CN2797974Y - 竖置式平板集热器的板芯装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及竖置式平板集热器的板芯装置，包括金属吸热翅片、金属导热管，金属吸热翅片与金属导热管相连接，金属吸热翅片工作面的纵向截面形状是齿形或是斜翼形，工作面上带有太阳能利用功能性材料层，垂直安装时，金属吸热翅片上齿面或斜翼面的安装倾角的设置应使得正午直射阳光与上齿面法线或斜翼面法线的夹角介于负1度至负35度，并且，金属吸热翅片与金属导热管的相互连接是指金属吸热翅片的连接平面与金属导热管间的固定连接，因而能使截面的成型加工采用生产成本较低、加工效率较高的金属压力成形类加工方法，由于采用上齿面或斜翼面的设置使得直射阳光与上齿面法线或斜翼面法线的夹角介于负1度至负35度，只要经表面选择性吸收涂层处理的吸热面达到吸收率≥0.90；发射率≤0.10时，即可通过上齿面或上斜翼面与下齿面或下斜翼面间的二次吸收，使板芯的吸收效率达到接近99％的水平。

Description

竖置式平板集热器的板芯装置

技术领域

本实用新型涉及太阳能利用领域，尤其是涉及一种竖置式平板集热器的板芯装置技术。

发明背景

太阳能集热器是太阳能利用的核心部件，根据安装倾角分斜面安装系统和墙面安装系统，竖置式太阳能集热器是一种墙面系统，主要适合于集热器在墙面竖置或垂直安装，也适合于其他任意位置的安装，竖置式墙面安装的太阳能集热器板芯包括传热导管和吸热翅片等，其工作面往往被设计成具有反射吸收的形状，特点是能吸收来自多个方向上入射的直射光与反射光，将光能转为热能、电能或两者输出，其有效工作面积是二维集热器板芯的一倍以上，此外，其吸热工作面通常与水平面间呈一定夹角，因而，往往被设计成斜面等，用作集热器时还同时要求竖置安装后太阳能集热器能保持较高的吸热效率与传热效率，其中，吸热效率是靠翅片的吸收结构特性实现的，传热效率则是靠翅片与导热管的连接结构特性实现的，集热效率由吸热效率和传热效率两部分共同组成。

已公布的中国专利CN2410591Y涉及一种平板阳台拦板型垂直安装的三维太阳热水器，其特征是集热器横向水平放置，整体垂直安装，集热器内的管板式吸热体传热导管的翅片是倾斜放置的，其传热导管与其翅片是导热管的园柱面与翅片平面的线接触固定连接，因此，其传热导管亦呈水平放置，因而，其插入联集管的传热管的端部是带向上摆头的，这种形式的集热器易做成拦板式结构而与建筑阳台有机结合，以避免倾斜安装对建筑外观的影响。上述技术方案中翅片吸热工作面的设计根据附图是直齿锯齿型的，其中，向上的受光工作直齿面与入射阳光垂直，又根据附图所示，非受光直齿面与其垂直，这样便可接受来自地面反射方向上的反射光，但光强与距离的平方成反比，实际来自地反射的光强很低，由于两者间呈垂直，所以，上齿面上的反射光方向与下齿面近似平行，而下齿面对来自上齿面的反射光吸收能力很小，因此，这种直齿锯齿型翅片的反射吸收效率很低，除此之外，也不适合于其他任意位置的安装。

另一个中国专利CN2284934采用了陷落式直板叶片集热装置，其方法是采用垂直于传热导管的平行涂黑吸收叶片与传热导管组成平板三维集热器的板芯，集热器与板芯均垂直放置，其中，吸收叶片与传热导管的传热连接为叶片截面与传热导管管面类似空调散热片的套胀固定连接，采用这种方式时，入射到吸收叶片间的太阳直射光便可能在两叶片间多次反射，被多次吸收，增加了集热板对太阳能的吸收效率。然而，采用了大量的叶片，不但装配加工复杂、工效低，而且这种装置的表面积大幅度上升，由此必然会造成发射率大幅度上升的问题，使得其光吸收效率的增益被热量快速散失的弊端所抵消，根据现有技术：黑色涂层的表面吸收率在95％以上，发射率通常在36％-40％以上，而一般太阳选择性吸收涂层的发射率可达16％以下，两者之差在20％以上，且不考虑由于面积增大对发射率的不利影响，经比较吸收率的增益范围与发射率的差异便可知，这种方法很难产生集热效率的提高；此外，叶片体积的大幅度上增加将使得热容大幅上升，对集热效率的提高不利；再者，即使叶片与传热导管的传热连接为叶片截面与传热导管管面类似空调散热片的套胀固定连接，也将由于接触传热的间隙产生传热效率的降低，众所周知，空调传热中导热管的温度远高于叶片，因此，导热管直径由于受热膨胀大于叶片孔的热膨胀使得两者紧密接触而传热，而板芯的叶片体积相对于导热管远远为小，因此受热后孔径变大，而导热管中含有待加温的冷水，在一定的温升范围内不会产生相应的尺寸变化，因此，必然导致传热效率的严重下降。

综上所述，现有技术的缺陷有待于克服。

发明内容

本实用新型技术方案之一的目的在于：提出竖置式平板集热器的齿型板芯，通过对其翅片的吸收结构特性及翅片与导热管的连接结构特性上的双重改进，使之成为一种热容增加小、发射率降低、加工简易、装配生产工效高、成本较低的，同时具有良好吸收特性与反射吸收特性的集能器板芯，克服现有技术的缺陷，并使得任意安装时，竖置式平板集热器板芯能同时具备较高的吸热效率与传热效率。

本实用新型技术方案之二的目的在于：提出竖置式平板集热器的斜翼型板芯，通过对其翅片的吸收结构特性及翅片与导热管的连接结构特性上的双重改进，使之成为一种热容增加小、发射率降低、加工简易、装配生产工效高、成本较低的，同时具有良好吸收特性与反射吸收特性的集能器板芯，克服现有技术的缺陷，并使得任意安装时，竖置式平板集热器板芯能同时具备较高的吸热效率与传热效率。

本实用新型是通过以下技术方案来实现的：

技术方案一：采用竖置式平板集热器的板芯装置，包括金属吸热翅片、金属导热管，金属吸热翅片与金属导热管相互连接，金属吸热翅片工作面的纵向截面形状是齿形，其特征在于，工作面上带有太阳能利用功能性材料层，垂直安装时，金属吸热翅片上齿面安装倾角的设置是使得正午直射阳光与上齿面法线的夹角介于负1度至负35度，并且，下齿面与上齿面的夹角设置应使得大部分上齿面的反射阳光与下齿面相交，金属吸热翅片侧边的连接平面与金属导热管间直接或间接固定连接。所述的金属吸热翅片侧边的连接平面与金属导热管间直接或间接固定连接是采用焊接、导热粘接连接的直接固定连接、或是采用其连接平面经与一连接传热条带的外翻连接撑边相互焊接或粘接连接后、金属导热管置于金属吸热翅片连接平面和连接传热条带之间、并经连接传热条带的拉夹与金属吸热翅片相连的间接固定连接。所述的金属吸热翅片下齿面与上齿面的夹角设置范围是36度-74度。所述的金属吸热翅片上齿面或斜翼面沿该集热器板芯纵向的分布密度介于10～1000个/米之间，带光电转换层时应取10-100个/米之间。所述的齿形金属吸热翅片上齿面与下齿面及其他工作面是采用金属材料经压力加工成形制作的。

技术方案二：采用竖置式平板集热器的板芯装置，包括金属吸热翅片、金属导热管，金属吸热翅片与金属导热管相互连接，金属吸热翅片工作面的纵向截面形状是斜翼形，其特征在于，金属吸热翅片由多个斜翼和相应的尾翼所组成，斜翼经尾翼与金属吸热翅片侧边的连接平面连成一体，翅片的工作面上带有太阳能利用功能性材料层，垂直安装时，金属吸热翅片斜翼面安装倾角的设置应使得正午直射阳光与斜翼面法线的夹角介于负1度至负35度，并且，金属吸热翅片侧边的连接平面与金属导热管间直接或间接固定连接。所述的斜翼形金属吸热翅片的斜翼、尾翼及其他工作面是采用金属材料经冲裁压力加工成形制作的。所述的金属吸热翅片侧边的连接平面与金属导热管间直接或间接固定连接是采用焊接、导热粘接连接的直接固定连接、或是采用其连接平面经与一连接传热条带的外翻连接撑边相互焊接或粘接连接后、金属导热管置于金属吸热翅片连接平面和连接传热条带之间、并经连接传热条带的拉夹与金属吸热翅片相连的间接固定连接。所述的金属吸热翅片上齿面或斜翼面沿该集热器板芯纵向的分布密度介于10～1000个/米之间，带光电转换层时应取10-100个/米之间。所述的金属吸热翅片的工作面上带有的太阳能利用功能性材料层可以是太阳选择性吸收光热转换层、或光电转换层如太阳能光伏电池贴片层、或是其组合。

本实用新型与现有技术相比较的优点如下：

方案一：由于采用金属吸热翅片工作面的纵向截面形状是齿形，热容增加小，可采用加工简易的压力加工方式成型；且垂直安装时，金属吸热翅片上齿面安装倾角的设置应使得正午直射阳光与上齿面法线的夹角介于负1度至负35度，下齿面与上齿面的夹角设置应使得大部分上齿面的反射阳光与下齿面相交，使之具有良好吸收特性与反射吸收特性；同时由于金属吸热翅片侧边的连接平面与金属导热管间直接或间接固定连接，使之焊接等固定连接容易，装配生产工效高、成本较低，并且在垂直等任意位置安装使用时，板芯能同时具备较高的吸热效率与传热效率。

方案二：由于采用金属吸热翅片工作面的纵向截面形状是斜翼形，与二维结构相比热容相同，可采用加工更简易的冲裁压力加工方式成型；且垂直安装时，金属吸热翅片斜翼面安装倾角的设置应使得正午直射阳光与斜翼面法线的夹角介于介于负1度至负35度，使之具有良好吸收特性与反射吸收特性；同时由于金属吸热翅片侧边的连接平面与金属导热管间直接或间接固定连接，使之焊接等固定连接容易，装配生产工效高、成本较低，并且在垂直等任意位置安装使用时，板芯能同时具备较高的吸热效率与传热效率。

附图说明

图1是本实用新型竖置式平板集热器的实施例齿型板芯的结构示意图；

图2是本实用新型竖置式平板集热器的实施例斜翼型板芯的结构示意图；

图3A是图1的侧向视图；

图3B是本实用新型竖置式平板集热器的又一个齿型板芯实施例结构示意图；

图4A是图2的侧向视图；

图4B是本实用新型竖置式平板集热器的又一个斜翼型板芯实施例的结构示意图；

图5是图3A的旋转俯视图和本实用新型实施例金属吸热翅片采用两个半园弧夹片经连接平面与金属导热管固定连接的结构示意图

图6是图4A的旋转俯视图和本实用新型实施例金属吸热翅片采用连接传热条带经连接平面与金属导热管固定连接的结构示意图。

图7是图4B的旋转俯视图和本实用新型实施例金属吸热翅片经连接平面与金属导热管直接固定连接的结构示意图。

具体实施方式：

按图1所示，本实用新型竖置式平板集热器的板芯装置实施例之一包括金属吸热翅片1、金属导热管2、半园弧夹片3，其中，金属吸热翅片1是齿形翅片，包括其连接平面101、上齿面102、下齿面103，金属吸热翅片可采用铝材，金属导热管2可采用铜材。参见图3A、3B所示：金属吸热翅片工作面的纵向截面形状是齿形，工作面上带有太阳能利用功能性材料层如经阳极氧化处理的太阳选择型吸收镀层，金属吸热翅片下齿面102与上齿面103的夹角设置的范围是36度-74度，下齿面与上齿面的夹角设置应使得大部分上齿面的反射阳光与下齿面相交，在图3A、3B所示的实施例中，夹角设置取51度，这样，当垂直安装时，只要经表面选择性吸收涂层处理的吸热面达到吸收率≥0.90；发射率≤0.10时，即可通过上齿面与下齿面的二次吸收使板芯的吸收效率达到或接近99％的水平，除了考虑能量较大的一次吸收和一次反射，工程应用上，其余部分的能量可以忽略，这样对于板芯抑制热容的增加、发射率的上升以及结构的简化与降低加工成本均更为有利。

当集能器垂直安装使用中，金属吸热翅片上齿面安装倾角的设置应使得正午直射阳光与上齿面法线的夹角介于负1度至负35度，如当地地理纬度为39.5度，太阳赤纬变化以22度计，要使得夏至正午直射阳光与上齿面法线的夹角等于负1度时，该安装倾角可取40.5度；若要使得冬至正午直射阳光与上齿面法线的夹角等于负1度时，该安装倾角可取62.5度；同理，要使得夏至正午直射阳光与上齿面法线的夹角等于负35度时，该安装倾角可取6.5度；若要使得冬至正午直射阳光与上齿面法线的夹角等于负35度时，该安装倾角可取28.5度；入射角介于负1度至负35度时可使得反射光部分向内产生倾斜，易于被排列在上面的下齿面所截获；当夹角大于35度时，由于入射角的偏离会导致接受光强度显著下降，所以不宜采用。

金属导热管可采用单管或多管。按图1和图5所示，齿型金属吸热翅片与金属导热管的相互连接是金属吸热翅片左、右两侧边缘的连接平面与金属导热管间间接的固定连接，此外，金属吸热翅片与金属导热管的相互连接也可以是指金属吸热翅片左、右侧边的连接平面与金属导热管间类似图7所示的直接固定连接。齿形金属吸热翅片上齿面与下齿面等工作面是经金属压力加工成形的，侧边的连接平面也可通过齿型金属吸热翅片压力成型加工时取得，齿形的上齿面在集能器平面上最好是水平设置。

按图2所示，本实用新型竖置式平板集热器的板芯装置实施例之一包括金属吸热翅片1、金属导热管2、连接传热条带4，其中，金属吸热翅片1是斜翼形翅片，包括其连接平面101、尾翼104、斜翼105，金属吸热翅片可采用铝材，金属导热管2可采用铜材。参见图4A、4B所示：金属吸热翅片工作面的纵向截面形状是斜翼形，工作面上带有太阳能利用功能性材料层如经阳极氧化处理的太阳选择型吸收镀层，入射到吸收翼片间的太阳直射光便可能在两翼片间多次反射，被多次吸收，增加了板芯对太阳能的吸收效率，只要经表面选择性吸收涂层处理的吸热面达到吸收率≥0.90；发射率≤0.10时，即可通过上下两个斜翼面间的二次或多次吸收使板芯的吸收效率达到或接近99％的水平。然而，其工作表面积的大幅度上升并不会造成发射率上升问题，其装配加工简化、工效高，这样，除了考虑能量较大的一次吸收和一次反射，工程应用上，其余部分的能量可以忽略，这样对于板芯抑制热容的增加、发射率的上升以及结构的简化与降低加工成本均更为有利。

同样，当集能器垂直安装使用中，金属吸热翅片上斜翼面安装倾角的设置应使得正午直射阳光与上齿面法线的夹角介于负1度至负35度，如：当地地理纬度为39.5度，太阳赤纬变化以22度计，要使得春分或秋分时正午直射阳光与上齿面法线的夹角等于负1度时，该安装倾角可取51.5度。

此外，根据斜翼面或齿面的不同设计，如图3A、3B、4A、4B所示的实施例中，还可分别取春分或秋分时，正午直射阳光与斜翼面法线的夹角为-30度、-35度和-25度。除了垂直安装外，本实用新型竖置式平板集热器的板芯装置还可用于任意安装位置的使用和通过选择不同参数的组合达到与垂直安装相似的效果。

金属导热管可采用单管或多管，按图2和图6所示：斜翼型金属吸热翅片与金属导热管的相互连接是金属吸热翅片左、右侧边的连接平面制成一体后与金属导热管间的直接固定连接(参见图7)，此外，也可是类似图5所示的经半园弧夹片3和侧边的连接平面与金属导热管间间接的固定连接，还可以将两个翅片的侧边连接平面制成一体，如图6所示成为一个公共的侧边连接平面经连接传热条带4与金属导热管间间接的固定连接，斜翼形金属吸热翅片斜翼、尾翼等工作面是经金属冲裁压力加工成形的，侧边的连接平面也可通过斜翼型金属吸热翅片冲裁压力成型加工时取得，斜翼面在集能器平面上最好是水平设置。

上述实施例中，金属吸热翅片与金属导热管的固定连接，系采用焊接等连接，采用铝材的金属吸热翅片与采用铜材的金属导热管间可经焊接精细焊接方法相互连接，所述的精细焊接方法的焊接连接包括超声焊、热压焊(包括金属钎料的电阻钎焊，)、激光焊、电阻焊、高频焊、等离子焊、X射线焊等。金属吸热翅片平面与金属导热管间的焊接等相连接是传热相连，金属吸热翅片的平面与金属导热管间的固接除了直接固接，如图7所示，还可以是两个翅片的侧边连接平面制成一体，经与一连接传热条带4的外翻连接撑边相互焊接或粘接连接、金属导热管介于金属吸热翅片连接平面和连接传热条带之间、经连接传热条带的拉夹与金属吸热翅片相间接固连如焊接或导热粘接后的间接夹持传热相连如图6所示，或如图5所示：经穿管夹持金属导热管的两个半园弧夹片3的平面端焊接后的间接夹持传热相连，为了加强半园弧夹片的夹持与传热能力，金属导热管的周边还可以进行导热胶的粘接加强。

金属吸热翅片的工作面上带有的太阳能利用功能性材料层可以是太阳选择性吸收光热转换层、或太阳能光伏电池贴片、或光电转换膜、或是任意前两者的组合，如上齿面或上斜翼面为光电转换层，下齿面或下斜翼面为光热转换层的组合等。太阳选择性吸收光热转换层包括前述的阳极氧化层、黑铬层、氮化钛等真空溅射层等；太阳能光伏电池贴片包括硅晶太阳能电池、非晶太阳能电池等各种不同类型的太阳能电池；光电转换膜可包括硅晶薄膜太阳能电池、非晶硅薄膜太阳能电池等，通过电绝缘的导热粘接剂与金属吸热翅片相连接。为保证被金属吸热翅片反射的阳光被充分地吸收，根据经验，金属吸热翅片的上齿面或上斜翼面沿该集热器板芯纵向的分布密度应选介于10～1000个/米之间，图3、图4的实施例中选为66个/米，用于带光电转换层时应选10-100个/米之间。

工作过程如下：当阳光及反射光辐射经金属吸热翅片上的太阳能利用功能性材料层如光热转换层后，被金属吸热翅片上的太阳选择性吸收层吸收—反射—再吸收，辐射经一次吸收与一次反射吸收后可能反射出板芯，其能量的吸收率可接近或达到99％，采集的热量经金属吸热翅片的传热固定连接平面传递至金属导热管，加热金属导热管内的工作介质，经传热循环将太阳能转换成热能输出。

Claims (10)

1.竖置式平板集热器的板芯装置，包括金属吸热翅片、金属导热管，金属吸热翅片与金属导热管相互连接，金属吸热翅片工作面的纵向截面形状是齿形，其特征在于，工作面上带有太阳能利用功能性材料层，垂直安装时，金属吸热翅片上齿面安装倾角的设置是使得正午直射阳光与上齿面法线的夹角介于负1度至负35度，并且，下齿面与上齿面的夹角设置应使得大部分上齿面的反射阳光与下齿面相交，金属吸热翅片侧边的连接平面与金属导热管间直接或间接固定连接。

2.根据权利要求1所述的竖置式平板集热器的板芯装置，其特征在于，所述的金属吸热翅片侧边的连接平面与金属导热管间直接或间接固定连接是采用焊接、导热粘接连接的直接固定连接、或是采用其连接平面经与一连接传热条带的外翻连接撑边相互焊接或粘接连接后、金属导热管置于金属吸热翅片连接平面和连接传热条带之间、并经连接传热条带的拉夹与金属吸热翅片相连的间接固定连接。

3.根据权利要求1所述的竖置式平板集热器的板芯装置，其特征在于，所述的金属吸热翅片下齿面与上齿面的夹角设置范围是36度-74度。

4.根据权利要求1所述的竖置式平板集热器的板芯装置，其特征在于，所述的金属吸热翅片上齿面或斜翼面沿该集热器板芯纵向的分布密度介于10～1000个/米之间，带光电转换层时应取10-100个/米之间。

5.根据权利要求1所述的竖置式平板集热器的板芯装置，其特征在于，所述的齿形金属吸热翅片上齿面与下齿面及其他工作面是采用金属材料经压力加工成形制作的。

6.竖置式平板集热器的板芯装置，包括金属吸热翅片、金属导热管，金属吸热翅片与金属导热管相互连接，金属吸热翅片工作面的纵向截面形状是斜翼形，其特征在于，金属吸热翅片由多个斜翼和相应的尾翼所组成，斜翼经尾翼与金属吸热翅片侧边的连接平面连成一体，翅片的工作面上带有太阳能利用功能性材料层，垂直安装时，金属吸热翅片斜翼面安装倾角的设置应使得正午直射阳光与斜翼面法线的夹角介于负1度至负35度，并且，金属吸热翅片侧边的连接平面与金属导热管间直接或间接固定连接。

7.根据权利要求6所述的竖置式平板集热器的板芯装置，其特征在于，所述的斜翼形金属吸热翅片的斜翼、尾翼及其他工作面是采用金属材料经冲裁压力加工成形制作的。

8.根据权利要求6所述的竖置式平板集热器的板芯装置，其特征在于，所述的金属吸热翅片侧边的连接平面与金属导热管间直接或间接固定连接是采用焊接、导热粘接连接的直接固定连接、或是采用其连接平面经与一连接传热条带的外翻连接撑边相互焊接或粘接连接后、金属导热管置于金属吸热翅片连接平面和连接传热条带之间、并经连接传热条带的拉夹与金属吸热翅片相连的间接固定连接。

9.根据权利要求6所述的竖置式平板集热器的板芯装置，其特征在于，所述的金属吸热翅片上齿面或斜翼面沿该集热器板芯纵向的分布密度介于10～1000个/米之间，带光电转换层时应取10-100个/米之间。

10.根据权利要求6所述的竖置式平板集热器的板芯装置，其特征在于，所述的金属吸热翅片的工作面上带有的太阳能利用功能性材料层可以是太阳选择性吸收光热转换层、或光电转换层如太阳能光伏电池贴片层、或是其组合。

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