CN103148601B - 一种平板太阳能集热器及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种平板太阳能集热器及其制作方法，主要解决太阳能集热器传热面积小，传热系数小，传热效果不好的问题。它包括太阳能板芯，所述太阳能板芯包括板芯主体、第一集管和第二集管，其特征是，所述板芯主体包括上板和下板；所述上板和下板均为波纹形状，上板的下突起部和下板的上突起部一一对应的密封固定连接，上板与下板之间形成若干条介质流道；并且板芯主体的外表面还设有金属混合体介质膜，制作方法包括板芯主体制作工序和金属混合体介质膜层的制作工序。该方法制备的平板太阳能集热器吸收率高、发射率低，耐热性、耐候性、耐湿性、耐腐蚀性等性能较优异，并且具有较高的附着性和硬度。

Description

一种平板太阳能集热器及其制作方法

技术领域

本发明涉及太阳能热利用技术领域，尤其是一种平板太阳能集热器及其制作方法。

背景技术

太阳能作为一种取之不竭的清洁可再生能源，已逐步成为替代常规化石能源的新型能源。太阳能光热系统是成熟适用、清洁环保的重要新能源技术，推广应用太阳能光热系统对满足能源增长需要、保护环境、实现可持续发展具有重要作用。

国内太阳能热水系统集热器种类主要有平板型和全玻璃真空管型两大类。真空管型集热器目前占据国内太阳能热水器市场的90%以上。随着新能源的推广和普及以及与建筑一体化政策的实施，以及科技的进步和发展直接推动人们对高品质生活的需求，在城市建筑中，真空管产品在安装高度、安全、承压、结垢、管道质量以及市容建设等方面遇到的瓶颈问题日益突显。现有平板型集热器传热面积较小，传热系数较低，不能达到较好的效果。

目前市场上太阳能集热器上的光热涂层有如下几种制备方法：阳极氧化法，电镀黑铬法，磁控溅射法等。阳极氧化法是将铝片置于稀磷酸溶液中阳极氧化至表面形成多孔氧化膜，然后在硫酸镍或硫酸亚锡溶液中交流电解，镍（锡）离子还原沉积于氧化的孔隙中，形成具有选择性吸收的表面；该法是属于化学镀的方法，产品生产过程中的废液排放易造成环境污染。电镀黑铬法是采用电镀方法在太阳能集热板上制备黑铬SSAC选择性吸收涂层；电镀废液会造成环境污染，目前我国新上电镀线已不再审批，国外同类生产线也纷纷停产。磁控溅射法用于太阳能真空集热管技术的SSAC涂层目前以AlN-AlN_x-Al涂层为主；该涂层使用反应直流磁控溅射技术沉积，具有高吸收率（α=0.97），低红外辐射率，低成本，真空下高温稳定性好等优点。磁控溅射法制造成本低，无污染，非常适合大批量工业化生产，由于该涂层耐候性能较差，不适于平板太阳能吸收板的使用。因此，对于太阳能集热器涂层的开发研究也非常重要。

发明内容

本发明的目的在于提供一种平板太阳能集热器及其制作方法，该集热器整板都充满导热介质，整体吸热并进行热循环运动，具有较高的传热量和传热效率；波纹设计使流体在较低的流速下也能产生湍流，致使高温流体对管壁和管壁对低温流体的给热系数较大，从而达到较高的传热效率，板芯主体的外表面还设有金属混合体介质膜层。应用该生产方法生产出的平板太阳能集热器吸收率较高、发射率较低，耐热性，耐候性，耐湿性，耐腐蚀性等性能较优异，并且具有较高的附着性和硬度。

一种平板太阳能集热器，包括太阳能板芯，所述太阳能板芯包括板芯主体、第一集管和第二集管，其特征是，所述板芯主体包括上板和下板；所述上板和下板均为波纹形状，上板的下突起部和下板的上突起部一一对应的密封固定连接，上板与下板之间形成若干条介质流道。

进一步的，所述板芯主体内的若干条介质流道相互平行；

所述第一集管与各介质流道的底端分别连通，且各介质流道与第一集管的连通处的排列顺序与各介质流道的排列顺序一致；第一集管的右端为介质入口，第一集管的左端封闭；

所述第二集管与各介质流道的顶端分别连通，且各介质流道与第二集管的连通处的排列顺序与各介质流道的排列顺序一致；第二集管的左端为介质出口，第二集管的右端封闭。

更进一步的，所述第一集管的介质入口连通一延长管，该延长管在板芯主体外延长至第二集管的介质出口处。

此外，作为进一步的技术方案，所述介质流道的横截面为两段或多段弧线和/或直线连接而成的形状。

其中优选的：所述介质流道的横截面为菱形。

优选的：所述介质流道的横截面为椭圆形。

也可以：所述介质流道的横截面为圆形。

优选的：所述上板和下板为超纯铁素体不锈钢；

优选的：所述板芯主体的外表面还设有金属混合体介质膜层。

本发明还提供了一种平板太阳能集热器的制作方法，包括板芯主体制作工序和金属混合体介质膜层的制作工序，其特征是，

所述板芯主体制作工序包括如下步骤：

1）对制作板芯主体所需的上板、下板下料并进行预处理；

2）对上板、下板进行冲压成型为波纹板；

所述波纹板的上板、下板波纹形状、尺寸相同；

3）将上板、下板对应扣合，上板的下突起部和下板的上突起部一一对应接触压紧，上板与下板之间形成若干条介质流道；介质流道之间采用点焊密封固定连接；上板、下板的四周采用滚焊密封固定连接；

所述金属混合体介质膜层的制作工序包括如下步骤：

（1）将制作好的板芯主体进行前处理，具体步骤包括：

①酸洗：将制作好的板芯主体放入酸洗液中酸洗30s，所述酸洗液中各组分重量比为67%硝酸：氟化氢铵：氟化氢钠：水=1.5：0.6：0.6：1；

②前水洗：室温空气搅拌的条件下，将经过酸洗的板芯主体进行水洗；所述前水洗的补水量为200L/h；

（2）化学处理

①配制化学处理液：按重量比称取98%的硫酸，重铬酸钠，硫酸亚铁和水，配制为溶液，转移至表面处理槽中，所述98%的硫酸：水：重铬酸钠+硫酸亚铁重量比为1.95:1:2.65，其中，重铬酸钠：硫酸亚铁为1:1；

②将经过前处理的板芯主体放入盛有化学处理液的表面处理槽中浸渍10min，所述表面处理槽的处理条件为120℃高压蒸汽浴加热；

（3）后处理：室温空气搅拌的条件下，将经过化学处理的板芯主体进行水洗；所述后处理的补水量为150L/h；

（4）将经过后处理的板芯主体进行气密性检查。

本发明具有以下突出的有益效果：

（1）相比于铜管翅片平板集热器板芯，该集热器的板芯主体整板都充满导热介质，整体吸热并进行热循环运动，换热面积较大。

（2）换热板片（即上板、下板）上为双波纹波幅，在流速不大的条件下,可激起流体强烈的湍动；这种湍动比在一般换热器中由高流速所引起的湍动能更有力地破坏边界层,更有效地减少介面上液膜的热阻，进而增大传热系数，提高传热效率。

（3）热效率高，流道和作为换热的平板是一体，采用一次模压成型，不需要焊接，无结合热阻。

（4）介质在右侧进入平板集热器板芯主体的介质流道，在介质流道内同程流动，传热比较均匀。

（5）相比于阳极氧化法，电镀黑铬法，该制作方法降低了对环境的污染，比较简单、易行。

（6）该制作方法制备的一种平板太阳能集热器吸收率较高、发射率较低，耐热性，耐候性，耐湿性，耐腐蚀性等性能较优异，并且具有较高的附着性和硬度。

附图说明

附图1是本发明中平板太阳能集热器的板芯主体的实施例一的结构示意图；

附图2是图1所示实施例一中介质流道的横截面示意图；

附图3是本发明中平板太阳能集热器实施例的结构示意图；

附图4是本发明中平板太阳能集热器的板芯主体实施例二中介质流道的横截面示意图；

附图5是本发明中平板太阳能集热器的板芯主体实施例三中介质流道的横截面示意图；

附图6是本发明的金属混合体介质膜层的制作工序示意图；

附图标记说明：1板芯主体，2上板，3下板，4下突起部，5上突起部，6介质入口，7介质出口，8第一集管，9延长管，10第二集管，11介质流道。

具体实施方式

实施例一：

如图1～5所示，一种平板太阳能集热器，包括太阳能板芯，所述太阳能板芯包括板芯主体1、第一集管8和第二集管10，所述板芯主体1包括上板2和下板3；所述上板2和下板3为超纯铁素体不锈钢；所述上板2和下板3均为波纹形状，上板2的下突起部4和下板3的上突起部5一一对应的密封固定连接，上板与下板之间形成若干条介质流道11。该实施例中的介质流道11的横截面为菱形，如图2所示，如此设置，在流速不大的条件下,可激起流体强烈的湍动；这种湍动比在一般换热器中由高流速所引起的湍动能更有力地破坏边界层,更有效地减少介面上液膜的热阻，进而增大传热系数，提高传热效率。所述板芯主体1内的若干条介质流道11相互平行。上板2和下板3为超纯铁素体不锈钢即SUS444（00Cr18Mo2），超纯铁素体不锈钢是一种超低碳氮、含18%铬与2%钼，高耐腐蚀。采用该种材料，可以避免焊接后的晶间腐蚀。该钢种特别适合应用于各种水处理装置。

如图3所示，所述第一集管8与各介质流道11的底端分别连通，且各介质流道11与第一集管8的连通处的排列顺序与各介质流道的排列顺序一致；第一集管8的右端为介质入口6，第一集管8的左端封闭；所述第二集管10与各介质流道11的顶端分别连通，且各介质流道11与第二集管10的连通处的排列顺序与各介质流道的排列顺序一致；第二集管10的左端为介质出口7，第二集管10的右端封闭。上述设置方式，使得介质在集热器中循环的路径长度相等，换热充分、均匀。

所述第一集管8的介质入口6连通一延长管9，该延长管9在板芯主体1外延长至第二集管10的介质出口处。这样可以方便与换热器的连接。

板芯主体的外表面还设有金属混合体介质膜层。

制作上述平板太阳能集热器的方法，包括板芯主体制作工序和金属混合体介质膜层的制作工序，板芯主体制作工序步骤如下：

1）对制作板芯主体所需的上板、下板下料并进行预处理；

2）对上板、下板进行冲压成型为波纹板；

其中，优选的，波纹板的上板、下板波纹形状、尺寸相同；这样在加工过程中，可以加工单一的版型即可，也就是加工出来的板材即可作为上板也可作为下板，有利于简化加工工艺，提高加工效率，降低加工成本。而且后续焊接也更方便。

3）将上板、下板对应扣合，上板的下突起部和下板的上突起部一一对应接触压紧，上板与下板之间形成若干条介质流道；介质流道之间采用点焊密封固定连接；上板、下板的四周采用滚焊密封固定连接；

金属混合体介质膜层的制作工序包括如下步骤：

（1）将制作好的板芯主体进行前处理，具体步骤包括：

①酸洗：将制作好的板芯主体放入酸洗液中酸洗30s，所述酸洗液中各组分重量比为67%硝酸：氟化氢铵：氟化氢钠：水=1.5：0.6：0.6：1；

经过酸洗后，板芯主体表面形成纳米级空隙。

②前水洗：室温空气搅拌的条件下，将经过酸洗的板芯主体进行水洗；所述前水洗的补水量为200L/h；

（2）化学处理

①配制化学处理液：按重量比称取98%的硫酸，重铬酸钠，硫酸亚铁和水，配制为溶液，转移至表面处理槽中，所述98%的硫酸：水：重铬酸钠+硫酸亚铁重量比为1.95:1:2.65，其中，重铬酸钠：硫酸亚铁为1:1；

②将经过前处理的板芯主体放入盛有化学处理液的表面处理槽中浸渍10min，所述表面处理槽的处理条件为120℃高压蒸汽浴加热；

处理完成后，观察表面处理颜色，成深蓝色为最佳。

在化学处理的过程中，在基体表面形成金属混合体介质膜层，金属混合体介质膜层的空隙填充物为铬、铬氧化物、铁的硫化物的混合物，基体表面空隙的填充量为80%，可以最大程度降低放射率。

（3）后处理：室温空气搅拌的条件下，将经过化学处理的板芯主体进行水洗；所述后处理的补水量为150L/h；

（4）将经过后处理的板芯主体进行气密性检查。

实施例二：

该实施例与实施例一不同之处仅在于：所述介质流道11的横截面为椭圆形，如图4所示。其余均相同，不再赘述。

该实施例的平板太阳能集热器的制作方法，也与实施例一的制作方法相同，只是由于上板、下板的冲压后波纹形状不同，需要更换相应形状的模具进行冲压成型，除此外，其余均相同，不再赘述。

实施例三：

该实施例与实施例一不同之处仅在于：所述介质流道11的横截面为圆形，如图4所示。其余均相同，不再赘述。但该种圆形横截面在改变介质流动方式（加大湍动）上效果不佳。

该实施例的平板太阳能集热器的制作方法，也与实施例一的制作方法也相同，只是由于上板、下板的冲压后波纹形状不同，需要更换相应形状的模具进行冲压成型，除此外，其余均相同，不再赘述。

由于本发明的介质流道和介质进、出口位置设计，介质在流道内同程流动，传热更加均匀。

流动截面形状对换热和阻力有很大的影响，在由层流向湍流过渡的过渡区中管道截面形状对换热也有较大的影响。

在本发明的平板太阳能集热器所用的波纹流道中，介质流道的横截面为两段或多段弧线和/或直线连接而成的形状，使流体在较低的流速下也能产生湍流，传热效率高，流体沿板间狭窄弯曲通道流动时，速度的大小与方向不断地发生突然改变，在流速不大的条件下，可激起流体强烈的湍动。这种湍动比在一般换热器中由高流速所引起的湍动能更有力地破坏边界层，更有效地减少介面上液膜的热阻。同时，这种湍动还能使流体在换热面均匀地分布，更有利于热交换。

按照上述制作方法制备出的平板太阳能集热器的性能：

各种性能指标远远超出国家标准，200℃、3000小时、吸收率的下降在3%以内。下表1为本发明所述制备方法制备的平板太阳能集热器空晒时达到的温度列表。

表1.空晒时达到的温度列表

分别选取了超级蓝膜涂层，阳极氧化涂层，喷涂涂层和本发明所述的表面钝化涂层进行了吸收率和放射率测试分析，吸收率：使用紫外可视、近红外分光光度计UbestV-570(日本分光法），放射率：使用傅里叶变换的赤外分光光度计FT/IR-460(日本分光法），结果见下表2。

表2.不同吸热涂层的吸收发射率实际测量值

对本发明所述制备方法制备出的平板太阳能集热器进行一系列性能实验，结果见下表3。

表3.太阳能集热器性能实验结果列表

以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，任何熟悉本专业的技术人员在不脱离本发明技术方案的范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更改或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，根据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (9)

1.一种平板太阳能集热器，包括太阳能板芯，所述太阳能板芯包括板芯主体、第一集管和第二集管，其特征是，所述板芯主体包括上板和下板；所述上板和下板均为波纹形状，上板的下突起部和下板的上突起部一一对应的密封固定连接，上板与下板之间形成若干条介质流道；

所述板芯主体的外表面还设有金属混合体介质膜层；

所述板芯主体制作工序包括如下步骤：

1）对制作板芯主体所需的上板、下板下料并进行预处理；

2）对上板、下板进行冲压成型为波纹板；

所述波纹板的上板、下板波纹形状、尺寸相同；

3）将上板、下板对应扣合，上板的下突起部和下板的上突起部一一对应接触压紧，上板与下板之间形成若干条介质流道；介质流道之间采用点焊密封固定连接；上板、下板的四周采用滚焊密封固定连接；

所述金属混合体介质膜层的制作工序包括如下步骤：

（1）将制作好的板芯主体进行前处理，具体步骤包括：

①酸洗：将制作好的板芯主体放入酸洗液中酸洗30s，所述酸洗液中各组分重量比为67%硝酸：氟化氢铵：氟化氢钠：水=1.5：0.6：0.6：1；

②前水洗：室温空气搅拌的条件下，将经过酸洗的板芯主体进行水洗；所述前水洗的补水量为200L/h；

（2）化学处理

①配制化学处理液：按重量比称取98%的硫酸，重铬酸钠，硫酸亚铁和水，配制为溶液，转移至表面处理槽中，所述98%的硫酸：水：重铬酸钠+硫酸亚铁重量比为1.95:1:2.65，其中，重铬酸钠：硫酸亚铁为1:1；

    ②将经过前处理的板芯主体放入盛有化学处理液的表面处理槽中浸渍10min，所述表面处理槽的处理条件为120℃高压蒸汽浴加热；

（3）后处理：室温空气搅拌的条件下，将经过化学处理的板芯主体进行水洗；所述后处理的补水量为150L/h；

（4）将经过后处理的板芯主体进行气密性检查。

2.根据权利要求1所述的一种平板太阳能集热器，其特征是，所述板芯主体内的若干条介质流道相互平行；

所述第一集管与各介质流道的底端分别连通，且各介质流道与第一集管的连通处的排列顺序与各介质流道的排列顺序一致；第一集管的右端为介质入口，第一集管的左端封闭；

所述第二集管与各介质流道的顶端分别连通，且各介质流道与第二集管的连通处的排列顺序与各介质流道的排列顺序一致；第二集管的左端为介质出口，第二集管的右端封闭。

3.根据权利要求2所述的一种平板太阳能集热器，其特征是，所述第一集管的介质入口连通一延长管，该延长管在板芯主体外延长至第二集管的介质出口处。

4.根据权利要求3所述的一种平板太阳能集热器，其特征是，所述介质流道的横截面为两段或多段弧线和/或直线连接而成的形状。

5.根据权利要求4所述的一种平板太阳能集热器，其特征是，所述介质流道的横截面为菱形。

6.根据权利要求4所述的一种平板太阳能集热器，其特征是，所述介质流道的横截面为椭圆形。 

7.根据权利要求4所述的一种平板太阳能集热器，其特征是，所述介质流道的横截面为圆形。 

8.根据权利要求4所述的一种平板太阳能集热器，其特征是，所述上板和下板为超纯铁素体不锈钢。

9.一种平板太阳能集热器的制作方法，包括板芯主体制作工序和金属混合体介质膜层的制作工序，其特征是，

所述板芯主体制作工序包括如下步骤：

1）对制作板芯主体所需的上板、下板下料并进行预处理；

2）对上板、下板进行冲压成型为波纹板；

所述波纹板的上板、下板波纹形状、尺寸相同；

3）将上板、下板对应扣合，上板的下突起部和下板的上突起部一一对应接触压紧，上板与下板之间形成若干条介质流道；介质流道之间采用点焊密封固定连接；上板、下板的四周采用滚焊密封固定连接；

所述金属混合体介质膜层的制作工序包括如下步骤：

（1）将制作好的板芯主体进行前处理，具体步骤包括：

①酸洗：将制作好的板芯主体放入酸洗液中酸洗30s，所述酸洗液中各组分重量比为67%硝酸：氟化氢铵：氟化氢钠：水=1.5：0.6：0.6：1；

②前水洗：室温空气搅拌的条件下，将经过酸洗的板芯主体进行水洗；所述前水洗的补水量为200L/h；

（2）化学处理

①配制化学处理液：按重量比称取98%的硫酸，重铬酸钠，硫酸亚铁和水，配制为溶液，转移至表面处理槽中，所述98%的硫酸：水：重铬酸钠+硫酸亚铁重量比为1.95:1:2.65，其中，重铬酸钠：硫酸亚铁为1:1；

②将经过前处理的板芯主体放入盛有化学处理液的表面处理槽中浸渍10min，所述表面处理槽的处理条件为120℃高压蒸汽浴加热；

（3）后处理：室温空气搅拌的条件下，将经过化学处理的板芯主体进行水洗；所述后处理的补水量为150L/h；

（4）将经过后处理的板芯主体进行气密性检查。