[發明專利]一種具有膜孔結構的太陽能集熱器

有效

• 申請號: 201410366418.4
• 申請日: 2014-07-29
• 公開（公告）號: CN104121709A
• 公開（公告）日: 2014-10-29
• 發明（設計）人: 屈治國;周亮;高懷斌
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: F24J2/34
• 分類號: F24J2/34;F24J2/48;F24J2/46
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司 61200
• 代理人: 陸萬壽

技術領域

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

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℃。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。

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

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。

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。

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°。

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0.2～6μm。

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200～2000μm。

所述透明外層為導熱系數為0.1～1.0，厚度為100～1000μm的塑料。

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鋁。

相變材料層的材質為石蠟。

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。

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。