CN101922189B - 太阳能光热玻璃幕墙 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种超薄热管太阳能集热器及利用真空玻璃对其进行封装的方法。如此形成的太阳能光热幕墙可以在作为建筑物围护材料的同时，把采集到的太阳光能转化为热能供建筑物使用。与传统太阳能集热器相比，本发明所提供的太阳能光热玻璃幕墙实现了与现代建筑的真正无缝一体化，同时具有光热转换效率高、启动速度快、临界工作温度低、热损失小、使用安全和生产成本相对低廉等优点，是一种新型太阳能光热产品。与传统玻璃幕墙相比，本发明所提供的太阳能光热玻璃幕墙在保持其传统功能、观感和施工安装方法基本不变的基础上增加了太阳能采集功能，是一种新型功能性建筑材料。

Description

太阳能光热玻璃幕墙

所属技术领域

本发明属于太阳能利用和功能性建筑材料技术领域。

背景技术

太阳能集热器是太阳能光热产品的核心部件，用来把太阳光能转化为热能。现有的各类太阳能集热器都有一个共同的缺点，即无法与现代建筑物实现一体化。这一缺点已经成为进一步推广使用太阳能光热产品的障碍，特别是在消费能力巨大的城市市场更是如此。

另一方面，玻璃幕墙正在被越来越普遍地用作现代建筑的围护材料。因为玻璃幕墙往往将整个建筑物四面围住，具有很大的透光面积，因此被视作能够为建筑物提供充足太阳能源的理想地点。最近已经出现了将太阳能电池封装在玻璃幕墙中的产品，被称作太阳能光伏玻璃幕墙。在阳光照射下，光伏幕墙能够为建筑物提供电能。这无疑是太阳能利用技术和功能性建筑材料技术的一大进步，但缺点是太阳能发电的成本过于昂贵，很难大规模推广。

发明内容

本发明的目的是提供一种超薄热管太阳能集热器及利用真空玻璃对其进行封装的方法。如此形成的太阳能光热玻璃幕墙可以在作为建筑物围护材料的同时，把采集到的太阳光能转化为热能向建筑物供暖或供热水。其最显著的特征是实现了太阳能集热器与建筑物的真正无缝一体化。

为达成此目的，本发明首先提供了一种超薄热管太阳能集热器结构，其特征是1)厚度超薄；2)形状可以跟随其封装物的外形轮廓而改变；3)基于平面热管工作原理，传热效率高、启动速度快；4)利用毛细管网络输送、分配和储存液态热管工质；5)利用毛细孔洞作为热管工质的显微蒸发囊。

为达成此目的，本发明还提供了一种利用真空玻璃对上述超薄热管太阳能集热器进行封装的方法，其特征是1)上述超薄热管太阳能集热器被封装在两块分别镀有吸热涂层和热反射涂层的平面或曲面真空玻璃中间，具有优异的光热转换效率、极低的热损耗系数和多样的平面或曲面轮廓；和2)直接在封装真空玻璃的外侧表面生成毛细管网络，令太阳能集热器和玻璃幕墙成为浑然一体、天衣无缝的整体。

为达成此目的，本发明还提供了一种能够改变太阳能光热玻璃幕墙透光度的方法，使其能够根据需要具备非透明、半透明或准透明的特性。

为达成此目的，本发明还提供了一种输出、输送和储存太阳能光热玻璃幕墙所生热能的方法，其特征是超薄热管太阳能集热器内的传热工质与中间热管内及蓄能器内的工质完全隔离，使太阳能光热玻璃幕墙具备高度的使用安全性和可靠性。

为达成此目的，本发明还提供了一种用于制造太阳能光热玻璃幕墙单元的一步式工艺。

与传统太阳能集热器相比，本发明所提供的太阳能光热玻璃幕墙实现了与现代建筑的真正无缝一体化，同时它还具有光热转换效率高、启动速度快、临界工作温度低、热损失小、使用安全和生产成本相对低廉等优点。

与传统玻璃幕墙相比，本发明所提供的太阳能光热玻璃幕墙在保持其传统功能、观感和施工安装方法基本不变的基础上增加了太阳能采集功能。这是继太阳能光伏玻璃幕墙出现之后问世的又一新型功能性建筑材料。因为本发明所提供的太阳能光热玻璃幕墙的造价远远低于现有的太阳能光伏幕墙，其作为一种太阳能产品和功能性建筑材料的经济价值和实用潜力更为深远和巨大。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

图1是太阳能光热玻璃幕墙单元实施例之一的示意剖面图。

图2是图1所示背阳真空玻璃的内层玻璃122的结构细节。

图3是换热管与图1所示太阳能光热玻璃幕墙连接方案之一的示意图。

图4是换热管与图1所示太阳能光热玻璃幕墙连接方案之二的示意图。

图5是太阳能光热玻璃幕墙单元实施例之二的示意剖面图。

图6是利用普通换热管串联多块太阳能光热玻璃幕墙单元组成的太阳能集热器阵列。

图7是利用热管换热管串联多块太阳能光热玻璃幕墙单元组成的太阳能集热器阵列。

具体实施方式

图1是太阳能光热玻璃幕墙单元实施例之一100的示意剖面图。它由向阳真空玻璃110、背阳真空玻璃120和封装在它们之间的超薄热管太阳能集热器130构成。

向阳真空玻璃110由外层玻璃111、内层玻璃112、它们之间的真空层113及真空层支撑物114构成。其制造工艺与普通真空玻璃无异，即利用预先涂在其四周边缘处的玻璃钎焊料115将外层玻璃111和内层玻璃112沿边缘钎焊封死，形成一个由真空层支撑物114支撑着的厚度为0.1-0.2毫米的真空层113，其间安置吸气剂116。

背阳真空玻璃120的结构与向阳真空玻璃110相似，即由外层玻璃121、内层玻璃122、它们之间的真空层123及真空层支撑物124构成。唯一的区别是其内层玻璃122的上部开有一个方洞，该方洞的下缘安装有一导流梳137，其详细结构示于图2。背阳真空玻璃120的制造工艺与普通真空玻璃无异，即利用预先涂在其四周边缘处及方洞周围的玻璃钎焊料125将外层玻璃121和内层玻璃122沿边缘钎焊封死，形成一个由真空层支撑物124支撑着的厚度为0.1-0.2毫米的真空层123，其间安置吸气剂126。同时，内层玻璃122上的方洞使外层玻璃121上的对应位置表面外露形成工质冷凝壁136。

上述真空层113和真空层123内的真空度要足够高，一般要超过5×10^-3Pa，以保证向阳真空玻璃110和背阳真空玻璃120具有足够低的传热系数，为超薄热管太阳能集热器130提供足够高的保温效果。

为提高超薄热管太阳能集热器130的光热转换效率，向阳真空玻璃110的外层玻璃111最好使用镀有抗反射膜的高透过玻璃制造，其内层玻璃112的表面则要镀有具备高光能吸收率和低红外发射率的选择性吸热膜。背阳真空玻璃120的外层玻璃121的表面需要镀上红外线反射膜，其内层玻璃最好使用吸热玻璃制造，以减低热辐射损失。改变向阳真空玻璃110的内层玻璃112上吸热薄膜的材质、厚度和纹理图案，可以调节太阳能光热幕墙100的透明度，从而可以根据需要生产出非透明、半透明和准透明的太阳能光热玻璃幕墙。需要指出的是透明度会影响超薄热管太阳能集热器130的光热转换效率，同样条件下，透明度越低，光热转换效率越高。

借助于双面涂有玻璃钎焊料的四边玻璃垫片131和独立玻璃垫片132，向阳真空玻璃110与背阳真空玻璃120被钎焊成一个整体。其间的密闭空间形成超薄热管太阳能集热器130的工质蒸发室133和工质冷凝室134。超薄热管太阳能集热器130的厚度由四边玻璃垫片131和独立玻璃垫片132的厚度决定。

工质蒸发室133包含吸液芯板135，其是一个含有显微毛细管网络的薄片构件，可以利用合适的毛细多孔材料制成。在本实施例中它经由直接烧结在工质蒸发室133内壁(向阳真空玻璃110)上的玻璃微珠堆积体制成。具体制法如下：1)将合适直径的玻璃微珠与粘结剂混合制成浆料；2)利用合适的印刷或喷涂技术(如模版印刷)在向阳真空玻璃110朝向工质蒸发室133一侧的表面上生成玻璃微珠浆料涂层；3)放入加热炉，缓慢升温到玻璃微珠软化和熔化温度之间的某一温度，令浆料中的粘结剂挥发、玻璃微珠之间及其与玻璃基体之间的接触点熔合，但玻璃微珠之间的大部分孔洞仍将被保留。这些相互贯通的孔洞形成显微毛细管网络为吸储、输送和分配位于工质蒸发室133内的工质液体提供毛细驱动力，同时也起着工质液体显微蒸发囊的作用。为进一步提高集热器的光热转换效率，上述玻璃微珠也可以采用对光能吸收率较高的黑色玻璃来制造。为提高准透明太阳能光热幕墙的透明度，吸液芯板135可以制成与向阳真空玻璃110的内层玻璃112内侧表面上的吸热薄膜一样的纹理图案。

工质冷凝室134由背阳真空玻璃120的内层玻璃122上的方洞(见图2)形成，而其外层玻璃121上因为该方洞而暴露出来的部分表面形成冷凝壁136。因为失去了真空层123的保温作用，冷凝壁136是超薄热管太阳能集热器130中的温度最低处。

位于工质蒸发室133和工质冷凝室134之间的是工质导流梳137，其被直接钎焊在背阳真空玻璃120的内层玻璃122上的方洞的下缘处(见图2)。其梳齿上的导流沟138可以将凝结在冷凝壁136上的液态工质导流到吸液芯板135上。其梳齿间隙139则为在工质蒸发室133中产生的气态工质提供了流向工质冷凝室134的通道。

在向阳真空玻璃110和背阳真空玻璃120封装起来的超薄热管太阳能集热器130中要充填适量的液态工质，同时要排除掉其内的低气-液相变温度气体(主要指空气)。通过预先钎焊在背阳真空玻璃120的外层玻璃121上的抽气口127，液态工质可以被充填到超薄热管太阳能集热器130中。通过抽气口127，低气-液相变温度气体可以直接被真空泵抽取出来，也可以利用加热生成的工质蒸汽把其排除掉。充填液态工质并排除低气-液相变温度气体后，抽气口127既被封死。

超薄热管太阳能集热器130的工作原理如下：太阳光线穿过向阳真空玻璃110的外层玻璃111(系抗反射高透过玻璃)后被其内层玻璃112上的吸热薄膜吸收转化为热能，热能传导到吸液芯板135后被储存在其毛细孔洞中的液态工质吸收转化为相变潜热，同时液态工质转变为气态工质。气态工质沿工质蒸发室133经工质导流梳137上的梳齿间隙139进入工质冷凝室134，在冷凝壁136上转变为液态工质，同时释放出相变潜热并产生真空效应吸引工质蒸发室133内的气态工质源源不断地流入工质冷凝室134。与此同时，在冷凝壁136上生成的液态工质在重力的作用下沿导流梳137梳齿上的导流沟138流回到吸液芯板135并随后在毛细力的驱动下沿毛细管网络被分散到整个吸液芯板135上。如此周而复始，太阳能被源源不断地转换为热能并被传输到冷凝壁136处。在那里，热能通过换热管140(见图3或图4)被传送到一蓄能器中(未示出)。

需要指出的是，在超薄热管太阳能集热器130内，热能只能单向传递，即只能从吸液芯板135向冷凝壁136(和换热管140)传递。入夜以后，当吸液芯板135的温度低于冷凝板136(和换热管140)的温度时，它们之间的热传递就会自动中止。这一热二极管特征可以有效地降低蓄能器在夜间的热损失。

换热管140是一根具有良好导热性能的金属管，其截面最好是矩形，被导热胶141粘接在冷凝壁136的外侧表面上(见图3)。为保证粘接的牢固和持久，可以使用螺栓把换热管140进一步固定在它的位置上。利用螺栓固定换热管140的方案可以有许多种，图3示出的是方案之一。此方案要求在制造太阳能光热玻璃幕墙100的过程中事先在向阳真空玻璃110和背阳真空玻璃120上的适当位置钻孔并在孔内插入一根适当直径的玻璃管142。使用玻璃钎焊料把该玻璃管142的外壁与其穿过的各层玻璃一一钎焊起来。如此，向阳真空玻璃110的真空层113和超薄热管太阳能集热器130的工质冷凝室134与大气的连接即被完全阻断。此方案也要求在换热管140的适当位置钻孔、插入一根适当直径的金属管143，再把该金属管的外壁与其穿过的换热管140的外壁焊接起来。如此，换热管140内部与大气的连接即被完全阻断。把固定螺栓144穿过玻璃管142和金属管143后用螺母拧紧，换热管140就被固定在冷凝壁136的外侧表面上了。此方案的缺点是在太阳能光热幕墙100的正面可以观察到固定螺栓144的端头。但如果采用适当的设计和制造材料，该端头可以被视为幕墙上的装饰物。

图4示出的是利用螺栓固定换热管140的方案之二。此方案要求在制造太阳能光热玻璃幕墙100的过程中事先在冷凝壁136上的适当位置钻孔、插入一固定螺栓146、借助玻璃钎焊料把其与冷凝壁136钎焊起来。此方案对换热管140的要求与上述方案一样。把固定螺栓146穿过金属管143后用螺母拧紧，换热管140就被固定在冷凝壁136的外侧表面上了。此方案的优点是在太阳能光热幕墙100的正面看不到固定螺栓146。

为减小热损失，需要使用保温材料145把热交换管140包裹起来(见图3和图4)。

图5给出太阳能光热玻璃幕墙实施例之二101的示意剖面图。其与图1所示的实施例之一100的不同之处是该实施例中的向阳真空玻璃110的内层玻璃112上也开有一与背阳真空玻璃120的内层玻璃122上同样的方洞，这两个方洞共同形成工质冷凝室134。而向阳真空玻璃110和背阳真空玻璃120的外层玻璃上暴露在工质冷凝室134中的部分表面即分别形成前冷凝壁136a和后冷凝壁136b。与实施例之一相同，工质导流梳137被安装在背阳真空玻璃120的内层玻璃122上的方洞的下缘处。

因为实施例之二中给出的太阳能光热玻璃幕墙101包含前后两个冷凝壁，所以适合使用U形换热管150进行热量输出。使用U形换热管的优点是其可以通过自动夹紧光热幕墙实现固定，从而令使用螺栓对换热管进行固定变得没有必要了。但在换热管的U形槽内与幕墙之间使用导热胶141还是必需的，以避免形成高热阻气隙。U型换热管150及其保温层151可以被镶嵌在幕墙玻璃的“窗框”结构中，因此实施例之二中给出的太阳能光热玻璃幕墙101适用于明框玻璃幕墙设计。

需要指出的是超薄热管太阳能集热器130的形状可以跟随其封装物(即向阳真空玻璃110和背阳真空玻璃120)的轮廓外形任意改变而不失去其太阳能集热功能。因此，本发明所提供的太阳能光热玻璃幕墙，包括上述实施例之一和实施例之二，也可以具有任意曲面形状(称作曲面光热玻璃幕墙)而不仅仅局限于上述的平板结构。曲面光热玻璃幕墙可以被用作具弧形轮廓的建筑物的围护材料。

使用换热管140或U形换热管150可以把多块太阳能光热玻璃幕墙单元100/101串联起来，组成一个共用一只蓄能器(如热水箱)的太阳能集热器阵列。换热管140和U形换热管150可以是内部流动着强制循环水的普通换热管。如图6所示，热水箱146内的水在水泵147的驱动下在连接多块太阳能光热玻璃幕墙单元的换热管140/150内循环流动。太阳能光热幕墙产生的热量通过其冷凝壁和换热管壁传导给流经的循环水，令其不断升温。在循环水流回热水箱146的同时也带回了沿途汇集的热量，令水箱水温升高。

换热管140和U形换热管150也可以是一根水平放置的、依靠其内部工质所发生的液-气相变过程来输送热量的热管。如图7所示，太阳能光热玻璃幕墙单元100/101产生的热量通过其冷凝壁和换热管壁传导给换热管140/150内的液态工质，令其蒸发。气态工质沿换热管流向位于热水箱146内的冷凝管148。在那里，气态工质冷凝为液态工质，并放出所携带的相变潜热。该热量通过冷凝管148的管壁和翅片传递给水箱内的水，令其升温。与此同时，冷凝管148内发生的气-液转变形成局部真空现象吸引换热管140/150内的气态工质持续流向冷凝管148。在冷凝管148内生成的液态工质必须及时回流到换热管140/150中。回流可以在重力的帮助下自动完成，但最好能同时辅助以毛细驱动力。为此目的，可以使用带有吸液芯的金属管来制造换热管。与普通换热管相比，热管换热管的优点是其与水箱之间没有液体交换，提高了使用安全性。但缺点是安装要求高，要保证换热管平直，不能出现末端抬高现象。

本发明所描述的太阳能光热玻璃幕墙单元的诸多制造工序可以被整合到一个一步式工艺中完成，其步骤为：1)将在预设部位涂有玻璃钎焊料的向阳真空玻璃的外层玻璃111、真空层支撑物114、向阳真空玻璃的内层玻璃112、四边玻璃垫片131和独立玻璃垫片132、背阳真空玻璃的内层玻璃122、真空层支撑物124，和背阳真空玻璃的外层玻璃121依次放在一处于抬起状态的工件支架上，该支架使各玻璃板之间保持一适当间隙；2)将抽气口127插入背阳真空玻璃的外层玻璃122上的预留孔内，周围涂玻璃钎焊料；3)将工件支架放入真空加热炉，抽真空，待炉内真空度到达预设值后，将工件支架转换为放下状态，令各玻璃板自然叠压在一起，然后开始加热；4)当炉温到达玻璃钎焊料的熔化温度并保温适当时间后，把温度降到室温，然后出炉。在施行该一步式工艺之前，要完成如下准备工作：1)按要求完成向阳真空玻璃的外层玻璃111和内层玻璃112及背阳真空玻璃的外层玻璃121的镀膜程序，2)把玻璃微珠浆料印刷或喷涂在向阳真空玻璃的内层玻璃112的外侧表面上的预设位置上，3)把工质导流梳137钎焊在背阳真空玻璃的内层玻璃122的预设位置上。同时需要注意的是该工序中所采用的玻璃钎焊料的熔点要高于组成吸液芯板135的玻璃微珠的软化温度，但要低于其熔化温度，同时也要低于工质导流梳137所用的玻璃钎焊料的熔化温度。

为提高使用安全性，本发明所描述的太阳能光热玻璃幕墙可以采用钢化玻璃、半钢化玻璃或高硼玻璃来制造。如采用钢化玻璃或半钢化玻璃，需要使用低温玻璃钎焊料，以免因为钎焊温度过高令钢化玻璃和半钢化玻璃产生应力松弛而丧失钢化效果。

需要强调的是，上面给出的具体实施例仅为方便阐述本发明之工作原理。实施者可以应用本发明之工作原理对上述具体实施例进行多种多样的修改和细节完善。但所有如此产生的实施例变种都属于本发明之工作原理的具体体现，因此亦被包含在本发明之权利要求书中所要求的权利范围内。

Claims (13)

1.一种太阳能光热玻璃幕墙，由两块平面或曲面真空玻璃，即向阳真空玻璃(110)和背阳真空玻璃(120)，及封装在它们夹层中间的超薄热管太阳能集热器(130)构成，其特征是：

a.上述超薄热管太阳能集热器(130)由位于其下部的工质蒸发室(133)、位于其上部的工质冷凝室(134)，及位于该蒸发室和冷凝室之间的工质导流梳(137)构成；

b.上述工质蒸发室(133)由向阳真空玻璃(110)和背阳真空玻璃(120)之间的夹层空间形成，在该空间内的向阳真空玻璃壁上安置有吸液芯板(135)，其是一个含有显微毛细管网络的薄片构件，可以利用合适的毛细多孔材料制成，所述毛细多孔材料为玻璃微珠，其作用是吸储工质、提供输送和分配工质所需的毛细驱动力、及作为工质的显微蒸发囊；

c.上述工质冷凝室(134)由背阳真空玻璃(120)的内层玻璃上的方洞形成，而其外层玻璃上因为该方洞而暴露出来的部分表面形成工质冷凝室(134)内的冷凝壁；

d.上述工质导流梳(137)被安放在背阳真空玻璃(120)的内层玻璃上的方洞的下缘处，其梳齿间隙为工质蒸发室内产生的工质蒸汽流向工质冷凝室提供了通道，其梳齿上的导流沟帮助在冷凝壁上形成的液态工质回流到吸液芯板上。

2.一种根据权利要求1所述的太阳能光热玻璃幕墙，其特征是所述吸液芯板(135)系由直接烧结在所述向阳真空玻璃壁上的玻璃微珠堆积体制成。具体制法如下：

a.将合适直径的玻璃微珠与粘结剂调成浆料；

b.将上述浆料印刷或喷涂在向阳真空玻璃朝向蒸发室一侧的壁上；

c.放入加热炉，缓慢升温到玻璃微珠软化和熔化温度之间的某一温度，令浆料中的粘结剂挥发、玻璃微珠之间及其与玻璃基体之间的接触点被熔合，但玻璃微珠之间的大部分孔洞仍被保留。

3.一种根据权利要求1所述的太阳能光热玻璃幕墙，其特征是所述向阳真空玻璃(110)的外层玻璃采用镀有抗反射膜的高透过玻璃制造。

4.一种根据权利要求1所述的太阳能光热玻璃幕墙，其特征是所述向阳真空玻璃(110)的内层玻璃表面镀有具备高光能吸收率和低红外发射率的选择性吸热膜。

5.一种根据权利要求1所述的太阳能光热玻璃幕墙，其特征是所述背阳真空玻璃(120)的内层玻璃采用吸热玻璃制造。

6.一种根据权利要求1所述的太阳能光热玻璃幕墙，其特征是所述背阳真空玻璃(120)的外层玻璃表面镀有红外线反射膜。

7.一种根据权利要求1所述的太阳能光热玻璃幕墙，其特征是所述向阳真空玻璃(110)的内层玻璃表面镀有具备高光能吸收率和低红外发射率的选择性半透明吸热膜，其透明度可以通过改变该吸热膜的材质、厚度和纹理图案来设定。

8.一种根据权利要求1所述的太阳能光热玻璃幕墙，其特征是所述吸液芯板具有与其玻璃基板，即向阳真空玻璃(110)的内层玻璃，上的吸热镀膜相同的纹理图案。

9.一种根据权利要求1所述的太阳能光热玻璃幕墙，其特征是形成所述吸液芯板的玻璃微珠的材质为黑色玻璃。

10.一种用于制造太阳能光热玻璃幕墙单元的一步式工艺，其步骤为：

a.将在预设部位涂有玻璃钎焊料的向阳真空玻璃的外层玻璃(111)、真空层支撑物(114)、向阳真空玻璃的内层玻璃(112)、四边玻璃垫片(131)和独立玻璃垫片(132)、背阳真空玻璃的内层玻璃(122)、真空层支撑物(124)，和背阳真空玻璃的外层玻璃(121)依次放在处于抬起状态的工件支架上，该支架使各玻 璃板之间保持一适当间隙；

b.将抽气口(127)插入背阳真空玻璃的外层玻璃上的预留孔内，周围涂玻璃钎焊料；

c.将工件支架放入真空加热炉，抽真空，待炉内真空度到达预设值后，将工件支架转换为放下状态，令各玻璃板自然叠压在一起，然后开始加热；

d.当炉温到达玻璃钎焊料的熔化温度并保温适当时间后，把温度降到室温，然后出炉。

11.一种根据权利要求10所述的用于制造太阳能光热玻璃幕墙单元的一步式工艺，其特征是所述向阳真空玻璃的外层玻璃(111)和内层玻璃(112)及背阳真空玻璃的外层玻璃(121)要预先按要求完成镀膜程序。

12.一种根据权利要求10所述的用于制造太阳能光热玻璃幕墙单元的一步式工艺，其特征是要事先把玻璃微珠浆料印刷或喷涂在所述向阳真空玻璃的内层玻璃(112)的内侧表面的预设位置上。

13.一种根据权利要求10所述的用于制造太阳能光热玻璃幕墙单元的一步式工艺，其特征是要事先把工质导流梳(137)钎焊在所述背阳真空玻璃的内层玻璃(122)的预设位置上。 

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