CN1880880A - 太阳能集热装置 - Google Patents

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Abstract

本发明是涉及一种太阳能集热装置，其可使太阳光适度穿透而兼具采光照明功能。该集热装置包括一全反射片组，是由两透明片体迭合并将边缘熔合封死形成的反射片，其间形成一在水液中产生全反射现象的空气层，一红外线吸收装置吸收经该全反射片反射的太阳光，一集水器其为透明材质围组而成，其内置水液，并供容置该全反射片装置与红外线吸收装置，在水液中利用太阳能对其四周水液加温。

Description

太阳能集热装置
技术领域
本发明是一种太阳能集热装置，特别是一种本体透光的太阳能集热装置。
背景技术
太阳能集热装置中，最简易的当属特朗布壁(Trombe Wall)装置，这是一种由特朗布(Trombe)发明(法国专利申请号71.23778，美国专利号3,832,992)，以砖石等比热较大的物质所构建而成的墙体，直接或间接由日光中聚集热能并将热能贮存于该墙体内，待日落后，室内温度下降时，可在室内发射远红外线辐射热，释出热能，以产生保暖的作用。此种墙体也能利用太阳能暖房原理对室内空气加温以循环空气产生保暖及促进空气对流的效果。太阳能热水器则是最常见的太阳能集热及贮热系统，大致可分为三型：闷晒型、平板型及真空管型，产生的热水供作生活用热水。
太阳能是一种电磁辐射能，其光谱依波长可分为紫外线、可见光及近红外线三部分，其中紫外线部分及近红外线部分为不可见光，近红外线部分是热能的主要来源，约占太阳能的百分之四十六。太阳能集热装置，实际上便是一种近红外线吸收装置，吸收太阳能后，温度上升，便会发射远红外线，其吸收近红外线的比率愈大，发射远红外线的比率愈小，便会产生较佳的集热效果，这种对红外线吸收率大，发射比率小的物质多具黑色外观，因此太阳能集热装置多为黑色不透光的装置，即使是使用不透明的金属材质，也需涂上一层黑色表层，以提高效率。
一般的太阳能热水集热装置的外观，均为由管体组成的平面箱形体，在建筑物上显得有些突兀且不协调，对市容会造成不良的影响，有些城市甚至限制其使用，这与太阳能利用的世界性的趋势显得有些矛盾。
人类活动中，家居环境的能量消耗约有一半是用在热水及空间供热，照明则消耗约百分之六的能量，在工作环境中用于照明的能耗则相对较大，约占百分之四十，照明加上热水及空间加温则占约百分之六十，因此，供热及照明实际上是最大的能耗需求。
太阳能的有效利用可节省燃煤电力消耗，不但对民生经济产生立即效益，对减缓地球暖化改善生态环境亦至为重要。
认识到热水在生活中的重要性，和水是生活物质中最好的贮热材料，其比热约为砖石材料比热的五倍，约为木质材料比热的二倍，约为空气比热的四倍，本发明进一步利用水的光学特性而发展出一种以透光材质薄片制成的光全反射装置，将射入水液中的太阳光，尤其是其近红外线部分，反射进入隐藏于水容器中位于光线行进方向侧方的红外线吸收片装置，该红外线吸收片装置，被太阳能加热升温，对其四周的水液进行加热，借助于被加热的水，因热胀上升而产生的自然对流作用，或借助于小电泵主动式强迫对流作用，使水在水容器内循环而完成整体升温，太阳能便以热水形态贮存起来。此水容器的外围设有必要的绝热设施，以避免热能流失，该水容器可为南面向阳的墙形体，或屋顶等能接受日光的建筑物壳体部分，全反射片装置尚可使隐藏于水中的红外线吸收集热装置由居室内部往外望去时，不易察觉黑色的红外线吸收集热装置的存在，在视觉上达到美化的效果，水容器的外侧绝热设施，依实际的需要可采用多层充气或真空绝热玻璃、硅气凝胶填充玻璃或高分子材质构成，可为固定装置亦可为活动装置，依实际应用的需要，室内侧亦可施以绝热设施，以达成舒适的目的。
利用水体为贮热体的技术，实际上早为人知，如美国能源部所有的美国专利4,286,576,美国波音公司所有的美国专利4,216,765。但是美国专利号4,216,765的加热方法，主要是在水容器外壁采用吸收红外线的玻璃，而利用外壁玻璃产生温升加热作用，美国专利号4,286,576则利用一片置于水容器中央，吸收红外线的透明玻璃为升温加热的装置。其加热的效率及制造成本显然均不及本发明所提出的技术，
发明内容
本发明目的是提供一种太阳能集热装置。特别是一种本体透光的太阳能集热装。
本发明一种太阳能集热装置，其包括：
一全反射片，是中间具有一空气层的透明装置；
一太阳光吸收片，吸收由该全反射片反射的太阳光；
该全反射片与该太阳光吸收片之间有一夹角，该夹角使太阳光经该全反射片全反射后射入该太阳光吸收片；
一集水器，是一太阳光可完全透入的透明水容器，内置水液，水液可在集水器内对流；
该全反射片与太阳光吸收片是置于该集水器的中；
其特征为透明全反射片的空气层，其在水液中将射入水液中的太阳光转向射入置于太阳光行进方向侧方的太阳光吸收片。
本发明进一步利用水的光学特性而发展出一种以透光材质薄片制成的光全反射装置，将射入水液中的太阳光，尤其是其近红外线部分，反射进入隐藏于水容器中位于光线行进方向侧方的红外线吸收片装置，该红外线吸收片装置，被太阳能加热升温，对其四周的水液进行加热，借助于被加热的水，因热胀上升而产生的自然对流作用，或借助于小电泵主动式强迫对流作用，使水在水容器内循环而完成整体升温，太阳能便以热水形态贮存起来。此水容器的外围设有必要的绝热设施，以避免热能流失，该水容器可为南面向阳的墙形体，或屋顶等能接受日光的建筑物壳体部分，全反射片装置尚可使隐藏于水中的红外线吸收集热装置由居室内部往外望去时，不易察觉黑色的红外线吸收集热装置的存在，在视觉上达到美化的效果，水容器的外侧绝热设施，依实际的需要可采用多层充气或真空绝热玻璃、硅气凝胶填充玻璃或高分子材质构成，可为固定装置亦可为活动装置，依实际应用的需要，室内侧亦可施以绝热设施，以达成舒适的目的。
本发明设计的太阳能集热装置，可以很有效率的收集太阳热能，同时又可采光供室内照明，在外观上则可以如，但不限于墙面，屋顶窗等形式呈现，在建筑外观上没有突兀的感，有利于节能建筑物一体化的设计。且其构造简单，有利于太阳能利用的推广，在供热及照明两个领域提供节能效益。
本发明对晨曦、夕阳和正午的阳光会产生自然的调节，亦为其它现有技术所不及。
为进一步揭示本发明的具体技术内容，首先请参阅图式，其中：
附图说明
图1为本发明的一实施例的原理说明上视图；
图2为本发明的一实施例的细部构造图；
图3为本发明的一实施例的全反射装置分解图；
图4为本发明实施例施的于建物的态样图；
图5为本发明的另一实施例，可随太阳跟踪器调整角度的示意图。
具体实施方式
图1所示，是本发明的集热装置的一实施例，其集热装置由透明的全反射片1，及红外线吸收装置2组合而成，其是容置于集水器3内，而该集水器3内则盛装水液4，当光线5由外射入集水器3后，穿过水液4投射于全反射片1上，此全反射片1内有一空气层G，当光线的入射角大于48.8度时(水液折射率为1.33)，将在水液侧产生内全反射现象，将光线反射转向进入红外线吸收装置2。
该全反射片1，是由两透明片迭合，将边缘封死，使不透水，不透气，其间形成一空气层G，实际应用时全反射片1可为如图1所示的单折结构，亦可为如图2图3所示的连续的全反射片组11，该连续的全反射片组11是呈转折方式，其向阳面形成一夹角，且两斜面对向设置，并使两斜面夹角中心分角面位置围成一槽口12，使其可容置一红外线吸收装置2，该红外线吸收装置2是以金属薄片制成，但表面涂布红外线吸收物质。基本上，连续的全反射片组11的材质，可为但不限于耐较高温度的透明聚碳酸酯(polycarbonate)，且其可为预先成型，并为多组连续设置的应用，温度较高的应用时则采用耐高温的玻璃薄片。全反射片的向阳面可施以热镜处理，强化红外线的反射。
集水器3其是为选择性封闭箱体，而于大片设置时，则可形成墙面，如图4-1所示，其是为透明材质制成，其中的水加热后可供生活用水之用，亦可为单纯以贮热为目的，如是单纯作为贮热器的用途，在寒带地区，水液中亦可加入防冻剂，或其它防冻措施，如辅助电热。
请参阅图2，当本发明施的于建物南面向阳侧，并为可曝晒状态时，以南面向阳面为例，上午时，则光线由东方射入集热装置，其西侧的反射片可接收阳光，但是因为阳光射入连续的全反射片组11的入射角较小而得以穿过全反射片进入室内，随着太阳的运行，阳光的入射角逐渐增大，穿透的阳光逐渐减少，反射的阳光逐渐增加，并逐渐产生全反射现象；而当正午时，则光线5是垂直射入集水器3，其与连续的全反射片组11形成的入射角大于48.8度，因此全部的射入光线均产生全反射现象，而转向射入红外线吸收装置2，红外线的吸收将使温度上升，而将水液加温，易言之，在正午时吸收太阳热的效率最高，而透过的光线最少。太阳光可视为平行射向地球，但是空气的散射作用，使全反射面无法完全遮断阳光，散射的阳光有相当比率透入室内而可兼具温和的照明效果。连续的全反射片组11的向阳侧，亦可施以强化近红外线反射能力的处置，或选用对近红外线有热镜效果的材质。
请再参阅图4，其揭示了非限制本发明权利范畴的实施态样，如图4-1所示，是为将本发明设于建物的向阳面并形成墙体时，则形成一贮热水墙，其作用如特朗布壁，如此，可将由白天所收集的太阳能以热水形式贮存，所贮存的热量在日落后释出，以使室内较为温暖。
图4-2所示，是为本发明设于建物顶面，如屋顶上时，亦可达白天集热夜间释热保暖的功能，夜间时，贮水器应覆以绝热毯，以减少热能流失。
图4-3所示，是为本发明设于太阳暖房的情形，可设置于太阳暖房上迎阳面屋顶上，其可设计为单纯采光集热为目的，其贮热贮水功能则可由分离设置而置于室内的贮水容器肩负，以减少屋顶结构的承重，其集水器3连通于一置于室内的分离式贮水器13利用被动式或主动式对流，则分离式贮水器13内的水液亦因循环而聚集热能。
图4-4所示，为向阳斜顶上的设置情形，在居室中另设连通的分离式贮水器13，其亦如前述4-3所示，通过水的流动使设于室内的分离式贮水器13增温而达到贮热的目的。
而于加设分离式贮水器13的场合，则本发明的太阳能集热装置的厚度可较薄，集水器3与分离式贮水器13之间，得加置如泵或虹吸装置，以加速集水器3与分离式贮水器13间的水液4循环。集热装置及其水液容器内的液体亦可为如图4-3所示，在一密闭系统内流动，对分离式贮水器13内的生活用水进行间接加热而为隔离，此时集热装置集水器3的液体可加添防冻剂以防冬季结冰。
分离设置的贮水器，不必要为透明体，可为任何保温的水容器。
在日光薄弱的地方，为了使目光的收集最佳化，受光面可加附太阳跟踪机构，使全反射面1随时都对向太阳，如图5所示14、15是固定机构横杆，其是与太阳跟踪装置(图未示)连动，以使受光的全反射片1跟随太阳运行角度转动，使处于较佳的集热角度位置，图中16是每一独立的全反射片的集热装置的转动轨迹，各独立集热装置转动时不会相互干扰。
本发明所揭示的，乃较佳实施例，举凡局部的变更或修饰而源于本发明的技术构思而为熟习该项技艺的人所易于推知者，俱不脱本发明的专利权范畴。

Claims (12)

1.一种太阳能集热装置，其特征在于，包括：
一全反射片，是中间具有一空气层的透明装置；
一太阳光吸收片，吸收由该全反射片反射的太阳光；
该全反射片与该太阳光吸收片之间有一夹角，该夹角使太阳光经该全反射片全反射后射入该太阳光吸收片；
一集水器，是一太阳光可完全透入的透明水容器，内置水液，水液可在集水器内对流；
该全反射片与太阳光吸收片是置于该集水器之中；
其中，透明全反射片的空气层，其在水液中将射入水液中的太阳光转向射入置于太阳光行进方向侧方的太阳光吸收片。
2.如权利要求1所述的太阳能集热装置，其另设一贮水器装置以贮存热水或热能；其特征在于，所述该贮水器装置与集热装置的集水器为同一的水容器。
3.如权利要求1所述的太阳能集热装置，其另设一贮水器装置以贮存热水或热能，其特征在于，所述该贮水器装置与集热装置的集水器为分离式各自独立的水容器，其间有管路连通，使水液互通。
4.如权利要求3所述的太阳能集热装置，其特征在于，所述该集水器与贮水器的连管在贮水器中为密闭，管中水液与贮水器中水液各自独立不相通，且在贮水器中的管路具有热交换结构。
5.如权利要求3或4所述的太阳能集热装置，其特征在于，所述该贮水器为不透明水容器。
6.如权利要求3或4所述的太阳能集热装置，其特征在于，所述该贮水器为透明水容器。
7.如权利要求1所述的太阳能集热装置，其特征在于，所述该集水器中的水液添加防冻剂。
8.如权利要求1所述的集热装置，其特征在于，所述该全射片受光面夹成一小于82.4度的夹角，此夹角的中央分角面设置红外线吸收片装置，当太阳光平行于此中央分角面射入时，其投射于全反射片的入射角大于48.8度。
9.如权利要求1所述的集热装置，其特征在于，所述的全反射片为连续多组转折设置。
10.如权利要求2或3所述的集热装置，其特征在于，所述该集热装置及其集水器是设于屋顶，其贮水器设于室内。
11.如权利要求2或3所述的集热装置，其特征在于，所述该集热装置的集水器与贮热装置贮水器间设促进水液循环的装置。
12.如权利要求1所述的集热装置，其特征在于，包含与太阳跟踪器连动的装置，其全反射片的受光面可随太阳转动。
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