CN101353923A - 铝合金免焊接兼屋面瓦太阳能集热器 - Google Patents

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Abstract

一种铝合金免焊接兼屋面瓦太阳能集热器，其集热板与热交换容器合为一体，是横断面为上弧下平半圆管状的，并排连接多个的铝合金排管型材，其向阳面涂敷选择性吸热涂层；设在两端与排管型材连接的输水管道，是分成上下两部分的有排管型材接口的金属输水管道；排管型材和输水管道之间、输水管道上下两部分之间用螺栓连接紧固，用密封胶密封；排管型材和输水管道上面是玻璃盖板，下面是保温层，边框在四周将集热器合围成封闭的整体，并在玻璃盖板平面上四向外延出边条，左右边条再向上凸起，使集热器兼备大块保温屋面瓦功能。具有集热效率高、造价低、使用寿命长、基本免维护、与建筑一体化、利于规模化生产等特点。

Description

铝合金免焊接兼屋面瓦太阳能集热器
(一)技术领域
本发明涉及一种太阳能集热器
(二)背景技术
太阳能利用是节能建筑的发展方向。传统太阳能集热器主要有平板型集热器和真空型集热器两大类。存在的主要问题：一是没有生产出高效低价的集热器致使推广速度缓慢；二是因工艺材料可靠性低导致维护困难；三是太阳能集热器的结构功能与建筑的结构功能不能妥善结合。
传统的平板型太阳能集热器为提高热传递速度，使用铜材较多，制作工艺采用铜焊、电阻焊、超声波焊、高频焊、铜铝复合等，要求做到金相结合以减少热阻。这种平板型太阳能集热器优点是吸热效率和热传递效率较高，但需要进一步提高；缺点是因焊接工艺要求而需要加厚材料、焊点易锈而增加维修缩短使用寿命、造价高、容水量大时整体性能下降等，适合于小规模使用，如家用热水器等。
全玻璃真空管型太阳能集热器在室外使用被损坏的概率较大，一根管损坏即导致整个系统停止工作，因此又开发出金属-玻璃结构真空管型太阳能集热器，即热管-玻璃真空管和U形管-玻璃真空管两类集热器，提高了产品运行的可靠性，也进一步提高了产品造价。各类玻璃真空管型太阳能集热器生产成本均较高，使用时采用紧密排列会成倍提高造价且加工困难，多数采用真空管间隔排列并在管下部设反光板的作法，但灰尘和污垢对反光效果影响极大，需经常维护，较之传统平板型太阳能集热器，更不适合大规模使用。
(三)发明内容
本发明的目的是提供一种不需使用焊接工艺制造的铝合金太阳能集热器兼屋面瓦，针对传统太阳能集热器存在的缺点，主要解决的技术问题有：提高集热效率、降低产品造价、免除复杂焊接工艺、减少甚至免除维护需要、延长产品使用寿命、增加与建筑一体化的建材功能、采用有利大规模工业化生产的制造工艺。
本发明的目的是这样实现的：这种铝合金太阳能集热器主要包括从受光面向后依次排列组装的外壳、主集热器件和保温层，外壳主要包括盖板和边框。主集热器件包括集热板、热交换容器和输水管道，其特征在于：
盖板是强化耐热的透光玻璃板；
边框的作用除了对玻璃盖板、主集热器件和保温层等合围固定外，其独特之处是在玻璃盖板平面上四向外延出扁平边条，左右两侧边条再向上凸起，使集热器兼备大块保温屋面瓦功能。
集热板与热交换容器合为一体，是横断面形状为上弧下平呈半圆形的，并排连接多个的，挤压工艺成型的金属排管型材，其半圆管中间有加强肋，排管分组，每组数根，各组排管之间有供螺栓穿孔固定的条形平面，其金属排管型材的向阳面涂敷选择性吸热涂层；
输水管道连接金属排管型材，设在上下两端，是由输水管道盖板和输水管道水槽上下两部分组成的，有金属排管型材接口的，冲压工艺成型的金属输水管道；
金属排管型材和输水管道之间、输水管道上下两部分之间用螺栓连接紧固，用密封胶粘剂密封；由此组成的主集热器件安装在透光玻璃盖板和保温层之间的空间内。
上述边框用铝合金或塑料制成，设有灌注密封胶的边条夹空，在做边框拼角安装时可往边条夹空里局部灌注密封胶，以实现防雨功能。
上述集热板与热交换容器合为一体的金属排管型材为铝合金型材，其横断面形状可为连续半圆形、梯形或三角形空心管，管中可有一至二个加强肋或无加强肋，其型材壁厚可以为0.5mm或0.3～1.8mm之间的一个厚度。
上述选择性吸热涂层可以是铝-氮/铝涂层、铝-氮-碳选择性吸收膜、真空溅射黑色金属镀层或电化学转化膜。
上述金属输水管道为符合冲压工艺要求的铝合金板材或黑色金属板材。
上述使用的密封胶粘剂为平面密封胶或特种胶粘剂。
上述保温层可以是聚氨酯发泡制品、矿棉制品或发泡聚苯板。
太阳能集热器的工作原理：阳光透过透光玻璃盖板照射在表面涂有选择性吸热涂层的集热板上，集热板吸收太阳辐射能量后，通过热交换容器加热容器内的导热工质，经输水管道输出供使用。透光盖板允许阳光通过，与保温层共同阻止热量散失，形成集热器内的温室效应。集热面积和热交换面积的大小、热传递距离长短和速度快慢等因素关系集热器效率高低，是本发明重点关注与利用的规律之一部份。
本发明与现有传统技术相比具有的有益效果：
1、集热效率提高。本发明采用受光面为连续圆弧形的集热板，使受光面积增加，吸光率提高；采用集热板与热交换容器合为一体的薄壁铝合金排管型材，使热交换面积与集热面积同样大，热量通过铝金属大面积传递给流体导热工质的距离仅有0.5mm左右，速度极快。这样就通过增大热吸收和热交换面积，缩小热传递距离，明显提高了集热效率。
2、产品造价降低。本发明因没必要使用贵重的铜材，不采用复杂的焊接工艺，所以其集热板与热交换容器可以选用壁厚仅0.5mm的薄壁铝合金排管型材，进行简单的组装生产，使材料费用减少，人工成本降低。
3、工艺技术可靠。本发明采用挤压铝合金排管型材与冲压铝合金输水管道之间涂胶密封、螺栓紧固技术是关键的工艺环节。这种近似法兰安装的方法，主要涉及挤压、冲压部件的加工精度、公差与配合、密封胶最大填充间隙等问题。现在挤压和冲压工艺的加工精度很高，根据本发明部件的形状、尺寸等特点，采用挤压和冲压工艺加工的排管型材和管道部件的公差均可在±0.3mm以下，平面密封胶最大填充间隙为6mm，可富富有余地实现关键环节的填充密封。
4、产品质量高，维护要求低，使用期限长。本发明采用螺栓紧固密封胶密封工艺替代焊接工艺，充分利用现代密封胶的优异性能，可多方面提升集热器质量。传统平板型集热器最大系统承受压力0.6Mpa、导热系统故障时集热器内温度最高可达220℃。平面密封胶性能达到：拉伸强度1.5Mpa、剪切强度1.5Mpa、耐压性12Mpa、使用温度-60～250℃，可以满足太阳能集热器的最大承受压力和极限温度要求，而且耐候性好，使用寿命长达50年以上。这种螺栓紧固、密封胶密封工艺应用，可使集热器最容易出现泄漏事故的脆弱部位长期保持稳定可靠，在少维护甚至不维护的情况下，让使用期限达30～50年，达到传统集热器15年使用期限的2～3倍是可以实现的。
5、生产效率高，组装工艺简单，利于大规模工业化生产。本发明采用的挤压工艺生产排管型材和冲压工艺生产管道部件，都是现代工业化生产技术，尤其冲压工艺每分钟可生产几十甚至几百个部件效率很高。组装工序主要是涂胶和紧固螺栓，均可使用专用工具，简单易行，如大规模生产，容易设计装备自动化或半自动化工业生产线。
6、兼备与建筑一体化的屋面瓦功能。本发明通过集热器边框的延伸变化，使集热器同时成为一大块具有保温隔热功能的屋面瓦，实实在在、简便易行地成为一种建筑构件，恰当地实现了与建筑一体化，大面积铺装既利用了太阳能，又大量节省了平瓦和保温隔热材料。
本发明的屋面瓦功能可以根据不同的使用需要添加或省略。
7、综合效益显著。本发明可为居民提供一家一户式的太阳能热水服务，但更主要是立足于节能建筑的整体设计建造。一栋至多栋建筑统一利用太阳能发电、供热是今后的发展方向。建筑需要能源量很大，屋面资源尤其是楼房的屋面资源非常宝贵。一种好的与建筑一体化的太阳能集热器要有高效率的集热功能，能够最大限度地利用屋面资源；要有稳定可靠经久耐用的产品质量，能够在少维修的前提下具有与建筑寿命相适应的使用年限；要有较低的产品价格，以利于太阳能集热器更快速地推广应用。注重综合效益，一并探索高效、低价、可靠、耐久、融入建筑、利于大规模工业化生产等问题，并获得有益的叠加倍增效应是本发明突出特点。
本发明利于扩大太阳能利用的领域范围，如工业生产、大型发电、农用沼气池升温、海水淡化、各类建筑构筑物上方空间利用，如公路、铁路、堤坝等。
(四)附图说明
图1是本发明太阳能集热器的装配示意图
图2是本发明太阳能集热器的结构示意图
图3是外壳的仰视图
图4是图3的A-A剖面图
图5是图3的B-B剖面图
图6是多个集热器做屋面瓦铺设的示意图
图7是集热板与热交换容器的结构示意图
图8是图7的A-A剖面图
图9是图8的变化示意图
图10是输水管道盖板的仰视结构示意图
图11是图10的A-A剖面图
图12是输水管道水槽的结构示意图
图13是图12的A-A剖面图
图中：1-玻璃盖板、2-边框、2.1-边条、2.2-边条凸起、2.3-边条夹空、3-集热板与热交换容器、3.1-加强肋、3.2-条形平面、4-输水管道盖板、4.1-排管型材接口上缘、5-输水管道水槽、5.1-涂胶平面、6-密封胶、7-螺栓、7.1-螺孔、8-保温层。
(五)具体实施方式
实施例参见图1、2所示，这种铝合金太阳能集热器主要包括从受光面向后依次排列组装的玻璃盖板1、边框2、输水管道盖板4、集热板与热交换容器3、输水管道水槽5和保温层8。
参见图1-6，玻璃盖板1是强化耐热的透光玻璃板，作用是让阳光充分透过，让热量损失减小；使用时可耐受长期冷、热、光、风、雨、雪侵蚀，受到冰雹、石子等外力碰撞不致损坏。保温层8的作用是减少集热器向周围环境散热，要求材料导热率小，不吸水等，最好用聚氨酯发泡制品，矿棉制品或发泡聚苯板。边框2的作用是连接、合围、固定和密封玻璃盖板、集热板与热交换容器、输水管道、保温层等集热器部件，同时，还增加了屋面瓦功能。
本发明边框用铝合金或塑料制作，其特点是在保留传统边框功能与形状的基础上，在玻璃盖板平面上四向外延出扁平状边条2.1；左右两侧边条再向上隆起形成边条凸起2.2；左右边条和上下边条的中间均有边条夹空2.3，左右边条和上下边条做对角并接时，可向边条夹空里局部灌注密封胶6，将两边条之间的接缝密封使其防雨，使集热器成为一大块兼具保温隔热功能的屋面瓦。
参见图1、2、7-9，集热与热交换功能合为一体的集热板与热交换容器3是横断面形状为上弧下平呈半圆形的或上凸下平呈梯形、三角形的，并排连接多个的薄壁铝合金排管型材，其结构使集热板的集热面积扩大，热交换容器的热交换面积增加，热传递距离缩短速度加快；其排管中间有加强肋3.1以增加强度，如排管壁厚增加或管径缩小可不用加强肋；排管分组，每组数根，各组排管之间有供螺栓穿孔固定的条形平面3.2；其铝合金排管型材的向阳面涂敷铝-氮/铝选择性吸热涂层。
参见图1、2、10-13，输水管道由输水管道盖板4和输水管道水槽5上下两部分组成，两部分都有涂胶平面5.1，是冲压工艺成型的铝合金输水管道。输水管道连接铝合金排管型材，设在上下两端，输水管道盖板上有吻合铝合金排管型材外形的排管型材接口上缘4.1，与输水管道水槽的涂胶平面共同组合成排管型材接口。
铝合金排管型材与输水管道的连接方法是：在输水管道水槽的涂胶平面、输水管道盖板的排管型材接口上缘和涂胶平面处涂敷密封胶；将铝合金排管型材放在输水管道盖板和输水管道水槽之间的排管型材接口处，用螺栓7穿过输水管道盖板、铝合金排管型材和输水管道水槽的螺孔7.1-并拧紧，即完成紧固安装与不漏水密封。

Claims (7)

  1. 【1】一种铝合金免焊接兼屋面瓦太阳能集热器，它主要包括从受光面向后依次排列组装的玻璃盖板和边框，集热板和热交换容器、输水管道、保温层，其特征在于：
    边框在保留传统边框功能与形状的基础上，在玻璃盖板平面上四向外延出有边条夹空的扁平状边条，左右两侧边条再向上隆起形成边条凸起，边条夹空可灌注密封胶；
    集热板与热交换容器合为一体，是横断面形状为上弧下平呈半圆形的，并排连接多个的，挤压工艺成型的金属排管型材，排管分组，每组数根，各组排管之间有供螺栓穿孔固定的条形平面，其金属排管型材的向阳面涂敷选择性吸热涂层；
    输水管道连接金属排管型材，设在上下两端，是由输水管道盖板和输水管道水槽上下两部分组成的，有涂胶平面的，有金属排管型材接口的，冲压工艺成型的金属输水管道；
    金属排管型材和输水管道之间、输水管道上下两部分之间用螺栓连接紧固，用密封胶粘剂密封；由此组成的主集热器件安装在透光玻璃盖板和保温层之间的空间内。
  2. 【2】根据权利要求1所述的铝合金免焊接兼屋面瓦太阳能集热器，其特征在于：上述边框用铝合金材料或塑料材料制成。
  3. 【3】根据权利要求1所述的铝合金免焊接兼屋面瓦太阳能集热器，其特征在于：上述集热板与热交换容器合为一体的金属排管型材为铝合金排管型材，其横断面形状可为连续半圆形、梯形或三角形空心管，管中可有一至二个加强肋或无加强肋。
  4. 【4】根据权利要求1所述的铝合金免焊接兼屋面瓦太阳能集热器，其特征在于：上述选择性吸热涂层是铝-氮/铝涂层、铝-氮-碳选择性吸收膜、真空溅射黑色金属镀层或电化学转化膜。
  5. 【5】根据权利要求1所述的铝合金免焊接兼屋面瓦太阳能集热器，其特征在于：上述金属输水管道材料为铝合金板材或黑色金属板材。
  6. 【6】根据权利要求1所述的铝合金免焊接兼屋面瓦太阳能集热器，其特征在于：上述密封胶粘剂为平面密封胶或特种胶粘剂。
  7. 【7】根据权利要求1所述的铝合金免焊接兼屋面瓦太阳能集热器，其特征在于：上述保温层是聚氨酯发泡制品、矿棉制品或发泡聚苯板。
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