专利名称：昼夜辐射换热高效热存积装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种能昼夜对自然辐射能进行辐射换热并可以获得高效热存积的装置。
背景技术：
目前的太阳能热水器如果不附加其它能源，只能在白天有太阳的时候吸收太阳的热量才能供应热水，而在阴天、夜间就不能吸收外界的热量供应热水，在冬季甚至还需采取防冻措施。
一切温度高于绝对零度的物体都是辐射源。因其浩瀚如海，无所不在，是自然资源中不可低估的能源。自然辐射能所指的是自然界中，一切非人为的、无意提供的、物质自身潜在的辐射能。以往，自然辐射能中除了太阳能外，人们只定性地承认其存在，而无定量的概念，将其作为热源加以利用的研究，尚涉足甚浅。迄今，人们只关注太阳能的利用，为实现太阳辐射换热热存积，采取了加大接收面、高通选择性吸收特性的表面膜。正因对夜间自然辐射能的实用价位不甚了解，当然不会刻意探求对其吸收。倘以高通表面吸收膜兼顾昼夜、寒暑的全天候的集热装置，则强其所难了。
发明内容本发明的目的是提供一种昼夜辐射换热高效热存积装置，可以在昼夜对自然辐射能进行辐射换热且获得高效热存积，在阴天、夜间都能吸收外界的自然辐射能并供应热量。
本发明的技术方案是提供一种昼夜辐射换热高效热存积装置，其特征是包括内部装有工质的吸收器，该吸收器之外部罩有透明罩，透明罩与吸收器之间形成真空层，透明罩后下方装有抛物面反射器，该吸收器具有粗糙表面，该吸收器、透明罩和反射器表面分别设有不同的具有带阻滤波特性的附膜。
所述的昼夜辐射换热高效热存积装置，其特征是该吸收器、透明罩都是薄壳结构。
所述的昼夜辐射换热高效热存积装置，其特征是该吸收器可采用高导热率的材质。
所述的昼夜辐射换热高效热存积装置，其特征是该吸收器外表面为布满规则形状盲孔之粗糙表面。
所述的昼夜辐射换热高效热存积装置，其特征是该吸收器表面设的附膜为均匀、严密钝化的金属发黑膜，该透明罩和反射器表面设的附膜分别为透明的锗化合物膜及金属氧化膜。
所述的昼夜辐射换热高效热存积装置，其特征是该透明罩采用有机透明材料，其透过率特性为带阻滤波特性。
所述的昼夜辐射换热高效热存积装置，其特征是该反射器相对透明罩的表面为镜面抛光，其表面附膜反射率特性为带阻滤波特性，背面附设低通吸收特性表面膜。
本发明的昼夜辐射换热高效热存积装置的理论依据如下所述实现全天候集热，即在无任何附加能源的条件下，仅从空间通过辐射换热吸热。第一点质疑就是热源何在。白昼，太阳是高温辐射源，毋庸置疑。黑夜，传统观念认为夜间没有阳光，也就没有能源，使之运行无疑是第一类永动机的遐想。退一步讲，既使集热器剩余有白天热能，也不足以维持夜间作功，由其它装置储存太阳能另当别论，否则依然难避第二类永动机之嫌。在夜间采取辅助电热实乃当前太阳能热水器的无奈。
假设黑夜存在辐射源，也只能是低温(普遍低于吸热面的温度)的周围空间的漫射源。若基于传导或对流使热力系达到热平衡只能是吸热面散热，其结果与目的相悖，既使借助真空也封锁不住辐射。似乎本目的的实现仍陷入了第二类永动机的歧途，即不可能把热从低温物体转到高温物体，而不引起其它变化(热力学第二定律)。这就是第二点质疑一何以集热。
I.自然辐射能众所周知，红外辐射只是电磁辐射的一部分，如[表1]。
空间环境包括远到宇宙天体，近到地球—大气系统，甚至被讨论物体的临近局域，整个范围内的辐射能都以物体之间相互的投射辐射和散射辐射(折射、反射)形式输运。
1.宇宙空间宇宙空间的一切天体成员都具有不同密度的辐射。月亮的辐射能量主要是反射的太阳能，自身辐射很微弱。恒星和行星之照度更微弱，所有星对地球的照度只有无月夜空的1/4，说明太空也有辐射，这是星际空间的各种分子、原子及尘埃自身辐射和对太阳光的反射而致。太阳是对地球投射辐射的主体。79年国际将太阳常数确定为1.367kw/m2。其光谱辐射特性见图2，于图2中，横坐标为波长，纵坐标为光谱辐照度，其中的曲线1、2、3分别为大气层外的太阳辐照度曲线、标准海平面太阳辐照度曲线、5900K黑体的辐射曲线。
与大气质量相关，在中纬地区正午，地面接受的太阳能约为1kw/m2。
大气层以外的宇宙空间的所有辐射源的辐射能级归纳如[表2]。
2.地球—大气系统研究空间能量平衡时，通常把地球和大气层(云空)看作一个整体，称为地球—大气系统。其能量基本来源于太阳，主要传输方式是辐射。
地球表面(大气层的下垫面)空间处的辐射能是太阳的辐射、地球的反照和自身辐射与云空对太阳及地球辐射的散射和它自身辐射之总和。
(1)太阳能投射到地球后，部分被反射，称为地球反照。它与地面的覆被及纬度相关。见图3，于图3中，横坐标为纬度，左面为南纬，右面为北纬，纵坐标为反射率。
太阳能投射到地球后，部分被吸收的能量转化为热能，又以长波热辐射的方式辐射到空间去，地球自身辐射称为热辐射或红外辐射。它主要取决于地表温度、近地点云浓度及纬度。见图4、图5。于图4中，横坐标为波长，单位是微米，纵坐标为光谱辐射强度，单位是瓦/米2·微米。于图4中的靠上的虚线为288K黑体的光谱辐射强度曲线，实线为地球和大气层近似辐射强度曲线，靠下的虚线为218K黑体的光谱辐射强度曲线。于图5中，横坐标为纬度，左面为南纬，右面为北纬，纵坐标为地球红外辐射密度，单位是瓦/米2。
(2)因为地球的大部分被云层所覆盖，云层作为天空背景辐射，可视为符合朗伯余弦定律发射的大扩展源。其自身辐射的光谱辐射特性近似于云空环境温度的黑体的辐射。见图6。于图6中，横坐标为波长，单位是微米，纵坐标为光谱辐射强度，曲线1是冬天的云空，曲线2是夏天的云空。更为重要的是大气层的多次反射作用，它不仅散射阳光，而且散射来自地表的辐射。
综上所述，无论白天还是黑夜，具有实用价值的所剩无几，只有太阳和地球—大气系统。注意地球与实际换热对象的质量之比近似于无穷大，和将大地视为无限大电容器而为零电位的道理雷同，可把地球看作相对的恒温源。故在相当大的地域和相当长的时域内温度相近，可用其平均值代替。
地球和大气的自身辐射用同温黑体的辐射来近似，配合黑体辐射函数表可以求得对应环境温度和集热器温度波动范围黑体的辐射特性，见[表3]，并据此画出图7。
太阳常数S为1.367kw/m2，反射率取ρ＝0.35。地球为不透明体，透过率τ＝0，则吸收率α＝1-ρ，近似视为发射率。ε＝α，地球的自身辐射平均热辐射密度Eio为Eio=(1-ρ)4S=0.22kw/m2]]>从以上推导看出白昼太阳投射+地球(自身辐射+反照)+云空(自身辐射+反射太阳辐射+反射地球辐射)1.0+0.22+0.35+0.22+0.35+0.08＝2.22kw/m2夜间地球自身辐射+云空(自身辐射+反射地球辐射)0.22+0.22+0.08＝0.52kw/m2地球和云空的反射率均取ρ＝0.35。近地点的地面和云空温度取相等的平均值。
此结果表明昼夜的总辐射能虽相差几倍，却可比拟，这意味着夜间存在的辐射能价位已具有工程实用的可能。
II辐射换热“可能”并不等于“现实”。因此，途径和手段就首当其冲了。
传导和对流永远是热量从高温物体向低温物体转移。辐射换热是热力系之间的相互行为，只不过高温物体向低温物体辐射的能量大，直至出现热动平衡，使整个热力系达到平衡温度。既使此后，辐射运动仍在不停地进行，由于传导、对流的共存，插入损耗使得平衡温度逐渐下降。黑体辐射的特点是与物体的材料无关，只取决于其温度及其辐射的方向和作用距离。
既然辐射是双向运动，总存在顺逆差，若极端状态呈单向性—热的半导体功能，将会实现正净辐射。其作用机理类似电子滤波器，表现为吸收器在某波段范围内，既不吸收也不辐射—阻断；而对另一波段之吸收或辐射很高—导通。称此特性为选择性吸收特性。
欲兼顾昼夜，必须使描述吸收或辐射率的曲线呈马鞍形(理想曲线则为“凹”字形)，即带阻滤波既满足白昼高效吸收太阳能，又保证黑夜充分地吸收周围低温漫射能，而无论昼、夜，都可做到尽量少地辐射吸热面存积的热。
试验表明，选择适当的材料及结构可以兼顾昼夜，既满足白昼对可见光波段为导通，即能高效吸收太阳能；又保证黑夜对中远红外线、远红外线(波长为6-1000微米)导通，即能充分地吸收周围环境的低温漫射能；而对近红外线、中红外线(波长为0.76-6微米)阻断，则无论昼、夜，都可做到尽量少地辐射吸热面存积的热。这种材料被称为具有带阻滤波特性的材料。
吸收器的表面是真正发生辐射换热的界面，所以它的吸收特性是热能存积的关键。
在辐射换热系统中，还常常用到透明遮挡层，希望它的介入使投射辐射的能量尽量多透入，本身辐射的热能尽可能少的返出。即对投射辐射的透过率高，而对本身辐射的反射率高。这正是需要辐射选择性表面的目的，也是实现辐射选择性的基本原理。
本发明的昼夜辐射换热高效热存积装置，可以在昼夜对自然辐射能进行辐射换热，且获得高效热存积，在阴天、夜间都能吸收外界的自然辐射能并供应热量。
图1为本发明的一种较佳实施例结构示意图；图2为太阳光谱辐射特性图；图3为地球及大气反射率经向剖面平均值图；图4为地球红外辐射经向剖面平均值图；；图5为地球红外辐射强度分布图；图6为云空光谱辐亮度分布图图7为环境、吸收器温度波动范围的黑体辐射图；图8为本发明的一种较佳实施例结构示意图。
图9为图8的A部局部剖视图。
图10为本发明的微结构层的立体放大示意图。
具体实施方式
如图1、图8、9所示，本发明的昼夜辐射换热高效热存积装置，其包括内部装有工质的吸收器1，吸收器1外部罩设有透明罩3，透明罩3与吸收器1之间形成真空层2，透明罩3的后方设有具抛物面的反射器8，该吸收器1、透明罩3和反射器8都安装在支架5上，吸收器1外表面贴附布满微结构的微结构层6；吸收器1的微结构层6外表面及透明罩3内表面分别附设具有带阻滤波特性的镀膜。
吸收器1的表面是真正发生辐射换热的界面，所以它的吸收特性是热能存积的关键。吸收器1可选用高导热率材料，金属或纳米材质最佳。吸收器1的功能是将吸收的辐射能转化为热能后，传递给工质(工质再去作功)。热能由吸收器的外表面经过其壁厚的距离到达内表面，再与工质进行热交换，所以基材的导热率直接关系到系统的效率。导热率越高，工质循环速率越高，工质传输全程的插入热损也就越低。
为了令吸收器1对环境离散存在的漫射辐射能都可以高效地吸收，于吸收器1外表面贴附布满微结构子单元的微结构层6，微结构子单元由若干微元61构成，微结构层6即是一层凹凸不平的粗糙表面，如图10所示，实体吸收器1表面的微结构层6是布满盲孔的金属微结构层。
该吸收器1的微结构层6外表投射辐射只是对太阳辐射而言，其吸收量取决于吸收器的投影面积和反射器8的开口宽度，但是，无论白天还是黑夜，实际吸收的能量应该加上地球—大气系统的辐射(包括自身辐射和散射)，而这一部分又与吸收器的表面积相关，若该吸收器1外部微结构的三角形盲孔深度为10mm，则其附加面积相当于原球面积的8倍。
该吸收器1的微结构层6外表面的具有带阻滤波特性的附膜可选择吸收率较高的均匀、严密钝化的金属发黑镀膜，如铜黑、铁黑、锌黑、镍黑等，以获得吸热面的选择性吸收特性。该透明罩3表面设的附膜可选择透射率较高的透明的硅、锗化合物膜，反射器8表面设的附膜可选择反射率较高的金属氧化膜。
该做结构层6的每个微结构子单元之底部涂满导热硅脂，以排净吸收器与微结构亲和面之间的空气。它的导热率很高，近似金属，如果抽真空后，空隙则形成隔热层，严重影响向吸收器导热。微结构于单元之外侧壁涂覆铸工胶，相互粘接成吸收器1外的球壳状微结构层6。微结构子单元之间的横向导热率并无实际意义。
上述的镀膜既能在白昼对可见光波段为导通，即能高效吸收太阳能，又能在黑夜对中远红外线、远红外线(波长为6-1000微米)为导通，即能充分地吸收周围环境的低温漫射能，而对近红外线、中红外线(波长为0.76-6微米)为阻断，则无论昼、夜，都可做到尽量少地辐射吸热面存积的热。
透明罩3可使吸收辐射的能量尽量多透入，本身辐射的热能尽可能少的返出。即对投射辐射的透过率高，而对本身辐射的反射率高。这是实现辐射选择性的基本原理。透明罩3与吸收器1为同心球形，该吸收器1是一对压铸成型的金属半球形薄壳焊接而成，该透明罩3可以是与吸收器1同心的有机透明材料的薄壁球壳。透明罩3选用具有带阻滤波特性的透过率较高的有机透明材料，应保证透明罩3的选择性透过率为红外波段带阻特性。
所述的集热装置的透明罩3与吸收器1之间的真空层2之真空度≯0.5×10-1pa。使之确实隔绝吸收器1与外部环境的传导和对流，真正起到保温作用。保证透明遮挡层的选择性透过率为红外波段带阻特性。真空层2由两个同心薄壳两端连接，酷似最原始的杜瓦瓶，可说是最理想的真空结构模型，这种结构足以承受0.1Mpa的不平衡压力(1个大气压)并容易密封，可以方便地形成0.1pa的稳定真空，有效地消除传导和对流的传热，实现高度保温。
如图9所示，该吸收器1的工质出入口处都设有接嘴12，接嘴12内套设一导流管13，该导流管13一端穿过该透明罩上设置的结合套31连接外管路，另一端位于该吸收器1内侧且套设一导流嘴11，该导流嘴11的侧壁设有导流孔14。这样可以减小热短路，并造成工质湍流，从而加速吸收器与工质的热交换。
该吸收器1的接嘴12外周设有环凹槽15，该透明罩3的结合套31上相应设有凸环32，该凸环32与该环凹槽15嵌合，并在其接缝内填充弹性密封胶，其目的并非粘接，而是杜绝因不同材料膨胀系数不同而出现缝隙，以保定的真空度。
反射器8的镜面抛光，保证全反射；背面为低通选择性吸收特性的表面膜，以利环境低温辐射能的吸收。反射器8其镜面抛光并涂覆具有带阻滤波特性的透明保护膜；背面涂覆暗色防锈漆，有益于漫射能量的吸收。
反射器8以一定的俯仰角用螺钉固定在支架5上。在无阳光跟踪的条件下，尽量多地拦截投射辐射的太阳能，并反射给吸收器。
环境温度黑体辐射特性 [表3]
权利要求
1.一种昼夜辐射换热高效热存积装置，其特征是包括内部装有工质的吸收器，该吸收器之外部罩有透明罩，透明罩与吸收器之间形成真空层，透明罩后下方装有抛物面反射器，该吸收器具有粗糙表面，该吸收器、透明罩和反射器表面分别设有不同的具有带阻滤波特性的附膜。
2.根据权利要求1所述的昼夜辐射换热高效热存积装置，其特征是该吸收器、透明罩都是薄壳结构。
3.根据权利要求1所述的昼夜辐射换热高效热存积装置，其特征是该吸收器采用高导热率的材质。
4.根据权利要求1所述的昼夜辐射换热高效热存积装置，其特征是该吸收器外表面为布满规则形状盲孔之粗糙表面。
5.根据权利要求1所述的昼夜辐射换热高效热存积装置，其特征是该吸收器表面设的附膜为均匀、严密钝化的金属发黑膜，该透明罩和反射器表面设的附膜分别为透明的锗化合物膜及金属氧化膜。
6.根据权利要求1所述的昼夜辐射换热高效热存积装置，其特征是该透明罩采用有机透明材料，其透过率特性为带阻滤波特性。
7.根据权利要求1所述的昼夜辐射换热高效热存积装置，其特征是该反射器相对透明罩的表面为镜面抛光，其表面附膜反射率特性为带阻滤波特性，背面附设低通吸收特性表面膜。
全文摘要
一种昼夜辐射换热高效热存积装置，包括内部装有工质的吸收器，该吸收器之外部罩有透明罩，透明罩与吸收器之间形成真空层，透明罩后下方装有抛物面反射器，该吸收器具有粗糙表面，该吸收器、透明罩和反射器表面分别设有不同的具有带阻滤波特性的附膜。本发明可以在昼夜对自然辐射能进行辐射换热且获得高效热存积，在阴天、夜间都能吸收外界的自然辐射能并供应热量。
文档编号F24J2/48GK1400441SQ0210705
公开日2003年3月5日 申请日期2002年3月11日 优先权日2001年7月31日
发明者徐卫河 申请人:北京超强源辐射能科技有限公司