專利名稱：真空管太陽能集熱器附加黑腔集熱裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于太陽能應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域，是一種給太陽能真空集熱管附加上開口黑腔的集熱裝置。
背景技術(shù)：
真空管太陽能集熱器現(xiàn)在幾乎已將平板型裝置排擠出市場，為了進(jìn)一步增強(qiáng)熱管的集熱效能，近年來廠家推出了附加金屬反射板或反射凹槽的裝置。實驗表明這種單次反射型附加裝置，借助于其高反射率效能確實比無附加反射面的熱管集熱效能有所提高；然而理論和實驗一致證明，走這種高反射率(因而具有低輻射率)的極端途徑背離了輻射熱力學(xué)的基本規(guī)律，故其附加集熱效能必定受到局限。
本設(shè)計是根據(jù)輻射熱力學(xué)的基爾霍夫熱平衡輻射定律而定義的絕對黑體模型為指導(dǎo)，提供一種全新式的附加集熱效能特高的黑腔裝置，同時又兼具保溫性能。從原則上講，本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思方向相對于附加反射面集熱裝置而言，是走高吸收率(因而具有高輻射率)的極端途徑，因而兩者之間具有本質(zhì)的差別，實驗以鐵的事實表明了本發(fā)明符合輻射熱力學(xué)基本規(guī)律，此技術(shù)途徑才是最佳選擇。很明顯，利用反射原理集熱，受熱面只能接收到反射面上符合反射定律反射來的那一部分光線；然而利用輻射原理集熱，由于黑體輻射的各向同性性，這樣受熱面在日照的任何情況下都可以不間斷地接受到來自輻射體各部分的輻射熱。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的具體構(gòu)想是給真空集熱管的背陽面附加一個開口黑腔，基本上是讓背陽的半個管體處于開口黑腔槽內(nèi)，既接受黑腔的輻射熱，又受到黑腔的保溫作用[見附圖
(3)]。本發(fā)明的提出有如下的模型實驗所作的反復(fù)測試作強(qiáng)有力的支持。模型制作簡單易行，任何人在全國任何地區(qū)都可以利用家庭廢品自己動手制作模型，通過實測加以鑒定。利用作為防震襯墊用的報廢泡沫塑料的邊角，選取或制作成長約3-5cm的開口三角槽三個，開口角取70°～80°，為了方便也可取90°張角的現(xiàn)成邊角，注意開口三角槽的一端開放，而另一端應(yīng)有泡沫塑料壁封口，以便在壁中央燒一小孔穿過溫度計。備一小塊光亮的鋁箔，例如某些牛奶等食品盒內(nèi)的密封鋁箔或干脆取一塊鋁箔及時貼，再備一小塊黑色及時貼或黑漆備用。然后在一個V型槽內(nèi)貼附上鋁箔，另外兩個V型槽內(nèi)貼上黑色及時貼，或者先貼上賽璐珞片再用黑漆均勻涂黑。剪6～8片寬約5毫米的賽璐珞V型薄片，用黑漆兩面均勻涂沫后陰干，再用金屬細(xì)絲將這些V型薄片串起來如同百頁窗一樣，各片間間隔約2～3mm，將其放入一個漆黑的V型槽內(nèi)。取四支溫度計，一支懸于空氣中曝曬，另三支溫度計分別固定在三個開口三角槽的中央[見附圖(1)的截面示意圖]。以上四個小模型分別模擬了四種腔體的空曬狀態(tài)，以便在相同的日照客觀條件下觀測對比，我們關(guān)心的是它們之間的相對溫差大小及其變化狀況。模型(a)模擬了不具有金屬反射板或反射凹槽的空曬時的環(huán)境溫度變化狀況，故稱“空腔”。模型(b)模擬了附加有金屬反射凹槽的空曬時的腔內(nèi)溫度變化狀況。由于光亮的鋁表面在全光譜范圍內(nèi)平均具有高達(dá)0.9以上的反射率，可看作白體，故稱為“白腔”。模型(c)模擬本發(fā)明設(shè)計的黑腔方案之一，由于高吸收系數(shù)的黑色涂層對光能的高吸收及輻射在腔內(nèi)的不斷反射吸收，能夠逃逸掉的光能微不足道，故接近黑體，稱為“黑腔”，又因為本方案的槽面是光滑的開口反射面型，故準(zhǔn)確地說是光滑黑腔。模型(d)有別于模型(c)，模擬了本發(fā)明設(shè)計的黑腔方案之二，由小百頁窗片形成黑微腔陣列槽。
附圖(2)給出2002年7月13日的實測圖線作代表，圖線是以每15分鐘記錄一次的數(shù)據(jù)而制作的。圖(2)-1為室內(nèi)溫度變化狀況；圖(2)-2為空腔溫度變化狀況；圖(2)-3為白腔溫度變化狀況；圖(2)-4為普及型黑光腔溫度變化狀況；圖(2)-5為黑微腔陣列槽內(nèi)溫度變化狀況。通過數(shù)月內(nèi)的實測結(jié)果分析，可以得出如下一致的結(jié)論(1)白腔雖優(yōu)于空腔，但兩種黑腔方案隨環(huán)境溫度的起伏變化總是優(yōu)于白腔。正如理論分析所指出的，表明本發(fā)明所走的高吸收率的輻射黑腔技術(shù)途徑是正確的。
(2)微腔陣列方案優(yōu)于黑光腔方案，是由于大大增加了吸光面積，而更關(guān)鍵的是顯著地增強(qiáng)了腔體的輻射本領(lǐng)。
(3)測試所用的模型只有寸余見方，其實測效果已令人振奮，由簡單的熱學(xué)常識可以推知，若按本發(fā)明的設(shè)計方案將模型放大至1.2米的真空熱管的黑腔，其增強(qiáng)的集熱效能更是無容置疑的。
(4)實測表明在環(huán)境溫度稍低的情況下，例如室內(nèi)溫度為24℃左右的日照情況下，模型黑腔與白腔的最大溫差反而比環(huán)境溫度較高的日照情況下要大，最大溫差甚至可達(dá)十幾度。初春和晚秋時節(jié)正是希望提高太陽能集熱器集熱效能的時候，此時將更能顯示出本發(fā)明方案的優(yōu)越性能。
本發(fā)明在產(chǎn)品設(shè)計時，黑腔形式可以選取半圓柱面型凹槽，半橢圓柱面凹槽，拋物柱面凹槽，開口反射面三角槽或稱V型槽等多種型式，其中以開口反射面三角槽型其結(jié)構(gòu)和工藝最為簡單易行。
具體實施例方式
附圖(3)是以內(nèi)徑37mm，罩玻璃管直徑47mm為例，給出了開口反射面三角槽或稱V型槽黑腔的分層結(jié)構(gòu)斷面示意圖。選熱管的中軸線距黑腔槽底的距離為50mm，開口角似乎選80°～90°較為可取，此時大約在120°～140°的張角范圍內(nèi)槽內(nèi)都能接收到日光直射或斜射的光通量?？紤]到夏季曝曬的高溫，槽面溫度有可能出現(xiàn)超高溫，因而黑腔槽應(yīng)作成分層結(jié)構(gòu)。黑色吸收涂層[附圖(3)-2]應(yīng)附著于耐高溫且無熱變形的絕熱材料層面[附圖(3)-3]上，耐高溫材料層下面緊貼保溫層[附圖(3)-4]，然后是金屬或非金屬襯底層[附圖(3)-5]。
本發(fā)明的產(chǎn)品設(shè)計方案之一為光滑面黑腔，亦可稱為普及型黑腔方案。實施本方案應(yīng)保證黑腔槽的內(nèi)表面具有足夠高的平整度及光潔度，且具有受熱不變形的熱穩(wěn)定性。切忌表面的凹凸不平，或刻痕或顆粒狀或棉絨狀的粗糙表面，這將會使槽面成為漫射體，實驗清楚表明這樣會產(chǎn)生不容忽視的反射和散射損失，從而降低黑腔集熱效能。
本發(fā)明的產(chǎn)品設(shè)計方案之二為微腔陣列槽，其目的是為了增加V型槽的黑色吸收面積，重要的是為了最大限度地應(yīng)用黑腔輻射原理。實施本方案又可以采取至少三種有效方式。方式之一，如附圖(3)-1所示意的在光滑黑腔槽內(nèi)附加上微小管狀陣列的吸收體。其微小管狀陣列的制作可采用單片疊放集成的方式。例如用X光片的賽璐珞材料或其它耐高溫耐熱變形的可塑材料，模壓成瓦楞狀或半正六邊形凹槽的V型薄片，每片寬例如取5～6mm，相鄰兩片反轉(zhuǎn)疊放在光滑黑腔槽內(nèi)，使其形成孔徑約為2～3mm的微小管狀陣列，這樣的微型管狀陣列可以是圓柱狀的或蜂巢狀的。黑色吸收材料既可以預(yù)先均勻混入賽璐珞材料中，亦可以待薄片模壓成型后噴涂于表面。另外應(yīng)將V型薄片的頂角截掉一部分，這樣便于在雨天使槽內(nèi)的積水能順利地從槽底排出。方式之二為縱向壕溝型多腔結(jié)構(gòu)[附圖(4)斷面示意]；方式之三為橫向樹權(quán)狀壕溝型多腔結(jié)構(gòu)。后兩種方式是在光滑黑腔表面開挖出深約5～6mm的縱向或橫向壕溝，顯然壕溝式方案所增加的吸收面及小腔數(shù)都遠(yuǎn)不及層疊式裝置來得多，但卻具有結(jié)構(gòu)簡單且可以一次模壓成型的優(yōu)點，極便于批量生產(chǎn)。
黑腔槽可以設(shè)計成一整體，但最好設(shè)計成分立的，即給每個熱管配套一個獨立黑腔，并使相鄰腔體間留有一定空隙，這樣既便于加工又便于安裝，也便于客戶選取熱管數(shù)的多寡， 同時還增強(qiáng)了整個裝置的抗風(fēng)能力。
權(quán)利要求
1.真空管太陽能集熱器附加黑腔集熱裝置，包括金屬或非金屬襯底層[附圖(2)-5]，保溫材料層[附圖(2)-4]，耐高溫絕熱材料層[附圖(2)-3]，槽面黑色吸收層[附圖(2)-2]，瓦楞狀或正六邊形凹槽的V型薄片陣列[附圖(2)-1]。
2.按照權(quán)利要求1所示的真空管太陽能集熱器附加黑腔集熱裝置，黑腔的形狀可以取半圓柱面形凹槽，半橢圓柱面凹槽，拋物柱面凹槽，開口反射面形三角槽等多種形式。其中以開口三角槽或稱V型凹槽結(jié)構(gòu)和工藝最為簡單易行，而且這種形式便于通過測試，權(quán)衡腔體采光′集熱′保溫等多方面的利弊，以選取合適的開口角度及槽底深度。
3.按照權(quán)利要求1所示的真空管太陽能集熱器附加黑腔集熱裝置，V型黑腔的結(jié)構(gòu)有光滑面單腔結(jié)構(gòu)型和附加多腔陣列結(jié)構(gòu)型兩種可行的實施方案。光滑面單腔型其集熱與保溫性能均優(yōu)于反射面型的白腔結(jié)構(gòu)，但因其吸收面有限，故性能不及多腔陣列結(jié)構(gòu)型，然而此一方案簡單易行便于普及，故稱普及型黑腔。
4.按照權(quán)利要求1所述的真空管太陽能集熱器附加黑腔集熱裝置，V型黑腔附加多腔陣列結(jié)構(gòu)型又分附加微小管狀陣列方案和壕溝型方案。其微小管狀陣列的制作可采用單片疊放集成的方式。例如用X光片的賽璐珞材料或其它耐高溫可塑材料，模壓成瓦楞狀或半正六邊形凹槽的V型簿片，每片寬例如取5～6mm，相鄰兩片反轉(zhuǎn)疊放在光滑黑腔槽內(nèi)，使其形成孔徑約為2～3mm的微小管狀陣列，這樣的微型管狀陣列可以是圓柱狀的或蜂巢狀的。黑色吸收材料既可以予先均勻混入賽璐珞材料中，亦可以待簿片模壓成型后噴涂于表面。另外應(yīng)將V型簿片的頂角截掉一部分，這樣便于在雨天使槽內(nèi)的積水能順利地從槽底排出[附圖(2)-1]。壕溝型多腔結(jié)構(gòu)又分縱向壕溝型[附圖(3)]和橫向樹杈型兩種方案。顯然壕溝式方案所增加的吸光面及小黑管數(shù)都遠(yuǎn)不及層疊裝置來得多，但卻具有結(jié)構(gòu)簡單且可以一次模壓成型的優(yōu)點，極便于批量生產(chǎn)。
5.按照權(quán)利要求1所述的真空管太陽能集熱器附加黑腔集熱裝置，最好設(shè)計成給每一個熱管配套一個分立的黑腔，并使相鄰腔體間留有一定空隙，這樣既便于加工又便于安裝，也便于客戶選取熱管數(shù)的多寡，同時還增強(qiáng)了整個裝置的抗風(fēng)能力。
全文摘要
本發(fā)明是真空管太陽能集熱器附加黑腔集熱裝置，屬于太陽能應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域。有兩類可以實施的產(chǎn)品設(shè)計方案，其一為光滑吸收面的V型槽普及型黑腔；其二為在光滑吸收面的V型槽內(nèi)附加微小管狀陣列或壕溝陣列型。本發(fā)明能集集熱與保溫性能于一身，已通過模型反復(fù)測試，其結(jié)果充分表明本發(fā)明將使真空管集熱裝置的核心技術(shù)和基本集熱功能得到空前的提升。其最大優(yōu)點還在于結(jié)構(gòu)與工藝十分簡單，材料易得又極易實施，既便于一次成型批量生產(chǎn)，又便于商家安裝，而且是一種免維修的附加裝置。生產(chǎn)過程中既無污染又無廢料產(chǎn)生。本產(chǎn)品既可用于吸引新客戶，又能對正在使用各種牌號真空管太陽能熱水器的老用戶進(jìn)行改裝升級，足見其市場潛力之巨大。
文檔編號F24J2/48GK1420323SQ02131790
公開日2003年5月28日 申請日期2002年9月24日 優(yōu)先權(quán)日2002年9月24日
發(fā)明者聶云 申請人:聶云