CN105241081B - 具有白天集热和夜间辐射制冷功能的复合抛物面聚光集散热器 - Google Patents

具有白天集热和夜间辐射制冷功能的复合抛物面聚光集散热器 Download PDF

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Abstract

本发明属于能源利用技术领域，特别涉及一种具有白天集热和夜间辐射制冷功能的复合抛物面聚光集散热器，包括顶面敞口的箱体、复合抛物面聚光器、玻璃管和支架，所述箱体的内部形状为复合抛物面，所述支架设置于所述箱体的四周，所述复合抛物面聚光器设置于所述箱体内，所述玻璃管沿所述复合抛物面聚光器的底部中心设置，所述玻璃管的两头分别设置为进水口和出水口，所述进水口和所述出水口均与所述箱体的外表面贯通，所述玻璃管的外表面镀有太阳能集热和辐射制冷复合涂层。本发明既能在白天进行太阳能集热，又能在夜间进行辐射制冷，有效解决了传统的复合抛物面聚光式真空管集器和辐射制冷装置功能单一的局限性。

Description

具有白天集热和夜间辐射制冷功能的复合抛物面聚光集散 热器
技术领域
本发明属于能源利用技术领域，特别涉及一种具有白天集热和夜间辐射制冷功能的复合抛物面聚光集散热器。
背景技术
目前，国内外学者对太阳能利用研究的较多的是太阳能集热技术。近年来，复合抛物面聚光式真空管集热器受到越来越多的关注和研究，其相比于平板型集热器不但提高了集热温度和集热效率，而且随着辐照强度的增加，集热温度的提升程度更大。
复合抛物面聚光器（CPC）是一种非成像低聚焦度的聚光器，其在实际应用中与常见的抛物面反射镜不同，它根据边缘光线原理设计，可将给定接受角范围内的入射光线按照理想的聚光比收集到接受器上。由于它有较大的接受角，故在运行时不需要连续跟踪太阳，只需根据接受角的大小和收集阳光的小时数，每年定期调整倾角若干次就可以有效地工作，这样避免了由于跟踪系统的精度误差导致的性能下降，同时也使得装置结构更为简单，节约了成本和维护费用，因而具有一定的实际应用意义。
另一方面，国内外学者对辐射制冷技术的研究进展相对较为缓慢。所谓辐射制冷是指地面上的物体通过“大气窗口”之一的8μm~13μm波段与温度很低的外太空进行辐射换热从而达到一定的制冷效果的被动制冷方式。辐射制冷具有零耗能、零污染、无运动部件等优点，对节能和环保具有较为积极的意义。
虽然复合抛物面聚光式真空管集热技术已经较为成熟，但是由于受到昼夜更迭的影响，集热器在夜间处于闲置状态，降低了其使用效率；另一方面，辐射制冷技术也有功能单一、制冷功率不够大导致装置成本较高，且辐射制冷装置在白天难以实现制冷效果等缺陷。
有鉴于此，确有必要提供一种具有白天集热和夜间辐射制冷功能的复合抛物面聚光集散热器，其可以结合复合抛物面聚光式真空管集热器和辐射制冷装置的优点，而弥补二者各自的局限性，其既能在白天进行太阳能集热，又能在夜间进行辐射制冷。
发明内容
本发明的目的在于：针对现有技术的不足，而提供一种具有白天集热和夜间辐射制冷功能的复合抛物面聚光集散热器，其可以结合复合抛物面聚光式真空管集热器和辐射制冷装置的优点，而弥补二者各自的局限性，其既能在白天进行太阳能集热，又能在夜间进行辐射制冷。
为了实现上述目的，本发明所采用如下技术方案：
具有白天集热和夜间辐射制冷功能的复合抛物面聚光集散热器，包括顶面敞口的箱体、复合抛物面聚光器、玻璃管和支架，所述箱体的内部形状为复合抛物面，所述支架设置于所述箱体的四周，所述复合抛物面聚光器设置于所述箱体内，所述玻璃管沿所述复合抛物面聚光器的底部中心设置，所述玻璃管的两头分别设置为进水口和出水口，所述进水口和所述出水口均与所述箱体的外表面贯通，所述玻璃管的外表面镀有太阳能集热和辐射制冷复合涂层。
作为本发明具有白天集热和夜间辐射制冷功能的复合抛物面聚光集散热器的一种改进，所述太阳能集热和辐射制冷复合涂层包括太阳能选择性吸收涂层和辐射制冷涂层，所述太阳能选择性吸收涂层设置于所述玻璃管的外表面和所述辐射制冷涂层之间。
作为本发明具有白天集热和夜间辐射制冷功能的复合抛物面聚光集散热器的一种改进，所述太阳能选择性吸收涂层设置为蓝钛涂层或黑铬涂层，其在0.2μm～3μm的太阳辐射波段的吸收率大于90%，在太阳辐射波段以外的其他波段的发射率小于5%。
作为本发明具有白天集热和夜间辐射制冷功能的复合抛物面聚光集散热器的一种改进，所述辐射制冷涂层设置为聚氟乙烯涂层，其在8μm～13μm的大气窗口波段内的发射率为80%～90%，在其他波段的透过率为70%~90%。
作为本发明具有白天集热和夜间辐射制冷功能的复合抛物面聚光集散热器的一种改进，所述箱体的顶面敞口处覆盖有全波段高透过率材料膜。
作为本发明具有白天集热和夜间辐射制冷功能的复合抛物面聚光集散热器的一种改进，所述全波段高透过率材料膜设置为聚乙烯薄膜，其在0～25μm波段内的透过率大于80%，其在0.2μm~3μm的太阳辐射波段和8μm~13μm的大气窗口波段内的透过率均为85%～90%。
作为本发明具有白天集热和夜间辐射制冷功能的复合抛物面聚光集散热器的一种改进，所述箱体的形状为长方体形，所述玻璃管沿所述箱体的长度方向设置。
作为本发明具有白天集热和夜间辐射制冷功能的复合抛物面聚光集散热器的一种改进，所述复合抛物面聚光器的横截面截交线为一轴对称的结构，其对称轴的左右两边均由圆的一段渐开线与一段抛物线经平滑过渡连接而成，左右两边的横截面截交线的交点与玻璃管的底部相交。
作为本发明具有白天集热和夜间辐射制冷功能的复合抛物面聚光集散热器的一种改进，在高度方向上，左右两边的横截面截交线的交点高于左右两边的横截面截交线的最低点。
作为本发明具有白天集热和夜间辐射制冷功能的复合抛物面聚光集散热器的一种改进，所述复合抛物面聚光器由高反射镜面铝板制成，其在0～25μm波段内的反射率大于95%；所述玻璃管为单层玻璃管，并且所述玻璃管的材质为高硼硅玻璃，所述进水口和所述出水口与所述箱体的宽度方向上的侧壁贯通。
相对于现有技术，本发明具有如下优点：
第一，玻璃管的外表面由内至外依次设有太阳能选择性吸收涂层和辐射制冷涂层，这两种涂层复合形成太阳能集热和辐射制冷复合涂层，该复合涂层在0.2μm~3μm的太阳辐射波段内具有很高的吸收率，使得其在白天集热时能吸收绝大部分太阳辐射；该复合涂层在8μm~13μm的大气窗口波段内具有很高的发射率，使得其在夜间辐射制冷时能通过此大气窗口波段向外太空辐射热量；而在除太阳辐射波段和大气窗口波段以外的其他波段具有较低的发射率和吸收率，使得其在白天集热时能有效减少向天空和周围环境的辐射热损失，在夜间辐射制冷时能有效减少向周围环境的辐射冷损失。
第二，CPC不仅可以在白天集热模式时使得更多的太阳辐射能聚集到玻璃管上，从而提高玻璃管单位面积接收的太阳辐照强度和集热效率，而且在夜间辐射制冷模式时，除了玻璃管圆周方向正对天空部分可以直接和外太空进行辐射换热获得冷量外，利用CPC的高反射特性，玻璃管圆周方向背对天空部分同样能将发射的红外波段辐射热量投射至CPC后再反射至外太空从而进行辐射制冷。与此同时，在夜间辐射制冷模式时，CPC的存在有效的阻断了其最大接收半角以外的来自天空和周围环境的辐射热能，从而提高了玻璃管的辐射制冷功率。
第三，进水口和出水口的设置，使得在白天集热模式时，循环水从进水口进入玻璃管，带走玻璃管吸收的太阳辐射热能后被加热，从出水口流出后进入保温水箱；在夜间辐射制冷模式时，循环水从进水口进入玻璃管，向玻璃管传递热量后被冷却，从出水口流出后进入保温水箱；
第四，通过增设全波段高透过率材料膜，其在0.2μm~3μm的太阳辐射波段和8μm~13μm的大气窗口波段内的透过率达到85～90%，这样既能在白天使大部分太阳辐射透过全波段高透过率材料膜投射到复合抛物面聚光器（CPC）和玻璃管上，又能在夜间使玻璃管辐射的热量有效地透过全波段高透过率材料膜散发到大气层和外太空中，此外，全波段高透过率材料膜的存在还能有效地减少玻璃管与外界环境间的对流换热。
综上所述，本发明所述的具有夜间辐射制冷功能的复合抛物面聚光集散热器既能在白天进行太阳能集热获得热水，又能在夜间进行辐射制冷获得冷水，有效地解决了复合抛物面聚光式真空管集热器只能在白天集热而在夜间闲置、辐射制冷装置只能在夜间进行制冷而在白天闲置的功能单一的局限性，克服了昼夜更迭对装置利用率的影响，拓宽了太阳能集热技术和辐射制冷技术的应用领域，具有较大的推广价值。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明中复合抛物面聚光器的横截面示意图。
图3为本发明中玻璃管的横截面的放大示意图。
其中：
1-箱体；
2-复合抛物面聚光器；
3-玻璃管；
4-进水口；
5-出水口；
6-太阳能选择性吸收涂层；
7-辐射制冷涂层；
8-全波段高透过率材料膜。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明及其有益效果作进一步详细的描述，但本发明的实施方式并不限于此。
实施例1
如图1至3所示，本发明提供的具有夜间辐射制冷功能的复合抛物面聚光集散热器包括顶面敞口的长方体状箱体1，箱体1的内部形状为复合抛物面，箱体1内部为复合抛物面聚光器2，箱体1四周为金属支架；复合抛物面聚光器2的底部中心沿箱体1的长度方向安装有单层玻璃管3，玻璃管3的外表面由内至外依次镀有太阳能选择性吸收涂层6和辐射制冷涂层7，其中太阳能选择性吸收涂层6的材料为蓝钛涂层，其在0.2μm～3μm的太阳辐射波段的吸收率大于90%，在太阳辐射波段以外的其他波段的发射率小于5%。辐射制冷涂层7的材料为聚氟乙烯涂层，其在8μm～13μm的大气窗口波段内的发射率为80%～90%，在其他波段的透过率为70%~90%。其具体加工工序为：首先在玻璃管3的外表面镀一层太阳能选择性吸收涂层6（蓝钛涂层），然后在太阳能选择性吸收涂层6上蒸镀一层辐射制冷涂层7。此外，本实施例中，箱体1不是正规的长方体形，而是一侧宽度略小于另一侧宽度的类长方体形。
玻璃管3的两头分别为进水口4和出水口5，进水口4和出水口5分别与箱体的宽度方向上的侧壁贯通；箱体1的顶面敞口处覆盖有全波段高透过率材料膜8。本实施例中，全波段高透过率材料膜8为聚乙烯薄膜，其在0～25μm波段内的透过率大于80%，其在0.2μm~3μm的太阳辐射波段和8μm~13μm的大气窗口波段内的透过率均为85%～90%。
如图2所示，复合抛物面聚光器2的横截面截交线为一轴对称的结构，其对称轴的左右两边均由圆的一段渐开线与一段抛物线经平滑过渡连接而成，左右两边的横截面截交线的交点与玻璃管3的底部相交，并且玻璃管3的纵向对称轴与该对称轴重叠，在高度方向上，左右两边的横截面截交线的交点高于左右两边的横截面截交线的最低点。
其中，复合抛物面聚光器2由高反射镜面铝板制成，其在0～25μm波段内的反射率大于95%；玻璃管3为单层玻璃管，其材质为高硼硅玻璃。
在白天集热模式时，循环水从进水口4进入玻璃管3，带走玻璃管3吸收的太阳辐射热能后被加热，从出水口5流出后进入保温水箱。
在夜间辐射制冷模式时，循环水从进水口4进入玻璃管3，向玻璃管3传递热量后被冷却，从出水口5流出后进入保温水箱。
实施例2
与实施例1不同的是：太阳能选择性吸收涂层6为黑铬涂层，其余同实施例1，这里不再赘述。
根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行变更和修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对本发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。

Claims (10)

1.具有白天集热和夜间辐射制冷功能的复合抛物面聚光集散热器，其特征在于：包括顶面敞口的箱体、复合抛物面聚光器、玻璃管和支架，所述箱体的内部形状为复合抛物面，所述支架设置于所述箱体的四周，所述复合抛物面聚光器设置于所述箱体内，所述玻璃管沿所述复合抛物面聚光器的底部中心设置，所述玻璃管的两头分别设置为进水口和出水口，所述进水口和所述出水口均与所述箱体的外表面贯通，所述玻璃管的外表面镀有太阳能集热和辐射制冷复合涂层；
在白天集热模式时，循环水从进水口进入玻璃管，带走玻璃管吸收的太阳辐射热能后被加热，从出水口流出后进入保温水箱；
在夜间辐射制冷模式时，循环水从进水口进入玻璃管，向玻璃管传递热量后被冷却，从出水口流出后进入保温水箱；
CPC不仅可以在白天集热模式时使得更多的太阳辐射能聚集到玻璃管上，从而提高玻璃管单位面积接收的太阳辐照强度和集热效率，而且在夜间辐射制冷模式时，除了玻璃管圆周方向正对天空部分可以直接和外太空进行辐射换热获得冷量外，利用CPC的高反射特性，玻璃管圆周方向背对天空部分同样能将发射的红外波段辐射热量投射至CPC后再反射至外太空从而进行辐射制冷，与此同时，在夜间辐射制冷模式时，CPC的存在有效的阻断了其最大接收半角以外的来自天空和周围环境的辐射热能，从而提高了玻璃管的辐射制冷功率。
2.根据权利要求1所述的具有白天集热和夜间辐射制冷功能的复合抛物面聚光集散热器，其特征在于：所述太阳能集热和辐射制冷复合涂层包括在0.2μm～3μm的太阳辐射波段的吸收率大于90％、在太阳辐射波段以外的其他波段的发射率小于5％的太阳能选择性吸收涂层和在8μm～13μm的大气窗口波段内的发射率为80％～90％、在其他波段的透过率为70％～90％的辐射制冷涂层，所述太阳能选择性吸收涂层设置于所述玻璃管的外表面和所述辐射制冷涂层之间。
3.根据权利要求2所述的具有白天集热和夜间辐射制冷功能的复合抛物面聚光集散热器，其特征在于：所述太阳能选择性吸收涂层设置为蓝钛涂层或黑铬涂层。
4.根据权利要求2所述的具有白天集热和夜间辐射制冷功能的复合抛物面聚光集散热器，其特征在于：所述辐射制冷涂层设置为聚氟乙烯涂层。
5.根据权利要求1所述的具有白天集热和夜间辐射制冷功能的复合抛物面聚光集散热器，其特征在于：所述箱体的顶面敞口处覆盖有在0～25μm波段内的透过率大于80％、在0.2μm～3μm的太阳辐射波段和8μm～13μm的大气窗口波段内的透过率均为85％～90％的全波段高透过率材料膜。
6.根据权利要求5所述的具有白天集热和夜间辐射制冷功能的复合抛物面聚光集散热器，其特征在于：所述全波段高透过率材料膜设置为聚乙烯薄膜。
7.根据权利要求1所述的具有白天集热和夜间辐射制冷功能的复合抛物面聚光集散热器，其特征在于：所述箱体的形状为长方体形，所述玻璃管沿所述箱体的长度方向设置。
8.根据权利要求1所述的具有白天集热和夜间辐射制冷功能的复合抛物面聚光集散热器，其特征在于：所述复合抛物面聚光器的横截面截交线为一轴对称的结构，其对称轴的左右两边均由圆的一段渐开线与一段抛物线经平滑过渡连接而成，左右两边的横截面截交线的交点与玻璃管的底部相交。
9.根据权利要求8所述的具有白天集热和夜间辐射制冷功能的复合抛物面聚光集散热器，其特征在于：在高度方向上，左右两边的横截面截交线的交点高于左右两边的横截面截交线的最低点。
10.根据权利要求1所述的具有白天集热和夜间辐射制冷功能的复合抛物面聚光集散热器，其特征在于：所述复合抛物面聚光器由在0～25μm波段内的反射率大于95％的高反射镜面铝板制成；
所述玻璃管为单层玻璃管，并且所述玻璃管设置为高硼硅玻璃管；所述进水口和所述出水口与所述箱体的宽度方向上的侧壁贯通。
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CN109631417A (zh) * 2019-01-04 2019-04-16 重庆大学 一种具有夜间辐射制冷功能的光伏光热一体化装置

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