CN103765123B - 带有光导的热能装置 - Google Patents

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Abstract

热能装置，其具有热能部分（20），热能部分包括多个用于载热流体通过的载热管（21），其特征在于，热能装置具有布置在热能部分（20）之上的光导（10），光导（10）的光学性能允许根据入射光线的入射角朝不同的出射方向引导入射光线，以将大部分入射光在低入射角时如在冬季导向到载热管（21）上，而在高入射角时如在夏季导向到这些载热管（21）之外。

Description

带有光导的热能装置
技术领域
本发明涉及太阳能装置，例如热能组件。本发明还涉及这种热能装置的制造方法。
背景技术
热能组件的原理是利用太阳辐射来产生建筑物供暖系统利用的热水和/或用于产生建筑物卫生热水。对热能组件所提供的热水的需要非常依赖季节。实际上，在冬季需求大，尤其对于采暖，而在夏季需求较小。现有的包括热能组件的热能装置的缺陷源于这样的事实：其在夏季蓄积过多的能量，这会产生无益的蓄热，该无益的蓄热尤其是会引起装置过热，从而由于装置温度剧烈升高而发生损坏装置的危险。
因此，存在对可弥补上述缺陷的一种解决方案的需要。
发明内容
为此，本发明涉及一种热能装置，所述热能装置具有热能部分，热能部分包括多个用于载热流体通过的载热管，其特征在于，热能装置具有布置在热能部分之上的光导，该光导具有的光学性能允许根据入射光线的入射角朝不同的方向引导入射光线，以将大部分入射光在低入射角时如在冬季导向到载热管上，而在高入射角时如在夏季导向到这些载热管之外。
本发明由权利要求书更确切地加以限定。
附图说明
将在下面参照附图对作为非限制性示例给出的具体实施方式的描述中详述本发明的这些目的、特征和优点，附图中：
图1示意地示出根据本发明的一种实施方式的热能组件。
图2示出根据本发明的实施方式的热能组件的光导的一部分的放大图。
图3示意地示出根据第一实施变型的光导。
图4示意地示出根据第二实施变型的光导。
图5通过放大光导的一部分示意地示出根据该第二实施变型的光导的工作情况。
图6示意地示出根据本发明的实施方式的热能组件安装在建筑物上。
图7和8是根据本发明的实施方式的热能组件在图5安装中的光导的一部分的放大图。
图9示出根据本发明的一种实施方式的光导的反射系数随光线入射角的变化。
图10以透视图示意地示出根据本发明的一种实施方式的光导的齿状部件。
图11以侧视图示意地示出根据本发明的实施方式的光导的齿状部件。
图12示意地示出根据本发明的一种实施方式的光导的工作情况。
图13示意地示出根据本发明的一种实施方式的光导的变体的工作情况。
图14示意地示出根据本发明的一种实施方式的混合型热能组件。
图15示意地示出根据本发明的实施方式的混合型热能组件的工作情况。
图16至18示出根据本发明的一种实施方式的混合型热能组件的制造方法的不同工序。
具体实施方式
在以下的说明中，出于简化理解的原因，相同的标号将用于不同附图上类似的构件。
将要描述的本发明的实施方式基于使用光导，光导可根据光线入射角以不同的方式引导光线以将光线导射出光导，尤其是，利用太阳在不同季节的不同高度，例如在冬季入射角低时以及例如在夏季入射角更高时，使光线有区别地取向。因此，该光导如根据季节自动转换的开关那样工作，可使光线在太阳能装置的一个区域或另一区域中转换投射，同时保持太阳能装置的最小体积尺寸。
因此，图1示出根据本发明的一种实施方式的热能组件1。该热能组件在其上部中具有光导10，其形成热能组件的罩盖。在该光导下面，热能组件包括热能部分20，热能部分20具有平行的载热管21，这些平行的载热管按照小于或等于50毫米的恒定的间距p分布且由空间22分开。
光导10由两种叠置的具有不同光学性能的材料形成。上部件11具有第一种材料，形成光导的平坦的上表面12，入射光线由该上表面射入。下部件15具有第二种材料，形成光导的平坦的下表面16，光线在通过光导10之后由该下表面朝热能部分20的选定区域的方向射出。在该实施方式中，这两种材料是具有不同折射率的刚性、透明、半透明或半透光的材料，例如塑料材料如PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯）。这两种材料还具有齿形的光导内表面。它们的齿状形状互补，使得形成光导的两个部件11、15之间的连续内连接面19，这两个部件在整个连接面19上保持接触。应当指出，每个齿的形廓由一倾斜部分和与平行的平坦上表面12和平坦下表面16都垂直的一部分组成。此外，齿间距p与下热能部分20的载热管21的间距相同，以获得下面将予以说明的效应。
图2作为例子示出两条光线在光导10内部的路径。第一入射光线30具有例如相应于夏季情况的入射角，第一入射光线30到达光导的上表面12，在光导的第一部件11内部折射成折射光线31。然后，该折射光线31以如下这样的角度到达光导的两个部件11、15之间的倾斜连接面19：该角度使得光线被反射，以最终在离开光导时产生沿第一方向取向的出射光线32。第二入射光线34具有例如相应于冬季情况的低入射角，第二入射光线34到达光导的上表面12，在光导的第一部件11内部折射成折射光线35。然后，该折射光线35到达光导的两个部件11、15之间的连接面19，使得在第二部件内部产生新的折射光线36，该新的折射光线36继而从光导下方沿第二方向离开。因此，显然，光导10使从其下表面16出射的光线根据光线的入射角、因而根据季节不同地定向。
应当指出，这种光导可具有一些变型。为此，图3示出光导10的第一变型，其中，第二部件15去除，代之以充填有气体例如空气或氮气的空间，所述气体起具有不同光学性能的第二种材料的作用，其工作情况等同于参照图2所说明的工作情况。
根据上述实施方式的光导的优点在于具有平坦的上表面12，这便于雨水对其进行清洗，避免尘土或其它物质积聚。但是，图4示出第二变型，其中，光导20仅具有单一部件11，且具有带凸起例如齿的上表面12，以使光线根据其入射角不同地取向。
出于简化的原因，图5示意地示出这种变型仅针对一齿的工作情况，换句话说，根据太阳50的位置，该齿交替地接收相应于夏季的入射光线30和例如相应于冬季的更低的入射光线34。这些不同入射角的入射光线30、34到达光导10的该齿的两个分开表面上，这使得在离开光导10时产生分别触及两个分开的区域的相应光线32、36。自然选择使在冬季所触及的区域与载热管21所处的区域相一致。
图6示出如上面参照图1至3所述的热能装置安装在建筑物40的屋顶41上，用以为该住宅提供热水。屋顶相对于水平线具有斜度γ，这限定热能装置的光导的上表面12的倾斜角，尤其如图7所示，所述上表面12接收来自太阳50的以入射角θh入射的光线30，入射角θh取决于时间和季节以及建筑物40的纬度。
图8详示光线30在光导内的路径，该光线以相对于光导上表面的法线的一定角度θe到达光导的上表面12。该光线首先形成折射光线31，折射光线31到达形成光导的上部件11的下表面的连接面19。该下表面相对于光导的上表面12倾斜一角α。该折射光线31以相对于下表面法线的角θi到达该倾斜面。根据该角θi的数值，光线31或者折射通过该表面，或者如图所示反射成光线32，以最终在离开光导时提供具有一定取向的光线33，该取向因而取决于光线入射角。
如图9所示，根据图3中所示的变型的光导的反射系数取决于入射角。在形成光导的第一部件11的第一种材料具有折射率1.49而第二种材料具有折射率1的所选示例中，看来超过42°的阈值入射角，则整个入射光线都被反射。这在图8中表现为如果角θi大于42°则折射光线31被反射。
前述考虑表明，本领域技术人员可以容易确定根据所需的具体实施要使用的光导的几何形状。实际上，首先已知太阳辐射随季节变化的入射角，尤其考虑到屋顶41的斜度γ和相关建筑物40的纬度L（考虑到在冬至正午数值用表达式θh=68－L计算，则在冬季，光线相对于水平线的入射角θh易于估测。同样，已知在夏至正午，该角度变成θh=112－L）。然后，只需确定光导的几何形状，尤其是其厚度e、齿状表面的倾斜角α、以及所用材料的折射率，以获得光线随其入射角的期望路径。例如，该光导的第一部件11示于图10和11中：看来可易于确定其几何形状，易于通过对塑料材料如PMMA即聚甲基丙烯酸甲酯挤压、加工开槽、模制成型来制成。
因此，图12示出如图1中所示的热能装置1的性能，前提如下：
－纬度为46°N（即夏季入射角为66°，冬季入射角为22°）；
－第一部件11为PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯）材质，折射率为1.491（在绿色中），光导为6毫米厚（e=6毫米）的板状，齿倾斜29°的角α；
－第二部件15是折射率为1的空气；和
－热能组件1按45°的倾斜度布置。
如图12中可见，在夏季光线30在出射时被导向，使得形成导向间置在不同载热管21之间的区域22中的传输光线32，从而可使这些载热管接收最少热量及避免现有技术中所遇到的过热问题。相反，在冬季光线34在出射时被导向成光线36，光线36特定地射到载热管21上，以在最需要时向载热管传递最大的热量。
显然，这两种入射光线表示夏至正午和冬至正午的极端情况，存在随季节和时间而变化的各种中间配置，在这些中间配置中，从光导出射的光线部分地分布到载热管21上以及部分地分布到载热管以外。依然由此可见，利用所选配置，载热管21总体上在冬季比在夏季接收多得多的光线，这完全符合预期效果。应当指出，光导的部件11、15的齿距p与载热管21的分布间距一致，以便在光线出射时获得光线的这种一致性。但是，可考虑其它几何形状，如间距不是恒定的，和/或齿的几何形状可变化，可用简单的凸纹、槽来代替齿，等。应当指出，可注意到的是，这样描述的光导不用作光发射放大器，例如没有使光线集中到某些区域上的作用。其仅限于改变光线的朝向，以根据季节使光线从一区域转换射向另一区域。因此，在所选实施中，要区别在冬季优先的由载热管21形成的第一区域以及在夏季优先的由载热管之间的间隔22形成的第二区域。这两个区域由多个平行的间置的带组成。
热能装置的前述实施也可不同。但是，有利地，这种热能装置呈一个或多个称为板的组件的形式，其相对于水平线的倾斜度为20°至60°，甚至30°至45°。另外，有利地，每个热能组件都具有一个光导，光导材料的折射率为1.2至1.8之间，甚至1.4至1.7之间，界限包括在内。有利地，热能组件的厚度小于10毫米，甚至小于或等于6毫米，这约为整个装置的厚度的10%。
图13示出用折射率为1.6（在绿色中）的材料取代第一种材料的略加改变的热能装置的性能。应当注意，这种装置表现不同之处在于这样的事实：一部分入射光线被光导10反射。例如，可看到来自夏季入射光线30的反射光线37。这种实施变型在例如建筑物的玻璃壁上的应用中具有优点，用以在夏季减少光量和因而减少进入建筑物的热量。
前述本发明允许有利地实施混合型太阳能装置。
为此，图14示出一种混合型热能组件，其具有结合图1已描述过的构件，还另外具有布置在载热管21之间的光电池23。因此，这种装置允许利用夏季未用的太阳辐射的存在来进行发电。图15示出这种混合型组件的工作情况，其仍采用与同图12相关的前提相同的前提。在夏季，出射光线32被引导到光电池23上，而在冬季，出射光线被引导到载热管21上。
根据一种有利的实施方式，热能组件具有非常小的厚度，以便于其集成。首先，该厚度取决于光导的尺寸，因此，光导应具有尽可能小的厚度e。不过，为了起到上述的其光学功能，相应于光电池23和载热管21的间距p的其棱镜型构件的基部L基本等于其厚度e。因此，选择非常小的厚度e则需要非常小的间距p，该间距基本等于e。
载热管的标准直径为14毫米，光电池的常用宽度约为156毫米。现在来说明混合型热能组件的制造方法，该制造方法允许获得非常小的厚度，比采用具有这些标准尺寸的构件的情况下要显著更小的厚度。
根据第一实施方式，热能组件的制造方法开始于制造适合于混合型组件的光电池。该方法包括如下工序：
–在第一道工序，将光电池23切割成条带，所述条带适合于所需的宽度、即根据选用的示例约为10毫米的宽度。这种切割例如用激光或用基于金刚锯的切割系统进行；
–在第二道工序，切割出光电池23，并将这些光电池例如通过焊接彼此连接，以形成长度等于热能组件长度的一个串列；
－在第三道工序，将光导10和光电池23使用如EVA（乙烯-乙酸乙烯共聚物）或硅树脂这样的粘合树脂53进行叠层。该工序还包括形成专用于针对热能组件的热功能的载热管21的部位51。由该工序获得的结果示于图16；
－在第四道工序，将热能部分添加于先前形成的热能组件。该热能部分具有载热管21，这些载热管可呈布置成梳状或盘管状的管网的形式。在变型中，该热能部分可高压吹制而成（辊压接合型），该实施方式允许根据光学系统调整热交换面。可选地，增加聚合物（例如TPT：聚氟乙烯复合膜）薄层，以形成后表面52。该工序获得的结果示于图17。
根据第二种实施方式，可首先按照高压吹制工序制成热能部分。该热能部分形成用于光电池23定位的部位55。最后，后续一道工序在于：将光导10加于热能组件的上部，其可利用在光导和光电池之间形成粘接的胶粘剂以胶接法或用任何机械装配法加以安装。
该方法可用直径小于或等于12毫米、甚至小于或等于10毫米、例如约8毫米的载热管，和/或用宽度小于或等于12毫米、例如约10毫米的光电池，制成热能组件。
该原理可用于形成其它混合型太阳能装置，例如结合光伏发电与半透光的、形成遮光或不遮光的帘子或百叶窗的装置。实际上，可选择在冬季使最多光线通过装置，以获得对建筑物的最大照明，从而例如提供采光井功能，可选择在夏季防止或限制光线透入建筑物中，以避免光线使建筑物变热，同时则使光线导向到光电池上。在这种变型中，太阳能装置具有的构造接近图14所示的构造，但载热管21由透明空间取代。因此，在这种实施中，光导可形成一种半透明装置，其穿透性随入射光线的朝向而变化，因而随时间而变化，尤其是随季节而变化。
应当指出，有利地，上述的制造方法的工序允许获得一种混合型热能组件。自然可以部分地使用这些工序来制造简单的热能组件，例如图1至3中所示的热能组件。

Claims (12)

1.热能装置，所述热能装置具有热能部分(20)，所述热能部分包括多个用于载热流体通过的载热管(21)，其特征在于，所述热能装置具有布置在所述热能部分(20)之上的光导(10)，所述光导(10)的光学性能允许根据入射光线的入射角朝不同的出射方向引导入射光线，以将大部分入射光在低入射角时导向到所述载热管(21)上，而在高入射角时导向到这些载热管(21)之外。
2.根据权利要求1所述的热能装置，其特征在于，所述光导(10)包括至少一个具有齿状表面的部件(11；15)。
3.根据前述权利要求中任一项所述的热能装置，其特征在于，所述光导(10)具有用于接收入射光的平坦的上表面(12)。
4.根据权利要求1或2所述的热能装置，其特征在于，所述光导具有两个部件(11，15)，所述两个部件具有两种不同光学性能的材料。
5.根据权利要求4所述的热能装置，其特征在于，所述光导的两个部件(11，15)每个具有在连接面(19)处相互啮合的互补齿状表面。
6.根据权利要求1或2所述的热能装置，其特征在于，所述载热管(21)基本平行且隔开恒定的间距(p)；并且，所述光导(10)具有相同齿间距的齿状表面。
7.根据权利要求1或2所述的热能装置，其特征在于，所述光导具有至少一个用塑料材料制成的部件，和/或所述光导具有至少一种在1.2至1.8之间的折射率的材料，和/或所述光导具有5毫米至10毫米之间的厚度(e)。
8.根据权利要求1或2所述的热能装置，其特征在于，所述热能装置具有插置在所述载热管(21)之间的光电池(23)，以将光大部分在低入射角时导向到所述载热管(21)上，而在高入射角时导向到所述光电池(23)上。
9.根据权利要求8所述的热能装置，其特征在于，所述载热管(21)的直径小于或等于12毫米，和/或所述光电池(23)的宽度小于或等于12毫米。
10.根据权利要求9所述的热能装置，其特征在于，所述载热管(21)的直径小于或等于10毫米。
11.根据权利要求1或2所述的热能装置的制造方法，其特征在于，所述制造方法包括：制造热能部分的制造工序，其中所述热能部分具有载热管(21)，所述载热管为布置成梳状或盘管状的管网的形式，或者通过高压吹制工序制造该热能部分；继而是将光导(10)固定在所述热能部分的上部上的固定工序。
12.根据权利要求11所述的热能装置的制造方法，其特征在于，所述热能装置是混合型；并且，所述制造方法包括以下工序：
－将光电池(23)切割成条带；
－将这些光电池(23)彼此间连接，以形成长度等于热能组件的长度的一串列；和
－形成用于接纳热能部分的载热管(21)的部位(51)，或者在所述热能部分上形成用于接纳所述光电池(23)的部位(55)。
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