專利名稱：一種平板太陽能集熱器及其制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及太陽能熱利用技術(shù)領(lǐng)域，尤其是一種平板太陽能集熱器及其制作方法。
背景技術(shù)：
太陽能作為一種取之不竭的清潔可再生能源，已逐步成為替代常規(guī)化石能源的新型能源。太陽能光熱系統(tǒng)是成熟適用、清潔環(huán)保的重要新能源技術(shù)，推廣應(yīng)用太陽能光熱系統(tǒng)對滿足能源增長需要、保護(hù)環(huán)境、實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展具有重要作用。國內(nèi)太陽能熱水系統(tǒng)集熱器種類主要有平板型和全玻璃真空管型兩大類。真空管型集熱器目前占據(jù)國內(nèi)太陽能熱水器市場的90%以上。隨著新能源的推廣和普及以及與建筑一體化政策的實施，以及科技的進(jìn)步和發(fā)展直接推動人們對高品質(zhì)生活的需求，在城市建筑中，真空管產(chǎn)品在安裝高度、安全、承壓、結(jié)垢、管道質(zhì)量以及市容建設(shè)等方面遇到的瓶頸問題日益突顯。現(xiàn)有平板型集熱器傳熱面積較小，傳熱系數(shù)較低，不能達(dá)到較好的效果。目前市場上太陽能集熱器上的光熱涂層有如下幾種制備方法:陽極氧化法，電鍍黑鉻法，磁控濺射法等。陽極氧化法是將鋁片置于稀磷酸溶液中陽極氧化至表面形成多孔氧化膜，然后在硫酸鎳或硫酸亞錫溶液中交流電解，鎳(錫)離子還原沉積于氧化的孔隙中，形成具有選擇性吸收的表面；該法是屬于化學(xué)鍍的方法，產(chǎn)品生產(chǎn)過程中的廢液排放易造成環(huán)境污染。電鍍黑鉻法是采用電鍍方法在太陽能集熱板上制備黑鉻SSAC選擇性吸收涂層；電鍍廢液會造成環(huán)境污染，目前我國新上電鍍線已不再審批，國外同類生產(chǎn)線也紛紛停產(chǎn)。磁控濺射法用于太陽能真空集熱管技術(shù)的SSAC涂層目前以AlN-AlNx-Al涂層為主；該涂層使用反應(yīng)直流磁控濺射技術(shù)沉積，具有高吸收率(α =0.97)，低紅外輻射率，低成本，真空下高溫穩(wěn)定性好等優(yōu)點。磁控濺射法制造成本低，無污染，非常適合大批量工業(yè)化生產(chǎn)，由于該涂層耐候性能較差，不適于平板太陽能吸收板的使用。因此，對于太陽能集熱器涂層的開發(fā)研究也非常重要。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種平板太陽能集熱器及其制作方法，該集熱器整板都充滿導(dǎo)熱介質(zhì)，整體吸熱并進(jìn)行熱循環(huán)運動，具有較高的傳熱量和傳熱效率；波紋設(shè)計使流體在較低的流速下也能產(chǎn)生湍流，致使高溫流體對管壁和管壁對低溫流體的給熱系數(shù)較大，從而達(dá)到較高的傳熱效率，板芯主體的外表面還設(shè)有金屬混合體介質(zhì)膜層。應(yīng)用該生產(chǎn)方法生產(chǎn)出的平板太陽能集熱器吸收率較高、發(fā)射率較低,耐熱性,耐候性,耐濕性,耐腐蝕性等性能較優(yōu)異，并且具有較高的附著性和硬度。一種平板太陽能集熱器，包括太陽能板芯，所述太陽能板芯包括板芯主體、第一集管和第二集管，其特征是，所述板芯主體包括上板和下板；所述上板和下板均為波紋形狀，上板的下突起部和下板的上突起部一一對應(yīng)的密封固定連接，上板與下板之間形成若干條介質(zhì)流道。
進(jìn)一步的，所述板芯主體內(nèi)的若干條介質(zhì)流道相互平行；所述第一集管與各介質(zhì)流道的底端分別連通，且各介質(zhì)流道與第一集管的連通處的排列順序與各介質(zhì)流道的排列順序一致；第一集管的右端為介質(zhì)入口，第一集管的左端封閉；所述第二集管與各介質(zhì)流道的頂端分別連通，且各介質(zhì)流道與第二集管的連通處的排列順序與各介質(zhì)流道的排列順序一致；第二集管的左端為介質(zhì)出口，第二集管的右端封閉。更進(jìn)一步的，所述第一集管的介質(zhì)入口連通一延長管，該延長管在板芯主體外延長至第二集管的介質(zhì)出口處。此外，作為進(jìn)一步的技術(shù)方案，所述介質(zhì)流道的橫截面為兩段或多段弧線和/或直線連接而成的形狀。其中優(yōu)選的:所述介質(zhì)流道的橫截面為菱形。優(yōu)選的:所述介質(zhì)流道的橫截面為橢圓形。也可以:所述介質(zhì)流道的橫截面為圓形。優(yōu)選的:所述上板和下板為超純鐵素體不銹鋼；優(yōu)選的:所述板芯主體的外表面還設(shè)有金屬混合體介質(zhì)膜層。本發(fā)明還提供了一種平板太陽能集熱器的制作方法，包括板芯主體制作工序和金屬混合體介質(zhì)膜層的制作工序，其特征是，所述板芯主體制作工序包括如下步驟:I)對制作板芯主體所需的上板、下板下料并進(jìn)行預(yù)處理；2)對上板、下板進(jìn)行沖壓成型為波紋板；所述波紋板的上板、下板波紋形狀、尺寸相同；3)將上板、下板對應(yīng)扣合，上板的下突起部和下板的上突起部一一對應(yīng)接觸壓緊，上板與下板之間形成若干條介質(zhì)流道；介質(zhì)流道之間采用點焊密封固定連接；上板、下板的四周采用滾焊密封固定連接；所述金屬混合體介質(zhì)膜層的制作工序包括如下步驟:(I)將制作好的板芯主體進(jìn)行前處理，具體步驟包括:①酸洗:將制作好的板芯主體放入酸洗液中酸洗30s，所述酸洗液中各組分重量比為67%硝酸:氟化氫銨:氟化氫鈉:7jC =1.5:0.6:0.6:1 ；②前水洗:室溫空氣攪拌的條件下，將經(jīng)過酸洗的板芯主體進(jìn)行水洗；所述前水洗的補水量為200L/h ；(2)化學(xué)處理①配制化學(xué)處理液:按重量比稱取98%的硫酸，重鉻酸鈉，硫酸亞鐵和水，配制為溶液，轉(zhuǎn)移至表面處理槽中，所述98%的硫酸:水:重鉻酸鈉+硫酸亞鐵重量比為1.95:1:2.65，其中，重鉻酸鈉:硫酸亞鐵為1:1 ;②將經(jīng)過前處理的板芯主體放入盛有化學(xué)處理液的表面處理槽中浸潰lOmin，所述表面處理槽的處理條件為120°C高壓蒸汽浴加熱；(3)后處理:室溫空氣攪拌的條件下，將經(jīng)過化學(xué)處理的板芯主體進(jìn)行水洗；所述后處理的補水量為150L/h ；
(4)將經(jīng)過后處理的板芯主體進(jìn)行氣密性檢查。本發(fā)明具有以下突出的有益效果:(I)相比于銅管翅片平板集熱器板芯，該集熱器的板芯主體整板都充滿導(dǎo)熱介質(zhì)，整體吸熱并進(jìn)行熱循環(huán)運動，換熱面積較大。(2)換熱板片(即上板、下板)上為雙波紋波幅，在流速不大的條件下，可激起流體強烈的湍動；這種湍動比在一般換熱器中由高流速所引起的湍動能更有力地破壞邊界層，更有效地減少介面上液膜的熱阻，進(jìn)而增大傳熱系數(shù)，提高傳熱效率。(3)熱效率高，流道和作為換熱的平板是一體，采用一次模壓成型，不需要焊接，無結(jié)合熱阻。(4)介質(zhì)在右側(cè)進(jìn)入平板集熱器板芯主體的介質(zhì)流道，在介質(zhì)流道內(nèi)同程流動，傳熱比較均勻。(5)相比于陽極氧化法，電鍍黑鉻法，該制作方法降低了對環(huán)境的污染，比較簡單、易行。(6)該制作方法制備的一種平板太陽能集熱器吸收率較高、發(fā)射率較低，耐熱性，耐候性，耐濕性，耐腐蝕性等性能較優(yōu)異，并且具有較高的附著性和硬度。


附圖1是本發(fā)明中平板太陽能集熱器的板芯主體的實施例一的結(jié)構(gòu)示意圖；附圖2是圖1所示實施例一中介質(zhì)流道的橫截面示意圖；附圖3是本發(fā)明中平板太陽能集熱器實施例的結(jié)構(gòu)示意圖；附圖4是本發(fā)明中平板太陽能集熱器的板芯主體實施例二中介質(zhì)流道的橫截面示意圖；附圖5是本發(fā)明中平板太陽能集熱器的板芯主體實施例三中介質(zhì)流道的橫截面示意圖；附圖6是本發(fā)明的金屬混合體介質(zhì)膜層的制作工序示意圖；附圖標(biāo)記說明:I板芯主體，2上板，3下板，4下突起部，5上突起部，6介質(zhì)入口，7介質(zhì)出口，8第一集管，9延長管，10第二集管，11介質(zhì)流道。
具體實施例方式實施例一:如圖1 5所示，一種平板太陽能集熱器，包括太陽能板芯，所述太陽能板芯包括板芯主體1、第一集管8和第二集管10，所述板芯主體I包括上板2和下板3 ;所述上板2和下板3為超純鐵素體不銹鋼；所述上板2和下板3均為波紋形狀，上板2的下突起部4和下板3的上突起部5 —一對應(yīng)的密封固定連接，上板與下板之間形成若干條介質(zhì)流道11。該實施例中的介質(zhì)流道11的橫截面為菱形，如圖2所示，如此設(shè)置，在流速不大的條件下，可激起流體強烈的湍動；這種湍動比在一般換熱器中由高流速所引起的湍動能更有力地破壞邊界層，更有效地減少介面上液膜的熱阻，進(jìn)而增大傳熱系數(shù)，提高傳熱效率。所述板芯主體I內(nèi)的若干條介質(zhì)流道11相互平行。上板2和下板3為超純鐵素體不銹鋼即SUS444(OOCr 18Mo2)，超純鐵素體不銹鋼是一種超低碳氮、含18%鉻與2%鑰，高耐腐蝕。采用該種材料，可以避免焊接后的晶間腐蝕。該鋼種特別適合應(yīng)用于各種水處理裝置。如圖3所示，所述第一集管8與各介質(zhì)流道11的底端分別連通，且各介質(zhì)流道11與第一集管8的連通處的排列順序與各介質(zhì)流道的排列順序一致；第一集管8的右端為介質(zhì)入口 6，第一集管8的左端封閉；所述第二集管10與各介質(zhì)流道11的頂端分別連通，且各介質(zhì)流道11與第二集管10的連通處的排列順序與各介質(zhì)流道的排列順序一致；第二集管10的左端為介質(zhì)出口 7，第二集管10的右端封閉。上述設(shè)置方式，使得介質(zhì)在集熱器中循環(huán)的路徑長度相等，換熱充分、均勻。所述第一集管8的介質(zhì)入口 6連通一延長管9,該延長管9在板芯主體I外延長至第二集管10的介質(zhì)出口處。這樣可以方便與換熱器的連接。板芯主體的外表面還設(shè)有金屬混合體介質(zhì)膜層。制作上述平板太陽能集熱器的方法，包括板芯主體制作工序和金屬混合體介質(zhì)膜層的制作工序，板芯主體制作工序步驟如下:I)對制作板芯主體所需的上板、下板下料并進(jìn)行預(yù)處理；2)對上板、下板進(jìn)行沖壓成型為波紋板；其中，優(yōu)選的，波紋板的上板、下板波紋形狀、尺寸相同；這樣在加工過程中，可以加工單一的版型即可，也就是加工出來的板材即可作為上板也可作為下板，有利于簡化加工工藝，提高加工效率，降低加工成本。而且后續(xù)焊接也更方便。3)將上板、下板對應(yīng)扣合，上板的下突起部和下板的上突起部一一對應(yīng)接觸壓緊，上板與下板之間形成若干條介質(zhì)流道；介質(zhì)流道之間采用點焊密封固定連接；上板、下板的四周采用滾焊密封固定連接；金屬混合體介質(zhì)膜層的制作工序包括如下步驟:(I)將制作好的板芯主體進(jìn)行前處理，具體步驟包括:①酸洗:將制作好的板芯主體放入酸洗液中酸洗30s，所述酸洗液中各組分重量比為67%硝酸:氟化氫銨:氟化氫鈉:7jC =1.5:0.6:0.6:1 ；經(jīng)過酸洗后，板芯主體表面形成納米級空隙。②前水洗:室溫空氣攪拌的條件下，將經(jīng)過酸洗的板芯主體進(jìn)行水洗；所述前水洗的補水量為200L/h ；(2)化學(xué)處理①配制化學(xué)處理液:按重量比稱取98%的硫酸，重鉻酸鈉，硫酸亞鐵和水，配制為溶液，轉(zhuǎn)移至表面處理槽中，所述98%的硫酸:水:重鉻酸鈉+硫酸亞鐵重量比為1.95:1:2.65，其中，重鉻酸鈉:硫酸亞鐵為1:1 ;②將經(jīng)過前處理的板芯主體放入盛有化學(xué)處理液的表面處理槽中浸潰lOmin，所述表面處理槽的處理條件為120°C高壓蒸汽浴加熱；處理完成后，觀察表面處理顏色，成深藍(lán)色為最佳。在化學(xué)處理的過程中，在基體表面形成金屬混合體介質(zhì)膜層，金屬混合體介質(zhì)膜層的空隙填充物為鉻、鉻氧化物、鐵的硫化物的混合物，基體表面空隙的填充量為80%，可以最大程度降低放射率。(3)后處理:室溫空氣攪拌的條件下，將經(jīng)過化學(xué)處理的板芯主體進(jìn)行水洗；所述后處理的補水量為150L/h ；
(4)將經(jīng)過后處理的板芯主體進(jìn)行氣密性檢查。實施例二:該實施例與實施例一不同之處僅在于:所述介質(zhì)流道11的橫截面為橢圓形，如圖4所示。其余均相同，不再贅述。該實施例的平板太陽能集熱器的制作方法，也與實施例一的制作方法相同，只是由于上板、下板的沖壓后波紋形狀不同，需要更換相應(yīng)形狀的模具進(jìn)行沖壓成型，除此外，其余均相同，不再贅述。實施例三:·該實施例與實施例一不同之處僅在于:所述介質(zhì)流道11的橫截面為圓形，如圖4所示。其余均相同，不再贅述。但該種圓形橫截面在改變介質(zhì)流動方式(加大湍動)上效果不佳。該實施例的平板太陽能集熱器的制作方法，也與實施例一的制作方法也相同，只是由于上板、下板的沖壓后波紋形狀不同，需要更換相應(yīng)形狀的模具進(jìn)行沖壓成型，除此夕卜，其余均相同，不再贅述。由于本發(fā)明的介質(zhì)流道和介質(zhì)進(jìn)、出口位置設(shè)計，介質(zhì)在流道內(nèi)同程流動，傳熱更加均勻。流動截面形狀對換熱和阻力有很大的影響，在由層流向湍流過渡的過渡區(qū)中管道截面形狀對換熱也有較大的影響。在本發(fā)明的平板太陽能集熱器所用的波紋流道中，介質(zhì)流道的橫截面為兩段或多段弧線和/或直線連接而成的形狀，使流體在較低的流速下也能產(chǎn)生湍流，傳熱效率高，流體沿板間狹窄彎曲通道流動時，速度的大小與方向不斷地發(fā)生突然改變，在流速不大的條件下，可激起流體強烈的湍動。這種湍動比在一般換熱器中由高流速所引起的湍動能更有力地破壞邊界層，更有效地減少介面上液膜的熱阻。同時，這種湍動還能使流體在換熱面均勻地分布，更有利于熱交換。按照上述制作方法制備出的平板太陽能集熱器的性能:各種性能指標(biāo)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出國家標(biāo)準(zhǔn)，200°C、3000小時、吸收率的下降在3%以內(nèi)。下表I為本發(fā)明所述制備方法制備的平板太陽能集熱器空曬時達(dá)到的溫度列表。表1.空曬時達(dá)到的溫度列表
權(quán)利要求
1.一種平板太陽能集熱器，包括太陽能板芯，所述太陽能板芯包括板芯主體、第一集管和第二集管，其特征是，所述板芯主體包括上板和下板；所述上板和下板均為波紋形狀，上板的下突起部和下板的上突起部一一對應(yīng)的密封固定連接，上板與下板之間形成若干條介質(zhì)流道。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種平板太陽能集熱器，其特征是，所述板芯主體內(nèi)的若干條介質(zhì)流道相互平行； 所述第一集管與各介質(zhì)流道的底端分別連通，且各介質(zhì)流道與第一集管的連通處的排列順序與各介質(zhì)流道的排列順序一致；第一集管的右端為介質(zhì)入口，第一集管的左端封閉； 所述第二集管與各介質(zhì)流道的頂端分別連通，且各介質(zhì)流道與第二集管的連通處的排列順序與各介質(zhì)流道的排列順序一致；第二集管的左端為介質(zhì)出口，第二集管的右端封閉。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種平板太陽能集熱器，其特征是，所述第一集管的介質(zhì)入口連通一延長管，該延長管在板芯主體外延長至第二集管的介質(zhì)出口處。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種平板太陽能集熱器，其特征是，所述介質(zhì)流道的橫截面為兩段或多段弧線和/或直線連接而成的形狀。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種平板太陽能集熱器，其特征是，所述介質(zhì)流道的橫截面為菱形。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種平板太陽能集熱器，其特征是，所述介質(zhì)流道的橫截面為橢圓形。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種平板太陽能集熱器，其特征是，所述介質(zhì)流道的橫截面為圓形。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述 的一種平板太陽能集熱器，其特征是，所述上板和下板為超純鐵素體不銹鋼。
9.根據(jù)權(quán)利要求1 8任一權(quán)利要求所述的一種平板太陽能集熱器，其特征是，所述板芯主體的外表面還設(shè)有金屬混合體介質(zhì)膜層。
10.一種平板太陽能集熱器的制作方法，包括板芯主體制作工序和金屬混合體介質(zhì)膜層的制作工序，其特征是， 所述板芯主體制作工序包括如下步驟: 1)對制作板芯主體所需的上板、下板下料并進(jìn)行預(yù)處理； 2)對上板、下板進(jìn)行沖壓成型為波紋板； 所述波紋板的上板、下板波紋形狀、尺寸相同； 3)將上板、下板對應(yīng)扣合，上板的下突起部和下板的上突起部一一對應(yīng)接觸壓緊，上板與下板之間形成若干條介質(zhì)流道；介質(zhì)流道之間采用點焊密封固定連接；上板、下板的四周采用滾焊密封固定連接； 所述金屬混合體介質(zhì)膜層的制作工序的制作工序包括如下步驟: (I)將制作好的板芯主體進(jìn)行前處理，具體步驟包括: ①酸洗:將制作好的板芯主體放入酸洗液中酸洗30s，所述酸洗液中各組分重量比為67%硝酸:氟化氫銨:氟化氫鈉:7jC =1.5:0.6:0.6:1 ； ②前水洗:室溫空氣攪拌的條件下，將經(jīng)過酸洗的板芯主體進(jìn)行水洗；所述前水洗的補水量為200L/h ； (2)化學(xué)處理 ①配制化學(xué)處理液:按重量比稱取98%的硫酸，重鉻酸鈉，硫酸亞鐵和水，配制為溶液，轉(zhuǎn)移至表面處理槽中，所述98%的硫酸:水:重鉻酸鈉+硫酸亞鐵重量比為1.95:1:2.65，其中，重鉻酸鈉:硫酸亞鐵為1:1; ②將經(jīng)過前處理的板芯主體放入盛有化學(xué)處理液的表面處理槽中浸潰lOmin，所述表面處理槽的處理條件為120°C高壓蒸汽浴加熱； (3)后處理:室溫空氣攪拌的條件下，將經(jīng)過化學(xué)處理的板芯主體進(jìn)行水洗；所述后處理的補水量為150L/h ； (4)將經(jīng)過后處理的板芯主體 進(jìn)行氣密性檢查。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種平板太陽能集熱器及其制作方法，主要解決太陽能集熱器傳熱面積小，傳熱系數(shù)小，傳熱效果不好的問題。它包括太陽能板芯，所述太陽能板芯包括板芯主體、第一集管和第二集管，其特征是，所述板芯主體包括上板和下板；所述上板和下板均為波紋形狀，上板的下突起部和下板的上突起部一一對應(yīng)的密封固定連接，上板與下板之間形成若干條介質(zhì)流道；并且板芯主體的外表面還設(shè)有金屬混合體介質(zhì)膜，制作方法包括板芯主體制作工序和金屬混合體介質(zhì)膜層的制作工序。該方法制備的平板太陽能集熱器吸收率高、發(fā)射率低，耐熱性、耐候性、耐濕性、耐腐蝕性等性能較優(yōu)異，并且具有較高的附著性和硬度。
文檔編號F24J2/22GK103148601SQ201310102039
公開日2013年6月12日 申請日期2013年3月28日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月28日
發(fā)明者耿剛, 張敏, 王巍, 李賀飛 申請人:桑樂矢崎(山東)新能源有限公司