CN203771748U - 改进的太阳能吸收器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及改进的太阳能吸收器。一种太阳能吸收器系统包括接收太阳辐射并将其转换成热能的太阳能吸收层。太阳能吸收器组件包括各向异性材料以更有效地将吸收的能量移动到流体管道以用于捕获和存储。
Description
背景技术
太阳辐射的能量采用电磁辐射的形式，从红外波长到紫外波长并且在最佳条件下平均每平方米可以具有大约1,000瓦特。太阳能吸收器或收集器是一种装置，其将太阳辐射能转换成可用的或可存储的形式，并且尤其是，将辐射能量转换成热能。太阳能吸收器或收集器可以应用于多种场合。例如，吸收器可以用在家用或商用建筑物中用于补充空间或水加热。
实用新型内容
根据本公开的一个方面，热吸收器组件包括太阳能吸收层，其具有适于吸收太阳辐射的顶部主表面和与所述顶部主表面相对的底部主表面。管道设置成邻近底部主表面并且用于接收通过其中的流体。散热器与太阳能吸收层的底部主表面的至少一部分接触。管道设置在太阳能吸收层和散热器之间。散热器为热各向异性材料，其具有至少为大约250W/mK的面内导热系数。
根据本公开的另一个方面，热吸收器组件包括太阳能吸收层，其具有适于吸收太阳辐射的顶部主表面和与顶部主表面相对的底部主表面。管道接触底部主表面并且用于接收通过其中的流体。散热器为热各向异性材料，其具有至少为大约250W/mK的面内导热系数。
本实用新型的要解决的技术问题是太阳能吸收层和管道之间的热传递的低效率。
本实用新型的有益效果是有足够的物理接触以在它们之间允许导热传递，从而提高了热传递的低效率。
附图说明
图1为太阳能吸收器系统的示意图。
图2为包括有多个柱的太阳能吸收器的顶部正视图。
图3为沿图2的A-A方向的截面图。
图4为沿图2的A-A方向的替代截面图。
图5为沿图2的A-A方向的第二替代截面图。
具体实施方式
现在参照图1，示出太阳能吸收器系统并且通常用数字10标记。总体上，系统10包括太阳能吸收器12，其吸收来自太阳的辐射能量，将该能量转换成热能，并且将该热能传递给工作流体。工作流体被引导向换热器14，在换热器中热能传递给加热或能量存储单元16。在行进经过换热器14之后，工作流体随后可以重新循环到吸收器12。单元16例如可以是家用或商用热水加热器或者家用或商用空间或地板加热系统。
尽管上述系统10为闭环的（即工作流体连续地循环返回通过热吸收器），应该意识到也可以采用开环系统，尤其是在水加热应用中。在开环系统配置的一个实施例中，换热器被省去并且水通过热吸收器和管道被直接抽吸到用于日常使用的水存储罐中。
现在参照图2和3，详细地示出典型的热吸收器12。热吸收器12包括用于接收和输出工作流体的输入管道18和输出管道20。多个柱组件22相互连接输入管道18和输出管道20。柱22接收和吸收太阳光并且将热能传递给在其中流动的工作流体。以这种方式，离开输出管道20的工作流体的温度相对于通过输入管道18进入的工作流体的温度被升高。
尽管图2中示出的结构具有多个柱22，应该意识到还可以采用更多或更少的柱22。另外，尽管示出的是工作流体行进通过多个平行通路的歧管结构，也可以采用其它管道结构，例如工作流体行进通过多个柱的串联结构。
每个柱22包括工作流体流经的工作流体管道24。工作流体管道24有利地由导热材料制成，导热材料具有的导热系数大于约100W/m-K，更有利地大于250W/m-K，并且再更有利地大于约400W/m-K。典型的材料可以包括很多金属，例如铝，铜或者它们的合金。
热吸收层26包括顶部主表面28和与其相对的底部主表面30。热吸收层26设置用于接收与顶部主表面28接触的太阳射线的电磁能量并且将该能量转换成热能。由此，热吸收层26与单独的圆筒形管道24相比有利地具有更大的面向入射的太阳辐射的表面面积。如图2可见，热吸收层26可以大体上为细长的矩形形状。在一个实施例中，热吸收层26大体上可以是平面的。在其它实施例中，热吸收层26在截面可以包括圆弧形或者凹形或者凸形。在更进一步的实施例中，热吸收层可以包括大体上为弯曲或圆弧形的中心部分，其适于至少部分地在其中接收管道24。
热吸收层26优选地为相对于主表面28和30的长度和宽度较薄的元件。在某些实施例中，热吸收层26具有的厚度可以从大约0.25mm到大约5mm。热吸收层26有利地为金属材料。金属材料例如可以是铝，铜或它们的合金。
热吸收层26的底部主表面30例如可以使用粘结剂，焊接，或机械紧固件连接到管道24的外径表面的一个部分上。在其它实施例中，底部主表面30可以与管道24相接触但不固定到管道24上。在一个实施例中，热吸收层26在大致上平分热吸收层26的横向宽度的位置处与管道24相接触。
为了提高吸收，顶部主表面28可以涂覆有发射材料。发射材料28提高了太阳能的吸收以及太阳能向热能的转换。在一个实施例中，涂层使得发射率大于大约ε=0.90。在进一步的实施例中，涂层可以提供大于大约ε=0.95的发射率。在更进一步的实施例中，涂层可以提供大于大约ε=0.98的发射率。
尽管示出每个柱22的单独吸收层26，应该意识到可以为多个管道24提供单个连续热吸收层26。换句话说，单个吸收层26可以横跨多个管道24。
散热器32与底部主表面28的至少一部分热接触并且连接到管道24的外径表面的至少一部分上。如这里使用的，热导意味着有足够的物理接触以在它们之间允许导热传递。能够看到，以这种方式，管道24设置在热吸收层26和散热器32之间并且被它们所包围。在一个实施例中，散热层32是柔性的和柔顺的，以与管道24的弯曲一致。因此，散热层32有利地与管道24的至少大约30%的圆周热接触，更有利地与至少大约50%的圆周热接触，并且再更有利地与圆周的至少大约75%热接触。
在一个实施例中，散热器32与热吸收器26的底部主表面20至少大约40%的表面面积热接触。在其它实施例中，散热器32与热吸收器26的底部主表面20至少大约60%的表面面积热接触。在更进一步的实施例中，散热器32与热吸收器26的底部主表面20至少大约80%的表面面积热接触。
每个散热器32可选择地较薄并且为片状，其具有顶部主表面34和底部主表面36。在一个实施例中，散热器32的厚度在大约2mm到大约0.05mm之间。在这个或其它的实施例中，散热器的厚度可以小于大约2mm。在其它的实施例中，散热器32的厚度可以小于大约1mm。在进一步的其它实施例中，散热器的厚度可以小于大约0.5mm。在更进一步的其它实施例中，散热器的厚度可以小于大约0.1mm。
根据一个或多个实施例，散热器32可以是由压缩的剥离型石墨颗粒块制成的板片，石墨化聚酰亚胺板片或者它们的组合物。这种材料具有很高的各向异性，相对于贯穿平面的导热系数具有更大的面内方向上的导热系数。有利地，各向异性率至少为大约10，更有利地至少为大约20并且进一步更有利地至少为大约50。
虽然散热器32包括多个部分（即弯曲部分和直线部分），应该意识到散热器32有利地是单个连续的板片。在其它实施例中，散热器可以是通过例如热粘结剂，机械紧固件或其它装置结合到一起的多个板片。
每个散热器32大约在室温下具有的面内导热系数大于大约250W/mK（使用Angstrom方法在室温大约为25℃时进行测试）。在另一个实施例中，散热器32的面内导热系数至少为大约400W/mK。仍然在进一步的实施例中，散热器32的面内导热系数可以为至少大约600W/mK。在另外的实施例中，面内导热系数可以从至少大约250W/mK到至少大约1500W/mK。在这些或其它实施例中，散热器32的贯穿平面导热系数可以小于大约10W/mK。在其它实施例中，散热器32的贯穿平面导热系数可以小于大约5W/mK。在一个实施例中，散热器32具有的面内导热系数是热吸收层26材料的面内导热系数的至少大约1倍。在其它实施例中，散热器32具有的面内导热系数是热吸收层26材料的面内导热系数的至少大约1.5倍。在更进一步的实施例中，散热器32具有的面内导热系数是热吸收层26材料的面内导热系数的至少大约2倍。上面的面内导热系数的任意组合都是可以实施的。合适的石墨板片和板片制作过程例如在美国专利No.5,091,025和3,404,061中公开，其内容作为参考被结合在此。在一个实施例中，散热器例如可以由本申请的受让人GrafTech International
Holdings公司销售的eGRAF® Spreadshield
在选择性的实施例中，一个或多个散热器32可以是树脂增强的。树脂例如可以用于提高散热器32的硬度，强度和/或不渗透性。与树脂增强相结合，或作为替代物，一个或多个散热器32可以包括碳和/或石墨纤维增强。
散热器32相对于传统材料有利地可以是更加适型的材料，其可以用在典型的散热应用中（例如铝）。与管道24和热吸收层26相比，散热器32的使用能够减小散热器32和管道24之间的界面热阻。此外，如上面描述的，散热器32与管道24的接触面积大于热吸收层26与管道24的接触面积。这使得与缺少这里公开的散热器的热吸收器系统相比，向管道24的热传递更大。
散热器32可选择地涂覆有膜粘结剂用于使能或提高到管道24和/或热吸收层26的连接。粘结层有利地应该足够薄从而不会对向散热器32的热传递造成明显的影响。结合有粘结层并且将其供给到防粘衬里上的散热器32的使用能够通过对单独柱22使能“揭开并粘贴”应用从而简化热吸收器12的组装。
现在参照图4，公开了替代的实施例，其中相同的附图标记表示相同的元件。能够看出，柱22的截面基本上相似，除了第二散热器32b设置在第一散热器32a和热吸收层26之间。根据该实施例，第一散热器32a和第二散热器32b布置成包围其之间的管道24。此外，第二散热器32b设置在管道24和热吸收层26之间。
根据上述实施例中的任意一个，太阳能吸收层26可以采用在上文中描述和公开的石墨板片材料代替金属。在这个或其它实施例中，石墨太阳能吸收层的顶部主表面28可以是滚花或者以其他方式粗糙化的以提高表面发射率。在热吸收层为压缩的剥离型天然石墨板片的实施例中，顶部主表面28可以通过在表面上粘结条带并且随后拉下条带以移除顶部光滑表面并且露出下面纹理表面而变得粗糙。在进一步的其它实施例中，石墨粉可以粘结到顶部主表面28上。在一个实施例中，石墨粉可以是小于大约500μm的d90%。在其它实施例中，d90%小于大约200μm。在进一步的其它实施例中，d90%小于大约100μm。在更进一步的实施例中，d90%小于大约55μm。
现在参照图5，公开了另一个实施例，其中相同的附图标记表示相同的元件。根据该实施例，太阳能吸收层26没有散热器32。根据该实施例的太阳能吸收层26为本文上面描述的石墨材料，并且包括一个或多个本文上面描述的表面处理。能够看出，由于石墨材料是相对柔性的，其可以以如下的方式围绕管道24适型：使太阳能吸收层26包括中心包围部分40和相对的向外延伸部分42。中心部分40有利地与管道24至少大约30%的圆周热接触，更有利地与至少大约50%的圆周热接触，并且再进一步有利地与至少大约75%的圆周热接触。
本申请涉及的全部的引用专利和公布的公开在这里作为参考被整体地结合。这里公开的各种实施例可以以它们任意的结合而实施。上面的描述用于使本领域技术人员能够实施本实用新型。在这里不会对全部可能的变形和修改进行详细说明，本领域技术人员在阅读了说明书之后其将变得显而易见。然而，全部的这些修改和变形都被包括在由所附的权利要求所限定的本实用新型的范围之内。这些权利要求用于覆盖在任意布置或序列中标明的元件和步骤，这些布置和序列用于满足本实用新型的目标，除非上下文明确地相反地指明。
Claims (1)
1.一种改进的太阳能吸收器，包括：
太阳能吸收层，其具有适于吸收太阳辐射的顶部主表面以及与所述顶部主表面相对的底部主表面；
管道，其设置成邻近所述底部主表面并且用于接收通过其中的流体；
散热器，其与所述太阳能吸收层的底部主表面的至少一部分接触，所述管道设置在所述太阳能吸收层和所述散热器之间；并且
其中所述散热器为热各向异性材料，其具有至少大约250W/mK的面内导热系数。
2. 根据权利要求1所述的改进的太阳能吸收器，其中所述热各向异性材料包括由压缩的剥离型石墨颗粒块制成的板片。
3. 根据权利要求1所述的改进的太阳能吸收器，其中所述热各向异性材料包括由石墨化聚酰亚胺制成的板片。
4. 根据权利要求1所述的改进的太阳能吸收器，其中所述散热器与所述热吸收器的所述底部主表面的表面区域的至少大约60%接触。
5. 根据权利要求1所述的改进的太阳能吸收器，其中所述散热器与所述热吸收器的所述底部主表面的表面区域的至少大约80%接触。
6. 根据权利要求1所述的改进的太阳能吸收器，其中所述管道包括圆周并且所述散热器与所述管道圆周的至少大约30%接触。
7. 根据权利要求1所述的改进的太阳能吸收器，其中所述管道包括圆周并且所述散热器与所述管道圆周的至少大约50%接触。
8. 根据权利要求1所述的改进的太阳能吸收器，其中所述管道包括圆周并且所述散热器与所述管道圆周的至少大约75%接触。
9. 根据权利要求1所述的改进的太阳能吸收器，其中所述散热器具有的厚度小于大约2mm。
10. 根据权利要求1所述的改进的太阳能吸收器，其中所述散热器具有的厚度小于大约1mm。
11. 根据权利要求1所述的改进的太阳能吸收器，其中所述散热器具有的厚度小于大约0.1mm。
12. 根据权利要求1所述的改进的太阳能吸收器，其中所述太阳能吸收层包括中心包围部分和相对的向外延伸部分。
13. 根据权利要求12所述的改进的太阳能吸收器，其中所述管道具有圆周并且所述中心包围部分与所述圆周的至少大约30%接触。
14. 根据权利要求12所述的改进的太阳能吸收器，其中所述管道具有圆周并且所述中心包围部分与所述圆周的至少大约50%接触。
15 根据权利要求12所述的改进的太阳能吸收器，其中所述管道具有圆周并且所述中心包围部分与所述圆周的至少大约75%接触。
16. 根据权利要求1所述的改进的太阳能吸收器，其中在所述太阳能吸收层的所述顶部主表面上粘结有石墨粉末。
17. 根据权利要求16所述的改进的太阳能吸收器，其中所述石墨粉末包括的d90%小于大约500μm。
18. 根据权利要求16所述的改进的太阳能吸收器，其中所述石墨粉末包括的d90%小于大约200μm。
19. 根据权利要求16所述的改进的太阳能吸收器，其中所述石墨粉末包括的d90%小于大约100μm。
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Granted publication date: 20140813 Termination date: 20160419 |
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