CN201885457U - 一种高效节能太阳能集热保温部件 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种高效节能型太阳能集热保温部件，包括金属集热交换层和塑料成型件，金属集热交换层呈平板状，塑料成型件上均匀设置有相互间隔的平面板和向外凸起的介质流槽，金属集热交换层与塑料成型件的平面板之间通过连接件固定，金属集热交换层与塑料成型件的平面板之间的连接处通过密封粘接层粘接密封，金属集热交换层与塑料成型件成整体，介质流槽、密封粘接层和金属集热交换层之间形成多个独立介质流通道；本实用新型在朝向阳光面设置的金属集热交换层用于集热，然后通过塑料成型件特有的流道通入介质起到保温的作用；相比传统平板保温层，本实用新型整个部件超薄，结构简单，外型美观；制造成本和使用成本较低，加工方便，经久耐用。

Description

一种高效节能太阳能集热保温部件

技术领域

本实用新型涉及为太阳能应用技术，特别是一种低成本高效节能的太阳能集热保温部件。

背景技术

目前太阳能应用中有光热和光电两种，在光热应用中，一般采用平板型太阳能集热器；在光电应用中，一般使用于PVT组件（光电光热一体的组件）。

传统的平板型集热器主要有以下的部件：玻璃、涂层、吸热板（简称板芯）、保温层、背面板、边框。玻璃透过阳光，玻璃与吸热板之间的距离一般为3.2mm左右的空气保温层。在吸热板上涂有涂层，这种涂层既可使吸热面板吸收更多的太阳能辐射，又可减少吸热板向环境的辐射散热损失。吸热板后面是保温层，保温层主要是减少集热器向四周环境的散热，以提高集热器的热效率。常用的保温材料一般采用：岩棉、矿棉、聚苯乙烯、聚氨脂等，底部保温层一般3—5cm厚。背面板一般采用铝合金、钢材等。边框组成一个整体并保持有一定的刚度和强度便于安装。这种结构的组件非常厚，大约在8～10cm厚，笨重不美观；且在制作过程中耗费大量的金属、保温材料和能耗（如焊接）。

在光电应用中，目前大量使用的是晶体硅太阳能电池，众所周知，晶体硅电池的发电效率会随温度升高下降，具体的为：温度每升高1℃效率下降3%～6%。在基于传统的太阳能电池组件结构上，添加一个表面平整度很高，成本很低，安装方便的光热部分是实现太阳能发电***的光电光热***综合应用的关键。

发明内容

本实用新型为解决上述问题，提供了一种低成本的高效节能型太阳能集热保温部件，可以充分满足太阳能平板集热器和PVT组件的应用，在平板集热器方面，本实用新型将太阳能平板集热器中的涂层、板芯、保温层、背面板功能集于一体，既节约了材料，又简化了制作工艺，大大减少了生产中的物料及能耗；在PVT组件方面，提供了一个表面平整度高、导热快、成本低、安装方便的光热部件。

本实用新型的技术方案如下：

一种高效节能型太阳能集热保温部件，其特征在于：包括用于接受太阳能辐射或者其它热传导的金属集热交换层和用于形成介质流道及起保温作用的塑料成型件，金属集热交换层呈平板状，塑料成型件上均匀设置有相互间隔的平面板和向外凸起的介质流槽，金属集热交换层与塑料成型件的平面板之间通过连接件固定，金属集热交换层与塑料成型件的平面板之间的连接处还通过密封粘接层粘接密封，金属集热交换层与塑料成型件通过密封粘接层粘接和连接件紧固后成一个整体，介质流槽、密封粘接层和金属集热交换层之间形成多个独立的介质流通道。

金属集热交换层外还可以设置选择性吸收涂层，用于吸收太阳辐射能。

根据吸收太阳光的原理和涂层的构造不同，可将选择性吸收涂层分为四类：

（1）半导体涂层

半导体涂层是利用半导体物质的电子结构中适当能隙Eg，吸收能量大于Eg的太阳辐射光子，从而使材料的价电子产生跃迁进入导带，而对能量小于Eg的光子透过。所以要求半导体物质能隙最好为0.62ev（1ev=1.602×10-19J），即9.939×10-20J。它吸收可见光而不吸收红外线，Si、Ge是最常见的半导体材料。过渡金属的氧化物、硫化物都属化合物半导体，如黑铬（Cr_xO_y）、黑镍（NiS-ZnS）、氧化铜黑（Cu_xO_y）和氧化铁（Fe₃O₄）等。

（2）光干涉涂层

光干涉涂层利用了光的干涉原理，是由非吸收的介质膜与吸收复合膜、金属底材或底层薄膜组成，并严格控制每层膜的折射率和厚度，使其对可见光谱区产生破坏性的干涉效应，降低对太阳光波长中心部分的反射率，在可见光谱区产生一个宽阔的吸收峰，如Al₂O₃-Mox-Al₂O₃（AMA）三层膜，AlN-Al/Al八层膜，OCLI多层膜等。

（3）米氏散射涂层

米氏散射涂层是根据有效的媒质理论，利用在母体中细分散的金属粒子，对可见光的不同波长级光子产生多次散射和内反射而将其吸收。金属粒子和氧化物的共析涂层，如Co-Al₂O₃涂层、Al-Al₂O₃涂层、Au-Al₂O₃涂层和黑镍等属于此类。

（4）多孔涂层

多孔涂层是通过控制涂层表面的形貌和结构，使表面不连续性的尺寸与可见光谱峰值相当，从而对可见光起陷阱作用，对长波辐射具有很好反射作用，即在短波侧以黑洞的形式集光，而在长波侧以平面的形式辐射光。如通过化学腐蚀在铜表面形成具有林曼状结构的Cu-CuO涂层，钨的化学蒸镀涂层及粗糙表面上的黑铬镀层等都利用这一性质。

根据制备工艺不同，又可将选择性吸收涂层分为四类：

（1）电镀涂层

常用的电镀涂层主要有黑镍涂层、黑铬涂层、黑钴涂层等，均具有良好的光学性能。以黑铬和黑镍的效果最好，吸收发射比（α/ε）接近6～13。但电镀黑铬生产成本高，同时镀液中的Cr₆+对环境有污染。电镀黑镍耗能少、成本低，镀液中不存在有毒物质。但黑镍涂层薄、热稳定性、耐蚀性较差，通常只适用于低温太阳能热利用。Saher Shawk等研究的黑镍镀层吸收率能达到0.93，耐久性、热稳定性、抗腐蚀能力较强[2]。费敬银[3]等研制的黑色镍—锡合金镀层，由于其中不含硫，所以能克服黑镍镀层所具有的缺点，其镀液的配制比较复杂。

（2）电化学转化涂层

常用的电化学涂层有铝阳极氧化涂层，CuO转化涂层和钢的阳极氧化涂层等。其中铝阳极氧化涂层光谱选择性、耐腐蚀、耐光照性能良好，在太阳能热水器上得到了广泛应用。CuO转化镀涂层有一层黑色绒面，保护不好容易导致性能下降，钢的阳极氧化涂层抗紫外线和抗潮湿性能好，这类涂层一般吸收率为0.88～0.95，发射率为0.15～0.32。Jahan，F等研究的Mo黑化学转化涂层，吸收率最大能达到0.87，发射率为0.13～0.17[4]。

（3）真空镀膜涂层

利用真空蒸发和磁控溅射技术制取，如利用直接蒸发制取的PbS/Al/Al涂层。利用磁控溅射制取的有不锈钢—碳/铜涂层、AlCN涂层、AlN_xO_y涂层和Ni-Cr涂层等。应用比较多的是多层渐变铝氮铝（Al-N/Al）涂层，该涂层具有良好的光谱选择性，但当温度升高时，发射率也随之急剧上升，只能在250℃以下使用。

还有采用射频溅射制备的金属陶瓷复合涂层，主要应用在中高温领域，它是近年来新开发的工艺，如Ni-Al₂O₃涂层。Wu-AlNx选择性涂层，是将钨、铬等金属粒子掺入氮化铝介质，得到金属陶瓷复合涂层。基片采用铜、铝等反射率高的金属，集热温度可达350℃以上。

Farooq，M.O等采用Ni：SiO₂金属陶瓷作吸收层，Ni在涂层表面的体积比为10%，到底部逐渐变化为90%，涂层厚度为（100～170）nm，吸收率为0.96，发射率为0.03～0.14[5]。Zhang Qi -chu 等采用掺钼的三氧化二铝（Mo-Al₂O₃）金属陶瓷作为选择性吸收涂层材料，Al₂O₃作减反射层，双层Mo-Al₂O₃金属陶瓷层作吸收层，Mo或Cu作减反射层，该涂层在350℃下性能稳定，吸收率为0.96，发射率为0.11[6]。

（4）涂料涂层

是一种发展比较早的涂层，制备方法一般采用压缩空气喷涂法。如Fe₂O₃-Cr₂O₃涂层[7]，以Fe₂O₃、Cr₂O₃和MnO₂为颜料，有机硅改性丙烯酸树脂为粘结剂，涂层的吸收发射比可达3.26；PbS涂层，以0.1μm林蔓状晶体PbS为颜料，乙丙橡胶或氟树脂为粘结剂，吸收率为0.85～0.91，发射率为0.23～0.40，制备简单，但林蔓状结构易氧化失去转换性，防锈性能差[8]；硅溶胶吸热涂层[9]，以硅溶胶作粘结剂，Fe粉作发色体，涂层成本低、耐候性和防水性好，吸收率为0.94，发射率为0.41，但因为含有机物，使用寿命短。

还有酞菁绿涂层，颜料成分为Fe₃CuO₅，装饰性好，适合在太阳房和平板式热水器上应用。吴桂初[10]采用粉末火焰喷涂法制备的黑铬太阳能选择性吸收涂层，工艺简单、成本低、性能稳定、光谱选择性好，其吸收率为0.91，发射率为0.15。

所述金属集热交换层上设置有凹向塑料成型件的用于固定连接件的凹槽。凹槽即可增加金属集热交换层强度，又可为连接件提供安装位置，安装完后用导热硅胶把凹槽填平。

所述金属集热交换层的材料优选铝及其铝合金。其它如不锈钢也可以，只是在导热性、经济性、重量上不如铝或者铝合金。

所述塑料成型件的材料优选氯化聚氯乙烯（CPVC）。还可以选择其它材料，如三型聚丙烯（PPR），采用无规共聚聚丙烯经挤出成型。

所述塑料成型件厚度为1.5mm~50mm，塑料成型件的厚度可根据用户对保温要求设置，保温要求低时，塑料成型件较薄；保温要求高时，塑料成型件较厚。

所述连接件可以是螺栓或者是铆钉。连接件用于增加金属集热交换层与塑料成型件连接强度，以保证整个部件能承受一定的压力。连接件分布在塑料成型件的平板区域，且每排连接件之间成错位排布，即可以采用等列、错行的方式排布，这样可以增加整个部件的抗流体压力的均匀性，不至于某一区域连接力不均匀。

金属集热交换层与塑料成型件通过连接件固定的连接设置的密封粘接层可以是密封胶垫与胶粘接而成，或者全是粘胶；所起作用就是既可以将金属集热交换层与塑料成型件粘接在一起，又可以将塑料成型件上的介质流道相互隔开。密封粘接层的厚度为0.05mm~10mm，不同厚度的密封粘接层可以缓冲金属集热交换层与塑料成型件之间由于膨胀率不同造成的伸缩错位。

本实用新型的有益效果如下：

本实用新型在朝向阳光面设置的用于集热的金属集热交换层，然后通过塑料成型件特有的流道设计，可以根据用户需要设置适应的厚度起到保温的作用，相对比传统平板的厚重保温层设计，本实用新型整个部件的使用材料不足传统平板集热的一半，部件超薄，外型美观；

同时金属集热交换层采用铝或铝合金，集热和热交换都比较容易，而且耐腐蚀防锈；塑料成型件采用氯化聚氯乙烯（CPVC）塑料成型，CPVC具有良好的耐热性、耐化学腐蚀性、防老化性能、阻燃性和热变形温度较高等优点，既具有PVC的很多优良性能，又有良好的阻燃性和低发烟特性，能耐大多数的酸、碱、盐，而且耐热方面明显优于其它塑料（比普通PVC能提高20－40℃），其维卡耐热温度优于其它热塑性塑料；

本实用新型不仅制造成本和使用成本较低，而且结构简单，加工方便，经久耐用。

附图说明

图1为背景技术传统平板型集热器的结构示意图

图2为本实用新型的横向剖面结构示意图

图3为本实用新型背板的纵向结构示意图

图4为本实用新型背板的纵向结构示意图

其中，附图标记为：1边框，2背板，3保温层，4吸热板，5选择性吸收涂层，6空气层，7玻璃，8金属集热交换层，9塑料成型件，10连接件，11密封粘接层，12粘胶层，13透明光电背板，14EVA层，15电池片，16超白玻璃。

具体实施方式

如图2所示，一种高效节能型太阳能集热保温部件，包括用于接受太阳能辐射或者其它热传导的金属集热交换层8和用于形成介质流道及起保温作用的塑料成型件9，金属集热交换层8呈平板状，塑料成型件9上均匀设置有相互间隔的平面板和向外凸起的介质流槽，金属集热交换层8与塑料成型件9的平面板之间通过连接件10固定，金属集热交换层8与塑料成型件9的平面板之间的连接处还通过密封粘接层11粘接密封，金属集热交换层8与塑料成型件9通过密封粘接层11粘接和连接件10紧固后成一个整体，介质流槽、密封粘接层11和金属集热交换层8之间形成多个独立的介质流通道。

金属集热交换层8外还可以设置选择性吸收涂层5，用于吸收太阳辐射能。

根据吸收太阳光的原理和涂层的构造，所述选择性吸收涂层5为半导体涂层，或者光干涉涂层，或者米氏散射涂层，或者多孔涂层；

根据制备工艺，所述选择性吸收涂层5为电镀涂层，或者电化学转化涂层，或者真空镀膜涂层，或者涂料涂层。

所述金属集热交换层8上设置有凹向塑料成型件9的用于固定连接件10的凹槽。凹槽即可增加金属集热交换层8强度，又可为连接件10提供安装位置，安装完后用导热硅胶把凹槽填平。

所述金属集热交换层8的材料优选铝及其铝合金。其它如不锈钢也可以，只是在导热性、经济性、重量上不如铝或者铝合金。

所述塑料成型件9的材料优选氯化聚氯乙烯（CPVC）。还可以选择其它材料，如三型聚丙烯（PPR），采用无规共聚聚丙烯经挤出成型。

通过模具加工出塑料成型件9的流道和平面板；将铝合金板材通过折弯机，折出凹槽；成型的塑料成型件9厚度为1.5mm~50mm，塑料成型件9的厚度可根据用户对保温要求设置，保温要求低时，塑料成型件9较薄；保温要求高时，塑料成型件9较厚。

所述连接件10可以是螺栓或者是铆钉。连接件10用于增加金属集热交换层8与塑料成型件9连接强度，以保证整个部件能承受一定的压力。连接件10分布在塑料成型件9的平板区域，且每排连接件10之间成错位排布，即可以采用等列、错行的方式排布，这样可以增加整个部件的抗流体压力的均匀性，不至于某一区域连接力不均匀。

优选铆钉（铆接加工效率高，费用低，连接结构抗震性好）作为连接件10。连接件10每列与相邻的列之间连接件10呈错位连接，使整个部件的承受流体压力的能力均匀。

通过连接件10连接金属集热交换层8和塑料成型件9的连接处设置密封粘接层11，所述密封粘接层11可以是密封胶垫与胶粘接而成，或者全是粘胶；所起作用就是既可以将金属集热交换层8与塑料成型件9粘接在一起，又可以将塑料成型件9上的介质流道相互隔开。密封粘接层11的厚度为0.05mm~10mm，不同厚度的密封粘接层11还可以缓冲金属集热交换层8与塑料成型件9之间由于膨胀率不同造成的伸缩错位，防止流道中介质泄漏。将凹槽用胶（如导热硅胶）填平，加工完毕。整个加工过程没有焊接，不会造成整个部件变形，使整个部件显得平整度很高；模具可保证外形光滑美观。

当本实用新型用于平板集热器时，如图3所示，将高效节能的太阳能集热保温部件表面作选择性吸收涂层5后，与玻璃7装入边框1，在高效节能的太阳能集热保温部件与玻璃7之间留出保温空气层6，一个太阳能平板集热器即完成。制作比传统平板集热器相比，节约了大量的铜铝等金属；厚度仅为传统平板集热器的一半；且容易操作，制作简单；整个制作过程中能耗很低。

当本实用新型用于PVT中时，如图4所示，将高效节能的太阳能集热保温部件与光电组件粘接在一起装入边框1，四周密封即可。所述光电组件包括最外层的超白玻璃16、EVA层14、电池片15、EVA层14、透明光电背板13，然后通过粘胶层12与太阳能集热保温部件粘接。

传统的平板型集热器主要有以下的部件：玻璃7、涂层、吸热板4（简称板芯）、保温层3、背板2、边框1。如图1所示，和传统的集热器相比，本实用新型由于太阳能光电部分（PV部分）使用的是透明光电背板13，因此可以将太阳能电池片15之间和不能被电池片15吸收的太阳辐射能漏到选择性吸收涂层5上，被选择性涂层吸收转换成热能；同时电池片15发电的同时约80%转换成热能，热能经过热传导到高效节能的太阳能集热保温部件的金属集热交换层8上，金属迅速将热量传到介质中被带走。

Claims (10)

1.一种高效节能型太阳能集热保温部件，其特征在于：包括用于接受太阳能辐射或者其它热传导的金属集热交换层（8）和用于形成介质流道及起保温作用的塑料成型件（9），金属集热交换层（8）呈平板状，塑料成型件（9）上均匀设置有相互间隔的平面板和向外凸起的介质流槽，金属集热交换层（8）与塑料成型件（9）的平面板之间通过连接件（10）固定，金属集热交换层（8）与塑料成型件（9）的平面板之间的连接处还通过密封粘接层（11）粘接密封，金属集热交换层（8）与塑料成型件（9）通过密封粘接层（11）粘接和连接件（10）紧固后成一个整体，介质流槽、密封粘接层（11）和金属集热交换层（8）之间形成多个独立的介质流通道。

2.根据权利要求1所述的一种高效节能太阳能集热保温部件，其特征在于：金属集热交换层（8）外还设置有用于吸收太阳辐射能选择性吸收涂层（5）。

3.根据权利要求1或2所述的一种高效节能太阳能集热保温部件，其特征在于：所述金属集热交换层（8）上设置有凹向塑料成型件（9）的用于固定连接件（10）的凹槽，所述凹槽中通过导热硅胶填平。

4.根据权利要求3所述的一种高效节能太阳能集热保温部件，其特征在于：所述金属集热交换层（8）采用铝及其铝合金材料。

5.根据权利要求3所述的一种高效节能太阳能集热保温部件，其特征在于：所述塑料成型件（9）采用氯化聚氯乙烯材料。

6.根据权利要求5所述的一种高效节能太阳能集热保温部件，其特征在于：所述塑料成型件（9）厚度为1.5mm~50mm。

7.根据权利要求3所述的一种高效节能太阳能集热保温部件，其特征在于：所述连接件（10）呈错位排布状连接金属集热交换层（8）与塑料成型件（9）。

8.根据权利要求7所述的一种高效节能太阳能集热保温部件，其特征在于：所述连接件（10）是螺栓或者是铆钉。

9.根据权利要求3所述的一种高效节能太阳能集热保温部件，其特征在于：所述密封粘接层（11）是密封胶垫与胶粘接而成，或者全是粘胶。

10.根据权利要求9所述的一种高效节能太阳能集热保温部件，其特征在于：所述密封粘接层（11）的厚度为0.05mm~10mm。

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