專(zhuān)利名稱(chēng)：帶有真空接收器和非成像外部反射器的太陽(yáng)能集熱器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種具有設(shè)置于外部的非成像反射器的集熱器，尤其是涉及這樣一種太陽(yáng)能集熱器，其帶有一根位于真空玻璃管內(nèi)部的熱管，和一個(gè)設(shè)置于真空玻璃管外部的非成像反射器(nonimagingreflector)。
背景技術(shù)：
在20年以前，已經(jīng)認(rèn)識(shí)到將選擇性吸熱體、能夠真空絕緣和非成像聚能(利用如圖9A-9C中示出的復(fù)合式拋物線(xiàn)聚能器型，或者說(shuō)“CPC”型，光學(xué)器件)的固定式中溫集熱器組合來(lái)，以便具有一個(gè)接近300攝氏度的可用工作范圍。通過(guò)早期的驗(yàn)證試驗(yàn)(the earlyproof-of-concept experiments)，在過(guò)去的5年中研制出了直至250攝氏度仍舊具有良好性能的商用集熱器。這些集熱器將所有的光學(xué)器件全部集成在真空外殼的內(nèi)部。為此，我們將它們稱(chēng)作ICPC(集成式CPC)型集熱器。對(duì)于廣泛應(yīng)用來(lái)說(shuō)，它們的制造成本目前過(guò)高。相反，成本非常低的真空管的出現(xiàn)容許我們?cè)谀壳翱紤]將它們作為用于低成本中溫應(yīng)用領(lǐng)域的備選物。人們可以將各種前述功能部件組合起來(lái)，以便將這種低成本導(dǎo)管(適合用作用于提供家用熱水的獨(dú)立型低溫集熱器)用作接收器，并且目前與外部非成像反射器組合起來(lái)。由于這些玻璃管最初適用于低溫用途(家用熱水)，所以在較高溫度下使用它們時(shí)會(huì)出現(xiàn)一些問(wèn)題，比如如何向工作流體傳遞足夠的熱量，和如何確保防止熱感應(yīng)管發(fā)生破裂。
因此，對(duì)于大多數(shù)高價(jià)值的應(yīng)用領(lǐng)域來(lái)說(shuō)，在高于周?chē)h(huán)境125至150攝氏度范圍中的溫度下高效率工作的太陽(yáng)能集熱器具有很強(qiáng)的實(shí)用性。例如，雙效冷卻器(double-effect chillers)用于進(jìn)行太陽(yáng)能冷卻的工作溫度就處于所述范圍中。與此同時(shí)，集熱器組件將必須是低成本的，具有最低的工作和維護(hù)成本，以及長(zhǎng)的使用壽命。CPC形式的外部反射器具有滿(mǎn)足這些標(biāo)準(zhǔn)的潛力。真空接收器內(nèi)在地具有長(zhǎng)的使用壽命，不會(huì)受到外界環(huán)境的影響。在中國(guó)，過(guò)去十年對(duì)真空太陽(yáng)能集熱器的給人深刻印象的商用發(fā)展更為證實(shí)，它們可以以低成本進(jìn)行制造和銷(xiāo)售。例如，在2000年，在中國(guó)制造的全玻璃真空型太陽(yáng)能管可以以3美元的OEM成本獲得。由于制造規(guī)模已經(jīng)擴(kuò)大，所以?xún)r(jià)格不會(huì)升高。具有特殊意義的發(fā)現(xiàn)是，一個(gè)廣角的CPC反射器將使得圓柱形太陽(yáng)能管“展開(kāi)”成一個(gè)接近0.2平方米的孔。因此，真空組成部件需要消耗每平方米15美元的成本。可以是總管的吸熱裝置大概增加了相同量的成本。非成像反射器的估計(jì)成本是每平方米20美元，該成本取決于用于高質(zhì)量鋁鏡的材料成本。每平方米接近100美元的安裝成本將是合情合理的。能夠獲得每平方米100美元的高效中溫太陽(yáng)能集熱器將具有廣闊的應(yīng)用前景。
發(fā)明概述一種太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)，涉及使用了一根設(shè)置在殼體內(nèi)部的熱管，其中所述殼體至少部分透光，同時(shí)所述殼體最好被抽成真空。熱管包括一根銅管，和環(huán)繞該熱管設(shè)置的鋁質(zhì)換熱翅片(aluminum heattransfer fins)。翅片被模制成與所述熱管和所述殼體的內(nèi)表面最佳地?zé)峤佑|。這種太陽(yáng)能集熱器還包括一個(gè)設(shè)置于所述殼體外部的反射器組件，以便簡(jiǎn)化構(gòu)造和降低制造成本。優(yōu)選的是，所述反射器具有一種非成像設(shè)計(jì)。
附圖簡(jiǎn)述

圖1示出了帶有真空管的測(cè)試板的XCPC熱模型性能(thermalmodel performance)和測(cè)定出的性能；圖2示出了針對(duì)用于中溫工作范圍的熱管實(shí)施例的瞬間太陽(yáng)能-熱轉(zhuǎn)換效率；
圖3示出了一個(gè)商用VAC2000太陽(yáng)能集熱器的性能極限(performance limits)；圖4A示出了一個(gè)太陽(yáng)能接收器的一部分的分解實(shí)施例，而圖4B示出了組裝起來(lái)的裝置的橫剖面；圖5示出了一個(gè)部分組裝起來(lái)的集熱系統(tǒng)，帶有處于合適位置的總管和熱管；圖6示出了帶有外部反射器的第一種集熱器構(gòu)造；圖7示出了帶有外部反射器的第二種集熱器構(gòu)造；圖8示出了帶有外部反射器的第三種集熱器構(gòu)造；圖9A示出了一種用于各種入射角度的CPC形狀，圖9B示出了0度(法線(xiàn))入射，而圖9C示出了30度入射；圖10A示出了在有風(fēng)條件下編號(hào)為C444的集熱器測(cè)試的熱性能曲線(xiàn)；圖10B示出了在無(wú)風(fēng)條件下的性能；圖11A示出了在有風(fēng)條件下編號(hào)為C500的集熱器測(cè)試的熱性能曲線(xiàn)；圖11B示出了在無(wú)風(fēng)條件下的性能；圖12A示出了在有風(fēng)條件下編號(hào)為C370的集熱器測(cè)試的熱性能曲線(xiàn)；圖12B示出了在無(wú)風(fēng)條件下的性能。
優(yōu)選實(shí)施例按照本發(fā)明，對(duì)太陽(yáng)能集熱器12(聚能器或者接收器)的兩種優(yōu)選組合進(jìn)行描述，在一根常規(guī)的真空管13中包括有一根全玻璃真空型導(dǎo)管11和一根熱管10(參見(jiàn)圖4A、4B和5)。真空型導(dǎo)管11成本非常低，因?yàn)槠溆稍S多制造商以大批量進(jìn)行制造，并且使用了成本非常低的硼硅酸鹽玻璃管。良好的熱傳遞存在著技術(shù)挑戰(zhàn)，我們利用一種換熱化合物進(jìn)行了試驗(yàn)，來(lái)將導(dǎo)管11聯(lián)接到總管20上，獲得了令人鼓舞的結(jié)果。利用帶有真空管的測(cè)試板獲得的初步中溫性能與利用圖1中所示簡(jiǎn)單模型推算出的性能進(jìn)行比較。熱管真空管13(參見(jiàn)圖4B)使用了相同的成本非常低的玻璃管。通過(guò)將熱管10結(jié)合在真空管13內(nèi)部，極好地實(shí)現(xiàn)了熱傳遞，其中真空管13相應(yīng)地被設(shè)置在全板陣列(a fully panel array)15中(參見(jiàn)圖4A、4B和5)。圖4A和4B中的熱管10均包括一根銅質(zhì)熱管16和具有斷面形狀的鋁質(zhì)換熱翅片18，同時(shí)熱管10被插入夾持于兩個(gè)鋁質(zhì)翅片18之間的玻璃管14之內(nèi)。翅片18被模制成與熱管10和真空玻璃管14的內(nèi)表面最大化接觸。熱管10經(jīng)由中空熱管10內(nèi)部的換熱液體向圖5中示出的總管20傳遞熱量。熱管10的中空芯部為真空，從而使得即使在大約為25至30攝氏度的溫度下，公知的換熱化合物也將會(huì)汽化。當(dāng)加熱后的蒸氣升高至熱管10的頂端(冷凝器)時(shí)，熱量在這里被傳遞給穿過(guò)總管20流動(dòng)的水。熱量的損失會(huì)導(dǎo)致蒸氣發(fā)生冷凝，并且沿著熱管10向下流回，在這里所述過(guò)程再次重復(fù)。在圖2中示出了利用標(biāo)準(zhǔn)熱管形式獲得的初步中溫性能。已知CPC型真空太陽(yáng)能集熱器(未示出)的性能極限值可以從圖3中精確測(cè)定。在這種類(lèi)型的太陽(yáng)能裝置中，吸熱體和非成像聚能光學(xué)器件被封裝在一個(gè)整體式玻璃外殼中，并且這樣被稱(chēng)作整體式CPC或者ICPC。這種類(lèi)型的商用集熱器比圖6至8中所示帶有外部CPC反射器22的全玻璃真空類(lèi)型的成本高。但是，其指示了一個(gè)用于固定式非成像太陽(yáng)能集熱器12的實(shí)用并且可行的性能上限。人們可以進(jìn)一步將低成本全玻璃真空接收器的優(yōu)點(diǎn)與所述熱管組合起來(lái)。如圖4A、4B和5中所示，熱管10和吸熱體翅片組件被插入雙層壁的真空管14中，并且熱管10被插入簡(jiǎn)單的流通式熱交換總管20之內(nèi)。在這里無(wú)需進(jìn)行流體連接，這是熱應(yīng)用的主要優(yōu)點(diǎn)之一，但是卻顯得足夠結(jié)實(shí)以經(jīng)受滯止溫度。常規(guī)的但是外部設(shè)置有反射器(不帶有熱管10)的真空管的各種性能示例在示例I-III中示出，其中針對(duì)集熱器構(gòu)造的集熱器測(cè)試結(jié)果在圖6-8中示出。這些測(cè)試由位于瑞士伯爾尼的Solartechnik Prüfung Forschung完成。
盡管已經(jīng)圖示和描述了優(yōu)選實(shí)施例，但是必須明白的是，在不脫離本發(fā)明的寬泛形式的條件下，本技術(shù)領(lǐng)域中的普通技術(shù)人員可以對(duì)此進(jìn)行改變和修改。
示例下面的非限制性示例描述了各種實(shí)施例和相關(guān)的性能測(cè)試結(jié)果。
示例1編號(hào)為No.C444的集熱器測(cè)試圖6中的實(shí)施例在表1中進(jìn)行了描述，并且經(jīng)受了如表2中列舉的各種測(cè)試。注意，針對(duì)標(biāo)準(zhǔn)值ISO9806-2和EN 12975-2是30℃/1000W/m2的情況，不存在滯止溫度。熱性能(測(cè)試時(shí)的流速204l/h)在圖10A和10B中示出，分別是在有風(fēng)條件下和在無(wú)風(fēng)條件下。
表1

*制造商信息表2

*詳細(xì)情況請(qǐng)聯(lián)系制造商表3A和3B分別示出了在有風(fēng)條件下和在無(wú)風(fēng)條件下針對(duì)效率的特征效率值(法線(xiàn)入射，G＝800W/m2)。表4A和4B分別示出了在有風(fēng)條件下和在無(wú)風(fēng)條件下的功率輸出(功率單位每個(gè)集熱器的瓦特?cái)?shù)，法線(xiàn)入射，波束輻射)。
表3A和3B


表4A和4B


表5示出了入射角度修正量(IAM)，表6示出了以帕斯卡為單位的壓降(測(cè)試流體33.3％的Ethylenglykol)，而圖7示出了熱容量和時(shí)間常數(shù)。
表5

表6

表7

這些測(cè)試由在Oberseestr.10CH-8640Rapperswil的HochschuleRapperswil(HSR)的SPF進(jìn)行。
示例II編號(hào)為No.C500的集熱器測(cè)試(Consolar GmbH，TUBO 11CPC)圖7中的實(shí)施例在表8中進(jìn)行了描述，并且執(zhí)行表9中的測(cè)試。注意，針對(duì)標(biāo)準(zhǔn)值ISO 9806-2和EN 12975-2是30℃/1000W/m2的情況，不存在滯止溫度。熱性能(測(cè)試時(shí)的流速100l/h)在圖11A和11B中示出，分別是在有風(fēng)條件下和在無(wú)風(fēng)條件下。
表8

*制造商信息表9

*詳細(xì)情況請(qǐng)聯(lián)系制造商表10A和10B分別示出了在有風(fēng)條件下和在無(wú)風(fēng)條件下針對(duì)效率的特征效率值(法線(xiàn)入射，G＝800W/m2)。表11A和11B分別示出了在有風(fēng)條件下和在無(wú)風(fēng)條件下的功率輸出(功率單位每個(gè)集熱器的瓦特?cái)?shù)，法線(xiàn)入射，波束輻射)。
表10A和10B


表11A和11B


表12示出了入射角度修正量(IAM)，而表13示出了以帕斯卡為單位的壓降(測(cè)試流體33.3％的Ethylenglykol)。
表12

表13

示例III
編號(hào)為No.C370的集熱器測(cè)試(Paradigma-Schweiz，CPC 14Star)圖8中的實(shí)施例在表14中進(jìn)行了描述，并且執(zhí)行表15中的測(cè)試。針對(duì)標(biāo)準(zhǔn)值ISO 9806-2和EN 12975-2是30℃/1000W/m2的情況，滯止溫度為269℃。集熱器還通過(guò)了耐用性測(cè)試。熱性能(測(cè)試時(shí)的流速179l/h)在圖12A和12B中示出，分別是在有風(fēng)條件下和在無(wú)風(fēng)條件下。
表14

*制造商信息表15

*詳細(xì)情況請(qǐng)聯(lián)系制造商表16A和16B分別示出了在有風(fēng)條件下和在無(wú)風(fēng)條件下針對(duì)效率的特征效率值(法線(xiàn)入射，G＝800W/m2)。表17A和17B分別示出了在有風(fēng)條件下和在無(wú)風(fēng)條件下的功率輸出(功率單位每個(gè)集熱器的瓦特?cái)?shù)，法線(xiàn)入射，波束輻射)。
表16A和16B


表17A和17B


表18示出了入射角度修正量(IAM)。
表18

權(quán)利要求
1.一種太陽(yáng)能集熱器，包括一個(gè)用于太陽(yáng)能集熱器的殼體，該殼體由一根真空玻璃管構(gòu)成；一根設(shè)置于所述殼體內(nèi)部的熱管；以及一個(gè)設(shè)置于所述殼體外部的光線(xiàn)反射器。
2.如權(quán)利要求1中限定的太陽(yáng)能集熱器，其特征在于，所述熱管包括一根銅管和具有斷面形狀的鋁質(zhì)換熱翅片。
3.如權(quán)利要求2中限定的太陽(yáng)能集熱器，其特征在于，所述熱管被夾持在所述鋁質(zhì)換熱翅片的至少兩個(gè)之間。
4.如權(quán)利要求3中限定的太陽(yáng)能集熱器，其特征在于，所述翅片被模制成與所述熱管和真空玻璃管的內(nèi)表面最大化接觸。
5.如權(quán)利要求1中限定的太陽(yáng)能集熱器，其特征在于，所述熱管和翅片被設(shè)置在一根流通式換熱總管中。
6.如權(quán)利要求1中限定的太陽(yáng)能集熱器，其特征在于，所述光線(xiàn)發(fā)射器為一個(gè)非成像反射器。
7.如權(quán)利要求6中限定的太陽(yáng)能集熱器，其特征在于，所述非成像反射器為一個(gè)XCPC。
8.如權(quán)利要求1中限定的太陽(yáng)能集熱器，其特征在于，所述殼體為一根全玻璃真空型導(dǎo)管。
9.如權(quán)利要求1中限定的太陽(yáng)能集熱器，其特征在于，所述熱管包括一個(gè)真空的中空芯部。
10.一種制造太陽(yáng)能集熱器的方法，包括下述步驟提供一個(gè)用于太陽(yáng)能集熱器的殼體；將一根熱管定位于所述殼體內(nèi)部；抽出所述殼體中的空氣；以及將一個(gè)光線(xiàn)反射器定位在所述真空殼體的外部并且聯(lián)接在所述真空殼體上，該反射器被設(shè)置成照射所述熱管。
11.如權(quán)利要求10中限定的方法，其特征在于，所述光線(xiàn)反射器為一個(gè)非成像反射器。
12.如權(quán)利要求10中限定的方法，其特征在于，所述殼體為一根玻璃管。
13.如權(quán)利要求10中限定的方法，其特征在于，所述熱管包括一根銅管和具有斷面形狀的鋁質(zhì)換熱翅片。
14.如權(quán)利要求13中限定的方法，其特征在于，所述熱管被夾持在所述鋁質(zhì)換熱翅片中的兩個(gè)之間。
15.如權(quán)利要求12中限定的方法，其特征在于，所述翅片被加工成與所述熱管和真空玻璃管的內(nèi)表面最大化接觸。
全文摘要
一種帶有外部反射器的太陽(yáng)能集熱器。這種太陽(yáng)能集熱器包括一個(gè)玻璃殼體，該玻璃殼體具有一根設(shè)置于其內(nèi)部的熱管，和一個(gè)設(shè)置于其外部的光線(xiàn)反射器。
文檔編號(hào)F24J2/05GK1809717SQ200480017387
公開(kāi)日2006年7月26日 申請(qǐng)日期2004年4月22日 優(yōu)先權(quán)日2003年4月22日
發(fā)明者R·溫斯頓 申請(qǐng)人:索拉格尼克斯能量有限責(zé)任公司