CN102439377B

CN102439377B - 太阳能集热系统及方法

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Publication number: CN102439377B
Application number: CN201080018133.1A
Authority: CN
Inventors: 约拉姆·利昂·沙布泰; 威廉·E·潘索夫
Original assignee: INNOVATION MASTERS LLC
Current assignee: Mill Masters Inc; INNOVATION MASTERS LLC
Priority date: 2009-02-19
Filing date: 2010-02-19
Publication date: 2015-06-03
Anticipated expiration: 2030-02-19
Also published as: WO2010096607A2; US8347877B2; WO2010096607A3; CN102439377A; US20100206300A1

Abstract

本发明提供了一种太阳能集热系统(36)和适合用于利用太阳能的热水发生的方法。所述系统(36)包括位于入口歧管(14)与出口歧管(14)之间的多端口管(12)。所述管(12)为金属材料，每个管(12)具有：位于管(12)的侧边缘(28)之间的相对设置的第一平坦表面(26a)和第二平坦表面(26b)；纵向设置的第一和第二端部(30)；以及位于所述第一和第二端部(30)之间的多个流体通道(24)，该多个流体通道(24)彼此流控平行。所述进入和出口歧管(14)联接至管(12)的第一和第二端部(30)，所述入口和出口歧管(14)内的腔室(22)与所述多端口管(12)的所述流体通道(24)流体连接。在系统(36)操作期间，流动通过管(12)的流动通道(24)的流体被射入管(12)的第一平坦表面(26a)的直接太阳辐射以及可选地通过射入管(12)的第二平坦表面(26b)的反射的太阳辐射加热。

Description

太阳能集热系统及方法

相关申请的交叉引用

本申请要求2009年2月19日提交的美国临时申请No.61/153,748的权益，该申请的内容通过参引结合在本文中。

技术领域

本发明总体上涉及太阳能集热系统及它们的使用和制造方法。更具体地，本发明涉及其构造包括轻型扁平多通路管道的太阳能板和主要包括该太阳能板和水箱的太阳能集热系统。该太阳能板能够提高效率，使得需要安装的集热器面积减小或者对于给定集热器面积可产生更多热水。

背景技术

现有太阳能集热器通常以三种形式可供选用：成形的塑料集热器、平板集热器以及真空管集热器。塑料集热器通常采用聚合物多通路管道或面板，这些管道或面板直接暴露于太阳以便加热流动通过通路的的流体（例如，水）。平板集热器通常采用由圆形铜管接触的吸热板，圆形铜管一起封套在绝缘封壳中。吸热板可以呈在圆形管之间的扁平散热片的形式。吸热板被阳光加热，并且吸收的热经由吸热板、吸热管接头、以及管壁传导到流动通过这些管的加热流体。真空管集热器通常采用单独的真空密封玻璃管，每个真空密封玻璃管容纳加热流体从中流动通过的铜管。铜管通常与玻璃管内的吸热片或吸热板接触，并且周围的真空充当绝缘体以使从铜管到玻璃管外部环境的热损失最小并由此使铜管能够达到较高的温度。

以上概括描述的集热器技术具有一些局限性。液体在管内的流动区域与吸热板的可用吸热面积相比较小。对于非跟踪面板仅在正午期间达到最高效率。成本相对较高，特别是真空管。铜管相对较重。尽管聚合物铜管不易受腐蚀，但是它们倾向于变形和紫外光降解，并且不能耐高温。真空管易碎、昂贵且需要大量空间，并且玻璃管限制吸热片或吸热板的尺寸。最后，真空管所采用的真空绝缘方法导致管阵占据大量空间，而每个玻璃真空管容纳单个圆形铜管，并且典型玻璃管直径为大约40mm。

发明内容

本发明提供了太阳能集热系统及方法，其适于但不限于在住宅区、商业区和其它场所利用太阳能产生热水，并适于需要热水并可利用太阳能的其它用途。

根据本发明的第一方面，所述系统包括多个多端口管和一对入口和出口歧管。多端口管由金属材料形成，每个多端口管具有：位于多端口管的限定其宽度尺寸的侧边缘之间的相对设置的第一和第二平坦表面；限定多端口管的长度尺寸的纵向设置的第一和第二端部；以及位于所述第一和第二端部之间的彼此流控平行的多个流体通道。进入和出口歧管联接至多端口管的第一和第二端部使得入口和出口歧管内的腔室与多端口管的流体通道流体连接。在系统操作期间，流体从入口歧管的腔室经由多端口管的流体通道流动到出口歧管的腔室。

根据本发明的优选方面，所述系统进一步包括封壳，封壳具有容纳所述多端口管以及入口歧管和出口歧管的内部，所述封壳包括第一面板和第二面板以及框架组件，该框架组件与第一和第二面板互连在一起使得第一和第二面板基本上彼此平行。多端口管由入口和出口歧管定向成使得它们各自的第一平坦表面能够定位成面对第一面板并且它们各自的第二平坦表面能够定位成面对第二面板。第一面板对太阳辐射基本上是透光的，所述多端口管的第一平坦表面邻近所述第一面板从而被穿透第一面板进入封壳内部的太阳辐射加热。所述第二面板对太阳辐射基本上是反射性的，多端口管的第二平坦表面邻近第二面板从而被穿透第一面板进入封壳内部中并由第二面板反射的太阳辐射加热。

通过上文，可以理解，本发明提供优于常规太阳能集热器的很多益处。金属多端口管可通过挤制形成，例如，挤制铝合金形成，因此能够以比太阳能集热器中常用的挤制聚合物材料、铜管和铜板材低的成本制成。特别地，多端口管的平坦表面使这些管能够直接用作太阳能集热器而无需附加吸热器板或翼片。挤制铝多端口管在汽车行业中在冷凝器和中冷器中广泛使用，因此应当比挤制聚合物和铜管更容易获得并且来源更多。挤制铝多端口管还具有能够使用商业上有售的钎焊材料、设备和方法与歧管组装的优点。例如，可以使用钎焊环并用钎焊炬进行钎焊。钎焊过程可以自动进行，类似于大规模自动化热交换器生产方法。对于给定加热能力级别，本发明的太阳能集热系统还能够制成为重量相对较轻、运输成本最小化并允许系统被承载于屋顶及常安装太阳能集热器的其它高位。

多端口金属管还能够实现较长的使用寿命，特别是和倾向于在紫外线照射下劣化、机械强度较低且最大操作温度低于铝合金的聚合物管相比如此。镀锌铝质多端口管尤为突出，已经证实镀锌铝管在严酷的汽车应用中耐抗高温和外部腐蚀。相比在暴露于不同热膨胀和收缩条件时连接倾向于逐渐发生泄漏的聚合物管，在高可靠性和无泄漏铜焊接头方面，钎焊铝质多端口管在汽车行业中也有据可查。本发明采用的多端口管与真空（vacuum）管集热器相比也是有利的，真空管集热器的外部玻璃管易碎，而且如果丧失严密密封性真空管集热器的效率会急剧降低。此外，本发明的多端口管能够吸收漫射辐射，而真空管集热器不可以。

本发明的其它方面包括与上述系统一起实施的太阳能集热方法。

附图说明

图1是示出根据本发明实施方式的太阳能集热面板的立体图。

图2示意性地示出了类似于图1的面板的太阳能集热面板的多端口管的截面图。

图3示意性地示出了根据现有技术的具有圆形管的太阳能集热面板的截面图。

图4示意性地示出了安装在太阳能集热系统中的图1的太阳能集热面板。

图5示意性地示出了类似于图1的太阳能集热面板的平面和侧视图，其中集热面板的管不可枢转地附接于集热面板的进口和出口歧管。

图6示意性地示出了类似于图1的太阳能集热面板的平面图、侧视图和端视图，其中集热面板的管可枢转地附接于集热面板的进口和出口歧管。

图7、8和9示意性地示出了类似于图1的太阳能集热面板的多端口管的截面图，并示出了出于阳光跟踪运动的目的枢转其中一些管或所有管的能力。

图10示意性地示出了类似于图1的太阳能集热面板的多端口管的截面图，其中这些管相对于阳光以不同角度设置。

图11是示出根据本发明优选实施方式的太阳能集热面板和封壳的分解图。

图12是图11的太阳能集热面板和封壳的截面图。

图13是示出图11和12的集热器面板的歧管与封壳的框架构件之间的联接的截面图，并且还示出了将下面板粘结到框架构件的胶粘接头。

图14是示出将透光面板粘结到图11和12的封壳的框架构件的胶粘接头的截面图。

具体实施方式

图1示意性地示出了根据本发明实施方式的以下称为太阳能面板10的太阳能集热设备。可以描述为太阳能集热器或集热器的面板10包括流控地连接到一对歧管14的多个管12，从而在一对面板16和18之间形成流体回路。上面板16（如图1中的定向）位于管12上方并优选为玻璃制品或适于太阳辐射穿过的其它材质，而下面板18在管12下面并且可以由不同材料形成，包括具有热绝缘特性和/或反射特性的材料。例如，下面板18可以如下文所述具有反射表面18a。管12示出为与歧管14中的槽口20对准，管12插入这些槽口20中以形成包括歧管14的内腔22和管12内的通道24在内的流体回路。如从图1中显而易见的，管23在歧管14之间流控平行地连接。

如图1和图2中所示，管12为扁平多端口管12，又称为微通道管，这种管取代了太阳能集热器中常见的圆形铜管和多通道聚合物管。每个管12在其侧边缘28之间和纵向端部30之间具有一对相对设置的平坦表面26a和26b（图1中可见其中的上表面26a）。如图1和图2中示出的，每个管12形成为具有多个通道24，流体（诸如水）从该多个通道24中流动，用于通过在面板10的工作期间吸收的太阳辐射来加热流体的目的。在图2中，相邻通道24由使管12的上平坦表面26a与下平坦表面26b互相连接的壁或连结板32分隔。在图2中管12还被示出为进一步配置有内表面增强件34以改善管12与流动通过管12的通道24的流体之间的热传递。管12的上表面26a充当吸热器，这些吸热器足够平坦从而消除了如图3所示将圆形聚合物管和铜管粘结到平坦的吸热板或吸热片上的优先需要。由于管12的上平坦表面26a有效地发挥了吸热板的功能，因此不需要吸热板和吸热片。管12的上平坦表面26a直接收集太阳能，并且由管表面26a吸收的热通过管12的壁直接传递给流动通过管12内的通道24的流体，而不是从附接到管12上的附加的、单独的吸热板或吸热片传导。

管12和歧管14优选由金属材料形成，金属材料的优选示例是铝合金，铝合金能够通过钎焊连结并且与聚合物（塑性）材料相比机械强度更高、耐紫外线照射、和能够耐高温。作为铝的替代，管12可以由其它金属制造，一个非限制性示例为铜。管12优选通过挤制法形成，如在汽车工业中在冷凝器和中冷器中广泛使用的挤制铝质多端口管的制造中已知的。可选的，管12可以通过铸造法和辊轧法形成，这在汽车工业中使用的多端口管的制造中也有采用。面板10可以与铝质多端口管12一起制成，以具有比由聚合物管或铜管构造而成且具有同等流动容量的太阳能面板的重量轻的重量。管12可以制成为具有基本上任何数目的平行通道24，因此或多或少于图1中所示的四个通道24。

尽管可以采用的管尺寸的范围非常宽，但是认为对于多端口管12来说适合的尺寸通常为大约12 mm×2 mm（宽度×厚度）到大约50 mm×7 mm，具有或不具有跟踪太阳的能力。适合的例子是汽车冷凝器中常用类型的16 mm×2 mm挤制多端口管。认为大约1毫米或更少——例如为大约0.44 mm——的管壁厚度有利于促进经由管壁的热传递，并且认为大约2 mm的管厚度有利于使从管壁到管12内的流体的热传递最大化。管12可以钎焊至歧管14以构造具有较大尺寸范围的面板10，该尺寸的非限制性示例为大约2米×1米。可以根据需要在歧管14上钎焊进口和出口以及插塞。

挤制铝多端口管的优点为与挤制聚合物管和铜管以及常用作吸热板的铜板材相比材料成本相对较低。挤制铝多端口管的另一个优点是能够使用商业上有售的钎焊材料、装备和方法将它们连结到歧管14上。例如，可在管12的端部30上安装钎焊环，并利用钎焊炬将管12钎焊到歧管14上。钎焊过程可以是自动的，类似于汽车热交换器那样。对于高可靠性和无泄漏钎焊接头，钎焊的铝多端口管在汽车业具有可证实的良好记录。

尽管挤制铝多端口管的环境耐性在汽车业中的应用有据可查，但是通过给管12的内表面（例如，通道24）和/或外表面（例如，平坦表面26a和26b）涂覆涂层可以实现更长的使用寿命。例如，已经证实镀锌铝管在严酷的汽车应用中耐抗高温和外部腐蚀。另外地或作为替代方案，管12可以涂覆有防蚀物，例如，Inter-Kote®，以进一步延长面板10的使用寿命。

如上面指出的，本发明所采用的扁平多端口管12能够比等同的单个圆形铜管或聚合物管具有更高的热传递效率，因为多端口管24内的多个小通道提供了比本领域当前使用的圆形管（图3）高的热传递效率。在管路流体中，流体边界层是与容纳流体的边界壁相邻的基本停滞的流体层。边界层的最大厚度由管的半径有形地限制，因此能够形成在大的圆管内的边界层厚于能够形成在本发明的多端口管12的每个小的单个通道24中的边界层。因为边界层是停滞的，所以热传递以传导进行。在单纯层流的情况下，热传递系数h如下计算：

h=3.656k/D

其中k是热传导系数，而D是管的液力直径。可以看出随着直径D减小，h增大。另外，使用高热传导率流体额外地增大了h。管材料较高的热传导率（k）也使热传递系数h增大，这使铝管优于聚合物管。

如从图2显而易见的，本发明采用的扁平多端口管12还提供了更大的表面面积，这进一步增强的热传递。管壁到流体的热传递q_w可以定义为

q_w=h·A·△T

其中h是热传递系数，A是表面面积，△T是流体与管壁之间的温差。可以看出在流体与管壁之间的温差△T相同的情况下，较大的表面面积A和较高的h都将得到较高的传热率q_w。单个大管比具有相等截面流动面积的多个管的表面面积小。在管的内部或外部上与流体的接触亦如此。本发明采用功能上等同于多个圆管的多端口管12。例如，尽管具有13 mm外直径的典型圆形铜管（图3）与宽度为大约66 mm和厚度为大约2 mm的典型挤制扁平多端口管（图2）具有近似相同的横截面面积，但是扁平多端口管每单位长度具有大约3.3倍于圆形管的表面面积。因此，多端口管12的扁平大外表面26a高度适合于采集来自阳光的热并将热传递到在管12的通道24内流动的流体。

图4中示意性地示出了包括图1的太阳能集热面板10的太阳能水加热系统36。面板10示出为定向成使得太阳辐射以与管12的上平坦表面26a垂直的角度入射，因此使通过吸收太阳辐射加热管12的程度最大化。借助于泵38或其它适合的泵装置，流体被泵送到面板10，进入歧管14中的一个，然后流动通过管12内的通道24，在通道24中流体吸收被管12所吸收的热。之后，流体离开管12并在返回到储罐40——流体从储罐40被抽吸——之前进入其它歧管14。该闭环系统中所使用的流体优选为水和丙二醇的混合物以防其在寒冷气候的设备中冻结，但是还可以预见到其它流体的使用。在离开面板10之后，流体循环通过储罐40内的热交换器42，从而将热传递给储罐40内的第二流体（例如，水）。然后加热的水被抽离储罐40以用于任何期望的目的，比如居住环境、商业环境以及需要热水的其它环境。

图5至图10示出能够用来利用本发明的扁平多端口管12来提高太阳能吸收效率的多种不同的构造方法。在所谓的固定构造中，管12在图5中示出为以平行布置固定在歧管14之间。管12通过刚性黄铜制件44连结到歧管14，因此相对于歧管14是固定的。类似于图1和2中示出的管12，该管12在图5中示出为布置成使得它们的平坦上表面26a基本上共面，并且当阳光以（九十度）入射辐射到面板10时实现最大效率。可选地，管12可布置成使得它们的上平坦表面26a不共面。作为非限制性示例，图10示出管12固定（不可枢转地）成使它们的上平坦表面26a彼此成大约三十度到大约九十度定向，并且与面板10的平面（管12和歧管14所在的平面）成大约四十五度定向，导致早晚效率较高而在阳光辐射最大的中午期间效率较低，比图1和图5的共面固定构造具有更大的总体/平均吸热潜力。

上述固定的面板10的构造通过在歧管14中形成槽口20（图1）、将管12插入它们相应的槽口20、然后通过钎焊连结管12和歧管14而制得。如前面提到的，固定构造的具体示例是在使用钎焊炬的阶段中完成钎焊。可在将管端部30插入其在其中一个歧管14中的相应槽口20中之前围绕每个管12的一个端部30放置钎焊环。在所有管12被放置有它们各自的钎焊环之后，将组件固定并放置在喷灯（burner）前面持续适当的时长以熔融钎焊环并将管12钎焊到歧管14上。然后移开组件，翻转组件，并重复该循环从而将管12的相对端部30钎焊到第二歧管14。然后在歧管14的端部处钎焊配件和盖以制成太阳能面板10。可选加工方法是将所有的管12与歧管14组装在一起并在惰性环境熔炉中加热整个组件，这通常被称为可控气氛钎焊（CAB）法。该加工方法对于大批量生产是有利的，但是可能因为退火效应而影响管12和歧管14的硬度。

图6至图9中的示出的另一可选方案是将一些或全部管12联接到歧管14上以提供所谓的旋转构造，其中至少一些管12能够在它们的上平坦表面26a面对相同方向的同时绕它们的纵向轴线枢转，从而使得管12能够追随太阳穿越天空的运动。如从图7和8中显而易见的，该方法使射到管12的上平坦表面26a的入射太阳辐射最大化。可选地，管12可装配成所谓的混合构造，其中旋转管12之间设置固定管12。图9中示出了这种构造的示例。

对于图6至图8的枢转管实施方式，管12可以本领域已知的各种不同方式连接到歧管14，例如，简单如采用O型环的水管快接装置，或精细如加拿大专利CA2073754A1中描述的联接装置，该专利的内容通过参引结合在此。作为加工方法的示例，图6示出了钎焊至每个管12的端部30的回转单元和臂46，以及焊接在歧管14的每个相应开口20（图1）中的容座48。然后可将管12压入它们的对应容座48中从而完成图6中所示的构造。回转单元和臂46能够联接到枢转驱动机构50，作为非限制性示例，联接到简单的螺旋驱动机构。当周围环境的光线高于预设水平时，驱动机构50以固定的速率操作，使得回转单元和臂46（因此管12）白天追随着太阳。当周围环境光线低于预定水平时，驱动机构50可自动返回至其原来的“初始”位置并等待太阳升起。

使用图6、7和8的旋转构造，扁平多端口管12的效率通过使管12能够追随太阳穿越天空的运动而提高。利用该技术，面板10能够在一天的大部分时间里而不是仅仅一天的一小会儿接收到最大的可用太阳辐射。如从图7显而易见的，如果管12靠拢在一起放置使得相邻管12之间存在仅足够避免管间接触的间隙，则在太阳快升起和落下时会产生遮蔽效应。如图8所示，如果管12的旋转限制成相对于面板10的平面大约24度至大约156度的角度（即，包括大约132度的角度），例如在面板10平放的情况下与水平面成大约24度到大约156度的角度，则可以避免由遮蔽导致的效率降低。

本发明的太阳能面板10可以为新设备的一部分，或者可以为现有太阳能集热器的即用型替代。无论如何，整个太阳能面板10优选容纳在绝热外壳内，其包括透光的上面板16和图1中所示的下面板18。在大多数实施方式中，面板16和18为内部容置太阳能面板10的封壳的部件。为了使从面板10热损失最小化，封壳可以部分真空或者填充有二氧化碳或导热系数低于空气的其它气体。此外，封壳可以在除要面对太阳的透光面板16之外的所有侧面上都绝热。

图11至14示出了被认为是优选的实施方式，其示出了包括透光上面板16、下面板18和围绕面板10的框架组件54的封壳52。下面板18的构造在绝热板18b上包括上述反射表面18a。反射表面18a可由通过在绝热板18b上沉积反射材料而形成的反射层限定，但是应当理解反射表面18a可以由可单独的反射材料层限定，该单独的反射材料层可粘结或以其它方式联接到绝热板18b上。下面板18进一步示出为包括外层18c，该外层18c主要是用于组装封壳52的结构构件。本领域技术人员可以理解，各种各样的光学反射材料、绝热材料和结构材料可分别地用于反射表面18a、绝热板18b和外面板18c，而且这些已知材料的使用落在本发明的范围内。

面板10下面包括反射表面18a是出于通过允许太阳光线经由管12之间的间隙56（图12）穿过面板10然后利用反射表面18a将穿过的光线朝管12的平坦下表面26b反射回去而提高性能的目的。没有反射表面18a，该能量会由于被绝热板18b吸收而损失。如从图11和12显而易见的，反射表面18a是平坦的并且用于反射在管12的平坦下表面26b上的入射太阳辐射。为此，反射表面18a不同于采用凸形反射器在单个管的大约180度的弯曲表面上集中和聚焦太阳辐射的已知集中器面板。

如上文指出的，封壳52或者可以通有类似于二氧化碳的低导热性气体，或者可以抽空到一定程度。优选采取一些步骤以实现管面板10的封壳52的适当密封。图13示出了转接器58，歧管14可通过该转接器58设置到框架组件54上并保持在适当位置。转接器58使歧管14与框架组件54热绝缘，从而减小框架组件54充当热歧管14的散热片的趋势。转接器58进一步配备有弹性密封件60，该弹性密封件60使转接器58能够在其与歧管14以及其与框架组件54之间提供严密密封连接。

因为框架组件54、透光面板16和下面板18（包括反射表面18a、绝缘板18b和外层18c）大概由具有不同热膨胀系数的不同材料形成，所以这些结构之间的一些相对运动必须由封壳52收容。在图11、13和14中，示出连续的弹性绳62设置在框架组件54与下面板18的外层18c的相邻边缘之间（图13）以及透光面板16与框架组件54的相邻边缘之间（图14），以充当衬垫，并且这两个弹性绳62嵌在将透光面板16和外层18c粘结到框架组件54上的柔性附着接头64中。在组合中，附着接头64和弹性绳62协作从而形成严密密封件，该密封件还充当热膨胀缓冲器。一种用于附着接头64的适合的粘附材料的示例是Heliobond PVA 205，已知其能够使铝和玻璃材料结合。出于大批量生产的目的，可以通过机器手臂并使用已知的自动方法来定位弹性绳62，施与柔性附着装置，并且将透光面板16和下面板18组装到框架组件54上。

图11进一步示出了收容管12的热膨胀的面板10的其它优选特征。在图11中示出的封壳52中，歧管14之间的距离通过它们与框架组件54的附接而固定。实践中，对于大约两米的管长来说，认为管12的膨胀和收缩可以为五毫米或更多。为了允许这种热运动，多端口管12在图11中被示出为沿着它们的纵向长度呈折皱或正弦波纹形式。该波纹形式的形状通过将一些热膨胀引导到面板10的平面之外而提高了面板10消散或吸收管12的直线运动的能力。

图11和12中示出的封壳52及其面板10表现出效率较缺少反射表面18a的封壳提高20%以上。在一项调查中，采用了使用类似于图4中示出的闭环回路的闭环回路并且包括泵、流量计、五十加仑（大约189升）储水箱和本发明的太阳能面板的太阳能加热系统，该太阳能面板具有固定（不可枢转的）管构造，其中三十五根管之间具有大约3 mm的间隙，每根管具有尺寸为大约25.4×1.83 mm、壁厚0.44 mm的横截面。曝露于阳光的面板表面面积（A）为大约1.778 m²，并且水质量流量（m）为大约0.208 kg/s。水在48℃的比热（Cp）取大约4178 j/kg-K。入射辐射（R）为大约1045 W/m²，测得的水的温度升高（△T）为大约1.35 ℃。于是利用公式Q=m(Cp)(△T)计算出到水的热传递（Q）为1173 W。通过用曝露于阳光的面板表面面积（A）（1.778 m²）乘以入射辐射（1045W/m2）计算出总入射太阳能为大约1858。然后基于传递给水的热与总入射太阳能之比计算出效率为1173/1858或大约63%。然后利用同一太阳能加热系统进行第二测试，但是其中面板下面有反射层并且面板的固定管之间有大约3 mm的间隙。曝露于阳光的面板表面面积（A）还是大约1.778 m²，而管之间的间隙为在反射层上的入射太阳辐射提供了大约0.222 m²的总表面面积，因此曝露于阳光的总表面面积为大约2 m²。入射辐射（R）为大约967.9 W/m²，测得的水的温度升高（△T）为大约1.9 ℃。于是利用公式Q=m(Cp)(△T)计算出到水的热传递（Q）为1651 W。通过用曝露于阳光的面板表面面积（A）（2 m²）乘以入射辐射（967.9W/m²）计算出总入射太阳能为大约1936。然后基于传递给水的热与总入射太阳能之比计算出效率为1651/1936或大约85%，因此比前一太阳能面板的效率增加了20%以上。

尽管上文研究的系统的管间隔开大约3 mm，但是能够想到管间隙56可以不同，例如，以适应不同的太阳方位条件。作为示例，有利地，间隙56可在大约2 mm到大约10 mm的范围内变化。仅有的限制因素是期望的太阳光透射到反射表面18a以及管12的平坦下表面26b的角度（在图12中指示为“z”）。随着管12之间的间隙56增大，白天阳光能够更早更晚地从管12之间穿过。但是，增大管12之间的间隙56也会增大面板10及其封壳52的总体尺寸。大约3 mm的间隙56认为是在紧凑封壳52与透射角度z之间取得合适折衷的示例。

尽管已经根据具体实施方式描述了本发明，显然本领域技术人员可以采用其它方式。例如，管、太阳能面板、和太阳能水加热系统在外观和构造上可以不同于图中所示的实施方式，并且适合的材料可以替代所指出的材料。因此，本发明的范围仅有所附权利要求限定。

Claims

1.一种太阳能集热系统（36），包括：

多个由金属材料形成的多端口管（12），每个所述多端口管（12）具有：位于所述多端口管（12）的侧边缘（28）之间的相对设置的第一平坦表面（26a）和第二平坦表面（26b），所述侧边缘（28）限定出每个所述多端口管（12）的宽度尺寸；纵向相对的第一和第二端部（30），所述第一和第二端部（30）限定出每个所述多端口管（12）的长度尺寸；以及位于所述第一和第二端部（30）之间的多个流体通道（24），所述多个流体通道（24）彼此流控平行；

入口歧管（14），所述入口歧管（14）联接至所述多端口管（12）的第一端部（30），使得所述入口歧管（14）内的腔室（22）与所述多端口管（12）的所述流体通道（24）流体连接；

出口歧管（14），所述出口歧管联接至所述多端口管（12）的第二端部（30），使得所述出口歧管（14）内的腔室（22）与所述多端口管（12）的所述流体通道（24）流体连接；以及

用于使流体从所述入口歧管（14）的所述腔室（22）经由所述多端口管（12）的所述流体通道（24）流动到所述出口歧管（14）的所述腔室（22）的装置（38），

其中，所述多端口管（12）布置成使得它们的上平坦表面（26a）不共面，并且多端口管（12）固定成使它们的上平坦表面（26a）彼此成三十度到九十度的角度定向，并且与面板（10）的平面成大约四十五度定向。

2.如权利要求1所述的太阳能集热系统（36），进一步包括封壳（52），所述封壳（52）具有容纳所述多端口管（12）以及所述入口歧管（14）和所述出口歧管（14）的内部，所述封壳（52）包括第一面板（16）和第二面板（18）以及框架组件（54），所述框架组件（54）与所述第一和第二面板（16，18）互连在一起使得所述第一和第二面板（16，18）基本上彼此平行，其中，所述多端口管（12）由所述入口和出口歧管（14）定向成使得所述多端口管（12）各自的第一平坦表面（26a）能够定位成面对所述第一面板（16）并且所述多端口管（12）各自的第二平坦表面（26b）能够定位成面对所述第二面板（18），所述第一面板（16）对太阳辐射基本上是透光的，所述多端口管（12）的所述第一平坦表面（26a）邻近所述第一面板（16）从而被穿透所述第一面板（16）进入所述封壳（52）的所述内部的太阳辐射加热，所述第二面板（18）包括对太阳辐射基本上是反射性的反射表面部分（18a），并且所述多端口管（12）的所述第二平坦表面（26b）邻近所述反射表面部分（18a）从而被穿透所述第一面板（16）进入所述封壳（52）的所述内部中并由所述反射表面部分（18a）反射的太阳辐射加热。

3.如权利要求2所述的太阳能集热系统（36），其中，所述封壳（52）严密密封，并且所述封壳（52）的所述内部容纳有导热系数小于空气的气体。

4.如权利要求2所述的太阳能集热系统（36），其中，所述封壳（52）严密密封，并且所述封壳（52）的所述内部至少部分地抽真空。

5.如权利要求2所述的太阳能集热系统（36），进一步包括用于将所述入口和出口歧管（14）联接至所述框架组件（54）的转接器（58），所述转接器（58）包括用于将所述入口和出口歧管（14）严密密封至所述框架组件（54）并使所述入口和出口歧管（14）与所述框架组件（54）热绝缘的装置（60）。

6.如权利要求2所述的太阳能集热系统（36），进一步包括用于将所述第一和第二面板（16，18）严密密封至所述框架组件（54）的装置（62，64），并且所述密封装置（62，64）包括将所述第一和第二面板（16，18）粘结至所述框架组件（54）的胶粘剂（64）和位于所述框架组件（54）与所述第一和第二面板（16，18）之间并嵌在所述胶粘剂（64）中的弹性密封件（62）。

7.如权利要求1所述的太阳能集热系统（36），其中，所述多端口管（12）的所述金属材料是铝合金或铜合金。

8.如权利要求1所述的太阳能集热系统（36），其中，所述多端口管（12）通过挤制所述金属材料或通过浇铸并轧制所述金属材料形成。

9.如权利要求1所述的太阳能集热系统（36），其中，所述多端口管（12）没有从所述多端口管（12）的所述第一和第二平坦表面（26a，26b）或所述侧边缘（28）延伸的任何外部翼片或板。

10.如权利要求1所述的太阳能集热系统（36），其中，所述多端口管（12）在其第一和第二端部（30）之间限定出正弦波形部分，当所述入口和出口歧管（14）之间的所述多端口管（12）被太阳辐射加热时，所述正弦波形部分足以收容所述多端口管（12）的热膨胀。

11.如权利要求1所述的太阳能集热系统（36），其中，所述多端口管（12）以不可枢转的方式联接至所述入口和出口歧管（14）。

12.如权利要求1所述的太阳能集热系统（36），其中，所述多端口管（12）中的至少一些是可枢转多端口管（12），所述可枢转多端口管（12）可枢转地联接至所述入口和出口歧管（14）以使所述多端口管（12）能够在流体流动通过时相对于所述太阳能集热系统（36）追踪太阳的运动。

13.如权利要求12所述的太阳能集热系统（36），进一步包括用于枢转所述可枢转多端口管（12）以使所述可枢转多端口管（12）的所述第一平坦表面（26a）保持垂直于来自太阳的辐射入射方向的装置（46，50）。

14.如权利要求13所述的太阳能集热系统（36），其中，所述枢转装置（46，50）能够操作以使所述可枢转多端口管（12）相对于包含所述多端口管（12）的平面在大约24度到大约156度的角度之间枢转。

15.如权利要求1所述的太阳能集热系统（36），其中，每对相邻的所述多端口管（12）的所述侧边缘（28）之间存在间隙（56），并且所述多端口管（12）由所述入口和出口歧管（14）定向成使得所述多端口管（12）的第一平坦表面（26a）直接被太阳辐射加热并且所述多端口管（12）的第二平坦表面（26b）被穿过所述多端口管（12）之间的所述间隙（56）的反射的太阳辐射加热。

16.如权利要求15所述的太阳能集热系统（36），其中，所述间隙（56）具有大约2毫米到大约10毫米的宽度。

17.一种使用根据权利要求1所述的太阳能集热系统（36）的太阳能集热方法。

18.一种使用根据权利要求2所述的太阳能集热系统（36）的太阳能集热方法。

19.如权利要求18所述的太阳能集热方法，其中，流动通过所述多端口管（12）的所述流体通道（24）的流体被射入所述管（12）的所述第一平坦表面（26a）的直接太阳辐射和射入所述多端口管（12）的所述第二平坦表面（26b）的反射的太阳辐射加热。

20.如权利要求18所述的太阳能集热方法，进一步包括通过挤制所述金属材料或通过浇铸并轧制所述金属材料而形成所述多端口管（12）的步骤。

21.如权利要求18所述的太阳能集热方法，其中，所述多端口管（12）形成为在所述多端口管（12）的所述第一和第二端部（30）之间限定有正弦波形部分，当所述入口和出口歧管（14）之间的所述多端口管（12）被太阳辐射加热时，所述正弦波形部分足以收容所述多端口管（12）的热膨胀。

22.如权利要求18所述的太阳能集热方法，其中，所述多端口管（12）中的至少一些是可枢转多端口管（12），所述可枢转多端口管（12）可枢转地联接至所述入口和出口歧管（14），并且所述可枢转多端口管（12）枢转成在流体流动通过所述太阳能集热系统（36）时使所述可枢转多端口管（12）的所述第一平坦表面（26a）保持垂直于来自太阳的辐射入射方向。

23.如权利要求18所述的太阳能集热方法，进一步包括以下步骤：

将所述多端口管（12）与所述入口和出口歧管（14）进行组装以形成组件，然后在惰性环境熔炉中加热所述组件以将所述多端口管（12）钎焊至所述入口和出口歧管（14）。