專利名稱：蜂巢基底金字塔陣列太陽(yáng)能集熱裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于多用途太陽(yáng)能高效再生利用裝置。
在本發(fā)明實(shí)施以前，當(dāng)前市場(chǎng)上流行的太陽(yáng)能集熱器大體有兩種類型，即平板悶曬型和真空管集熱型。從它們的集熱原理上講兩種類型無(wú)實(shí)質(zhì)性差別，都是利用陽(yáng)光的一次反射吸熱，所以可以統(tǒng)稱之謂單次反射吸收型集熱裝置。該類裝置主要寄希望于表面黑色涂層物質(zhì)的吸收系數(shù)的提高，這是制約該類型裝置光熱轉(zhuǎn)換效率提高的主要困難所在。
本設(shè)計(jì)目的是提供一種全新式高能量利用率的多用途太陽(yáng)能集熱裝置。太陽(yáng)能高能量利用率的關(guān)鍵在于如何高效地吸收太陽(yáng)能。根據(jù)輻射熱力學(xué)的基爾霍夫熱平衡輻射定律而定義的絕對(duì)黑體模型就是本設(shè)計(jì)的指導(dǎo)模型。
實(shí)現(xiàn)黑體的最好方式是在一空腔壁上開(kāi)一小孔，然而小孔的通光孔徑卻極大地限制了黑體腔吸收太陽(yáng)能的通量，因而是不可取的。為了既增加吸收能量通量的面積又能保證入射的太陽(yáng)能被充分地吸收，本設(shè)計(jì)方案采用另一種黑體裝置，即開(kāi)口反射面裝置，如剖面圖(一)所示，控制較小的開(kāi)口角度，且反射面終端距頂點(diǎn)足夠遠(yuǎn)，就原則上可以保證以任何角度入射的太陽(yáng)光，少則被反射吸收幾次，十幾次，多則可達(dá)幾十次，這樣當(dāng)反射面上涂敷具有較大吸收系數(shù)的物質(zhì)后，入射的太陽(yáng)光能量幾乎全被吸收，逃逸掉的能量已微乎其微，從而接近于黑體吸收。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是將集熱器的平面基底面積分割成蜂巢狀的正六邊形小塊，在每一正六邊形基面上豎立一正六棱錐面形成金字塔陣列狀，眾多相鄰的六棱錐面之間便構(gòu)成了陣列型的開(kāi)口反射腔體集合，這便是蜂巢基底金字塔陣列太陽(yáng)能集熱裝置名稱的由來(lái)?；妆环指畛烧呅畏涑矤铍m然不是唯一的分割方式，但相對(duì)于正三角形分割、正方形分割或長(zhǎng)方形分割來(lái)說(shuō)，只有蜂巢狀分割豎起的正六棱錐面的反射面數(shù)多且整個(gè)陣列結(jié)構(gòu)緊湊，反射光逃逸掉的幾率相對(duì)最小。只要錐體的高度設(shè)計(jì)得保證相鄰兩六棱錐面間的夾角處于20°左右，則一個(gè)正六棱錐體的側(cè)表面積之和的受照面比基底正六邊形面積至少增大六倍以上。這就是本裝置所具有的原理性的優(yōu)越性，即通過(guò)大量增加反射吸收次數(shù)和吸收面積的途徑，從而最大限度地體現(xiàn)輻射吸收的基本原理，因而也最大限度地提高了對(duì)太陽(yáng)能的利用率。因此本裝置屬于(絕對(duì))黑體吸收型集熱裝置。
本發(fā)明用于熱水器的具體實(shí)施方案可分為外置水腔式和內(nèi)置水腔式兩種。外置水腔式方案如部分剖面圖(二)所示，用工程塑料通過(guò)鋼模澆鑄成六棱錐金字塔陣列體[部分剖面示意圖(二)4]，其表面涂敷高吸收系數(shù)的物質(zhì)形成開(kāi)口黑體吸收腔，再用透明玻璃通過(guò)模具做成雙層中空的六棱錐體[部分剖面示意圖(二)2]，且能密實(shí)地放在開(kāi)口黑體吸收腔體上，亦可以直接在透明玻璃的基底六棱錐面上涂敷高吸收系數(shù)的物質(zhì)，使其自身形成黑體吸收腔。雙層玻璃中的空腔[部分剖面示意圖(二)3]為連通的儲(chǔ)水腔體，供黑體加熱。玻璃腔體的各六棱錐頂端自下而上通過(guò)玻璃管道連通，以使被加熱的較輕的熱水能沿此管道交換進(jìn)入儲(chǔ)水保溫桶[部分剖面示意圖(二)1]，形成冷熱水循環(huán)通道。整個(gè)玻璃腔體應(yīng)被鋼化，以保證能夠承受足夠的壓力和載荷。
內(nèi)置水腔式方案如部分剖面示意圖(三)所示，與外置水腔式方案不同的是在用工程塑料澆濤成的金字塔陣列體的上表面涂敷高反射系數(shù)的銀色涂層[部分剖面示意圖(三)4]，其上罩上用良導(dǎo)熱性能的鋁質(zhì)或銅質(zhì)材料燒鑄成的六棱錐金字塔陣列體[部分剖面示意圖(三)2]，與工程塑料陣列體結(jié)合形成夾層內(nèi)水腔[部分剖面示意圖(三)3]，鋁質(zhì)腔體表面涂敷高吸收系數(shù)的物質(zhì)形成黑體吸收腔，腔體的各六棱頂端亦自下而上連通形成冷熱水循環(huán)通道[部分剖面示意圖(三)1]。
兩種方案的共同之處是均利用了黑體吸收集熱裝置，不同的是外置水腔式方案中的水既直接接受太陽(yáng)能的輻射熱，又接受集熱黑體腔的輻射熱，而內(nèi)置水腔式方案中的水只接受集熱黑體腔向內(nèi)的傳導(dǎo)熱和輻射熱。
本熱水器裝置的外置水腔式或內(nèi)置水腔式的產(chǎn)品設(shè)計(jì)均可按單元塊設(shè)計(jì)，例如設(shè)計(jì)成80cm×80cm的單元塊，可根據(jù)用戶需要的安裝面積如同拼裝地面磚一樣連成一整體。
本發(fā)明的熱水器裝置的高光熱轉(zhuǎn)換率，使其可以做為太陽(yáng)能致冷機(jī)的高溫?zé)嵩?，在同一基底面上，本裝置比單次反射吸收型裝置可以提供更多的熱功率，從而能大大提高致冷率，這對(duì)太陽(yáng)能環(huán)?？照{(diào)進(jìn)入辦公樓和家庭居室的普及化無(wú)疑是一個(gè)極好的福音。
本發(fā)明的金字塔陣列構(gòu)想可用于太陽(yáng)能暖房，即將平板玻璃改為單層或雙層中空的金字塔陣列狀玻璃。窄看起來(lái)好似這樣做并未增加通光孔徑，因而得不償失又如何能提高暖房溫度呢？其實(shí)不然。舉一個(gè)農(nóng)民廣泛使用的常識(shí)性技巧就清楚了，例如農(nóng)民涼曬糧食的時(shí)候，并不是將較厚的糧食層鋪平在曬場(chǎng)上，而是用木耥來(lái)回耙成山溝狀，目的是為了增大糧食的采光面積，雖然基底的平面面積(相當(dāng)于通光孔徑)保持不變。本裝置用于改革太陽(yáng)能暖房也就是基于這一無(wú)容置疑的常識(shí)。如果夾層玻璃內(nèi)充入水，則既能起到太陽(yáng)能熱水器的作用又保證了室內(nèi)采光，還能起到保暖作用，可謂一舉多得之事。
本發(fā)明的金字塔陣列裝置構(gòu)想還可用于太陽(yáng)能電池板的裝設(shè)。若將傳統(tǒng)的平面敷設(shè)太陽(yáng)能電池板的方式改為蜂巢基底金字塔陣列狀敷設(shè)，這不僅相當(dāng)于擴(kuò)大了數(shù)倍的電池板采光面積，而且基于黑體吸收機(jī)制將會(huì)大大增加太陽(yáng)能電池的容量和功率，這無(wú)疑會(huì)對(duì)光伏電站的擴(kuò)容，對(duì)太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)的機(jī)動(dòng)車的小型高效率開(kāi)辟實(shí)用化途徑，并進(jìn)而可應(yīng)用于衛(wèi)星及各種太空飛行器的太陽(yáng)能電池板的裝設(shè)。
權(quán)利要求
1.蜂巢基底金字塔陣列太陽(yáng)能集熱裝置，包括基于開(kāi)口反射面式黑體腔陣列，即將集熱器基底面分割成正六邊形，在每一正六邊形基面上豎立一正六棱錐面形成的金字塔陣列[側(cè)視結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖(四)4]，由透明玻璃或無(wú)色有機(jī)玻璃做成的外置式水腔[側(cè)視結(jié)構(gòu)圖(四)3]，熱水連通管道[側(cè)視結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖(四)2]，保溫儲(chǔ)水桶[側(cè)視結(jié)構(gòu)圖(四)1]，上、下循環(huán)水管[側(cè)視結(jié)構(gòu)圖(四)5]，支架[側(cè)視結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖(四)6]等基本部分組成。
2.按照權(quán)利要求1所述的金字塔陣列太陽(yáng)能集熱裝置，可做成由雙層鋼化透明玻璃或無(wú)色有機(jī)玻璃構(gòu)成的儲(chǔ)水腔體[部分剖面示意圖(二)3]，置于由工程塑料澆鑄成型的金字塔黑體腔[部分剖面示意圖(二)4]之上形成外置水腔式集熱裝置，既可以在玻璃儲(chǔ)水腔與工程塑料襯底相接觸的玻璃底面涂敷高吸收系數(shù)的物質(zhì)，也可以在工程塑料襯底的接觸面上涂敷高吸收系數(shù)的物質(zhì)以形成吸收并輻射的黑體腔。
3.按照權(quán)利要求1所述的金字塔陣列太陽(yáng)能集熱裝置，亦可做成由良導(dǎo)熱性能的銅、鋁、不銹鋼制成的六棱錐面金字塔陣列，采光表面涂敷具有較高吸收系數(shù)的黑色物質(zhì)以形成吸收黑體腔[部分剖面示意圖(三)2]，再與工程塑料制成的金字塔狀腔體[部分剖面示意圖(三)4]結(jié)合形成夾層[部分剖面示意圖(三)3]的內(nèi)置水腔式集熱裝置，工程塑料金字塔腔體靠近內(nèi)置水腔的表面應(yīng)涂敷一層銀色高反射系數(shù)的物質(zhì)形成光滑反射面，起到類似于杜瓦瓶膽的保溫作用。
4.按照權(quán)利要求2、3所述的外置水腔式和內(nèi)置水腔式集熱裝置，其水腔的各六棱錐體頂端應(yīng)自裝置的下端至上端逐個(gè)通過(guò)細(xì)管道相通，以保證被黑體腔輻射加熱的較輕的熱水能順利地自動(dòng)運(yùn)動(dòng)到儲(chǔ)水桶中形成冷熱水循環(huán)加熱通道[部分剖面示意圖(二)、(三)1]。
5.按照權(quán)利2、權(quán)利3所述的兩種類型的集熱裝置均可按標(biāo)準(zhǔn)單元塊設(shè)計(jì)成產(chǎn)品，形成拼裝單元以滿足客戶不同安裝面積的需要。
6.按照權(quán)利2所述的由鋼化玻璃或無(wú)色有機(jī)玻璃做成的外置水腔式集熱器的方案，可用于對(duì)太陽(yáng)暖房的改造，即將傳統(tǒng)的平板玻璃改裝上六棱錐面的單層或雙層中空的陣列狀透明玻璃窗，以增擴(kuò)采光面，提高光熱轉(zhuǎn)換效率。玻璃腔內(nèi)注入水后還可用于家庭居室的南陽(yáng)臺(tái)的受照面，冬季可起到保暖作用，夏季又起到防署降溫作用，即相當(dāng)于日光空調(diào)窗。
7.按照權(quán)利2、權(quán)利3所述的兩類型的集熱裝置可用于太陽(yáng)環(huán)保空調(diào)的致冷機(jī)的高溫?zé)嵩础?br> 8.按照權(quán)利1所述的蜂巢狀基底金字塔陣列的集熱裝置的構(gòu)想，可用于太陽(yáng)能電池板的裝設(shè)。改革傳統(tǒng)的平面敷設(shè)太陽(yáng)能電池板為蜂巢基底正六棱錐金字塔陣列狀敷設(shè)?？捎糜诠夥娬镜臄U(kuò)容，太陽(yáng)能電動(dòng)環(huán)保車，衛(wèi)星及各種太空飛行器的太陽(yáng)能電池板的裝設(shè)。
全文摘要
本發(fā)明在太陽(yáng)能再生利用領(lǐng)域內(nèi)提出了一種全新式高能量利用率的多用途太陽(yáng)能集熱裝置,名為蜂巢基底金字塔陣列集熱裝置。這是一種基于絕對(duì)黑體模型的開(kāi)口反射面型集熱腔陣列裝置。由蜂巢基底正六棱錐面系列形成的金字塔陣列構(gòu)成了本集熱裝置的主體。有外置水腔式和內(nèi)置水腔式兩種類型。本裝置的高光熱轉(zhuǎn)換率使集熱器既能作太陽(yáng)能熱水器又可做為太陽(yáng)環(huán)?？照{(diào)致冷的高溫?zé)嵩础１狙b置的設(shè)計(jì)構(gòu)想可用于太陽(yáng)暖房的改造,起到既采光保暖又取用熱水的功效,用于家庭居室南陽(yáng)臺(tái)受照面,還能起到冬季保暖夏季防暑降溫的日光空調(diào)窗的作用。本裝置的設(shè)計(jì)構(gòu)想可用于太陽(yáng)能電池板的敷設(shè),用于光伏電站的擴(kuò)容,太陽(yáng)能電動(dòng)環(huán)保車的小型化,衛(wèi)星及各種太空飛行器的太陽(yáng)能電池板的裝設(shè)以增加電力容量或功率。
文檔編號(hào)F24J2/48GK1291708SQ9912140
公開(kāi)日2001年4月18日 申請(qǐng)日期1999年10月8日 優(yōu)先權(quán)日1999年10月8日
發(fā)明者聶云 申請(qǐng)人:聶云