CN104819588B - 一种双凹蜂窝洞穴中空结构太阳能集热器板芯 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种双凹蜂窝洞穴中空结构太阳能集热器板芯，包括向阳面板和承接面板，向阳面板和承接面板之间平滑联接并在周缘处密封从而在两者之间形成中空夹层，向阳面板是一块由多个凹形蜂窝构成的蜂窝面板；承接面板的背部开设有进水口和出水口。采用蜂窝洞穴设计，使太阳能集热器的有效光照面积提高1.8倍以上，提高了吸收太阳光辐射的能力；太阳光照射在凹形蜂窝的内壁，经内壁多次吸收、反射、吸收，使太阳光辐射能几乎全部被吸收。
Description
技术领域
本发明属于太阳能技术领域，尤其涉及一种双凹蜂窝洞穴中空结构太阳能集热器板芯。
背景技术
太阳能集热器通过吸热层对太阳光的光辐射能量进行吸收，并利用温室效应原理将太阳能转化为热能。太阳能集热器虽然不是直接面向消费者的终端产品，但是太阳能集热器是组成各种太阳能热利用系统的关键部件。无论是太阳能热水器、太阳灶、主动式太阳房、太阳能温室还是太阳能干燥、太阳能工业加热、太阳能热发电等都离不开太阳能集热器，都是以太阳能集热器作为系统的动力或者核心部件的。
现有的太阳能集热器主要以平板式太阳能集热器为主，主要包括壳体、透明盖板、导热板和保温层组成，在导热板上涂有吸热层，导热板为一平板。这种集热器，由于其导热板为平板结构，容易导致光线反射，吸热层对太阳光的辐射能量的吸收效率不高；同时，平板状的结构导致吸热层与太阳光的接触面积较小，不利于对太阳光辐射能的吸收。
因而，改进太阳能集热器的板芯（即集热器的热量转换机构）的表面结构，使得其对太阳光的光辐射能的吸收能力提高，对太阳能集热器的优化具有重要意义。关于选用何种几何形状作为太阳能集热器板芯的表面结构，专利发明者查阅了大量资料，做了大量的研究和分析。大自然中蜜蜂的蜂巢引起了发明者的兴趣，通过对蜂巢的仔细观察和研究发现蜜蜂的蜂房由无数个大小相同的房孔组成，房孔都是正六角形，每个房孔被其他房孔包围，构造非常精巧，这样的结构最大程度地加大了空间，同时增强了立体结构的坚固性和稳定性，非常适合作为太阳能集热器的表面结构，在相同的面积上最大程度地吸收太阳光。
发明内容
为了解决上述的技术问题，本发明的目的是提供一种能够高效吸收太阳能的双凹蜂窝洞穴中空结构太阳能集热器板芯。
为了实现上述的目的，本发明采用了以下的技术方案：
一种双凹蜂窝洞穴中空结构太阳能集热器板芯，包括向阳面板和承接面板，所述向阳面板和承接面板之间平滑联接并在周缘处密封从而在两者之间形成中空夹层，所述向阳面板是一块由多个凹形蜂窝构成的蜂窝面板；所述集热器板芯上设有进水口和出水口。采用蜂窝洞穴设计，使太阳能集热器的有效光照面积提高1.8倍以上，提高了吸收太阳光辐射的能力；太阳光照射在凹形蜂窝的内壁，经内壁多次吸收、反射、吸收，使太阳光辐射能几乎全部被吸收。
作为优选，所述凹形蜂窝的上部分呈凹形六角锥形，下半部分呈半球形。
作为优选，所述承接面板是一块由多个碗形蜂窝构成的蜂窝面板，承接面板上的碗
形蜂窝与向阳面板上的凹形蜂窝的下半部分形状吻合并并通过点焊使两者之间一一固定配合。本发明集热器板芯的四周和每个对应凹穴底部是用热熔焊接连在一起，保证集热器板芯的密封性和中空内腔的承压强度，保证集热器板芯能承受0.3Mpa的承压试验。
作为优选，所述中空夹层的间隙保持在1～3mm之间。采用双凹形蜂窝洞穴的吻合设计，使中空夹层内腔只有1-3mm的间隙，这种设计使中空内腔的容积最小化，在腔内的流体介质能全面从间隙中以水帘的形式自下而上流过中空夹层，这一独特的设计能有效减少介质的容量，并大大提高热交换频次，提高集热器的热效率，同时使这种集热器能用于防冻介质的阳台壁挂太阳能热水器。
作为优选，所述进水口和出水口开设置承接面板的背部。把进水口和出水口设置在承接面板的背部，使得集热器在使用时，进水管和出水管得以隐藏，表面更美观。
作为优选，所述承接面板的背部还设有备用进水口和备用出水口。设置备用进水口和备用出水口，使得在进水口或出水口堵塞或损坏时，备用进水口和备用出水口可以代替使用，不影响太阳能集热器的功能。
作为优选，所述集热器板芯采用易于热成形和热熔焊的黑色高分子材料制成。
作为优选，所述集热器板芯采用HDPE制成。选用HDPE（高密度聚乙烯）作为本发明集热器板芯材料，除了其易于吸塑成型和热熔焊接性能外，HDPE还具有自润滑性、摩擦系数最小，中空内壁抗腐蚀、抗磨损，不结垢，流动阻力小，可长期保持中空容器中介质流速不变。HDPE的使用温度可达100℃，经我们试验，本集热器板芯在夏日40℃高温的烈日下暴晒3~4小时，集热器板芯的最高温度到75℃时达到热平衡，板芯材料温度不会升高。
作为优选，所述集热器板芯采用双面吸塑，四周热熔焊接，内部多点焊接制作而成。集热器板芯的四周和每个对应凹穴底部是用热熔焊接连在一起，保证集热器板芯的密封性和中空内腔的承压强度。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1.采用蜂窝洞穴设计，使太阳能集热器的有效光照面积提高1.8倍以上，提高了吸收太阳光辐射的能力；太阳光照射在凹形蜂窝的内壁，经内壁多次吸收、反射、吸收，使太阳光辐射能几乎全部被吸收。
2.本发明集热器板芯的四周和每个对应凹穴底部是用热熔焊接连在一起，保证集热器板芯的密封性和中空内腔的承压强度，保证集热器板芯能承受0.3Mpa的承压试验。
3.采用双凹形蜂窝洞穴的吻合设计，使中空夹层内腔只有1-3mm的间隙，这种设计使中空内腔的容积最小化，在腔内的流体介质能全面从间隙中以水帘的形式自下而上流过中空夹层，这一独特的设计能有效减少介质的容量，并大大提高热交换频次，提高集热器的热效率，同时使这种集热器能用于走防冻介质的阳台壁挂太阳能热水器。
4.本发明采用双面吸塑并即时热熔焊接的一次成型方法制造集热器板芯，工艺划一，产品质量稳定一致，适宜于大批量生产，原材料和关键制造设备能立足国内解决，生产过程和使用过程没有环境污染。
5.设置备用进水口和备用出水口，使得在进水口或出水口堵塞或损坏时，备用进水口和备用出水口可以代替使用，不影响太阳能集热器的功能。
附图说明
图1是本发明实施例正面的结构示意图。
图2是本发明实施例背面的结构示意图。
图3是实施例中集热器板芯的部分放大图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式做一个详细的说明。
如图1～图3所示的 一种双凹蜂窝洞穴中空结构太阳能集热器板芯，由向阳面板6和承接面板7两部分构成，向阳面板6和承接面板7之间平滑联接并在周缘处密封从而在两者之间形成中空夹层8，所述向阳面板6是一块由多个凹形蜂窝9构成的蜂窝面板，所述凹形蜂窝9的上部分呈凹形六角锥形，下半部分呈半球形，凹形蜂窝9的深度以既能充分吸收太阳能光照，又有合理的长径比，便于塑料热成形。经多次试验选用洞穴开口孔径为60mm，深度为45mm。所述承接面板7是一块由多个碗形蜂窝12构成的蜂窝面板，承接面板7上的碗形蜂窝12与向阳面板6上的凹形蜂窝9的下半部分形状吻合并并通过点焊使两者之间一一固定配合。在承接面板7的背部开设有进水口10和出水口11。本发明采用蜂窝洞穴设计，使太阳能集热器的有效光照面积提高1.8倍以上，提高了吸收太阳光辐射的能力；太阳光照射在凹形蜂窝的内壁，经内壁多次吸收、反射、吸收，使太阳光辐射能几乎全部被吸收。本发明集热器板芯的四周和每个对应凹穴底部是用热熔焊接连在一起，保证集热器板芯的密封性和中空内腔的承压强度，保证集热器板芯能承受0.3Mpa的承压试验，且本发明集热器在流体介质回路中加装稳压阀，保证介质压力稳定。采用双凹形蜂窝洞穴的吻合设计，使中空夹层内腔只有1～3mm的间隙，这种设计使中空内腔的容积最小化，在腔内的流体介质能全面从间隙中以水帘的形式自下而上流过中空夹层，这一独特的设计能有效减少介质的容量，并大大提高热交换频次，提高集热器的热效率，同时使这种集热器能用于走防冻介质的阳台壁挂太阳能热水器。
除此之外，述承接面板7的背部还开设有备用进水口13和备用出水口14。设置备用进水口和备用出水口，使得在进水口或出水口堵塞或损坏时，备用进水口和备用出水口可以代替使用，不影响太阳能集热器的功能。
本发明集热器板芯采用黑色高分子热塑性塑料（PE、PP、PVC、ABS等），为便于成型和热熔接，我们目前采用高密度HDPE。选用HDPE（高密度聚乙烯）作为本发明集热器板芯材料，除了其易于吸塑成型和热熔焊接性能外，HDPE还具有自润滑性、摩擦系数最小，中空内壁抗腐蚀、抗磨损，不结垢，流动阻力小，可长期保持中空容器中介质流速不变。为了增加耐气候性，防止反复日晒引起老化，在原材板的制作中添加了抗氧化剂和光稳定剂加以改善。在正面原料板中少量掺合微米及或纳米级导热填料，以提高正面蜂窝板的导热性，提搞与循环介质的热交换性能。HDPE的使用温度可达100℃，经我们试验，本集热器板芯在夏日40℃高温的烈日下暴晒3～4小时，集热器板芯的最高温度到75℃时达到热平衡，板芯材料温度不会升高。
对于本发明集热器板芯的正面凹形蜂窝洞穴，背面碗形蜂窝，且二者形状吻合（保持间隙1-3mm）的中空双凹密封容器的制作工艺，我们进行了吹塑、注塑、吸塑等多个方案的试验，最终采用双面吸塑并即时热熔焊接的一次成型法，这一方案产品精度高，一致性好，适合批量生产，生产过程无污染。
这是为本发明专门制作的一套成型方法，在双面吸塑机上制作一种特殊吸塑模具，模具分上吸塑模具和下吸塑模具，上下吸塑模具采用导柱导套连接在一起，保证上、下模的相对位置精度。其中上吸塑模具中间凸模部分可升降，由气动控制，上、下吸塑模具之间有一个温控加热电炉。双面吸塑机器提供了一个可开门的保温空间，所有生产过程在保温空间内进行。
其工艺过程如下：
将待吸塑的原料板材预热 → 将预热到规定温度的原料板分别放在上、下模并吸牢 → 温控加热电炉进入带原料板的上、下模具间 → 合上、下吸塑模，由电炉对上、下原料板加热 → 分离上、下模具，并迅速将加热电炉撤离吸塑区，同时下模开始真空吸塑 →闭合上、下吸塑具。上模中间凸模开始下降，上模吸塑成型 → 紧闭上、下模具，使四周边和中间多点进行热熔焊接 → 保温定型3～5分钟后分离上下模，取出产品。
与现在市场上流行的镀黑铬（或蓝钛镀膜）的平板式集热器比较：
1. 集热性能好，本发明集热器板芯有效采光面积提高1.8倍，循环介质与蜂窝吸热面大面积小流量直接进行热交换，集热性能与镀黑膜平板集热器比较有较大提高。
2. 材料和制造成本可大大降低，可降低20%-30%。
3. 可大量节省铜、铝等有色金属消耗。
4. 本发明采用双面吸塑并即时热熔焊接的一次成型方法制造集热器板芯，工艺划一，产品质量稳定一致，适宜于大批量生产，原材料和关键制造设备能立足国内解决，生产过程和使用过程没有环境污染。
5. 集热器塑料板芯报废后，塑料可100%回收利用。
6. 容易与建筑物溶为一体，为居民和商户提供热水解决方案。
7. 使用寿命在25年以上（采用抗老化塑料）。
8. 拓宽其他相关产品，如太阳能暖墙，海水淡化，热电厂水预热等。
本说明书中所描述的以上内容仅仅是对本发明所作的举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本发明说明书的内容或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种双凹蜂窝洞穴中空结构太阳能集热器板芯，其特征在于：包括向阳面板(6)和承接面板(7)，所述向阳面板(6)和承接面板(7)之间平滑联接并在周缘处密封从而在两者之间形成中空夹层(8)，所述向阳面板(6)是一块由多个凹形蜂窝(9)构成的蜂窝面板；所述集热器板芯上开设有进水口(10)和出水口(11)；所述凹形蜂窝(9)的上部分呈凹形六角锥形，下半部分呈半球形。
2.根据权利要求1所述的一种双凹蜂窝洞穴中空结构太阳能集热器板芯，其特征在于：所述承接面板(7)是一块由多个碗形蜂窝(12)构成的蜂窝面板，承接面板(7)上的碗形蜂窝(12)与向阳面板(6)上的凹形蜂窝(9)的下半部分形状吻合并通过点焊使两者之间一一固定配合。
3.根据权利要求2所述的一种双凹蜂窝洞穴中空结构太阳能集热器板芯，其特征在于：所述中空夹层(8)的间隙保持在1～3mm之间。
4.根据权利要求1所述的一种双凹蜂窝洞穴中空结构太阳能集热器板芯，其特征在于：所述进水口(10)和出水口(11)开设在承接面板(7)的背部。
5.根据权利要求1所述的一种双凹蜂窝洞穴中空结构太阳能集热器板芯，其特征在于：所述承接面板(7)的背部还设有备用进水口(13)和备用出水口(14)。
6.根据权利要求1所述的一种双凹蜂窝洞穴中空结构太阳能集热器板芯，其特征在于：所述集热器板芯采用易于热成形和热熔焊的黑色高分子材料制成。
7.根据权利要求6所述的一种双凹蜂窝洞穴中空结构太阳能集热器板芯，其特征在于：所述集热器板芯采用HDPE制成。
8.根据权利要求6或7所述的一种双凹蜂窝洞穴中空结构太阳能集热器板芯，其特征在于：所述集热器板芯采用双面吸塑，四周热熔焊接，内部多点焊接制作而成。
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