專利名稱：非成像的太陽能收集器的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種光的非成像集中器。更具體點說，本發明涉及一種太陽能集中器或收集器，該器有一設在玻璃殼體內的吸收體和一能夠提高非成像的光集中而不對稱地設地殼體內的反射鏡如真空圓筒形反射鏡管。吸收體的幾何形狀還能包括一個減少間隙損失的V形槽，該槽能以不對稱的方式相對于一個連接在吸收體上的楔形導熱體翅片而定位。
非成像的集中器及其優點在本行業已廣為人知(例如見美國專利3,957,031、4,002,499、4,003,638、4,230,095、4,387,961、4,359,265和5,289,356號，可供參考)。在以前這些方法中，裝置都是這樣構造的，采用一個給定的吸收體形狀，通常為一圓筒形管，然后設計適當的非成像的反射鏡。工作的重點主要是發展新的反射鏡設計來優化集中器的效率。但近年來已有新型的高性能吸收體材料供售，它能被設置在柔性的襯底上。這些吸收體材料對太陽光譜的吸收率通常大于90％，同時在操作溫度下的半球面發射率十分低。
因此本發明的一個目的是提供一種改進的非成像的太陽能收集器及其使用方法。
本發明另一目的是要提供一種新型的非成像的太陽能收集器，該器有一同心設置在玻璃殼體內的吸收體和一能提高非成像的光集中的不對稱設置的反射鏡。
本發明再一目的是要提供一種改進的非成像的太陽能收集器，該器有一外殼體、一個同心設置的管狀吸收體和一個不對稱設置的楔形導熱翅片。
本發明還有一個目的是要提供一個新穎的非成像的太陽能收集器，該器有一相對于反射鏡而不對稱設置的導熱翅片。
本發明尚有一個目的是要提供一個新穎的非成像的太陽能收集器，該器有一圓筒形反射鏡和一管狀吸收體，該吸收體連接到一個圓錐形橫截面的導熱體上，該導熱體相對于反射鏡被設置在零弧度和π弧度之間。
本發明還有另一目的是要提供一個改進的太陽能收集器，該器有一個同心設置在反射鏡內并與一個圓錐形橫截面的導熱體連接的吸收體，該導熱體能在一定的角度范圍內定位來使效率優化。
本發明尚有另一目的是要提供一個太陽能收集器，該器能利用多種相對于集中器對稱線而不對稱設置的反射鏡。
本發明另外一個目的是要提供一個用來達到太陽能收集器高效率的方法和制件，以及一個V形槽相對于反射器表面不對稱地設置的熱交換器管道的設計。
本發明的其他一些目的和優點可從下面的詳細說明和附圖中獲知。
圖1示出一個現有技術的具有扁平翅片導熱體的太陽能收集器；圖2為按照本發明的一個形式構造的圓筒形非成像太陽能收集器的兩維端視圖，有一吸收體偏心地設置在具有尖點形的不對稱反射鏡之內。
圖3A為圖3C中的非成像的太陽能收集器沿3A-3A線的橫截面視圖，該收集器有一同心地設置在反射鏡內的吸收體和一個V形槽的間隙損失抑制器，吸收體還包括一個具有圓錐形橫截面的偶聯的導熱體翅片；圖3B示出圖3A中收集器對稱形式的光線軌跡；圖3C為圖3A中太陽能收集器的透視圖；而圖3D為圖3A中對稱的40°V形槽的收集器的熱效能的曲線圖；圖4示出圖3中收集器的其他型式只是接收角已被增大；圖5示出圖3中太陽能收集器的變型只是沒有V形槽間隙損失抑制器元件；圖6A示出一個具有一個同心管狀吸收體和幾個被提升的反射鏡外廓形狀的非成像收集器，而圖6B為具有圖6A中對稱反射鏡的收集器的光線軌跡；圖7示出具有圖6A中對稱反射鏡的收集器的角度接收性能。
按照本發明的各形形式構造的非成像的太陽能收集器在圖3-6中示出并總的用標號10指出。在圖1中示出現有技術的收集器設計以便比較。圖1中的現有技術收集器12具有導熱體翅片14和16，這兩翅片都輻射熱，因此在溫度大約100℃以上時熱效能低劣。而在圖2所示的太陽能收集器中，第一反射鏡32和第二反射鏡32’不對稱地相對于尖點吸收體20而設置。這個不對稱結構能提高吸收效率。在本實施例中，吸收體20還偏心設置。
在一較優的實施例中，圖3A-3C的非成像收集器10具有一個透明的外玻璃管殼24，允許光線26進入到真空的殼體24內部。圖中所示殼體24為圓筒形但它也可采用適合完成這里所說功能的其他形狀。光線26或是直接投射在吸收體管28上，或是從反射鏡面32反射然后投射在吸收體管28上，從而將收集的光線集中。在此較優的實施例中，這個吸收體管28也可不采用圖示的形狀，但總是與殼體24同心設置。吸收體管28還可包括一個楔形的導熱體30，它與吸收體管28合在一起在橫截面上看起來好像一個“冰淇淋錐體”的形狀，如圖3A，3B、4和5所示。
從圖3A-3C、4和5還可看到，導熱體30可從“六點鐘”的π/2部位轉動到其他角度位置(用虛線示出如導熱體30’)，這樣做可提高集中效率。在π/2位置，當光線正入射在收集器10上時，在導熱體30(或30’)上的輻照是從距離r/2到r，其時r為導熱體30(或30’)的徑向長度。對于零和π位置(見圖5)，由于光線投射的角度，輻照更為均勻。而較均勻的輻照能改善熱量的傳遞到設在導熱體30(或30’)內的工作液體內，從而提高效率。
曾在停滯溫度即當沒有熱量被取走時吸收體管28的平衡溫度上對零(或π)位置設計和特征性能進行過測量。有三根吸收體管28在1KW/平方米的絕緣條件及326、334和330℃的溫度下被測量。這些溫度值對固定的太陽能收集器來說是十分高的。
在圖3A、4和6A中示出的另一個更優的實施例中，反射鏡32(如圖2中那樣)不再相對于π/2位置上的垂直平面對稱地設置而成為反射鏡32和32’。這個不對稱能進一步提高太陽能收集的效率。在反射鏡32和反射鏡32’之間的不對稱程度能夠根據入射光的方向來調節，從而可使效率優化。
在另一個較優實施例中(見圖3A-3C、4和5)，反射鏡表面32包括一個減少間隙損失的V形槽。該槽34能抑制吸收熱量時的間隙損失，如果沒有該槽則當反射鏡面32與楔形導熱體30之間存在空隙時就會發生間隙損失。在圖3A中吸收體的接收角約為40°，這個角度可使收集器10適宜接收東西向的來光而可不需任何跟蹤太陽的機構。這個特定的接收角連同相關的V形槽34能為放置吸收體30時的垂直定位誤差及為水平位移(見圖3D)提供良好的裕量。
在本發明的另一個形式中，V形槽34’被設置在一個不對稱的角度位置上(見圖3A和4)，這樣也能提高收集效率。但最好導熱體30’要與V形槽34’對準免得效率上有所損失。
圖4中的收集器10的反射鏡面32(或32’)有一較小的曲率半徑，形成一個較寬的接收角(約70°)。這個實施例使收集器10能適合南北或東西向來光而可不需任何太陽跟蹤裝置。
圖5中的收集器10是圖3和4的實施例的極端情況，其中反射鏡面32的曲率半徑與玻璃管殼24的內表面相同。當導熱體30在π/2位置時，該實施例有一個接近90°的接收角。收集器10的這個形式可進一步簡化制造收集器10時的構造程序。此外，具有在其他角度的導熱體30’的其他實施例也可簡單地制造。
在圖6A和6B的實施例中，反射鏡面32(和32’)有一較大的曲率半徑以致接收角約為5°，從而需要有某些粗糙的、連續或間歇操作的太陽跟蹤裝置。本設計包括一個從小的接收角上升起的小尖點。在高溫時其熱性能很好。圖7示出在集中因數為2、3、4和5而反射損失或Fresnel損失不計的情況下，在圖6A和6B的對稱反射鏡的實施例中對稱反射鏡32的效率對投射角的關系曲線。當有效接收角為5°時可以達到約為4的集中因數。
作為說明用的對稱性實施例的熱性能在下面的表1中列出。計算是以美國新墨西哥州的Albequerque地方的平均氣象年為依據作出的。吸收體在T＝100℃時的發射率為0.05而吸收率為0.95。
表1 熱效能
在構造收集器10時，最好還利用幾類高效能太陽能吸收體涂層將它涂敷在吸收體管28和導熱體30上。這種涂層例如陶瓷合金，它有一個很低的發射率(在20℃約為0.02)和對太陽光譜的高吸收率(約為0.92)。陶瓷合金為在傳統上使用的材料，它由多層含有特定份額金屬成分的介電材料設置在一個具有抗反射涂層的金屬反射層上構成。頂層比其下各層在介電材料中具有較少的金屬份額。在底部的較高金屬份額層能吸收較多的能，因為可見光較易通過頂層。但黑體輻射(＞2mm的波長)的發放能十分有效地被陶瓷合金的摻雜質反射。因此從底層上發射的輻射被截留在吸收體材料內，只有低摻雜的頂層輻射出熱量。階梯式的金屬含量能使較多的原子被投入光照射，較多的能量被吸收，從而還減少能輻射出熱量的原子的數目。
另一類材料可用作吸收體的為某些能容易地用真空沉積法制出的陶瓷。例如傳統的TiNxOy和SiO2/TiNxOy層能沉積在一個鋁或銅的基底上一直達到一個預先設定的數量。這兩種材料都有一個約為53nm厚的TiNxOy層沉積在基底上。第二種吸收體材料有一90nm的SiO2層添加在其上。這些材料的熱學性能使它們非常有利地用作太陽能吸收體。在銅的基底上可得到一個0.90或更高的吸收率和一個在T＝200℃時的0.06的發射率，而在鋁的基底上可得到一個高達0.95的吸收率和一個在T＝100℃時的0.03的發射率。
上述這些較優實施例采用將同心設置的吸收體管放在一個真空的圓筒形反射鏡殼體內的辦法。吸收體管還包括一個連接在其上的楔形導熱翅片，并且最好還包括一個具有低發射率(小于約0.05)的吸收體層(吸收率大于0.90)來完成一個非常有效的太陽能收集器。由于這個基本設計很簡單，使它能容易制造，可減少構造費用，從而可使這種太陽能收集器更切合實用。
從后面列出的權利要求還可知道本發明的另外一些優點和特點。雖然上面已對較優實施例作出說明，但對本行業的行家來說，在不離開本發明的最全面的精神和范圍的條件下是能夠作出各種改變和修改的。
權利要求
1.一種非成像的太陽能收集器，具有一個被設置用來接收輻射的吸收體；一個相對于所說吸收體被不對稱設置的反射鏡元件；和一個連接在所說吸收體上的導熱翅片，所說翅片為楔形，其厚度隨著離開所說吸收體的徑向距離的增加而逐漸減小，形成斜度，并指向所說反射鏡元件。
2.如權利要求1所述的太陽能收集器，其特征為，所說不對稱設置的反射鏡元件具有至少兩個各有不同曲率的反射鏡面。
3.如權利要求1所述的太陽能收集器，其特征為，所說不對稱設置的反射鏡元件具有兩個曲率相同的反射鏡面，每一鏡面各可環繞一點轉動不同的角度，從而相對于吸收體成為不對稱的設置。
4.如權利要求1所述的太陽能收集器裝置，其特征為，它還包括一個V形槽元件作為所說反射鏡元件的部分。
5.如權利要求4所述的太陽能收集器裝置，其特征為，所說導熱體翅片包括一個帶斜度的端頭，而所說V形槽元件相對于所說導熱翅片的帶斜度的端頭被對稱地設置。
6.如權利要求4所述的太陽能收集器裝置，其特征為，所說導熱體翅片包括一個帶斜度的端頭，而所說V形槽元件相對于所說翅片被對稱地設置，但所說翅片和所說V形槽相對于所說反射鏡被不對稱地設置。
7.如權利要求5所述的太陽能收集器裝置，其特征為，帶斜度的端頭延伸到所說V形槽內。
8.如權利要求1所述的太陽能收集器，其特征為，所說導熱體翅片相對于太陽能收集器的一個垂直平面被不對稱地位移。
9.如權利要求8所述的太陽能收集器，其特征為，所說導熱體翅片從垂直平面所限定的角度被位移約π/2的弧度角。
10.如權利要求1所述的太陽能收集器，其特征為，所說吸收體被同心地設置。
全文摘要
一種非成像的太陽能收集器(10)包括:一個能透過光的外殼(24),一個不對稱地定位在外殼(24)內的反射鏡元件(32),一個設在外殼(24)內的吸收體,和一個連接在吸收體上的導熱翅片(30),該翅片為楔形,其厚度隨著離開吸收體(28)的徑向距離的增加而逐漸減小,形成斜度。導熱體翅片(30)能被定位在多個角度位置上。
文檔編號F24J2/04GK1276858SQ98810410
公開日2000年12月13日 申請日期1998年9月17日 優先權日1997年9月19日
發明者羅蘭·溫斯頓, 哈拉爾德·里斯 申請人:太陽企業國際有限責任公司