CN103925724A - 高传热效率的太阳能集热板 - Google Patents

Abstract

本发明高传热效率的太阳能集热板，在金属基板的一面涂镀有太阳光热吸收转换膜层，在金属基板的另一面上有与金属基板紧密接触能导热的并利用其内导热流体介质向用热器传送光热转换能量的金属管，其特征是太阳能集热板中有带与金属管相配合的卡套的金属板，金属板上的卡套卡住金属管使金属管紧贴在金属基板上，金属板上位于金属管两旁的平面与金属基板重叠被焊接连接来包覆和固定金属管。本发明增加了传热面积，能大大提高传热效率、降低成本、应用范围广。

Description

高传热效率的太阳能集热板

技术背景：

本发明涉及的是一种太阳能光热吸收转换热能的集热板技术，特别涉及的是一种高传热效率的太阳能集热板。

背景技术：

在金属板上涂镀太阳能光热吸收转换膜层，在此涂镀膜层的另一面焊接金属管，利用与基板紧密接触的热能传导给金属管内充填的导热流体介质将金属板上的光热吸收转换膜层吸收太阳光转换成的热能传送到换热水箱或用热器或冷凝器，使太阳光能成为热能被利用，这个设备部件就是太阳能集热板（芯）。对此集热板用金属型材组框并用玻璃和在背面保温隔热形成集热器包覆，具体结构是金属板涂镀吸收转换膜层面上配置一块玻璃防尘防水同时利用二者之间有空气间隔起到一定保温作用。在金属基板背面焊接金属管的一面用隔热保温材料及底板封闭使承担传热的金属管及管内受热流体介质的热能不易与空间环境对流而损失。此集热器所获得的太阳光转换的全部热能量被金属管内导热流体介质最大比例的传输给换热水箱或用热器或冷凝器使用，就是这个集热器有很高的热效率。衡量一个集热器的热效率高低，除金属基板上的太阳光吸收光热转换效率要尽量高，即太阳光吸收率已有技术为90%至97%，金属基板受光热转换后，红外光发射率要尽量低，即已有技术为5%至7.5%，金属型材组框包覆的集热板（芯）因型材及隔热材料包覆要求隔热质量与外界环境传导损失越小越好，当这些技术已经解决后,影响集热器热效率的主要因素就是金属基板与金属管的材料选择和传导热接触面积了。当导热金属材料决定后，接触面积及固定方式就成为主要影响因素了。这方面技术方案的优化会影响到集热器总热效率利用的5%至10%(即瞬时效率截距指标)，同时优化方案会影响集热器生产组装成本10%以上，是目前研究和改进的一个重要方面。

关于金属板与金属管材料选择和接触面积及传热、连接固定方式以及如何增加传热效率已有不少技术方案公开和应用。比如已有技术之一的方案是采用0.4毫米厚铝金属基板。金属基板一面涂镀沉积有阳极氧化方法制成的太阳能光热转换膜层或电镀6价黑铬方法制成的太阳能光热转换膜层或磁控溅射选择性吸收太阳能光热转换膜层，在没有光热转换膜层的另一面，用0.8毫米壁厚，直径10至12毫米的铜管与金属板面紧密接触，用激光束焊机，在沿着铜管长度方向两侧与铝金属板接触的地方，每间距3至7毫米点熔焊将铜管与铝金属基板连接固定在一起，光热转换膜层吸收的太阳光，转换成热能，通过铜管与金属板的接触点（线）和熔焊点将热能传给铜管内的导热流体介质，导热流体介质通过与换热水箱或用热器或冷凝器连接的管道系统将热能传输出去。此方案的不足之处是铜管与金属板是点线接触，之间的导热面积有限、不能快速充分的将光热转换膜层及受热载体金属基板得到的热能通过铜管及铜管内导热流体介质传送出去；另一个重要的缺陷是因为铜和铝材料之间不易熔焊连接而采用激光束焊接固定、将0.8毫米壁厚的铜管在焊点处熔化管壁仅剩0.2至0.3毫米厚，大大损失了铜管的承压强度和使用寿命。也即为了接触传热和固定，将集热器组成成本最高的铜管，有0.5毫米厚的管壁为了连接而不是为了导热而浪费掉了，无谓的增大了集热器成本每平方米有50元。占成本的约15%的比例。

已有技术之二的方案，前述涂覆有光热转换膜层的铝金属板与铜管之间采用超声波压接焊方法连接固定在一起。此方案与前述方案比，增加了管与金属板之间接触面积因此增加导热面积，连接宽度约2.5至4毫米，由于超声波焊两界面材料不是互熔焊在一起，而是晶格间压接在一起，所以不同材料不易焊接，必须预先用与超声波发生器连接的压辊器对铜管表面进行氧化层去除和表面粗糙化处理，实际已损坏了管壁且损失了铜管的一部分内承压能力；二者之间压焊在一起时超声波发生器连接的压辊器是作用在光热转换膜层上，实际会损坏铜管连接长度方向有2至4毫米宽的一带状光热转换膜层。由于一块1米宽的集热器有6～8根铜管与金属板连接固定，因损坏膜层会有3～3.5%的阳光吸收率损失。与前述技术比，虽然铜管和金属板之间压接连接导热性会提高，但由于光热转换膜层因超声波发生器的压辊器对其损坏面积有2—3.5%，又将此增加的导热能力抵消了。

已有技术方案之三，金属基板涂覆的太阳光热吸收转换膜层是氧极氧化膜层、金属基板是铝板，此板有圆弧形匹配。金属管是铜管，另外有一块铝金属板有圆弧形状与铜管匹配，这块有圆弧形状的铝金属板与有光热转换膜层的且有圆弧形状的金属基板之间包覆着铜管，三者之间的接触和固定连接是依靠沿铜管长度方向或与铜管垂直方向对重叠在一起的金属板施加压力使两块板产生曲折交错折叠变形而连接在一起。此方案使铜管与金属板有很大的接触和导热面积，但由于是金属板曲折交错折叠变形来连接固定，需要对两块金属板施加较大的变形交错的压力。且表面不适合交措变形压力加工前先涂镀加工光热转换膜层，加工会伤损膜层，加之面积过大会需求大的压力加工机床造成加工成本不能承受，所以至今市场还只是宽度100～180毫米宽的对金属板与一根铜管匹配加工为一组的集热板，此结构没有大于200毫米尺寸宽度的集热器。集热器由6～8组此集热板拼排组成。由于每组之间拼排时有间隙不如具有膜层的整板金属基板对板背面的热能量散失有阻挡作用，因此集热器通过此间隙再通过光热转换膜层面上的玻璃板向空间散失热能很严重，集热器综合热效率并不高，加之通过两块金属板的交错折叠变形来固定铜管和使用集热板，当长期使用冬夏季和白天晚间冷热多次循环后，折叠交错变形的两块板与铜管之间结构是不稳定的，会出现两块板之间包覆离散离开铜管，使传热失效，加之此种结构的光热转换膜层因有压力机械对膜层会造成损坏，因此生产宽度尺寸集热器一般生产工艺都是金属板先包覆铜管压力成型后再用氧极氧化法镀光热转换膜层。

上述几种已有技术的不管是铜管还是包覆铜管的有圆弧形状金属板面向空气面都没有涂镀防止发射的红外光的铝或铜的功能膜层，使导热铜管和包覆铜管的金属板的红外光发射没有阻挡，而向空间和金属板后面与保温隔热层之间的空间区发射，使热损失增大，到目前更没有在铜管内壁增大比表面积制作具有微米孔骨架结构层技术方案来强化光热转换获得的热能被强化传化的报道。

发明内容：

本发明的目的是为了提供一种能大大提高传热效率、降低成本、应用范围广的高传热效率的太阳能集热板。

本发明的目的是这样来实现的：

本发明高传热效率的太阳能集热板，在金属基板的一面涂镀有太阳光热吸收转换膜层，在金属基板的另一面上有与金属基板紧密接触能导热的并利用其内导热流体介质向用热器传送光热转换能量的金属管，其特征是太阳能集热板中有带与金属管相配合的卡套的金属板，金属板上的卡套卡住金属管使金属管紧贴在金属基板上，金属板上位于金属管两旁的平面与金属基板重叠被焊接连接来包覆和固定金属管。

上述的太阳能集热板中的其金属板上的卡住金属管的卡套的两旁的平面与金属基板因焊接需重叠的部分的宽度至少为5毫米。

上述的太阳能集热板中金属板上的卡套截面形状的形的圆弧形。

上述的太阳能集热板中的金属板上的卡套截面形状的是方形或矩形卡套的金属板。

上述的金属管与金属基板紧密接触的面为圆弧面，金属基板上有与金属管之匹配的圆弧凹面。

上述的金属管与金属基板紧密接触的面为方形或矩形面，金属基板上有与金属管匹配的方形或矩形凹面。

上述的太阳能集热板中的金属板上在与金属管接触面的背面沉积有防止红外光发射的铝或铜材料的膜层。

上述的金属管两旁的平面与金属基板重叠，被激光束焊机焊接是沿管的长度方向呈2至20毫米间距在其管两边点焊并呈穿透焊将两平面熔焊连接在一起。

上述的金属管两旁的平面与金属基板重叠，被激光束焊机焊接是沿管的长度方向在其管两边直缝焊并呈穿透焊将两平面熔焊连接在一起。

上述的金属板上的卡套两旁的平面与金属基板重叠，被超声波焊机沿管的长度方向在其管两边直线压接焊在一起。

上述的金属基板和金属板分别采用铝或铝合金金属材料制成，金属管采用铜或铜合金材料制成。

上述的金属基板、金属管、金属板分别采用铝或铝合金金属材料制成。

上述的金属基板宽度大于300毫米，其上布置的金属管及与金属管匹配的金属板至少为两组。

上述的金属管的内壁有扩大比表面积的具有微米孔的金属骨架结构层。

本发明的高传热效率的太阳能集热板，增加了金属管与涂覆有太阳光热吸收转换膜层金属基板的导热接触面积，金属板上的金属卡套包覆金属管并与金属基板之间重叠被焊接连接而不再是伤损的焊接金属管壁厚，因此增加了金属管的承压能力和提高了集热器的使用寿命，也因此可减薄原有焊接连接方法所必需的金属管壁或用铝管代替铜管大大降低了所需铜管材料的成本及集热器的成本，加之在包覆铜管的固定的金属板表面增加了防止红外光发射的铜或铝镀膜层，以及铜管内壁增加了强化传热的具有微米孔金属骨架结构层，使集热板增加了强化传热及导热能力，并防止了热量散失，综合提高了太阳能集热器的传热效率，使太阳能集热器的应用不仅在光热转换有更广的用途还可以扩大到类式空调蒸发器系统的应用，拓宽了太阳能光热的应用研究。

附图说明：

图1是本发明具有圆弧形状的卡套的金属板包覆铜管采用激光束点焊或条形焊及穿透焊接方法连接和固定铜管的太阳能集热板的局部剖面示意图。

图2是本发明具有圆弧形状的有光热转换膜层的金属基板与有圆弧形状的金属板包覆铜管或铝管，采用超声波条形焊方法连接和固定金属板及金属管的太阳能集热板局部剖面示意图。

图3是本发明具有圆弧形状有光热转换膜层的宽尺寸金属基板与具有圆弧形状宽尺寸金属板包覆铜管采用激光束点焊方式连接和固定铜管的太阳能集热板的局部剖面示意图。

图4是本发明具有方形或矩形卡套的金属板包覆方形或矩形铝材料管，采用激光束点焊或条形焊及穿透焊接方法连接和固定铝管的太阳能集热板的局部剖面示意图。

图5是已有技术之一太阳能集热板是利用激光束点焊接固定金属管和金属基板的局剖面示意图。

图6是已有技术之二太阳能集热板利用超声波焊接固定金属管和金属基板的局部剖面示意图。

图7是已有技术之三太阳能集热板是金属板与金属基板包覆铜管采用折叠交错变形连接固定铜管的局部剖面示意图。

具体实施方式：

实施例1：

图1给出了本实施例1太阳能集热板结构示意图。

参见图1，本实施例1太阳能集热板中宽度为1000毫米、长度为2000毫米、厚度为0.4毫米的铝制金属基板1上有真空磁控溅射方式镀的太阳能选择性吸收膜层2。该膜太阳光吸收率为94%以上，红外光发射率为7%以下。带圆弧形状的卡套3的金属板4板厚度为0.4毫米，在未冲压呈带圆弧形状卡套的金属板前，其一面已用磁控溅射方式镀有200纳米厚的铜膜层（或铝膜层）5作为防止和阻挡包覆铜管导热后的红外光向空间发射。此带圆弧形状的卡套的金属板包覆壁厚为0.4毫米，外径为Φ12的铜制金属管6，利用激光束焊机的带圆弧的压辊机构将带圆弧形状的卡套将铜管紧压包覆在金属基板上，同时将金属板上的圆弧形状卡套两端底脚与金属基板重叠，每底脚宽5毫米。激光束对此重叠沿铜管长度方向进行间距5毫米的点焊为穿透焊方式，将重叠处熔焊连接为一体。图中序号7为激光束穿透焊接点。穿透焊深度以不伤损镀膜层为准。带圆弧形状的卡套形的金属板包覆铜管与金属基板焊接为一体的这种结构，在1000毫米板宽上均匀布置有6组至8组。一般日照强度高且环境温度高的地区采用6组，日照差环境温度低的地区采用8组。本太阳能集热板的金属基板作为受热载体将热能传给铜管及铜管的内导热流体介质，不再是过去传统的已有技术之一所示的激光焊或传统的已有技术之二的超声波焊仅依靠铜管金属基板的点、线及焊点的那一点接触面积。本实施例1发明的结构不仅保持了过去的铜管与基板的接触面积，还增加了焊接在一起的金属板圆弧形状的卡套两底脚接触面积以及传热金属板上的给圆弧形状的卡套包覆的铜管管壁的面积，使太阳光热吸收转换膜层所获得的热能及时充分的传输给利用这些导热面积，铜管及铜管内导热流体介质，最后传输给换热水箱或用热器或冷凝器。

本实施例中两支激光束对带圆弧形状的卡套的金属板两底脚与金属基板重叠处用穿透焊方式沿铜管长度方向在铜管两边将其焊接连接在一起，同时将铜管固定。本实施例中采用的是沿铜管长度方向间距5毫米的点焊。根据激光束焊接的特性、也可以因需更提高连接强度，即适当降低焊接效率改为连续的直线焊。也可以将连续直线焊改为间段直线焊，仍然是穿透焊方式。因点焊在长度方向焊接速度可以达到线速度每分钟12～18米，直线接焊可达到每分钟8米～15米。这种对两板重叠处焊接与过去用激光束对铜管直接熔焊方法比，大大提高了铜管承压强度和使用的安全性，可以将原设计为0.8毫米铜管壁厚改为0.4毫米，不仅比已有技术增加可靠性、每平方米集热器节约成本50元以上，节约成本15%以上。此种结构的集热板及组装的集热器节约了铜管厚度、增大了传热面积，防止和阻挡了受热体的红外光向空间发射和散失，比已有技术提高了热效率8%以上，不仅节约了材料成本15%以上，更综合提高了太阳能集热器效率。

实施例2：

图2给出了实施例2结构示意图。本实施例2基本与实施例1结构基本相同，不同处是镀膜金属基板1增加了与铜管6直径及金属板4相匹配的卡套的圆弧形状。当金属板与金属基板卡住和包覆铜管时，有比实施例1更大的与铜管的接触及传热面积。金属板的外表面没有镀阻挡和防止红外光向空间发射的铜膜层或铝膜层，金属板4两底脚与金属基板1重叠处之间的焊接采用的是超声波焊接，是沿着铜管长度方向将金属板的两底脚与金属基板重叠处呈两条直线，焊接宽度为3～4毫米，将两者之间压接焊在一起将铜管牢固包覆和固定。图中序号8为超声波条形焊接部。本实施例2有与实施例1更大的导热面积，使铜管有较高的内承压能力，因此集热板组装的集热器也有比已有技术的集热器更好集热能力和热效率。

由于实施例2对铜管的包覆和固定没有对铜管焊熔和熔损，可以比其它技术采取更薄的壁厚，如直径10～12毫米的铜管，可以采用壁厚0.3～0.4毫米的铜管，可以节约15%以上成本。由于对两块板及钢管采用了相匹配的圆弧对钢管全包覆固定，大大增加了接触和导热面积，以至热传导导热面积不是瓶颈，为了节约成本，甚至可以改用铝合金管来代替铜管，这样可以节约更多成本达50%以上，使太阳能集热器因有更好的性介比从而得到更广泛的应用和推广。

实施例3：

图3给出了本实施例3结构示意图。

参见图3，本实施例3中的带有光热转换膜层2的金属基板1和金属板4都带有与金属管6相匹配的多条圆弧形状凹槽。金属管6内壁具有微米孔金属骨架结构层9。金属基板1和金属板4都预先按与金属管6相匹配的圆弧被压力机床加工有6或7或8根可以配合包覆和压紧金属管的凹槽，将金属管包覆压紧后，用激光束焊机采用穿透焊用点焊或直线焊或直线间段焊的方式，将两块重叠的金属板连接在一起。两块金属板的宽度为800毫米时，包覆固定有5根金属管。当两块金属板的宽度为1000毫米时，包覆固定有6根或7根金属管。当两块色金属板的宽度为1200毫米时，包覆固定有7根或8根金属管。

由于有最大的导热面积，导热也不再是太阳能集热板和集热器的瓶颈，因此从节约成本的角度出发，铜管可以被铝合金管替代，可以大大降低成本。由于金属管内壁具有微米孔金属骨架结构层，结构层的表面积会比光壁金属管多十倍至几十倍，因此具有比一般光壁管多3～7倍的强化传热能力，用此技术可将集热板作为太阳能的蒸发器使用，按照热泵原理结合设计配套压缩机管、储能器、换向阀、二通阀、四通阀及冷凝器等，可将此集热板作为太阳能空调系统的重要制能部件使用，拓宽太阳能热应用领域。

具有微米孔金属骨架结构层的金属管及制造技术以及更详细的介绍已有专利技术公开在此仅是应用不再阐述。关于两块金属板重叠后之间的焊接还可采用超声波焊。

集热板中的金属基板、金属板可以使用一套圆弧形状压力模具来成型，激光束焊机也可以增加到5～8对，可以一次焊接完成。有很高的工业生产效率，铜管又可以被铝合金管替代，所以本集热板不仅有很高的热效率也有很低的生产成本，并有广阔的应用领域。是一项有价值的技术。

实施例4

图4给出了本实施例4结构示意图。

参见图7，本实施例4集热板的结构是，带方形或矩形的卡套3的铝金属板4包覆和压紧方形或矩形的铝金属管6在有光热转换膜层2的铝金属基板1上，采用激光焊接方法将铝金属板4和1铝金属板重叠处进行点焊或直线焊，以此固定金属管和加强金属管的承压能力。由于方形或矩形铝金属管的承压能力不如圆形铜金属管，管内压力高时方形或矩形管会变形影响金属基板上的光热转换膜层的性能和寿命，但是从集热板结构上可以看出，这种方形或矩形金属管以及与其配合的金属板有较大的接触和导热面积，即说明有较好的传热效率。所以将这种结构用于较低的流体介质压力领域应用是有好的集热能力和好的经济效益。

在金属基板上和金属板上都作出与方形或矩形金属管匹配的方形或矩形凹槽，象实施例3一样的生产工艺过程，用金属板和金属基板将方形或矩形金属管包覆焊接固定和加强，可以得到集热效率更高的集热板及集热器。

图5～图7是已有技术的三个技术方案示意图。图7中序号10是双层金属板拆叠交错变形链接部。

上述各实施例是对本发明的上述内容作进一步的说明，但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于上述实施例。凡基于上述内容所实现的技术均属于本发明

的范围。

Claims (14)

1.高传热效率的太阳能集热板，在金属基板的一面涂镀有太阳光热吸收转换膜层，在金属基板的另一面上有与金属基板紧密接触能导热的并利用其内导热流体介质向用热器传送光热转换能量的金属管，其特征在于太阳能集热板中有带与金属管相配合的卡套的金属板，金属板上的卡套卡住金属管使金属管紧贴在金属基板上，金属板上位于金属管两旁的平面与金属基板重叠被焊接连接来包覆和固定金属管。

2.如权利要求1所述的太阳能集热板，其特征在于金属板上的卡住金属管的卡套的两旁的平面与金属基板因焊接需重叠的部分的宽度至少为5毫米。

3.如权利要求1所述的太阳能集热板，其特征在于金属板上的卡套截面形状为圆弧形。

4.如权利要求1所述的太阳能集热板，其特征在于金属板上的卡套截面形状为方形或矩形。

5.如权利要求1所述的太阳能集热板，其特征在于金属管与金属基板紧密接触的面为圆弧面，金属基板上有与之匹配的圆弧凹面。

6.如权利要求1所述的太阳能集热板，其特征在于金属管与金属基板紧密接触的面为方形或矩形面，金属基板上有与之匹配的方形或矩形凹面。

7.如权利要求1所述的太阳能集热板，其特征在于金属板上在与金属管接触面的背面沉积有防止红外光发射的铝或铜材料的膜层。

8.如权利要求1～7之一所述的太阳能集热板，其特征在于金属管两旁的平面与金属基板重叠，被激光束焊机焊接是沿管的长度方向呈2至20毫米间距在其管两边点焊并呈穿透焊将两平面熔焊连接在一起。

9.如权利要求1～7之一所述的太阳能集热板，其特征在于金属管两旁的平面与金属基板重叠，被激光束焊机焊接是沿管的长度方向在其管两边直缝焊并呈穿透焊将两平面熔焊连接在一起。

10.如权利要求1～7之一所述的太阳能集热板，其特征在于金属板上的卡套两旁的平面与金属基板重叠，被超声波焊机沿管的长度方向在其管两边直线压接焊在一起。

11.如权利要求1～7之一所述的太阳能集热板，其特征在于金属基板和金属板分别采用铝或铝合金金属材料制成，金属管采用铜或铜合金材料制成。

12.如权利要求1～7之一所述的太阳能集热板，其特征在于金属基板、金属管、金属板分别采用铝或铝合金金属材料制成。

13.如权利要求1～7之一所述的太阳能集热板，其特征在于金属基板宽度大于300毫米，其上布置的金属管及与金属管匹配的卡套至少为两组。

14.如权利要求1～7之一所述的太阳能集热板，其特征在于金属管的内壁有扩大比表面积的具有微米孔的金属骨架结构层。