CN103335416B - 太阳能集热器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种太阳能集热器，其特征在于上盖体为三维结构的透明空间几何体，上盖体和下盖体密封连接，壳体内设有进水集管和出水集管，进水集管的进水口和出水集管的出水口分别设在壳体外并与进水管和出水管相连接，进水集管和出水集管间由吸收传热管相连通，所述透明上盖体是由至少两个顺序排列的透明空间几何体组成，透明空间几何体可以呈向里凹进或向外凸起的且截面积向里或向外逐渐缩小的三维空间几何体，其有益效果：一是全时段的阳光利用，光热转换效率高，二是热损耗小，三是增加有效热传导面积，四是自清洁能力强,效能保持长期稳定，五是体积小，可与建筑墙立面平行安装。

Description

太阳能集热器
技术领域
本发明涉及一种光能吸收装置，尤其是实现光热转换和热能输出的太阳能集热器。
背景技术
目前，公知的太阳能集热器主要包括真空管式和平板式两种形态。
真空管式太阳能集热器的真空集热管由内外两层玻璃管构成。内外两层玻璃管之间抽成真空，内层玻璃管外表面涂有吸收层。吸收涂层吸收太阳光能后所得热能经内层玻璃管管壁传导给水，水被加热后变轻上浮形成自然循环逐渐使水箱内的水加温。真空管式太阳能集热器利用了真空热绝缘大大抑制了热的散失，但是现有产品存在轮廓面积大，使用安全系数低，及难以与高层建筑一体化安装的问题。
平板式太阳能集热器是主要由吸收传热管、透明上盖体、下盖体、进水集管、出水集管、进水管、出水管等构成的，主体结构呈二维平面形态的产品。其中，透明上盖体通常由对太阳光透明的玻璃板材等构成，吸收传热管由光能吸收翅片和导热流体管路组成，下盖体由保温材料、背板、边框等构成。由于采用金属导热流体管路，使安全性得到保证。
但是，由于现有平板式太阳能集热器的透明上盖体和吸收传热体对太阳光线存在反射，尤其当太阳光线大角度倾斜入射时这种反射的显著增加，造成目前平板式太阳能集热器不能充分利用太阳光能。
其次，由于由透明上盖体和下盖体形成的空间之内充满空气，吸收传热管通过空气媒介的对流散热，尤其是当吸收传热管与透明上盖体及外界温差较大时，造成平板式集热器主要的热损耗。
当前为减少光能反射，所采取的措施主要有：（1）在产品中采用压花盖板玻璃。例如，一种典型的压花玻璃图案设计是在靠太阳光线入射的外侧形成绒面，在靠近集热器内部的里侧压制成尖锥阵列。尽管里侧尖锥阵列对已进入透明上盖体的光线的透过进而增加光能利用有益，但是外侧绒面结构并不能降低太阳光能在进入透明上盖体时在其外侧面的反射。（2）在应用环节使用支架将平板式集热器相对建筑立面倾斜安装。倾斜安装可以在一定程度上平衡集热器在不同季节对阳光的利用效率，然而这给产品使用安全和建筑美观等又带来很大的问题。
当前为减少热散失，在产品中采用热阻性能良好的热绝缘材料。应用于真空管式太阳能集热器的真空热绝缘技术方案在平板式集热器中未见采用。
另外，在提高抗风压能力等使用安全性和在有利于建筑一体化的美观外形设计方面，在公开的报道中未见专门的讨论。
发明内容
本发明为了克服现有太阳能集热器在全时段太阳光能高效利用，空气对流散热显著，使用安全性及与建筑一体化等多方面的不足，应用三维结构特征，提供一种能提高太阳能集热器的综合集热能力的太阳能集热器。
本发明的技术方案是：
一种太阳能集热器，包括吸收传热管、上盖体、下盖体、进水集管、出水集管、进水管、出水管，其特征在于上盖体为三维结构的透明空间几何体，上盖体和下盖体密封连接，壳体内设有进水集管和出水集管，进水集管的进水口和出水集管的出水口分别设在壳体外并与进水管和出水管相连接，进水集管和出水集管间由吸收传热管相连通，采用空间几何体的结构使照射于其上的太阳光线的反射光有机会再次透过空间几何体，被在结构和/或位置上与上述空间几何体匹配的吸收传热管再次吸收，增加光能利用机会，透明上盖体空间几何体与下盖体形成物理接触，构成有效力学支撑，使由透明上盖体和下盖体形成的空间内可以抽成真空。
上述的一种太阳能集热器，可供选择的技术方案是：所述透明上盖体是由至少两个顺序排列的透明空间几何体组成，透明空间几何体可以呈向里凹进或向外凸起的且截面积向里或向外逐渐缩小的三维空间几何体，包括：棱锥形、棱台形、圆锥形、圆台形及异形壳体，吸收传热管在结构和/或位置上与上述空间几何体相匹配，所采用空间几何体的结构使照射于其上的太阳光线的反射光有机会再次透过空间几何体，被在结构和/或位置上与上述空间几何体匹配的吸收传热管再次吸收，增加光能利用机会，透明上盖体空间几何体与下盖体形成物理接触，构成有效力学支撑，使由透明上盖体和下盖体形成的空间内可以抽成真空，另外，所述透明上盖体的截面为锯齿形的空间几何体组成，吸收传热管位于透明上盖体与下盖体之间所形成的空间内，所采用空间几何体的结构使照射于其上的太阳光线的反射光有机会再次透过空间几何体，被在结构和/或位置上与上述空间几何体匹配的吸收传热管再次吸收，增加光能利用机会，由透明上盖体和下盖体所组成的密封外壳体的空间内抽成真空。
上述的一种太阳能集热器，可供选择的技术方案是：透明上盖体是由多个顺序排列的外表面光滑、内表面设有支撑体的空间几何体，上盖体与下盖体组成透明壳体后，支撑体的端部与下盖体相接触，吸收传热管位于透明上盖体与下盖体之间所形成的空间内，所采用设有支撑体的空间几何体的结构使由透明上盖体和下盖体所组成的密封外壳体的空间内可以抽成真空，降低吸收传热管热能耗散。
上述的一种太阳能集热器，改进的技术方案是：在三维结构的透明空间几何体的底部安装有喷水嘴，喷水嘴与透过上盖体和下盖体接触处密封连接的孔洞的输水管相连接，喷水嘴达到方便清洁的作用。
上述的一种太阳能集热器，改进的技术方案是：在所述进水集管、出水集管上设有膨胀节，以满足不同材料温度膨胀系数的不同。可选择的方式可以是安装于进水集管、出水集管端部的膨胀节，也可以是在进水集管、出水集管上直接加工出的一节或多节膨胀节。
上述的一种太阳能集热器，改进的技术方案是：在所述进水集管、出水集管穿过壳体处设有密封件,可选择的方案包括阻热密封件和采用热阻较高的金属结构件。
上述的一种太阳能集热器，改进的技术方案是：在所述吸收传热管表面覆有光热吸收涂层，高太阳光谱吸收能力和低热发射系数的高选择性吸收涂层，如包括铬的氧化物（通常称之为黑膜）和钛的氮氧化物（通常称之为蓝膜）的选择性吸收涂层，在增加光能吸收率的同时，降低热的辐射损失。
上述的一种太阳能集热器，改进的技术方案是：在所述透明上盖体的外表面上覆有疏水膜，可选择的一种疏水膜在完成自清洁功能的同时，耐自然老化。
上述的一种太阳能集热器，改进的技术方案是：在三维结构的空间几何体之间的底部安装有发光体，可选择的发光体包括光纤和发光二极管，光纤可传输自然或人工光源的光，目的是改变集热器产品的外观，提升其美观度。
上述的一种太阳能集热器，改进的技术方案是：所述吸收传热管是一种微管道换热器。微管道换热器提供与导热流体更大的接触面积，在提高热交换能力的同时,降低与导热流体的温差和吸收传热管对外热辐射。
采用本发明所提供的技术方案，可取得如下有益效果：（1）对应四季和一天内不同时段的直射阳光，以及任意入射角度的散射阳光，采用本发明的技术方案在工程实践中可以有机会做到在全时段都能保持最高的光能利用效率，达到对太阳光能利用的最大化。由此使其可以不采用支架直接安装在建筑物的外表面，达到与建筑的更好融合；（2）适应于真空的结构使在采用真空封装时，可以消除吸收传热管通过空气媒介的热散失或使之最小化，提高太阳能集热器的热能利用率。并由此使其可以在更低的环境温度下使用；（3）在采用诸如微通道管式吸收传热管时增加与水的接触面积，或采用主动循环时，可以提高水管管壁和循环水的热传导能力，增加热能的有效传递；(4) 在采用疏水膜和安装喷嘴时增加的自清洁能力使太阳能集热器减少使用维护,保持稳定效能；（5）由于本发明的太阳能集热器中的各吸收传热管紧密排列，在吸收同等热量的条件下，可有效缩小太阳能集热器的面积。
附图说明
图1.本发明的一种结构原理图。
图2.本发明一个向里凹进的空间几何体及吸收传热管单元的构造图。
图3.本发明一个实施例的系统框架图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
一种太阳能集热器，主要由吸收传热管、透明上盖体、下盖体、进水集管、出水集管、进水管、出水管等构成，吸收传热管连通在进水集管和出水集管之间，并置于由透明上盖体和下盖体所组成的外壳体的空间内，进水集管与进水管穿过外壳体相连通，出水集管与出水管穿过外壳体相连通，透明上盖体是由多个顺序排列的三维结构的透明空间几何体组成的透明壳体，由透明上盖体和下盖体所组成的密封外壳体的空间内抽成真空，因为空间几何体的结构使照射于其上的太阳光线的反射光有机会再次透过空间几何体，被在结构和/或位置上与上述空间几何体匹配的吸收传热管再次吸收，增加光能利用机会，透明上盖体空间几何体与下盖体形成物理接触，构成有效力学支撑，使由透明上盖体和下盖体形成的空间内可以抽成真空。
上述的一种太阳能集热器，可供选择的技术方案是：所述透明上盖体是由多个顺序排列的向里凹进的且截面积向里逐渐缩小的三维空间几何体组成的透明壳体，包括：棱锥形、棱台形、圆锥形、圆台形及异形壳体。吸收传热管在结构和/或位置上与上述空间几何体相匹配。所采用空间几何体的结构使照射于其上的太阳光线的反射光有机会再次透过空间几何体，被在结构和/或位置上与上述空间几何体匹配的吸收传热管再次吸收，增加光能利用机会。透明上盖体空间几何体与下盖体形成物理接触，构成有效力学支撑，使由透明上盖体和下盖体形成的空间内可以抽成真空。
上述的一种太阳能集热器，可供选择的技术方案是：透明上盖体是由多个顺序排列的向外凸起的且截面积向外逐渐缩小的空间几何体组成的透明壳体。吸收传热管位于透明上盖体与下盖体之间所形成的空间内，所采用空间几何体的结构使照射于其上的太阳光线的反射光有机会再次透过空间几何体，被在结构和/或位置上与上述空间几何体匹配的吸收传热管再次吸收，增加光能利用机会。由透明上盖体和下盖体所组成的密封外壳体的空间内抽成真空。
上述的一种太阳能集热器，可供选择的技术方案是：透明上盖体是由多个顺序排列的向外凸起的且截面为锯齿形的空间几何体组成的透明壳体。吸收传热管位于透明上盖体与下盖体之间所形成的空间内，所采用空间几何体的结构使照射于其上的太阳光线的反射光有机会再次透过空间几何体，被在结构和/或位置上与上述空间几何体匹配的吸收传热管再次吸收，增加光能利用机会。由透明上盖体和下盖体所组成的密封外壳体的空间内抽成真空。
上述的一种太阳能集热器，可供选择的技术方案是：透明上盖体是由多个顺序排列的外表面光滑、内表面设有支撑体的空间几何体组成的透明壳体。吸收传热管位于透明上盖体与下盖体之间所形成的空间内，所采用设有支撑体的空间几何体的结构使由透明上盖体和下盖体所组成的密封外壳体的空间内可以抽成真空，降低吸收传热管热能耗散。
上述的一种太阳能集热器，改进的技术方案是：在三维结构的透明空间几何体的底部安装有喷水嘴，喷水嘴达到方便清洁的作用。喷水嘴可选择的连接方式包括透过透明上盖体和下盖体接触处密封连接的孔洞与下盖体后面的输水管相连，喷水嘴冲洗上盖体的外侧面。
上述的一种太阳能集热器，改进的技术方案是：在所述进水集管、出水集管上设有膨胀节，以满足不同材料温度膨胀系数的不同。可选择的方式可以是安装于进水集管、出水集管端部的膨胀节，也可以是在进水集管、出水集管上直接加工出的一节或多节膨胀节。
上述的一种太阳能集热器，改进的技术方案是：在所述进水集管、出水集管穿过壳体时设有具有热导控制设计的密封件,以控制进水集管、出水集管与壳体的热交换。可选择的方案包括阻热密封件和采用热阻较高的金属结构件。
上述的一种太阳能集热器，改进的技术方案是：在所述吸收传热管表面覆有光热吸收涂层。高太阳光谱吸收能力和低热发射系数的高选择性吸收涂层，如包括铬的氧化物（通常称之为黑膜）和钛的氮氧化物（通常称之为蓝膜）的选择性吸收涂层，在增加光能吸收率的同时，降低热的辐射损失。
上述的一种太阳能集热器，改进的技术方案是：在所述透明上盖体的外表面上覆有疏水膜。可选择的一种疏水膜在完成自清洁功能的同时，耐自然老化。
上述的一种太阳能集热器，改进的技术方案是：在三维结构的空间几何体之间的底部安装有发光体。可选择的发光体包括光纤和发光二极管。光纤可传输自然或人工光源的光。目的是改变集热器产品的外观，提升其美观度。
上述的一种太阳能集热器，改进的技术方案是：所述吸收传热管是一种微管道换热器。微管道换热器提供与导热流体更大的接触面积，在提高热交换能力的同时,降低与导热流体的温差和吸收传热管对外热辐射。
参照附图1所示，透明上盖体1和下盖体2形成的密闭空间内放置吸收传热管3。出水集管4和进水集管4b与吸收传热管3连通并穿出密闭空间。一任意光线5入射于某一空间几何体单元1a的一个侧面，透射光6被吸收传热管3转换为热能，反射光线7再次入射到空间几何体单元1a的另一个侧面时产生的透射光8被吸收传热管3再次吸收，喷水嘴9穿过密封的空间几何体单元1a的底部和下盖体2与输水管10相连通。
附图2展示了采用向里凹进的四面棱锥形壳体组成的空间几何体单元1a，下盖体2及与其匹配的吸收传热管3。一任意光线5入射到几何体单元1a的一个侧面后的透射光6被吸收传热管3转换为热能，反射光线7再次入射空间几何体单元1a的另一侧面时产生的透射光8被吸收传热管3再次吸收。透明上盖体空间几何体单元1a所形成的壳体与下盖体2形成力学支撑，使透明上盖体和下盖体之间可以抽成真空，防止空气媒介的热散失。同时增加了抗风压等力学强度。
参照附图3所示，本发明应用于一个太阳能热水器系统的框架图。图中，集热器10a吸收太阳光能，水温传感器13a感知进水集管4b和进水管4c连接处，水温传感器13b感知出水集管4和出水管4a连接处水的温度，当温度差高于由控制器14设定的某个差值时，控制器启动水泵15进行主动循环，并可根据进出水温差调节水泵转速，将热能存贮于水箱16。

Claims (5)

1.一种太阳能集热器，包括吸收传热管、上盖体、下盖体、进水集管、出水集管、进水管、出水管，其特征在于上盖体为三维结构的透明空间几何体，上盖体和下盖体密封连接，透明空间几何体呈向里凹进且截面积向里逐渐缩小的三维空间几何体，或透明空间几何体呈向外凸起的且截面积向外逐渐缩小的三维空间几何体，吸收传热管在结构和/或位置上与透明空间几何体相匹配，上盖体和下盖体形成的空间为真空，透明空间几何体的底部安装有喷水嘴，喷水嘴与输水管相连接，冲洗上盖体的外侧面，壳体内设有进水集管和出水集管，进水集管、出水集管上设有膨胀节，进水集管的进水口和出水集管的出水口分别设在壳体外并与进水管和出水管相连接，进水集管和出水集管间由吸收传热管相连通，吸收传热管是一种微管道换热器，所述上盖体是由至少两个顺序排列的透明空间几何体组成。
2.根据权利要求1所述的一种太阳能集热器，其特征在于进水集管、出水集管穿过壳体处设有密封件, 密封件为阻热密封件或热阻较高的金属结构件。
3.根据权利要求1所述的一种太阳能集热器，其特征在于吸收传热管表面覆有光热吸收涂层。
4.根据权利要求1所述的一种太阳能集热器，其特征在于上盖体的外表面上覆有疏水膜。
5.根据权利要求1所述的一种太阳能集热器，其特征在于三维结构的透明空间几何体之间的底部安装有发光体。
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