性能。聚光体2的上下内表面是抛物面，左右是垂直平面，其内表面涂(镀)有镀铝薄膜反光材料，其作用是将小于吸收半角θ的光线汇集在吸热板3上，而将大于吸收半角的光线反射出选择性太阳隧道聚光体2外；聚光体2与透明顶盖1的结合面和与吸热板3的结合面为方形，图2所示为聚光体2与透明顶盖1的结合面的左视图，其方形端口边长为20～50mm。吸热板3由基板和涂(镀)在基板上的太阳能吸热层构成，基板可以是金属的，也可以是非金属的，吸热层材料为黑镍、或黑铬、或阳极氧化铝、或者是多层磁控溅射选择材料如Al-C-N-Al，作用是将所吸收到的太阳能转换成热能，并把热能传递给室内空气。保温气体4封装于透明盖板1、聚光体2、吸热板3之间的空间内，冬季利用流体的保温性能，减少室内向外界传递热量，夏季利用流体的隔热性能，阻止外界热量进入室内。
图3所示，对于选择性太阳隧道，以最大入射半角θ入射的所有光线，都必须从吸热板3的边缘出射。也就是说，入射光束中的最外侧光线也应是吸热板的最外侧光线。众所周知，轴平行于入射半角θ方向上，焦点在P的抛物线就能实现这个要求。通过入射孔径d1和最大入射半角θ就可以完全确定了复合抛物面的形状。
根据以上原理，就可以设计出选择性太阳隧道的光学系统。剖面线部分为选择性太阳隧道的纵截面，设d1是入射光线的进口口径，d2是吸热板口径，l是CPC的长度，θ为接收半角，抛物线a为选择性太阳隧道的一支，F为焦点。以抛物线的对称轴为y′轴，以抛物线顶点o′为原点，建立直角坐标系x′o′y′，则其满足的方程在直角坐标系x′o′y′中表示为：
x′＝-y′2/4f
式中oF＝f为焦距。
设Q点在ox′y′坐标系中的坐标为(x′0，y′0)，则
y′0＝d2sin(90°-θ)＝d2cosθ
x′0＝y′0 2/4f＝d2 2cos2θ/4f
由几何关系，选择性太阳隧道的焦距为：
f＝(d2/2)2cos2θ/f+d2sinθ＝d2/2(1+sinθ)
选择性太阳隧道的长度：
l＝1/2(d1+d2)ctgθ
选择性太阳隧道截面型线(抛物线)方程：
y′＝x′2/4f＝x′2/[2d2(1+sinθ)]
利用光线跟踪法，很易了解选择性太阳隧道对光线的选择性。当太阳直射平行于抛物线的主轴时(入射角θi＝θ，θi为入射光线与选择性太阳隧道对称轴之间的夹角)，光线将被汇集至其焦点F，如附图4(a)；当入射角θi小于θ，则由附图4(b)可知，入射光线将直接射到或被反射板反射后到齿选择性太阳隧道的吸热板；当入射角θi大于θ，如附图4(c)，入射光线在第一次反射后将到达焦点F的上方，最终将返回选择性太阳隧道的开口而不能到达吸热板上。
由此可见，如果抛物线是理想的，投射在选择性太阳隧道开口上的±θ之间的光线都将被汇集到吸热板3上，而在这一角度范围之外的所有光线将最终被反射回外部空间中，也就是说，该光学系统对具有一定入射角的光线具有选择性吸收效应。
综上所述，选择性太阳隧道中接收半角θ是一个关键的参数，它的大小直接决定了对光线的接收范围。
太阳高度角是太阳光线同水平面(地平面)的夹角。当选择性太阳能隧道(SST)正南水平放置，太阳高度角即为太阳光进入选择性太阳隧道的入射角。一天中，太阳高度角是在不断变化的。日出日落的时候，太阳正好在地平线上。这时，太阳高度角就是零度。等到正午(地方时12点)的时候，太阳升到最高。这时，太阳高度角达到一天最大值，被称为正午太阳高度角。一年中，每天同一时刻的太阳高度角也是在不断变化的，夏天的太阳高度角明显大于同一时刻冬天的太阳高度角。而且夏天的太阳高度角有这样一个特征，在日出后的很短时间内可以很快达到较大的太阳高度角。
由此，若以本地的集中供暖期(以徐州为例12月初～次年2月底)，正午12时的最大太阳高度角作为接受半角θ设计选择性太阳隧道，则其间太阳光的入射角θi恒小于接受半角θ，因此可保证这段时间内的太阳光线都能到达选择性太阳隧道的吸热板，加之其内部封装流体的保温作用，从而达到太阳能采暖的目的。而在非采暖期，除早晚太阳刚升起和落下时的高度角外(一般时间较短，且太阳辐射值也较小)太阳高度角都将大于选择性太阳隧道的接收半角θ，太阳光线会被反射面反射出选择性太阳隧道，阻止了光线到达吸热板，特别在夏季，太阳高度角会很快上升到一个较大的值，这样太阳光线很难进入到选择性太阳隧道内，加之其内部封装流体的阻热作用，可以显著地防止建筑升温。
图5所示，为选择性太阳隧道具体的实施例，在生产空心砖的过程中，将选择性太阳隧道组成集热器阵列，即将多个选择性太阳隧道单元6直接嵌在空心砖5的材料中，图5(a)所示，形成具有选择性的太阳能集热砖图5(b)所示。集热砖堆砌起来形成了一面选择性太阳能集热墙，达到了太阳能与建筑一体化的目的。与建筑物一体化结合的时候，空心砖5并不是选择性太阳隧道的唯一应用载体，选择性太阳隧道还可以嵌入多种建筑外墙板形成各种太阳能选择性集热功能建材。
选择性太阳隧道的光学结构简单，无须任何机械调节，就可以完成选择性功能，因此成本也很低廉。运用阵列完成太阳集热的结构使得个别选择性太阳隧道的破损对整体系统的影响很小。
由前述选择性太阳能隧道的光学原理可知，春、夏、秋三季光线被反射出选择性太阳隧道后并不是朝同一方向发射，而是产生多方向的散射，这样可以有效避免光污染的产生。也正是由于选择性的特点建筑物外墙运用选择性太阳隧道技术后还会产生变色的效果，在冬季嵌入选择性太阳隧道的墙体看上去颜色深，在夏季颜色变浅。

Claims (1)

1.一种用于外墙面的选择性太阳能隧道，包括聚集保温气体(4)的聚光体(2)、设在聚光体(2)底部的吸热板(3)，吸热板(3)由基板和附着在基板上的吸热层构成，吸热层材料为黑镍或黑铬或阳极氧化铝吸热层，聚光体(2)的顶部设有将其密封的透明顶盖(1)，其特征在于：所述的聚光体(2)上下内表面为选择性反射光线的抛物面，左右两侧面为垂直平面，聚光体(2)内表面有镀铝薄膜反光材料，聚光体(2)与透明顶盖(1)的结合面和与吸热板(3)的结合面为方形，所述聚光体(2)的方形端口边长为20～50mm。
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