具季节性高效率的太阳能聚光集热器的制作方法

专利名称：具季节性高效率的太阳能聚光集热器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种集热装置，特别是涉及一种可提高集热效率的具季节 性高效率的太阳能聚光集热器。
背景技术：
一般吸收太阳能以供再利用的集热设备，大致可分为低温、中温、高温三种。
低温集热器，通过金属或非金属集热板提供80°C以下温度。 中温集热器，提供8(TC以上的温度，通常为80。C 15(TC。 高温集热器，则是操作在15(TC以上的温度。
在外国，太阳能的应用大部份是采高温型发电用。其中， 一种拋物线槽体 型聚光集热器(parabolic trough concentrator, PTC)，是目前应用于高温发 电的各类集热器中技术最成熟的一种。例如美国LUX公司在南加州Mojavc Desert所建造的SEGS系统具有单轴追日装置，操作温度在300°C 400°C，是 采用煤油为主要的工作流体，再与水作热交换，进而产生蒸气，以推动传统涡 轮引擎发电。
但是， 一座抛物槽线体型集热器，最符合经济成本的装置容量大约在 300MW左右。美国LUX公司自公元1958年至公元1991年，在南加州先后建造 九座高温发电系统，与加州爱迪生电力公司电网相连，以提供约345MW的电功 率，约占全世界太阳能发电装置的90%。
由SEGS系统的运转经验显示，运转及维护保费约占发电成本的25%，为 此类发电系统的最大生存挑战。而后期所造的发电系统，年效率在10% 14%， 发电成本约每度电0. 08 0. 14美元，维护保养成本约每度电0. 02美元。
中温集热器在应用上，中国大陆在山东省乳山市建立太阳能空调示范系 统，利用非聚光式热管真空管太阳能集热器，其正常工作出水温度可达88"C， 此类型太阳能集热器与目前市场上通用的溴化锂吸收式制冷设备结合组成太阳能空调系统。
此外，在中国台湾，有一种中温平板式太阳能集热器，此集热器是采用非 聚光式双层玻璃隔热，以选择性吸收面，性能只比非聚光式真空管集热器稍差，
实测的温升也可达到88t:。
以上系统的缺点是其集热温度过低，造成所应用系统效率不高。 由上可知，聚光式集热器目的在提高照射在集热板上的太阳辐射能量密 度，利用一反射面聚光，将太阳入射的能量密度增强数倍，在聚焦处放一集热 装置，可提高操作温度并减小热损(因集热面积较小)。早年集光(聚光)技术较 不成熟，反射面制作昂贵，成本偏高。近年来，由于量产技术以及材料发展突 飞猛进，聚光技术日趋成熟，成本大为降低。 一般开发中或已商品化的中温集 热器均属非聚光型或简易(非正确)聚光型，其吸收太阳热能后所产生的温升均
在90°C以下，若用来使用在热驱动式的太阳能空调系统或工业工艺流程预热，
则会造成系统效率不高。
因此，针对现有中温集热器存在有因无法提高集热温度所致集热效率不高 的缺陷，有必要寻求解决的办法，以满足现有运用系统等提高效率的需要。
发明内容
本实用新型的目的在于提供一种具季节性高效率的聚光集热器,是应用一 种创新的复合弧形曲面集热装置当做太阳能聚光集热器内的聚光集热单元，此
装置具季节性高效率；此太阳能聚光集热器具有双层面盖等良好保温效果，加
上应用此季节性高效率集热装置形成一具季节性高效率的新型太阳能聚光集 热器。
为了实现上述目的，本发明提供了一种具季节性高效率的太阳能聚光集热 器，包含一外壳、数个集热单元、 一受热单元，以及一外盖单元。 该外壳，由一外周壁建立出一容室。
这些集热单元，安置于该外壳的容室，包含有一高光吸收性与高导热系数 的吸热板、二个自该吸热板两端向外对称延伸的弧形曲面聚光反射板，以及一 个自该吸热板顶部向上延伸的驻光板，该驻光板对应位于该聚光反射板的中 间，此吸热板与该聚光反射板相互建立出一个供收集热源的集热空间以及两个 位于该驻光板侧的二次吸热空间。该受热单元，包含数个与上述吸热板贴触的集热管，以及一充填于该集热
管的工作流体，且该集热管彼此相互连通。
该外盖单元，架设于该外壳，并用以封罩在该集热单元上方，该外盖单元 包含有二个相互间隔以界定出 一间隙的透光面盖。
本新型基于在吸热板中间垂立设有驻光板，可适应季节改变导致日光方位 不定时，借助驻光板(也为一吸热板)用以截获外漏光线并吸收集热，以增近整 体的集热效率。
本新型的太阳能聚光集热器，此装置由吸热板与两个聚光反射板及一驻光
单元(为一集热板)组构成一截面呈对称双"U"型的复合弧形聚光集热槽(CAC， Compound Arc Concentrator,如图5)，其在吸热板中垂立设置驻光板，使此 CAC装置不受日光照射方向影响，部分无法聚光而外漏的光线都能被驻光板截
获并吸收集热，使聚光率增加，以提高整体的吸热效果。因此，增加驻光板下， 一年四季的聚光集热效率将可提高，因此不须追日机构，具有低成本与中温高
性能的优点。
以下结合附图和具体实施例对本实用新型进行详细描述，但不作为对本实 用新型的限定。


图1为本实用新型一实施例的具季节性高效率的太阳能聚光集热器的组 合剖视图2为图1中集热单元与受热单元的局部放大图； 图3为类似于图2的剖视图，说明该吸热板的第二种态样； 图4为吸热板的第三种态样的剖视图； 图5为该实施例的集热单元的光线投射分布示意图； 其中，附图标记
100:外壳 110
120:容室 200
210:间隙 220
230:外层透光面盖 231
外周壁 外盖单元 内层透光面盖 内表面232:支撑部300:集热单元
310:吸热板311:吸热板本体
312:导热部313:锁接部
320:聚光反射板321:第一固定端
322:第二固定端330:驻光板
340:集热空间350:二次吸热空间
400:受热单元410:集热管
420:汇流导管430:工作液体
500:保温层600:锁接件
610:螺柱620:螺帽
700:选择吸收膜
具体实施方式
参考图1，本新型的具季节性高效率之太阳能聚光集热器，包含一外壳
100、 一外盖单元200、数个集热单元300、 一受热单元400、 一保温层500， 以及多数个锁接件600。
该外壳100是由两个直立对称的外周壁110建立出一容室120。此实施例 中，该外壳100为金属材质制成，此为钢材。
该保温层500安置于该外壳100的容室120中，此保温层500主要具有隔 热保温效果，避免热源自外壳100的底部外泄。
该受热单元400安置于该外壳100的容室120中，并且叠置于该保温层 500的顶面。该受热单元400包含有数个集热管410，以及二个衔接在这些集 热管410两端上方并与其相连通的汇流导管420。在此，这些集热管410与该 汇流导管420均为金属导热材质制成。而且，依据不同的工作项目，可在管内 填入有水(water)或煤油(kerosene)等的工作液体430。
参考图1与图2，该集热单元300安置于该外壳100的容室120中。每一 个集热单元300包含有一兼具高光吸收性及高导热系数的吸热板310、 二个自 该吸热板310两端向外对称延伸的弧形曲面聚光反射板320，以及一个自该吸 热板310顶部向上延伸的驻光板330。该驻光板330垂立形成于该吸热板310 的顶部中央，以对应位于这些聚光反射板320的中间，使该吸热板310与该聚光反射板320相互建立出一个提供收集热源的U型集热空间340，以及两个位 于驻光板330两侧的二次吸热空间350。此实施例中，设有五组相互并接的集 热单元300。由于每一个集热单元300是呈长槽状，因此，经由预定组数(本 实施例设有五组集热单元300)的集热单元300相互并接之后，以布满于该外 壳100的容室120中，而提供较大面积的聚光集热的使用效果。在此，该聚光 反射板320均为具有高反射率的材质所制成，且在聚光面上有做防氧化的处 理，使其可保持具有长期高反射率的聚光效能。
每一个集热单元300的吸热板310具有一吸热板本体311，以及一形成于 该吸热板本体311中间位置的半管状的导热部312。此实施例中，每一个集热 单元300分别载置于每一个集热管410的顶部，使得该集热管410 —半左右外 周径的面积与该导热部312接触。当该半管状的导热部312的外周径大于二分 之一圆径以上时，自然使得该集热管410的一半以上的外周径与该导热部312 接触，以增加接触面积，并且倍增导热效果。而该吸热板310是由金属导热材 质制成，例如铜材。
值得一提的是，如在该吸热板本体311与该导热部312的外表面涂覆一层 选择吸收膜700，整体的吸热效果将大为提高。
参考图3，此外，将该吸热板本体311设成水平状，再将一圆管状的导热 部312衔接在该吸热板本体311底部，而此时的驻光板330呈"L"型衔接于 该吸热板本体311的中央，并位于导热部312上方，如此也可达到上述相同功 效，不再赘述。
参考图4，另外，该吸热板300的导热部312也可采用中空圆管态样，以 供直接充填工作液体430。
参照图1与图2。但是，为了达到确实接触的目的，该吸热板310还包含 二个分别自该吸热板本体311两端向外延伸的锁接部313，该锁接部313再分 别与该聚光反射板320的一第一固定端321对应，以配合等数的锁接件600 锁结，使该聚光反射板320与该吸热板310连结成一体，以组成一截面呈"U" 型的集热槽。此时，使该集热管410分别紧密接触于该吸热板310的底部，以 获得较佳的热传导作用。
另外，每一组呈相互并组的集热单元300，则是借助锁接件600锁固在相 邻的该聚光反射板320的一第二固定端322，而靠近该外壳100的聚光反射板320，则是分别配合一个螺柱610与二个螺帽620直接锁固在两旁侧的聚光反 射板320的第二固定端322，借此，不但组装方便，也利于拆卸，并且使该集 热单元300能稳固的安置于该外壳100的容室120内部。
该外盖单元200，架设于该外壳IOO，并用以封罩在该集热单元300上方。 此实施例中，该外盖单元200包含有相互间隔以界定出一间隙210的一内层透 光面盖220及一外层透光面盖230。该内层透光面盖220是一片平板状的透光 盖板。而该外层透光面盖230具有一个自一内表面231向外环周延伸的支撑部 232，借助此支撑部232以供架空搭接在该内层透光面盖220上，而使支撑部 232的高度(h)成为该内、外层透光面盖220、 230之间的间距(即间隙210)。
参考图1与图5。由上可知，当光线射入该外盖单元200，并且通过内、 外层透光面盖板220、 230，而蓄集至该外壳100的容室120内部。 一部分光 线直接照射到该集热单元300的吸热板310上，借此吸热板310的吸热板本体 311，以增加整个集热单元300的集热面积。另一部分光线则照射到该吸热板 310两侧的两个聚光反射板320，通过特殊设计的聚光反射板320作光线反射 作用，呈多角度折射而集中投射在该吸热板310的吸热板本体311与导热部 312。更进一步，投射在吸热板本体311的光线，再反射至该驻光板330时， 将被此驻光板330截获并吸收集热，以获致更高效率的集热效果。因此，本新 型采用导热系数极高的金属材质所制成的吸热板310，不但可提高聚光集热效 用，还借助驻光单元330截获外漏光线并吸收集热，使集热效果倍增。
因此，本新型利用太阳光集热超过10(TC的性能，使应用更具效能。且本 新型聚光集热器把复合弧形曲面聚光集热装置(CAC， Compound Arc Concentrator)应用在一般市场上常用的平板式集热器，不但不须追日机构， 且借助双层透光面盖220、 230以改善其中温(10(TC以上)保温效果，具有低成 本与中温高性能的优点。在现有技术之中，中温集热充其量只能达到9(TC以 下的集热温升效果；而本新型聚光集热器经实测可温升至98'C以上，利用水 在一大气压下测试，在本新型集热器入口温度为摄氏95。C时，经过吸收太阳 热能后在其出口仍可温升超过98°C，此为近水沸腾的状态，因此，若改使用 热媒沸点为12(TC以上的当做工作流体430，本新型聚光集热器可吸收太阳热 能，并可使得工作流体430温升超过10(TC以上。故本新型中温集热器具有低 成本且较高工作温度的优越性能。因此运用在产业上，可锁定在热驱动式(包含吸附式、吸收式与喷射式等)的太阳能空调系统的热源应用，也可应用在产 业锅炉用水及工厂工艺流程等的预热使用，减少因环境污染造成社会成本的付 出，具环保应用效果。
本新型的整体为一具有双层面盖、外壳、保温材料与多组复合弧形曲面聚 光集热装置的聚光集热器，以下就聚光集热器整体及其所内含的复合弧形曲面 聚光集热装置说明其特点。
一、 聚光集热器整体
1. 模块化聚光集热装置模块化，可组装成所需的热能需求集热面积、可 大量生产，降低成本。
2. 保温佳利用双层透光面盖间的空气层210(如图l)隔热，可防止太阳 集热器内的高温散热损失。
3. 成本低:利用一般市场上现有的平板式集热器当整体架构，此应用目前 市场上常用组装技术可进一步降低制造成本。
二、 复合弧形曲面聚光集热装置
1. 减少聚光反射板制造难度或精度由于驻光板330有辅助聚光功能，可
截获入射光线经过聚光反射板320后无法被聚光而外漏，因此聚光反射板320
可由传统较精密复杂的抛物曲面改进成为具有一曲率半径的简单弧形曲面，以 减少聚光反射板制造难度或精度、降低制造及安装成本。
2. 减少聚光反射板320材料只要增加驻光板330(如图1、 2)的长度，驻 光板330辅助聚光反射板320聚光所截获的光线将越多，因此聚光反射板320 的垂直高度可下降，即聚光反射板320的长度可减少，此可降低较高价位的聚 光反射板320材料，以降低材料成本。
3. 减轻集热装置整体重量及制造成本聚光反射板320的垂直高度可下 降，以减少整个集热装置的体积(厚度下降)，可减轻集热装置重量及制造成本。
4. 一年四季均具有高聚光集热效率参考图5，增加驻光板330可截获因 季节变化时太阳斜向入射所致聚光装置外漏的光线，使一年四季的聚光集热效 率提高且均等，春季的集光率达0.77，下季的集光率达0.76，秋季的集光率达 0.77，冬季的集光率达0.767
5. 不须追日机构降低成本增加驻光板330 —年四季的聚光集热效率提 高，因此不须追日机构，具有低成本与中(或高)温高性能的优点。
综上所述，对比现有中温集热器的集热效率，充其量只能达到9(TC以下的缺陷；本新型该实施例借助两层相互间隔的玻璃透光面盖220、 230界定出 一个间隙210，可有效阻止热源向外散发，保有CAC聚光器的优越性能以获得 高集热效果，以及借助低成本的设计，得到更高效率的热源再利用；而且，配 合驻光板330作光线多重折射作用的集热单元300，不受季节性的日光照射方 向影响，无论从那个角度照射，都能经由驻光板330截获外漏光线并吸收集热， 以改善因季节性变化而产生集热效果变差的问题，故本新型可提高集热效果， 所以适合用在太阳能空调系统的热源集热装置与工业工艺流程预热装置上，具 有低成本高集热功效，而且模块化的设置可供方便装卸；再加上新型复合弧形 曲面聚光器(CAC)的一年四季优越聚旋光性能，使各季节聚光集热的效率均可 超过98'C以上，因此可提高现有中温集热器的集热效率。并且具有高性能、 模块化、保温效果佳以及低成本等优越的应用性能。
当然，本实用新型还可有其他多种实施例，在不背离本实用新型精神及其 实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本实用新型作出各种相应的改变 和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本实用新型所附的权利要求的保护 范围。
权利要求1、一种具季节性高效率的太阳能聚光集热器，其特征在于，包含一外壳，由一外周壁建立出一容室；数个集热单元，安置于该外壳的容室，包含有一高光吸收性与高导热系数的吸热板、二个自该吸热板两端向外对称延伸的弧形曲面聚光反射板，以及一个自该吸热板顶部向上延伸的驻光板，该驻光板对应位于该聚光反射板的中间，此吸热板与该聚光反射板相互建立出一个供收集热源的集热空间以及两个位于该驻光板侧的二次吸热空间；一受热单元，包含数个与上述吸热板贴触的集热管，以及一充填于该集热管的工作流体，且该集热管彼此相互连通；以及一外盖单元，架设于该外壳，封罩在该集热单元上方，该外盖单元包含有二个相互间隔以界定出一间隙的透光面盖。
2、 根据权利要求l所述的具季节性高效率的太阳能聚光集热器，其特征 在于，该驻光板垂立形成于该吸热板的顶部中央。
3、 根据权利要求l所述的具季节性高效率的太阳能聚光集热器，其特征 在于，该集热单元的吸热板具有一吸热板本体，以及一形成于该吸热板本体中 间位置的导热部，该集热管嵌设于该导热部，并且呈紧贴状态。
4、 根据权利要求3所述的具季节性高效率的太阳能聚光集热器，其特征 在于，该集热管为圆管，该吸热板的导热部呈半管状，该集热管一半左右外周 径的面积与该导热部接触。
5、 根据权利要求3所述的具季节性高效率的太阳能聚光集热器，其特征 在于，该集热管为圆管，该吸热板的导热部呈中空圆管，该集热管穿置入该导 热部的一贯孔中，该集热管的外周径完全与该导热部接触。
6、 根据权利要求4或5所述的具季节性高效率的太阳能聚光集热器，其 特征在于，该集热管与该吸热板均为高导热材质件。
7、 根据权利要求3所述的具季节性高效率的太阳能聚光集热器，其特征 在于，该聚光反射板与该吸热板组合成一个截面呈双对称"U"型的集热槽。
8、 根据权利要求7所述的具季节性高效率的太阳能聚光集热器，其特征 在于，该聚光反射板为具高反射率的板体。
专利摘要本实用新型公开了一种具季节性高效率的太阳能聚光集热器，为一具有双层面盖、外壳、保温材料与多组复合弧形曲面聚光集热装置所组成的聚光集热器，其中复合弧形曲面聚光集热装置借助吸热板与两个弧形曲面聚光反射板组构成一聚光集热槽，并在吸热板中间垂立设置一驻光板，季节因素导致日光照射方向改变时，光线可经由驻光板截获并吸收，进而提高整体的集热效果；在不需使用高成本的追日设备条件下，不会因季节改变的日射方向偏移而致降低集热效率，因此采用驻光板可使一年四季均能保有均等的高效率。此外，借助双层面盖等保温性能的加强，可使本新型集热器还保有中温高性能的特性。
文档编号F24J2/46GK201152637SQ200720178768
公开日2008年11月19日 申请日期2007年9月26日 优先权日2007年9月26日
发明者张俊民, 林明志, 洪政聪, 陈演熙 申请人:国立勤益技术学院