TW201437577A - 太陽能集熱器 - Google Patents

Abstract

本發明係關於一種太陽能集熱器，其係在太陽能集熱器之構件中充填入奈米流體，使得作為循環水流之管路的受熱管被奈米流體完全包覆，因此可在傳統的太陽能集熱組件的運作後，收集之太陽輻射熱經聚焦後被奈米流體大量吸收，然後確實且均勻地傳導給受熱管，使受熱管當中的水溫快速上升，達到太陽能集熱加溫的目的。

Description

太陽能集熱器

    本發明係關於一種太陽能集熱器，尤指在受熱管的周邊使用奈米流體作完全性的包覆，以透過奈米流體的對於輻射熱的高吸收能力和良好的熱傳導能力，使得受熱管能夠更好地被加溫。

    隨著經濟的發展與科技的進步，人們對於石油、天然氣與煤等化石燃料的需求與日俱增，因而衍生能源短缺的問題，由於太陽能是再生能源中最能直接被運用的一種，但在集熱後的效率轉換上會因天候的差異而有所增減，故如何提高熱效益即是相關技術的研發重點。

    現今被廣為應用於家庭所需之熱水器即是太陽能的一種應用範疇。目前運用太陽能集熱的方式主要有熱泵式(heat pump type)、平板式(flatbed type)及真空管式(vacuum type)；而市面上較廣泛被使用的有平板式及真空管式兩種，但若以效率之高低而言，現況以真空管式較佳。簡單而言，真空管式乃藉由真空層的設計，使用吸收太陽輻射能的同時亦具有良好阻隔熱損失之效果，有效地將熱能傳遞至家庭用水系統。

    於太陽能集熱器應用時，當然陽光的照射品質(例如日照時差、照射角度等)，對集熱的效果影響甚鉅，然而即便是太陽能集熱器已被確實的對準了陽光，但若無法提升集熱的能力，應用上的效益仍是有限。此處的缺點包含了對太陽輻射能的吸收率無法有效提升，或是吸收的熱能未能妥善的傳遞至目標物質。

    以中華民國專利公開號TW 200517623為例，其係為一種太陽能集熱器，在結構上包括了一殼體、一集熱組件設置於殼體內部，以及一低熱傳導性氣體充填於該集熱組件與該殼體間，使熱對流降低，因而可有效阻絕集熱器內部對流熱傳遞之效應，防止熱散失現象和增加集熱效果。然而，此專利文獻所揭示之技術係透過氣體，特別是惰性氣體或二氧化碳等低熱傳導氣體性氣體來充斥於太陽能集熱器之內，以降低熱能的散失，這將不可避免的讓熱傳遞至水管的效率大幅降低。

    另一種改良太陽能集熱器的方式則是塗佈吸熱的黑色物質，再加上多重結構的隔熱材質，以配合其保溫設計而使得輻射熱在被吸收後，能有較少的熱損失以獲得良好的保存。不過此些改良方式仍然沒有在熱傳遞的路徑中有效率上的增進，且太陽能集熱器的受熱管最多只有朝上之一面(180°)能夠接受到輻射熱，等於太陽所提供之輻射熱僅是以50%的效率在為水管管路加溫，存在相當的改進空間。

    此外，部分太陽能集熱器為了提升加熱水管管路的效益，將管路設計地非常迂迴曲折，免不了提升了其製作成本。

    因此，如何提供一種太陽能集熱器以將太陽所提供之輻射熱確實的收集、聚焦，並確實的傳遞至欲加熱之水管管路，即是本發明所要完成的一道課題。

    本發明之主要目的，係提供一種太陽能集熱器，其使用奈米流體充填於之承載盤的容置空間中，使得受熱管得以被完全包覆，因此可在奈米流體高效率地吸收太陽輻射熱後，直接透過傳導而將熱能傳遞給受熱管，讓管內的水溫快速上升。

    本發明之次要目的，係提供一種太陽能集熱器，其所使用的奈米流體係具有奈米磁性粒子，其色澤偏深，因此對於太陽輻射熱有更好的吸收能力，因此能提供更多的熱能給受熱管。

    本發明之另一目的，係提供一種太陽能集熱器，其所使用之奈米流體相較於單純之氣體或是液體等介質，有更好的集熱和續熱之能力，因此效益更高。

    本發明之再一目的，係提供一種太陽能集熱器，其透過奈米流體完全包覆且均勻地對受熱管做加熱，因此受熱管之受熱面積增加，致使受熱效果提高，不再需要設計複雜的水流迴路。

    為了達到上述之目的，本發明揭示了一種太陽能集熱器，其係包含：一承載盤，其具有一容置空間；一受熱管，設置於該容置空間中；以及一奈米流體，充填於該容置空間中，並包覆該受熱管；其中，該奈米流體吸收太陽輻射熱後，傳導該太陽輻射熱至該受熱管。如此，即可充分利用到奈米流體之特性，使太陽能集熱器具有更佳的集熱效果。

1．．．太陽能集熱組件

11．．．玻璃

12．．．集熱片

2．．．承載盤

21．．．容置空間

22．．．入水孔

23．．．出水孔

3．．．受熱管

31．．．水

4．．．奈米流體

41．．．煤油

42．．．奈米磁性粒子

5．．．聚焦體

第一圖：其係為本發明之結構分解示意圖；
第二圖：其係為本發明之結構剖視圖；
第三圖：其係為本發明使用奈米流體之集熱效果與空氣、煤油比較圖；
第四圖：其係為本發明使用奈米流體之續熱效果與空氣、煤油比較圖；以及
第五圖：其係為本發明中，奈米流體之結構示意圖。

    為使本發明之特徵及所達成之功效有更進一步之瞭解與認識，謹佐以較佳之實施例及配合詳細之說明，說明如後：

    首先，請參考第一圖，其係為本發明一較佳實施例之結構示意圖，其主要技術特徵係在於包含了：一承載盤2、一容置空間21、一受熱管3以及一奈米流體4；其中，該承載盤2的內部具有該容置空間21，該受熱管3係設置於該容置空間21中，而該奈米流體4則是充填於該容置空間21當中，並包覆該受熱管3。

    本發明之關鍵技術特徵係在於使用了奈米流體4填充於容置空間21當中，使得受熱管3得以被奈米流體4所完全包覆，因此在太陽輻射熱的傳遞過程中獲致了更佳的效益。

    請再次參考第一圖，除了前述之構件及物質以外，在承載盤2之上更包含了由玻璃11和集熱片12所構成之太陽能集熱組件。其中的玻璃11是用於保護位於其下的集熱片12，並且維持太陽輻射得以穿透；而集熱片12則是在太陽的照射下，能夠大量收集、吸收太陽輻射熱，以做進一步之運用。

    於此，太陽能集熱組件並不侷限於使用玻璃11和集熱片12而架構出，只要是能夠接受太陽照射並聚集太陽輻射熱之構件，皆能被安裝於本發明中的承載盤2之上，以將熱能做進一步的傳遞與應用。

    承載盤2係為不鏽鋼材所製成之承載基座，其外觀概略為淺碟型之大面積槽體，在內部則隔出了容置空間21。此承載盤2之長度以及寬度遠大於深度，係為了提高接收太陽輻射的面積，以產生更多的太陽輻射熱，並且縮減了太陽輻射熱向下傳遞之路徑距離，減少傳遞過程中的能量損耗。

    由於前述之太陽能集熱組件已收集、吸收了太陽輻射熱，因此接下來如何順利地將太陽輻射熱繼續傳遞以對目標物質做加熱，即是本發明的重點所在。

    容置空間21當中的受熱管3即是太陽輻射熱所要被傳遞至之標的，其係由熱導率良好之材質製成，例如本發明所採用之銅。銅的熱導率高達401Wm^-1K^-1，在金屬中僅次於銀且價格合理，因此本發明在此是裝設銅管為被加熱之受熱管3。

    本發明之太陽能集熱器主要應用用途為熱水器，因此受熱管3當中所流動之物質係為水，其在受熱管3的升溫之下被加熱為熱水，以供使用者運用。並且在承載盤2的側邊開設有入水孔22和出水孔23，因此受熱管3之兩端得以從此些開孔延伸而出，將加熱後的水輸往他處。

    本發明為了確保和提升受熱管3的加熱效率，請一併參考第一圖和第二圖，其在容置空間21充填了奈米流體4，並且包覆該受熱管3。在未充填奈米流體4之前，太陽能集熱組件1所聚集的熱量係透過輻射之形式，以及少部分透過空氣為介質而向下傳遞至受熱管3，但在本發明在加入了奈米流體4之後，熱能係改由奈米流體4做為介質而均勻地傳遞至受熱管3。

    奈米流體4係為液體結合奈米金屬粉體之一種流體物質，其在收集熱輻射能量及儲存保溫效應上優於其他介質，其除了有液體的集熱優勢以外，還透過了金屬粉體而加成了其溫度的蓄熱能力。因此，當本發明在使用了奈米流體4充填於容置空間21並包覆受熱管3後，奈米流體4可大量吸收太陽輻射熱，並且因而升溫，然後將此些熱能直接透過傳導的方式傳遞給受熱管3。

    請參考第三圖，其係為分別使用空氣(Air)、煤油(Kerosene)以及奈米流體(Nanofulid)作為傳遞介質之比較對照。此實驗條件係以400W之探照燈具做為熱源，對受熱管3供給輻射熱能，以加熱管中以25℃為起始溫度之水；如圖所示，空氣的升溫速度較其他介質稍快，但約在50℃後上升幅度趨於平緩，而煤油和奈米流體則仍在持續上升。由此現象可知，以液體做為介質之集熱效應優於氣體，然再將奈米流體與煤油相比較，發現奈米流體的升溫曲線又優於煤油。究其機制，主要是因為奈米流體為液體結合奈米金屬粉體，而這些奈米金屬粉體在熱傳導的特性上優於液體，因此在結合後，奈米流體在集熱能力上會更優於單純之液體。

    而除了集熱的能力，奈米流體在續熱的能力也相當突出。請參考第四圖，其係為空氣、煤油和奈米流體在降溫時的溫度變化曲線。如圖所示，在未持續供給熱源的狀態之下，奈米流體儲熱在降溫後仍有約35℃，足以佐證以奈米流體作為集熱轉換介質，並且運用於熱水系統中確實有明顯的效益。

    另外請再次參考第二圖，為了更進一步提升集熱效果，本發明在太陽能集熱組件1以及該承載盤3之間設置了一聚焦體5，其可聚焦太陽輻射熱，並輻射至奈米流體4。

    對於奈米流體本身，本發明也有進一步的技術特徵存在；如前所述，奈米流體係為液體結合奈米金屬粉體之一種流體物質，而本發明中所使用之奈米金屬粉體係為奈米磁性粒子，例如第五圖所示之結構示意，此實施例係透過煤油41承載有大量的奈米磁性粒子42。而此些奈米磁性粒子之成份則係為Fe₃O₄。於此，本發明之所以使用Fe₃O₄並非藉由其磁性而在集熱上獲致效益，而是基於奈米磁性粒子多為深色，特別是完全呈黑色之Fe₃O₄可讓整體奈米流體呈現黑色，有更佳的吸收太陽輻射熱之能力，因此提高了集熱的效率。

    除了使用深色系的奈米磁性粒子而讓奈米流體呈深色以外，本發明也可以使用深色之液體來結合奈米金屬粉粒，以讓奈米流體達到深色之外觀，例如黑色、深灰色、深褐色等。換言之，本發明可以透過調整奈米流體之成份而賦予其具有深色的視覺效果，並因此而有更佳的吸收太陽輻射熱能力。

    綜上所述，本發明係將銅質之受熱管製作為循環水流之管路後，將之鑲埋於承載盤的容置空間，然後將奈米流體充填而入，使得受熱管完全被奈米流體淹沒、包覆，因此可在上方的傳統太陽能集熱組件的運作後，收集的太陽輻射熱經聚焦並被奈米流體大量吸收，然後確實且均勻地傳導給受熱管，使受熱管當中的水溫快速上升，達到太陽能集熱加溫的目的。在透過運用奈米流體的特性之下，太陽能集熱器之集熱效率有了顯著的提高，故本發明無疑具有經濟和實用上之價值。

    惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，並非用來限定本發明實施之範圍，舉凡依本發明申請專利範圍所述之形狀、構造、特徵及精神所為之均等變化與修飾，均應包括於本發明之申請專利範圍內。

11．．．玻璃

12．．．集熱片

2．．．承載盤

21．．．容置空間

22．．．入水孔

23．．．出水孔

3．．．受熱管

4．．．奈米流體

Claims (8)

1. 一種太陽能集熱器，其係包含：
   一承載盤，其具有一容置空間；
   一受熱管，設置於該容置空間中；以及
   一奈米流體，充填於該容置空間中，並包覆該受熱管；
   其中，該奈米流體吸收太陽輻射熱後，傳導該太陽輻射熱至該受熱管。
2. 如申請專利範圍第1項所述之太陽能集熱器，其更包含一太陽能集熱組件，設置於該承載盤之上，其收集該太陽能輻射熱。
3. 如申請專利範圍第2項所述之太陽能集熱器，其更包含一聚焦體，設置於該太陽能集熱組件以及該承載盤之間，其聚焦該太陽輻射熱，並輻射至該奈米流體。
4. 如申請專利範圍第1項所述之太陽能集熱器，其中該承載盤更具有一出水孔以及一入水孔，且該受熱管之兩端分別穿透該出水孔以及該入水孔。
5. 如申請專利範圍第1項所述之太陽能集熱器，其中該奈米流體係包含有複數個奈米磁性粒子。
6. 如申請專利範圍第5項所述之太陽能集熱器，其中該些奈米磁性粒子係為Fe₃O₄。
7. 如申請專利範圍第1項所述之太陽能集熱器，其中該奈米流體之顏色係為深色。
8. 如申請專利範圍第1項所述之太陽能集熱器，其中該受熱管之材質係為銅。