CN102648381A - 太阳能收集器系统和方法 - Google Patents

Abstract

一种太阳能收集系统包括限定在冷凝点和加热点之间的闭合流体通道的歧管。所述歧管包括被构造成在所述加热点处与所述流体通道具有热交换关系的多个热交换构件，和在所述冷凝点处的散热器。多个太阳能收集构件从所述歧管的热交换构件延伸并且可操作地连接到所述歧管的热交换构件。所述太阳能收集构件收集太阳能并且将其转换成热能。热能被从所述太阳能收集构件传递到所述热交换构件并且被传递到在所述加热点处的歧管中的通道中的流体，以将所述流体加热成蒸汽。所述流体以热交换的关系循环到所述冷凝点，在那里热能被传递到所述散热器以将所述流体冷却成液体。所述流体在所述热交换构件处的蒸发状态和所述冷凝点处的液化状态之间重复地循环。

Description

太阳能收集器系统和方法

交叉引用

本申请涉及发明人为Jeffrey Lee，主题为“SOLAR COLLECTORSYSTEM”、申请日为2009年10月14日、申请号为61/251,568的美国临时申请。在此结合该临时申请的全部内容作为参考，并且在此为法律适用的所有目的要求所述临时申请的申请日的权益。

技术领域

本发明大体涉及太阳能收集系统，且更具体地涉及为了实际的用途收集太阳辐射能以转变成热能的系统和方法。

背景技术

太阳能收集系统常规地包括多个真空的有套的管状收集元件。各管状收集元件在其端部处是密封的，将挥发性流体容纳在其内，并且与太阳能吸收器接触。太阳吸收器将太阳辐射能转变成热能。太阳吸收器将热能传递到管状收集元件，其使得管状收集元件中的流体蒸发。管状收集元件的两端之间的压差驱使蒸汽朝向收集元件的更冷的冷凝部分。冷凝部分与散热器接触。在收集元件的冷凝部分中，热被从收集元件内侧的流体的蒸汽传导到收集元件外侧的散热器。由于热从蒸汽传导到散热器导致的蒸汽的较低的温度，导致收集元件中的流体的冷凝。冷凝的流体然后从收集元件的冷凝部分向下流动，其中太阳能被再次吸收以蒸发流体并继续该循环。

在一个应用中，收集元件被可操作地连接在歧管中，所述歧管用来分配和收集工作流体，其起到散热器的作用。循环工作流体用以加热管状太阳能收集器的冷凝部分周围，从而移除太阳能收集器所吸收的热能。太阳能收集器将所吸收的太阳能传递到工作流体，以存储所收集的热能或者以将能量传递到其可实际使用的位置。

涉及抽空的管状太阳能收集器的开发的努力已经贯注在改进所吸收的热能的移除效率上。出于前面的原因，有对于用于移除由抽空的管状太阳能收集器吸收的热能的改进的系统和方法的需求。

发明内容

提供一种太阳能收集系统，其包括限定在冷凝点和加热点之间的闭合流体通道的歧管。所述歧管包括被构造成在所述加热点处与所述流体通道具有热交换关系的多个热交换构件，和在所述冷凝点处的散热器。太阳能收集装置包括从所述歧管的热交换构件延伸并且可操作地连接到所述歧管的热交换构件的多个太阳能收集构件。所述多个太阳能收集构件适于收集太阳能并且将所述太阳能转换成热能。热能被从所述太阳能收集构件传递到所述热交换构件并且被传递到在所述加热点处的歧管中的通道中的流体，以将所述流体加热成蒸汽。所述流体以热交换的关系循环到所述冷凝点，在那里热能被传递到所述散热器以将所述流体冷却成液体。所述流体在所述热交换构件处的蒸发状态和所述流体通道的冷凝点处的液化状态之间重复地循环。

附图说明

为了更完整地理解本发明，现在将参考在附图中示出的并且在下面描述的实施方式。在附图中：

图1是太阳能收集系统的实施方式的透视图。

图2是用于用在图1中所示的太阳能收集系统中的具有用虚线示出的内部特征的热交换歧管的透视图。

图3是图2中所示的歧管的分解的透视图。

图4是图3中所示的歧管的本体的顶平面图。

图5是图2中所示的歧管的纵向横截面图。

图6是图2中所示的歧管的横向横截面图。

图7是图1中所示的太阳能收集系统的部分分解的左侧视图。

图8是图1中所示的太阳能收集系统的底部透视横截面图。

图9是用于用在图1中所示的太阳能收集系统中的歧管的另一实施方式的透视的横截面图。

图10是太阳能收集系统的实施方式的示意图。

具体实施方式

这里所使用的某些术语仅仅是为了方便并不被认为是对本发明的限制。例如，单词诸如“上”、“下”、“左”、“右”、“水平”、“垂直”、“向上”和“向下”仅仅描述附图中所示的构造。实际上，部件可以被定向在任何方向上，且因此除非以其它方式指出了，术语应当被理解为包括所有这种变化。

现参考附图，其中贯穿附图的相似的附图标记表示对应的或相似的元件，在图1中示出了并且大体上用20表示用于收集太阳能和将太阳能转变成热能的系统的实施方式。太阳能收集器20包括可操作地和可拆卸地并行连接的并且从绝热的热交换壳体21的底部延伸的多个管状太阳能收集构件22。在所示的实施方式中，仅为了示例性的目的示出了仅仅四个管状太阳能收集构件22。应当理解，可以使用并联的一大排间隔开的收集构件22，这在本领域中是已知的。

管状太阳能收集构件22可以包括常规的玻璃套管热管太阳能收集器，包括外玻璃套管24和嵌入在所述玻璃套管24内的封闭的传热管26。传热管26，或热管，可以被具体实施为包括杆28的铜管，该杆28具有从玻璃管24的一端延伸的管球30。收集构件22吸收太阳辐射能并且将所吸收的能量传递到热管26中的工作流体。

如同在图1中所示的和下面更全面地描述的那样，各热管26的上端，包括管球30，被插入到绝热壳体21中。在该配置中，热管26与壳体21以热交换的关系连通，以将热能从热管26传递到在壳体21中循环的传热流体。在操作时，工作流体蒸汽形式的能量在管球30中冷凝，以将热能传递到管球30。接着，来自管球30的热在壳体21中传递，以加热传热流体。尽管示出了管状太阳能收集构件22，但是，应当理解，具有太阳能收集表面的任何合适的太阳能收集装置可以被安装到热交换壳体21，以收集太阳能和将太阳能转换成热能以增加热交换壳体21中的传热流体的温度。

现参考图2和3，热交换壳体21容纳包括本体42、顶板44和底板46的歧管组件40，和用于容纳热管26的端部上的管球30的多个容器48。顶板44是大体上平坦的矩形件。顶板限定用于容纳散热器84的中心开口50。类似地，底板46是大体上平坦的矩形件并且限定沿着底板46纵向地间隔开的多个圆形开口52。

歧管组件40的本体42是大体上矩形的盒。在本体42中形成多个纵向地间隔开的圆柱形盲孔54，其起到用于容纳容器48的容器腔80的作用。如同在图4中所示的那样，本体42的上表面56具有形成在其内的V形凹槽58。相对于凹槽58居中地定位具有四个侧部的冷凝储存器60。除了延伸到V形凹槽58中之外，冷凝储存器60进一步延伸到本体42中。三个间隔开的芯绳元件62在冷凝储存器60之上横向地横过本体42的上表面56地延伸，形成网形毛细管式芯绳。

容器48包括在一端处开口的中空的大体上圆柱形的铜套筒。容器48在容器的邻近开口端的外表面中具有三个纵向地间隔开的圆周凹槽64、66。上凹槽64被构造成容纳保持环68。下凹槽66各容纳一O型环70。O型环70可以由橡胶或合适的塑料材料制成。

为了装配歧管40，容器48被布置在本体42的孔54中。参考图5和6，容器48前进到孔54中直到保持环68坐落在形成在本体42的底表面74中的圆形凹槽72中。容器48的直径稍小于孔54的直径，使得在孔54的内侧表面和容器48的外侧表面之间形成容器腔80。然后将顶板44和底板46固定到本体42。沿着顶板44和底板46的边缘布置多个开口76用以让被螺纹连接到本体42中的对应开口78中的螺钉79穿过。当组装好时，顶板44中的中心开口50是与本体42的上表面56中的冷凝储存器60配准的。底板46中的圆形开口52是与本体42中的容器腔54配准的。如同在图5和6中所示的那样，容器48的开口端从底板46延伸。将底板46固定到本体42也将保持环68和其相关的容器48固定在本体42中。O型环72将容器48的外表面密封靠在底板46上以防止传热流体泄漏。

参考图7和8，容器48的大小被设置成容纳热管26的管球30。容器48的大小被设置成使得管球30与容器48紧密接触地配合，使得管球30至少部分地通过摩擦力被固定地保持在歧管40的容器48中。应当理解，管球30可通过任何合适的方法被固定在容器48中。例如，容器48可具有内螺纹并且管球30也可以被设置有匹配的外螺纹部分（未示出）。因此应当理解，其它合适的技术可以用于保持热管26使其在管球30处与容器48接触。

如同在图2和5中最佳地看到的那样，歧管40限定用于将传热流体从容器腔80流到散热器84并且从散热器84流回到容器腔80的流体通道。歧管40的本体42的上表面56中的V形凹槽58起到容器腔80和散热器84之间的流体通道中的蒸发室的作用。在各容器腔80的顶部处提供有小中心开口并且所述小中心开口开到蒸发室58中（图4）。流体通道包括分配通道82和返回路径86。分配通道82分配流到容器腔80和围绕容器48的周边表面的流动的传热流体f的流动，以将热从管球30传递到传热流体。如同由图6所示的那样，传热流体经由分配通道82中的入口开口88流到容器腔80中。返回通道86在冷凝储存器60和分配通道82之间延伸。如同在图4中最佳地看到的那样，返回路径86在V形凹槽58的底部处开口到冷凝储存器60中。

在密封歧管40之前将一定量的传热流体放置在歧管40的流体通道中。应当理解，有多种能令人满意地使用的传热流体，包括水、氨、甲醇、乙醇、或其它合适的挥发性流体，以及可从商业上得到的传热流体。对于低温使用来说，具有更高的蒸发压力的流体，诸如甲醇是优选的，对于更高的温度使用来说，能使用水。

在使用中，太阳能收集系统20被定位在房子或其它建筑物的顶部上用以暴露至太阳光从而用以收集太阳能。如本领域中已知的那样，收集系统20优选为安装在倾斜的位置中，其中热交换壳体21位于收集构件22之上并且在相对于地面的大体水平位置中。太阳能收集构件22与壳体21可操作地连接并且从壳体向下延伸，使得热管26的远端在稍微低于管球30的位置中。此外，抛物面反射器或聚焦反射器能被放置在太阳能收集构件的后面用以将太阳辐射集中在收集表面上。

收集构件22的外表面限定太阳能收集表面。当太阳辐射照射在太阳能收集构件22上时，太阳能，主要是光的形式，被收集表面吸收并且所产生的热被传递至热管26内的工作流体。能量使热管26中的工作流体蒸发，使得蒸汽被驱至在热管26的上端处的管球30中的低压区域。管球30在热交换壳体21的内侧，与容器48成热交换的关系。如同上面所描述的那样，传热流体在分配通道82中的入口端口88处被分配到各容器腔80。容器腔80中的传热流体提供围绕管球30的更冷的环境并且从管球30吸收热。容器48因此起到用于将热从管球30传递到歧管30的内部，用于加热容器腔80中的传热流体的桥的作用。因此，工作流体的热经由容器48被交换到或者传递到传热流体。当工作流体通过这种热传递冷却时，工作流体变得密度更大并且开始向下朝着收集构件22的远端流动，在那里工作流体被再次加热。从而，通过蒸发和冷凝动作循环工作流体，这在本领域中是已知的。

被加热的容器48使容器腔80中的传热流体蒸发。应当理解，在确定工作流体和传热流体之间的传热时要考虑数个因素。例如，歧管40的物理参数，诸如容器48和容器腔80的相对直径，容器48的壁的厚度和制造吸热部件的材料的热传导率，所有这些确定了工作流体和流体通道内的传热流体之间的传热效力和效率。

传热流体蒸汽经由容器腔80的顶部处的开口90流出容器腔80。蒸汽进入蒸发室58并且朝着冷凝储存器60行进，散热器84位于该冷凝储存器60处。一旦蒸发的传热流体到达了散热器84，则传热流体将它的热量传递到散热器84。接着散热器84将热传递到，例如，热力发动机，诸如斯特林发动机（Stirling engine）或热电式发电机，其能将热能转变成电或其它实际用途。

传热的结果是，传热流体蒸汽冷凝成液体形式。芯绳62增强传热流体的沿着散热器84的冷凝部分的内侧表面的毛细管驱动分配。常规的网式或带凹槽的芯绳适于传热流体的有效的毛细管驱动。芯绳62加速冷凝物远离散热器84的表面的流动以允许连续的快速冷凝。冷凝的传热流体被引导到冷凝储存器60中并且沿着位于散热器84下面的返回通道86向下行进。返回通道86将传热流体进给到分配通道82中用以分配到容器腔80。这样，太阳能收集系统20有助于容器腔80中的蒸发和散热器84处的冷凝的连续循环。

在图9中示出了歧管40的另一实施方式，并且其包括冷凝物收集系统，其包含被构造在本体42中的多个导流板92。收集系统通过重力将冷凝的传热流体聚集到位于散热器84下面并且围绕所有的容器腔80并被所有的容器腔80共享的公用液体储存器中。冷凝器腔收集来自散热器的冷凝物并且将流体引导到容器腔80公用的液体储存器，在那里工作流体能被再次加热并且被转换成蒸汽。容器腔80被连接在一起以允许蒸汽从容器腔流到容纳散热器的中心冷凝物腔。容器腔之间的联接装置包括导流板92，以允许冷凝物排出到容器腔的方式成形所述导流板92。

如同这里所描述的那样的太阳能收集系统20可以以模块化部分制造并且，随后，可将多个模块串联地互连在一起（未示出）。各容器48，或一组容器，是模块化的并且能与其它容器48串联地联接在一起以增大歧管40的总尺寸和进给至中心蒸汽腔的模块化容器单元的数量。与运输单个较长的非模块化歧管相反，这种模块化使得较容易地在运输多个模块过程中进行存储，且可在展开位置将多个模块装配为较长的歧管。

这里所描述的太阳能收集系统20是用于以最小的损失将吸收的热传递到在歧管中循环的传热流体媒介的有效机构。系统提供使得并联的大量太阳能收集构件22传递热量以实现传热流体的蒸发—冷凝循环的益处。这种布置提供用加热流体的封闭的冷凝和蒸发循环将热能从收集构件冷凝到单个点，允许热能转变成电或其它实际用途。

系统的额外的好处是蒸汽在封闭的蒸发—冷凝循环内的单向流动。这种单向流动提供允许通过这种机构，例如，微小涡轮机，将动能转变成电能的益处。通过以允许传热流体担当阻止蒸汽在所期望的封闭循环的相反的方向上流动的屏障的方式设计所述冷凝物收集系统，形成单向的蒸汽流动。通过传热流体的表面张力和冷凝储存器到返回通道的液压形成所述屏障。

太阳能收集系统20还能实现热能的被动分配，该热能可用于基于太阳光强度的季节性变化转变成电能。歧管允许用户利用热力发动机在更高的温差时的有效的运行和热力发动机在更低的温差时的低效的运行。以通过热力发动机损失掉的热的比率和由成排的绝热的热管产生的热的比率之间的比值表示积聚在歧管中的热能的比率，该比率可实现利用夏天期间产生的过多的热来发电的被动控制。对于给定的某种气候和居住者所期望的热需求来说，可用目标的最大热产生来计算在冬天期间满足热需求所需要的绝热的热管的数量。一旦通过目标热产生固定了热产生比率，横截面面积的大小将被依比例确定从而控制热能被积聚在歧管中以形成驱动热力发动机所需要的温差的比率。假定太阳能绝热强度在一天的任何给定时间在盛夏是寒冬的强度的大约两倍，那么在夏天将形成更高的温差以有效地给热力发动机供给动力并且产生一些捕获的热能，而在冬天将形成更低的温差以主要捕获热能并且为热力发动机产生很少的动力。

歧管的重要的被动控制部件是散热器。以通过使冷凝的表面面积和散发最大化而有助于快速冷凝的方式来设计散热器。散热器快速地冷凝蒸汽的能力有利于歧管的形成高温差以给热力发动机供给动力的能力。通过对散热器执行各种方法，例如，各种涂层、阳极电镀、芯绳和类似方法，增强歧管的快速冷凝功能。

通过降低歧管的内部压力和通过从歧管去除掉其它不需要的流体，可加速工作流体的蒸发-冷凝的连续的闭环式循环。降低内部压力和从歧管去除掉污染流体，诸如通过真空密封，允许工作流体以更低的温度蒸发；通过这样降低能量障碍以快速地启动闭环式循环。此外，通过一些程序，诸如超声波法、沸腾法、和冷冻法，从工作流体清除掉污染流体，诸如空气。通过在具有冷周围温度的环境中真空密封净化的、冷冻的工作流体，能进行用工作流体填充歧管的过程。

尽管已经参考它的仅仅几个代表性的实施方式相当详细地示出和描述了太阳能收集系统和方法，但是本领域技术人员应当理解，本发明人不旨在将本发明限定到所述实施方式，因为在本质上不脱离本发明的新的说明和优点，尤其是根据前面的说明的情况下，可以对所披露的实施方式进行各种修改、省略和添加。例如，流体入口可以适于与流体源相连接并且流体出口可以被连接到歧管用以将传热流体从所述源导出并且导到歧管的外面。从出口流出的加热后的传热流体能用于常规的热应用或其它用途。因此，本发明人旨在覆盖可以包含在由下面的权利要求所限定的本发明的实质和范围内的所有这种修改、省略、天结和等同语。在权利要求中，机构加功能的子句旨在覆盖执行所叙述的功能的这里所描述的结构并且不仅仅结构等同而也包括等同结构。这样，尽管钉和螺钉可能不是结构相同的，因为钉子用圆柱形的表面将木质部件固定在一起，而螺钉使用螺纹表面，但是在紧固木质部件的情况下钉子和螺钉可以是等同的结构。

Claims (1)

1.一种太阳能收集系统，包括：

限定在冷凝点和加热点之间的闭合流体通道的歧管，该歧管包括：

被构造成在所述加热点处与所述流体通道处于热交换的关系的多个热交换构件，和

在所述冷凝点处的散热器；

在所述流体通道内的流体；以及

太阳能收集装置，包括从所述歧管的所述热交换构件延伸并可操作地连接到所述歧管的所述热交换构件的多个太阳能收集构件，所述多个太阳能收集构件适于收集太阳能并将所述太阳能转换成热能，

其中热能被从所述太阳能收集构件传递到所述热交换构件并且传递到所述加热点处的歧管中的流体，从而将所述流体加热成蒸汽，使得流体被以热交换的关系循环到所述冷凝点，在该冷凝点热能被传递到所述散热器以将所述流体冷却成液体，并且其中所述流体在所述热交换构件处的蒸发状态和所述流体通道的所述冷凝点处的液化状态之间重复地循环。

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