一種塔式黑體太陽能光熱轉化器的製作方法

2023-05-14 19:58:21

專利名稱：一種塔式黑體太陽能光熱轉化器的製作方法
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、製冷、乾燥等應用，特別是太陽能的中高溫度的利用。
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，主要採用真空玻璃管技術將太 陽能轉化為熱能，在此種技術上，有採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塗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，選擇性塗層很好的實現了太陽能的轉化，但是，其轉化 後的熱能利用起來很不經濟，如採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，雖然採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，目前這種技術應用於低溫的熱水應用，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，主要採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，僅是採用直接在其上面放置簡單的灶具，而無法進行 大規模的採集和利用；同時也無法實現對太陽能進行收集以便於夜間及陰雨天應用；現有的技術太陽能中高溫的發電技術，主要是採用槽式、塔式、及蝶式，塔式系統 主要的光熱轉換器設置在一個塔上，多個太陽能反射鏡將反射的太陽能光射入到塔上的轉 換器上，轉換器為一個換熱器或熱管的蒸發端，其太陽能轉換塗層都設置在換熱器或熱管 的外壁，這樣使得太陽能光將外壁後被反射、投射、折射等損失，降低了太陽能利用的效率。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漵摯捎 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後急速投到冷水中，反覆三次以上不允許炸裂，石英玻璃加入適量鈦元 素後還可做成零膨脹係數的材料，由於石英器件的眾多的優勢，將石英器件應用於太陽能 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採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。為了研究不依賴於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
4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，對於射入其中的光，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於塔式跟蹤系統的太 陽能轉換器件。

發明內容
本發明的目的就是提供適合於塔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腔體的柱體，開口部位為 一個區域，太陽能光熱轉換塗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 體後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。開口部位由塔式跟蹤系統提供太陽光，使得在塔式系統跟蹤太陽能過程中 始終將太陽光射入到開口部位，並經開口部位射入到黑體內部實現太陽能的利用。採樣石英材料、塑料、金屬、玻璃等不同的材料製造黑體，將現有的低溫太陽能光 熱轉換採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。採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採集，特別是適合於中高溫的太陽能採集及利用，更適合 於塔式太陽能的採集和利用。具體發明內容如下一種塔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不無，在黑體器件的內部設置有太陽能塗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部位射入到腔體內部的塗層上，從而實現將太陽能轉 化為熱能，開口部位由塔式跟蹤系統提供太陽光，使得在塔式跟蹤系統跟蹤太陽的過程中 始終將太陽光射入到開口部位，並經開口部位射入到黑體器件內部實現太陽能的利用。本發明針對塔式系統設置的光熱轉換器，塔式系統是採用點聚焦或線聚焦的雙軸 或單軸跟蹤系統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，只要是採用聚焦的跟蹤系統實現的太陽能跟蹤，並且將太陽能光聚焦到一個 塔上實現太陽能的利用的系統，都是本發明所述的塔式跟蹤系統。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，採樣不透明的材料製成帶小孔的空腔，可近似看作黑體。可以採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，在柱體內部設置有太陽能轉換塗層，柱體的形狀為圓柱體、球形、錐體、多面體，或 截面為拋物面、複合拋物面、雙曲拋物面、橢圓形、扇形、三角形、塔形、稜形的一種或多種。 以及帶有凹或凸孔的圓柱、球形、橢圓形、多面體、扇形適合於塔式太陽能的採集及利用，可 以根據不同的太陽採集，採用不同的形狀；帶有凹或凸孔的圓柱用於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、複合拋物面、雙曲拋物面的一種或多種。將其設計成為利於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、金屬不鏽鋼、鐵管；B、非金屬包括石英、玻璃、塑料；C、複合材料，包括金屬與非金屬、金屬與金屬，非金屬與非金屬的複合管。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、脈衝熱管；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，達到出口後流出，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塗層，其至少選擇自下列一種A、熱輻射吸收塗層，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、保溫塗料；D、防腐塗層；E、耐熱塗層。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；太陽能塗層為下列一種A、太陽能選擇塗層；B、太陽能低溫、中溫、高溫塗層，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塗層都適合於本發明的黑體，通常太陽能塗層為金 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、折射後聚焦於黑體入口和/或黑體外部殼體上，優選採用菲涅爾透 鏡；對於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，即首先採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，直到複合設計要求；對於高溫的太 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，如可以採用低 價的錫箔實現反輻射換熱；無論採用哪種方式，只要可以將太陽光進行透射、反射、折射後 聚焦於黑體的開口部位上，都是可以採用的方法，通常太陽能鏡選自下列一種A、複合拋物面反射鏡；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、並聯、或串並 聯組成一個陣列，以適合於塔式的各種應用；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、採樣本發明的黑體結構進行太陽能的採集，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、採樣二次反射黑體結構的轉化器，可以實現跟蹤的太陽能採集和利用，實現中 溫以及高溫的太陽能利用。3、採樣石英等特殊材料，可以減少輻射、提高換熱器件的效率。


圖1 橢圓黑體太陽能光熱轉化器圖2 圓柱體黑體太陽能光熱轉化器圖3 圓柱體內置透鏡塔式黑體太陽能光熱轉化器圖4 外置太陽能鏡圓柱黑體光熱轉化器圖5 外置太陽能鏡塔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 太陽能塗層，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，採用石英材料製作而成的橢圓型黑體(1)，在前一側設置有開口， 在黑體內部設置有太陽能轉換塗層，將太陽光轉換為熱能，塗層採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，採用玻璃管制作而成的圓柱黑體太陽能光熱轉換器，在其側面開 有一個開口區域，在其內部塗有太陽能轉換塗層(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。三個柱體的黑體並排設置在太 陽能塔上的一側，太陽能鏡反射太陽光照射進入開口區域，實現太陽能的採集與轉換。實施例三圓柱體內置透鏡塔式黑體太陽能光熱轉化器按照圖3所示，採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 太陽能光熱轉換塗層(3)，在圓柱體頂部開設有一個開口區域(2)，在其圓柱體開口區域的 內部設置有菲涅爾透鏡(8)或石英器件，它們將圓柱體進行密閉，同時將太陽能光入射到 黑體內部，三個黑體器件並排的排列在太陽能塔上的一側的六面體中，六面體的腔體(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塗層(3)，換熱器件與石英管通過連接結構 進行連接；採用塔式點聚焦的太陽能採集，這樣可以採用黑體光熱轉化器實現太陽能的採 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，採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 能光熱轉換塗層(3)，開口部位(2)為一個圓柱體，在開口部位上設置有太陽能鏡，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。三個黑體器件設置在一個六面體的箱體內，該箱體設置在太 陽能塔上，太陽能鏡反射的太陽能光入射到圓柱體中，進入到黑體器件中，實現太陽能的採 集和利用。實施例五、矩形塔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，太陽能轉換塗層設置在矩形管內部，黑體的開口部位(2)設置在頂部，並在其上 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)，採 用錫箔實現對輻射的反射，特別是是實現高溫的太陽能採集時，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並排設置在一個塔式上，黑體與塔式中的腔體上設置 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)設置有太陽能塗層 (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， 可以採用塔式跟蹤聚焦的太陽能採集實現太陽能的採集和利用。上述太陽能光熱轉換器適合於任何的塔式跟蹤系統。
權利要求
一種塔式黑體太陽能光熱轉化器，其特徵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不無，在黑體器件的內部設置有太陽能塗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部位射入到腔體內部的塗層上，從而實現將太陽能轉化為熱能，開口部位由塔式跟蹤系統提供太陽光，使得在塔式跟蹤系統跟蹤太陽的過程中始終將太陽光射入到開口部位，並經開口部位射入到黑體器件內部實現太陽能的利用。
2.根據權利要求1所述的塔式黑體太陽能光熱轉化器，其特徵是黑體器件為一個柱 體，在柱體上設置有一個開口槽，在柱體內部設置有太陽能轉換塗層，柱體的形狀為圓柱 體、球形、錐體、多面體，或截面為拋物面、複合拋物面、雙曲拋物面、橢圓形、扇形、三角形、 塔形、稜形的一種或多種。
3.根據權利要求1所述的塔式黑體太陽能光熱轉化器，其特徵是黑體材質為下列一種A、金屬不鏽鋼、鐵管；B、非金屬包括石英、玻璃、塑料；C、複合材料，包括金屬與非金屬、金屬與金屬，非金屬與非金屬的複合管。
4.根據權利要求1所述的塔式黑體太陽能光熱轉化器，其特徵是太陽能塗層為下列 一種A、太陽能選擇塗層；B、太陽能低溫、中溫、高溫塗層，將太陽能轉換為不同溫度的熱能。
5.根據權利要求1所述的塔式黑體太陽能光熱轉化器，其特徵是黑體或/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、脈衝熱管；G、循環自激震蕩熱管。
6.根據權利要求1所述的塔式黑體太陽能光熱轉化器，其特徵是黑體或/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，達到出口後 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所述的塔式黑體太陽能光熱轉化器，其特徵是在黑體的外部殼體 上還設置有塗層，其至少選擇自下列一種A、熱輻射吸收塗層，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、保溫塗料；D、防腐塗層；E、耐熱塗層。
8.根據權利要求1所述的塔式黑體太陽能光熱轉化器，其特徵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所述的塔式黑體太陽能光熱轉化器，其特徵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所述的塔式黑體太陽能光熱轉化器，其特徵是在黑體器件的外 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所述的塔式黑體太陽能光熱轉化器，其特徵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、折射後 聚焦於黑體入口和/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於塔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腔體的柱體，開口部位為一個區域，太陽能光熱轉換塗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後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。開口部位由塔式跟蹤系統提供太陽光，使得在塔式系統跟蹤太陽能過程中始終將太陽光射入到開口部位，並經開口部位射入到黑體內部實現太陽能的利用。
文檔編號F24J2/46GK101900433SQ20091030274
公開日2010年12月1日 申請日期2009年5月29日 優先權日2009年5月29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