一種蝶式黑體太陽能光熱轉化器的制作方法

專利名稱：一種蝶式黑體太陽能光熱轉化器的制作方法
技術領域：
本發明涉及太陽能的熱利用，將太陽能轉化為熱能的器件，涉及利用黑體器件將 太陽能進行供暖、熱水、烹飪、發電、制冷、干燥等應用，特別是適合于蝶式點聚焦太陽能跟 蹤系統的光熱轉換。
背景技術：
太陽能成熟的應用技術為太陽能的低溫熱水利用，主要采用真空玻璃管技術將太 陽能轉化為熱能，在此種技術上，有采用將熱管插入到真空玻璃管內部將熱量傳遞到外部 獲得太陽能的技術，以及在真空玻璃基礎上進一步的完善而開發的各種器件，其中真空玻 璃管中設置有真空層進行保溫，在真空層的內部設置選擇性涂層對太陽能進行吸收轉化， 雖然真空玻璃層很好的實現了保溫，選擇性涂層很好的實現了太陽能的轉化，但是，其轉化 后的熱能利用起來很不經濟，如采用現有的方法將水直接流入到真空玻璃管內部直接進行 換熱，但到了冬季就無法使用，雖然采用熱管技術在冬季實現了傳熱，但增加了成本、降低 了熱能的利用率，目前這種技術應用于低溫的熱水應用，而無法實現太陽能的中高溫的應 用，如太陽能熱電的應用；現有的對太陽能的中高溫度利用的太陽灶，主要采用反射板對太陽光進行反射， 將太陽能直接聚焦到一個灶具上，實現對太陽能的利用，此種技術很好的達到了太陽能的 中高溫收集，但其熱能接受方式單一，僅是采用直接在其上面放置簡單的灶具，而無法進行 大規模的采集和利用；同時也無法實現對太陽能進行收集以便于夜間及陰雨天應用；現有的技術太陽能中高溫的發電技術，主要是采用塔式、槽式、及蝶式，蝶式系統 的光熱轉換基本上采用直接將太陽能光射入到斯特林機的采集端，是直接將太陽能光照射 到一個區域內，在該區域內設置有太陽能涂層，通常的蝶式跟蹤轉換器件采樣直接將太陽 能光照射到平面的區域，因而出現太陽能光的反射、折射、投射，減少了太陽能的利用效率。石英玻璃的光學性能有其獨到之處，它既可以透過紫外光譜，是所有透紫外材料 最優者，又可透過可見光和近紅外光譜。用戶可以根據需要，從185-3500m觳 畏段諶我庋 ε袼杵分幀S捎謔2. A透呶攏擾蛘拖凳。任榷M院茫蕁(8)蹺啤14.刃浴(7) U溆摯捎胍話愎庋P ΑΦ敲潰運竊詬髦盅橇映『舷鹿&骶哂懈呶榷 裙 庋低車謀夭豢繕俚墓庋P牧稀J 2. A y娜擾蛘拖凳。？ .5 0_7/°C，只有普通玻璃的 1/12-1/20。部標準規定將試樣的灼燒到1200°C后急速投到冷水中，反復三次以上不允許炸 裂，石英玻璃加入適量鈦元素后還可做成零膨脹系數的材料，由于石英器件的眾多的優勢， 將石英器件應用于太陽能利用，特別是中高溫的太陽能光熱轉化，將是解決中高溫太陽能 采集的可行的技術方法。任何物體都具有不斷輻射、吸收、發射電磁波的本領。輻射出去的電磁波在各個波 段是不同的，也就是具有一定的譜分布。這種譜分布與物體本身的特性及其溫度有關，因而 被稱之為熱輻射。為了研究不依賴于物質具體物性的熱輻射規律，物理學家們定義了一種 理想物體抓黑體(black body)，以此作為熱輻射研究的標準物體。所謂黑體是指入射的電磁波全部被吸收，既沒有反射，也沒有透射(當然黑體仍然要向外輻射)。黑洞也許就是理 想的黑體.基爾霍夫輻射定律(KirchhofT)，在熱平衡狀態的物體所輻射的能量與吸收的 能量之比與物體本身物性無關，只與波長和溫度有關。絕對黑體只有吸收，沒有反射。只 開有一個小口的空腔，對于射入其中的光，可以完全吸收，故該空腔的開口可以作為絕對黑 體。結合石英以及黑體的特性，可以設計出新的更高效率的適合于蝶式跟蹤系統的太 陽能轉換器件。

發明內容
本發明的目的就是提供適合于蝶式太陽能跟蹤系統的黑體的太陽能光熱轉換器 件，將太陽能轉換器件設置為黑體結構，即設置為具有一個開口的區域的柱體，開口區域為 一個點的區域，太陽能光熱轉換涂層設置在黑體的內部殼體表面上，太陽光通過開口部位 照射進入到黑體內，實現太陽能的轉換與利用。這樣可以實現將太陽光通過開口部位射入 到腔體后最大程度的將太陽光進行吸收和轉化，減少現有其他結構的反射、折射、透射等損 失，提高轉換效率。開口部位由蝶式跟蹤系統提供太陽光，使得在蝶式系統跟蹤太陽能過程 中始終將太陽光射入到開口部位，并經開口部位射入到黑體內部實現太陽能的利用。采樣石英材料、塑料、金屬、玻璃等不同的材料制造黑體，將現有的低溫太陽能光 熱轉換采真空玻璃管技術的材料可以選擇更多種類，進而可以降低成本，提高效率。采樣設置不同的太陽能鏡將太陽能光進行反射、折射、投射，將太陽能光攝入到黑 體中，可以實現不同溫度的太陽能采集，特別是適合于中高溫的太陽能采集及利用，更適合 于蝶式太陽能的采集和利用。具體發明內容如下一種蝶式黑體太陽能光熱轉化器，包括一個具有封閉腔體的黑體器件，在黑體器 件上設置有至少一個開口區域，在黑體器件的內部設置有太陽能涂層可以將太陽能轉換為 熱能，太陽光可以從黑體器件的開口區域射入到腔體內部的涂層上，從而實現將太陽能轉 化為熱能，開口區域由蝶式跟蹤系統提供太陽光，使得在蝶式跟蹤系統跟蹤太陽的過程中 始終將太陽光射入到開口區域部位，并經開口部位射入到黑體內部實現太陽能的利用。本發明針對蝶式系統設置的光熱轉換器，蝶式系統是采用點聚焦、雙軸跟蹤實現 對太陽能的跟蹤和利用，有玻璃\金屬\塑料\菲涅爾透鏡和反射鏡等組成的不同形式的 太陽能鏡。包括由多個太陽能鏡組合而成的多鏡太陽能跟蹤系統，無論哪種形式的跟蹤，只 要是采用點聚焦、雙軸跟蹤實現的太陽能跟蹤，都是本發明所述的蝶式跟蹤系統。能全部吸收各種波長的輻射能而不發生反射，折射和透射的物體稱為絕對黑體。 簡稱黑體，采樣不透明的材料制成帶小孔的空腔，可近似看作黑體。可以采用任何形狀實現本發明的目的，黑體器件為一個柱體，在柱體上設置有一 個開口區域，在柱體內部設置有太陽能轉換涂層，柱體的形狀為圓柱體、球形、錐體、多面 體，或截面為拋物面、復合拋物面、雙曲拋物面、橢圓形、扇形、三角形、塔形、棱形的一種或 多種。以及帶有凹或凸孔的圓柱、球形、橢圓形、多面體、扇形適合于蝶式太陽能的采集及利 用，可以根據不同的太陽采集，采用不同的形狀；帶有凹或凸孔的圓柱用于增加太陽能的利 用效率。
黑體的形狀優選為圓柱體、球形、錐體、多面體，或截面為拋物面、復合拋物面、雙 曲拋物面的一種或多種。將其設計成為利于光線在黑體內部進行吸收的結構，可以提高太 陽光的吸收效率。黑體材質為下列一種A、金屬不銹鋼、鐵管；B、非金屬包括石英、玻璃、塑料；C、復合材料，包括金屬與非金屬、金屬與金屬，非金屬與非金屬的復合管。黑體或/和黑體的一部分腔體，被設計成為熱管的蒸發端，或在黑體腔體的內部 設置有熱管的蒸發端，熱管選擇自下列至少一種A、普通熱管；B、整體熱管；C、分離式循環熱管；D、可連接熱管；F、脈沖熱管；G、循環自激震蕩熱管。黑體或/和黑體的內部的一部分被設計成為換熱裝置，或者黑體腔體的內部設置 有換熱裝置，所述換熱裝置為至少含有一個進口(5)或/和一個出口(6)的部件，一種流 體通過進口進入，達到出口后流出，流體與部件中太陽能轉化的熱能進行熱交換，流體為液 體、氣體、固液混合物、氣液混合物、氣液固混合物中的一種。在黑體的外部殼體上還設置有涂層，其至少選擇自下列一種A、熱輻射吸收涂層，將輻射的熱能進行吸收利用；B、熱輻射反射材料，將熱輻射的熱能反射進入到黑體；C、保溫涂料；D、防腐涂層；E、耐熱涂層。為了增加黑體的光熱轉化性能，還在黑體的內部和/或外部設置有含有多個凹、 凸結構的粗糙表面、翅片、槽道。在黑體的外部還設置有保溫材料，為至少選擇下列一種或多種的組合材料A、含有真空層的金屬或非金屬材料；B、石棉、纖維保溫材料；C、保溫水泥；D、聚氨酯、聚苯材料、塑料、尼龍保溫材料；太陽能涂層為下列一種A太陽能選擇涂層；B太陽能低溫、中溫、高溫涂層，將太陽能轉換為不同溫度的熱能。任何將太陽能轉換為熱能的涂層都適合于本發明的黑體，通常太陽能涂層為金 屬及金屬氧化物，包括；銀、銅、三氧化二鋁；聚合物；納米材料；包括氧化鋅納米。在黑體器件外部和/或黑體開口部位和/或開口部位周圍設置有太陽能鏡，將太 陽光進行反射、透射、折射后聚焦于黑體入口和/或黑體外部殼體上，優選采用菲涅爾透鏡；對于黑體器件的外部可以設置反射或透射鏡，實現聚焦或者二次聚焦，即首先采用一種 太陽能鏡進行聚焦，如果需要再進行二次聚焦或多次聚焦，直到復合設計要求；對于高溫的 太陽能利用，輻射換熱將成為關鍵換熱，因而需要增加反輻射的太陽能鏡，如可以采用低價 的錫箔實現反輻射換熱；無論采用哪種方式，只要可以將太陽光進行透射、反射、折射后聚 焦于黑體的開口部位上，都是可以采用的方法，通常太陽能鏡選自下列一種A、復合拋物面反射鏡；B、菲尼爾鏡(10)，包括或反射鏡；C、凹、凸(11)透鏡;D、盤式拋物面反射鏡(12)；E、柱、槽(13)狀拋物面反射鏡；F、平面反射鏡；G、對熱輻射進行反射的材料，包括錫箔。可以根據需要進行多種的組合而成為黑體陣列，通常可以通過串聯、并聯、或串并 聯組成一個陣列，以適合于50-1300度的蝶式的各種應用；在黑體器件的外部，還設置有一個腔體，腔體內有至少一個黑體器件，黑體器件與 腔體構成為一個可以封閉連接的器件，在腔體上設置有一個可以使太陽光射入到腔體內部 的太陽能鏡，太陽光射入到腔體內部黑體器件的開口部位。有益的效果；1、采樣本發明的黑體結構進行太陽能的采集，減少了現有結構的反射、折射、投 射，最大化的實現了太陽能的轉換和利用；2、采樣二次反射黑體結構的轉化器，可以實現跟蹤的太陽能采集和利用，實現中 溫以及高溫的太陽能利用。3、采樣石英等特殊材料，可以減少輻射、提高換熱器件的效率。


圖一橢圓黑體太陽能光熱轉化器圖二 圓柱體黑體太陽能光熱轉化器圖三圓柱體內置透鏡蝶式黑體太陽能光熱轉化器圖四外置太陽能鏡圓柱黑體光熱轉化器圖五、矩形蝶式黑體光熱轉化器圖中標號具體說明如下1 黑體器件，2 開口部位，3 太陽能涂層，4 熱管換熱器，5 流體進口，6 流體出 口，7 腔體，8 太陽能透鏡，9 太陽能反射鏡，10 保溫材料
具體實施例方式實施例一橢圓黑體太陽能光熱轉化器按照圖1所示，采用石英材料制作而成的橢圓型黑體(1)，在前一側設置有開口 區域，在黑體內部設置有太陽能轉換涂層，將太陽光轉換為熱能，涂層采樣全頻段的轉換材 料，實現對太陽能光的所有的頻段進行轉換，包括可見光、不可見光、紅外、紫外區域等區域的全部頻段實現轉換。實施例二 圓柱體內置透鏡黑體太陽能光熱轉化器按照圖2所示，采用玻璃管制作而成的圓柱黑體太陽能光熱轉換器，在其側面設 置有一個開口區域，在其內部涂有太陽能轉換涂層(3)，可以使太陽光射入到黑體內部，實 現太陽能轉換為熱能，在黑體內部腔體中，設置有熱管，將黑體中的熱能傳遞到外部，熱管 的蒸發端設置在黑體的內部，熱管冷凝端設置在黑體的外部。實施例三圓柱體內置透鏡蝶式黑體太陽能光熱轉化器按照圖3所示，采用三個石英管生產而成的圓柱體黑體，在石英管的內部設置有 太陽能光熱轉換涂層(3)，圖三為圖二的一個黑體器的側面剖視圖，圖三有三個器件組成一 個整體的蝶式轉換器，在圓柱體的頂部設置有一個開口區域(2)，在其圓柱體的內部設置有 菲涅爾透鏡(8)或石英器件，它們將圓柱體的進行密閉，同時將太陽能光入射到黑體內部， 三個黑體器件并排的排列在一個蝶式器件中，蝶式器件的腔體(7)中填充入聚氨酯保溫材 料，實現對熱能的保溫。熱管的蒸發端設置在黑體的內部，冷凝端設置在黑體的外部，在熱 管的蒸發段設置有太陽能涂層(3)，換熱器件與石英管通過連接結構進行連接；對于中溫 的應用，可以采用蝶式線聚焦的太陽能采集，這樣可以采用黑體光熱轉化器實現太陽能的 采集和利用。實施例四外置太陽能鏡圓柱黑體光熱轉化器按照圖4所示，采用石英管生產而成的圓柱體黑體，在石英管的內部設置有太陽 能光熱轉換涂層(3)，開口部位(2)為一個圓柱區域，在開口區域上設置有太陽能鏡，太陽 能鏡由透鏡(8)和反射鏡(9)組成，透鏡設置在頂部正對太陽光入射，側面為反射鏡，將太 陽能聚焦到開口槽的黑體內部。實施例五、矩形蝶式黑體光熱轉化器按照圖5所示，黑體為一個矩形的柱體，在其太陽光照射進入的一面上，設置有開 口部位，太陽能轉換涂層設置在矩形管內部，黑體的開口部位(2)設置在頂部，并在其上 設置有菲涅爾透鏡(8)，為了減少輻射損失，在矩形黑體的外表面設置有反射材料(9)，采 用錫箔實現對輻射的反射，特別是是實現高溫的太陽能采集時，需要針對輻射換熱進行特 別的反射處理；三個矩形柱體的黑體并排設置在一個蝶式上，黑體與蝶式中的腔體上設置 有保溫材料(10)，每一個黑體器件內部設置有一個熱管，在熱管上(1)設置有太陽能涂層 (3)，熱管器件與外石英管通過連接結構進行連接，熱管的蒸發端設置在黑體器件的內部， 可以采用蝶式跟蹤線聚焦的太陽能采集實現太陽能的采集和利用。上述太陽能光熱轉換器適合于任何的蝶式跟蹤系統。
權利要求
一種蝶式黑體太陽能光熱轉化器，其特征是包括一個具有封閉腔體的黑體器件，在黑體器件上設置有至少一個開口區域，在黑體器件的內部設置有太陽能涂層可以將太陽能轉換為熱能，太陽光可以從黑體器件的開口區域射入到腔體內部的涂層上，從而實現將太陽能轉化為熱能，開口區域由蝶式跟蹤系統提供太陽光，使得在蝶式跟蹤系統跟蹤太陽的過程中始終將太陽光射入到開口區域部位，并經開口部位射入到黑體內部實現太陽能的利用。
2.根據權利要求1所述的蝶式黑體太陽能光熱轉化器，其特征是黑體器件為一個柱 體，在柱體上設置有一個開口區域，在柱體內部設置有太陽能轉換涂層，柱體的形狀為圓柱 體、球形、錐體、多面體，或截面為拋物面、復合拋物面、雙曲拋物面、橢圓形、扇形、三角形、 塔形、棱形的一種或多種。
3.根據權利要求1所述的蝶式黑體太陽能光熱轉化器，其特征是黑體材質為下列一種A、金屬不銹鋼、鐵管；B、非金屬包括石英、玻璃、塑料；C、復合材料，包括金屬與非金屬、金屬與金屬，非金屬與非金屬的復合管。
4.根據權利要求1所述的蝶式黑體太陽能光熱轉化器，其特征是太陽能涂層為下列 一種A、太陽能選擇涂層；B、太陽能低溫、中溫、高溫涂層，將太陽能轉換為不同溫度的熱能。
5.根據權利要求1所述的蝶式黑體太陽能光熱轉化器，其特征是黑體或/和黑體的 一部分腔體，被設計成為熱管的蒸發端，或在黑體腔體的內部設置有熱管的蒸發端，熱管選 擇自下列至少一種A、普通熱管；B、整體熱管；C、分離式循環熱管；D、可連接熱管；F、脈沖熱管；G、循環自激震蕩熱管。
6.根據權利要求1所述的蝶式黑體太陽能光熱轉化器，其特征是黑體或/和黑體的 內部的一部分被設計成為換熱裝置，或者黑體腔體的內部設置有換熱裝置，所述換熱裝置 為至少含有一個進口(5)或/和一個出口(6)的部件，一種流體通過進口進入，達到出口后 流出，流體與部件中太陽能轉化的熱能進行熱交換，流體為液體、氣體、固液混合物、氣液混 合物、氣液固混合物中的一種。
7.根據權利要求1所述的蝶式黑體太陽能光熱轉化器，其特征是在黑體的外部殼體 上還設置有涂層，其至少選擇自下列一種A、熱輻射吸收涂層，將輻射的熱能進行吸收利用；B、熱輻射反射材料，將熱輻射的熱能反射進入到黑體；C、保溫涂料；D、防腐涂層；E、耐熱涂層。
8.根據權利要求1所述的蝶式黑體太陽能光熱轉化器，其特征是為了增加黑體的光 熱轉化性能，還在黑體的內部和/或外部設置有含有多個凹、凸結構的粗糙表面、翅片、槽道。
9.根據權利要求1所述的蝶式黑體太陽能光熱轉化器，其特征是在黑體的外部還設 置有保溫材料，為至少選擇下列一種或多種的組合材料A、含有真空層的金屬或非金屬材料；B、石棉、纖維保溫材料；C、保溫水泥；D、聚氨酯、聚苯材料、塑料、尼龍保溫材料。
10.根據權利要求1所述的蝶式黑體太陽能光熱轉化器，其特征是在黑體器件的外 部，還設置有一個腔體，腔體內有至少一個黑體器件，黑體器件與腔體構成為一個可以封閉 連接的器件，在腔體上設置有一個可以使太陽光射入到腔體內部的太陽能鏡，太陽光射入 到腔體內部黑體器件的開口部位。
11.根據權利要求1所述的蝶式黑體太陽能光熱轉化器，其特征是在黑體器件外部和 /或黑體開口部位和/或開口部位周圍設置有太陽能鏡，將太陽光進行反射、透射、折射后 聚焦于黑體入口和/或黑體外部殼體上，太陽能鏡選自下列一種A、金屬、非金屬拋物面、符合拋物面反射鏡；B、菲涅爾鏡，包括透鏡或反射鏡；C、凹、凸透鏡；D、盤式拋物面反射鏡；E、柱、槽狀拋物面反射鏡；F、平面反射鏡；G、對熱輻射進行反射的材料，包括錫箔。
全文摘要
本發明的目的就是提供適合于蝶式太陽能跟蹤系統的黑體的太陽能光熱轉換器件，將太陽能轉換器件設置為黑體結構，即設置為具有一個開口的區域的柱體，開口區域為一個點的區域，太陽能光熱轉換涂層設置在黑體的內部殼體表面上，太陽光通過開口部位照射進入到黑體內，實現太陽能的轉換與利用。這樣可以實現將太陽光通過開口部位射入到腔體后最大程度的將太陽光進行吸收和轉化，減少現有其他結構的反射、折射、透射等損失，提高轉換效率。開口部位由蝶式跟蹤系統提供太陽光，使得在蝶式系統跟蹤太陽能過程中始終將太陽光射入到開口部位，并經開口部位射入到黑體內部實現太陽能的利用。采樣石英材料、塑料、金屬、玻璃等不同的材料制造黑體，將現有的低溫太陽能光熱轉換采真空玻璃管技術的材料可以選擇更多種類，進而可以降低成本，提高效率。采樣設置不同的太陽能鏡將太陽能光進行反射、折射、投射，將太陽能光攝入到黑體中，可以實現不同溫度的太陽能采集，特別是適合于中高溫的太陽能采集及利用，更適合于蝶式太陽能的采集和利用。
文檔編號F24J2/48GK101900431SQ200910302728
公開日2010年12月1日 申請日期2009年5月28日 優先權日2009年5月28日
發明者李建民 申請人:北京智慧劍科技發展有限責任公司