CN102954607A - 一种集热器及具有该集热器的太阳能热水器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种集热器，其包括吸热芯板、盖板以及外壳，所述吸热芯板由多个超材料片层叠加而成，所述每一超材料片层包括基材以及周期排布于基材上的人造金属微结构，当可见光通过所述吸热芯板时，所述吸热芯板的相对介电常数和相对磁导率相等。本发明利用超材料原理制成集热器中的吸热芯板，无需采用常规的金属制成吸热芯板，摆脱了金属材质自身必然会对入射光产生反射的限制。本发明集热器对入射光基本零反射，并能高效吸收入射到集热器内部的光线，吸热效果更好。同时，本发明还公开一种太阳能热水器，其集成有上述集热器。

Description

一种集热器及具有该集热器的太阳能热水器

技术领域

本发明涉及太阳能领域，尤其涉及一种集热器及具有该集热器的太阳能热水器。 

背景技术

现有的太阳能热水器主要由集热器、储水箱、连接管道、支架及相关附件构成。其中，集热器为太阳能热水器的核心部件，其主要功能为吸收太阳能并将太阳能转化为热能。集热器包括：吸热芯板，其吸收太阳能并将热能传递给水流，其主要材料为铜、铝合金、不锈钢或者镀锌板；盖板，其防止热能散失，盖板能透过可见光但不透过远红外线，具有高全光透射比、高抗冲击性以及优良的绝热性能；保温层，其减少集热器向四周环境的散热，要求保温性能好，热导率不大于0.055W/(m＊℃)，常用材料为岩棉、矿棉、酚醛泡沫、聚氨酯发泡塑料等；外壳，其将上述吸热芯片、盖板、保温层组成一个整体，要求具备一定刚度和强度，常用材料为钢板、铝型材、玻璃钢或塑料。 

通过上述描述可知，现有技术中的太阳能热水器，真正起到吸收太阳能将太阳能转化为热能的器件只有金属材料的吸热芯板。然而，金属材料对光具有一定的反射，使得光的部分能量散失，从而影响了其转化太阳能的效率。 

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述不足，提出一种集热器及具有该集热器的太阳能热水器。 

本发明解决其技术问题采用的技术方案是，提出一种集热器，其包括：热芯板、盖板以及外壳，所述吸热芯板由多个超材料片层叠加而成，所述每一超 材料片层包括基材以及周期排布于基材上的人造金属微结构，当可见光通过所述吸热芯板时，所述吸热芯板的相对介电常数和相对磁导率相等。 

进一步地，所述吸热芯板由至少5层超材料片层叠加而成。 

进一步地，所述吸热芯片基材两相对侧表面一侧表面上附着有第一人造金属微结构，另一侧表面上附着有与所述第一人造金属微结构一一对应的第二人造金属微结构；所述第一人造金属微结构包括相互垂直而连接成“十”字形的两个第一金属分支，分别连接在所述第一金属分支两端且垂直于所述第一金属分支的第二金属分支；所述第二人造金属微结构由一边具有缺口的四边形状的第三金属分支构成。 

进一步地，所述吸热芯片基材两相对侧表面的至少一侧表面上附着有人造金属微结构，所述人造金属微结构包括第一金属分支，所述第一金属分支构成一边具有缺口的四边形状；一端设于该缺口相对的四边形边上并向该缺口延伸且突出该缺口的第二金属分支；垂直于所述第二金属分支另一端的第三金属分支。 

进一步地，所述吸热芯片基材中周期排布的人造金属微结构由三个相同的平面拓扑结构在三维空间共中心点两两垂直相交而成。 

进一步地，所述平面拓扑结构包括相互垂直相交呈“十”字形的两条第一金属分支；分别连接于该两条第一金属分支两端、长度小于该第一金属分支并垂直于该第一金属分支的四条第二金属分支；从该第二金属分支两端向内延伸的八条第三金属分支；一边具有缺口并设置于该四条第二金属分支围成的平面内的四边形状的第四金属分支，该第四金属分支的四边长度小于该第二金属分支且具有该缺口的一边不与该第一金属分支相交，其他三边均与该第一金属分支相交。 

进一步地，所述基材为高分子聚合物、陶瓷、铁电材料、铁氧材料或铁磁材料。 

进一步地，所述人造金属微结构通过蚀刻、电镀、钻刻、光刻、电子刻、 离子刻、斜角沉积法排布于所述基材上。 

进一步地，所述人造金属微结构的材质为铜或者银。 

本发明还提供一种太阳能热水器，所述太阳能热水器集成有上述的集热器。 

本发明利用超材料原理制成集热器中的吸热芯板，无需采用常规的金属制成吸热芯板，摆脱了金属材质自身必然会对入射光产生反射的限制。本发明集热器对入射光基本零反射，并能高效吸收入射到集热器内部的光线，吸热效果更好。 

附图说明

图1为构成超材料的基本单元的立体结构示意图； 

图2a为本发明一种集热器第一较佳实施例中附着于吸热芯板基材一侧表面的第一人造金属微结构拓扑示意图； 

图2b为本发明一种集热器第一较佳实施例中附着于吸热芯板基材另一侧表面的第二人造金属微结构拓扑示意图； 

图3为本发明一种集热器第二较佳实施例中附着于吸热芯板基材上人造金属微结构拓扑示意图； 

图4为图3所示人造金属微结构响应电磁场的等效拓扑示意图； 

图5为本发明一种集热器第三较佳实施例中附着于吸热芯板基材中人造金属微结构拓扑示意图； 

图6为图5所示人造金属微结构拓扑示意图在二维平面的拓扑示意图； 

图7为图6所示人造金属微结构二维平面拓扑示意图对应三维空间垂直于该二维平面入射的电磁波而拆分的可对电场响应的多个等效拓扑示意图； 

图8为图6所示人造金属微结构二维平面拓扑示意图对应三维空间垂直于该二维平面入射的电磁波而拆分的可对磁场响应的多个等效拓扑示意图。 

具体实施方式

光，作为电磁波的一种，其在穿过玻璃的时候，因为光线的波长远大于原子的尺寸，因此我们可以用玻璃的整体参数，例如折射率，而不是组成玻璃的原子的细节参数来描述玻璃对光线的响应。相应的，在研究材料对可见光或其他电磁波响应的时候，材料中任何尺度远小于电磁波波长的结构对电磁波的响应也可以用材料的整体参数，例如介电常数ε、磁导率μ、折射率、阻抗等来描述。通过设计材料每点的结构使得材料各点的介电常数和磁导率都相同或者不同从而使得材料整体的介电常数和磁导率呈一定规律排布，规律排布的磁导率和介电常数即可使得材料对电磁波具有宏观上的响应，例如汇聚电磁波、发散电磁波、吸收电磁波等。该类具有规律排布的磁导率和介电常数的材料我们称之为超材料。 

如图1所示，图1为构成超材料的基本单元的立体结构示意图。超材料的基本单元包括人造微结构1以及该人造微结构附着的基材2。本发明中，人造微结构为人造金属微结构，人造金属微结构具有能对入射电磁波电场和/或磁场产生响应的平面或立体拓扑结构，改变每个超材料基本单元上的人造金属微结构的图案和/或尺寸即可改变每个超材料基本单元对入射电磁波的响应。多个超材料基本单元按一定规律排列即可使得超材料对电磁波具有宏观的响应。由于超材料整体需对入射电磁波有宏观电磁响应因此各个超材料基本单元对入射电磁波的响应需形成连续响应，这要求每一超材料基本单元的尺寸为入射电磁波波长的十分之一至五分之一，优选为入射电磁波波长的十分之一。当超材料需要对可见光响应时，则超材料上每一超材料基本单元的尺寸应为纳米级。本段描述中，我们人为的将超材料整体划分为多个超材料基本单元，但应知此种划分方法仅为描述方便，不应看成超材料由多个超材料基本单元拼接或组装而成，实际应用中超材料是将人造金属微结构周期排布于基材上即可构成，工艺简单且成本低廉。周期排布即指上述我们人为划分的各个超材料基本单元上的人造金属微结构能对入射电磁波产生连续的电磁响应。 

本发明即利用上述超材料原理，用超材料制成集热器中的吸热芯板。吸热芯板摆脱了传统金属材料本身的各种限制，具有高吸收率，从而提高集热器的发热效率。本发明集热器包括吸热芯板、盖板以及外壳，吸热芯板包括基材以及周期排布基材上的人造微结构。根据电磁波的吸收原理可知，电磁波被吸收需要满足两个条件：一是电磁波在基材表面无反射，即集热器与自由空间实现阻抗匹配；二是进入集热器内部的电磁波必须被消耗。 

由于自由空间阻抗Z＝1，根据公式 可知，当由超材料制成的吸热芯板的相对介电常数ε和相对磁导率μ相等时即可达到理想阻抗匹配特性。当吸热芯板的基材表面未附着人造金属微结构时，其对电磁场表现出具有初始相对介电常数ε₁和初始相对磁导率μ₁；当基材表面附着有人造金属微结构后，人造金属微结构会对入射电磁场产生响应从而使得基材和人造金属微结构整体构成一种超材料，吸热芯板对电磁场的响应会因人造金属微结构尺寸的变化而变化，即吸热芯板的相对介电常数ε和相对磁导率μ会因人造金属微结构尺寸的变化而变化。 

下面通过三个实施例来详细描述人造金属微结构如何对入射电磁波产生响应以改变吸热芯板整体的电磁响应，使得吸热芯板能够实现与自由空间的阻抗匹配。 

本发明第一较佳实施例中，在基材两相对侧表面附着有不同的两种人造金属微结构，如图2a和图2b所示。基材一侧表面的第一人造金属微结构10包括相互垂直而连接成“十”字形的两个第一金属分支101，分别连接在每个第一金属分支101两端且垂直于第一金属分支101的第二金属分支102。基材另一侧表面的第二人造金属微结构20包括第三金属分支201，该第三金属分支201构成一边具有缺口2011的四边形状。该两个人造金属微结构在基材两相对侧表面一一对应。优选地，第一人造金属微结构10的第二金属分支102中点分别设于其所连接的该第一金属分支101的端点，第二人造金属微结构20由一边中点具有缺口2011的正方形状的第三金属分支201构成。 

当入射方向垂直于基材两相对侧表面的电磁波通过该吸热芯板时，第一人造金属微结构10的第二金属分支102分别聚集正负电子形成等效容性元件。根据公式ε＝(CS)/(4πkd)可知，其中ε为吸热芯板相对介电常数、S为第二金属分支面积、d为第二金属分支间隔、k为常数、C为等效电容量，吸热芯板的相对介电常数ε可通过调整第二金属分支102的面积S与第二金属分支102的间距d来调整，第二金属分支102的间距d即为第一金属分支101的长度；第二人造金属微结构20的第三金属分支201上形成环形电流，根据右手螺旋定则，环形电流产生磁场从而影响吸热芯板的相对磁导率μ。分别调节第一人造金属微结构10和第二人造金属微结构20的金属分支的尺寸和间隔即可调节人造金属微结构对入射电场和入射磁场的响应从而调节吸热芯板整体的相对介电常数ε和相对磁导率μ。 

图3为本发明第二较佳实施例的人造金属微结构拓扑示意图。该人造金属微结构30包括第一金属分支301，该第一金属分支301构成一边具有缺口3011的四边形状；一端设于缺口3011相对的四边形边上并向缺口3011延伸且突出缺口3011的第二金属分支302；垂直于第二金属分支302另一端的第三金属分支303。人造金属微结构30附着于基材两相对侧表面其中之一表面上，优选地，为了取得更好的吸波效果在基材两相对侧表面上均附着有人造金属微结构30且两相对侧表面的人造金属微结构成镜像对称，更优选地，每一侧表面的人造金属微结构30以第二金属分支302为对称轴成左右对称结构。 

本较佳实施例中人造金属微结构30相当于结合了第一较佳实施例中的第一人造金属微结构10和第二人造金属微结构20，其对垂直入射的电磁波的电磁响应原理与第一较佳实施例相同，即相对的金属分支等效为电容元件从而调整吸热芯板的相对介电常数ε，环形金属分支上感生的电流根据右手螺旋定则感生磁场从而调整吸热芯板的相对磁导率μ。具体到本实施例可表现为，如图4所示，人造金属微结构30拆分为呈“工”字形的第一部分30’以及呈一边缺口的四边形状的第二部分30”，第一部分30’的金属分支分别聚集正负电荷形成等效容性 元件从而调整超材料的相对介电常数，第二部分30”的金属分支形成环形电流并感生磁场从而调整超材料的相对磁导率。同时，由于本较佳实施例对人造金属微结构独特的图案设计使得基材上附着一面人造金属微结构即可满足设计要求。 

图5为本发明第三较佳实施例的人造金属微结构的结构示意图。其与第一较佳实施例和第二较佳实施例的不同之处在于，其采用了三维的人造金属微结构而非第一较佳实施例和第二较佳实施例中的二维人造金属微结构。三维的人造金属微结构使得吸热芯板的方向性更好，对三维空间任意方向入射的电磁波均能达到有效吸收。请参照图6，图5中的三维人造金属微结构是由图6所示的平面拓扑图案在三维空间共中心点两两垂直相交而成。如图6所示，平面拓扑图案包括相互垂直相交呈“十”字形的两条第一金属分支401；分别连接于两条第一金属分支401两端，长度小于第一金属分支401并垂直于第一金属分支401的四条第二金属分支402；从第二金属分支402两端以相同角度向内延伸的八条第三金属分支403；一边具有缺口4041并设置于第二金属分支402围成的平面内的四边形状的第四金属分支404，第四金属分支404的四边长度小于第二金属分支402，具有缺口4041的一边不与第一金属分支401相交，其他三边均与第一金属分支401相交。 

当三维空间任意入射方向的电磁波通过该吸热芯板时，电磁波的电场方向对应的平面的金属分支之间的间隔等效为容性元件。根据公式ε＝(CS)/(4πkd)可知，吸热芯板的相对介电常数ε可通过调整具有间隔的金属分支的面积S以及间距d来调整；电磁波的磁场极化方向对应的平面整体等效为感性元件并在其上形成环形电流，根据右手螺旋定则，环形电流产生磁场从而影响吸热芯板的相对磁导率μ。 

具体到本实施例中，将图6所示的二维拓扑图案看作为本发明人造金属微结构其中的一个平面拓扑结构，当入射方向垂直于该平面的电磁波通过该吸热芯板，该平面拓扑图案响应三维空间垂直于该平面的任意入射方向的电磁波可 等效拆分为如图7和图8所示的多个拓扑结构。其中图7为平面拓扑结构响应电场而拆分的多个拓扑结构，图8为平面拓扑结构响应磁场而拆分的多个拓扑结构。图7中被拆分的拓扑结构是由三类组成：(1)两对第二金属分支402，(2)四队第三金属分支403，(3)缺口4041相对的第二金属分支402以及缺口4041相对的对边4042。图8中平面拓扑结构拆分为多个开口环形金属分支，主要由两类组成：(1)第一金属分支401、第三金属分支403以及连接第一金属分支401和第三金属分支403的部分第二金属分支402，(2)第四金属分支404。从图7和图8中可以看出，由于本发明特殊的拓扑结构设计使得入射方向为三维空间垂直于平面拓扑结构任意方向的电磁波通过吸热芯板时，吸热芯板都可以通过调整人造金属微结构各个金属分支的面积和/或长度来调整超材料整体的相对介电常数和相对磁导率。进一步地，本发明整体人造微结构由三个相同的该平面拓扑结构在三维空间两两共交点垂直相交而成，因此本发明人造金属微结构对应三维空间任意入射方向的电磁波均可调整其相对介电常数和相对磁导率。 

上面通过三个实施例详细的描述了针对不同的人造金属微结构，如何调整其尺寸以使得吸热芯板整体满足和自由空间阻抗匹配。当吸热芯板和自由空间阻抗匹配时，满足了电磁波被吸收的第一个条件，下面详细描述在达到第一条件，即阻抗匹配的条件下，如何实现吸热芯板最大吸收电磁波，即透射率最小。 

当电磁波有损耗时，采用复折射率来描述电磁波的透射现象。负折射率n＝n₁+in₂，吸热芯板厚度为L。r和t表示吸热芯板的反射系数和透射系数。反射系数为0时，即达到阻抗匹配，透射系数越小即表示电磁波在吸热芯板内部损耗越大，所产生的热能越大。 

当阻抗匹配时，透射系数 

降低透射系数t可通过增大复折射率n的虚部n₂或者增大吸热芯板的总厚度L。增大虚部n₂需要重新调整人造金属微结构的尺寸和/或图案，此种办法较为复杂，因为需要兼顾阻抗匹配条件。通常的做法为增大吸热芯板的总厚度L。由于超材料需对入射电磁波产生连续的响 应，因此每层超材料厚度是固定的，增大吸热芯板的总厚度即通过增加构成吸热芯板的超材料片层的层数实现。经测试可知，当超材料片层层数大于等于五层时，吸热效果较好。 

本发明的吸热芯板由多片片状基材无间隙的叠加而紧密结合构成一个整体。基材可选取高分子聚合物、陶瓷、聚四氟乙烯、铁电材料、铁氧材料或铁磁材料等能量损耗大的材料。在基材表面上附着人造金属微结构的制造工艺有多种，例如蚀刻、电镀、钻刻、光刻、电子刻、离子刻等。本发明采用斜角沉积法，即在真空中以倾斜角度将金属微结构沉积在基板上，主要步骤为先以电子轰击金属块使其气化，然后让金属蒸汽沉积在基板上，通过调整基板的倾斜角度，让金属在自我遮蔽效应作用下优先朝蒸汽注入的方向生长成纳米金属微结构。本发明金属微结构材质为银或铜或其他人造金属。 

本发明还提供一种太阳能热水器，其集成有上述集热器。 

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。 

Claims (10)

1.一种集热器，包括吸热芯板、盖板以及外壳，其特征在于：所述吸热芯板由多个超材料片层叠加而成，所述每一超材料片层包括基材以及周期排布于基材上的人造金属微结构，所述吸热芯板在可见光通过时具有相等的相对介电常数和相对磁导率。

2.如权利要求1所述的集热器，其特征在于：所述吸热芯板由至少5层超材料片层叠加而成。

3.如权利要求2所述的集热器，其特征在于：所述吸热芯片基材两相对侧表面一侧表面上附着有第一人造金属微结构，另一侧表面上附着有与所述第一人造金属微结构一一对应的第二人造金属微结构；所述第一人造金属微结构包括相互垂直而连接成“十”字形的两个第一金属分支，分别连接在所述第一金属分支两端且垂直于所述第一金属分支的第二金属分支；所述第二人造金属微结构由一边具有缺口的四边形状的第三金属分支构成。

4.如权利要求2所述的集热器，其特征在于：所述吸热芯片基材两相对侧表面的至少一侧表面上附着有人造金属微结构，所述人造金属微结构包括第一金属分支，所述第一金属分支构成一边具有缺口的四边形状；一端设于该缺口相对的四边形边上并向该缺口延伸且突出该缺口的第二金属分支；垂直于所述第二金属分支另一端的第三金属分支。

5.如权利要求2所述的集热器，其特征在于：所述吸热芯片基材中周期排布的人造金属微结构由三个相同的平面拓扑结构在三维空间共中心点两两垂直相交而成。

6.如权利要求5所述的集热器，其特征在于：所述平面拓扑结构包括相互垂直相交呈“十”字形的两条第一金属分支；分别连接于该两条第一金属分支两端、长度小于该第一金属分支并垂直于该第一金属分支的四条第二金属分支；从该第二金属分支两端向内延伸的八条第三金属分支；一边具有缺口并设置于该四条第二金属分支围成的平面内的四边形状的第四金属分支，该第四金属分支的四边长度小于该第二金属分支且具有该缺口的一边不与该第一金属分支相交，其他三边均与该第一金属分支相交。

7.如权利要求1所述的集热器，其特征在于：所述基材为高分子聚合物、陶瓷、铁电材料、铁氧材料或铁磁材料。

8.如权利要求1所述的集热器，其特征在于：所述人造金属微结构通过蚀刻、电镀、钻刻、光刻、电子刻、离子刻或斜角沉积法排布于所述基材上。

9.如权利要求1所述的集热器，其特征在于：所述人造金属微结构的材质为铜或者银。

10.一种太阳能热水器，其特征在于：所述太阳能热水器集成有权利要求1至权利要求9中任一项所述的集热器。

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