一種具有膜孔結(jié)構(gòu)的太陽(yáng)能集熱器的制造方法
【專利摘要】一種具有膜孔結(jié)構(gòu)太陽(yáng)能集熱器，包括上端開(kāi)口的保溫箱，保溫箱內(nèi)設(shè)置有相變材料層，相變材料層的內(nèi)部設(shè)置有蛇形管，相變材料層的頂部設(shè)置有圓錐狀金屬泡沫層，圓錐狀金屬泡沫層的外壁上包裹有能夠透光的透明外層；相變材料層中添加有金屬泡沫。本發(fā)明中金屬泡沫結(jié)構(gòu)大量增加了集熱區(qū)域內(nèi)空氣的含量，將空氣層劃分為較小的容積，防止對(duì)流造成的熱損失。太陽(yáng)可以透過(guò)透明外層照射到圓錐形金屬泡沫層，圓錐形金屬泡沫層起到吸熱器的作用，將光能轉(zhuǎn)化為熱能，同時(shí)透明外層還起到隔熱層的作用，防止集熱器內(nèi)熱量向外界散發(fā)。本發(fā)明可以實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)輻射高效吸收并快速儲(chǔ)能的目的，可廣泛應(yīng)用于烘干、食品加工、或家庭供暖及做飯等。
【專利說(shuō)明】一種具有膜孔結(jié)構(gòu)的太陽(yáng)能集熱器

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于太陽(yáng)能【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種能夠儲(chǔ)存能量的集熱器裝置，具體涉及一 種具有膜孔結(jié)構(gòu)的太陽(yáng)能集熱器。

【背景技術(shù)】
[0002] 目前，太陽(yáng)能的利用主要由熱能吸收和光電轉(zhuǎn)換，現(xiàn)在較成熟的熱能吸收技術(shù)是 玻璃真空管集熱器，通過(guò)真空玻璃管將采集到的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為熱能對(duì)真空玻璃管中的水進(jìn) 行加熱，以獲得所需要的熱水。但該結(jié)構(gòu)的太陽(yáng)能存在以下缺點(diǎn)：真空管內(nèi)直接走水，一旦 真空玻璃管破碎，水會(huì)從真空玻璃管流出，一只真空玻璃管破碎就會(huì)導(dǎo)致整個(gè)集熱器無(wú)法 正常工作。此外，真空玻璃管本身很脆、不承壓，使其溫度不能過(guò)高，溫度最高到100°C。真 空管集熱器熱效率高達(dá)92%以上，真空保溫效果好，熱能損失小，但有效吸熱面積小，太陽(yáng) 光利用率低。
[0003] 平板式集熱器有效吸熱面積大，但熱能損失也大。相變材料具有優(yōu)良的儲(chǔ)熱性 能，將相變材料和平板集熱器結(jié)合不需要額外的儲(chǔ)熱水箱，不僅可以滿足建筑一體化的要 求，同時(shí)還能實(shí)現(xiàn)能量的持續(xù)供應(yīng)以及供水的溫度恒定。但是目前現(xiàn)有的有機(jī)物相變材 料所固有的特點(diǎn)是導(dǎo)熱率小，傳熱太慢，導(dǎo)致儲(chǔ)能效果差，同時(shí)儲(chǔ)能效率低。特別是太陽(yáng) 輻射的間斷性和不連續(xù)性以及相變材料熱導(dǎo)率低的問(wèn)題，相變儲(chǔ)能的速度非常低。專利 200810123873. 6公開(kāi)了 "一種含高孔隙率泡沫金屬的太陽(yáng)平板集熱器"，在吸熱板下方設(shè) 置蛇形管、高孔隙率金屬泡沫和相變材料一體化結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)高效快速儲(chǔ)能，但是該專利未 能解決太陽(yáng)能高效吸收的問(wèn)題。如何充分利用太陽(yáng)能資源，關(guān)鍵在于提高太陽(yáng)能集熱器 的能量利用率和使用率，而其核心技術(shù)則是制備一種高吸收率、低發(fā)射率、廉價(jià)的選擇性吸 收結(jié)構(gòu)。由于太陽(yáng)光線與集熱器之間的夾角隨季節(jié)、時(shí)刻變化，大角度入射時(shí)，反射率接近 100% ;上下午日光偏斜時(shí)，入射光與集熱管表面的夾角變得更大，吸收率進(jìn)一步降低。當(dāng) 前，光線垂直入射時(shí)的吸收比已經(jīng)難以進(jìn)一步提高，改善光線非垂直入射時(shí)的吸收比，必將 成為提高光熱轉(zhuǎn)化效率的關(guān)鍵步驟。從輻射理論可知，黑體或灰體的吸收比，與光線的入射 角度無(wú)關(guān)。自然界并不存在理想的黑體或者灰體，但是尺寸與光波可以相比的粗糙表面可 以近似為灰體，制造接近理想灰體的粗糙吸收表面是解決問(wèn)題的關(guān)鍵。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明目的是提供一種具有膜孔結(jié)構(gòu)的太陽(yáng)能集熱器，該集熱器集熱效果好、儲(chǔ) 能效率高、速度快、容量大。
[0005] 本發(fā)明為實(shí)現(xiàn)上述目的，采用如下的技術(shù)方案：包括上端開(kāi)口的保溫箱，保溫箱內(nèi) 設(shè)置有與保溫箱內(nèi)壁相接觸的相變材料層，相變材料層的內(nèi)部設(shè)置有蛇形管，相變材料層 的頂部設(shè)置有圓錐狀金屬泡沫層，圓錐狀金屬泡沫層的外壁上包裹有能夠透太陽(yáng)光的透明 外層；其中，相變材料層中添加有金屬泡沫。
[0006] 所述圓錐狀金屬泡沫層包括若干由金屬泡沫形成的圓錐狀結(jié)構(gòu)，每個(gè)圓錐狀結(jié)構(gòu) 的外壁上包裹有能夠透過(guò)太陽(yáng)光的透明外層，每個(gè)圓錐狀結(jié)構(gòu)的錐角為20?150°。
[0007] 所述圓錐狀金屬泡沫層中金屬泡沫的孔隙率為0. 3?0. 9,孔徑為0. 2?6 μ m。
[0008] 所述相變材料層中添加的金屬泡沫的孔隙率為0.3?0.9,孔徑為200? 2000 μ m。
[0009] 所述透明外層為導(dǎo)熱系數(shù)為0. 1?1. 0,厚度為100?1000 μ m的塑料。
[0010] 所述圓錐狀金屬泡沫層中金屬泡沫和相變材料層中添加的金屬泡沫的材質(zhì)均為 銅或者錯(cuò)。
[0011] 相變材料層的材質(zhì)為石蠟。
[0012] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有的有益效果：1.紅外以及可見(jiàn)光進(jìn)入圓錐形金屬泡 沫層時(shí)，波長(zhǎng)小于泡沫孔隙表面的特征尺寸，輻射進(jìn)入金屬泡沫腔體并被吸收；金屬泡沫結(jié) 構(gòu)還大量增加了集熱區(qū)域內(nèi)空氣的含量，將空氣層劃分為較小的容積，防止對(duì)流造成的熱 損失。此外，透明外層的導(dǎo)熱系數(shù)很低，增加了隔熱的作用。在這一過(guò)程中，太陽(yáng)可以透過(guò) 透明外層照射到圓錐形金屬泡沫層，圓錐形金屬泡沫層起到吸熱器的作用，將光能轉(zhuǎn)化為 熱能，同時(shí)透明外層還起到隔熱層的作用，防止集熱器內(nèi)熱量向外界散發(fā)。2.采用相變材料 填充在保溫箱中，利用潛熱儲(chǔ)能具有很大的儲(chǔ)能能力，在相變儲(chǔ)能和釋放能量時(shí)，溫度變化 小，可以實(shí)現(xiàn)能量的持續(xù)穩(wěn)定供應(yīng)。3.有機(jī)物相變材料的熱導(dǎo)率低，傳熱慢，在有機(jī)物相變 材料中添加金屬泡沫，能夠極大的提高熱導(dǎo)率，強(qiáng)化傳熱效果。本發(fā)明可以實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)輻射高 效吸收并快速儲(chǔ)能的目的，可廣泛應(yīng)用于烘干、食品加工、或家庭供暖及做飯等。
[0013] 進(jìn)一步的，本發(fā)明中圓錐形金屬泡沫層與相變材料中添加的金屬泡沫孔徑逐漸增 大、一次成型，可實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能高效吸收、快速存儲(chǔ)。另一方面相變材料中添加金屬泡沫還能 在有機(jī)物（石蠟）熔化過(guò)程中起到支撐集熱器的作用，防止集熱器的形變。
[0014] 本發(fā)明解決了太陽(yáng)輻射吸收率低、熱損失大的問(wèn)題，同時(shí)解決了太陽(yáng)輻射的間斷 性和不連續(xù)性以及相變材料熱導(dǎo)率低的問(wèn)題，有效提高了太陽(yáng)輻射吸收效率、降低了熱損 失，同時(shí)還提高了相變儲(chǔ)能的速度和持續(xù)供能能力，為用戶節(jié)約了空間和費(fèi)用。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0015] 圖1是本發(fā)明的具有膜孔結(jié)構(gòu)的太陽(yáng)能集熱器的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0016] 圖2是圖1中局部A的放大示意圖；
[0017] 圖3是圖1中沿B-B線的剖視圖；
[0018] 其中，1為透明外層，2為金屬泡沫層，3為相變材料層，4為金屬泡沫，5為保溫箱， 6為蛇形管。

【具體實(shí)施方式】
[0019] 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。
[0020] 如圖1和圖2所示，本發(fā)明包括上端開(kāi)口的保溫箱5，保溫箱由保溫材料制成，保溫 箱5內(nèi)設(shè)置有與保溫箱內(nèi)壁相接觸的相變材料層3,相變材料層3的內(nèi)部設(shè)置有蛇形管6和 大孔徑的金屬泡沫4,大孔徑的金屬泡沫4的孔隙率為0. 3?0. 9,孔徑為200?2000 μ m。 相變材料層3的頂部設(shè)置有圓錐狀金屬泡沫層2,圓錐狀金屬泡沫層2的外壁上包裹有透明 外層1透明外層1為包裹在圓錐狀金屬泡沫層2上的能夠透過(guò)陽(yáng)光的透明材料膜。其中， 所述金屬泡沫層2包括若干由金屬泡沫形成的圓錐狀結(jié)構(gòu)，每個(gè)圓錐狀結(jié)構(gòu)的外壁上包裹 有能夠透過(guò)太陽(yáng)光的透明外層，每個(gè)圓錐狀結(jié)構(gòu)中的錐角為20?150°。金屬泡沫層中的 金屬泡沫的孔隙率為〇. 3?0. 9,孔徑為0. 2?6 μ m。Golombok等研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)光線波長(zhǎng)小 于表面特征尺度時(shí)，輻射進(jìn)入腔體并被吸收；波長(zhǎng)較長(zhǎng)時(shí)，入射通量類似進(jìn)入平面且發(fā)射率 降低。北極熊的毛發(fā)一般直徑為100-150 μ m，長(zhǎng)度6-7cm，直徑的大概1/3為中空的孔隙結(jié) 構(gòu)。太陽(yáng)輻射能的99%是集中在200nm至3000nm的波長(zhǎng)范圍內(nèi)，其與北極熊的孔隙尺度相 當(dāng)，北極熊可以有效通過(guò)毛發(fā)吸收外部的太陽(yáng)光并蓄積至體內(nèi)。本發(fā)明的太陽(yáng)能集熱器的 上部透明外層1為耐高溫、低導(dǎo)熱系數(shù)的透明塑料，包裹在圓錐形金屬泡沫層上，該種結(jié)構(gòu) 類似北極熊的毛發(fā)結(jié)構(gòu)，光線波長(zhǎng)小于金屬泡沫孔隙表面特征尺寸，輻射進(jìn)入泡沫腔體并 被吸收。同時(shí)由于金屬泡沫增加了集熱區(qū)域內(nèi)空氣的含量，并將空氣層劃分為較小的容積， 抑制熱量的散失。此外，外層透明層的導(dǎo)熱系數(shù)〇. 1-1.0,減小了熱量向外的散失。
[0021] 在這一過(guò)程中，太陽(yáng)可以透過(guò)透明外層1照射到圓錐形金屬泡沫層2,圓錐形金屬 泡沫層2起到吸熱器的作用，將光能轉(zhuǎn)化為熱能，同時(shí)透明外層1還起到隔熱層的作用，防 止集熱器內(nèi)熱量向外界散發(fā)。大孔金屬泡沫的孔隙率為〇. 3-0. 9,孔徑為200-2000 μ m，孔 徑相對(duì)較大，有利于熔化相變材料變?yōu)橐后w后的對(duì)流，強(qiáng)化液體與金屬泡沫多孔骨架之間 的對(duì)流換熱，同時(shí)圓錐狀金屬泡沫層中的金屬泡沫2與相變材料層3中添加的金屬泡沫4 的材質(zhì)均為導(dǎo)熱系數(shù)高的銅或者鋁。圓錐狀金屬泡沫層中的金屬泡沫與相變材料層3中大 孔金屬泡沫孔徑逐漸增大、一次成型，且金屬泡沫由導(dǎo)熱系數(shù)高的銅或者鋁構(gòu)成，可迅速將 熱量傳遞給相變材料和蛇形管內(nèi)的流體介質(zhì)。相變材料層3為熔點(diǎn)高、相變潛熱大的石蠟。
[0022] 本發(fā)明只有在圓錐狀泡沫區(qū)域的孔隙率為0. 3-0. 9,孔徑為0. 2-3 μ m，以及導(dǎo)熱 金屬泡沫的孔隙率為〇. 3-0. 9,孔徑為200-2000 μ m，才能達(dá)到最佳集熱、蓄熱和保溫效果。
[0023] 本發(fā)明的工作過(guò)程為：太陽(yáng)光照射時(shí)透過(guò)透明外層進(jìn)入圓錐狀金屬泡沫層中，然 后熱量傳遞給相變材料層，相變材料層中的相變材料發(fā)生相變時(shí)，加熱蛇形管中的水。本發(fā) 明可以實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)輻射高效吸收并快速儲(chǔ)能的目的，可廣泛應(yīng)用于烘干、食品加工、或家庭供 暖及做飯等。
【權(quán)利要求】
1. 一種具有膜孔結(jié)構(gòu)的太陽(yáng)能集熱器，其特征在于，包括上端開(kāi)口的保溫箱（5)，保溫 箱（5)內(nèi)設(shè)置有與保溫箱（5)內(nèi)壁相接觸的相變材料層（3)，相變材料層（3)的內(nèi)部設(shè)置有 蛇形管（6)，相變材料層（3)的頂部設(shè)置有圓錐狀金屬泡沫層（2)，圓錐狀金屬泡沫層（2) 的外壁上包裹有能夠透太陽(yáng)光的透明外層（1);其中，相變材料層（3)中添加有金屬泡沫 ⑷。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有膜孔結(jié)構(gòu)的太陽(yáng)能集熱器，其特征在于，所述圓錐 狀金屬泡沫層（2)包括若干由金屬泡沫形成的圓錐狀結(jié)構(gòu)，每個(gè)圓錐狀結(jié)構(gòu)的外壁上包裹 有能夠透過(guò)太陽(yáng)光的透明外層，每個(gè)圓錐狀結(jié)構(gòu)的錐角為20?150°。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種具有膜孔結(jié)構(gòu)的太陽(yáng)能集熱器，其特征在于，所述圓 錐狀金屬泡沫層（2)中金屬泡沫的孔隙率為0. 3?0. 9,孔徑為0. 2?6 μ m。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有膜孔結(jié)構(gòu)的太陽(yáng)能集熱器，其特征在于，所述相變 材料層（3)中添加的金屬泡沫（4)的孔隙率為0· 3?0· 9,孔徑為200?2000 μ m。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有膜孔結(jié)構(gòu)的太陽(yáng)能集熱器，其特征在于，所述透明 外層（1)為導(dǎo)熱系數(shù)為0. 1?1. 0,厚度為100?1000 μ m的塑料。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有膜孔結(jié)構(gòu)的太陽(yáng)能集熱器，其特征在于，所述圓錐 狀金屬泡沫層（2)中金屬泡沫和相變材料層（3)中添加的金屬泡沫（4)的材質(zhì)均為銅或者 錯(cuò)。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有膜孔結(jié)構(gòu)的太陽(yáng)能集熱器，其特征在于，相變材料 層（3)的材質(zhì)為石蠟。
【文檔編號(hào)】F24J2/34GK104121709SQ201410366418
【公開(kāi)日】2014年10月29日 申請(qǐng)日期:2014年7月29日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月29日
【發(fā)明者】屈治國(guó), 周亮, 高懷斌 申請(qǐng)人:西安交通大學(xué)