水气两用平板型太阳能集热和辐射制冷综合利用装置的制作方法

本发明属于可再生能源利用技术领域，特别涉及水气两用平板型太阳能集热和辐射制冷综合利用装置。

背景技术：

可再生能源的利用是节能减排的重要途径。太阳能作为一种清洁、普遍、长久的绿色能源，具有常规能源无法比拟的优势。同时，由于外太空的温度接近于绝对零度，是非常理想的天然冷源。

目前，太阳能集热技术已经非常成熟，但是由于受到昼夜更迭的影响，太阳能集热器在夜间常处于闲置状态，这大大降低了其使用效率；同时，辐射制冷也存在单制冷功率不够大，有一定的上限，导致装置成本较高，且辐射制冷装置在白天很难实现制冷效果等缺陷，由于太阳能平板集热器或辐射制冷装置常布置于面积有限的建筑物屋顶，这也大大降低了屋顶单位面积的利用效率。

为保证较高的集热效率，目前太阳能平板集热器板芯选用具有光谱选择性的涂层与盖板。涂层太阳辐射波段(0.2～3um)具有较高的光谱吸收率(低反射率)，以吸收绝大部分太阳辐射，而在中远红外波段(大于等于2.5um)具有低的光谱发射率(高反射率)，以减小辐射热损失；低铁玻璃盖板在太阳辐射波段的透过率可达90%以上，而在其他波段的透过率则极低，具有温室效应。

地球大气在8-13μm波段透射率很高，这一波段称为“大气窗口”。所谓夜间辐射制冷技术，是指制冷表面在夜间通过“大气窗口”与温度很低的外太空进行辐射换热，实现被动制冷。在夜间，太阳短波辐射消失，集热器无法使用，在气候炎热的季节，建筑制冷需求大而供暖需求小，集热器收集的热能增加了建筑冷负荷，为了使得集热器得到更加充分的利用，就可以在太阳能集热器上实现制冷功能，在夜间利用长波辐射为建筑供冷，减少冷负荷，达到节能的目的。

中国专利cn103776196a公开了一种太阳能集热和辐射制冷综合应用装置。该太阳能集热和辐射制冷综合应用装置，将普通太阳能平板集热器的玻璃盖板替换为辐射制冷薄膜，并在辐射制冷薄膜上方增设有全波段高透过率材料膜。集热板芯与辐射制冷薄膜之间形成空气通道，在白天使用过程中，冷空气经过空气通道吸收集热板芯的热量后被加热，成为热空气，用于供暖，在夜间，热空气经过通道向辐射制冷薄膜传递热量后被冷却，成为冷空气，用于供冷等，有效地解决了传统的平板太阳能集热器只能制取热水、辐射制冷装置只能在夜间进行制冷的功能单一的局限性，实现太阳能集热和辐射制冷的综合应用。但是由于该综合应用装置采用的辐射制冷薄膜直接与载冷介质接触，使得该装置载冷介质只能选择空气，无法应用水系统，而水系统换热效果比空气好且便于将冷量储存起来在白天使用；同时，相比传统太阳能集热器而言，该装置弃用了玻璃，也就失去了玻璃具有的温室效应，使得装置的集热效果下降。

技术实现要素：

针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的就在于提供了一种可采用空气或水作为载冷介质，同时集热效果好的水气两用平板型太阳能集热和辐射制冷综合利用装置。

本发明的技术方案是这样实现的：

水气两用平板型太阳能集热和辐射制冷综合利用装置，包括顶面敞口的箱体，箱体内设有集热板，所述集热板与箱体顶面和底面平行，集热板与箱体底部之间均布排列设有若干平行的金属管，所有金属管与集热板和箱体底部均接触，每根金属管的两端分别连接与金属管垂直的同一根集管并与该集管连通，两根集管的其中一端封闭，另一端延伸至箱体的外部，其中一根集管的外端为冷水进口，另一根集管的外端为热水出口；箱体顶面的敞口处设有全波段高透过率材料膜。

集热板和全波段高透过率材料膜之间的箱体内部还上下设有平行于箱体底面的两玻璃盖板，两玻璃盖板之间的空腔形成载冷介质换热腔，在箱体侧壁上设有载冷介质进口和载冷介质出口，载冷介质进口和载冷介质出口分别与载冷介质换热腔连通并位于箱体上相对的两侧壁上；集热板和下层玻璃盖板之间的空腔形成载热空气换热腔，在箱体侧壁上设有冷空气进口和热空气出口，冷空气进口和热空气出口分别与载热空气换热腔连通并位于箱体上相对的两侧壁上；所述上层玻璃盖板的上表面覆盖有辐射制冷薄膜。

进一步地，集热板上表面覆盖太阳能选择性吸收涂层，所述太阳能选择性吸收涂层在0.2-3μm太阳能热利用波段的吸收率大于90%，在大于3μm的中远红外波段发射率低于10%。

更进一步地，所述太阳能选择性吸收涂层材料为金属陶瓷镀膜带或蓝钛涂层。

进一步地，所述全波段高透过率材料膜为聚乙烯薄膜，在0～25μm波段的透过率大于80%，其中在0.2～3μm的太阳辐射波段和8～13μm大气窗口波段的透过率为85%~90%。

进一步地，上层玻璃盖板的下表面设有若干条形玻璃翅片，所述玻璃翅片与上层玻璃盖板一体成型。

进一步地，所述玻璃盖板采用低铁超白玻璃制成，在0.2～3μm波段的透过率大于90%，而对于长波辐射具有阻隔作用，能够形成温室效应。

进一步地，辐射制冷薄膜为聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜或聚氟乙烯薄膜，在8～13μm的大气窗口波段内的发射率为80～90%，在其他波段的透过率为70～90%。

进一步地，所述箱体材料为保温材料，所述保温材料为酚醛泡沫或岩棉。

进一步地，所述金属管为铜管。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1、本发明设有下层和上层玻璃盖板，下层玻璃盖板在太阳辐射主要波段0.2～3μm的透过率达到91.5%以上，而对于长波辐射具有阻隔作用，这样在白天使得大部分太阳辐射透过低铁超白玻璃投射到集热板上，而长波辐射又无法透射出去，减少了白天的长波辐射热损失，增强了集热效果；而上层玻璃盖板在长波辐射波段的发射率达到94%，这样可在夜间利用其长波波段内的高发射率向外太空辐射热量进行制冷。

2、本发明设有辐射制冷薄膜，在大气窗口波段8～13μm具有较高的发射率，而在其他波段内，特别是太阳辐射波段0.2～3μm具有较高的透过率，使得在白天绝大部分太阳辐射可以透过辐射制冷薄膜投射到集热板上，而在夜间利用其在8～13μm波段较高的发射率向外太空辐射热量进行制冷。

3、在箱体顶面敞口处设有全波段高透过率材料膜，在太阳辐射波段0.2～3μm和大气窗口波段8～13μm的透过率均达到85～90%，这样既能在白天使大部分太阳辐射透过全波段高透过率材料膜投射到集热板上，又能在夜间使辐射制冷表面辐射的热量有效地透过全波段高透过率材料膜散发到外太空中；此外，全波段高透过率材料膜的存在还能有效地减少低铁超白玻璃和集热板芯与外界环境间的对流换热，增强装置的保温效果。

4、集热板上表面涂有太阳能选择性吸收涂层，其在太阳辐射波段0.2～3μm的吸收率为90～95%，而在其他波段具有很低的发射率，可以使得绝大部分投射到集热板上的太阳辐射能被吸收，同时降低集热板通过红外波段向外辐射散失热量。集热板下表面设有铜管，循环水通过其中带走集热板吸收的热量后，进入保温水箱。

5、本发明共设三个流体通道：铜管作为白天集热模式下的水流通道，为用户提供生活热水；下层低铁超白玻璃与集热板之间形成载热空气换热腔，为用户提供热空气；两层低铁超白玻璃之间的空腔形成水气两用的载冷介质换热腔，既可以制取冷水，也可以制取冷空气，用于降低建筑冷负荷。

6、全波段高透过率材料膜与上层玻璃盖板之间间隔有一段距离，从而形成空气夹层，封闭状态下空气的导热系数为0.023w/m.k，所以该空气夹层可有效减少导热热损失，进一步起到保温效果。

附图说明

图1-本发明俯视图。

图2-本发明结构示意图。

图3-图1的横截面剖图。

其中：1-箱体；2-金属管；3-集管；4-集热板；5-下层玻璃盖板；6-上层玻璃盖板；7-玻璃翅片；8-全波段高透过率薄膜；9-辐射制冷薄膜；10-空气夹层；11-热水流道；12-载热空气换热腔；13-载冷介质换热腔；14-冷水进口；15-热水出口；16-冷空气进口；17-热空气出口；18-载冷介质进口；19-载冷介质出口。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

参见图1、图2和图3，水气两用平板型太阳能集热和辐射制冷综合利用装置，包括顶面敞口的箱体1，所述集热板4与箱体1顶面和底面平行，集热板4与箱体1底部之间均布排列设有若干平行的金属管2，所有金属管2与集热板4和箱体1底部均接触，每根金属管2的两端分别连接与金属管垂直的同一根集管3并与该集管3连通，两根集管3的其中一端封闭，另一端延伸至箱体的外部，其中一根集管3的外端为冷水进口14，另一根集管3的外端为热水出口15；箱体1顶面的敞口处设有全波段高透过率材料膜8。冷水从冷水进口14进入其中一集管3，然后流经金属管2，所有金属管2内的水经铜管跟集热板4吸收的热量进行热交换形成热水，然后从热水出口15流出，给用户提供生活热水。所有金属管2形成的水流通道为热水流道11。所述金属管2为铜管，铜管的导热性能好，有利于提高热交换效率。

集热板4和全波段高透过率材料膜8之间的箱体内部还上下设有平行于箱体底面的两玻璃盖板，两玻璃盖板分别是上层玻璃盖板6和下层玻璃盖板5，上层玻璃盖板6的上表面覆盖有辐射制冷薄膜9。两玻璃盖板之间的空腔形成载冷介质换热腔13，在箱体1侧壁上设有载冷介质进口18和载冷介质出口19，载冷介质进口18和载冷介质出口19分别与载冷介质腔连通并位于箱体上相对的两侧壁上。所述载冷介质为水或空气，热水（热空气）进入载冷介质换热腔13内，经辐射制冷，形成冷水（冷空气）从载冷介质出口19输出，冷水（冷空气）可用于降低建筑冷负荷。

集热板4和下层玻璃盖板5之间的空腔形成载热空气换热腔12，在箱体1侧壁上设有冷空气进口16和热空气出口17，冷空气进口16和热空气出口17分别与载热空气换热腔12连通并位于箱体1上相对的两侧壁上。冷空气经过载热空气换热腔12吸收集热板4的热量后被加热，成为热空气，用于供暖。

集热板4上表面覆盖太阳能选择性吸收涂层，所述太阳能选择性吸收涂层在0.2-3μm太阳能热利用波段的吸收率大于90%，在大于3μm的中远红外波段发射率低于10%。所述太阳能选择性吸收涂层材料为金属陶瓷镀膜带或蓝钛涂层，其中，蓝钛涂层在太阳辐射波段0.2～3μm的吸收率为90～95%。设置太阳能选择性吸收涂层可以使得绝大部分投射到集热板上的太阳辐射能被吸收，同时降低集热板通过红外波段向外辐射散失热量。

所述全波段高透过率材料膜8为聚乙烯薄膜，在0～25μm波段的透过率大于80%，其中在0.2～3μm的太阳辐射波段和8～13μm大气窗口波段的透过率为85%~90%。这样既能在白天使大部分太阳辐射透过全波段高透过率材料膜8投射到集热板上，又能在夜间使辐射制冷表面辐射的热量有效地透过全波段高透过率材料膜8散发到外太空中。

上层玻璃盖板6的下表面设有若干条形玻璃翅片7，所述玻璃翅片7与上层玻璃盖板6一体成型。这样设置增大了与载冷流体之间的热交换面积，从而提高了上层玻璃盖板6与载冷流体之间的对流换热效率。

所述上层玻璃盖板6和下层玻璃盖板5均采用低铁超白玻璃制成，在0.2～3μm波段的透过率大于90%，而对于长波辐射具有阻隔作用，能够形成温室效应。设置下层低铁超白玻璃，在太阳辐射主要波段（0.2～3μm）的透过率达到91.5%以上，而对于长波辐射具有阻隔作用，这样在白天使得大部分太阳辐射透过低铁超白玻璃投射到集热板4上，而长波辐射又无法透射出去，减少了白天的长波辐射热损失，增强了集热效果。而设置上层低铁超白玻璃，在长波辐射波段的发射率达到94%，这样可在夜间利用其长波波段内的高发射率向外太空辐射热量进行制冷。

辐射制冷薄膜9为聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜或聚氟乙烯薄膜，在8～13μm的大气窗口波段内的发射率为80～90%，在其他波段的透过率为70～90%。这样在白天绝大部分太阳辐射可以透过辐射制冷薄膜投射到集热板4上，而在夜间利用其在8～13μm波段较高的发射率向外太空辐射热量进行制冷。

所述箱体1材料为保温材料，所述保温材料为酚醛泡沫或岩棉。虽然箱体1的顶面没有设置保温材料，但是设置有全波段高透过率材料膜8，能有效地减少玻璃盖板和集热板4与外界环境间的对流换热，增强装置的保温效果。同时，全波段高透过率材料膜8与上层玻璃盖板6之间形成有空气夹层10，封闭状态下空气的导热系数为0.023w/m.k，可有效减少导热热损失。

为更好的理解本发明，以下是本装置工作原理：

在白天制取热水时，冷空气进口16、热空气出口17、载冷介质进口18和载冷介质出口19关闭，冷水进口14和热水出口15开通，保温水箱中的冷水由冷水进口14流入，金属管2带走集热板4所吸收的热量，再由热水出口15流入保温水箱内，完成一个循环。

在白天制取热空气时，冷水进口14、热水出口15、载冷介质进口18和载冷介质出口19关闭，冷空气进口16和热空气出口17开通，冷空气由冷空气进口16进入载热空气换热腔12，在载热空气换热腔12内吸收集热板4的热量变成热空气，然后由热空气出口17流出，得到的热空气可用于房间供暖或物品的干燥等。

在夜间制取冷空气时，冷水进口14、热水出口15、冷空气进口16和热空气出口17关闭，载冷介质进口18和载冷介质出口19开通，热空气进入载冷介质换热腔13，在载冷介质换热腔13内将热量传递给辐射制冷薄膜9后变成冷空气，辐射制冷薄膜9通过辐射制冷的方式将热量辐射至外太空，被冷却后的空气由载冷介质出口19输出，得到的冷空气可用于新空气预冷或蔬果保鲜等。

同样的，在夜间制取冷水时，冷水进口14、热水出口15、冷空气进口16和热空气出口17关闭，载冷介质进口18、载冷介质出口19开通，热水进入载冷介质换热腔13，在载冷介质换热腔13内将热量传递给辐射制冷薄膜9后变成冷水，辐射制冷薄膜9通过辐射制冷的方式将热量辐射至外太空，被冷却后的水由载冷介质出口19流出，得到的冷水可用直接用于房间供冷，或将冷量储存起来在白天使用。

本发明可利用水或空气作为传热和载冷介质，充分利用昼夜更迭进行集热和辐射制冷，达到综合利用可再生能源为人们生活提供便利，同时该装置达到现有综合利用装置的标准，同时保温效果更好，集热效果更优。

最后需要说明的是，本发明的上述实施例仅是为说明本发明所作的举例，而并非是对本发明实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化和变动。这里无法对所有的实施方式予以穷举。凡是属于本发明的技术方案所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。