一種集熱器及具有該集熱器的太陽能熱水器制造技術

本發明專利技術公開一種集熱器，其包括吸熱芯板、蓋板以及外殼，所述吸熱芯板由多個超材料片層疊加而成，所述每一超材料片層包括基材以及周期排布于基材上的人造金屬微結構，當可見光通過所述吸熱芯板時，所述吸熱芯板的相對介電常數和相對磁導率相等。本發明專利技術利用超材料原理制成集熱器中的吸熱芯板，無需采用常規的金屬制成吸熱芯板，擺脫了金屬材質自身必然會對入射光產生反射的限制。本發明專利技術集熱器對入射光基本零反射，并能高效吸收入射到集熱器內部的光線，吸熱效果更好。同時，本發明專利技術還公開一種太陽能熱水器，其集成有上述集熱器。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及太陽能領域，尤其涉及一種集熱器及具有該集熱器的太陽能熱水器。
技術介紹
現有的太陽能熱水器主要由集熱器、儲水箱、連接管道、支架及相關附件構成。其中，集熱器為太陽能熱水器的核心部件，其主要功能為吸收太陽能并將太陽能轉化為熱能。集熱器包括吸熱芯板，其吸收太陽能并將熱能傳遞給水流，其主要材料為銅、鋁合金、不銹鋼或者鍍鋅板；蓋板，其防止熱能散失，蓋板能透過可見光但不透過遠紅外線，具有高全光透射比、高抗沖擊性以及優良的絕熱性能；保溫層，其減少集熱器向四 周環境的散熱，要求保溫性能好，熱導率不大于O. 055W/(m )，常用材料為巖棉、礦棉、酚醛泡沫、聚氨酯發泡塑料等；外殼，其將上述吸熱芯片、蓋板、保溫層組成一個整體，要求具備一定剛度和強度，常用材料為鋼板、鋁型材、玻璃鋼或塑料。通過上述描述可知，現有技術中的太陽能熱水器，真正起到吸收太陽能將太陽能轉化為熱能的器件只有金屬材料的吸熱芯板。然而，金屬材料對光具有一定的反射，使得光的部分能量散失，從而影響了其轉化太陽能的效率。
技術實現思路
本專利技術所要解決的技術問題在于，針對現有技術的上述不足，提出一種集熱器及具有該集熱器的太陽能熱水器。本專利技術解決其技術問題采用的技術方案是，提出一種集熱器，其包括熱芯板、蓋板以及外殼，所述吸熱芯板由多個超材料片層疊加而成，所述每一超材料片層包括基材以及周期排布于基材上的人造金屬微結構，當可見光通過所述吸熱芯板時，所述吸熱芯板的相對介電常數和相對磁導率相等。進一步地，所述吸熱芯板由至少5層超材料片層疊加而成。進一步地，所述吸熱芯片基材兩相對側表面一側表面上附著有第一人造金屬微結構，另一側表面上附著有與所述第一人造金屬微結構一一對應的第二人造金屬微結構；所述第一人造金屬微結構包括相互垂直而連接成“十”字形的兩個第一金屬分支，分別連接在所述第一金屬分支兩端且垂直于所述第一金屬分支的第二金屬分支；所述第二人造金屬微結構由一邊具有缺口的四邊形狀的第三金屬分支構成。進一步地，所述吸熱芯片基材兩相對側表面的至少一側表面上附著有人造金屬微結構，所述人造金屬微結構包括第一金屬分支，所述第一金屬分支構成一邊具有缺口的四邊形狀；一端設于該缺口相對的四邊形邊上并向該缺口延伸且突出該缺口的第二金屬分支；垂直于所述第二金屬分支另一端的第三金屬分支。進一步地，所述吸熱芯片基材中周期排布的人造金屬微結構由三個相同的平面拓撲結構在三維空間共中心點兩兩垂直相交而成。進一步地，所述平面拓撲結構包括相互垂直相交呈“十”字形的兩條第一金屬分支；分別連接于該兩條第一金屬分支兩端、長度小于該第一金屬分支并垂直于該第一金屬分支的四條第二金屬分支；從該第二金屬分支兩端向內延伸的八條第三金屬分支；一邊具有缺口并設置于該四條第二金屬分支圍成的平面內的四邊形狀的第四金屬分支，該第四金屬分支的四邊長度小于該第二金屬分支且具有該缺口的一邊不與該第一金屬分支相交，其他三邊均與該第一金屬分支相交。進一步地，所述基材為高分子聚合物、陶瓷、鐵電材料、鐵氧材料或鐵磁材料。進一步地，所述人造金屬微結構通過蝕刻、電鍍、鉆刻、光刻、電子刻、離子刻、斜角沉積法排布于所述基材上。進一步地，所述人造金屬微結構的材質為銅或者銀。本專利技術還提供一種太陽能熱水器，所述太陽能熱水器集成有上述的集熱器。 本專利技術利用超材料原理制成集熱器中的吸熱芯板，無需采用常規的金屬制成吸熱芯板，擺脫了金屬材質自身必然會對入射光產生反射的限制。本專利技術集熱器對入射光基本零反射，并能高效吸收入射到集熱器內部的光線，吸熱效果更好。附圖說明圖I為構成超材料的基本單元的立體結構示意圖；圖2a為本專利技術一種集熱器第一較佳實施例中附著于吸熱芯板基材一側表面的第一人造金屬微結構拓撲示意圖；圖2b為本專利技術一種集熱器第一較佳實施例中附著于吸熱芯板基材另一側表面的第二人造金屬微結構拓撲示意圖；圖3為本專利技術一種集熱器第二較佳實施例中附著于吸熱芯板基材上人造金屬微結構拓撲示意圖；圖4為圖3所示人造金屬微結構響應電磁場的等效拓撲示意圖；圖5為本專利技術一種集熱器第三較佳實施例中附著于吸熱芯板基材中人造金屬微結構拓撲示意圖；圖6為圖5所示人造金屬微結構拓撲示意圖在二維平面的拓撲示意圖；圖7為圖6所示人造金屬微結構二維平面拓撲示意圖對應三維空間垂直于該二維平面入射的電磁波而拆分的可對電場響應的多個等效拓撲示意圖；圖8為圖6所示人造金屬微結構二維平面拓撲示意圖對應三維空間垂直于該二維平面入射的電磁波而拆分的可對磁場響應的多個等效拓撲示意圖。具體實施例方式光，作為電磁波的一種，其在穿過玻璃的時候，因為光線的波長遠大于原子的尺寸，因此我們可以用玻璃的整體參數，例如折射率，而不是組成玻璃的原子的細節參數來描述玻璃對光線的響應。相應的，在研究材料對可見光或其他電磁波響應的時候，材料中任何尺度遠小于電磁波波長的結構對電磁波的響應也可以用材料的整體參數，例如介電常數ε、磁導率μ、折射率、阻抗等來描述。通過設計材料每點的結構使得材料各點的介電常數和磁導率都相同或者不同從而使得材料整體的介電常數和磁導率呈一定規律排布，規律排布的磁導率和介電常數即可使得材料對電磁波具有宏觀上的響應，例如匯聚電磁波、發散電磁波、吸收電磁波等。該類具有規律排布的磁導率和介電常數的材料我們稱之為超材料。如圖I所示，圖I為構成超材料的基本單元的立體結構示意圖。超材料的基本單元包括人造微結構I以及該人造微結構附著的基材2。本專利技術中，人造微結構為人造金屬微結構，人造金屬微結構具有能對入射電磁波電場和/或磁場產生響應的平面或立體拓撲結構，改變每個超材料基本單元上的人造金屬微結構的圖案和/或尺寸即可改變每個超材料基本單元對入射電磁波的響應。多個超材料基本單元按一定規律排列即可使得超材料對電磁波具有宏觀的響應。由于超材料整體需對入射電磁波有宏觀電磁響應因此各個超材料基本單元對入射電磁波的響應需形成連續響應,這要求每一超材料基本單元的尺寸為入射電磁波波長的十分之一至五分之一，優選為入射電磁波波長的十分之一。當超材料需要對可見光響應時，則超材料上每一超材料基本單元的尺寸應為納米級。本段描述中，我們人為的將超材料整體劃分為多個超材料基本單元，但應知此種劃分方法僅為描述方便，不應看成超材料由多個超材料基本單元拼接或組裝而成，實際應用中超材料是將人造金屬微結構周期排布于基材上即可構成，工藝簡單且成本低廉。周期排布即指上述我們人為劃分的各個 超材料基本單元上的人造金屬微結構能對入射電磁波產生連續的電磁響應。本專利技術即利用上述超材料原理，用超材料制成集熱器中的吸熱芯板。吸熱芯板擺脫了傳統金屬材料本身的各種限制，具有高吸收率，從而提高集熱器的發熱效率。本專利技術集熱器包括吸熱芯板、蓋板以及外殼，吸熱芯板包括基材以及周期排布基材上的人造微結構。根據電磁波的吸收原理可知，電磁波被吸收需要滿足兩個條件一是電磁波在基材表面無反射，即集熱器與自由空間實現阻抗匹配；二是進入集熱器內部的電磁波必須被消耗。由于自由空間阻抗Z = 1，根據公式Z=V^可知，當由超材料制成的吸熱芯板的相對介電常數ε和相對磁導率μ相等時即可達到理想阻抗匹配特性。當吸熱芯板的基材表面未附著人造金屬微結構時，其對電磁場表現出具有初始相對介電常數ε 和初始相對磁導率U1 ;本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種集熱器，包括吸熱芯板、蓋板以及外殼，其特征在于：所述吸熱芯板由多個超材料片層疊加而成，所述每一超材料片層包括基材以及周期排布于基材上的人造金屬微結構，所述吸熱芯板在可見光通過時具有相等的相對介電常數和相對磁導率。

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：劉若鵬，季春霖，岳玉濤，楊青，
申請(專利權)人：深圳光啟高等理工研究院，深圳光啟創新技術有限公司，
類型：發明
國別省市：