聚焦式太阳能集热器.pdf

本发明涉及太阳能集热器领域，公开一种聚焦式太阳能集热器，它包括储热装置，其特征在于，还包括脉动热管和反射聚光板，所述脉动热管置于所述反射聚光板的焦点处，所述脉动热管的冷凝端置于储热装置内。本发明采用脉动热管集热，传热形式为相变与对流结合，具有更高的热流密度，而且受重力影响小，非常适合与建筑物屋顶、壁面、阳台结合，节约安装空间。本发明适宜作为家用热水器，也可以块式组合实现大面积高温集热。

权利要求书
1.  一种聚焦式太阳能集热器，包括储热装置，其特征在于，还包括脉动热管和反射聚光板，所述脉动热管置于所述反射聚光板的焦点处，所述脉动热管的冷凝端置于储热装置内。

2.  根据权利要求1所述的一种聚焦式太阳能集热器，其特征在于，所述反射聚光板为抛物面或半圆形面，所述反射聚光板镀有反射材料银。

3.  根据权利要求1所述的一种聚焦式太阳能集热器，其特征在于，所述脉动热管由铜或铝或铜合金或铝合金的毛细管弯曲而成。

4.  根据权利要求1所述的一种聚焦式太阳能集热器，其特征在于，所述脉动热管表面涂敷具有高透过性可见光的选择性涂层。

5.  根据权利要求4所述的一种聚焦式太阳能集热器，其特征在于，所述选择性涂层是半导体涂层或光干涉涂层或米氏散射涂层或多孔涂层。

6.  根据权利要求5所述的一种聚焦式太阳能集热器，其特征在于，所述半导体涂层为硅(Si)或黑铬(CrxOy)或氧化铁(Fe3O4)。

7.  根据权利要求5所述的一种聚焦式太阳能集热器，其特征在于，所述光干涉涂层为氧化铝-氧化钼-氧化铝(Al2O3-Mox-Al2O3、AMA)三层膜涂层。

8.  根据权利要求5所述的一种聚焦式太阳能集热器，其特征在于，所述多孔涂层为具有林曼状结构的铜-氧化铜(Cu-CuO)涂层。

9.  根据权利要求1所述的一种聚焦式太阳能集热器，其特征在于，所述脉动热管内充注有占管内体积30％～70％的传热工质。

10.  根据权利要求1所述的一种聚焦式太阳能集热器，其特征在于，所述脉动热管优先采用回路型脉动热管。

说明书聚焦式太阳能集热器
技术领域
本发明涉及太阳能集热器领域，尤其涉及一种聚焦式太阳能集热器。
背景技术
太阳能热水器是太阳能热利用的主要产品之一。目前，普及最广的太阳能热水器是全玻璃真空管热水器和热管真空管热水器。全玻璃真空管太阳能热水器，靠自然对流换热、集热，换热效率较低。热管真空管热水器是在玻璃真空管内部插入一根金属热管，热管的另一端(冷凝端)插入水箱。这两种形式热水器的集热管都采用单层或者双层玻璃管真空保温，工艺复杂；集热真空管尺寸在Φ47mm以上，整个集热面较厚；热水器受重力影响大，集热段必须在水箱的下部，安装需要专门空间，不适合与建筑物表面结合；而且成本高，市场价格在1000元/m2以上，限制了在农村地区的大面积普及，经济效益和社会效益受到限制。
聚焦型热管式热水器，目前市场上还没有成熟的产品。中国专利文献CN1746590A和CN2937941Y提出在双层玻璃管内部加反射镜进行聚焦，但是工艺比较复杂，而且热管是单根形式，主要靠自然对流换热，热效率较低，水的自然对流换热系数一般在200～1000W/(m2·K)而强制对流换热的换热系数为1000～15000W/(m2·K)；中国专利文献CN2674360Y提出利用菲涅耳透镜聚焦，菲涅耳透镜本身透光率在0.9左右，同时聚焦时有部分光被散射，没有反射聚焦效率高，而且加工成本高，难度大。
发明内容
本发明的目的在于针对上述技术缺陷，提供一种新型聚焦式太阳能集热器。它工艺简单，成本低廉，热效率高，而且受重力影响小，可以与建筑物表面结合，不需要专门的安装空间。
本发明的工作原理是利用脉动热管来实现换热。脉动热管是上世纪90年代提出的一种新型高效热管(Akachi H.Looped Cappillary Patent.JapanesePatent，No.Hci697147)，该发明的初衷是针对大功率电子芯片的冷却而设计。它是将一根毛细管抽真空，根据需要将其弯成蛇形结构，然后充注部分工作介质(如水、氟利昂、乙醇等)，在管内就会形成间歇的气塞和液塞。脉动热管按照各部分吸热与放热可以分为集热段、绝热段和冷凝段三部分，绝热段可以省略。其工作原理为：集热段管内液体工质受热气化，气体工质吸热膨胀，集热端压力升高推动工质脉动涌向冷凝段，冷凝端工质冷凝，气体工质放热，压力降低，由于管内气塞和液柱分布不均匀，导致脉动热管沿程的压力分布不均匀，管内工质会形成有脉动的循环，将热量从集热端传递到冷凝端，从而实现高效的热量传递。工质在脉动热管内的循环有很大的随机性，实际工作过程中顺时针和逆时针方向循环都是随机发生，而且循环方向也是随机改变的。脉动热管按照其封装形式，可以分为回路型(Looped)和非回路型(Unlooped)两种。
根据上述工作原理，本发明的技术解决方案是这样实现的，一种聚焦式太阳能集热器，包括储热装置，其特征在于，还包括脉动热管和反射聚光板，所述脉动热管置于所述反射聚光板的焦点处，所述脉动热管的冷凝端置于储热装置内。
所述反射聚光板为抛物面或半圆形面，所述反射聚光板镀有反射材料；所述反射材料为银。
所述脉动热管由铜或其合金、铝或其合金毛细管弯曲而成；所述脉动热管表面涂敷具有高透过性可见光的选择性涂层；选择性涂层可以是半导体涂层、光干涉涂层、米氏散射涂层、多孔涂层等；所述半导体涂层为硅(Si)、黑铬(CrxOy)、氧化铁(Fe3O4)等；光干涉涂层为氧化铝-氧化钼-氧化铝(Al2O3-Mox-Al2O3、AMA)三层膜涂层；米氏散射涂层为钼-氧化铝(Co-Al2O3)涂层、金-氧化铝(Au-Al2O3)涂层；多孔涂层为通过化学腐蚀在铜表面形成具有林曼状结构的铜-氧化铜(Cu-CuO)涂层。
所述脉动热管内充注有占管内体积30％～70％的传热工质；所述传热工质为水或乙醇或氟利昂。
所述脉动热管优先采用回路型脉动热管。
所述储热装置是储热水箱或者集热管。
本发明利用太阳光直接照射到抛物线聚焦板上，被反射聚焦到涂有选择性涂层的脉动热管，脉动热管吸收太阳光，加热集热段管内工质，将热量从集热端传递到冷凝端。本发明与传统的太阳能热水器相比：无需双层玻璃集热，结构简单，成本低廉；传热形式采用相变和对流相结合，工质脉动循环，比常规重力热管具有更高的热流密度；制造工艺简单，易封装，好加工，只需将合适管径的管子弯曲，就构成一根脉动热管；集热板厚度小，在5倍聚焦倍数下只需要10mm厚，非常适合与建筑物屋顶、壁面、阳台相结合；靠毛细作用和脉动力循环传热，集热性能受重力影响小，可以适合多角度安装或者跟踪阳光。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是聚焦式脉动热管太阳能集热器剖视图。
图3是脉动热管的两种基本形式，图3(a)为回路型脉动热管，图3(b)为非回路型脉动热管。
图4是集热器中脉动热管的4种具体布置形式。
图5是反射聚光板截面形状及脉动热管固定位置示意图。
图6是带单层保温玻璃的集热器横截面示意图。
图7是带双层保温玻璃的集热器横截面示意图。
图8是脉动热管安装角度示意图。
具体实施方式
参照图1，本发明的一种具体实施方式，脉动热管3采用铜质毛细管弯曲而成回路型，该脉动热管表面涂有选择性涂层Ni-Al2O3，该选择性涂层能对可见光透过性很高，而自身红外辐射很低，能富集太阳能。脉动热管3内抽真空(管内压力≤1×10-2Pa)，充注占管内体50％的水后密封。该脉动热管3的冷凝端置于储热水箱1中，其集热端置于储热水箱1外，并且回路型脉动热管3和储热水箱1连接处通过密封件6密封。反射聚光板4与储热水箱1固定连接，该反射聚光板4为一组并排的抛物面，其表面镀有反光材料银。脉动热管3通过卡子2和螺栓5固定在反射聚光板4上的对应抛物面焦点处。
脉动热管3也可以采用铝、铝合金、铜、铜合金，其内径D根据管内工质的不同，满足D≤1.83σg(ρl-ρv)]]>，σ为工质的表面张力，g为重力加速度，ρl为工质饱和液体密度，ρv为工质饱和气体密度，例如，如果以水作为工质，脉动热管的内径应满足D≤4.6mm。脉动热管3内抽真空后可充注占管内体积30％～70％的传热工质，该传热工质根据集热温度的不同，可以选择水、酒精、氟利昂等。脉动热管3表面的选择性涂层可以是半导体涂层、光干涉涂层、米氏散射涂层、多孔涂层等。所述半导体涂层可以为硅(Si)、黑铬(CrxOy)、氧化铁(Fe3O4)等；光干涉涂层可以为氧化铝～氧化钼～氧化铝(Al2O3-Mox-Al2O3、AMA)三层膜涂层；米氏散射涂层可以为为钼-氧化铝(Co～Al2O3)涂层、金-氧化铝(Au-Al2O3)涂层等；多孔涂层为通过化学腐蚀在铜表面形成具有林曼状结构的铜-氧化铜(Cu-CuO)涂层。
参照图2和图5，太阳光直接照射到抛物线聚焦板4上，被反射聚焦到在焦点处的涂有选择性涂层的脉动热管3，脉动热管3管内液体工质受热气化，气体工质吸热膨胀，集热端压力升高推动工质脉动涌向冷凝端，冷凝端工质冷凝，气体工质放热，压力降低，由于管内气塞7和液柱8分布不均匀，导致压力分布不均匀，管内工质会形成有脉动的循环，将热量从集热端传递到冷凝端9，从而实现了加热热水的目的。工质在脉动热管内的循环有很大的随机性，实际工作过程中顺时针和逆时针方向循环都是随机发生，而且循环方向也是随机改变的。
参照图3，脉动热管具体封装形式有两种，首尾相接的为回路型脉动热管(如图3a所示)，管内工质会在管内形成循环脉动；另一种是非回路型脉动热管(如图3b所示)，管内工质会在管内脉动，不能完成循环脉动，但是会发生几秒钟的单向脉动流动，随后脉动流动方向会相反，如此反复。
参照图4，脉动热管的弯曲布置形式可以有四种，对回路型脉动热管来讲，可以将长横管道封入集热水箱1内部(如图4(a)所示)，作为冷凝段，也可以倒置，封在水箱1外部(如图4(c)所示)，作为集热段；对非回路型脉动热管，其封头可以封装在水箱1内(如图4(b)所示)，也可以倒置(如图4(d)所示)。
参照图5，脉动热管3被固定于反射聚焦面焦点处，反射聚焦面4的截面形状满足y＝4fx2。阳光垂直入射，经反射聚焦面4反射聚焦后垂直入射到脉动热管3表面，通过脉动热管3表面的选择性涂层，热量被管内工质吸收。
参照图6，在脉动热管3上平面加盖单层保温玻璃10，减少脉动热管对外的热量损失。反射聚焦面4下层为聚氨酯泡沫保温层11，起到保温作用。参照图7，脉动热管3上平面的保温玻璃也可以是两层的，更能减少脉动热管对外的红外辐射，起到保温作用。
参照图8(a)、图8(b)，脉动热管受热面与水平面的夹角θ的范围为0°～90°。例如脉动热管3和反射聚焦板4紧贴竖直建筑物表面(阳台外表面)的时候，脉动热管与水平面的夹角为90°。