專利名稱：一種平板太陽能集熱器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種太陽能集熱器，特別是一種適合于各種高、中、低溫太陽能熱利用的平板集熱器，屬于太陽能技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
能源問題是全世界范圍所面臨最為突出的問題之一，而太陽能是人類取之不盡、用之不竭的清潔能源。太陽能光熱轉(zhuǎn)換是目前世界范圍內(nèi)太陽能利用的一種最普及、最主要形式，其中最具代表性的就是太陽能熱水器。我國已成為世界上生產(chǎn)太陽能熱水器最多的國家，同時也擁有世界上最大的太陽能熱水器市場?？梢灶A(yù)見，太陽能熱水器將成為不可取代的太陽能利用形式。
太陽能熱水器的類型很多，其構(gòu)造主要由集熱器和蓄熱器兩大部分組成，其中集熱器是技術(shù)關(guān)鍵，直接關(guān)系到太陽能熱水器的利用效率、使用性能和能夠正常運行的環(huán)境溫度條件。目前廣泛應(yīng)用于日常生活中的太陽能熱水器根據(jù)集熱器的不同按使用季節(jié)基本上可分為三類
第一類只能在夏季或炎熱氣候下使用。一般有悶曬式和普通平板式。第二類能在春、夏、秋及最低環(huán)境溫度高于零度時使用，主要類型有全玻璃真空管式和雙層玻璃平板式。此類集熱器在氣溫低于零度時須放水停用，否則將造成集熱器的凍傷害。第三類可以在全年任何氣候中使用，主要有熱管玻璃真空管式集熱器。20世紀(jì)80年代中期，以平板型太陽集熱器為主要部件的太陽能熱水器在我國已初步形成產(chǎn)業(yè)，這對于節(jié)約常規(guī)能源、保護自然環(huán)境和改善人民生活都發(fā)揮了積極的作用，然而由于平板型太陽能集熱器只能提供低溫?zé)崴乙话悴荒苋赀\行，應(yīng)用范圍受到限制。為進一步提高集熱器的工作溫度，拓寬太陽能應(yīng)用領(lǐng)域，研究開發(fā)了全玻璃真空管式太陽能集熱器及熱管一真空管式太陽能集熱器。已經(jīng)大量應(yīng)用的太陽能集熱器主要有平板式太陽能集熱器、全玻璃真空管式太陽能集熱器、熱管式太陽能集熱器、熱管一真空管式太陽能集熱器，其中全玻璃真空管式太陽能集熱器占領(lǐng)國內(nèi)大部分市場。但理論上平板式太陽能集熱器的日平均效率比真空管式太陽能集熱器要高，而且國家正在大力提倡節(jié)能減排，由于平板太陽能熱水器與儲水箱分離，與建筑結(jié)合更靈活、更完美，容易實現(xiàn)與建筑一體化，已經(jīng)引起了業(yè)界的關(guān)注。因此，從太陽能集能器的發(fā)展趨勢來看，平板式太陽能熱水器具有巨大的發(fā)展?jié)摿Α?0世紀(jì)80年代曾占我國太陽能熱水器統(tǒng)治地位的平板太陽能熱水器在近20多年內(nèi)已逐漸被全玻璃真空管太陽能熱水器替代，市場份額逐年下降，現(xiàn)已降至15%左右。然而同期國外太陽能集熱器市場并沒有發(fā)生這樣的變化，平板太陽能熱水器在國際上仍占主流地位。國外平板太陽能集熱器的熱性能與全玻璃真空管太陽能集熱器相比，在提供家用熱水時幾乎沒有差別。權(quán)威的瑞士 SPF對多家生產(chǎn)廠檢測結(jié)果表明(基于Aperture)，平板太陽能集熱器效率曲線截距在O. 78 O. 81，熱損系數(shù)在3. 54 4. 03 ff/ (m2 · K);全玻璃管真空管集熱器(內(nèi)插熱管或U形管)在O. 53 O. 61,熱損系數(shù)在I. 30 2. 22 ff/ (m2 ·Κ)。在提供生活用熱水時，以瑞士中部氣候為例，平板太陽能集熱器全年輸出為485 541 W/(m2· K)，全玻璃管真空管集熱器全年輸出為466 561 W/(m2*K)。盡管全玻璃管真空管集熱器的熱損系數(shù)遠低于平板太陽能集熱器，但平板太陽能集熱器效率曲線的截距卻遠高于全玻璃管真空管集熱器。需要指出的是SPF檢測的全玻璃真空管太陽能集熱器多是密排管。國內(nèi)的全玻璃真空管太陽能集熱器管間距要大得多，熱效率還要更低一些。雖然平板太陽能集熱器理論上的日平均效率比真空管式太陽能集熱器要高，而且國外平板太陽能集熱器的熱性能與全玻璃真空管太陽能集熱器相比，在提供家用熱水時幾乎沒有差別，仍占主流地位。但是，我國平板太陽能集熱器的市場份額很低，而且效果差、成本高。國外的平板太陽能集熱器普遍采用性能較高的選擇性鍍層吸熱板，太陽光吸收率大
于90%，紅外發(fā)射率小于6%。而我國平板太陽能集熱器的吸熱板，性能最好的紅外發(fā)射率也高于20 %，如電化學(xué)處理的黑鎳(用于鋁板)或黑鉻(用于銅板)，有些生產(chǎn)廠家還在使用性能極差的黑漆涂料。因此，平板太陽能集熱器(尤其是我國的)還有大幅改進與提高的空間，關(guān)鍵在于提高集熱效率和降低熱損系數(shù)。由于選擇性鍍層的吸收率大小決定了整個集熱器的集熱效率，其發(fā)射率則決定了熱損系數(shù)的高低，因而，最主要的改善途徑就是提高選擇性鍍層吸熱板的太陽光吸收率和降低紅外發(fā)射率。然而，由于現(xiàn)有的技術(shù)途徑是希望在同一個材料體系上實現(xiàn)對于太陽光的高吸收率與中波紅外的低發(fā)射率，需要在同一材料體系同時優(yōu)化好這二方面性能是當(dāng)前整個國內(nèi)外產(chǎn)業(yè)界都在努力的方向，同時還在成本和耐侯性方面對整個材料體系提出了盡可能成本低、耐侯性好的要求。本發(fā)明專利就是針對這些問題提出了一種新的途徑。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有平板太陽能集熱器技術(shù)和產(chǎn)品的不足，本發(fā)明公開了一種將紅外低發(fā)射與太陽光高吸收兩種關(guān)鍵功能分離開來的平板太陽能集熱器結(jié)構(gòu)，二者可以分別做到最佳，而且具有相對較低的成本和良好的耐侯性能。因此可以很好地解決現(xiàn)有關(guān)鍵吸收層無法兼顧高吸收和低發(fā)射功能的難題，在提高太陽能集熱效率的同時，降低輻射損失，達到進一步高效利用太陽能的目的。實現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)方案是一種平板太陽能集熱器，自底層到頂層依次由隔熱層、工作介質(zhì)、金屬基板、吸收膜及低輻射模塊構(gòu)成；隔熱層位于集熱器最底層；隔熱層上部包覆的是盛裝工作介質(zhì)的銅質(zhì)介質(zhì)管或介質(zhì)腔，介質(zhì)管或介質(zhì)腔則布設(shè)焊接于金屬基板的下部；吸收膜沉積于金屬基板上部，低輻射模塊覆蓋于吸收膜上部。所述低輻射模塊自下而上依次由鍍膜玻璃、沉積在鍍膜玻璃上的低發(fā)射率膜、位于低發(fā)射率膜上方的中空層、支撐中空層的密封條，以及由密封條連接的位于中空層上方的上層玻璃組成。本發(fā)明所公開的平板太陽能集熱器結(jié)構(gòu)的基本工作原理是陽光通過低輻射模塊入射到吸收膜上，被吸收膜全部吸收后轉(zhuǎn)化為熱量，通過導(dǎo)熱性良好的金屬基板將熱量傳遞至工作介質(zhì)，將工作介質(zhì)加熱，并由工作介質(zhì)將熱量帶走至儲熱水箱的換熱器進行循環(huán)換熱，最終將水箱中的水加熱使用。由于工作時平板太陽能集熱器中溫度最高的吸收膜和工作介質(zhì)的下部有隔熱層，防止熱量由下部逃逸損失；上部有導(dǎo)熱性差的玻璃及中空的低輻射模塊，防止了熱量由上部的傳導(dǎo)及輻射損失，大大降低了產(chǎn)品的熱損系數(shù)。所述的隔熱層采用保溫性能好，即熱導(dǎo)率小的材料，不易變形或揮發(fā)，不產(chǎn)生有毒氣體、不吸收，通常要求熱導(dǎo)率不大于O. 06W/(m · °C ) O可選用的材料有巖棉、玻璃棉、聚氨酯、發(fā)泡劑、聚苯乙烯、氣凝膠或酚醛泡沫?？筛鶕?jù)工作溫度選用合適的隔熱材料。所述的工作介質(zhì)為導(dǎo)熱流體，優(yōu)選的，所述的工作介質(zhì)為防凍液，可使用泵驅(qū)動防凍液在平板太陽能集熱器及儲熱水箱的換熱器間循環(huán)換熱，這樣可以從根本上解決平板太陽能集熱器中水的凍結(jié)與凍壞問題，同時可消除平板太陽能集熱器中水結(jié)垢的問題。所述的金屬基板為鍍制吸收膜的基板,各種導(dǎo)熱性能好的Au、Ag、Cu、Al、Ni金屬或它們的合金及組合都可作為金屬基板，其組合方式可以是在其中一種金屬基板上鍍制另一種金屬膜。優(yōu)選的，以成本低的Al為基板、或紅外發(fā)射率低的Cu為基板、或成本與紅外發(fā)射率均較低的Al上鍍Cu膜為基板。所述的吸收膜為對發(fā)射率無限制要求的太陽光高吸收薄膜材料，由于太陽輻射能·主要分布在O. 3-2. 5Mm,常用的有禁帶寬度在O. 5eV (2. 5Mm)到I. 24eV (I. OMm)的半導(dǎo)體，如Si(l. IeV),Ge (O. 7eV)和PbS(0.4eV)等，對于太陽能的選擇性吸收才有意義。過渡金屬如Fe、Co、Ni、Zn、Cr和Mn等，其吸收機理類似于半導(dǎo)體，如黑鉻(CrOx)、黑鎳(NiS-ZnS)和黑鈷等吸收膜，以及NiCr。優(yōu)選的，以吸收率高的材料作為吸收膜，以提高平板太陽能集熱器的集熱效率，如NiOx、CrNxOy, TiNxOy, AINxOy, AlCuFe，最大吸收率接近99 %。所述的鍍膜玻璃為可鍍制低發(fā)射膜的普通玻璃、建筑玻璃或浮法玻璃，厚度為2 20mm。優(yōu)選的，以表面平整度很好的浮法玻璃作為鍍膜玻璃。所述的低發(fā)射膜是為了防止平板太陽能集熱器通過吸收膜收集到的太陽能以輻射的形式逃逸掉，以降低整個集熱器的熱損系數(shù)，提高熱利用效率，可以采用低輻射單層膜或多層復(fù)合膜，如單銀膜系、雙銀膜系和三銀膜系。優(yōu)選的，以發(fā)射率能小于5%、成本較低的單銀膜系作為低發(fā)射膜鍍制在鍍膜玻璃上。所述的密封條是耐候的密封條。所述的中空層是密封在鍍膜玻璃和上層玻璃之間的中空層，包括空氣、氮氣和惰性氣體氦氣、氖氣、気氣、氪氣、氣氣、氡氣，也可以抽成真空；其作用主要有兩個方面1)保護鍍膜玻璃上所鍍制的低發(fā)射膜，避免其氧化或變性；2)起到隔熱和降低熱損失的作用。優(yōu)選的，中空層可以抽成真空，以顯著降低整個集熱器的熱損系數(shù)。所述的上層玻璃材質(zhì)可與鍍膜玻璃相同，也可不同；厚度可以與鍍膜玻璃相同，也可不同，其厚度在確保足夠強度的前提下盡可能薄，以提高陽光的透光率。優(yōu)選的，上層玻璃采用鋼化玻璃，在保證透過率的同時，提高整個太陽能集熱器的安全性?；诒景l(fā)明集熱器結(jié)構(gòu)空燒溫度的理論計算采用有限元分析法，計算過程如下
(1)首先構(gòu)造本發(fā)明的集熱器結(jié)構(gòu)模型；
(2)然后設(shè)置此結(jié)構(gòu)中各個參量及其邊界約束條件。包括太陽入射面的熱傳導(dǎo)、對流、輻射，玻璃熱傳導(dǎo)系數(shù)，空氣熱傳導(dǎo)系數(shù)，空氣層兩側(cè)的熱輻射效應(yīng)，集熱器中吸收層的吸收率和發(fā)射率；
(3)最后利用有限元分析法中的熱分析模塊分別計算吸收層不同輻射率及吸收率下本發(fā)明集熱器結(jié)構(gòu)的空燒溫度；
(4)本計算采用AMl. 5標(biāo)準(zhǔn)太陽能輻照地球功率為1000 W/m2。
下表是利用有限元分析法計算本發(fā)明集熱器結(jié)構(gòu)空燒溫度的結(jié)果，其中橫向表示輻射率一定的情況下，空燒溫度隨太陽光輻照的變化(即隨吸收系數(shù)的變化。例如，900 W/m2轉(zhuǎn)化成吸收率為90% ；800 W/m2轉(zhuǎn)化成吸收率為80%，以此類推)；縱向表示太陽光照一定的情況下，空燒溫度隨輻射率變化。
權(quán)利要求
1.一種平板太陽能集熱器，其特征在于自底層到頂層依次由隔熱層(I)、工作介質(zhì)(2)、金屬基板(3)、吸收膜(4)及低輻射模塊(5)構(gòu)成；隔熱層(I)位于集熱器最底層；隔熱層(I)上部包覆的是盛裝工作介質(zhì)(2)的銅質(zhì)介質(zhì)管或介質(zhì)腔，介質(zhì)管或介質(zhì)腔則布設(shè)焊接于金屬基板(3)的下部；吸收膜(4)沉積于金屬基板(3)上部，低輻射模塊(5)覆蓋于吸收膜(4)上部。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種平板太陽能集熱器，其特征在于所述隔熱層(I)的材料是巖棉、玻璃棉、聚氨酯、發(fā)泡劑、聚苯乙烯、氣凝膠或酚醛泡沫的任一種或多種。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種平板太陽能集熱器，其特征在于所述工作介質(zhì)(2)是水、防凍液或油類之一的導(dǎo)熱流體。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種平板太陽能集熱器，其特征在于所述金屬基板(3)的材料是Au、Ag、Cu、Al、Ni或不銹鋼金屬之一，或它們的合金，或它們的組合；所述組合的方式是在其中一種金屬基板上鍍制另一種金屬膜。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種平板太陽能集熱器，其特征在于所述金屬基板(3)的材料是Al、Cu、或Al上鍍Cu膜。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種平板太陽能集熱器，其特征在于所述吸收膜(4)材料是對發(fā)射率無限制要求的太陽光高吸收薄膜材料，根據(jù)不同的使用溫度范圍，選取不同吸收率的薄膜材料；包括Si、Ge、PbS、黑鉻(CrOx)、黑鎳(NiS-ZnS)、黑鈷(CoOx)、黑銅(CuOx)、NiCr, NiOx, CrNxOy, TiNxOy, AlNxOy, AlCuFe, AlN-Al 或 Fe304。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種平板太陽能集熱器，其特征在于以吸收率高的材料作為吸收膜，優(yōu)選 Ni0x、CrNx0y、TiNx0y、AlNx0 或 AlCuFe。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種平板太陽能集熱器，其特征在于所述低輻射模塊(5)自下而上依次由鍍膜玻璃(51)、沉積在鍍膜玻璃(51)上的低發(fā)射率膜(52 )、位于低發(fā)射率膜(52)上方的中空層(54)、支撐中空層(54)的密封條(53)，以及由密封條連接的位于中空層上方的上層玻璃(55)組成。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種平板太陽能集熱器，其特征在于所述鍍膜玻璃(51)和上層玻璃(55)是厚度為2 20mm的普通浮法鋼化玻璃。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種平板太陽能集熱器，其特征在于所述低發(fā)射率膜(52)是采用低輻射的單層膜或多層復(fù)合膜。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的一種平板太陽能集熱器，其特征在于所述低發(fā)射率膜(52)是發(fā)射率小于5%的單銀膜系。
12.根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種平板太陽能集熱器，其特征在于所述中空層(54)密封在鍍膜玻璃(51)和上層玻璃(55)之間，所述的中空層內(nèi)填充空氣、氮氣、惰性氣體或為真空。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種太陽能集熱器，自底層到頂層依次由隔熱層、工作介質(zhì)、金屬基板、吸收膜及低輻射模塊構(gòu)成；隔熱層位于集熱器最底層；隔熱層上部包覆的是盛裝工作介質(zhì)的銅質(zhì)介質(zhì)管或介質(zhì)腔，介質(zhì)管或介質(zhì)腔則布設(shè)焊接于金屬基板的下部；吸收膜沉積于金屬基板上部，低輻射模塊覆蓋于吸收膜上部。所述低輻射模塊自下而上依次由鍍膜玻璃、沉積在鍍膜玻璃上的低發(fā)射率膜、位于低發(fā)射率膜上方的中空層、支撐中空層的密封條，以及由密封條連接的位于中空層上方的上層玻璃組成。本發(fā)明顯著提升了平板太陽能集熱器的性能與效率，極大地拓展了平板太陽能集熱器的適用范圍。
文檔編號F24J2/48GK102954603SQ20121051524
公開日2013年3月6日 申請日期2012年12月5日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月5日
發(fā)明者陸衛(wèi), 王少偉, 俞立明, 王曉芳, 陳飛良 申請人:中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所, 上海德福光電技術(shù)有限公司