一种太阳能建材和建筑一体化太阳能利用

技术领域

本发明涉及一种具备太阳能利用功能的新型建材以及利用该种材料配合 必要设施，建立与建筑一体化结合的装置，收集太阳能转换为热能，为各种 用途供热和利用特种汽轮机发电；属于能源领域。

背景技术

目前太阳能热水器是将集热装置固定于屋顶或独立于建筑物的其它地 方，必须具备防雨、挡风、保温条件；严寒季节，可能造成集热元件或连接 管路冻裂；集热元件与容器或汇集管路之间用插入式结合，存在漏水问题；大 面积大规模利用需要占用大量场地；

用空气作为传热介质的太阳房加热系统，需要专门设计建造，增加专门 的建筑结构，利用太阳能加热的空气，在热能汇集、储存，分配利用等方面，都 还存在诸多问题有待进一步解决；

用于农用温室的太阳能一体化设施，尚难于用于其他建筑；

现有的各种太阳能热利用设备和技术，对于上规模大面积与建筑结合应 用尚需进一步增强成本竞争力。

热管或无机导热管与集热翅片相结合的太阳能集热元件，在热传递和不 同温度适应性方面有优越性，但至今都是通过将热管上端插入水箱汇集热 能，用于分立式太阳能集热器；

目前尚未见到可安装到屋顶和墙体中的太阳能集热装置和技术的报道；

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供一种同时具备太阳能利用和建筑装修装 饰功能的新型材料和传导型承压、无泄漏、免维修的热能汇集装置和技术， 配合必要的配套设施构成安装到屋顶、遮阳棚、朝阳墙体之中的建筑一体化 太阳能光热电综合利用装置；

本发明为解决其技术问题所采用的技术方案是：一种同时具备太阳能利 用和建筑装修装饰功能的新型材料，即与热管或无机导热管加工成为一体的 导热性能良好的金属薄板，其正面起建筑装修装饰作用，同时是热管或无机 导热管的太阳能集热片；

为实现建筑装修装饰功能，热管或无机导热管可根据建筑设计需要处于 板的正面、中间或背面，一般在宽度方向的对称轴线上，也可以数支热管或 无机导热管与单块金属薄板结合成一体；作为太阳能集热片的金属薄板可根 据需要制造成平面、曲面或各种异形面；表面状态可以是平整的，或带各 种图案，或制造成各种减反射的非平滑结构；表面颜在深范围内可以有 一定的选择；

为实现太阳能利用功能，金属薄板以及与其结合成一体的热管或无机导 热管表面经过选择性吸收镀层或涂层专门处理，具有满足太阳能集热器要求 的选择性吸收能力；

上述具备太阳能利用功能的新型建材构成的太阳能集热元件与传导型 承压、无泄漏、免维修的热能汇集装置，配合配套设施，成为建筑物整体地 构成部分，建造在建筑物的屋顶或者墙体之中，吸收太阳光转换为热能并将 其汇集到储存、分配和应用设施，构成建筑一体化太阳能供热综合利用装置；

采取聚光和强化保温，将所述太阳能集热装置结合到工业厂房，仓库和 其它许可这样作的建筑物中，获得显著高于100℃温度的太阳能热源，为工 业过程供热，空调制冷，驱动特种工质汽轮机发电或提供机械动力之用；

上述传导型承压、无泄漏、免维修的热能汇集装置，是指本发明的将诸 多单支热管或无机导热管收集的热能，汇集至传热介质管路内壁，再经由对 流换热传给流动于其内的传热介质的技术和设备；也就是在热管或无机导热 管头部，即其热能输出部位，和传热介质金属导管的侧面或底面，有依照本发 明精确设计制造的对应’配合面’；在安装时用按本发明专门设计制造 的’结合配件’和紧固件将相应的’配合面’精确组装固定并加力压紧， 使之相互密切配合；热能通过该配合面从热管或无机导热管的热能输出部位 传导至传热介质导管内壁，进而通过对流换热将热能传给在其内部流动的传 热介质；所说’结合配件’同时起补充或增强热传导作用；所述’结合配 件’可与热管或无机导热管的热能输出段或者与传热介质导管制造成一体； 为了进一步降低传导热阻，在上述’配合面’精确组装固定并加力压紧之 后，再以诸如感应加热钎焊，或者超声波焊，或者超声波浸润钎焊或者其它工 艺对配合面进行焊接处理，使之在保持原有结构和强度不受显著损伤的同 时，在相应配合面之间形成局部相互融合或者产生局部相互冶金结合；上述 传热介质导管内壁有光滑的，也有内壁带螺线的，以增强流体扰动强化换热， 本发明的有益效果是：

1，可避免对建筑物的视觉污染，安全可靠，而且解决了太阳能大面积上 规模应用的场地问题；

2，由于建设在屋顶和墙体中，实现太阳能集热装置和建筑物共用外护层 和保温隔热材料，从而大幅度降低太阳能利用成本

3，在充分利用太阳能的同时，实现建筑高效保温

4，以有市场竞争力的成本，大面积、上规模收集太阳能，为实现太阳能供 产业利用、驱动汽轮机发电等开辟新途径；

5，降低以至基本上消除玻璃幕墙的光污染，同时实现太阳能供热综合利 用；

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步说明

图1给出了本发明的太阳能新型建材的构成示意图。

图2给出了本发明的太阳能光热利用装置流程示意图

图3给出了传导型承压、无泄漏、免维修的热能汇集装置结构示意图

图4给出了建筑一体化太阳能集热装置和保温隔热处理的结构示意图

图5给出了为获得较高温度热能，结合到工业厂房，仓库等建筑物中，用 玻璃真空夹套强化保温和反射聚光的集热元件的结构示意图，

图6A、6B是建筑一体化太阳能集热装置和保温隔热处理安装在有一定倾 斜度的墙体中和作为遮阳棚、雨披的布置示意图

具体实施方案

在图1A、B、C、D中，

(1)为热管或无机导热管本体，其截面形状不受限制，可以是圆形、椭 圆型、半圆型、半椭圆型、矩形、多边形或圆角矩形、多边形以及由曲线、 折线或曲线和折线共同围成的各种形状等，热管或无机导热管表面可以有各 种装饰图案，并且经过与集热片相同的选择性吸收镀层或涂层专门处理，对 于太阳光具有高吸收低发射的选择性吸收能力；图1D代表非圆形截面的热管 或无机导热管；为了建筑装修装饰的需要，也可以数支热管或无机导热管与 单块金属薄板结合成一体

(2)为热管或无机导热管的头部，即热管或无机导热管的热能输出部 位，其内部与热管或无机导热管本体内部相通，传热工质将热能带到头部，释 放部分热能之后返回管体内；该头部的形状、大小可以与热管或无机导热管 的本体相同，或者不同；在该头部有依照本发明设计制造的’配合面’，其形 状和表面状态满足传导型热能汇流装置的要求，该’配合面’可以设计在头 部的顶端或在侧面，例如图1B.’配合面’在顶部且带有凸缘，图1D.’配合 面’在侧面，带有凸缘，’配合面’也可以不带凸缘，例如图1A所示；本发明 采用专门的’结合配件’将所说’配合面’与传热介质导热管上的对 应’配合面’准确配合、固定并加力压紧，该配件可以单独制造，也可以与 热管或无机导热管的头部加工成一体，例如图1C所示；所说满足传导型热能 汇流装置要求的’配合面’可以是平面，曲面，棱边-凹槽配合面，或主、辅配 合构成的复合’配合面’，在图3A.-图3H.中将进一步阐述；

(3)，集热片，由导热性能良好且在使用环境下性能稳定的金属薄板制 成，其正面经过选择性吸收镀层或涂层专门处理，在采用反射型聚光设施时 其正面和背面都经过选择性吸收镀层或涂层专门处理，对于太阳光具有高吸 收低发射的选择性吸收能力；板的正面可以同时起建筑装修装饰作用，可根 据需要制造成平面、曲面或各种异形面；表面状态可以是平整的，或带各 种凹凸图案，或制造成各种减反射的非平滑结构；或加镀有彩美观的减反 射膜；根据需要，热管或无机导热管可处于集热片的背面(图1A)、正面(图 1B)或中间(图1C)，一般置于板的宽度方向的对称中心线上，也可以不对称； 热管或无机导热管和集热片可用同种材料一体成型，也可用相同或不同材料 分别制造然后复合或焊接而成；

(4)为集热片的折边，用于相邻集热片之间的接缝，可以制造成叠合、 交叉咬合、榫槽对插、紧固件固定，还可以在其背面加辅助件加固；或不用折 边，只是简单的略微重叠；

在图2中，(1)为太阳能接收元件，又同时可起建筑装饰、装修作用， 即具有太阳能利用功能的新型建材，(2)为热管或无机导热管的头部，即热 管或无机导热管的热能输出部位，与上述图1.中相对应。

(5)为传热介质导管，传热介质经由其内部流过，该导管有依照本发明专 门设计制造的表面，其形状和表面状态满足传导型可承压无泄露免维修热能 汇流装置的要求.

(15)为循环泵，传热介质由该循环泵驱动通过导管和管路，将汇集热能的传 热介质传送至热交换器(8)；传热介质进行闭路循环，热交换器(8)将传热 介质的热能传递给储存设备(9)中的水或其它介质，使之得以不断加热； 当收集的热能是用于温度在100℃以上时，该储存设备是承压容器；当要利用 于汽轮机发电时，该储存设备是发电工质的蒸发器；(10)为热能利用设施： 对于不同用途，使用不同的应用设施，包括：供热水、采暖；利用热能通过吸收 式、吸附式和喷射式制冷；工业过程供热；汽轮机发电或提供机械动力；(11) 为控制器；(12)为阀门组；(13)为水源或其它传热工质储罐；(14)为辅助热 源，在太阳能不足以满足要求时，提供补充热能；本图的(1)(2)(5)及 其相关部分建设于屋顶或墙体之内。其余部分置于室内。

在图3A.--图3G.中

(1)为热管或无机导热管

(2)为热管或无机导热管的头部，即热管或无机导热管的热能输出部 位；

(5)为传热介质导管，在其侧面或底面，有依照本发明设计制造的’配 合面’，在安装时用’结合配件’(6)和紧固件(7)将众多单支热管或无机导 热管头部的’配合面’与本传热介质导管的相应’配合面’精确组装固定， 并加力压紧，使之相互密切配合，热能通过该配合面从热管或无机导热管的 热能输出部位传导至传热介质导热管内壁，进而通过导管内壁换热，传给在 其内部流动的传热介质；在上述相应’配合面’精确组装固定并加力压紧之 后，根据需要还可以用诸如感应加热钎焊，或者超声波焊，或者超声波浸润钎 焊或者其它工艺对配合面进行焊接处理，使之在保持原有结构和强度不受显 著损伤的同时，在相应配合面之间形成局部相互融合或者产生局部相互冶金 结合，有无该类处理的必要取决于配合面的材质和需要通过的单位面积热流 量；对于’配合面’材质不太容易以上述工艺进行局部相互融合或者产生局 部相互冶金结合的情况，在相关’配合面’制造过程中，在其表面镀上或涂 上适当的钎焊料，用以改善该类处理过程；该类处理过程不是对所有场合都 有必要；在满足本发明的上述’配合面’要求的前提下，传热介质导管的截 面形状可以是圆形、椭圆型、半圆型、半椭圆型(如在图3B.图3D.图3F. 图3H.所示)，方形、矩形、菱形(如在图3A.图3C.图3E.图3G.所示)多边 形或圆角矩形、多边形以及由曲线、折线或曲线和折线共同围成的各种形状 等(如在图3B.图3D.所示)；’配合面’有设计在传热介质导管前面的(如 在图3A.图3B.所示)，有在其后面的(如在图3C.图3D.所示)，有在其底面 的(如在图3E.图3F.图3G.图3H.所示)；传热介质导管有单流道的，也有 双流道的，即将传热介质的往返流道制造成为一体，如图3D.所示；导管内壁 可以是光滑的，也可制造成带螺线的，以增强传热介质扰动改善对流换热；

传热介质导管以无接头整管延伸至室内便于操作的位置，导管的汇集、 接口都在操作方便之处，按常规管线的要求运作；从以上所述的图例和说明 可见，在本发明的太阳能集热元件和热能汇集装置中，无开口无接头存在，也 无须密封垫、密封圈，因而从根本上排除了传热介质(在许多情况下是水)的 泄漏问题；也不存在与太阳能集热装置相关的特殊维护问题；传热介质导管 为金属管路，承压能力可根据需要设计，满足需要.

在所述热管或无机导热管头部的’配合面’同与之结合的传热介质导 管的相应’配合面’之间，可以添加增强传热性能的物质，如导热硅油或类 似物质，也可以不加；

(6)是依照本发明设计的’结合配件’，用于将热管或无机导热管头部 和传热介质导管两部分的相应’配合面’的精确组装、固定并加力压紧；在 图3B.图3D.所示的结构中，可以不用’结合配件’，热管或无机导热管头部 侧面带凸缘的’配合面’与上下侧带凸缘的传热介质导管一侧的’配合 面’直接结合，用紧固件紧固加力压紧；在图3A.图3C.中，未显示”配件”， 参照图3E.图3F的结构，结合图3A.图3C.的配合方式改变安装方位即可；在 图3E.图3G.图3H.中，’结合配件’与热管或无机导热管的头部可以结合为 一体，也可以分开制造；或者分开制造后再结合成一体；

’结合配件’还有一项功能：补充或者强化热管或无机导热管头部和传 热介质导管两部分之间的热传导，特别是对于图3F.图3H.这类配合方式，因 此，’结合配件’采用导热性能好的材料，其表面形状、状态、宽度、厚度 也需要合理设计；

(7)是配合’结合配件’使用的紧固件；

随太阳能应用目标的不同，对传热介质的温度要求不同，传热介质导管 材质必须随之改变，对于需要明显高于100℃以及更高温度的情况，传热介质 导管需要以适当成分的钢管为基础，其外表面加导热性能好接触热阻低的金 属复合层或镀层，对于该类情况，前述’配合面’组装、紧固和加力压紧之后 的施焊，’结合配件’的补充或者强化传热功能都具有更为重要的作用；该 办法同样适用于温度要求不那么高的场合；

在图4中：(1)为热管或无机导热管；(3)为太阳能集热片，又同时 起装饰、装修作用；(5)为传热介质导管，属于热能汇流设施的构成部分； (16)为内墙或墙体内装修层或屋顶的下面(内表面)装修层，(17)为铝 箔，对热辐射起反射作用，对空气对流和水分子迁移起隔断作用，(18)为保 温材料，至少由两层构成，两层的接缝错开；(19)为铝箔至少由两层构成，两 层的接缝错开；(20)为热能汇集装置复合保温层，其内外两侧都有铝箔；上 述(1)、(3)、(5)就是太阳能接收、转换及热能汇集装置或简称’太阳能集 热装置’的主体，(16)-(19)是保温隔热和建筑内墙面；(21)为朝向太阳的 透光封闭层，由透光率高、反光率低，强度和耐久性满足要求的玻璃、钢化玻 璃，合成材料或复合材料构成，同时是建筑外墙面或屋顶面层；其层数可以 是单层、双层以至多层，取决于所在地区、和对所建太阳能集热装置的温度 要求；构成透光密封层的玻璃或上述其它材质的板材，可以是普通平板，或 者一面平另一面为长向带多条平行凸台和凹槽波形的聚光板，或槽形板，波 形板，波形可以是凹凸相间的半圆型、方形或梯形，与建筑业常用的金属压 型板、水泥波形瓦相同或类似；板的表面状态可以是通常的光滑平面，也可以 带起减反射作用的细微凹凸压痕或装饰图案；可以是玻璃生产的原始状态， 也可以在其表面镀减反射膜或者进行自净化表面处理；

采取聚光和强化保温措施，本发明的技术和装置，可获得显著高于100℃ 温度的太阳能热源，为工业供热，空调制冷，或驱动特种工质汽轮机发电或提 供机械动力之用；聚光可以通过上述带多条平行凸台和凹槽波形的聚光板实 现；也可以在一层透光密封层之内，在本发明的太阳能集热元件之外，再外加 上本发明提供的后面带反射聚光的玻璃真空夹套实现，所述真空夹套是指用 透光性能优良的双层带底的玻璃环套管，其后半部有反光镀层，环套中抽真 空密封，环套顶部为开口，太阳能集热元件从开口插入夹套后，用保温材料塞 堵上开口，该保温材料允许空气缓慢渗透保持玻璃夹套内外压力平衡；详见 图5.；所述带反射聚光的玻璃真空夹套的太阳能集热装置将被使用在厂房， 仓库或其他许可这样作的建筑物的屋顶和墙体或遮阳棚中；

图5给出了为获得较高温度，结合到工业厂房，仓库等建筑物中，用玻璃 真空夹套强化保温和反射聚光的集热元件的结构示意图，在图5中：

(1)为热管或无机导热管本体，(2)为热管或无机导热管的头部，即 热管的热能输出部位，(1)、(2)与本发明上述图1中所述一致；(3)为集热片， 由导热性能良好且在使用环境下性能稳定的金属薄板制成，其正面和背面都 经过选择性吸收镀层或涂层的专门处理，对太阳光具有高吸收低发射的选择 性吸收能力，(18)为保温隔热塞，用允许空气缓慢通过保持玻璃真空夹套内 外压力平衡的保温材料制造，(26)为保温玻璃真空夹套，用透光性能优良的 玻璃制造的双层环套管，环套管后半部有反光镀层，环套中抽真空密封，(27) 为反光镀层，既可镀在夹套内层的外侧，也可镀在外层的内侧，或者两者都 镀；所述夹套的横断面形状不一定为圆形，可以根据前面透光和后面反光的 需要，合理设计，环套管可以带底，也可以无底，用保温材料塞堵住；

在图6A.中，(22)为屋顶，其内部按上述图4.的配置装有太阳能集热装 置，(23)为与建筑物雨披或遮阳棚，其内部按上述图4.的配置装有太阳能集 热装置，(24)为门，(25)为窗户，在图6B.中，(25)为阳台窗户；

图6A与图6B的布置有双重含义：本发明的建筑一体化太阳能集热器可 直接结合在住户门、窗、阳台的雨披中，另一方面，本发明的建筑一体化太 阳能利用装置，既可建设在与当地水平面垂直的墙体内，对于非承重墙，也可 建设在具有一定倾角的墙体之中；从优化全年太阳能接收效率考虑，在建设 本发明的建筑一体化太阳能集热装置时，可按照所在地纬度、建造成本，兼 顾太阳能利用、建筑美观和投入合理诸方面，适当设计墙体倾角；墙面有一 定倾角意味着楼板需要向外有一定的延伸，该种带倾角的墙体，其结构实际 上是一种’放大的雨披’也具备遮阳棚、雨披的作用；对于单元式楼房建筑， 上述建设在住户墙体、门、窗、阳台的雨披中的太阳能集热设备，便于用户 就近连接和管理；

从以上各图可以看出，本发明所说的建筑一体化是指将太阳能接收转 换及热能汇集装置，作为为建筑物屋顶、墙体或雨披的一部分，建设于其中； 即保温、隔热层处在太阳能集热器的背面，这就使得太阳能的收集、转换、 输送、储存与建筑保温、隔热成为互不相干之事，从而可以在充分利用太阳 能的同时实现建筑高效保温和隔热；

太阳能’取之不尽，用之不竭’，但是单位面积能接收的量有限，要上规 模，需要大量接收面积；另一方面，可接收的时间有限；本发明解决了将太阳 能接收装置建设在墙体和屋顶中的技术和装置，提供了非常广阔的接收场 地；本发明用液体，在多数情况下是水，作为传热介质，为接收到的热能的输 送、汇集、储存提供了方便；在建造成本方面，本发明朝向太阳的透光封闭层， 同时是建筑外墙面或屋顶面层，保温隔热层也是与建筑本身共用，因而可大 幅度节省成本；在具备上述优势的基础上，市场竞争的格局就与普通商品能 源一样：使用单位能量的综合成本，不必为提高比例不大的一点”效率”而 大幅度增加成本。

本发明的太阳能建筑一体化利用有极其广泛的途径，为了便于理解，现 举例如下，但是这些举例远不是本发明应用范围的全部，更不构成对本发明 的限制

1，在房屋设计、建造，或者屋顶翻新改建，或者在屋顶加层过程中按照 本发明图4的配置，将太阳能收集、转换及热能汇集装置建设到屋顶结构中： 屋面顶层采用玻璃或钢化玻璃与金属型材、密封材料分块做防水密封透光 层，块之间做排水沟；或者用槽形玻璃反扣于其上，在槽形玻璃接合处留排 水沟；或者用高透光钢化玻璃或适合于该种用途的高透光合成材料的大块波 形板，按建筑常规处理接合部；太阳能集热元件和热流汇集装置安装在防风 雨封闭透光顶层之下，中间有2厘米或稍多一点的空气层，本发明的传导型 热流汇集装置安装在太阳能集热元件的上方，热流汇集装置单独作全方位保 温、隔热处理，太阳能集热元件与水平面之间有一定的角度，坡度不低于7 度；太阳能集热元件之下为复合保温隔热材料，包括上下两侧都有铝箔；

2、在房屋建筑设计建造，墙体翻新或节能改造过程中，按照本发明图4 的配置；将太阳能收集、转换及热能汇集装置结合到建筑物朝阳面墙体结构 中；用高透光低反射玻璃或钢化玻璃或适合于该种用途的高透光合成材料或 复合材料作防风雨密封透光外墙面，在特别寒冷地区，玻璃可以多于一层，玻 璃内侧留2厘米或稍多一些的空气层；太阳能集热元件竖直安装，热能汇集 装置安装在集热元件上端，单独作全方位保温、隔热；太阳能集热元件之后 作复合保温隔热，保温隔热材料可组合到集热元件背面，或者与内墙板作为 一体；

3，用于玻璃幕墙内侧，在向阳面的玻璃幕墙内侧，在留出采光面之外的 部分，按本发明图4的配置，装上本发明具备装饰装修功能的太阳能接收板、 传导型无泄漏、可承压免维修的热能汇集装置以及保温、隔热层和内装修， 收集透过幕墙玻璃的多余能量供利用，炎热季节大幅度降低空调能耗，并提 供热水，对于新建玻璃幕墙，由于太阳能集热片表面的选择性镀层或涂层可 吸收95％以上的太阳光，所以按照本发明，幕墙玻璃不仅不必作反光处理，而 且可作适当的减反射处理，控制光污染，增加可利用太阳能的收集量；采用 本发明，玻璃幕墙建筑不再是城市光污染源，也不再是能源消耗超标建筑，反 而有可能转变成超低能耗建筑；在炎热季节，有可能产生剩余热水供商业或 附近社区利用

4，按照本发明图4的配置，参照以上1-4项的描述，将太阳能收集、转 换及热能汇集装置建设到工厂厂房、仓库、堆棚的屋顶和向阳墙体结构中， 热管和热能汇流装置中传热介质的工作温度范围根据应用目标选择，必要时 采取聚光措施和玻璃真空夹套强化保温，可以将太阳能用于工业供热，或者 通过沸腾温度和蒸发潜热都低于水的特种工质蒸发器和汽轮机发电，同时从 该汽轮机的尾汽冷凝水产生生活热水；在无工业电网且其它一次能源不足的 地区，用本发明的上述途径发电，其成本有可能显著低于现有的光伏发电，而 且容易获得较大规模的供电能力；

5，按照本发明图4的配置，参照以上1-5项的描述，将本发明的太阳能 收集、转换及热能汇集装置，建设到船舶、舰艇，以至长途火车等大型远距离 运输设备的顶面和’墙面’结构中，热管和热能汇流装置中传热介质的工作 温度范围根据应用目标选择，必要时采取聚光措施，可以将太阳能用于海水 淡化、空调、供热水和饮用水以至食物烹调；

6，按本发明图4的配置，将太阳能集热设备制造成组合式单元，安装到现 有建筑的墙面、屋顶和雨披-遮阳棚中；

说明：本说明书，为了便于理解，提供了图解和说明举例，但是，它们远不 是本发明的全部，更不构成对本发明的限制。