专利名称：“黑镜”式结构太阳能集热器及采用该集热器的热水器的制作方法
技术领域：
本发明涉及太阳能集热器及太阳能热水器结构设计领域。
现有的太阳能集热器，无论是平板式或真空管式，都是通过一容器的外表面接收太阳幅射能量将幅射能转变为热能后，再通过热传导将热量传给位于其内部的水或其它载热工质。这样一系列的将太阳幅射能量转换为水的热能的间接过程，势必降低太阳幅射能的利用效率。虽然通过光选择性涂层可以提高热转换效率及减少热幅射损失，但处于空气中的涂层表面是集热器温度最高的表面，其空气对流热损失是很难减小的。如果处于空载状态，其表面将会达到某一极限高温，这将无法使用廉价的高分子材料制备容器。采用这类集热器制做的太阳能热水器的典型结构主要是将集热器置于一反射面的聚焦处，以提高太阳光的利用率，但这种热水器无法克服反射面与集热器之间空气热传导的损失。美国4038971号专利提供了一种这类热水器的典型结构，如
图1所示。该装置是将一管式集热器11置于一半园弧反射柱面12的聚焦处，集热器的管壁吸收反射柱面反射的太阳光，并转化为热能传递给管中的水，将水加热。为使反射面收集更多的太阳光，该装置设置了转动机构，可调整阳光入射到反射柱面的入射角。但在半圆型腔内空气对流所造成的热损失势必使发明者的努力大打折扣，而且转动机构复杂，加上成本高，不易安装使用。中国94220461.1号专利提供了又一种集热效率较好的复合抛物面聚光太阳能热水器，其结构如图2所示，主要由设置在壳体21内的槽形复合抛物面聚光器22，设置在聚光器光线出口处的抛物面吸热板23与吸热板外凸面设置成一体的集热管24组成。但是它同样在加大采光吸热面积的同时也加大了空气对流流失热量的面积，从而影响了集热器整体效率的提高，且该装置的加工制成，安装调整也较为复杂。
本发明的目的在于为克服已有技术的不足之处，提出一种“黑镜”式结构的集热器，该装置直接将水作为“黑镜”中太阳能吸收层的一部分，减少了热传导损失，本发明采用该集热器设计的太阳能热水器，结构简单、紧凑，太阳能转换效率高，且适用于采用廉价、轻质的塑料一体化制成。
本发明提出一种黑镜式结构太阳能集热器，其特征在于，包括内贮有流体的柱状容器，该容器壁至少其向阳部分呈透明状，且该容器表面向阳部分结合一层透射光选择薄膜，其余部分内表面结合一层吸收光选择薄膜，该柱状容器两端分别设有开口，与流体流进管及流出管相连。
本发明所说的柱状容器壁的向阳部分为平面，其余部分可为内聚焦的抛物面或园弧面。在结构强度允许的条件下，也可简单制成平面。所说的柱状容器内还设置一根具有高反射率表面的内管，该内管两端与所说的流进管，流出管相连通，其管壁有多个开孔与所说柱状容器内相通。所说的内管外表面结合一层光吸收选择薄膜。所说的柱状容器表面的向阳部分结合一层透射光选择薄膜，其余部分表面结合一层光反射膜。
本发明采用上述集热器设计出一种太阳能热水器，由集热器及外壳组成。所说的外壳由形状与所说集热器背阳部分相配合的支撑上架板，侧壁及底板组成的封闭壳体，至少有一个所说的柱状形集热器嵌入支撑上架板上。所说的柱状管的向阳面上安装有由透明盖板、蜂窝和空气隙组成的复合透明蜂窝板。所说的蜂窝板的蜂窝孔径与孔深之比最好为小于1/4，蜂窝孔内可封贮有CO2气体；蜂窝板底部与柱状管之间最好留有0.5～3mm的空气隙。所说的支撑外壳可为一体成形的泡沫玻璃钢，其发泡气体是CO2，泡型是封闭的用短玻璃纤维和发泡聚脂树脂混合材料，外表面裹被有胶衣，壳内填充有泡沫塑料。所说的集热器可为立式放置，每个集热器向阳面可处于同一平面。所说的集热器也可为卧式放置，每根集热器向阳面为相同斜角放置，相邻两集热管间的支撑上架板外表面为光反射面。
本发明设计的另一种结构的热水器，可将集热器与外壳的支撑上架板合为一体。所说的集热器的柱状容器壁的向阳部分可由透明盖板组成，其余部分由一与该透明盖板封接的部分支撑上架板组成，该盖板上安装有复合透明蜂窝板。
本发明的“黑镜”式太阳能集热器，由于其利用水本身红外线吸收率高的性质，直接将水作为“黑镜”中太阳能吸收层的一部分，将太阳光谱能量40％左右的外红光谱能量直接吸收，又提高了效率。透明光选择性薄膜及吸收光选择性薄膜的设置，最大限度的提高太阳能转换效率，本发明采用黑镜式太阳能集热器设计的太阳能热水器结构简单，热效率高，加之结合复合透明蜂窝保温层，在保证阳光透射率的条件下，通过蜂窝孔抑制对流，进一步降低了向阳面的热传导损失，使得其即使在冬季也能较好的使用。泡沫玻璃钢架构外壳即起支撑作用，又起保温作用。本发明的太阳能热水器，结构可大部分采用有机高分子合成材料制造，因此易于大规模商品化生产，成本低廉，重量轻，效率高，整体性好，尤其适宜于城市高层建筑作为墙壁式太阳能热水器使用。
附图简要说明图1为已有技术的太阳能热水器结构之一示意图。
图2为已有技术的太阳能热水器结构之二示意图。
图3为本发明所述集热器的实施例一结构示意图。
图4为本发明所述集热器的实施例二结构示意图。
图5为采用本发明所述集热器的太阳能热水器实施例之三结构示意图。
图6为实施例三进出水管连接示意图。
图7为采用本发明所述集热器的太阳能热水器实施例之四结构示意图。
图8为实施例四进出水管连接示意图。
本发明设计出二种集热器实施例以及采用这两种集热管器结构制成两种太阳能热水器实施例，如图3-图8所示，结合各附图详细描述如下实施例一，为一种集热器结构，如图3所示，该集热器包括半园形柱管31，可采用透明塑料制成，其平面为向阳面311，背面为半园弧面312，向阳面内表有一层二氧化锡透射光选择薄膜32，园弧面内表面有一层吸收光选择性薄膜33，可选用氧化铝、黑铬、黑镍硫化铅等材料。二种薄薄膜都可通过化学沉积、电镀、真空蒸发或粘贴上。半园形柱管31内贮有水34，管两端开有分别与进、出水管相连接的进、出水口(图中未示出)。
实施例二，为另一种集热器结构，如图4所示。其结构与实施例一基本相同，包括半园形柱管41，由向阳平面411和背阳的抛物柱面412，向阳面内表面上的透射光选择性薄膜42和背面外表面的反光薄膜43组成，在此基础上，还包括设置在柱管41内抛物柱面聚焦线处的内管44。该内管两端与柱管的进、出水口相连接，内管两端部位的管壁上开有多个小孔(图8中示出)。内管44采用铝管，其表面结合有吸收光选择涂层45，如氧化铝染色或镀黑铬、黑镍，当入射阳光投射在抛物柱面集热器后管壁412上时，贴在该管外壁上的镀铅薄膜45则将入射光线反射聚焦在铝管44的光选择性涂层45上，由涂层与将入射的光转换成热量再将热量传递给水。
实施例三，为一种太阳能热水器，其结构如图5所示。该热水器采用实施例一结构的四支集热管51，它们嵌入一体化泡沫玻璃钢支撑上架板52之中呈一定间隔、平行地水平放置，集热管51向阳面与水平方向呈一倾斜角α，两集热管之间由支撑上架板构成一相对于向阳面倾斜的反射面521，每根集热管的向阳面上安装有蜂窝，透明盖板和空气隙组成的复合透明蜂窝板53，该蜂窝隔板的蜂窝孔径与孔深之比小于1/4，蜂窝孔内封贮有CO2气体。蜂窝底部与向阳面之间留有0.5～3mm的空气隙。上述的支撑上架板52、侧壁54与底板55构成一封闭壳体，为加强壳体的支撑强度，其中可填充满泡沫塑料56。
本实施例中，向阳面的倾斜角度是以当地太阳照射的角度设计，保证当夏季太阳在最高位置时能有效的接收太阳照射，贴在集热器外表面的镀铝薄膜可以将冬季太阳在比较低的位置时的投射光折射到集热管上，从而加大了实际集热管的采光面积。
所说的透明盖板是由阳光透过率高的塑料或复合材料制成，它与蜂窝粘结在一起，蜂窝壁采用镀铝聚脂薄膜制成，当蜂窝孔径与深度比＜1/4时，透明盖板的导热系数接近其中气体的导热系数，当孔中充有CO2，KT等低导热率气体时，其保温效果更佳。蜂窝与集热管之间的间隙，组成了复合透明蜂窝板保温系统，可以更好的提高保温效果。当蜂窝壁镀铝层＞50nm厚时，由于对入射光的反射，蜂窝孔形成光导管，这将有效的减小太阳光不同入射角的折射损失及提高对大气中漫射光能量的吸收，从而提高效率。
本实施例还可设计成将集热器与外壳的上支撑架板结合为一体，所说的集热器的柱状容器壁的向阳部分由一透明盖板组成，其余部分主接由一与其封接的部分支撑上架板组成，该盖板上安装有复合透明蜂窝板。
本实施例进、出水管与集热管的连接如图6所示，为串联方式，即第一管61的出水管611与第二管62的进水管622相连，以此类推。
本实施例由于其体轻和安装简便，特别适合于在城市高层建筑中挂于外墙或阳台外侧。
实施例四，为另一种热水器结构，如图7所示。该热水器采用实施例二结构的六支集热管71，它们嵌入与实施例三相同的泡沫玻璃钢支撑上架板72之中，其不同点是集热管竖直放置且相互紧密排列，每根集热管的向阳面711处于同一平面内，其上安装一整块大的复合和透明蜂窝板73，蜂窝底部与向阳面面为0.5～5mm的空气隙731，蜂窝板的结构与实施例三完全相同，支撑上架板，侧壁74与底板75构成的外壳内也填充满泡沫塑料76。本实施例进、出水管81，82与集热管83的连接，如图8所示，为并联方式，冷水从底部流入热水从上部流出。位于加热管中心的铝管84其上部与下部的连通孔85连通铝管内外部的水，并使得被加、热的水汇集到流出管82。由于本实施例中聚焦系统的作用，提高了加热管中的水的温差，有利于提高升温速度及有助于推动自然循环。
权利要求
1.一种黑镜式结构太阳能集热器，其特征在于，包括内贮有流体的柱状容器，该容器壁至少其向阳部分呈透明状，该容器表面向阳部分结合一层透射光选择薄膜，其余部分内表面结合一层吸收光选择薄膜，该柱状管两端分别设有开口与流体流进管及流出管相连。
2.如权利要求1所述的黑镜式结构太阳能集热器，其特征在于所说的柱状容器的向阳部分为平面，其余部分为内聚焦的园弧面、抛物面或平面。
3.如权利要求2所述的黑镜式结构太阳能集热器，其特征在于所说的柱状容器内还设置一根具有高反射率表面的内管，该内管两端与所说的流进管，流出管相连通，其管壁有多个开孔与所说柱状容器内相通；所说的柱状容器表面的向阳部分结合一层透射光选择薄膜，其余部分表面结合一层光反射膜。
4.如权利要求3所述的黑镜式结构太阳能集热器，其特征在于所说的内管外表面结合一层光吸收选择薄膜。
5.采用如权利要求1～4所述的集热器构成的太阳能热水器，包括集热器与支撑外壳，其特征在于，所说的外壳由形状与所说集热管背阳部分相配合的支撑上架板，侧壁及底板组成的封闭壳体，至少有所说的集热管嵌入支撑架上。
6.如权利要求5所述的太阳能热水器，其特征在于所说的柱状管的向阳面上安装有由透明盖板、蜂窝和空气隙组成的复合透明蜂窝板。
7.如权利要求6所述的太阳能热水器，其特征在于所说的集热管为立式放置，每根集热管向阳面处于同一平面。
8.如权利要求6所述的太阳能热水器，其特征在于所说的集热器为卧式放置，每根集热管向阳面为相同似斜角放置，相邻两集热管间的支撑架外表面为光反射面。
9.采用如权利要求1-4所述的集热器的太阳能热器，包括支撑外壳，其特征在于所说的外壳由支撑上架、侧壁及底板组成的封闭壳体，所说的集热器的柱状容器壁的向阳部分由一透明盖板组成，其余部分由一与其封接的部分支撑上架组成，该盖板上安装有复合透明蜂窝板。
10.如权利要求5所述的太阳能热水器，其特征在于所说的支撑外壳为一体成形的泡沫玻璃钢，其发泡气体是CO2，泡型是封闭的用短玻璃纤维和发泡聚脂树脂混合材料，外表面裹被有胶衣，壳内填充有泡沫塑料。
全文摘要
本发明涉及太阳能集热器及太阳能热水器结构设计领域。包括内贮有流体的柱状容器，该容器壁至少其向阳部分呈透明状，且该容器表面向阳部分结合一层透射光选择薄膜，其余部分表面结合一层吸收光选择薄膜，该柱状容器两端分别设有开口，与流体流进管及流出管相连。该装置直接将水作为“黑镜”中太阳能吸收层的一部分，减少了热传导损失，本发明采用该集热器设计的太阳能热水器，结构简单、紧凑，太阳能转换效率高，且适用于采用廉价、轻质的塑料一体化制成。
文档编号F24J2/04GK1158970SQ96120410
公开日1997年9月10日 申请日期1996年10月25日 优先权日1996年10月25日
发明者罗璐 申请人:罗璐