一種具有膜孔結構的太陽能集熱器的制造方法
【專利摘要】一種具有膜孔結構太陽能集熱器，包括上端開口的保溫箱，保溫箱內設置有相變材料層，相變材料層的內部設置有蛇形管，相變材料層的頂部設置有圓錐狀金屬泡沫層，圓錐狀金屬泡沫層的外壁上包裹有能夠透光的透明外層；相變材料層中添加有金屬泡沫。本發明中金屬泡沫結構大量增加了集熱區域內空氣的含量，將空氣層劃分為較小的容積，防止對流造成的熱損失。太陽可以透過透明外層照射到圓錐形金屬泡沫層，圓錐形金屬泡沫層起到吸熱器的作用，將光能轉化為熱能，同時透明外層還起到隔熱層的作用，防止集熱器內熱量向外界散發。本發明可以實現太陽輻射高效吸收并快速儲能的目的，可廣泛應用于烘干、食品加工、或家庭供暖及做飯等。
【專利說明】一種具有膜孔結構的太陽能集熱器

【技術領域】
[0001] 本發明屬于太陽能【技術領域】，涉及一種能夠儲存能量的集熱器裝置，具體涉及一 種具有膜孔結構的太陽能集熱器。

【背景技術】
[0002] 目前，太陽能的利用主要由熱能吸收和光電轉換，現在較成熟的熱能吸收技術是 玻璃真空管集熱器，通過真空玻璃管將采集到的太陽能轉化為熱能對真空玻璃管中的水進 行加熱，以獲得所需要的熱水。但該結構的太陽能存在以下缺點：真空管內直接走水，一旦 真空玻璃管破碎，水會從真空玻璃管流出，一只真空玻璃管破碎就會導致整個集熱器無法 正常工作。此外，真空玻璃管本身很脆、不承壓，使其溫度不能過高，溫度最高到100°C。真 空管集熱器熱效率高達92%以上，真空保溫效果好，熱能損失小，但有效吸熱面積小，太陽 光利用率低。
[0003] 平板式集熱器有效吸熱面積大，但熱能損失也大。相變材料具有優良的儲熱性 能，將相變材料和平板集熱器結合不需要額外的儲熱水箱，不僅可以滿足建筑一體化的要 求，同時還能實現能量的持續供應以及供水的溫度恒定。但是目前現有的有機物相變材 料所固有的特點是導熱率小，傳熱太慢，導致儲能效果差，同時儲能效率低。特別是太陽 輻射的間斷性和不連續性以及相變材料熱導率低的問題，相變儲能的速度非常低。專利 200810123873. 6公開了 "一種含高孔隙率泡沫金屬的太陽平板集熱器"，在吸熱板下方設 置蛇形管、高孔隙率金屬泡沫和相變材料一體化結構，實現高效快速儲能，但是該專利未 能解決太陽能高效吸收的問題。如何充分利用太陽能資源，關鍵在于提高太陽能集熱器 的能量利用率和使用率，而其核心技術則是制備一種高吸收率、低發射率、廉價的選擇性吸 收結構。由于太陽光線與集熱器之間的夾角隨季節、時刻變化，大角度入射時，反射率接近 100% ;上下午日光偏斜時，入射光與集熱管表面的夾角變得更大，吸收率進一步降低。當 前，光線垂直入射時的吸收比已經難以進一步提高，改善光線非垂直入射時的吸收比，必將 成為提高光熱轉化效率的關鍵步驟。從輻射理論可知，黑體或灰體的吸收比，與光線的入射 角度無關。自然界并不存在理想的黑體或者灰體，但是尺寸與光波可以相比的粗糙表面可 以近似為灰體，制造接近理想灰體的粗糙吸收表面是解決問題的關鍵。


【發明內容】

[0004] 本發明目的是提供一種具有膜孔結構的太陽能集熱器，該集熱器集熱效果好、儲 能效率高、速度快、容量大。
[0005] 本發明為實現上述目的，采用如下的技術方案：包括上端開口的保溫箱，保溫箱內 設置有與保溫箱內壁相接觸的相變材料層，相變材料層的內部設置有蛇形管，相變材料層 的頂部設置有圓錐狀金屬泡沫層，圓錐狀金屬泡沫層的外壁上包裹有能夠透太陽光的透明 外層；其中，相變材料層中添加有金屬泡沫。
[0006] 所述圓錐狀金屬泡沫層包括若干由金屬泡沫形成的圓錐狀結構，每個圓錐狀結構 的外壁上包裹有能夠透過太陽光的透明外層，每個圓錐狀結構的錐角為20?150°。
[0007] 所述圓錐狀金屬泡沫層中金屬泡沫的孔隙率為0. 3?0. 9,孔徑為0. 2?6 μ m。
[0008] 所述相變材料層中添加的金屬泡沫的孔隙率為0.3?0.9,孔徑為200? 2000 μ m。
[0009] 所述透明外層為導熱系數為0. 1?1. 0,厚度為100?1000 μ m的塑料。
[0010] 所述圓錐狀金屬泡沫層中金屬泡沫和相變材料層中添加的金屬泡沫的材質均為 銅或者錯。
[0011] 相變材料層的材質為石蠟。
[0012] 與現有技術相比，本發明具有的有益效果：1.紅外以及可見光進入圓錐形金屬泡 沫層時，波長小于泡沫孔隙表面的特征尺寸，輻射進入金屬泡沫腔體并被吸收；金屬泡沫結 構還大量增加了集熱區域內空氣的含量，將空氣層劃分為較小的容積，防止對流造成的熱 損失。此外，透明外層的導熱系數很低，增加了隔熱的作用。在這一過程中，太陽可以透過 透明外層照射到圓錐形金屬泡沫層，圓錐形金屬泡沫層起到吸熱器的作用，將光能轉化為 熱能，同時透明外層還起到隔熱層的作用，防止集熱器內熱量向外界散發。2.采用相變材料 填充在保溫箱中，利用潛熱儲能具有很大的儲能能力，在相變儲能和釋放能量時，溫度變化 小，可以實現能量的持續穩定供應。3.有機物相變材料的熱導率低，傳熱慢，在有機物相變 材料中添加金屬泡沫，能夠極大的提高熱導率，強化傳熱效果。本發明可以實現太陽輻射高 效吸收并快速儲能的目的，可廣泛應用于烘干、食品加工、或家庭供暖及做飯等。
[0013] 進一步的，本發明中圓錐形金屬泡沫層與相變材料中添加的金屬泡沫孔徑逐漸增 大、一次成型，可實現太陽能高效吸收、快速存儲。另一方面相變材料中添加金屬泡沫還能 在有機物（石蠟）熔化過程中起到支撐集熱器的作用，防止集熱器的形變。
[0014] 本發明解決了太陽輻射吸收率低、熱損失大的問題，同時解決了太陽輻射的間斷 性和不連續性以及相變材料熱導率低的問題，有效提高了太陽輻射吸收效率、降低了熱損 失，同時還提高了相變儲能的速度和持續供能能力，為用戶節約了空間和費用。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0015] 圖1是本發明的具有膜孔結構的太陽能集熱器的結構示意圖；
[0016] 圖2是圖1中局部A的放大示意圖；
[0017] 圖3是圖1中沿B-B線的剖視圖；
[0018] 其中，1為透明外層，2為金屬泡沫層，3為相變材料層，4為金屬泡沫，5為保溫箱， 6為蛇形管。

【具體實施方式】
[0019] 下面結合附圖對本發明進行詳細說明。
[0020] 如圖1和圖2所示，本發明包括上端開口的保溫箱5，保溫箱由保溫材料制成，保溫 箱5內設置有與保溫箱內壁相接觸的相變材料層3,相變材料層3的內部設置有蛇形管6和 大孔徑的金屬泡沫4,大孔徑的金屬泡沫4的孔隙率為0. 3?0. 9,孔徑為200?2000 μ m。 相變材料層3的頂部設置有圓錐狀金屬泡沫層2,圓錐狀金屬泡沫層2的外壁上包裹有透明 外層1透明外層1為包裹在圓錐狀金屬泡沫層2上的能夠透過陽光的透明材料膜。其中， 所述金屬泡沫層2包括若干由金屬泡沫形成的圓錐狀結構，每個圓錐狀結構的外壁上包裹 有能夠透過太陽光的透明外層，每個圓錐狀結構中的錐角為20?150°。金屬泡沫層中的 金屬泡沫的孔隙率為〇. 3?0. 9,孔徑為0. 2?6 μ m。Golombok等研究發現當光線波長小 于表面特征尺度時，輻射進入腔體并被吸收；波長較長時，入射通量類似進入平面且發射率 降低。北極熊的毛發一般直徑為100-150 μ m，長度6-7cm，直徑的大概1/3為中空的孔隙結 構。太陽輻射能的99%是集中在200nm至3000nm的波長范圍內，其與北極熊的孔隙尺度相 當，北極熊可以有效通過毛發吸收外部的太陽光并蓄積至體內。本發明的太陽能集熱器的 上部透明外層1為耐高溫、低導熱系數的透明塑料，包裹在圓錐形金屬泡沫層上，該種結構 類似北極熊的毛發結構，光線波長小于金屬泡沫孔隙表面特征尺寸，輻射進入泡沫腔體并 被吸收。同時由于金屬泡沫增加了集熱區域內空氣的含量，并將空氣層劃分為較小的容積， 抑制熱量的散失。此外，外層透明層的導熱系數〇. 1-1.0,減小了熱量向外的散失。
[0021] 在這一過程中，太陽可以透過透明外層1照射到圓錐形金屬泡沫層2,圓錐形金屬 泡沫層2起到吸熱器的作用，將光能轉化為熱能，同時透明外層1還起到隔熱層的作用，防 止集熱器內熱量向外界散發。大孔金屬泡沫的孔隙率為〇. 3-0. 9,孔徑為200-2000 μ m，孔 徑相對較大，有利于熔化相變材料變為液體后的對流，強化液體與金屬泡沫多孔骨架之間 的對流換熱，同時圓錐狀金屬泡沫層中的金屬泡沫2與相變材料層3中添加的金屬泡沫4 的材質均為導熱系數高的銅或者鋁。圓錐狀金屬泡沫層中的金屬泡沫與相變材料層3中大 孔金屬泡沫孔徑逐漸增大、一次成型，且金屬泡沫由導熱系數高的銅或者鋁構成，可迅速將 熱量傳遞給相變材料和蛇形管內的流體介質。相變材料層3為熔點高、相變潛熱大的石蠟。
[0022] 本發明只有在圓錐狀泡沫區域的孔隙率為0. 3-0. 9,孔徑為0. 2-3 μ m，以及導熱 金屬泡沫的孔隙率為〇. 3-0. 9,孔徑為200-2000 μ m，才能達到最佳集熱、蓄熱和保溫效果。
[0023] 本發明的工作過程為：太陽光照射時透過透明外層進入圓錐狀金屬泡沫層中，然 后熱量傳遞給相變材料層，相變材料層中的相變材料發生相變時，加熱蛇形管中的水。本發 明可以實現太陽輻射高效吸收并快速儲能的目的，可廣泛應用于烘干、食品加工、或家庭供 暖及做飯等。
【權利要求】
1. 一種具有膜孔結構的太陽能集熱器，其特征在于，包括上端開口的保溫箱（5)，保溫 箱（5)內設置有與保溫箱（5)內壁相接觸的相變材料層（3)，相變材料層（3)的內部設置有 蛇形管（6)，相變材料層（3)的頂部設置有圓錐狀金屬泡沫層（2)，圓錐狀金屬泡沫層（2) 的外壁上包裹有能夠透太陽光的透明外層（1);其中，相變材料層（3)中添加有金屬泡沫 ⑷。
2. 根據權利要求1所述的一種具有膜孔結構的太陽能集熱器，其特征在于，所述圓錐 狀金屬泡沫層（2)包括若干由金屬泡沫形成的圓錐狀結構，每個圓錐狀結構的外壁上包裹 有能夠透過太陽光的透明外層，每個圓錐狀結構的錐角為20?150°。
3. 根據權利要求1或2所述的一種具有膜孔結構的太陽能集熱器，其特征在于，所述圓 錐狀金屬泡沫層（2)中金屬泡沫的孔隙率為0. 3?0. 9,孔徑為0. 2?6 μ m。
4. 根據權利要求1所述的一種具有膜孔結構的太陽能集熱器，其特征在于，所述相變 材料層（3)中添加的金屬泡沫（4)的孔隙率為0· 3?0· 9,孔徑為200?2000 μ m。
5. 根據權利要求1所述的一種具有膜孔結構的太陽能集熱器，其特征在于，所述透明 外層（1)為導熱系數為0. 1?1. 0,厚度為100?1000 μ m的塑料。
6. 根據權利要求1所述的一種具有膜孔結構的太陽能集熱器，其特征在于，所述圓錐 狀金屬泡沫層（2)中金屬泡沫和相變材料層（3)中添加的金屬泡沫（4)的材質均為銅或者 錯。
7. 根據權利要求1所述的一種具有膜孔結構的太陽能集熱器，其特征在于，相變材料 層（3)的材質為石蠟。
【文檔編號】F24J2/34GK104121709SQ201410366418
【公開日】2014年10月29日 申請日期:2014年7月29日 優先權日:2014年7月29日
【發明者】屈治國, 周亮, 高懷斌 申請人:西安交通大學