CN105229390A - 包括不透明盖的太阳能收集器 - Google Patents

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Abstract

一种太阳能收集器具有由太阳能加热的不透明盖(10)。热通过传导、对流和跨越至少基本上气密的外壳(14)内的间隙(52)的红外发射从不透明盖(10)流动到包含工作流体的吸收器(26)。不透明盖(10)的外表面(22)具有高太阳能吸收率并且内表面(24)具有高红外发射率。外表面(22)优选具有低红外发射率。在一个实施方式中，完全浸湿的表面几何结构(50、52、54)允许直接(44)的红外吸收和由吸收器(26)反射(46)的红外吸收。不透明盖(10)消除了玻璃的重量、成本和其他缺点。具有圆角(64)的中空连续侧壁(60)提供了一种稳健且经济的实施方式，其易于制造和密封，其允许减少不透明盖(10)的厚度并缓解强风的毁坏的可能，并且可以经受住真空太阳能收集器经历的压缩力。

Description

包括不透明盖的太阳能收集器
相关申请的交叉引用
本申请要求2013年4月12日(12/04/2013)提交的美国临时申请序列号61/811,495的优先权和权益。
技术领域
本发明涉及太阳能收集器，更具体地涉及设计成将工作流体加热到约25℃到180℃范围内的温度的太阳能热收集器。
背景技术
自20世纪70年代以来平板太阳能收集器没有发生根本变化。Gallagher的美国专利No.4,011,856(1977)教导了一种示例性设计，其基本代表了当今使用的大多数上釉平板太阳能收集器。这样的太阳能收集器一般利用具有减少的氧化铁含量的钢化玻璃作为盖板材料。该玻璃必须足够薄以防止无支撑跨度的松垂。该玻璃还必须具有抗冲击性，并且在强风区域中必须附接到具有能够经受强风暴产生的动态气压的构架和紧固件的太阳能收集器组件上。结果，玻璃盖板典型地为3.2或4毫米厚，相对应重量为约8和10kg/㎡。对玻璃的使用使得平板太阳能收集器难以处理并且装运昂贵。同时，钢化玻璃并不防破裂。尽管钢化产生极佳的抗平面冲击性，然而棱边强度不佳。当横向压缩力(例如，由于在处理过程中太阳能收集器在其一侧坠落产生的力)迫使邻近的釉料构架螺钉的头部或者长度装上玻璃棱边时，钢化玻璃片会破碎。
半透明塑料(包括丙烯酸树脂和聚碳酸酯)已经被作用太阳能收集器釉料，以尝试降低重量和成本。不幸的是，由于经年累月暴露于紫外辐射和停滞温度产生褪色和结构性退化，这些材料随着时间的推移遭受透射率的显著减小。当暴露于与强风暴相关的动态压力时，塑料釉料材料还易于经历不可接受程度的向外弯曲。
透明和半透明盖板材料的另一问题是空气传播的灰尘和污点会积累在釉料表面上，这减小了太阳能透过率。在许多气候下，降雨的频率和强度不足以去除积累的灰尘和污点。另外，存在一个实际的现实——对于住房屋顶上和在大的商用阵列中的太阳能收集器的定期人工清理是一个问题。
典型的上釉平板太阳能收集器的侧壁由四个细长、直的铝挤制件形成，带有45度的坡口端和从垂直臂部分向外延伸的各种挤制的附加件。四个侧壁结合成90度角拐角，经常利用L形支架在每个拐角的内侧处进行加强。螺钉、螺母或铆钉将侧壁紧固到L形加强支架上。这些锐利的拐角接缝具有两个缺点。第一，太阳能收集器侧壁随着日常温度变化而膨胀和收缩。随着时间推移，不断的膨胀和收缩会导致在拐角接缝处的小间隙。这个问题可由于上水平侧壁和下水平侧壁温度上的差异而恶化，该温度差异导致小但是很有影响的上和下水平侧的纵向膨胀和收缩差异。即使具有最小的拐角间隙，由于太阳能收集器内部空气和环境空气之间的压力差的驱策，进入太阳能收集器内部的充满湿气和微粒的空气渗透也将不可避免地发生。湿气和微粒的入侵最终结果是在釉料的上侧形成肮脏的薄层，减小了太阳能透射率。所讨论的拐角接缝几乎没有利用可能有助于防止随着时间的推移湿气入侵的弹性体材料进行密封。缺乏有效的拐角密封的部分原因是：密封每个拐角接缝的顶部和底部处的陡起的、平面的并且尖状的表面相交部操作上是困难的。尽管拐角接缝可以被焊接，但是该办法招致不可接受的劳动力成本并且与最常用的构架材料和表面处理不相适应，表面处理包括对铝构架的阳极氧化表面处理。
在强风暴期间，太阳能收集器上的方角增加了盖板上的动态压力。屋顶砾石冲刷的对比测试显示，相比于常规方角，空气动力学拐角能够使得损伤阈值风速加倍。压力测量显示，相比于方角，对于空气动力学拐角，在屋顶拐角测试中，扬压力减小高达75％。见Lin等，“AerodynamicDevicesforMitigationofWindDamageRisk”,4thInternationalConferenceonAdvancesinWindandStructures,AWAS08.Jeru,Korea,May29-31,2008。
与上述风扬压力问题紧密相关的一个问题是：包括具有方角的钝迎风边缘的任何结构促进沿着布置在这样的拐角下风向的边缘的漩涡流的形成和脱落。(见Okamoto,S和Uemura,N.“Effectofroundingside-corneronaerodynamicforcesandturbulentwakeofacubeplacedonagroundplane”,ExperimentsinFluids,11,58-64.Springer-Verlag.1991)如果漩涡脱落的频率正好匹配该结构的谐振频率，那么该结构将开始谐振并且该结构的运动将变成为自承的。强风暴期间太阳能收集器上的漩涡脱落实际上能使屋顶贴板松动并开始越来越严重地损毁整个屋顶结构，导致最终灾难性的损失。屋顶板破坏是强风暴期间受灾住房建筑损坏的主要原因。一旦建筑失去屋顶板的一个或多个板片，损坏将随大量的风驱动的水进入该结构而呈指数增加。保险索赔数据显示一旦屋顶板开始破坏，损失将急速上升。即便墙保持完好并且屋顶架未破坏，屋顶板的损失一般导致大于建筑保险价值50％的损失。见AppliedResearchAssociates,Inc.“DevelopmentofLossRelativitiesforWindResistiveFeaturesofResidentialStructures”,FloridaDepartmentofCommunityAffairs(DCAContract02-RC-11-14-00-22-003),Version2.2,March28,2002。
真空管太阳能收集器是上釉平板太阳能收集器的替代。Fehlner和Ortabasi的美国专利No.4,067,315教导了一种示例性真空管太阳能收集器。这样的太阳能收集器的真空管典型包括1.6毫米厚硼硅玻璃圆筒。尽管这样的玻璃圆筒有一定程度的抗冲击性，但是由于冰雹、风驱动的风暴碎片、打偏的高尔夫球和棒球和坠落的工具的冲击的原因，也会发生破裂。在装运和处理期间也会发生破裂。
对于真空管太阳能收集器来说，积雪也是一个问题。消除从玻璃管内部到环境空气的对流热损失的真空也允许雪积累在真空管上。在阳光充足的条件下通过从玻璃上侧上的较热空气到较冷的环境空气的连续热传递，平板太阳能收集器的玻璃盖板会变暖。然而，真空管太阳能收集器的玻璃仅由玻璃吸收的入射太阳能的小百分比而变暖，并且该热量会快速损失到伴随降雪的冷环境空气。这样，在没有人工除雪的情况下，在降雪之后，真空管太阳能收集器会变得一段时间不可使用。
已经提出过真空平板太阳能收集器。Dalstein等的美国专利No.,4,332,241(1982)、Benvenuti的No.7,810,491(2010)以及Palmieri的No.8,161,965(2012)是示例性设计。Benvenuti‘491专利提供了对于管和平板真空太阳能收集器的极佳讨论。Dalstein‘241专利教导了一种复杂的双壁构架，其包括内构架壁，该内构架壁包括四件焊接成45度斜坡锐角的方管。Dalstein‘241、Benvenuti‘491和Palmieri‘965专利全都教导了将金属钎焊或融合到玻璃的各种方法。这些复杂和相对昂贵的处理被设想出以解决相异的材料以及玻璃盖板和金属构架壁的相异的膨胀和收缩率。然而，Dalstein‘241、Benvenuti‘491和Palmieri‘965专利没有解决与平板太阳能收集器釉料或锐侧壁拐角相关的问题，或者真空太阳能收集器外玻璃表面上积雪的问题。
不上釉太阳能收集器是上釉平板太阳能收集器的另一选择。不上釉塑料太阳能收集器(其中炭黑添加到塑料树脂以增强太阳能吸收率并抵抗持久地暴露于紫外辐射的效果)广泛地用于泳池加热。Ford等的美国专利No.3,934,232(1976)和Harter的美国专利No.4,060,070(1977)教导了不上釉塑料太阳能收集器的实例。尽管泳池加热要求温度在25℃和32℃之间，不上釉塑料太阳能收集器已经被利用来用于便携式水加热，其要求温度在45℃和60℃之间。
不上釉太阳能收集器能够在工作流体的流率减小时递送60℃的水。不幸的是，尽管这样，当环境空气温度落于太阳能收集器流体进口温度以下时，不上釉太阳能收集器比上釉平板太阳能收集器遭受多得多的对流热损失。风使得该问题更加严重。对于太阳能泳池加热来说，不佳的冷天气性能是可接受的，因为大多数气候中的目标仅仅是延展游泳季节多几个月。其他水加热应用要求全年的热水。
发明内容
本发明涉及包括不透明盖的太阳能收集器。太阳能由不透明盖吸收并转换成热，热通过传导、对流和至少基本气密的外壳内的间隙之间的红外发射而从不透明盖传递到包含工作流体的吸收器。不透明盖的外表面具有高太阳能吸收率并且内表面具有高红外发射率。外表明优选还具有低红外发射率。不透明盖的成分、结构和热质量和吸收器的成分、结构和热质量被选择成促进这样的工作关系，凭借该工作关系不透明盖的内表面比吸收体表面热。
一个实施方式涉及一种太阳能收集器，其包括具有中空横截面和圆角的连续侧壁。该连续侧壁制造经济并且相比于现有技术太阳能收集器构架异乎寻常地结实。连续侧壁的圆角减小了飓风级风期间的风载应力，这允许减小不透明盖的厚度并可以减小潜在的受灾屋顶损伤。连续侧壁的形状和内在强度还允许用于减少到环境空气的对流热损失的替代方案。在连续侧壁最经济的实施方式中，通过连续侧壁的中空部分中的闭塞空气空间减小了对流热损失。在第二替代实施方式中，通过将块体隔热材料(例如，聚氨酯泡沫)注射到连续侧壁的中空部分中而进一步减小了对流热损失。在第三替代实施方式中，连续侧壁的内在强度与特别是圆角的内在强度与对本发明的太阳能收集器的简单性和便利性联合起来以允许太阳能收集器内部的真空化。使太阳能收集器内部的真空化实质上消除了对流热损失。
在更高性能的实施方式中，不透明盖在外表面上优选具有高太阳能吸收率和低红外发射率的选择性涂层，并且在内表面上优选具有高红外发射率的涂层。吸收体优选具有高红外吸收率的选择性涂层。
尽管不希望将对于用于促进从不透明盖到吸收器的热传递的最优结构约束到单个理论，但是一个优选实施方式涉及一种太阳能收集器，其通过在吸收器的通路管之上、之下和之间提供间隔开的关系取得了暴露于红外能量传递的更大的浸湿吸收器的表面，从而不仅提供了从不透明盖直接到吸收器的红外能传递，还提供了从吸收器下面的高度反射的表面间接到吸收体下侧表面的红外能传递。
附图说明
图1示意了安装在屋顶上的包括一种示例性实施方式的原型太阳能收集器的外部透视图。
图2示意了透明盖、壳体和吸收器的一个基本实施方式的横截面图。所描绘的吸收器配置对于发明来说不关键。
图3A、3B、3C、3D和3E示意了本发明的不透明盖的若干示例性实施方式的横截面图。
图4和图5示意了示出一个优选实施方式的三个示例性流体通路管的横截面图，该优选实施方式包括具有呈间隔开关系的流体通路管的吸收器。
图6示意了涉及连续侧壁的实施方式的鸟瞰图，其中去除了不透明盖以暴露连续侧壁和多个横向构架。描绘的通用类吸收器结构的特定配置对于发明来说不关键。
图7A、7B和7C示意了包括连续侧壁和横向构架的各种实施方式的横截面图。描绘的通用类吸收器结构的特定配置对于发明来说不关键并且仅被显示成示意吸收器和不透明盖之间、吸收器和连续侧壁之间以及吸收器和背板之间的间隔开的关系。
图8示意了一个优选实施方式的透视图，其中去除了不透明盖和背板以暴露具有圆角的连续侧壁、横向构架和具有呈间隔开的关系的基本平行的流体通路管的吸收器。
图9示意了涉及真空太阳能吸收器的示例性实施方式的鸟瞰图，该真空太阳能吸收器包括连接到内部热交换歧管的多个热管。
具体实施方式
现在转到图1，本发明涉及一种太阳能收集器，其包括布置成接收入射太阳能并联接到壳体(12)的上部分的不透明盖(10)。图2中示意了以图1的横截线2-2截取的一个实施方式的横截面。不透明盖(10)优选包括平面结构，但是也可以是圆顶形、波纹的或适于接收入射太阳能并提供期望负载下结构完整性的任何其他形状。壳体(12)可以是适于将吸收器(26)与环境空气隔离的形状和结构，只要是不透明盖(10)到壳体(12)的上部分的联接限定至少基本上气密的外壳(14)。吸收器(26)布置在外壳(14)中，与不透明盖(10)呈相对的间隔开的关系。
本发明涉及一种太阳能收集器，其工作原理与现有技术的上釉平板太阳能收集器根本上不同。不同于通过透明或半透明釉料材料透射入射太阳能，不透明盖(10)在其外表面(22)吸收太阳能，被吸收的辐射能量加热不透明盖(10)，然后，除了经由传导或对流从不透明盖(10)到吸收器(26)的任何热传递之外，红外能还从内表面(24)发射到吸收器(26)。外表面(22)具有比约0.80大的太阳能吸收率并且内表面(24)具有比约0.80大的红外发射率。为了改善的热性能，外表面(22)优选具有比0.30小的红外发射率。
在循环40-60℃温度的工作流体的单上釉、平板太阳能收集器中，玻璃盖板的温度约为吸收器平均表面温度的50-70％。与上釉平板太阳能收集器形成鲜明对比，不透明盖(10)的内表面(24)在正常工作期间比吸收器(26)热，这有利于从不透明盖(10)到吸收器(26)的净辐射能传递。不限制于任何特定理论，认为不透明盖(10)的内表面(24)的温度在常工作期间应当优选为尽可能热，原因是红外发射率增加到发射表面的温度的四次方。通过针对高热传导率和低热质量的材料选择和厚度(例如，包括0.813毫米厚铝片的内表面(24))，内表面(24)的温度可以最大化。
不透明盖(10)可以利用各种不同的方法以满足一系列性能目标和成本考虑。图3A示意了不透明盖(10)的基本实施方式，其包括作为同质结构和成分的中央区域(20)、外表面(22)和内表面(24)。针对低成本的一种示例性同质不透明盖(10)包括结合有树脂中的炭黑的模制聚合物结构。这样的成分在外表面(22)具有高吸收率并且在内表面(24)具有高发射率。尽管在该实例中外表面(22)的发射率不适宜地高，但是对于本发明的主要针对非常低成本太阳能收集器的实施方式来说，性能的减退是可以接受的。
图3B示意了不透明盖(10)的一种实施方式，其中外表面(22)和内表面(24)中的每一个都包括选择性涂层。本文使用的术语“选择性涂层”指油漆、镀层、树脂、薄片、膜、真空沉积技术和增加或减小表面辐射能吸收率、增加或减小表面辐射能反射率、增加或减小表面辐射能发射率、传送优选范围的吸收率和发射率或传送优选范围的吸收率与发射率之比的其他涂层。示例性选择性涂层包含氮化钛或其他金属的氧化物、阳极氧化铝、通过镍衬底电镀的黑铬、陶瓷基体、石英封装的双金属合金、硅聚合物和金属氧化物的层状组合物、黑清漆、聚氨酯漆、硅漆、聚丙烯聚合物和炭黑的组合物、结合有炭黑的丁基或EPDM橡胶的组合物以及聚合物膜的单独薄片或多层堆叠，例如透明交叉拉伸双折射薄片的堆叠。
在包括选择性涂层的实施方式中，外表面(22)优选地是选择性的以实现入射太阳能的增强吸收以及红外能的减少的发射，并且内表面(24)优选具有高红外发射率。可以利用提供从0.90到0.96范围的太阳能吸收率并同时具有从0.05到0.30范围的红外发射率的多种不同的商用可选择涂层。对可选择涂层的选择可以基于成本和热性能目标。在示例性低成本实施方式中，由于外表面(22)的可选择涂层可以具有约0.87的吸收率和约0.90的发射率；而示例性高热性能实施方式可以具有约0.95的吸收率和小于约0.30的发射率。
不透明盖(10)的中央区域(20)可以是固态的，例如铝、模制聚合物、纤维玻璃或碳纤维的薄片，或者备选地可以包括复杂结构，例如具有以垂直夹层的关系布置在外表面(22)和内表面(24)的每一个之间的蜂窝核心壁的蜂窝夹层结构。在这样的蜂窝夹层结构中，外表面(22)和内表面(24)中的每一个都包括相对的薄片，例如，具有施加在蜂窝核心壁远端侧上的选择性涂层的铝薄片。蜂窝夹层结构结合了高压缩力和重量节省。另外，蜂窝夹层结构通过在蜂窝内提供由于非常低的体积而抑制对流的空气空间而减少了对流热损失。尽管蜂窝夹层结构减少了对流热损失，但是跨越蜂窝内的空气空间经由从外表面(22)到内表面(24)的直接红外能发射的能量传递被经由通过蜂窝核心壁的热桥接的传导而加强，蜂窝核心壁与外表面(22)和内表面(24)中的每一个直接接触。备选地，蜂窝内的空气空间可以填充具有在25℃小于约2W/m-℃或在25℃大于约15W/m-℃的热传导率的材料。
不透明盖(10)的外表面(22)直接暴露于环境空气。一般来说大气湿气并且特别地酸雨可以通过湿蚀腐蚀某些选择性涂层。如果外表面(22)包括容易受湿蚀影响的选择性涂层，则有利的是在图3中示意的选择性涂层上施加透明保护性涂层(32)。透明保护性涂层(32)可以是简单的透明“硬涂层”层，或者可以是进一步包括粘合剂或光谱上选择性成反射紫外波长的聚合物层的多层聚合物堆叠膜。用于太阳控制的聚合物膜领域众所周知的是：具有用以选择性吸收紫外辐射的添加剂的粘合剂或者选择性反射紫外辐射的膜薄片可以被放置在邻近接收入射太阳能的表面的层中，以增加堆叠和结构以及寻求太阳控制的表面的寿命。
如上公开的，不透明盖(10)的内表面(24)优选具有高红外能发射率。由于在正常工作期间内表面(24)优选比吸收器热，因此从吸收器(36)重新辐射的红外能的内表面(34)的吸收不被认为是一个严重的问题。许多涂层，例如黑漆(包含包括硅和聚氨酯的组合物)以及油漆、塑料、丙烯酸树脂以及结合有炭黑的橡胶组合物联合了经济性、耐久性和高发射率。对于高发射率漆的综述，见Clatterbuck,CarollH.HeScialdone,JohnJ.“NASATechnicalMemorandum100768:AnEvaluationofTwoFlat-BlackSiliconePaintsforSpaceApplication”,NationalAeronauticsandSpaceAdministration,GoddardSpaceFlightCenter,Greenbelt,MD,December1990。由于不暴露于紫外辐射，因此任何施加到内表面(24)的膜将具有提高的寿命。
图3D示意了本发明的包括施加到不透明盖(10)的内表面(24)的透明层(34)的另一可选实施方式。透明层(34)具有在红外波长中的可选反射率。示例性透明层(34)包括双折射聚合物膜薄片的交叉拉伸堆叠。应当注意，这样的交叉拉伸堆叠可以以组装形式利用，例如3M制造的多层光学膜。
如上公开的，内表面(24)的温度优选为在常工作期间尽可能热。形成鲜明对比的是，外表面(22)的温度优选为尽可能凉以减少到天空的红外能发射和到环境空气的对流热损失。在实际中难以取得这样的理想差异关系。然而，图3E示意了本发明的包括不透明盖(10)的层压结构的再一可选实施方式，其通过对于中央区域(20)的外层(36)和内层(38)利用不同材料而最小化了从外表面(22)的对流热损失，而同时最大化了内表面(34)的温度和作为结果的红外能发射率。例如，除了构成外表面(22)和内表面(24)的选择性涂层和保护性或反射性涂层之外，外层(36)包括具有低热传导率的隔热层，并且内层(38)包括具有高热传导率的层。外层(36)的隔热方面可以通过高热质量而进一步加强。内层(38)的高热传导率方面可以通过低热质量而进一步加强。不限制于任何特定理论，认为示例性压层结构的隔热外层(36)尽管减少了对流热损耗，但是仅最低地影响了吸收的太阳能到内表面(24)传导性热传递，原因是外层(36)的隔热方面不仅增加了外表面(22)处对于对流热损失的抵抗性还增加了不透明盖(10)的热容。
上面公开的不透明盖(10)的可选实施方式仅用于示意性实例而并非穷尽性的。在本发明的范围内，除了上面描述的那些之外，许多更多的材料、各个方面的组合和修改在没有脱离公开的创造性概念的情况下也是可能的。
吸收器(26)布置在外壳(14)内，与不透明盖(10)呈相对的间隔开的关系。如图6所示，提供了至少进口和出口导管(28)以分别将工作流体提供到太阳能收集器并从太阳能收集器汲取工作流体。吸收器(26)和导管(28)的特定设计、流动配置和构造对于本发明来说不关键。本发明可以与任何吸收器设计一起使用，包含包括例如一体式存储器、鳍片结构、结合起来限定容器的相对并且大致平面的薄片、蛇形(串行)或竖琴式(并行)互连管、热管和空气导管的吸收器，只要不透明盖(10)的内表面(24)在正常工作期间比吸收器(26)的表面热。在包括用于工作流体的一体式存储器的一个可选实施方式中，吸收器(26)的一体式存储器容量优选在不透明盖(10)的平面表面区域的每平方米20和100升之间。
可以通过增加吸收器(26)的浸湿表面区域与暴露于入射红外能的不透明盖(10)的总平面表面区域的比，增强内表面(24)和吸收器(26)的优选差异温度关系。吸收器(26)的更高浸湿区域允许当热量被从吸收器汲取出来并传递到工作流体中时，工作流体更完全地冷却吸收器(26)。吸收器(26)还可以通过选择更低热传导率的吸收器(26)材料而可选地或进一步地被冷却，尤其是与吸收器(26)的完全浸湿表面联合，因为热传导率对于辐射能传递来说不关键。
图4示意了一个优选实施方式，其中吸收器(26)包括与布置在管下面的高反射表面(42)呈间隔开关系的、没有鳍片的流体通路管(40)。首先从不透明盖(10)的内表面(24)发射、在吸收器(26)的管(40)之间传递的红外能可以被反射回到这些管(40)的下侧。高反射表面(42)可以是未抛光或抛光的铝的薄片、铝箔、反射漆组合物或对于红外波长在光谱上反射的聚合物或金属化聚合物膜。
从平面表面发射的红外能是扩散的。因此，管(40)和反射表面(42)的间隔开的关系是每个管(40)的全360度圆周暴露于首先由不透明盖(10)的内表面发射(46)的红外能。另外，如图5中所示，当基本上平行对准的管(40)的平均中线间隔(50)在管(40)的平均周长的约0.75和1倍之间时，管的总圆周外表面区域可以接近不透明盖(10)的平面表面区域的100％。在另一方面，每个流体通路管(40)的全360度圆周和任何连接U型管的全360度圆周，或者呈平行流配置的歧管结构优选具有高吸收率和低发射率的选择性涂层(48)。可选地，可以例如通过将炭黑结合在聚合物树脂中来将高吸收率结合到聚合物吸收器(26)中。选择性涂层(48)优选具有大于约0.90的红外吸收率和小于约0.30的红外发射率。
吸收器(26)和不透明盖(10)的间隔开的关系优选地限定至少约3毫米的间隙(52)，并且吸收器(26)和高反射表面(42)的间隔开的关系优选限定至少约3毫米的间隙(54)。在本发明的一个优选可选实施方式中，由多个横向构架(70)实现吸收器(26)和不透明盖(10)之间以及吸收器(26)和高反射表面(42)之间的间隔开的关系，这示意于图6中并且在下面更加全面地描述。
所公开的完全浸湿表面几何结构不是很昂贵，并且比包括相同材料、管直径和壁厚度的名义上的全浸湿表面吸收器涉及较少的材料，在流体通道管之间没有间隔或在流体通道管之间具有大大减少的间隔。
可以利用广范围内的各种吸收器结构和材料。流体通路管(40)可以是铜的，弯曲或铜焊成U形铜配件以创建蛇形(串行)流体流图案。可选地，基本上平行对准的铜管(40)可以铜焊成筒头歧管，创建平行流图案。管(40)也可以铝的。相对于铜，铝比较便宜，即便是对于给定流体压力需要较大的管(40)壁厚度以补偿铝较低的拉伸强度的情况下。铝具有极佳的弯曲可变形性特性并且比铜轻和便宜。铜的热传导率比铝高，但是该差异在包括100％浸湿表面的吸收器中无不足道，其中辐射热传递是总热传递的重要组成部分。
吸收器(26)的互连流体通路管(40)还可以是塑料管，例如，聚丙烯或交联高密度聚丙烯(“PEX”)管或PEX-AL-PEX变型，其中管(40)壁包括夹层在PEX内和外层之间的铝层。选择的任何可选管(40)材料应当能够经受与所利用的特定对流热损失控制策略(例如，闭塞空气空间、块体隔热材料或真空化)相关的滞止温度。例如，PEX管在针对真空太阳能吸收器的实施方式中或在包括体块隔热材料的实施方式中不适合。管(40)还可以是合成橡胶，例如三元乙丙单体(“EPDM”)橡胶，其比PEX管提供的工作温度范围更高；然而，该种EPDM橡胶在包含氯的可饮用水将循环通过吸收器(26)的情况下可能不适合。应当注意，本发明针对这样一种太阳能收集器，其中吸收器(26)的所有材料和表面涂层由不透明盖(10)保护免受暴露于紫外辐射，在上釉平板和真空管太阳能收集器中并不是这样。
图6示意了本发明针对包括具有中空横截面(62)和圆角(64)的连续侧壁(60)的太阳能收集器的一种实施方式的鸟瞰图。横向构架(70)支撑吸收器(26)，并且在吸收器(26)和不透明盖(10)(未示出)之间、在吸收器(26)和连续侧壁(60)之间、并且在吸收器(26)和背板(66)(未示出)之间创建间隔开的关系。图6中示意的通用类吸收器(26)结构对于发明来说不关键。每个圆角64的外侧表面半径(外侧表面暴露于环境空气)优选至少约8厘米。
图7A中示意了图6的以截线7-7截取的横截面图。不透明盖(10)联接到连续侧壁(60)的上部分，并且背板(66)联接到连续侧壁(60)的下部分。连续侧壁(60)、不透明盖(10)和背板(66)限定外壳(14)。联接的方法(其可以包括紧固件、粘合剂、支架或通过一个或多个配合面的临时变型而咬合在一个的零件)对于发明来说不关键。然而提供这样一种连接方法是更可取的，不透明盖(10)借此方法可以拆卸和替换以进行吸收器(26)的检查和维护，而不导致永久损伤或变形。同时，更可取的是，联接的方法促进外壳(14)在太阳能收集器的期望使用寿命上的至少基本上气密特定的保持。可以在连续侧壁(60)和不透明盖(10)之间的接触外围处以及在连续侧壁(60)和背板(66)之间的接触外围处间置垫片材料(68)，以提供用于至少基本上减少湿气、尘土和微粒侵入外壳(14)的密封件。接触外围垫片材料(68)示意于图7B和7C中。在针对低制造成本的可选实施方式中可以取消接触外围垫片材料(68)。
连续侧壁(60)的可选实施方式可以由挤制塑料、成形合成物或其他合适材料制成。在一个优选实施方式中，在旋压弯曲机内将单片的中空铝方管弯曲，以形成大体上方形的连续侧壁(60)的圆角(64)。例如，可以弯曲1.575毫米标距厚度6063-T52铝方管的6米x25毫米方片，以形成测量为具有约8厘米半径圆角的近似0.61米x2.44米的连续侧壁(60)，被测量的半径在铝方管的外侧外表面处。示例性旋压弯曲机由NewJersey，Cinnaminson的PedrickToolandMachineCompany制造。方管的两端在沿着方管的其余直段的单个点处被焊接和弄平，以形成没有角接缝的连续侧壁(60)。
可以通过连续侧壁(60)钻孔以容纳流体入口和出口通路，用于装配辅助装置或安装硬件，并用于将泡沫隔热材料诸如到中空横截面中。值得注意的是，一些孔(例如用于安装硬件或用于注射泡沫隔热材料的孔)可以仅穿透连续侧壁(60)的外部部分，有利地限制通过连续侧壁(60)的穿透的数量用于减少对流热损失的目的，并且在真空太阳能收集器的实施方式中用于真空保持的目的。可以在弯曲操作之前执行与弯曲操作无关的步骤，例如，在连续侧壁(60)中钻孔。这有利地允许在相同的工作台对不同长度的直备料执行这样的无关任务。这样，可以利用空间高效的工作台布置以处理用于不同尺寸太阳能收集器的直备料。对于与制造每一不同尺寸的连续侧壁(60)相关的非弯曲操作，没有必要具有不同的工作台。
不透明盖(10)的结构和成分部分由太阳能收集器可能经受的期望动态气压来确定。在这方面，圆角(64)减小了强风期间不透明盖(10)上的动态气压。结果，与在给定风载要求下其他情况需要的质量相比，不透明盖(10)可具有较小的质量。除了材料成本节省之外，质量减少的不透明盖(10)在暴露于入射太阳能时一般将获得更高的温度，这增加了不透明盖(10)到吸收器(26)的红外发射。
现在将更详细地讨论横向构架(70)。如上面讨论的，本发明的一个实施方式针对包括由横向构架(70)支撑在外壳(14)内的吸收器(26)的太阳能收集器。横向构架(70)将吸收器(26)定位成使得在吸收器(26)和不透明盖(10)、连续侧壁(60)和背板(66)的每一个之间创建间隔开的关系。如图6所示的，横向构架(70)优选靠着连续侧壁(60)的内壁安置。在横向构架(70)的高度与连续侧壁(60)相同的实施方式中，横向构架(70)可自由浮动或者可以刚性联接到连续侧壁(60)。横向构架(70)优选包括90度弯曲或每端处的挤制的“I型梁”段，以提供用于连续侧壁(60)的配合表面和对抗外部负载产生的变型的增加强度。
图8示意了本发明的一个实施方式的透视图，其中去除了不透明盖(10)和背板(66)以暴露连续侧壁(60)、横向构架(70)和具有呈间隔开关系的基本上平行的流体通路管(40)的吸收器(26)。
横向构架(70)执行各种功能。在第一方面，横向构架(70)将吸收器(26)与和不透明盖(10)和壳体(12)的内表面的接触隔离，减小了对流热损失的可能性并促进了辐射能传递，这需要在相对的、辐射能交换表面之间间隔开的关系。在第二方面，横向构架(70)通过将外壳(14)分离成多个较小的空间而减小了外壳(14)内潜在的对流热损失，这减小了每个这样的较小空间的上和下部分内的潜在温差(流体中的温差是自然对流的驱动力)。在本发明的包括真空太阳能收集器的可选实施方式中，横向构架(70)提供了对抗大气压力施加到不透明盖(10)和背板(66)的压缩力的内部结构支撑。不透明盖(10)和背板(66)中的每一个都刚性联接到横向构架(70)以帮助抵抗与飓风级别的风相关的动态压力，这是一种对于薄片玻璃来说不可能的选择。可选地，横向构架(70)可以不是刚性地联接到不透明盖(10)、连续侧壁(60)或背板(66)的任何部分，而是替代地通过不透明盖(10)、连续侧壁(60)和背板(66)中的脊部或凹口或者通过其可选的组合而保持在固定位置。每个横向构架(70)可包括两个部分：上部分和下部分，以有利于在组装太阳能收集器期间安放吸收器(26)。横向构架(70)的精确数量对于发明来说不关键，但是数量基于特定太阳能收集器型号的结构性要求。这样的要求包括例如，对于不透明盖(10)和背板(66)每一个的材料、厚度、构造的特定组合所可能的最大不支撑跨距，在流体通路管(40)没有变形到将减小从高反射率表面(42)到流体通路管(40)的下侧的红外反射率的情况下可能的流体通路管(40)的最大不支撑长度。
基于多种因素，例如机器加工和成形的容易性、成本、使用温度范围、强度、重量以及强度重量比，横向构架(70)可以选自各种不同材料。两种这样的示例性材料包括铝和碳纤维。在吸收器(26)和横向构架(70)是不同金属或包括不同的金属和金属涂层的情况下，将横向构架(70)与吸收器(26)隔离是可取的，以减小电化学腐蚀的潜在可能。在一个实施方式中，至少是横向构架(70)与吸收器(26)直接接触的部分可以包括隔热材料以防止经由横向构架的从吸收器(26)到不透明盖(10)、到连续侧壁(60)或到背板(66)的热桥接。可选地，可以用隔热材料涂覆或隔离具有高热传导率的横向构架(70)。
示例性对流热损失减少策略
对于在不透明盖(10)和吸收器(26)之间包括空气填充空间的实施方式来说，提供用于减少到环境空气的对流热损失(尤其在冷天气工作期间)的可选和组合策略来说将是有利的。如上面所公开的，利用先前公开的蜂窝或层压夹层结构的每一个可以减少通过不透明盖(10)的对流热损失。可选地，或者与这样的结构组合，可以利用与不透明盖(10)呈平行间隔开的关系的透明平面薄片划分不透明盖(10)和吸收器(26)之间的间隙，如图7B所示。一种示例性平面薄片可以是PTFE薄膜。透明平面薄片(74)优选呈间隔开的关系与不透明盖(10)和吸收器(26)中的每一个相隔至少约3毫米布置。在一个示例性配置中，透明平面薄片(74)伸展跨越横向构架(70)的上表面并且粘附到横向构架(70’)或者压在横向构架(70’)和连续侧壁(60)的横向部分之间。应当注意，在本发明的太阳能收集器中，聚合物膜(例如，PTFE)的耐久性和寿命被显著增加，原因是：与现有技术上釉平板太阳能收集器形成鲜明对比，聚合物膜将不暴露于紫外辐射。图7B还示意了泡沫隔热材料，其可以被注射到连续侧壁(60)的中空横截面中，以及块体隔热材料(78)，例如，岩棉或闭孔聚异氰脲酯板，其可以布置在背板(66)和横向构架(70)的下部分之间。在包括块体隔热材料(78)的可选实施方式中，高反射表面(42)可以是箔面层、涂覆、粘附或松散联接到邻近吸收器(26)的侧上的块体隔热材料(78)的发射漆或铝薄片。高反射表面(42)还可以包括布置在块体隔热材料(78)和横向构架(70)的下部分之间的平面薄片。
封闭和受热的空气空间内的对流流随着空气空间的深度而增加。例如，受热空气空间趋向于几乎没有到达约1.25厘米深度的对流流。闭塞空气空间(换句话说，没有有意义的对流流的空间)减少对流热传递。这样，对于冷气候工作来说，将不透明盖(10)和透明平面薄片(74)之间的空气间隙限制到小于约1.25厘米的深度可能是更可取的。
示例性真空太阳能收集器实施方式
所公开的具有圆角(64)的中空、连续侧壁(60)的内在强度非常适于包括真空平板太阳能收集器的实施方式。另外，在连续侧壁(60)中没有陡起的角接缝导致这样一种太阳能收集器，其中只联接的外围表面是容易被密封的、在连续侧壁(60)和不透明盖(10)之间以及在连续侧壁(60)和背板(66)之间的二维平面表面。
在本发明的针对真空太阳能收集器的可选实施方式中，使不透明盖(10)、连续侧壁(60)和背板(66)具有相似的膨胀系数将是有利的，这样消除了长久存在的玻璃盖板和金属侧壁相异的膨胀和收缩率的技术问题以及在平板真空太阳能收集器玻璃盖板和金属侧壁的相异材料之间实现可持久真空密封的相关困难。本发明的真空实施方式的不透明盖(10)、连续侧壁(60)、背板(66)和横向构架(70)可以由金属、碳纤维、陶瓷、塑料、硅酸盐、层压制品、组合物和其组合形成，优选的是被利用的结构呈纵向联接关系，例如不透明盖(10)和连续侧壁(60)具有大致相似的膨胀系数。
真空实施方式的不透明盖(10)、连续侧壁(60)、背板(66)和横向构架(70)的材料组成、结构和厚度优选选择成：在有效消除对流热损失的真空太阳能收集器的可选实施方式中，经受住当真空气密外壳内部的真空压力小于约一托时的外部大气压缩力；并且，在有效消除对流和传导热损失的真空太阳能收集器的可选实施方式中，经受住当真空气密外壳内部的真空压力优选小于10-2托(并且更优选地，小于10-4托)时的外部大气压缩力。
在真空太阳能收集器的另一个方面，有利的是提供垫圈材料(68)用于气密密封不透明盖(10)和连续侧壁(60)之间的接触外围、连续侧壁(60)和背板(66)之间的接触外围以及在通过气密外壳的每个开口内提供垫圈材料。可以提供各种合适的垫圈材料，例如硅树脂、PTFE、丁基橡胶或EPDM橡胶。特别地，丁基橡胶具有作为用于密封气密真空外壳的垫圈材料的极佳特性。相比于现有技术提出的用于将金属带或挡板钎焊或融合到玻璃盖板的复杂方法和结构，即使是制造达到用于人类太空飞行航天航空标准的非常高级的丁基橡胶垫圈密封件将可能是更经济和更易于维护的。
图9示意了本发明针对真空太阳能收集器的一个可选实施方式，其中太阳能收集器以至少10度，并且更优选地以至少20度的非水平角安装，并且吸收器(26)包括多个平行对准的热管(90)，其中每个热管(90)的冷凝器端(92)加高于蒸发器端(94)之上。包含第二流体的水平热交换歧管(96)布置在外壳(14)的最上区域内部和其中，该外壳是气密和真空的。每个热管(90)的冷凝器端(92)以热交换关系与热交换歧管(96)联接，并且在热交换歧管(96)的每一端提供导管(98)以分别将第二流体提供到太阳能收集器并从太阳能收集器汲取第二流体。热管(90)的数量、热交换歧管(96)、热管(90)和用于真空丧失检测、滞止温度控制或真空释压和恢复的任何辅助装置的特定材料、设计和构造对于发明来说不关键，只要是在正常工作期间不透明盖(10)的内表面(24)比吸收器(26)的表面热。另外，用于减小太阳能收集器内部材料的未来的释气的任何烘焙处理的特定步骤和参数对于发明来说不关键。然而，在与图4和5和对于其的相关详细描述一致的一个优选实施方式中，热管(90)没有鳍片，每个热管(90)的全360度圆周具有高吸收率和低发射率的选择性涂层，并且热管(90)以图4和5和对于其的相关详细描述中流体通路管(40)的间隔开的关系基本上平行对准。与现有技术的真空管太阳能收集器形成鲜明对比，该配置将关键的热传递连接安置在真空气密的外壳内部的热管(90)和热交换歧管(96)之间。结果，消除了现有技术一般要求的用于真空管外部的热交换歧管的实质性块体隔热材料，并且分别基本上消除和极大减少了布置在真空管和外部热交换歧管之间的热管的部分处的对流热损失和从热交换歧管的对流热损失。
示例性低成本太阳能收集器实施方式
本发明可以针对非常低成本的实施方式。例如，不透明盖(10)、壳体(12)和横向构架(70)每一个都可以是封闭塑料吸收器(26)的模制塑料结构。可选地，壳体(12)包括由挤制塑料形成的中空连续侧壁(60)。不透明盖(10)、壳体(12)和横向构架(70)的各种组合可以被模制成单件。在这样的低成本实施方式中，暴露于入射太阳能的塑料材料优选利用包含紫外线抑制剂的树脂制成，或者可以利用对紫外波长在光谱上反射性或吸收紫外波长的外表面涂层、粘合剂或膜。另外，塑料不透明盖(10)和塑料吸收器(26)可以利用包含炭黑的树脂制成以提供用于对入射辐射能的更多吸收。本发明的塑料太阳能收集器将通过在冷天气工作期间减少对流热损失而相对于不上釉塑料太阳能收集器提供改善的性能。
本发明还可以针对不透明盖(10)、壳体(12)和横向构架(70)中的每一个都是金属的低成本实施方式，所述金属例如组合有PEX、PEX-AL-PEX或EPDM橡胶吸收器(26)的铝。尽管这样的配置对于现有技术中的上釉平板太阳能收集器(其在侧壁中和在吸收器后面包括块体隔热材料)中的塑料管会引起滞止温度的问题，然而在本发明的没有块体隔热材料的可选实施方式中的太阳能收集器可以通过例如利用具有减小的太阳能吸收率的外表面(22)涂层和具有减小的红外发射率的内表面(24)涂层而被设计成将滞止温度限制到塑料或橡胶吸收器很好地容忍的水平。
不透明盖的重量优势
铝(一种示例性不透明盖材料)的密度实际上比玻璃的密度稍大，并且铝的弹性模量跟玻璃大约相同。这样，对照包括玻璃盖板的平板太阳能收集器，就本发明的太阳能收集器的重量优势的性质作简要说明是有用的。使用铝作为示例性比较，铝和玻璃的理论上拉伸和压缩强度是可比较的。然而，由于玻璃板中表面缺陷产生不规则应力集中，因此玻璃破裂在统计上是不可预测的。玻璃板还受负载持续时间的负面影响：在测试期间玻璃板可能支撑短期负载，测试施加的压力比导致损坏的长期负载的两倍还要多。对于结构性应用，使用反映对于损坏的统计概率的调整的乘数因子来计算需要的玻璃板厚度。需要玻璃板的厚度是其理论强度厚度(该理论强度厚度指示可以足以满足与设计风载相关的负压，或者与真空太阳能收集器相关的长期压缩力)的两倍并不是不常见。这样，可能需要4毫米厚的玻璃板以支撑2毫米厚的铝薄片支撑的相同设计负载。鉴于玻璃和铝的相似密度，铝薄片的重量将是玻璃板重量的约一半。不透明盖相对于玻璃的重量优势在针对低重量的可选实施方式中甚至更加明显，针对低重量的可选实施方式例如包括塑料或碳纤维的不透明盖，或者具有比上面的实例的2毫米厚度要薄得多的铝相对薄片的蜂窝夹层架构。
结论
可见光包括太阳光谱能量含量的约44％，因此不透明盖能够以在一些实施方式中接近低离子玻璃的水平将太阳能传递到太阳能收集器外壳内的吸收器上是违反直觉的。然而，已经发现不透明盖联合具有从内表面到吸收器的高红外发射率的外表面的高太阳能吸收能够提供可接受并且经济的热性能。
本发明涉及一种太阳能收集器，其更加稳健、具有简化的构造，并且与具有透明或半透明盖板的太阳能收集器相比，需要较少的定期清理。本发明对成本和复杂性没有要求，或者不经历透明或半透明釉料材料独有的问题。相比于透明或半透明釉料，不透明盖的性能较少受到盖任一侧上灰尘和污点的影响。在一些实施方式中，本发明避免了与块体隔热材料、吸收器鳍片、盖板竖框和角细工相关的成本和缺点。
本发明涉及一种太阳能收集器，其适于利用各种不同的工作流体(例如，水、空气、乙二醇、水-乙二醇混合物、烃油、共熔苯基混合物、酞酸酯、制冷剂、盐和硅树脂)工作。
提供了前述实例仅用于说明目的而不以任何将前述实例解读为本发明的限制。尽管本发明参考示例性实施方式进行披露，但是本文使用的词句是意在描述和示意的词句，而非限制的词句。在随附的权利要求书的范围内，如先前陈明的和可以进行修改的，可以做出改变而不背离本发明各个方面的范围和精神。尽管本发明参考特定材料和实施方式进行描述，然而没有打算将本发明限制于本文公开的细节；而是，本发明延伸到所有功能上等价的结构和使用，例如在随附的权利要求书中的那些结构和使用。在本公开中使用的所有术语应该按照符合上下文的最宽的可能的方式进行解读。

Claims (19)

1.一种用于加热工作流体的太阳能收集器，包括：
布置成接收入射太阳能并联接到壳体的上部分的不透明盖，所述不透明盖和所述壳体一起限定至少基本上气密的外壳；
所述不透明盖的外表面，其具有大于约0.80的太阳能吸收率；
所述不透明盖的内表面，其具有大于约0.80的红外发射率；
以与所述不透明盖呈相对的间隔开的关系布置在至少基本上气密的外壳内的吸收器，所述吸收器包括用于工作流体的容器；
布置成将工作流体提供到太阳能收集器的第一导管，其通过所述壳体伸出并联接到所述吸收器；以及
布置成从太阳能收集器汲取工作流体的第二导管，其通过所述壳体伸出并联接到所述吸收器。
2.根据权利要求1所述的太阳能吸收器，其中，所述不透明盖的外表面是选择性涂层，该选择性涂层具有大于约0.90的太阳能吸收率和小于约0.30的红外发射率。
3.根据权利要求2所述的太阳能吸收器，还包括透明保护性涂层，该透明保护性涂层布置成隔离所述选择性涂层以避免与环境空气接触。
4.根据权利要求1所述的太阳能吸收器，其中，所述不透明盖包括层压结构，该层压结构以夹层关系布置在外表面和内表面之间，所述层压结构具有与外表面接触的第一层和与内表面接触的第二层。
5.根据权利要求4所述的太阳能吸收器，其中，所述第一层的热传导率在25℃小于约2W/m-℃，并且所述第二层的热传导率在25℃大于约15W/m-℃。
6.根据权利要求1所述的太阳能吸收器，其中，所述不透明盖包括以夹层关系布置在外表面和内表面之间的蜂窝结构。
7.根据权利要求1所述的太阳能吸收器，其中，所述吸收器的外侧表面具有大于约0.90的红外吸收率并小于约0.30的红外发射率。
8.根据权利要求1所述的太阳能吸收器，其中，所述吸收器和所述不透明盖的相对的间隔开的关系限定至少约3毫米的间隙。
9.根据权利要求1所述的太阳能吸收器，其中，所述吸收器以基本平行对准并间隔开的关系布置在所述不透明盖和所述吸收器下的反射性表面中的每一个之间，所述反射性表面具有大于约0.60的红外反射率。
10.根据权利要求9所述的太阳能吸收器，其中，所述吸收器和所述反射性表面之间的间隔开的关系限定至少约3毫米的第二间隙。
11.根据权利要求1所述的太阳能吸收器，其中，所述吸收器包括呈基本上平行间隔开的关系的多个互连管，该间隔开的关系限定基本上平行的管之间的、约为平均管周长0.75到1.0倍的平均中线间隔。
12.根据权利要求1所述的太阳能吸收器，其中，所述吸收器包括用于工作流体的一体式存储器，一体式存储器容量与布置成入射太阳能的不透明盖平面表面面积的比在每平方米约20和100升之间。
13.根据权利要求1所述的太阳能吸收器，其中：
所述壳体包括具有多个圆角和刚性联接到第二端的第一端的细长中空构架，所述细长中空构架形成连续侧壁，所述壳体还包括联接到所述连续侧壁的下部分的背板；
所述不透明盖联接到所述连续侧壁的上部分；以及
多个横向构架将所述吸收器支撑并悬挂在至少基本上气密的外壳内，以使得所述吸收器以与所述不透明盖、所述连续侧壁和所述背板中的每一个呈间隔开的关系而布置。
14.根据权利要求13所述的太阳能吸收器，其中，所述多个圆角中每个圆角的外侧表面的半径为至少约8厘米。
15.根据权利要求13所述的太阳能吸收器，还包括布置在所述连续侧壁的中空部分内的隔热材料。
16.根据权利要求14所述的太阳能吸收器，还包括布置在所述吸收器和所述背板之间的隔热材料。
17.根据权利要求13所述的太阳能吸收器，还包括以平行对准并间隔开的关系布置在所述不透明盖和所述吸收器中的每一个之间的平面的、透明膜。
18.根据权利要求13所述的太阳能吸收器，还包括真空化到小于约1托压力的气密外壳。
19.根据权利要求18所述的太阳能吸收器，其中，所述吸收器包括以基本上平行间隔开的关系对准的多个热管，每个热管具有冷凝器端、中段和蒸发器端，该间隔开的关系限定热管之间的、约为多个热管的平均中段周长0.75到1.0倍的平均中线间隔；以及包含工作流体的热交换歧管，所述热交换歧管布置在气密外壳的上部分内并联接到每个热管的冷凝器端。
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