CN109219725A - 太阳能热单元 - Google Patents

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C.弗里森
M.罗宾森
G.弗里森
H.洛尔泽尔
J.Z.贝赞特
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Zero Water Co
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Abstract

提供了用于将太阳能日照转换成热能的太阳能热单元和操作太阳能热单元的方法。在一些示例中，太阳能热单元具有入口，以及沿着第一流体流动路径和第二流体流动路径将吸热流体分流到太阳能热单元的任一侧。可选地，可以提供一个或多个光伏板作为太阳能热单元的一部分，其可以将太阳能日照转换成可以由连接到太阳能热单元的系统使用的电功率。

Description

太阳能热单元
相关申请的交叉引用
本申请基于并得出2016年4月7日提交的美国临时申请号62/319721的申请日的权益。该申请的全部内容通过引用整体并入本文。
技术领域
本技术提供太阳能热单元和操作太阳能热单元的方法。本技术的太阳能热单元配置为将太阳能日照转换成热能。
附图说明
已经出于说明和描述的目的选择了具体示例，并且在附图中示出了这些示例，附图构成说明书的一部分。
图1是本技术的太阳能热单元的一个示例的透视图。
图2是图1的太阳能热单元的分解图。
图3是图1的太阳能热单元的横截面侧视图，示出了吸热流体的流动路径。
图4是图3的太阳能热单元的一部分的横截面侧视图，示出了吸热流体的流动路径。
图5是本技术的太阳能热单元的第二示例的横截面侧视图。
图6是本技术的太阳能热单元的第三示例的横截面侧视图。
图7是本技术的太阳能热单元的第四示例的横截面侧视图。
图8是本技术的吸收器和太阳能热单元中的非线性温度分布图。
图9是日照与时间的曲线图，示出了测试本技术的太阳能热单元的一个示例的结果。
图10是用于从空气产生液态水的第一系统的图，其中可以使用本技术的太阳能热单元。
图11是用于从空气产生液态水的第二系统的图，其中可以使用本技术的太阳能热单元。
图12是本技术的太阳能热单元的第五示例的分解图。
图13是图12的太阳能热单元的横截面侧视图，示出了吸热流体的流动路径。
图14是在两种不同的流速下太阳能热单元的第五示例的效率相对于高于环境的温度的曲线图。
具体实施方式
术语“包括”(和任何形式的包括，比如其各种变体)、“具有”(和任何形式的具有，比如其各种变体)、“包括”(以及任何形式的包括，比如其各种变体)和“包含”(以及任何形式的包含，比如其各种变体)是开放式连接动词。结果，“包括”、“具有”、“包括”或“包含”一个或多个元件的装置拥有那些一个或多个元件，但不限于仅拥有那些元件。同样，“包括”、“具有”、“包括”或“包含”一个或多个步骤的方法具有那些一个或多个步骤，但不限于仅拥有那些一个或多个步骤。
任何装置、系统和方法的任何实施例可以由或基本上由任何所描述的步骤、元件和/或特征组成，而不是包括/包括/包含/具有它们。因此，在任何权利要求中，术语“由......组成”或“基本上由......组成”可以代替上述任何开放式连接动词，以便将给定权利要求的范围从其原本使用开放式连接动词的范围改变。
除非本公开或实施例的性质明确禁止，否则一个实施例的一个或多个特征可以应用于其他实施例，即使没有描述或示出。
下面描述与上述实施例和其他实施例相关的一些细节。
本技术的太阳能热单元通过将能量从太阳光转移到流过太阳能热单元的吸热流体，将太阳能日照转换成热能。在至少一些示例中，本技术的太阳能热单元可以配置成使得温度梯度在吸热流体沿着从入口到出口的任一流动路径流动的方向上沿着太阳能热单元的深度增加。这可能导致热量基本上被提取或引导远离系统的上层，例如与周围空气接触的玻璃层，使这些层保持相对冷却。相反，传统的太阳能热单元往往具有非常热的外表面。太阳能热单元的配置还可以导致来自太阳日照的热量被引导并保持在单元的最绝缘区域中，从而减少来自该单元的日照损失。
本公开还提供了一种用于利用集成的太阳能热和光电转换设备产生能量和/或水的装置和方法。仅作为示例，本发明已经应用于太阳能模块和水生成设备，但是应该认识到，本发明具有更广泛的适用范围。
图1-4示出了本技术的太阳能热单元100的一个示例。太阳能热单元100具有分流设计，其具有两个流体流动路径。
关于第一流体流动路径，在太阳能热单元100的右手侧，存在第一玻璃层102，其具有外表面104和内表面106。第一玻璃层102的外表面104可以暴露于环境空气。太阳能热单元100的第一流体流动路径还具有第一多孔光吸收材料层108，其位于第一玻璃层102下方并与之间隔开。第一多孔光吸收材料层108具有顶表面110、厚度112和底表面114。吸热流体116或其一部分可以沿着从入口120到出口122的第一流体流动路径流过太阳能热单元100。
如图所示，第一玻璃层102和第一多孔光吸收材料层108各自具有相同的宽度W和长度L1。在替代实例中，包括如图6和7中所示的那些，第一玻璃层可以具有长度L，其大于第一多孔光吸收材料层108的长度L1，并且其可以在两者流体流动路径的长度上延伸。
当其通过入口120进入太阳能热单元100时，吸热流体116可具有初始温度，该初始温度可以等于或可以不等于太阳能热单元100外部的环境空气的温度，这取决于应用。在通过入口120进入太阳能热单元100之后，至少部分吸热流体116可以沿着第一流体流动路径的第一部分118流动，第一部分118从入口120沿着第一玻璃层102的内表面106延伸。当吸热流体116沿第一流体流动路径的第一部分118流动时，吸热流体116可沿第一玻璃层102的内表面106的整个长度L1流动。
沿第一流体流动路径的第一部分118的吸热流体116的流动路径可以由入口120和/或整个太阳能热单元100的结构几何形状控制。例如，入口120可以包括一个或多个喷嘴，吸热流体116通过所述喷嘴流入太阳能热单元100。当一个或多个喷嘴沿着第一流体流动路径的第一部分118流动时，一个或多个喷嘴可以控制吸热流体116的速度和方向。可替代地，太阳能热单元100可包括至少一个间隙层，如下所述。
另外，在第一流体流动路径的第一部分118内，吸热流体116可以均匀地分布在第一玻璃层102的内表面106的整个宽度W上。当其沿着第一流体流动路径的第一部分118行进时，吸热流体116可以从第一玻璃层102的内表面106收集热量。第一流体流动路径的第一部分118的端部处的吸热流体116的温度因此可以大于入口120处的吸热流体116的初始温度。温度增加的量可以取决于若干因素，包括日照水平、环境温度和入口温度。
在流过第一流体流动路径的第一部分118之后，吸热流体116然后可以流过第一过渡部分138，然后沿着第一流体流动路径的第二部分140流动。第一流体流动路径的第二部分140沿着多孔光吸收材料层108的顶表面110延伸。当沿着第一流体流动路径的第二部分140流动时，吸热流体116的至少一部分可以沿着多孔光吸收材料层108的顶表面110的整个长度L1流动。另外，在第一流体流动路径的第二部分140内，吸热流体116可以均匀地分布在多孔光吸收材料层108的顶表面110的整个宽度W上。当其沿着第一流体流动路径的第二部分140行进时，吸热流体116可以沿着多孔光吸收材料层108的顶表面110收集热量。第一流体流动路径的第二部分140的端部处的吸热流体116的温度因此可以大于第一流体流动路径的第一部分118的端部处的吸热流体116的温度，并且大于入口120处的吸热流体116的初始温度。
在流过第一流体流动路径的第二部分140之后，吸热流体116然后可以沿着第一流体路径的第三部分142流动，穿过多孔光吸收材料层108的厚度112。当沿着第一流体路径的第三部分142流动时，吸热流体116可从第一多孔吸光材料层108内收集热量。第一流体流动路径的第三部分142的端部处的吸热流体116的温度可以因此大于第一流体流动路径的第二部分140的端部处的吸热流体116的温度，并且大于入口120处的吸热流体116的初始温度。
在流过第一流体流动路径的第三部分142之后，吸热流体116然后可以沿着第一流体路径的第四部分144、沿着多孔光吸收材料层108的底表面114流到出口122，在该出口122，吸热流体可以离开太阳能热单元100。吸热流体116可以从多孔光吸收材料层108的底表面114收集热量。吸热流体116可以从第一多孔光吸收材料层110的底表面114以及从当其沿第一流体路径的第四部分144流动时接触的任何其他部件例如绝缘层130收集热量。第一流体流动路径的第四部分144的端部处的吸热流体116的温度可以因此大于第一流体流动路径的第三部分142的端部处的吸热流体116的温度，并且大于入口120处的吸热流体116的初始温度。
太阳能热单元100还可以具有绝缘层130，其可以具有至少底部132和侧壁134。侧壁134可以围绕太阳能热单元100的整个周边延伸。绝缘层130可以位于第一多孔光吸收材料层108下方并且与之间隔开。绝缘层130可以配置成提供形成第一流体路径的第四部分144的一部分的第一流动通道136。第一流体路径的第四部分144可沿着第一流动通道136在多孔光吸收材料层108下方流到出口122。
此外，关于第一流体流动路径118，太阳能热单元100可以在第一玻璃层102和第一多孔光吸收材料层108之间具有一个或多个间隙层，例如第一间隙层124。间隙层124可以促进与第一玻璃层102的流动相互作用并且导致从第一玻璃层102的热提取增加。如图所示，第一间隙层124可以是玻璃，并且可以由与第一玻璃层102相同的材料或不同的材料制成，和/或可包括一个或多个光伏(PV)板。第一间隙层124可以具有顶表面126和底表面128。第一间隙层124的顶表面126在第一玻璃层102的内表面106下方并与之间隔开。第一间隙层124的底表面128位于第一多孔光吸收材料层108的顶表面110上方并与之间隔开。
在太阳能热单元100包括第一间隙层124的示例中，第一过渡部分138可包括围绕第一间隙层124的端部192的第一流体路径中的转弯。如图3和图4所示，第一玻璃层102具有长度L1，第一间隙层124的长度小于第一玻璃层102的长度。第一间隙层124的较短长度在第一间隙层124的端部192和绝缘层130的侧壁134之间产生第一间隙194。第一过渡部分138的转弯可以使吸热流体116重新定向在可达到约180°的角度上，包括在约90°和约180°之间。第一间隙层124可以具有的宽度等于第一玻璃层102的宽度W。在这样的示例中，第一流体路径的第一部分118沿着第一玻璃层102的内表面104和第一间隙层124的顶表面126之间的第一玻璃层102的内表面104从入口120延伸，并且第一流体路径的第二部分140在第一间隙层124的底表面128和第一多孔吸光材料层108的顶表面110之间延伸。第一流体路径的第二部分140可以与第一间隙层124的底表面128接触，从而可以从第一间隙层124收集热量。
在太阳能热单元100包括第一间隙层124的示例中，当吸热流体沿第一流体流动路径流动时，吸热流体还可以从间隙层124提取热量。例如，当吸热流体116沿着第一流体流动路径的第一部分118行进时，吸热流体116可以从第一玻璃层102的内表面106和从第一间隙层124的顶表面126收集热量。此外，当其沿着第一流体流动路径的第二部分140行进时，吸热流体116可以沿着第一间隙层124的底表面128并且沿着第一多孔吸光材料层108的顶表面110收集热量。如上所述，当吸热流体沿着第一流体流动路径从入口120流到出口122时，吸热流体116的温度梯度可以增加，并且吸热流体在出口122处的温度可以大于吸热流体116在入口120处的温度。
在太阳能热单元100的左手侧上，第二流体流动路径可以具有与第一流体流动路径相同的一组部件，并且可以是第一流体流动路径的镜像。如图所示，太阳能热单元100的左手侧包括第二玻璃层146，其具有外表面148和内表面150。第二玻璃层146的外表面148可暴露于环境空气。太阳能热单元100的左手侧还具有第二多孔光吸收材料层152，其位于第二玻璃层146下方并与其间隔开。第二多孔光吸收材料层152具有顶表面154、厚度156和底表面158。吸热流体116或其一部分可以沿着从入口120到出口122的第二流体流动路径流过太阳能热单元100。如图所示，第二玻璃层146和第二多孔吸光材料层152各自具有相同的宽度W和长度L2。
如上所述，当其通过入口120进入太阳能热单元100时，吸热流体116可具有初始温度。在通过入口120进入太阳能热单元100之后，至少部分吸热流体116可以沿着第二流体流动路径的第一部分160流动，该第一部分160从入口120沿着第二玻璃层146的内表面150延伸。当其沿着第二流体流动路径的第一部分160流动时，吸热流体116可以沿着第二玻璃层146的内表面150的整个长度L2流动。另外，在第二流体流动路径的第一部分160内，吸热流体116可以均匀地分布在第一玻璃层102的内表面106的整个宽度W上。当其沿着第二流体流动路径的第一部分160行进时，吸热流体116可以从第二玻璃层146的内表面150收集热量。第二流体流动路径的第一部分160的端部处的吸热流体116的温度可以因此大于入口120处的吸热流体116的初始温度。
在流过第二流体流动路径的第一部分160之后，吸热流体116然后可以流过第二过渡部分162，然后沿着第二流体流动路径的第二部分164流动。第一流体流动路径的第二部分140沿着第二多孔光吸收材料层152的顶表面154延伸。当其沿着第二流体流动路径的第二部分164流动时，至少一部分吸热流体116可以沿着第二多孔光吸收材料层152的顶表面154的整个长度L1流动。另外，在第二流体流动路径的第二部分164内，吸热流体116可以均匀地分布在多孔光吸收材料层152的顶表面154的整个宽度W上。当其沿着第二流体流动路径的第二部分164行进时，吸热流体116可以从多孔光吸收材料层152的顶表面154收集热量。第二流体流动路径的第二部分164的端部处的吸热流体116的温度可以因此大于第二流体流动路径的第一部分160的端部处的吸热流体116的温度，并且大于入口120处的吸热流体116的初始温度。
在流过第二流体流动路径的第二部分164之后，吸热流体116然后可以沿着第二流体路径的第三部分166流动，穿过第二多孔光吸收材料层152的厚度156。当其沿着第二流体路径的第三部分166流动时，吸热流体116可以从第二多孔光吸收材料层152内收集热量。第二流体流动路径的第三部分166的端部处的吸热流体116的温度可以因此大于第二流体流动路径的第二部分164的端部处的吸热流体116的温度，并且大于入口120处的吸热流体116的初始温度。
在流过第二流体流动路径的第三部分142之后，吸热流体116然后可以沿着第二流体路径的第四部分168、沿着第二多孔光吸收材料层152的底表面158流到出口122，在该出口122处，吸热流体116可以离开太阳能热单元100。吸热流体116可以从第二多孔光吸收材料层152的底表面158以及从当其沿着第二流体路径的第四部分168流动时它接触的任何其他部件例如绝缘层130收集热量。第二流体流动路径的第四部分168的端部处的吸热流体116的温度可以因此大于第二流体流动路径的第三部分166的端部处的吸热流体116的温度，并且大于入口120处的吸热流体116的初始温度。
绝缘层130可以位于第二多孔光吸收材料层152下方并且与其间隔开。绝缘层130可以配置为提供形成第二流体路径的第四部分168的一部分的第二流动通道176。第二流体路径的第四部分168可以沿着第二流动通道176在第二多孔光吸收材料层152下方流到出口122。
此外，关于第二流体流动路径，太阳能热单元100可以在第二玻璃层146和第二多孔光吸收材料层152之间具有一个或多个间隙层，例如第二间隙层170。如图所示，第二间隙层170可以是玻璃或不同的合适材料，并且可以由与第二玻璃层146相同的材料或不同的材料制成，和/或可以包括一个或多个光伏(PV)板。第二间隙层170可以具有顶表面172和底表面174。第二间隙层170的顶表面172位于第二玻璃层146的内表面150下方并且与其间隔开，第二间隙层170的底表面174位于第二多孔光吸收材料层152的顶表面154上方并与其间隔开。
在太阳能热单元100包括第二间隙层170的示例中，第二过渡部分162可包括围绕第二间隙层170的端部196的第二流体路径中的转弯。如图3和图4所示，第二玻璃层146具有长度L2，第二间隙层170的长度小于第一玻璃层146的长度L2。第二间隙层170的较短长度在第一间隙层146的端部196和绝缘层130的侧壁134之间产生第二间隙198。第二过渡部分162的转弯可以使吸热流体116重新定向在可以达到约180°的角度上，包括在约90°和约180°之间。第二间隙层170可以具有的宽度等于第二玻璃层146的宽度W。在这样的示例中，第二流体路径的第一部分160在第二玻璃层146的内表面150和第二间隙层170的顶表面172之间沿着第二玻璃层146的内表面150从入口120延伸，并且第二流体路径的第二部分164在第二间隙层170的底表面174和第二多孔光吸收材料层152的顶表面154之间延伸。
在太阳能热单元100包括第二间隙层170的示例中，当吸热流体116沿着第二流体流动路径流动时，吸热流体116也可从第二间隙层170提取热量。例如，当其沿着第二流体流动路径的第一部分160行进时，吸热流体116可以从第二玻璃层146的内表面150和从第二间隙层170的顶表面172收集热量。而且，当其沿着第二流体流动路径的第二部分164行进时，吸热流体116可以沿着第二间隙层170的底表面174并且沿着多孔光吸收材料层152的顶表面154收集热量。如上所述，当吸热流体沿着从入口120到出口122的第二流体流动路径流动时，吸热流体116的温度梯度可以增加，并且出口122处的吸热流体的温度可以大于入口120处的吸热流体116的温度。
如图3和4所示，第一和第二流体流动路径可各自由绝缘层130封闭在底部和侧面上，并且分别由第一玻璃层102或第二玻璃层146封闭在顶部上。太阳能热单元100的封闭部分可以提供密封的流动室，使得当吸热流体从入口120流到出口122时，吸热流体不会从太阳能热单元100泄漏出来。例如，可以提供由第一玻璃层102、绝缘层130的底部132、绝缘层130的侧壁134以及气室184的壁界定的第一密封流动室178。第一密封室封闭第一流体路径。类似地，可以提供由第二玻璃层146、绝缘层130的底部132、绝缘层130的侧壁134和气室184的壁界定的第二密封流动室180。第二密封室封闭第二流体路径。
太阳能热单元100还可以具有保护壳体182，其围绕并包围至少一部分流体流动路径和形成流体流动路径的部件，包括绝缘层130。
从图3和图4中可以看出，分流式太阳能热单元100可以具有将第一玻璃层102和第一多孔光吸收材料层108与第二玻璃层146和第二多孔光吸收材料层152分隔开的气室184。气室184可以具有气室盖186和在气室盖186下方的上气室188。入口120可以位于气室184中。入口120可以配置成在第一流体路径和第二流体路径之间均匀地分开和引导流入的吸热流体。入口可进一步配置成使吸热流体进入上气室188。
除了产生热能之外，本技术的太阳能热单元的一些示例还可以产生电能。在这样的示例中，电能可以由光伏板(PV)190产生，光伏板190包括一个或多个光伏电池，其可以包括气室盖186的至少一部分。从入口122进入上气室188的吸热流体116可以在沿着第一流动路径或第二流动路径继续之前从光伏板190收集热量。因为光伏电池在冷却时更有效地工作，所以从光伏板190收集热量的吸热流体可以保持或提高光伏板190的效率，以及增加吸热流体吸收的热量。可以修改PV板的后侧以促进与板的流动相互作用来增强板的冷却。另外，考虑到板上的温度梯度，可以优化板的电池布局和布线以最大化板性能。
图5中示出了具有单个流体流动路径的本技术的太阳能热单元500的一个替代示例。在至少一些示例中，太阳能热单元500可以配置为使得温度梯度沿着从入口520到出口522的流体流动路径通过该单元而增加。
如图所示，太阳能热单元500具有玻璃层502，其具有外表面504和内表面506。玻璃层502的外表面504可暴露于环境空气。太阳能热单元500还具有多孔光吸收材料层508，其位于玻璃层502下方并与玻璃层502间隔开。多孔光吸收材料层508具有顶表面510、厚度512和底表面514。吸热流体516可以沿着从入口520到出口522的流体流动路径流过太阳能热单元500。
当其通过入口520进入太阳能热单元500时，吸热流体516可具有初始温度，其可以等于或可以不等于太阳能热单元500外部的环境空气的温度，这取决于应用。在通过入口520进入太阳能热单元500之后，至少部分吸热流体516可以沿着流体流动路径的第一部分518流动，该第一部分518从入口520沿着玻璃层502的内表面506延伸。当吸热流体516沿着流体流动路径的第一部分518流动时，吸热流体516可以沿着玻璃层502的内表面506的整个长度流动。另外，在流体流动路径的第一部分518内，吸热流体516可以均匀地分布在第一玻璃层502的内表面506的整个宽度上。当其沿着流体流动的第一部分518行进时，吸热流体116可以沿着第一玻璃层502的内表面506收集热量。流体流动路径的第一部分518的端部处的吸热流体516的温度可以因此大于入口520处的吸热流体516的初始温度。
在流过流体流动路径的第一部分518之后，吸热流体516然后可以流过过渡部分520，然后沿着流体流动路径的第二部分522流动。流体流动路径的第二部分522沿着多孔光吸收材料层508的顶表面510延伸。当其沿着流体流动路径的第二部分522流动时，至少一部分吸热流体516可以沿着多孔光吸收材料层508的顶表面510的整个长度流动。另外，在流体流动路径的第二部分522内，吸热流体516可以均匀地分布在多孔光吸收材料层508的顶表面510的整个宽度上。当它沿着流体流动路径的第二部分522行进时，吸热流体516可以沿着多孔光吸收材料层508的顶表面510收集热量。流体流动路径的第二部分522的端部处的吸热流体516的温度可以因此大于流体流动路径的第一部分518的端部处的吸热流体516的温度，并且大于入口520处的吸热流体516的初始温度。
在流过流体流动路径的第二部分522之后，吸热流体516然后可以沿着第一流体路径的第三部分524流过多孔光吸收材料层508的厚度512。当其沿着流体路径的第三部分524流动时，吸热流体516可以从多孔光吸收材料层508内收集热量。流体流动路径的第三部分524的端部处的吸热流体516的温度可以因此大于流体流动路径的第二部分522的端部处的吸热流体516的温度，并且大于入口520处的吸热流体516的初始温度。
在流过流体流动路径的第三部分524之后，吸热流体516然后可以沿着流体路径的第四部分526、沿着多孔光吸收材料层508的底表面514流到出口522，在该出口522，吸热流体可以离开太阳能热单元500。吸热流体516可以从多孔光吸收材料层508的底表面514以及从当其沿着流体路径的第四部分526流动时其接触的任何其他部件例如绝缘层534收集热量。流体流动路径的第四部分526的端部处的吸热流体516的温度可以因此大于流体流动路径的第三部分524的端部处的吸热流体516的温度，并且大于入口520处的吸热流体516的初始温度。
太阳能热单元500还可以具有绝缘层534，其可以具有底部536和侧壁538。绝缘层534可以位于多孔光吸收材料层508下方并且与其间隔开。绝缘层534可以配置成提供形成流体路径的第四部分526的一部分的第一流动通道540。流体路径的第四部分526可以在多孔光吸收材料层508下方沿着第一流动通道540流到出口522。
此外，太阳能热单元500可以在玻璃层502和多孔光吸收材料层508之间具有至少一个间隙层，例如间隙层528。间隙层528可以是玻璃或不同合适的材料，并且可以由与玻璃层202相同的材料或不同的材料制成。间隙层528可以具有顶表面530和底表面532。间隙层528的顶表面530位于玻璃层502的内表面506下方并与其间隔开，并且间隙层528的底表面532位于多孔光吸收材料层508的顶表面510上方并与其间隔开。
在太阳能热单元500包括间隙层528的示例中，过渡部分520可以包括围绕间隙层528的端部542的第一流体路径中的转弯。如图5所示，玻璃层502具有长度并且间隙层528的长度小于玻璃层502的长度。间隙层528的较短长度在间隙层528的端部542与绝缘层534的侧壁538之间产生第一间隙544。过渡部分520的转弯可使吸热流体516重新定向在可达约180°的角度上，包括在约90°和约180°之间。间隙层528可以具有的宽度等于玻璃层502的宽度。在这样的示例中，流体路径的第一部分518在玻璃层502的内表面504和间隙层528的顶表面530之间沿着玻璃层502的内表面504从入口520延伸，并且流体路径的第二部分522在间隙层528的底表面532和多孔光吸收材料层508的顶表面510之间延伸。流体路径的第二部分522可以与间隙层528的底表面532接触，并且由此可以从第一间隙层528收集热量。
在太阳能热单元500包括第一间隙层528的示例中，当吸收流体沿着流体流动路径流动时，吸热流体还可以从间隙层528提取热量。例如，当吸热流体516沿着流体流动路径的第一部分518行进时，吸热流体516可以从第一玻璃层502的内表面506并且从第一间隙层528的顶表面530收集热量。此外，当其沿着流体流动路径的第二部分522行进时，吸热流体516可以沿着第一间隙层528的底表面532并且沿着多孔光吸收材料层508的顶表面510收集热量。如上所述，当吸热流体沿着从入口520到出口522的第一流体流动路径流动时，吸热流体516的温度梯度可以增加，并且出口522处的吸热流体的温度可以大于入口520处的吸热流体516的温度。
本技术的太阳能热单元600和700的另外的替代示例分别在图6和7中示出。
如图6所示，太阳能热单元600具有两个类似于上面参考图1-4所示和讨论的流体流动路径。然而，代替具有第二玻璃层，太阳能热单元600仅具有第一玻璃层602，其具有长度L并且延伸穿过两个流体流动路径的顶部。如图所示，太阳能热单元600具有第一玻璃层，该第一玻璃层具有外表面604和内表面606。第一玻璃层602的外表面604可暴露于环境空气。太阳能热单元600还具有第一多孔光吸收材料层608，其位于太阳能热单元600的第一侧上的第一玻璃层602下方并与之间隔开。第一多孔光吸收材料层608具有顶表面610、厚度612和底表面614。太阳能热单元600还具有第二多孔光吸收材料层616，其位于太阳能热单元600的第二侧上的第一玻璃层602下方并与之间隔开，其中第二侧与太阳能热单元600的第一侧相对。第二多孔光吸收材料层616具有顶表面618、厚度620和底表面622。太阳能热单元600还具有第一间隙层638和第二间隙层640。
吸热流体624通过气室628中的入口626进入太阳能热单元600，气室628将第一多孔光吸收材料层608与第二多孔光吸收材料层616分开。吸热流体624的第一部分(其可以是一半)沿着第一玻璃层的内表面606从入口626沿着第一流体流动路径630流动，然后通过第一多孔光吸收材料层608的厚度流到出口634。吸热流体624的第二部分(其也可以是一半)沿着第一玻璃层的内表面606从入口626沿着第二流体流动路径632流动，然后通过第二多孔光吸收材料层616的厚度流到出口634。
吸热流体624通过太阳能热单元600的流动与上述沿着太阳能热单元100的流体路径的流动相同或基本相同。然而，在太阳能热单元600中，气室盖636位于第一玻璃层602下方并且与之间隔开，其可以与第一和第二间隙层638和640平齐。如图所示，气室盖636可以包括一个或多个光伏电池。入口626可以配置成在第一流体路径和第二流体路径之间均匀地分开和引导流入的吸热流体624。入口626可以进一步配置成使得吸热流体进入气室盖636下方的气室，然后当其沿着每个流动路径分开时在气室盖636上方流动。这样的配置可以允许吸热流体624从气室盖636的下方和上方以及作为气室盖636的一部分的一个或多个PV板中的任何一个收集热量。
如图7所示，太阳能热单元700在结构和流动方面类似于太阳能热单元600。太阳能热单元700具有长度为L的第一玻璃层702并且延伸穿过两个流体流动路径的顶部。在该示例中，第一间隙层704和第二间隙层706中的每一个的第一端可以用作气室盖。此外，第一间隙层704和第二间隙层706中的每一个可包括一个或多个PV板。在该示例中，可以包括的PV板的面积大于其他示出的示例中的PV板的面积。吸热流体708可以通过入口710进入太阳能热单元700，入口710在作为气室盖的第一和第二间隙层704和706中的每一个的部分下方。然后，吸热流体可以沿着每个流体流动路径分开和流动，在流过第一和第二多孔光吸收材料层712和714到出口716之前，从第一间隙层704和第二间隙层706的PV板的顶部且然后从第一间隙层704和第二间隙层706的PV板的底部收集热量。在太阳能热单元700中，可能有利的是，用作气室盖的第一和第二间隙层704和706的厚度尽可能地减少，并且第一和第二多孔吸光材料层712和714的厚度增加。
图12-13示出了本技术的太阳能热单元1000的第五示例。太阳能热单元1000具有分流设计，其具有两个流体流动路径，右侧的第一流体流动路径和左侧的第二流体流动路径。应当理解，第二流体流动路径可以具有与第一流体流动路径相同的一组部件，并且可以是第一流体流动路径的镜像。与太阳能热单元100的流动路径相比，该设计的流动路径被改变，其中吸热流体首先流到单元的外边缘，然后沿着第一玻璃层的底表面朝向单元的中心流动。
所示的太阳能热单元1000包括第一玻璃层1002，其横跨第一流体流动路径2000和第二流体流动路径2002延伸。第一玻璃层1002具有外表面1004和内表面1006。第一玻璃层1002的外表面1004可以暴露于环境空气。
太阳能热单元1000的第一流体流动路径2000具有第一多孔光吸收材料层1008，其位于第一玻璃层1002下方并与其间隔开。第一多孔光吸收材料层1008具有顶表面1010、厚度1012和底表面1014。
太阳能热单元1000的第一流体流动路径2000还具有在第一玻璃层1002和第一多孔光吸收材料层1008之间的第一间隙层1016，第一间隙层1016具有顶表面1018和底表面1020。第一间隙层1016的顶表面1018位于第一玻璃层1002的内表面1006下方并与其间隔开，且第一间隙层1016的底表面1020位于第一多孔光吸收材料层1008的顶表面1010上方并与其间隔开。第一间隙层可包括PV板1022和第二玻璃层2024。
太阳能热单元1000的第二流体流动路径2002具有第二多孔光吸收材料层1044，其位于第一玻璃层1002下方并与其间隔开。第二多孔光吸收材料层1044具有顶表面1046、厚度1048和底表面1050。
太阳能热单元1000的第二流体流动路径2002还在第一玻璃层1002和第二多孔光吸收材料层1044之间具有第二间隙层1052，第二间隙层1052具有顶表面1054和底表面1056。第二间隙层1052的顶表面1054位于第一玻璃层1002的内表面1006下方并与其间隔开，并且第二间隙层1052的底表面1056位于第二多孔光吸收材料层1044的顶表面1046上方并与其间隔开。第二间隙层可包括PV板1058和第三玻璃层1060。另外，第一间隙层1016和第二间隙层1052可以间隔开以提供第一和第二流动路径的吸热流体可以通过的过渡部分1062。
太阳能热单元1000还包括入口气室1026，其具有内表面1028。入口气室具有入口1030，吸热流体1034通过该入口1030进入太阳能热单元1000，以及出口1032，吸热流体1034通过该出口1032离开太阳能热单元1000。太阳能热单元(包括入口1030)可以配置成均匀地分开吸热流体，使得吸热流体的前半部分沿第一流体流动路径2000流动，吸热流体的后半部分沿第二流体流动路径2002流动。通过在流动路径之间提供均匀分布来平衡流动可以减少或消除可能在第一玻璃层上发生的热点，这可以减少通过第一玻璃层的热量损失并提高效率。
太阳能热单元1000还包括在入口气室1026和第一多孔光吸收材料层1008之间的绝缘层1036。绝缘层具有顶表面1038和底表面1040。
太阳能热单元1000可包括保护壳体1042，其可围绕并包围至少一部分流体流动路径和形成流体流动路径的部件，包括入口气室1026。
吸热流体1034通过入口1030进入太阳能热单元1000，并被分开以沿第一流体流动路径和第二流体流动路径流动。
如图13所示，第一流体流动路径2000从入口1030流到右侧，在入口气室1026的内表面1028和绝缘层1036的底表面1040之间。进接下来，第一流体流动路径2000沿第一玻璃层1002的内表面1006流动。吸热流体从第一玻璃层1002的内表面1006以及从第一间隙层1016的顶表面1018吸收热量，包括作为其部件的任何PV板。因此，在沿第一玻璃层1002的内表面1006流动之后的吸热流体的温度大于入口1030处的吸热流体的温度。
接下来，第一流体流动路径2000流过第一过渡部分1062，其示出为间隔开的第一间隙层1016和第二间隙层1052之间的空间。在第一过渡部分1062处及其内部，在流动分开以沿着两个流体流动路径继续之前，第一流动路径的吸热流体可以与第二流动路径的吸热流体混合。第一过渡部分1062可以配置成连接第一和第二流动路径，然后分开第一和第二流动路径，使得吸热流体在两个流体流动路径之间均匀地分开。
接下来，第一流体流动路径2000沿着第一间隙层的底表面和第一多孔光吸收材料层1008的顶表面流动，然后通过第一多孔光吸收材料层1008的厚度1012流到出口1032。沿着第一流体流动路径2000流动的吸热流体1034从第一间隙层的底表面(包括作为其部件的任何PV板)和第一多孔光吸收材料层1008的顶表面吸收热量。沿第一流体流动路径2000流动的吸热流体也从第一多孔光吸收材料层1008的厚度内吸收热量。因此，在流过第一多孔光吸收材料层1008之后的吸热流体的温度可以大于入口1030处的吸热流体1034的温度。
第二流体流动路径2002从入口1030流到左侧，在入口气室1026的内表面1028和绝缘层1036的底表面1040之间。接下来，第二流体流动路径2002沿着第一玻璃层1002的内表面1006流动。吸热流体从第一玻璃层1002的内表面1006以及从第二间隙层1052的顶表面1054吸收热量。因此，沿第一玻璃层1002的内表面1006流动之后的吸热流体的温度大于入口1030处的吸热流体的温度。
接下来，第二流体流动路径2002流过第一过渡部分1062，在间隔开的第一间隙层1016和第二间隙层1052之间。在第一过渡部分1062处及其内部，第二流动路径的吸热流体可以在流动分开以沿着两个流体流动路径继续之前与第一流动路径的吸热流体混合。
接下来，第二流体流动路径2002沿着第二间隙层1052的底表面1056和第二多孔光吸收材料层1044的顶表面1046流动，然后通过第一多孔光吸收材料层1044的厚度1048流到出口1032。沿第二流体流动路径2002流动的吸热流体1034从第二间隙层1052的底表面1056和第一多孔光吸收材料层1044的顶表面1046吸收热量。沿第二流体流动路径2002流动的吸热流体也从第二多孔光吸收材料层1044的厚度1048内吸收热量。因此，流过第二多孔光吸收材料层1044之后的吸热流体的温度可以大于入口1030处的吸热流体1034的温度。
如上所述，吸热流体1034的温度梯度可随着吸热流体沿第一流体流动路径2000或第二流体流动路径从入口1030流向出口1032而增加，并且出口1032处的吸热流体的温度可以大于入口1030处的吸热流体1034的温度。
材料
以上关于图1-5描述的太阳能热单元的具体示例使用空气特别是环境空气作为吸热流体。环境空气通常含有气态成分的混合物，包括氧气和氮气。在替代示例中，可以使用其他吸热流体，其可以是气态或液态。其他吸热流体的一些非限制性示例包括水、氦、氩、水、蒸汽以及这些组分彼此或与其他组分的混合物。
用于本技术的太阳能热单元的玻璃层是透明层，其配置成允许太阳光通过玻璃层渗透到太阳能热单元中并进入多孔光吸收层。玻璃层可由任何合适的材料制成，包括例如：玻璃、丙烯酸、FEP、聚合物、多晶材料、任何前述物质的衍生物、或任何前述物质的组合。当使用玻璃时，玻璃可以是钠钙、不含铁或低铁玻璃。与具有停滞空气的典型太阳能热单元相比，玻璃层的红外(IR)不透明度在本技术的太阳能热单元中不那么重要，其中空气或其他吸热流体流过太阳能热单元。还可以对玻璃层进行表面处理或涂覆以促进透射和/或减少通过玻璃的辐射损失。
用于本技术的太阳能热单元的多孔热吸收层可以由吸收热量并且配置成用于吸收流体的流过的任何合适的材料制成，包括例如：金属、矿棉和热稳定聚合物。在一些示例中，多孔热吸收层可以由黑色材料制成，或者具有应用到其顶表面上的黑色涂层或选择性膜。本技术的多孔热吸收层可包括多个子层，其中每个子层捕获由整个多孔热吸收层吸收的热量的百分比。多孔热吸收层的每个子层的视角因子直接影响每层通过从顶表面到底表面的厚度捕获的热量的百分比。可能希望将多孔热吸收层配置成具有优化的热质量，其可以尽可能小，以减少多孔热吸收层达到所需温度所需的时间。还可能希望多孔热吸收层配置成使其具有非线性温度分布，如图8所示，其中太阳能热单元运行期间任何给定时间的温度在顶表面和初始层中较低，并且在下层中增加至底表面处或附近的最大值。
用于本技术的太阳能热单元的绝缘层可以由用于减少来自太阳能热单元的辐射热损失的任何适合的材料制成。
用于本技术的太阳能热单元的壳体可以由任何合适的材料制成，包括例如镀锌钢。
热传递和吸收
开发了计算模拟工具以解决描述太阳能热单元中的热传递的完整方程系统。对于系统中的每个部件，以迭代方式同时求解方程，直到解收敛。部件可以是太阳能单元中的一部分材料或载体流体的一部分。
通常，用于太阳日照的热传递等于任何给定部件的吸收率乘以入射的太阳日照。与部件的传热连通可以与另一部件、载体流体或环境表面和/或天空一起。在诸如太阳能热单元100的本技术的太阳能热单元的操作期间，热量可以分四个阶段传递到吸热流体：(1)来自玻璃层和流体路径118、160、518的第一部分中的任何间隙层的强制内部对流，(2)来自间隙层和流体路径140、164、522上的第二部分中的多孔热吸收层的顶表面的强制内部对流，(3)来自流体路径142、166、524上的第三部分中的多孔热吸收层的多孔流动对流，和(4)来自多孔热吸收层的底表面和流体路径144、168、526上的第四部分中的绝缘层的强制内部对流。
在流体路径的第一、第二和第四部分中，在强制对流下向吸热流体的热传递可以由两个平板之间的强制对流的等式控制：
等式1：
其中Q是传递功率(W)。Nu是无量纲Nusselt数(平行板约为8)。k的值是吸热流体的导热率(W/(mK))。A是流动通过的每个板的面积(m2)，例如第一玻璃层102和第一间隙层126、第二玻璃层146和第二间隙层170、玻璃层502和间隙层528，或多孔热吸收层的底表面和绝缘层的底部。TF是吸热流体的温度(C)。TM是材料的温度。分母th是两个板之间的厚度。
在流体路径142、166、524上的第三部分中，向吸热流体的热传递可以通过以下等式控制：
等式2：
其中NuPorous对于多孔材料约为100的量级，而AEff是材料的有效表面积(通常是材料体积的几百倍)，并且th是吸收器的厚度。
各个太阳能热部件之间的热传递可以通过对流或辐射发生。辐射可以由以下等式控制：
等式3：
其中Qrad是辐射功率，T1和T2是两个连通表面的温度，σ是Stefan-Boltzmann常数，ε1和ε2是两个表面的发射率。该等式可以包括视因子乘数，以考虑通过孔传输一些辐射的多孔材料，因此部件可以“透视”该部件以从另一部件拾取另外的辐射。
来自每个部件中的太阳能通量的热量可以由以下等式控制：
等式4：QFlux＝α*F*A
其中α是材料的吸收率，F是入射在该材料上的太阳能通量(W/m2，考虑到内部部件看到的通量等于总通量乘以上述部件的透射率)。
在确定系统如何运行时，还可以考虑本技术的太阳能热单元的辐射和对流热损失。向环境的辐射热传递可以使用与部件之间的辐射传递相同的等式。对流传热可以由以下等式控制：
等式5：
QAmb.conv.＝(5.7+3.8*WindVelocity)*A*(TSurface-TAmbient)
其中QAmb.Conv.是对流热量损失，WindVelocity是太阳能热单元附近的风速，Tsurface是太阳能热单元的相关表面的温度，Tambient是太阳能热单元附近的环境温度。
迭代解决方案开始于假设每个部件在等于环境温度的温度下开始。然后温度在时间上按如下等式推进：
等式6：
其中T是部件的温度，t是时间，m是部件的质量，Cp是部件的比热，Qcomponent是每个单独部件的热传递。选择时间步长使得T的变化与T的大小相比较小。然后用Tnew替换Told并且温度在时间上向前推进另一步。重复该过程，直到每个步骤的温度变化低于指定的“停止”标准，此时等式系统被认为已收敛并且最终的温度组是解决方案。
系统的效率可以定义为传递到载体流体的热能除以系统上的总太阳能日照，如下：
等式7：
其中是载体流体的质量流速。从太阳能通量吸收但未传递到载体流体的剩余能量通过从外表面(通常是顶部玻璃板和绝缘层外部)到周围环境的辐射和对流热传递而传回到环境。
上述等式系统描述了几乎任何太阳能热单元设计中的热传递。由于两个原因，本文描述的示例可以产生比传统太阳能热单元(例如平板单元)更高的效率。一个是多孔材料和载体流体之间的对流传热可以明显快于平板集合中的对流传热。第二个是多孔设计中的流动路径可以布线成使得从顶部玻璃板带走热量(其中大部分损失发生在环境中)并且确保太阳能热量中的较热部件在更多的内部位置，其中热量回流到环境更慢。
流体流动和压降
本技术的太阳能热单元的效率和功率使用可受到通过每个流体路径的吸热流体的流动和单元内的任何流体路径上的压降的影响。
最小化压降可以减少以期望的流速将吸热流体泵送通过系统所需的功率量。使用分流设计，比如图1-4中所示的示例，可以平衡单元上的压降，并且与仅具有单个流体路径的太阳能热单元相比将压降减半。
可以通过小心地容纳热太阳能单元的部件之间的空间来控制气流的均匀性，以控制压降。有三个等式可以控制沿着这里描述的流体路径的流动。系统的设计可以由以下等式控制：
用于设置玻璃之间的距离的Couette流(平行板之间的稳定流动)：
分别用于多孔热吸收层上方和下方、多孔热吸收层到玻璃或间隙层、多孔热吸收层到绝缘层底部的距离的改进的Couette流(考虑流出或进入多孔热吸收层的流动)。
通过多孔热吸收层的Darcy流，以确定多孔热吸收层的所需厚度。
用于流体动量的牛顿第二定律可用于确定沿着给定流体路径在入口、出口和过渡部分(由于流动转弯180度必须加倍)转弯流动90度所需的压降。
在这些等式中，ΔP是压降(Pa)，μ是流体的粘度(Pa*s)，L是截面的长度(m)，Q是流量(m3/s)，h是间隙厚度(m，如果它变化的话则是初始和最终)，w是截面的宽度(m)，t是多孔区域的厚度(m)，k是多孔热吸收层的扩散系数(m2/s)，ρ是流体的密度(kg/m^3)，υ是流体的速度(m/s)，A是流体通过的面积。
过渡部分的面积必须至少与玻璃和间隙层之间的横截面积一样大，以防止过渡部分处的大压降。
示例1
使用以下材料和参数制造具有上述关于太阳能热单元100和绝热气室盖的流动的本技术的太阳能热单元。
该系统包括分流设计，其中玻璃层和间隙层中的每个由无铁玻璃制成。绝缘层由聚异氰脲酸酯绝缘材料(R值6)构成。壳体是0.6毫米厚的镀锌钢。每个多孔热吸收层由1”厚的涂有黑色的矿棉制成，以使反射损失最小化。气室盖是聚异氰脲酸酯绝缘材料。总吸收面积约为2平方米。每个流动路径的玻璃和间隙层之间的间距设定为1/8英寸。每个间隙层的尺寸为36.5”长和47.5”宽，而每个玻璃层为38.5”长和47.5”宽。每个玻璃层在每侧上支撑约0.5”，每个过渡部分的间隙约为1.0”。每个间隙层和每个多孔热吸收层之间以及每个多孔热吸收层和绝缘层底部之间的距离约为1.25”。在已知的体积流速下通过仪表向鼓风机提供强制空气来校准太阳能热单元。测量在玻璃板上产生的压力。然后将该压力与DC风扇提供的流量相匹配。
在开始晴天并在最后一小时变多云的一天中在约5小时的时间内测试太阳能热单元。以立方英尺/分钟(CFM)为单位测量的流速每小时变化一次。具体地，第一小时的流速设定为40CFM，第二小时的流速设定为50CFM。每小时测量环境温度，也就是入口温度。结果如图9所示。系统的效率是根据日照随时间而确定的，并列于下表1中。
表1
流量(CFM) T<sub>in</sub>＝T<sub>amb</sub>(℃) 效率
40 17.5 45％
50 18.6 49％
示例2
使用以下材料和参数制造具有结合到气室盖中的PV板的本技术的太阳能热单元。
该系统包括分流设计，其中玻璃层和间隙层中的每个由无铁玻璃制成。绝缘层由聚异氰脲酸酯绝缘材料(R值6)构成。壳体是0.6毫米厚的镀锌钢。每个多孔热吸收层由1”厚的涂有黑色的矿棉制成，以使反射损失最小化。气室盖包括PV面板。PV板的尺寸为46.5”宽和17.4”长。每个玻璃层和每个间隙层之间的间距设定为1/8英寸。每个间隙层的尺寸为36.5”长和47.5”宽，而每个玻璃层为38.5”长和47.5”宽。每个玻璃层在每侧上支撑约0.5”，每个过渡部分的间隙约为1.0”。总吸收面积(不包括PV板的面积)约为2平方米。每个间隙层和每个多孔热吸收层之间以及每个多孔热吸收层和绝缘层底部之间的距离约为1.25”。在已知的体积流速下通过仪表向鼓风机提供强制空气来校准太阳能热单元。测量在玻璃板上产生的压力。然后将该压力与DC风扇提供的流量相匹配。
太阳能热单元安装在剪式千斤顶系统上，该剪式千斤顶系统允许太阳能热单元的定向通过旋转从0°到45°的一系列角度而改变。调节太阳能热单元所处的角度的能力是有利的，例如在一年中的不同时间或不同纬度的地理区域使用太阳能热单元时，允许太阳能热单元尽可能地直接朝向太阳定向。
示例3
下面的图14和表2提供了具有太阳能热单元100的设计(设计1)与太阳能热单元1000的逆流设计(设计2)的本技术的太阳能热单元的效率确定的结果。在图14中，左图显示了40cfm流速下的效率。右图显示了50cfm流速下的效率。每个图表的x轴是入口处的温度，以高于环境的度数表示。
使用以下等式计算效率：
其中使用第89段中的等式的分子计算热功率，并使用以下等式计算PV板产生的电功率：
Electrical Power＝Volts*Amps
另外，在测试期间直接从放置在面板上的日照强度计测量日照，并且面板面积等于2.92m2。
从图14和表2中可以看出，当入口处的温度等于环境温度(x轴上为0)时，在任一流速下每个设计的效率最高。还可以看出，逆流设计在整个测试温度范围内的两种流速下都提供了更高的效率。
表2：各种操作条件下的设计效率
设计 流量(CFM) T入口-T环境(deg.C) 效率
1 40 0 45％
1 40 15 36％
1 50 0 49％
1 50 15 41％
2 40 0 49％
2 40 15 42％
2 50 0 52％
2 50 15 43％
应用
本技术的太阳能热单元可用于许多应用，包括住宅、商业和工业应用。例如，本技术的太阳能热单元可以用于空气和/或水的住宅加热，并且可以安装在住宅建筑物的屋顶上或住宅建筑物附近的地面上。作为另一示例，本技术的太阳能热单元可以用于需要加热空气或任何其他吸热流体的任何商业或工业应用中。在至少一个示例中，本技术的太阳能热单元可以用作用于从空气产生液态水的系统中的热单元，例如在2015年4月10日提交的美国临时专利申请序列号62/145995中描述的系统，其全部内容通过引用并入本文。
图10中示出了本技术的太阳能热单元可用作用于从空气产生液态水的系统中的热单元的一个示例。图10的系统800可配置为响应于昼夜变化而起作用。例如，如下面更详细描述，系统800可以配置为基于一个或多个昼夜变化(例如环境空气温度的变化、环境空气相对湿度、日照等)来控制一个或多个操作参数(例如控制和/或受控变量)。
系统800可包括干燥剂单元802。干燥剂单元802可包括干燥剂(例如吸附介质)804，其中干燥剂单元802(例如或其一部分)可选择性地(例如和/或替代地)可在吸附区806之间移动，其中干燥剂与处理空气路径(例如处理气流路径)810和解吸区808流体连通，其中干燥剂与(例如闭环)再生流体路径(例如再生流体路径)812流体连通。在一些实施例中，吸附和解吸区可以由干燥剂单元802的壳体(例如814)限定。
干燥剂单元802可以以连续或非批量方式操作，使得干燥剂单元802配置成同时或基本上同时吸附水并解吸水。例如，系统800可以配置成使得干燥剂单元804的第一部分可以设置在吸附区806内(例如使得第一部分可以从处理空气路径810中的处理空气捕获水)，其中干燥剂的第二部分同时设置在解吸区内(例如使得第二部分可以将水解吸到再生流体路径812中的再生流体中)。适用于本系统的一些实施例的再生流体可包括但不限于空气(例如包括任何合适量的水蒸气)、超饱和或高相对湿度气体(例如90-100％相对湿度)、二醇、离子液体等。
干燥剂单元802可包括吸湿材料(例如干燥剂或吸附介质804)，其配置成在处理空气路径810和再生流体路径812之间连续交替。在一些实施例中，干燥剂或吸附介质可能能够将水快速解吸回到低相对湿度空气中(例如以再生干燥剂)。因此，在一些实施例中，干燥剂或吸附介质的性能可以由通过吸附状态和解吸状态的快速循环的能力来驱动。
干燥剂804可包括任何合适配置的任何合适的介质(例如使得干燥剂或吸附介质能够吸附和解吸水)。在一些实施例中，干燥剂或吸附介质能够在第一温度和/或压力下吸附并在第二温度和/或压力下解吸。合适的干燥剂或吸附介质可包括液体、固体和/或其组合。在一些实施例中，干燥剂或吸附介质可包括浸渍有吸湿性材料的任何合适的多孔固体。例如，干燥剂单元804可包括二氧化硅、硅胶、氧化铝、氧化铝凝胶、蒙脱石粘土、沸石、分子筛、活性炭、金属氧化物、锂盐、钙盐、钾盐、钠盐、镁盐、磷酸盐、有机盐、金属盐、甘油、二醇、亲水聚合物、多元醇、聚丙烯纤维、纤维素纤维、其衍生物以及它们的组合。在一些实施例中，可以选择和/或配置干燥剂或吸附介质以避免某些分子(例如当人类食用时可能有毒的分子)的吸附。
在一些实施例中，干燥剂颗粒可以填充在浅床中以使与吸附区806和解吸区808内的空气或流体相互作用的表面积最大化。在一些实施例中，干燥剂颗粒可以通过粘合剂附聚。在一些实施例中，干燥剂颗粒可以染成黑色(例如以改善热辐射的吸收)。在一些实施例中，干燥剂颗粒可以与热辐射吸收材料混合和/或组合。
系统800可包括一个或多个鼓风机816和/或一个或多个循环器818。例如，在该实施例中，鼓风机816设置在处理空气路径810中并且配置成调节通过该处理空气路径的空气的流速。在该实施例中，循环器818设置在再生流体路径812中并且配置成调节通过再生流体路径的流体的流速。在一些实施例中，鼓风机816和/或循环器818可由控制器820控制(例如控制鼓风机816和/或循环器818的速度以优化液态水产生)。在一些实施例中，鼓风机816和/或循环器818可以配置成分别基本上保持通过处理空气路径810和/或再生流体路径812的预定流速。
系统800可包括热单元822，其配置成向再生流体路径812中的流体提供热能(例如使得干燥剂单元804可以再生)。热单元822可以是本技术的太阳能热单元，其中来自出口122、522(如图1和5所示)的吸热流体116、516(如图3和5所示)沿着再生流体路径812从热单元822行进到干燥剂单元804。
系统800可包括冷凝器824，其配置成经由再生流体路径从解吸区接收流体并从接收的流体产生液态水(例如通过冷凝再生流体路径中的流体中的水蒸气)。冷凝器824可包括任何合适的材料，并且可具有任何合适的构造(例如以将再生流体中的水蒸气冷凝成液态水)。例如，合适的冷凝器可包括聚合物、金属等。冷凝器可以布置成包括线圈、散热片、板、曲折通道等。冷凝器80可以配置成将热能从干燥剂单元804下游的再生流体路径812中的流体传递到干燥剂单元804上游的处理空气路径810中的空气(例如使得处理空气路径810中的空气可以促进冷凝器824的冷却)。在一些实施例中，冷凝器824可以通过环境空气冷却。
系统800可包括水收集单元826，其配置成接收由冷凝器824产生的液态水。由冷凝器产生的液态水可通过重力提供给水收集单元826；然而，在其他实施例中，可以辅助液态水从冷凝器到水收集单元的流动(例如通过一个或多个泵、任何其他合适的输送机构等)。
系统800可包括过滤器828(例如过滤膜)，其可定位在冷凝器824和水收集单元826之间(例如以减少杂质的量，例如沙子、细菌、纤维状物质、含碳物质等，其可存在于由冷凝器824产生的液态水中)。
水收集单元826(例如或其过滤器828)可包括紫外(UV)光源(例如用于消毒由冷凝器826产生的水)。在一些实施例中，合适的光源可以包括发光二极管(LED)，其具有例如：低于400纳米(nm)(例如385nm、365nm等)的波长、低于300nm(例如265nm)的波长等。
水收集单元826可包括一个或多个水位传感器(例如图11的902)。这种水位传感器可以包括电导传感器(例如开路和/或闭路电阻型传导传感器)，其可以通过0.1msiemens/cm范围内的水的电导率测量来操作。
水收集单元826可包括容器830，其配置成接收一种或多种添加剂用于引入所产生的液态水。这些添加剂可以配置成缓慢溶解到储存在水收集单元中的液态水中。添加剂可包括但不限于矿物质、盐、其他化合物等。在一些实施例中，添加剂可赋予所产生的液态水味道。例如，添加剂可包括钾盐、镁盐、钙盐、氟化物盐、碳酸盐、铁盐、氯化物盐、二氧化硅、石灰石和/或其组合。
系统800可以包括指示器(例如灯，比如LED)，其可以配置为提供关于系统操作的信息。例如，在一些实施例中，指示灯可以配置为提供以下信息(例如在视觉上向用户)：系统正在运行、太阳能功率(例如来自功率单元904)可用、空气过滤器(例如在处理空气路径810内)可能需要改变、水收集单元(例如826)已满(例如在一些实施例中，水收集单元包含20L的液态水)、致动器(例如致动器906、鼓风机816、循环器818等)已经发生故障和/或失效、远程信息处理错误(例如如由收发器908操作所示)已经和/或正在发生等。如下所述，可以通过通信网络(例如单独和/或除了任何指示器的操作之外)发送任何合适的信息(包括上面参考指示器描述的信息)。
控制器(例如处理器)820可以控制干燥剂单元804(或其一部分)暴露于处理空气路径810中的空气和再生流体路径812中的再生流体(例如以增加和/或优化最终由冷凝器824产生的液态水)，并且这种控制可以在昼夜循环中变化(例如响应于昼夜变化)。环境条件的这种变化(例如输入控制器820)可以包括例如环境空气温度、环境空气相对湿度和太阳日照。控制器820的其他输入可以包括例如由热单元822产生的热能量、处理空气路径810中的空气的相对湿度、再生流体路径812中的流体的相对湿度、干燥剂单元804和热单元822之间的再生流体路径中的流体的温度、水产生的速率等。在包括吹扫气流路径的实施例中，到控制器820的输入可以包括吹扫气流路径中的空气的流速、温度、相对湿度等。控制器820可以配置成通过基于一个或多个这样的输入的测量控制干燥剂单元804在吸附区和解吸区之间移动的速率、控制鼓风机816和/或循环器818的速度等来优化液态水产生(例如使得控制器820可以基于当前的环境和系统条件来优化液态水产生)。如下面更详细描述，可以测量到控制器820的输入，因为它们在由一个或多个传感器捕获的数据中指示。
图11是用于从空气产生液态水的系统的实施例900的图。系统900可以与系统800基本类似，具有下面描述的主要差异和/或添加。否则，系统900可以包括关于系统800描述的任何和/或所有特征。
在系统900中，与系统800一样，干燥剂804(或其第一部分)可与处理空气路径810中的处理空气流体连通，而干燥剂804(或其第二部分)同时与再生流体路径812中的再生流体流体连通，因此干燥剂单元802以连续且非批量的方式操作。在该实施例中，干燥剂804的部分可以以交替的方式暴露于处理空气路径810中的空气和再生流体路径812中的流体。
系统900可包括可旋转盘910(例如其上设置有干燥剂804)。干燥剂804(或其部分)可以配置成在盘910旋转时在吸附区和解吸区之间移动。例如，在所描绘的盘910的取向中，干燥剂的一部分912与处理空气路径810连通，且盘的一部分914与再生流体路径812连通。系统900可包括致动器(例如电动机)906，其配置成引起盘910的旋转。控制器820可以配置成至少通过控制吸附区和解吸区之间的干燥剂804(例如盘910)的移动(例如通过控制致动器906)来优化液态水产生。在其他实施例中，致动器906可以以预定的旋转速率旋转盘910。
系统900可以包括太阳能功率单元904，其配置为向系统900的至少一部分(例如鼓风机42、循环器46、致动器114等)提供功率。太阳能功率单元904可以配置成将太阳能日照转换成电功率(例如太阳能功率单元904包括太阳能板)。例如，太阳能功率单元904可被提供为光伏(PV)太阳能板，其包括表现出光伏效应的半导体材料。在这些和类似的实施例中，控制器820可以配置为响应于太阳能日照的昼夜变化(例如太阳能功率单元904产生的电功率量)来控制系统900。在一些示例中，太阳能功率单元904可以是PV板190(如图1-2所示)。
用于从空气产生液态水的系统本质上可以是模块化的。例如，系统可以配置成使得每个部件(例如太阳能功率单元904、热单元822、干燥剂单元802、冷凝器824、水收集单元826等)可以彼此分离、运输、组装和/或彼此重新组装(例如以相同或不同的配置)等。例如，在一些实施例中，系统可以配置为使得没有任何单个部件的尺寸(例如水收集单元826、干燥剂单元802、太阳能功率单元904、热单元822、冷凝器824等)大于6到8英尺(例如为了便于系统或其部件的运输，例如在单个驾驶室卡车床中，例如丰田Hilux皮卡车的床)(例如每个部件占有的空间小于或等于64平方英尺(ft2)和/或每个部件可以包含在小于或等于512立方英尺(ft3)的立方体积内)。
控制器820可以配置成控制鼓风机826、循环器828、致动器906等中的一个或多个(例如以优化液态水产生，其中这种控制可以响应于昼夜变化，例如在环境温度、环境空气相对湿度、太阳能日照等方面)。例如，控制器820可以配置成例如考虑到昼夜变化而通过控制鼓风机826、循环器828、致动器906等来增加液态水产生的速率。这种变化可以改变由热单元822产生的热能的量、由太阳能功率单元904提供的电功率水平、进入系统的处理空气中的湿度水平等。在一些实施例中，可以实时测量环境条件，或者可以基于例如历史平均值等来预测环境条件。在控制器820接收实时测量的实施例中，各种传感器(下面更详细地描述)可以向控制器820提供指示环境条件的数据(例如当控制器820等请求时，连续地、周期性地)。
控制器820可以基于以下中的一个或多个来操作系统：用户选择、从一个或多个传感器接收的数据、程序控制，和/或通过任何其他合适的基础。例如，控制器820可以与用于感测数据信息的外围设备(包括传感器)、用于存储数据信息的数据收集部件和/或用于传送与系统的操作有关的数据信息的通信部件相关。
系统900可包括一个或多个外围设备，比如传感器902和916-922(例如温度传感器916、湿度传感器918、太阳能日照传感器920、流速传感器922、水位传感器902等)。在一些实施例中，一个或多个传感器可提供指示环境空气温度、环境空气相对湿度、太阳能日照、处理空气温度、再生流体温度、处理空气相对湿度、再生流体相对湿度、处理空气流速、再生流体流速、液态水产生率、水使用率等的数据。
一个或多个传感器902和916-922可以远离系统的其他部件定位，并且可以经由有线和/或无线连接将捕获的数据提供给系统的其他部件。例如，城镇、村庄、城市等可以包括多个本系统，并且多个本系统中的一个可以将指示周围环境条件(例如空气温度、空气相对湿度、太阳能日照水平等)的数据提供给多个本系统中的另一个。以这种方式，在一些实施例中，单个传感器可以由多个系统共享。在一些实施例中，由一个或多个外围设备(例如一个或多个传感器902或916-922)传送到控制器(例如820)的数据可以存储在数据记录单元中。
系统900可以包括远程信息处理单元(例如发射器、接收器、应答器、变换器、中继器、收发器等，这里有时称为“收发器908”)。例如，收发器908可以配置为经由有线和/或无线接口(例如其可以符合标准化通信协议，例如GSM、以相对低的速率操作(例如每隔几分钟操作)的SMS部件、可以在地理上指定的协议等)将数据传送到系统(例如控制器820)和/或从其传送数据。
收发器908可以与服务器和通信网络相关，用于在服务器和收发器(例如以及因此系统和/或其控制器820)之间传送信息。系统的蜂窝范围内的蜂窝塔可以促进双向通信。在一些实施例中，数据库(例如可以远离系统的数据库)可以配置为存储通过通信网络从服务器接收的信息。
在具有远程信息处理能力的实施例中，网络管理员或设备所有者可以向控制器820发送命令以更新或删除查找表数据(下面描述)和/或控制算法。以这种方式，例如在系统被盗或以其他方式丢失的情况下，可以维持数据安全性。
控制器820可以配置为至少基于环境条件的实时和/或预测变化来改变系统900的操作。例如，控制器820可以响应于环境条件的变化(例如通过改变盘910的旋转速度，使得设置在其上的干燥剂804的一部分暴露于处理空气路径810中的处理空气或再生流体路径812中的再生流体的时间可以增加或减少)来控制干燥剂804(例如或其部分)的暴露以处理空气和再生流体。在一些实施例中，控制器820可以配置成改变吸附区或解吸区的大小(例如响应于昼夜变化)。
从前述内容可以理解，尽管为了说明的目的在本文中描述了特定示例，但是在不脱离本公开的范围的情况下可以进行各种修改。因此，前面的详细描述旨在被认为是说明性的而不是限制性的，并且应该理解，以下权利要求(包括所有等同物)旨在特别指出并清楚地要求所要求保护的主题。

Claims (19)

1.一种太阳能热单元，包括：
第一玻璃层，具有外表面和内表面；
第一多孔光吸收材料层，位于第一玻璃层下方并与之间隔开，第一多孔光吸收材料层具有顶表面、厚度和底表面；
第一流体流动路径，其沿着第一玻璃层的内表面流动，然后通过第一多孔光吸收材料层的厚度流到出口；以及
沿第一流体流动路径流动的吸热流体，其中，所述吸热流体配置成从第一玻璃层的内表面并且从多孔光吸收材料层收集热量。
2.根据权利要求1所述的太阳能热单元，还包括：
所述第一玻璃层和第一多孔光吸收材料层之间的第一间隙层，所述第一间隙层包括顶表面和底表面，其中，所述第一间隙层的顶表面位于第一玻璃层的内表面下方并与之间隔开，并且所述第一间隙层的底表面位于第一多孔光吸收材料层的顶表面上方并与之间隔开；
其中，所述第一流体流动路径在第一玻璃层的内表面和间隙层的顶表面之间沿着第一玻璃层的内表面流动，然后在间隙层的底表面和第一多孔光吸收材料层的顶表面之间流动并通过第一多孔光吸收材料层的厚度流到出口。
3.根据权利要求1所述的太阳能热单元，其中，所述第一间隙层包括玻璃。
4.根据权利要求1所述的太阳能热单元，其中，所述第一间隙层包括PV板和玻璃。
5.根据权利要求1所述的太阳能热单元，还包括绝缘层，其位于第一多孔光吸收材料层下方并与之间隔开，所述绝缘层配置为提供第一流动通道，所述第一流体流动路径沿着该第一流动通道流到出口。
6.根据权利要求1所述的太阳能热单元，其中，所述绝缘层包括底部和侧壁，并且所述太阳能热单元还包括由第一密封流动室，其由第一玻璃层、绝缘层的底部和包围第一流体流动路径的绝缘层的侧壁界定。
7.根据权利要求1所述的太阳能热单元，还包括：
第二玻璃层，具有外表面和内表面；
第二多孔光吸收材料层，位于第二玻璃层下方并与之间隔开，第二多孔光吸收材料层具有顶表面、厚度和底表面；以及
第二流体流动路径，其沿着第二玻璃层的内表面流动，然后通过第二多孔光吸收材料层的厚度流到出口。
8.根据权利要求7所述的太阳能热单元，还包括：
所述第二玻璃层和第二多孔光吸收材料层之间的第二间隙层，所述第二间隙层包括顶表面和底表面，其中，所述第二间隙层的顶表面位于第二玻璃层的内表面下方并与之间隔开，并且所述第二间隙层的底表面位于第二多孔光吸收材料层的顶表面上方并与之间隔开；
其中，所述第二流体流动路径在第二玻璃层的内表面和间隙层的顶表面之间沿着第二玻璃层的内表面流动，然后在间隙层的底表面和第二多孔光吸收材料层的顶表面之间流动并通过第二多孔光吸收材料层的厚度流到出口。
9.根据权利要求7所述的太阳能热单元，其中，所述第二间隙层包括PV板和玻璃。
10.根据权利要求7所述的太阳能热单元，其中，所述绝缘层位于第二多孔光吸收材料层下方并与之间隔开，所述绝缘层配置为提供第二流动通道，所述第二流体流动路径沿着该第二流动通道流到出口。
11.根据权利要求7所述的太阳能热单元，还包括第二密封流动室，其由第二玻璃层、绝缘层的底部和包围第二流体流动路径的绝缘层的侧壁界定。
12.根据权利要求7所述的太阳能热单元，其中，所述太阳能热单元配置为在所述第一流体流动路径和第二流体流动路径之间均匀地分开和引导流入的吸热流体。
13.根据权利要求7所述的太阳能热单元，其中，所述气室还包括气室盖和在气室盖下方的上气室，所述气室盖包括PV板。
14.根据权利要求13所述的太阳能热单元，其中，所述吸热流体通过入口进入所述上气室，并且在沿着所述第一流动路径或第二流动路径继续之前从所述光伏板收集热量。
15.一种太阳能热单元，包括：
第一玻璃层，具有外表面和内表面；
第一多孔光吸收材料层，位于第一玻璃层下方并与之间隔开，第一多孔光吸收材料层具有顶表面、厚度和底表面；
所述第一玻璃层和第一多孔光吸收材料层之间的第一间隙层，所述第一间隙层包括顶表面和底表面，其中，所述第一间隙层的顶表面位于第一玻璃层的内表面下方并与之间隔开，并且所述第一间隙层的底表面位于第一多孔光吸收材料层的顶表面上方并与之间隔开；
第一流体流动路径，其沿着第一玻璃层的内表面流动，然后通过第一多孔光吸收材料层的厚度流到出口；以及
吸热流体，其沿着所述第一流体流动路径流动。
16.根据权利要求15所述的太阳能热单元，其中，所述第一间隙层包括PV板和第二玻璃层。
17.根据权利要求15所述的太阳能热单元，还包括：
入口气室，包括内表面、入口和出口；以及
在所述入口气室和第一多孔光吸收材料层之间的绝缘层，所述绝缘层具有顶表面和底表面。
18.根据权利要求17所述的太阳能热单元，其中，在沿着第一玻璃层的内表面流动之前，所述第一流体流动路径在所述入口气室的内表面和所述绝缘层的底表面之间从所述入口流动，然后通过第一多孔光吸收材料层的厚度流到出口。
19.根据权利要求15所述的太阳能热单元，还包括：
第二多孔光吸收材料层，位于第一玻璃层下方并与之间隔开，第二多孔光吸收材料层具有顶表面、厚度和底表面；
所述第一玻璃层和第二多孔光吸收材料层之间的第二间隙层，所述第二间隙层包括顶表面和底表面，其中，所述第二间隙层的顶表面位于第一玻璃层的内表面下方并与之间隔开，并且所述第二间隙层的底表面位于第二多孔光吸收材料层的顶表面上方并与之间隔开；和
第二流体流动路径，其沿着第一玻璃层的内表面流动，然后通过第二多孔光吸收材料层的厚度流到出口；以及
入口，其配置成将吸热流体分开以沿所述第一流体流动路径和第二流体流动路径流动。
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