TWI718284B - 太陽能加熱單元 - Google Patents

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TWI718284B
TWI718284B TW106111605A TW106111605A TWI718284B TW I718284 B TWI718284 B TW I718284B TW 106111605 A TW106111605 A TW 106111605A TW 106111605 A TW106111605 A TW 106111605A TW I718284 B TWI718284 B TW I718284B
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寇迪 福雷森
麥可 羅賓森
葛蘭特 福雷森
席斯 羅賽爾
賈斯汀 薩恰里 貝桑特
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美商零質量純水股份有限公司
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Abstract

本發明提供用於將太陽日照轉換成熱能之太陽能加熱單元及操作太陽能加熱單元之方法。在一些實例中，太陽能加熱單元具有入口，及使熱吸收流體沿第一流體流動路徑及第二流體流動路徑達至該太陽能加熱單元之任一側的分流。視情況，可設置一或多個光伏打板作為該太陽能加熱單元之一部分，該一或多個光伏打板可將太陽日照轉換成可由連接至該太陽能加熱單元之系統使用的電力。

Description

太陽能加熱單元
本發明技術提供太陽能加熱單元及操作太陽能加熱單元之方法。本發明技術之太陽能加熱單元經組態以將太陽日照轉換成熱能。
相關申請案之交叉參考 本申請案係基於且要求2016年4月7日申請之美國臨時申請案第62/319,721號之申請日的優先權。此申請案之全部內容以其全文引用的方式併入本文中。 術語「包含(comprise)」 (及包含之任何形式，諸如「包含(comprises)」及「包含(comprising)」)、「具有(have)」 (及具有之任何形式，諸如「具有(has)」及「具有(having)」)、「包括(include)」 (及包括之任何形式，諸如「包括(includes)」及「包括(including)」)以及「含有(contain)」 (及含有之任何形式，諸如「含有(contains)」及「含有(containing)」)為開放式連系動詞。因此，「包含」、「具有」、「包括」或「含有」一或多個元件之裝置擁有彼等一或多個元件，但不限於僅擁有彼等元件。同樣地，「包含」、「具有」、「包括」或「含有」一或多個步驟之方法擁有彼等一或多個步驟，但不限於僅擁有彼等一或多個步驟。 該等裝置、系統及方法中之任一者之任一實施例可由所描述之步驟、元件及/或特徵中之任一者構成或基本上由其組成，而非包含/包括/含有/具有所描述之步驟、元件及/或特徵中之任一者。因此，在申請專利範圍中之任一者中，術語「由...構成」或「基本由…構成」可經上文所敍述之開放式連系動詞中之任一者取代，以便改變將另外使用開放式連系動詞的給定申請專利範圍之範疇。 除非藉由本發明或實施例之性質明確地禁止，否則即使未描述或說明，一個實施例之一或多個特徵可應用於其他實施例。 與上文所描述之實施例相關的一些細節及其他描述於下文中。 本發明技術之太陽能加熱單元藉由將來自日光之能量傳遞至流動穿過太陽能加熱單元之熱吸收流體而將太陽日照轉換成熱能。在至少一些實例中，本發明技術之太陽能加熱單元可經組態以使得溫度在熱吸收流體沿任一流動路徑自入口流動至出口的方向上沿太陽能加熱單元之深度梯度增加。此可使得熱基本上被系統之上部層(諸如，與環境空氣接觸之玻璃層)擷取或經導引遠離系統之上部層，從而使此類層保持相對較冷。相比之下，習知的太陽能加熱單元傾向於具有極熱之外表面。太陽能加熱單元之組態亦可使得來自太陽日照之熱被導引至該單元之最絕熱區域且保持在該區域中，從而降低來自該單元之輻射損耗。 本發明進一步提供用於藉由經整合太陽能加熱及光伏打轉換器件產生能量及/或水之裝置及方法。僅藉助於實例，本發明已應用於太陽能模組及水生成器件，但將認識到本發明具有非常廣泛範圍之適用性。 圖1至圖4說明本發明技術之太陽能加熱單元100之一個實例。太陽能加熱單元100具有分流設計，該分流設計具有兩個流體流動路徑。 相對於第一流體流動路徑，在太陽能加熱單元100之右手側上，存在具有外表面104及內表面106之第一玻璃層102。第一玻璃層102之外表面104可暴露於環境空氣。太陽能加熱單元100之第一流體流動路徑亦具有在第一玻璃層102下方且與其間隔開之第一多孔光吸收材料層108。第一多孔光吸收材料層108具有頂表面110、厚度112及底表面114。熱吸收流體116或其部分可沿第一流體流動路徑自入口120至出口122流動穿過太陽能加熱單元100。 如所展示，第一玻璃層102及第一多孔光吸收材料層108各自具有相同寬度W及長度L1 。在替代性實例中，包括如圖6及圖7中所展示之彼等，第一玻璃層可具有大於第一多孔光吸收材料層108之長度L1 且可跨越兩個流體流動路徑之長度延伸的長度L。 當熱吸收流體116經由入口120進入太陽能加熱單元100時，該熱吸收流體可具有初始溫度，視應用而定，該初始溫度可等於或可不等於在太陽能加熱單元100外部之環境空氣的溫度。在經由入口120進入太陽能加熱單元100之後，熱吸收流體116之至少部分可沿第一流體流動路徑之第一部分118流動，該第一流體流動路徑之第一部分自入口120沿第一玻璃層102之內表面106延伸。當熱吸收流體116沿第一流體流動路徑之第一部分118流動時，該熱吸收流體可沿第一玻璃層102之內表面106之整個長度L1 流動。 沿第一流體流動路徑之第一部分118的熱吸收流體116之流動路徑可受入口120之結構化幾何結構及/或整個太陽能加熱單元100控制。舉例而言，入口120可包括一或多個噴嘴，熱吸收流體116經由該等噴嘴流入至太陽能加熱單元100中。當該熱吸收流體沿第一流體流動路徑之第一部分118流動時，該一或多個噴嘴可控制熱吸收流體116之流速及方向。替代地，太陽能加熱單元100可包括至少一個如下文所描述之間隙層。 此外，在第一流體流動路徑之第一部分118內，熱吸收流體116可均勻地分佈在第一玻璃層102之內表面106之整個寬度W中。當熱吸收流體116沿第一流體流動路徑之第一部分118行進時，該熱吸收流體可收集來自沿第一玻璃層102之內表面106的熱。因此，在第一流體流動路徑之第一部分118末端處之熱吸收流體116之溫度可大於在入口120處之熱吸收流體116之初始溫度。溫度增加之量可視若干因素而定，該等因素包括日照量、環境溫度及入口溫度。 在流動穿過第一流體流動路徑之第一部分118之後，熱吸收流體116可接著流動穿過第一過渡區138且接著沿第一流體流動路徑之第二部分140流動。第一流體流動路徑之第二部分140沿多孔光吸收材料層108之頂表面110延伸。當該熱吸收流體116沿第一流體流動路徑之第二部分140流動時，該熱吸收流體之至少一部分可沿多孔光吸收材料層108之頂表面110之整個長度L1 流動。此外，在第一流體流動路徑之第二部分140內，熱吸收流體116可均勻地分佈在多孔光吸收材料層108之頂表面110之整個寬度W中。當熱吸收流體116沿第一流體流動路徑之第二部分140行進時，該熱吸收流體可收集來自沿多孔光吸收材料層108之頂表面110的熱。因此，在第一流體流動路徑之第二部分140之末端處之熱吸收流體116之溫度可大於在第一流體流動路徑之第一部分118之末端處之熱吸收流體116之溫度，且大於在入口120處之熱吸收流體116之初始溫度。 在流動穿過第一流體流動路徑之第二部分140之後，熱吸收流體116可接著沿第一流體路徑之第三部分142流動，該第一流體路徑之第三部分穿過多孔光吸收材料層108之厚度112。當熱吸收流體116沿第一流體路徑之第三部分142流動時，該熱吸收流體可收集來自第一多孔光吸收材料層108內之熱。因此，在第一流體流動路徑之第三部分142之末端處之熱吸收流體116之溫度可大於在第一流體流動路徑之第二部分140之末端處之熱吸收流體116之溫度，且大於在入口120處之熱吸收流體116之初始溫度。 在流動穿過第一流體流動路徑之第三部分142之後，熱吸收流體116可接著沿第一流體路徑之第四部分144、沿多孔光吸收材料層108之底表面114流動至出口122，在該出口處熱吸收流體可離開太陽能加熱單元100。熱吸收流體116可收集來自多孔光吸收材料層108之底表面114的熱，熱吸收流體116可收集來自第一多孔光吸收材料層108之底表面114，以及來自在其沿第一流體路徑之第四部分144流動時其接觸的任何其他組件(諸如，絕熱層130)的熱。因此，在第一流體流動路徑之第四部分144之末端處之熱吸收流體116之溫度可大於在第一流體流動路徑之第三部分142之末端處之熱吸收流體116之溫度，且大於在入口120處之熱吸收流體116之初始溫度。 太陽能加熱單元100亦可具有絕熱層130，該絕熱層可至少具有底部132及側壁134。側壁134可圍繞太陽能加熱單元100之整個周界延伸。絕熱層130可在第一多孔光吸收材料層108下方且與其間隔開。絕熱層130可經組態以提供形成第一流體路徑之第四部分144之部分的第一流動通道136。該第一流體路徑之第四部分144可沿在多孔光吸收材料層108下方之第一流動通道136流動至出口122。 另外，相對於第一流體流動路徑118，太陽能加熱單元100可具有在第一玻璃層102與第一多孔光吸收材料層108之間的一或多個間隙層，諸如第一間隙層124。間隙層124可促進與第一玻璃層102之流動相互作用且使得自第一玻璃層102之擷取熱增加。如所說明，第一間隙層124可為玻璃，且可由與第一玻璃層102相同的材料或不同的材料組成，/或可包括一或多個光伏打(PV)板。第一間隙層124可具有頂表面126及底表面128。第一間隙層124之頂表面126在第一玻璃層102之內表面106下方且與其間隔開，且第一間隙層124之底表面128在第一多孔光吸收材料層108之頂表面110上方且與其間隔開。 在太陽能加熱單元100包括第一間隙層124之實例中，第一過渡區138可包括在圍繞第一間隙層124之末端192的第一流體路徑中的一轉彎。如圖3及圖4中所說明，第一玻璃層102具有長度L1 ，且第一間隙層124具有小於第一玻璃層102之長度的長度。第一間隙層124之較短長度在第一間隙層124之末端192與絕熱層130之側壁134之間形成第一間隙194。第一過渡區138之轉彎可經一角度再導引熱吸收流體116，該角度可高至約180°，包括在約90°與約180°之間。第一間隙層124可具有等於第一玻璃層102之寬度W的寬度。在此實例中，第一流體路徑之第一部分118自入口120沿在第一玻璃層102之內表面104與第一間隙層124之頂表面126之間的第一玻璃層102之內表面104延伸，且第一流體路徑之第二部分140在第一間隙層124之底表面128與第一多孔光吸收材料層108之頂表面110之間延伸。第一流體路徑之第二部分140可與第一間隙層124之底表面128接觸，且可由此收集來自第一間隙層124之熱。 在太陽能加熱單元100包括第一間隙層124之實例中，熱吸收流體亦可在其沿第一流體流動路徑流動時自間隙層124擷取熱。舉例而言，在熱吸收流體116沿第一流體流動路徑之第一部分118行進時，熱吸收流體116可收集來自沿第一玻璃層102之內表面106及來自第一間隙層124之頂表面126的熱。此外，在熱吸收流體116沿第一流體流動路徑之第二部分140行進時，其可收集來自沿第一間隙層124之底表面128及沿多孔光吸收材料層108之頂表面110的熱。如上所論述，該熱吸收流體116之溫度梯度可在該熱吸收流體沿第一流體流動路徑自入口120流動至出口122時增加，且在出口122處之熱吸收流體之溫度可大於在入口120處之熱吸收流體116之溫度。 在太陽能加熱單元100之左手側的第二流體流動路徑可具有與第一流體流動路徑相同的組件集，且可為第一流體流動路徑之鏡像。如所展示，太陽能加熱單元100之左手側包括具有外表面148及內表面150之第二玻璃層146。第二玻璃層146之外表面148可暴露於環境空氣。太陽能加熱單元100之左手側亦具有在第二玻璃層146下方且與其間隔開之第二多孔光吸收材料層152。第二多孔光吸收材料層152具有頂表面154、厚度156及底表面158。熱吸收流體116或其部分可沿第二流體流動路徑自入口120至出口122流動穿過太陽能加熱單元100。如所展示，第二玻璃層146及第二多孔光吸收材料層152各自具有相同寬度W及長度L2 。 如上所論述，在熱吸收流體116經由入口120進入太陽能加熱單元100時，其可具有初始溫度。在經由入口120進入太陽能加熱單元100之後，熱吸收流體116之至少部分可沿第二流體流動路徑之第一部分160流動，該第二流體流動路徑之第一部分自入口120沿第二玻璃層146之內表面150延伸。當熱吸收流體116沿第二流體流動路徑之第一部分160流動時，該熱吸收流體可沿第二玻璃層146之內表面150之整個長度L2 流動。此外，在第二流體流動路徑之第一部分160內，熱吸收流體116可均勻地分佈在第一玻璃層102之內表面106之整個寬度W中。在熱吸收流體116沿第二流體流動路徑之第一部分160行進時，該熱吸收流體可收集來自沿第二玻璃層146之內表面150的熱。因此，在第二流體流動路徑之第一部分160之末端處之熱吸收流體116之溫度可大於在入口120處之熱吸收流體116之初始溫度。 在流動穿過第二流體流動路徑之第一部分160之後，熱吸收流體116可接著流動穿過第二過渡區162且接著沿第二流體流動路徑之第二部分164流動。第一流體流動路徑之第二部分140沿第二多孔光吸收材料層152之頂表面154延伸。當熱吸收流體116沿第二流體流動路徑之第二部分164流動時，該熱吸收流體之至少一部分可沿第二多孔光吸收材料層152之頂表面154之整個長度L1 流動。此外，在第二流體流動路徑之第二部分164內，熱吸收流體116可均勻地分佈在多孔光吸收材料層152之頂表面154之整個寬度W中。在熱吸收流體116沿第二流體流動路徑之第二部分164行進時，該熱吸收流體可收集來自沿多孔光吸收材料層152之頂表面154的熱。因此，在第二流體流動路徑之第二部分164之末端處之熱吸收流體116之溫度可大於在第二流體流動路徑之第一部分160之末端處之熱吸收流體116之溫度，且大於在入口120處之熱吸收流體116之初始溫度。 在流動穿過第二流體流動路徑之第二部分164之後，熱吸收流體116可接著沿第二流體路徑之第三部分166流動，該第二流體路徑之第三部分穿過第二多孔光吸收材料層152之厚度156。熱吸收流體116可收集來自在其沿第二流體路徑之第三部分166流動時在第二多孔光吸收材料層152內之熱。因此，在第二流體流動路徑之第三部分166之末端處之熱吸收流體116之溫度可大於在第二流體流動路徑之第二部分164之末端處之熱吸收流體116之溫度，且大於在入口120處之熱吸收流體116之初始溫度。 在流動穿過第二流體流動路徑之第三部分166之後，熱吸收流體116可接著沿第二流體路徑之第四部分168、沿第二多孔光吸收材料層152之底表面158流動至出口122，在該出口處熱吸收流體116可離開太陽能加熱單元100。熱吸收流體116可收集來自第二多孔光吸收材料層152之底表面158以及來自在其沿第二流體路徑之第四部分168流動時其接觸之任何其他組件(諸如，絕熱層130)的熱。因此，在第二流體流動路徑之第四部分168之末端處之熱吸收流體116之溫度可大於在第二流體流動路徑之第三部分166之末端處之熱吸收流體116之溫度，且大於在入口120處之熱吸收流體116之初始溫度。 絕熱層130可在第二多孔光吸收材料層152下方且與其間隔開。絕熱層130可經組態以提供形成第二流體路徑之第四部分168之部分的第二流動通道176。第二流體路徑之第四部分168可沿第二多孔光吸收材料層152下方之第二流動通道176流動至出口122。 另外，相對於第二流體流動路徑，太陽能加熱單元100可具有在第二玻璃層146與第二多孔光吸收材料層152之間的一或多個間隙層(諸如，第二間隙層170)。如所說明，第二間隙層170可為玻璃或不同的適合材料，且可由與第二玻璃層146相同的材料或不同的材料組成且/或可包括一或多個光伏打(PV)板。第二間隙層170可具有頂表面172及底表面174。第二間隙層170之頂表面172在第二玻璃層146之內表面150下方且與其間隔開，且第二間隙層170之底表面174在第二多孔光吸收材料層152之頂表面154上方且與其間隔開。 在太陽能加熱單元100包括第二間隙層170之實例中，第二過渡區162可包括在圍繞第二間隙層170之末端196的第二流體路徑中的轉彎。如圖3及圖4中所說明，第二玻璃層146具有長度L2 ，且第二間隙層170具有小於第二玻璃層146之長度L2 的長度。第二間隙層170之較短長度在第二間隙層170之末端196與絕熱層130之側壁134之間形成第二間隙198。第二過渡區162之轉彎可經一角度再導引熱吸收流體116，該角度可高至約180°，包括在約90°與約180°之間。第二間隙層170可具有等於第二玻璃層146之寬度W的寬度。在此實例中，第二流體路徑之第一部分160自入口120沿在第二玻璃層146之內表面150與第二間隙層170之頂表面172之間的第二玻璃層146之內表面150延伸，且第二流體路徑之第二部分164在第二間隙層170之底表面174與第二多孔光吸收材料層152之頂表面154之間延伸。 在太陽能加熱單元100包括第二間隙層170之實例中，熱吸收流體116亦可在其沿第二流體流動路徑流動時擷取來自第二間隙層170的熱。舉例而言，在熱吸收流體116沿第二流體流動路徑之第一部分160行進時，該熱吸收流體可收集來自沿第二玻璃層146之內表面150及沿第二間隙層170之頂表面172的熱。此外，在熱吸收流體116沿第二流體流動路徑之第二部分164行進時，該熱吸收流體可收集來自沿第二間隙層170之底表面174及沿多孔光吸收材料層152之頂表面154的熱。如上所論述，熱吸收流體116之溫度梯度可在熱吸收流體沿第二流體流動路徑自入口120流動至出口122時增加，且在出口122處之熱吸收流體之溫度可大於入口120處之熱吸收流體116之溫度。 如圖3及圖4中所展示，第一流體流動路徑及第二流體流動路徑可各自分別藉由絕熱層130封閉在底部及側面，及藉由第一玻璃層102或第二玻璃層146封閉在頂部。太陽能加熱單元100之經封閉部分可提供密封流動腔室，使得熱吸收流體在其自入口120流動至出口122時不漏出太陽能加熱單元100。舉例而言，可提供藉由第一玻璃層102、絕熱層130之底部132、絕熱層130之側壁134及充氣室184之壁界定的第一密封流動腔室178。第一密封腔室封閉第一流體路徑。類似地，可提供藉由第二玻璃層146、絕熱層130之底部132、絕熱層130之側壁134及充氣室184之壁界定的第二密封流動腔室180。第二密封腔室封閉第二流體路徑。 太陽能加熱單元100亦可具有環繞且封閉該等流體流動路徑之至少一部分及形成該等流體流動路徑之組件(包括絕熱層130)的保護性外殼182。 如在圖3及圖4中可見，分流太陽能加熱單元100可具有將第一玻璃層102及第一多孔光吸收材料層108與第二玻璃層146及第二光吸收材料層152分隔開之充氣室184。充氣室184可具有充氣室外罩186及在充氣室外罩186下方之上部充氣室188。入口120可定位於充氣室184中。入口120可經組態以使熱吸收流體均勻地劃分且直接流入第一流體路徑與第二流體路徑之間。入口可經進一步組態以使得熱吸收流體進入上部充氣室188。 除產生熱能以外，本發明技術之太陽能加熱單元之一些實例亦可產生電能。在此類實例中，電能可藉由包括一或多個光伏打電池之光伏打板(PV) 190產生，該等光伏打電池可至少包含充氣室外罩186之部分。自入口122進入上部充氣室188之熱吸收流體116可收集來自光伏打板190之熱，之後繼續沿第一流動路徑或第二流動路徑。因為光伏打電池在其冷卻時操作更有效，所以收集來自光伏打板190之熱的熱吸收流體可維持或改良光伏打板190之效能，以及增加由熱吸收流體所吸收之熱之量。PV板之後部側可經修改以促進與該板之流動相互作用進而以促進該板之冷卻。此外，電池配置及該板之佈線可經最佳化以在考慮在跨越該板之溫度梯度的情況下使該等板效能升至最高。 在圖5中說明具有單一流體流動路徑之本發明技術之太陽能加熱單元500之一個替代性實例。在至少一些實例中，太陽能加熱單元500可經組態以使得溫度梯度經由該單元，沿入口520至出口522之流體流動路徑而增加。 如所展示，太陽能加熱單元500具有玻璃層502，該玻璃層具有外表面504及內表面506。玻璃層502之外表面504可暴露於環境空氣。太陽能加熱單元500亦具有在玻璃層502下方且與其間隔開之多孔光吸收材料層508。多孔光吸收材料層508具有頂表面510、厚度512及底表面514。熱吸收流體516可沿入口520至出口522之流體流動路徑流動穿過太陽能加熱單元500。 當熱吸收流體516經由入口520進入太陽能加熱單元500時，該熱吸收流體可具有初始溫度，視應用而定，該初始溫度可等於或可不等於在太陽能加熱單元500外部之環境空氣的溫度。在經由入口520進入太陽能加熱單元500之後，熱吸收流體516之至少部分可沿流體流動路徑之第一部分518流動，該第一流體流動路徑之第一部分自入口520沿玻璃層502之內表面506延伸。當熱吸收流體516沿流體流動路徑之第一部分518流動時，該熱吸收流體可沿玻璃層502之內表面506之整個長度流動。此外，在流體流動路徑之第一部分518內，熱吸收流體516可均勻地分佈在第一玻璃層502之內表面506之整個寬度中。在熱吸收流體516沿流體流動路徑之第一部分518行進時，該熱吸收流體可收集來自沿第一玻璃層502之內表面506的熱。因此，在流體流動路徑之第一部分518末端處之熱吸收流體516之溫度可大於在入口520處之熱吸收流體516之初始溫度。 在流動穿過流體流動路徑之第一部分518之後，熱吸收流體516可接著流動穿過過渡區580且接著沿流體流動路徑之第二部分582流動。流體流動路徑之第二部分582沿多孔光吸收材料層508之頂表面510延伸。當熱吸收流體516沿流體流動路徑之第二部分582流動時，該熱吸收流體之至少一部分可沿多孔光吸收材料層508之頂表面510之整個長度流動。此外，在流體流動路徑之第二部分582內，熱吸收流體516可均勻地分佈在多孔光吸收材料層508之頂表面510之整個寬度中。在熱吸收流體516沿流體流動路徑之第二部分582行進時，該熱吸收流體可收集來自沿多孔光吸收材料層508之頂表面510的熱。因此，在流體流動路徑之第二部分582之末端處之熱吸收流體516之溫度可大於在流體流動路徑之第一部分518之末端處之熱吸收流體516之溫度，且大於在入口520處之熱吸收流體516之初始溫度。 在流動穿過流體流動路徑之第二部分582之後，熱吸收流體516可接著沿第一流體路徑之第三部分524流動，穿過多孔光吸收材料層508之厚度512。熱吸收流體516可在其沿流體路徑之第三部分524流動時收集來自多孔光吸收材料層508內的熱。因此，在流體流動路徑之第三部分524之末端處熱吸收流體516之溫度可大於在流體流動路徑之第二部分582之末端處熱吸收流體516之溫度，且大於在入口520處熱吸收流體516之初始溫度。 在流動穿過流體流動路徑之第三部分524之後，熱吸收流體516可接著沿流體路徑之第四部分526、沿多孔光吸收材料層508之底表面514流動至出口522，在該出口處熱吸收流體可離開太陽能加熱單元500。熱吸收流體516可收集來自多孔光吸收材料層508之底表面514以及來自在該熱吸收流體沿流體路徑之第四部分526流動時其接觸的任何其他組件(諸如絕熱層534)的熱。因此，在流體流動路徑之第四部分526之末端處熱吸收流體516之溫度可大於在流體流動路徑之第三部分524之末端處熱吸收流體516之溫度，且大於在入口520處熱吸收流體516之初始溫度。 太陽能加熱單元500亦可具有絕熱層534，該絕熱層可具有底部536及側壁538。絕熱層534可位於多孔光吸收材料層508下方且與其間隔開。絕熱層534可經組態以提供形成流體路徑之第四部分526之一部分的第一流動通道540。該流體路徑之第四部分526可沿多孔光吸收材料層508下方之第一流動通道540流動至出口522。 另外，太陽能加熱單元500可具有在玻璃層502與多孔光吸收材料層508之間的至少一個間隙層(諸如，間隙層528)。間隙層528可為玻璃或不同的適合材料，且可由與玻璃層502相同的材料或不同的材料組成。間隙層528可具有頂表面530及底表面532。間隙層528之頂表面530在玻璃層502之內表面506下方且與其間隔開，且間隙層528之底表面532在多孔光吸收材料層508之頂表面510上方且與其間隔開。 在太陽能加熱單元500包括間隙層528之實例中，過渡區580可包括在圍繞間隙層528之末端542的第一流體路徑中的轉彎。如圖5中所說明，玻璃層502具有一長度且間隙層528具有小於玻璃層502之長度的長度。間隙層528之較短長度在間隙層528之末端542與絕熱層534之側壁538之間形成第一間隙544。過渡區580之轉彎可經一角度再導引熱吸收流體516，該角度可高至約180°，包括在約90°與約180°之間。間隙層528可具有等於玻璃層502之寬度的寬度。在此實例中，流體路徑之第一部分518自入口520沿在玻璃層502之內表面504與間隙層528之頂表面530之間的玻璃層502之內表面504延伸，且流體路徑之第二部分582在間隙層528之底表面532與多孔光吸收材料層508之頂表面510之間延伸。流體路徑之第二部分582可與間隙層528之底表面532接觸，且可由此收集來自第一間隙層528之熱。 在太陽能加熱單元500包括第一間隙層528之實例中，熱吸收流體亦可在其沿流體流動路徑流動時擷取來自間隙層528的熱。舉例而言，在熱吸收流體516沿流體流動路徑之第一部分518行進時，該熱吸收流體516可收集來自沿第一玻璃層502之內表面506及來自第一間隙層528之頂表面530的熱。此外，在熱吸收流體516沿流體流動路徑之第二部分582行進時，該熱吸收流體可收集來自沿第一間隙層528之底表面532及沿多孔光吸收材料層508之頂表面510的熱。如上所論述，熱吸收流體516之溫度梯度可在該熱吸收流體沿第一流體流動路徑自入口520流動至出口522時增加，且在出口522處之熱吸收流體之溫度可大於在入口520處之熱吸收流體516之溫度。 本發明技術之太陽能加熱單元600及太陽能加熱單元700之額外替代性實例分別在圖6及圖7中展示。 如圖6中所展示，太陽能加熱單元600具有類似於以上關於圖1至圖4所說明且論述之彼等的兩個流體流動路徑。然而，代替具有第二玻璃層，太陽能加熱單元600僅具有第一玻璃層602，該第一玻璃層具有長度L且跨越兩個流體流動路徑之頂部延伸。如所展示，太陽能加熱單元600具有第一玻璃層，該第一玻璃層具有外表面604及內表面606。第一玻璃層602之外表面604可暴露於環境空氣。太陽能加熱單元600亦具有在太陽能加熱單元600之第一側面上之第一玻璃層602下方且與其間隔開的第一多孔光吸收材料層608。第一多孔光吸收材料層608具有頂表面610、厚度612及底表面614。太陽能加熱單元600亦具有在與太陽能加熱單元600之第一側對置之太陽能加熱單元600之第二側面上之第一玻璃層602下方且與其間隔開的第二多孔光吸收材料層616。第二多孔光吸收材料層616具有頂表面618、厚度620及底表面622。太陽能加熱單元600進一步具有第一間隙層638及第二間隙層640。 熱吸收流體624經由充氣室628中之入口626進入太陽能加熱單元600，該充氣室將第一多孔光吸收材料層608與第二多孔光吸收材料層616分隔開。可為熱吸收流體624之二分之一之第一部分沿第一流體流動路徑630自入口626沿第一玻璃層之內表面606且接著經由第一多孔光吸收材料層608之厚度流動至出口634。亦可為熱吸收流體624之二分之一之第二部分沿第二流體流動路徑632自入口626沿第一玻璃層之內表面606且接著經由第二多孔光吸收材料層616之厚度流動至出口634。 熱吸收流體624經由太陽能加熱單元600之流動與上文所描述之沿太陽能加熱單元100之流體路徑的流動相同或實質上相同。然而，在太陽能加熱單元600中，充氣室外罩636在第一玻璃層602 (可甚至與第一間隙層638及第二間隙層640一起)下方且與其間隔開。如所展示，充氣室外罩636可包括一或多個光伏打電池。入口626可經組態以使均勻地劃分且導引在第一流體路徑與第二流體路徑之間的流入熱吸收流體624。入口626可經進一步組態以使得熱吸收流體進入充氣室外罩636下方之充氣室，且接著在其沿各流動路徑經劃分時在充氣室外罩636上方流動。此組態可允許熱吸收流體624收集來自充氣室外罩636之下方及上方及為充氣室外罩636之部分的一或多個PV板中之任一者的熱。 如圖7中所展示，太陽能加熱單元700在結構及流動上類似於太陽能加熱單元600。太陽能加熱單元700具有第一玻璃層702，該第一玻璃層具有長度L且跨越兩個流體流動路徑之頂部延伸。在此實例中，第一間隙層704及第二間隙層706中之每一者之第一端可充當充氣室外罩。此外，第一間隙層704及第二間隙層706中之每一者可包括一或多個PV板。在此實例中，可包括的PV板之區域大於在其他所所明實例中之PV板之區域。熱吸收流體708可經由在充當充氣室外罩的第一間隙層704及第二間隙層706中之每一者之部分下方的入口710進入太陽能加熱單元700。熱吸收流體可接著劃分且沿流體流動路徑中之每一者流動，從而聚集來自第一間隙層704及第二間隙層706之PV板之頂部、且接著來自第一間隙層704及第二間隙層706之PV板之底部的熱，之後流動穿過第一多孔光吸收材料層712及第二多孔光吸收材料層714至出口716。在太陽能加熱單元700中，可能有利的係，充當充氣室外罩之第一間隙層704及第二間隙層706之厚度儘可能多的減少，且第一多孔光吸收材料層712及第二多孔光吸收材料層714之厚度增加。 圖12至圖13說明本發明技術之太陽能加熱單元1000之第五實例。太陽能加熱單元1000具有分流設計，該分流設計具有兩個流體流動路徑，在右側上之第一流體流動路徑及在左側上之第二流體流動路徑。應理解，第二流體流動路徑可具有與第一流體流動路徑相同的組件集，且可為第一流體流動路徑之鏡像。此設計之流動路徑相比於太陽能加熱單元100之流動路徑經改變，其中熱吸收流體首先流動至該單元之外邊緣且接著沿第一玻璃層之底表面朝向該單元之中心流動。 如所展示，太陽能加熱單元1000包括跨越第一流體流動路徑2000及第二流體流動路徑2002兩者延伸之第一玻璃層1002。第一玻璃層1002具有外表面1004及內表面1006。第一玻璃層1002之外表面1004可暴露於環境空氣。 太陽能加熱單元1000之第一流體流動路徑2000具有在第一玻璃層1002下方且與其間隔開之第一多孔光吸收材料層1008。第一多孔光吸收材料層1008具有頂表面1010、厚度1012及底表面1014。 太陽能加熱單元1000之第一流體流動路徑2000亦具有在第一玻璃層1002及第一多孔光吸收材料層1008之間的第一間隙層1016，該第一間隙層1016具有頂表面1018及底表面1020。第一間隙層1016之頂表面1018在第一玻璃層1002之內表面1006下方且與其間隔開，且第一間隙層1016之底表面1020在第一多孔光吸收材料層1008之頂表面1010上方且與其間隔開。第一間隙層可包括PV板1022及第二玻璃層1024。 太陽能加熱單元1000之第二流體流動路徑2002具有在第一玻璃層1002下方且與其間隔開之第二多孔光吸收材料層1044。第二多孔光吸收材料層1044具有頂表面1046、厚度1048及底表面1050。 太陽能加熱單元1000之第二流體流動路徑2002亦具有在第一玻璃層1002及第二多孔光吸收材料層1044之間的第二間隙層1052，該第二間隙層1052具有頂表面1054及底表面1056。第二間隙層1052之頂表面1054在第一玻璃層1002之內表面1006下方且與其間隔開，且第二間隙層1052之底表面1056在第二多孔光吸收材料層1044之頂表面1046上方且與其間隔開。第二間隙層可包括PV板1058及第三玻璃層1060。此外，第一間隙層1016及第二間隙層1052可間隔開以提供第一過渡區1062，第一流動路徑及第二流動路徑之熱吸收流體可通過該第一過渡區。 太陽能加熱單元1000亦包括具有內表面1028之入口充氣室1026。入口充氣室具有入口1030 (熱吸收流體1034經由該入口進入太陽能加熱單元1000)及出口1032 (熱吸收流體1034經由該出口離開太陽能加熱單元1000)。包括入口1030之太陽能加熱單元可經組態以均勻地劃分熱吸收流體，使得熱吸收流體之第一半沿第一流體流動路徑2000流動且熱吸收流體之第二半沿第二流體流動路徑2002流動。藉由提供該等流動路徑之間的均勻分佈而平衡流動可減小或消除可在第一玻璃層上出現之熱點，此可減小經由第一玻璃層之熱損耗且改良效能。 太陽能加熱單元1000進一步包括在入口充氣室1026與第一多孔光吸收材料層1008之間的絕熱層1036。絕熱層具有頂表面1038及底表面1040。 太陽能加熱單元1000可包括可環繞且封閉該等流體流動路徑之至少部分及形成該等流體流動路徑之組件(包括入口充氣室1026)的保護性外殼1042。 熱吸收流體1034經由入口1030進入太陽能加熱單元1000，且經劃分以沿第一流體流動路徑及第二流體流動路徑流動。 如圖13中所展示，第一流體流動路徑2000自入口1030流動至在入口充氣室1026之內表面1028與絕熱層1036之底表面1040之間的右方。接著，第一流體流動路徑2000沿第一玻璃層1002之內表面1006流動。熱吸收流體吸收來自沿第一玻璃層1002之內表面1006、以及來自沿第一間隙層1016 (包括為其組件之任一PV板)之頂表面1018的熱。因此，在沿第一玻璃層1002之內表面1006流動之後的熱吸收流體之溫度大於在入口1030處之熱吸收流體之溫度。 接著，第一流體流動路徑2000流動穿過第一過渡區1062，該第一過渡區展示為在經間隔開第一間隙層1016與第二間隙層1052之間的空間。在第一過渡區1062處且在其內，第一流動路徑之熱吸收流體可與第二流動路徑之熱吸收流體混合在一起，之後流動分流繼續沿該兩個流體流動路徑。第一過渡區1062可經組態以接合第一流動路徑及第二流動路徑，且接著分流第一流動路徑及第二流動路徑以使得熱吸收流體均勻地劃分在該兩個流體流動路徑之間。 接著，第一流體流動路徑2000沿第一間隙層之底表面及第一多孔光吸收材料層1008之頂表面，且接著穿過第一多孔光吸收材料層1008之厚度1012流動至出口1032。沿第一流體流動路徑2000流動之熱吸收流體1034吸收來自沿第一間隙層之底表面(包括作為其組件之任一PV板)及第一多孔光吸收材料層1008之頂表面的熱。沿第一流體流動路徑2000流動之熱吸收流體亦吸收來自第一多孔光吸收材料層1008之厚度內的熱。因此，在流動穿過第一多孔光吸收材料層1008之後的熱吸收流體之溫度可大於在入口1030處之熱吸收流體1034之溫度。 第二流體流動路徑2002自入口1030流動至在入口充氣室1026之內表面1028與絕熱層1036之底表面1040之間的左方。接著，第二流體流動路徑2002沿第一玻璃層1002之內表面1006流動。熱吸收流體吸收來自沿第一玻璃層1002之內表面1006以及來自沿第二間隙層1052之頂表面1054的熱。因此，在沿第一玻璃層1002之內表面1006流動之後的熱吸收流體之溫度大於在入口1030處之熱吸收流體之溫度。 接著，第二流體流動路徑2002流動穿過在經間隔開之第一間隙層1016與第二間隙層1052之間的第一過渡區1062。在第一過渡區1062處且其內，第二流動路徑之熱吸收流體可與第一流動路徑之熱吸收流體混合在一起，之後流動分流繼續沿該兩個流體流動路徑。 接著，第二流體流動路徑2002沿第二間隙層1052之底表面1056及第二多孔光吸收材料層1044之頂表面1046流動，且接著經由第一多孔光吸收材料層1044之厚度1048流動至出口1032。沿第二流體流動路徑2002流動之熱吸收流體1034吸收來自沿第二間隙層1052之底表面1056及第一多孔光吸收材料層1044之頂表面1046的熱。沿第二流體流動路徑2002流動之熱吸收流體亦吸收來自第二多孔光吸收材料層1044之厚度1048內的熱。因此，在流動穿過第二多孔光吸收材料層1044之後的熱吸收流體之溫度大於在入口1030處之熱吸收流體1034之溫度。 如上所論述，熱吸收流體1034之溫度梯度可在熱吸收流體沿第一流體流動路徑2000或第二流體流動路徑自入口1030流動至出口1032流動時增加，且在出口1032處之熱吸收流體之溫度可大於在入口1030處之熱吸收流體1034之溫度。材料 相對於以上圖1至圖5所描述之太陽能加熱單元之特定實例，使用空氣(具體言之，環境空氣)作為熱吸收流體。環境空氣通常含有氣態組分(包括，氧氣及氮氣)之混合物。在替代性實例中，可使用可呈氣態或液態形式之其他熱吸收流體。其他熱吸收流體之一些非限制性實例包括水、氦、氬、水、蒸汽，及此等組分與彼此或與其他組分之混合物。 在本發明技術之太陽能加熱單元中使用之玻璃層為經組態以允許日光經由該玻璃層穿透進入太陽能加熱單元且進入多孔光吸收層的透明層。玻璃層可由任何適合的材料組成，該材料包括(例如)：玻璃、丙烯酸類、FEP、聚合物、多晶材料、前述任一者之衍生物，或前述任一者之組合。當使用玻璃時，該玻璃可為鈉石灰、無鐵或低鐵之玻璃。玻璃層之紅外線(IR)不透明度不係本發明技術之太陽能加熱單元中的關鍵，相比於具有停滯空氣的典型太陽能加熱單元，其中空氣或其他熱吸收流體流動穿過該太陽能加熱單元。玻璃層亦可經表面處理或塗佈以促進透射及/或減小經由玻璃之輻射損耗。 在本發明技術之太陽能加熱單元中使用的多孔熱吸收層可由吸收熱之任何適合材料組成且經組態用於流通熱吸收流體，包括例如：金屬、礦棉及熱穩定聚合物。在一些實例中，多孔熱吸收層可由黑色材料組成，或具有黑色塗層或塗敷於其頂表面之選擇性薄膜。本發明技術之多孔熱吸收層可包括複數個子層，其中各子層俘獲一定百分比之由整個多孔熱吸收層所吸收的熱。多孔熱吸收層之各子層之視角因數直接影響由穿過頂表面至底表面之厚度之各層所俘獲之熱百分比。可能需要對多孔熱吸收層進行組態以具有經最佳化的可儘可能小的熱質量，以便減小多孔熱吸收層達到所需溫度所需的時間段。亦可合乎需要的係，多孔熱吸收層經組態以使得其具有非線性溫度分佈，諸如圖8中所說明，其中在操作太陽能加熱單元期間在任一給定時間下之溫度比頂表面處及初始層中更低，且在較低層增加至接近底表面或在底表面的最大值。 在本發明技術之太陽能加熱單元中使用之絕熱層可由用以減小來自太陽能加熱單元之輻射熱之損耗的任何適合之材料組成。 在本發明技術之太陽能加熱單元中使用之外殼可由任何適合之材料組成，包括例如鍍鋅之鋼。熱傳遞及吸收 研發計算模擬工具以求解描述太陽能加熱單元中之熱傳遞的完整方程式體系。以迭代方式同時對於該體系中之各組件求解方程式直至已彙聚解答。組件可為太陽能單元中之材料的部分或運載流體之部分。 一般而言，太陽日照之熱傳遞等於任一給定組件之吸收率乘以入射太陽日照。與該組件通信之熱傳遞可與另一組件、運載流體或環境表面及/或天空一起。在本發明技術之太陽能加熱單元(諸如，太陽能加熱單元100)之操作期間，熱可在以下四個階段中傳遞至熱吸收流體：(1)在流體路徑118、160、518上之第一部分中之自玻璃層及任一間隙層之強制內部對流，(2)在流體路徑140、164、582上之第二部分中之自間隙層及多孔熱吸收層之頂表面之強制內部對流，(3)在流體路徑142、166、524上之第三部分中之自多孔熱吸收層之多孔對流流動，及(4)在流體路徑144、168、526上之第四部分中之自多孔熱吸收層之底表面及絕熱層之強制內部對流。 在流體路徑之第一部分、第二部分及第四部分中，在強制對流下至熱吸收流體之熱傳遞可藉由兩個平面板材之間的強制對流的方程式進行控管： 方程式1：
Figure 02_image001
其中Q 為轉移功率(W)。Nu 為無因次努塞爾數(non-dimensional Nusselt number) (對於並行板材而言~8)。k 值為熱吸收流體之熱導率(W/(mK))。A 為流體行進經由之各板材的面積(m2 )，諸如第一玻璃層102及第一間隙層126、第二玻璃層146及第二間隙層170，玻璃層502及間隙層528，或多孔熱吸收層之底表面及絕熱層之底部。TF 為熱吸收流體之溫度(C)。TM 為材料之溫度。分母th為兩個板材之間的厚度。 在流體路徑142、166、524上在第三部分中，至熱吸收流體之熱傳遞可按以下進行控管： 方程式2：
Figure 02_image003
其中NuPorous 為多孔材料之~100之數量級且AEff 為 材料之有效表面積(通常為材料之體積的數百倍)，且th為吸收器之厚度。 在個別太陽能加熱組件之間的熱傳遞可藉由對流或輻射進行。輻射可藉由以下進行控管： 方程式3：
Figure 02_image005
其中Qrad 為輻射功率，T1 及T2 為兩個通信表面之溫度，σ 為斯蒂芬-波滋曼常數(Stefan-Boltzmann constant)，且ε1 及ε2 為兩個表面之輻射率。該方程式可包括考慮到多孔材料經由該等孔傳輸一些輻射的視圖因數乘數，且因此一組件可「看見經由」彼組件以獲取來自另一組件之額外輻射。 各組件中之太陽通量之熱可藉由以下進行控管： 方程式4：QFlux =α*F*A 其中α為材料之吸收率且F為入射於彼材料上之太陽通量(W/m2，考慮內部組件看見的通量等於總通量乘以以上組件之透射率)。 在測定該體系如何起作用時，亦可考慮本發明技術之太陽能加熱單元之輻射熱損耗及對流熱損耗。至環境之輻射熱傳遞可使用與組件之間的輻射傳遞相同的方程式。對流熱傳遞可藉由以下進行控管： 方程式5：
Figure 02_image007
其中QAmb . Conv . 為對流熱損耗，WindVelocity 為緊鄰太陽能加熱單元附近之風的流速，Tsurface 為太陽能加熱單元之相關表面之溫度，且Tambient 為緊鄰太陽能加熱單元附近之環境溫度。 藉由假設各組件在等於環境溫度之溫度時開始來開始迭代解析。接著按以下及時提高溫度： 方程式6：
Figure 02_image009
其中T為組件之溫度，t為時間，m為組件之質量，Cp 為該等組件之比熱，且Qcomponent 為各個別組件之熱傳遞。選擇時間步長，T之變化與T之幅度相比較小。接著Told 經Tnew 替換且溫度及時朝前推進另一步長。重複此過程直至各步長之溫度變化向下降至指定「終止」標準，在此時認為已彙聚該方程式之體系且最終溫度集為解答。 該體系之效率可定義為傳遞至運載流體之熱能除以該體系上之總太陽日照，如下： 方程式7：
Figure 02_image011
其中ṁ為運載流體之質量流速。自太陽通量吸收但未傳輸至運載流體之剩餘能量藉由自外表面(通常地玻璃之頂面及絕熱層之外部)至環境之輻射及對流熱傳遞來傳輸返回至環境。 以上方程式之體系描述近乎任一太陽能加熱單元設計中之熱傳遞。因為兩個原因，本文所描述之實例可比傳統太陽能加熱單元(諸如，平板單元)產生更高效率。一個原因為，多孔材料與運載流體之間的對流熱傳遞可比平面板材集合中之對流熱傳遞顯著更快。第二個原因為，多孔設計中之流動路徑可以運載熱離開玻璃之頂面(至環境之大部分損耗發生之處)且確保太陽能加熱中之較熱組件處於熱更緩慢離開返回環境之更內部的位置處的方式經佈線。流體流動及壓降 本發明技術之太陽能加熱單元之效率及電力使用可受熱吸收流體經由各流體路徑之流動及跨越該單元內之任一流體路徑之壓降影響。 使壓降降至最低可減小以所需流速經由該系統泵送熱吸收流體所需之電力量。使用分流設計，諸如圖1至圖4中說明之實例可平衡跨越單元之壓降，且相比於僅具有單一流體路徑之太陽能加熱單元將壓降減半。 氣流之均一性可受加熱太陽能單元之控制壓降之組件之間的空間的謹慎容許度控制。存在可控管沿本文所描述之流體路徑的流動的三個方程式。該系統之設計可藉由以下方程式進行控管： 庫愛特流(Couette Flow) (並行板材之間的穩定流)，用於設置玻璃之間的距離：
Figure 02_image013
經修改之庫愛特流(考慮到離開或進入多孔熱吸收層之流動)分別用於多孔熱吸收層上方及下方、多孔熱吸收層至玻璃或間隙層，及多孔熱吸收層至絕熱層之底部的距離。
Figure 02_image015
經由多孔熱吸收層之達西流(Darcy Flow)以判定多孔熱吸收層之所需厚度。
Figure 02_image017
用於流體動量之牛頓第二定律(Netwons second law)可用於判定在入口、出口及沿給定流體路徑之過渡區(由於流動轉彎180度而必須加倍)轉彎流動90度所需的壓降。
Figure 02_image019
在此等方程式中，ΔP為壓降(Pa)，µ為流體之黏度(Pa*s)，L為該部分之長度(m)，Q為流速(m3 /s)，h為間隙厚度(m，當其改變時為初始及最終厚度)，w為該部分之寬度(m)，t為多孔區之厚度(m)，k為多孔熱吸收層之擴散率(m2 /s)，ρ為流體之密度(kg/m^3)，υ為該流體之流速(m/s)且A為流體流經的面積。 過渡區之面積必須至少同玻璃層與間隙層之間的橫截區的面積一樣大以防止在過渡區之較大壓降。實例 1 使用以下材料及參數製得具有上文相對於太陽能加熱單元100所描述之流動及絕熱充氣室外罩的本發明技術之太陽能加熱單元。 在包含分流設計之系統中，玻璃及間隙層中之每一者由無鐵玻璃組成。絕熱層由聚三聚異氰酸酯絕熱材料(R值為6)建構。外殼為0.6 mm厚鍍鋅的鋼。多孔熱吸收層中之每一者藉由經噴塗黑色的1''厚礦棉製得以使反射損耗降至最低。充氣室外罩為聚三聚異氰酸酯絕熱材料。總吸收面積大致為2平方公尺。用於各流動路徑之玻璃與間隙層之間的間距設置在第1/8吋。各間隙層具有36.5''長及47.5''寬之尺寸，而各玻璃層為38.5''長及47.5''寬。該等玻璃層各自藉由在各側上之大致0.5''支撐，且各過渡區之間隙為約1.0''。在各間隙層與各多孔熱吸收層之間以及在各多孔熱吸收層與絕熱層之底部之間的距離為約1.25''。藉由用鼓風機以已知體積流動速率提供強制空氣穿過儀錶來校準太陽能加熱單元。量測跨越玻璃之面板所產生的壓力。接著，使此壓力與由DC風扇提供之流動匹配。 在開始晴朗且最後一個小時變成多雲的一天中，歷經約5個小時的時間段測試太陽能加熱單元。流速(以立方呎每分鐘(CFM)量測)按每小時變化。特定言之，在第一個小時期間之流速設定為40 CFM且在第二個小時期間之流速設定為50 CFM。每小時量測環境溫度(亦為入口處的溫度)。結果說明於圖9中。該系統之效率係基於日照隨時間而測定，且闡述於下文表1中。表 1
Figure 106111605-A0304-0001
 實例 2 使用以下材料及參數製得具有併入至充氣室外罩中之PV板之本發明技術之太陽能加熱單元。 在包含分流設計之系統中，玻璃及間隙層中之每一者由無鐵玻璃組成。絕熱層由聚三聚異氰酸酯絕熱材料(R值為6)建構。外殼為0.6 mm厚鍍鋅的鋼。多孔熱吸收層中之每一者藉由經噴塗黑色的1''厚礦棉製得以使反射損耗降至最低。充氣室外罩包括PV板。PV板之尺寸為46.5''寬及17.4''長。將在各玻璃與各間隙層之間的間距設置在第1/8吋。各間隙層具有36.5''長及47.5''寬之尺寸，而各玻璃層為38.5''長及47.5''寬。該等玻璃層各自藉由在各側上之大致0.5''支撐，且各過渡區之間隙為約1.0''。總吸收面積(不包括PV板之面積)為大致2平方公尺。在各間隙層與各多孔熱吸收層之間以及在各多孔熱吸收層與絕熱層之底部之間的距離為約1.25''。藉由用鼓風機以已知體積流動速率提供強制空氣穿過儀錶來校準太陽能加熱單元。量測跨越玻璃之面板所產生的壓力。接著，使此壓力與由DC風扇提供之流動匹配。 太陽能加熱單元安裝在剪刀千斤頂系統上，該系統允許藉由經由一角度範圍(自0°至45°)之旋轉來改變太陽能加熱之定向。調整太陽能加熱單元所處之角度的能力係有利的，諸如當在一年之不同時間期間或在不同寬容度之地理區域中使用太陽能加熱單元時，允許太陽能加熱單元儘可能直接朝向太陽而定向。實例 3 圖14及下文表2提供具有太陽能加熱單元100之設計(設計1)對比太陽能加熱單元1000之反相流動設計(設計2)的本發明技術之太陽能加熱單元之效率測定的結果。在圖14中，左側上之曲線展示在40 cfm之流速下的效率。在右側上之曲線圖展示在50 cfm之流速下的效率。各曲線圖之X軸為入口處的溫度，以超過環境之度數表示。 使用此方程式計算效能：
Figure 02_image021
其中使用第89段之方程式的分子計算熱功率且使用以下方程式計算藉由PV板產生之電功率： 電功率=電壓 * 電流 此外，在測試期間由位於板上之日照強度計直接量測日照且該板面積等於2.92 m2 。 如圖14及表2中可見，在入口處的溫度等於環境溫度(X軸上之0)時，該等設計中之每一者在任一流速時之效率為最高。如亦可見，跨越所測試溫度範圍之兩者流動速率下，反向流動設計提供更高效率。 表2：在各種操作條件下之設計效率
Figure 106111605-A0304-0002
 應用 本發明技術之太陽能加熱單元可用於多種應用中，包括住宅、商業及工業應用。舉例而言，本發明技術之太陽能加熱單元可用於住宅空氣及/或水加熱，且可安裝在住宅建築物之屋頂上或接近住宅建築物之地面上。作為另一實例，本發明技術之太陽能加熱單元可用於需要空氣加熱或任何其他熱吸收流體之任何商業或工業應用中。在至少一個實例中，本發明技術之太陽能加熱單元可用作自空氣產生液態水之系統(諸如，2015年4月10日申請之美國臨時專利申請案第62/145995號中描述之系統，其以其全文引用之方式併入本文中)中的加熱單元。 其中本發明技術之太陽能加熱單元可用作自空氣產生液態水之系統中的加熱單元的一個實例說明於圖10中。圖10之系統800可經組態以回應於日變化而起作用。舉例而言，如下文更詳細地描述，系統800可經組態以基於一或多個日變化(例如，環境空氣溫度、環境空氣相對濕度、太陽日照及/或類似的變化)控制一或多個操作參數(例如，控制及/或受控變數)。 系統800可包含乾燥劑單元802。乾燥劑單元802可包含乾燥劑(例如，吸附介質) 804，其中乾燥劑單元802 (例如，或其部分)可選擇性地(例如，及/或替代地)在吸附區域806 (其中乾燥劑與過程空氣路徑(例如，過程氣流路徑) 810流體通信)與解吸附區域808 (其中乾燥劑與(例如，封閉迴路)再生流體路徑(例如，再生流體路徑) 812流體通信)之間可移動。在一些實施例中，吸附區域及解吸附區域可由乾燥劑單元802之外殼(例如，814)界定。 乾燥劑單元802可以連續或非分批方式操作，以使得乾燥劑單元802經組態以實質上同時或同時吸附水及解吸附水。舉例而言，系統800可經組態以使得乾燥劑單元804之第一部分可安置於吸附區域806內(例如，以使得該第一部分可俘獲來自過程空氣路徑810中之過程空氣的水)，其中乾燥之第二部分同時安置於解吸附區域內(例如，以使得該第二部分可在再生流體路徑812中將水解吸附成再生流體)。適合於在本系統之一些實施例中使用之再生流體可包括(但不限於)空氣(例如，包括任何適合量之水蒸汽)、超飽和或相對高濕度氣體(例如，90%至100%相對濕度)、乙二醇、離子液體及/或類似物。 乾燥劑單元802可包含經組態以連續在過程空氣路徑810與再生流體路徑812之間替代的吸濕性材料(例如，乾燥或吸附介質804)。在一些實施例中，乾燥或吸附介質可能夠快速將水反解吸附成相對較低濕度的空氣(例如，以再生乾燥劑)。因此，在一些實施例中，乾燥劑或吸附介質之效能可藉由貫通吸附狀態及解吸附狀態之快速循環的能力驅動。 乾燥劑804可包含呈任何適合組態的任何適合介質(例如，使得乾燥劑或吸附介質能夠吸附且解吸附水)。在一些實施例中，乾燥劑或吸附介質可能能夠在第一溫度及/或壓力下吸附且在第二溫度及/或壓力下解吸附。適合乾燥劑或吸附介質可包含液體、固體及/或其組合。在一些實施例中，乾燥劑或吸附介質可包含任何適合浸漬有吸濕性材料的多孔固體。舉例而言，乾燥劑單元804可包含矽石、矽膠、氧化鋁、氧化鋁凝膠、高嶺土、沸石(zeolites)、分子篩、活性碳、金屬氧化物、鋰鹽類、鈣鹽類、鉀鹽類、鈉鹽類、鎂鹽類、磷酸鹽類、有機鹽類、金屬鹽類、丙三醇、乙二醇、親水性聚合物、多元醇、聚丙烯光纖、纖維素纖維、其衍生物，及其組合。在一些實施例中，乾燥劑或吸附介質可經選擇及/或經組態以避免某些分子(例如，在人類消耗時可為有毒的分子)之吸附。 在一些實施例中，乾燥劑粒子可封裝在淺床中以使與吸附區域806及解吸附區域808內之空氣或流體相互作用的表面積升至最大。在一些實施例中，乾燥劑粒子可經由黏合劑聚集。在一些實施例中，乾燥劑粒子可染為黑色(例如，以改良熱輻射之吸附)。在一些實施例中，乾燥劑粒子可與熱輻射吸收材料混合及/或組合。 系統800可包括一或多個鼓風機816及/或一或多個循環器818。舉例而言，在此實施例中，鼓風機816安置於過程空氣路徑810中且經組態以調整經由過程空氣路徑之空氣流速。在此實施例中，循環器818安置於再生流體路徑812中且經組態以調整經由再生流體路徑之流體流速。在一些實施例中，鼓風機816及/或循環器818可受控制器820控制(例如，控制鼓風機816及/或循環器818之速度以使液態水生產最佳化)。在一些實施例中，鼓風機816及/或循環器818可經組態以基本上維持分別經由過程空氣路徑810及/或再生流體路徑812之預定流速。 系統800可包含經組態以提供熱能至再生流體路徑812中之流體的加熱單元822 (例如，使得可再生乾燥劑單元804)。加熱單元822可為本發明技術之太陽能加熱單元，其中熱吸收流體116、516 (如圖3及圖5中所展示)自出口122、522 (如圖1及圖5中所展示)沿再生流體路徑812自加熱單元822行進至乾燥劑單元804。 系統800可包含經組態以經由再生流體路徑接收來自解吸附區域之流體且由所接收之流體生產液態水(例如，藉由在再生流體路徑中使水蒸汽冷凝成流體)的冷凝器824。冷凝器824可包含任何適合材料且可呈任何適合組態(例如，以在再生流體中使水蒸汽冷凝成液態水)。舉例而言，適合之冷凝器可包含聚合物、金屬及/或類似物。冷凝器可經佈置以包括線圈、散熱片、板材、扭曲通道及/或類似物。冷凝器824可經組態以將熱能自乾燥劑單元804之下游的再生流體路徑812中之流體傳遞至乾燥劑單元804之上游的過程空氣路徑810中之空氣(例如，使得過程空氣路徑810中之空氣可有助於冷卻冷凝器824)。在一些實施例中，冷凝器824可藉由環境空氣冷卻。 系統800可包含經組態以接收由冷凝器824產生之液態水的水收集單元826。可藉助於重力將由冷凝器產生之液態水提供至水收集單元826；然而，在其他實施例中，可輔助液態水自冷凝器至水收集單元之流動(例如，藉由一或多個泵、任何其他適合之遞送機構、及/或類似物) 系統800可包含可定位於冷凝器824與水收集單元826之間的過濾器828 (例如，過濾膜) (例如，以減小雜質量，諸如，可存在於由冷凝器824產生之液態水中的砂粒、細菌、纖維、含碳物種及/或類似物)。 水收集單元826 (例如，或其過濾器828)可包含紫外輻射(UV)光源(例如，用於由冷凝器826產生之水之滅菌)在一些實施例中，適合之光源可包含具有例如以下之發光二極體(LED)：低於400奈米(nm) (例如，385 nm、365 nm及/或類似者)之波長、低於300 nm (例如，265 nm)之波長，及/或類似者。 水收集單元826可包含一或多個水含量感測器(例如，圖11之902)。此類水含量感測器可包含電導感測器(例如，開路及/或閉路電阻型電導感測器)，其可經由在0.1西門子/尺(msiemens per cm)之範圍內的導電性量測值來操作。 水收集單元826可包含經組態以接收用於引入至所產生液態水中之一或多種添加劑的容器830。此類添加劑可經組態以緩慢溶解在儲存於水收集單元中之液態水中。添加劑可包括(但不限於)礦石、鹽類、其他化合物，及/或類似物。在一些實施例中，添加劑可將香料施加至所產生液態水中。舉例而言，添加劑可包括鉀鹽類、鎂鹽類、鈣鹽類、氟鹽類、碳酸鹽類、鐵鹽類、氯化物鹽類、矽石、石灰石，及/或其組合。 系統800可包含可經組態以提供關於系統操作之資訊的指示器(例如，燈(諸如LED))。舉例而言，在一些實施例中，指示燈可經組態以提供以下資訊(例如，對於例如使用者視覺上可見)：系統正在運行、太陽能(例如，來自電力單元904)可供使用、空氣過濾器(例如，其在過程空氣路徑810內)可能需要被改變、水收集單元(例如，826)係充滿的(例如，在一些實施例中，水收集單元含有20 L之液態水)、致動器(例如，致動器906、鼓風機816、循環器818及/或其類似者)已失效及/或正發生故障、遠程信息處理錯誤(例如，如由收發器908操作所指示)已發生及/或正在發生，及/或其類似者。如下所描述，任何適合之資訊(包括上文參考指示器所描述之資訊)可經由通信網路(例如，僅任何指示器之操作及/或除任何指示器之操作以外)來傳輸。 控制器(例如，處理器) 820可控制乾燥劑單元804 (或其部分)在過程空氣路徑810中暴露於空氣且在再生流體路徑812中再生流體(例如，以提高及/或最佳化最終由冷凝器824產生之液態水)，且此控制可隨晝夜循環(例如，回應於日變化)而變化。環境條件中之此類變化(例如，至控制器820中之輸入)可包括(例如)環境空氣溫度、環境空氣相對濕度及太陽日照。至控制器820之其他輸入可包括(例如)：由加熱單元822產生之熱能之量、過程空氣路徑810中之空氣之相對濕度、再生流體路徑812中之流體之相對濕度、乾燥劑單元804與加熱單元822之間的再生流體路徑中之流體之溫度、水產生之速率，及/或其類似者。在包括沖洗氣流路徑之實施例中，至控制器820之輸入可包括沖洗氣流路徑中之空氣的流速、溫度、相對濕度及/或其類似者。控制器820可經組態以藉由基於對此類輸入中之一或多者之量測來控制乾燥劑單元804在吸附區域與解吸附區域之間的運動速率、控制鼓風機816及/或循環器818之速度，及/或其類似者而使液態水生產最佳化(例如，以使得控制器820可基於當前環境及系統條件使液態水生產最佳化)。如下文更詳細地描述，可量測至控制器820之輸入，其中該等輸入由一或多個感測器俘獲之資料指示。 圖11為用於自空氣產生液態水之系統之實施例900之圖式。系統900可實質上類似於系統800，具有下文所描述之主要差異及/或添加物。否則，系統900可包含相對於系統800所描述之任一及/或全部特徵。 在系統900中，如同系統800，乾燥劑804 (或其第一部分)可與過程空氣路徑810中之過程空氣流體通信，而乾燥劑804 (或其第二部分)同時與再生流體路徑812中之再生流體流體通信，且因此乾燥劑單元802以連續及非分批方式操作。在此實施例中，乾燥劑804之部分可以交替方式暴露於過程空氣路徑810中之空氣及再生流體路徑812中之流體中。 系統900可包含可旋轉碟片910 (例如，其中乾燥劑804安置於其上)。乾燥劑804 (或其部分)可經組態以當旋轉碟片910時在吸附區域與解吸附區域之間運動。舉例而言，在碟片910之描繪定向中，乾燥劑之部分912與過程空氣路徑810通信，且碟片之部分914與再生流體路徑812通信。系統900可包含經組態以引起碟片910之旋轉的致動器(例如，電馬達) 906。控制器820可經組態以至少藉由控制乾燥劑804 (例如，碟片910)在吸附區域與解吸附區域之間的運動(例如，經由控制致動器906)來使液態水生產最佳化。在其他實施例中，致動器906可以預定旋轉速率旋轉碟片910。 系統900可包含經組態以將電力提供至系統900之至少一部分(例如，鼓風機816、循環器818、致動器906及/或其類似者)的太陽能單元904。太陽能電力單元904可經組態以將太陽日照轉換成電力(例如，太陽能電力單元904包含太陽能板)。舉例而言，可將太陽能電力單元904提供為包含呈現光伏打效應之半導電材料的光伏打(PV)太陽板。在此等及類似實施例中，控制器820可經組態以回應於太陽日照中之日變化(例如，由太陽能電力單元904產生之電力之量)而控制系統900。在一些實例中，太陽能電力單元904可為PV板190 (如圖1至圖2中所示)。 用於自空氣產生液態水之系統可在本質上模組化。舉例而言，系統可經組態以使得每一組件(例如，太陽能電力單元904、加熱單元822、乾燥劑單元802、冷凝器824、水收集單元826，及/或其類似者)可彼此分離、與彼此傳輸、組裝及/或再組裝(例如，呈相同或不同組態)，及/或其類似者。舉例而言，在一些實施例中，該系統可經組態以使得無任一單個組件(例如，水收集單元826、乾燥劑單元802、太陽能電力單元904、加熱單元822、冷凝器824，及/或其類似者)之尺度大於六呎至八呎(例如，以促進系統或其組件之傳輸，例如在單個機車卡車床(諸如Toyota Hilux皮卡車之床)) (例如，每一組件具有低於或等於64平方呎(ft2 )之佔據面積及/或每一組件可包含於低於或等於512立方呎(ft3 )之立方體積內)。 控制器820可經組態以控制鼓風機816、循環器828、致動器906，及/或其類似者中之一或多者(例如，以使液態水生產最佳化，其中此控制可回應於(例如)環境溫度、環境空氣相對濕度、太陽日照、及/或其類似者之日變化)。舉例而言，控制器820可經組態以考慮(例如)日變化藉由控制鼓風機816、循環器828、致動器906及/或其類似者而增加液態水生產之速率。此類變化可改變由加熱單元822產生之熱能之量、由太陽能電力單元904提供之電力之水準、進入系統之過程空氣的濕度水準，及/或其類似者。在一些實施例中，可基於(例如)歷史平均值及/或其類似者即時量測或預測環境條件。在控制器820接收即時量測值之實施例中，各種感測器(下文更詳細地描述)可向控制器820提供指示環境條件的資料(例如，連續地、週期性地當由控制器820請求時，及/或其類似者)。 控制器820可基於以下中之一或多者來操作系統：使用者選擇、自一或多個感測器接收之資料、程式化控制，及/或藉由任何其他適合之基體。舉例而言，控制器820可與用於感測資料資訊之周邊器件(包括感測器)、用於儲存資料資訊之資料收集組件，及/或用於通信與系統之操作相關的資料資訊的通信組件相關聯。 系統900可包含一或多個周邊器件，諸如感測器902及916至922 (例如，溫度感測器916、濕度感測器918、太陽日照感測器920、流速感測器922、水含量感測器902、及/或其類似者)。在一些實施例中，一或多個感測器可提供指示以下各者之資料：環境空氣溫度、環境空氣相對濕度、太陽日照、過程空氣溫度、再生流體溫度、過程空氣相對濕度、再生流體相對濕度、過程空氣流動速率、再生流體流動速率、液態水產生速率、水使用比率，及/或其類似者。 一或多個感測器902及916至922可與系統之其他組件遠距離地定位且可經由有線及/或無線連接向系統之其他組件提供所俘獲之資料。舉例而言，城鎮、村莊、城市，及/或其類似者可包括複數個本系統，且複數個本系統中之一者可向複數個當前系統中之另一者提供指示環境條件(例如，空氣溫度、空氣相對濕度、太陽日照水準，及/或其類似者)的資料。以此方式，在一些實施例中，單一感測器可由多個系統共用。在一些實施例中，藉由一或多個周邊器件(例如，一或多個感測器902或916至922)通信至控制器(例如，820)之資料可儲存在資料記錄單元中。 系統900可包含遠程信息處理單元(例如，發射器、接收器、應答器、轉換器、中繼器、收發器及/或其類似者，有時在本文中被稱作「收發器908」)。舉例而言，收發器908可經組態以經由有線及/或無線介面(例如，其(諸如以相對較低速率(例如，每幾分鐘操作)操作之GSM、SMS組件)可遵守標準化通信協定、可按地區指定之協定，及/或其類似者)將資料通信至系統(例如，控制器820)及/或自系統通信。 收發器908可與伺服器及用於在伺服器與收發器(例如，及因此系統及/或其控制器820)之間通信資訊的通信網路相關聯。可藉由系統之蜂巢範圍中之蜂巢塔促進雙向通信。在一些實施例中，資料庫(例如，其可遠離系統)可經組態以儲存經由通信網路自伺服器接收之資訊。 在具有遠程信息處理能力之實施例中，網路管理員或器件擁有者可向控制器820發送命令以更新或刪除查找表資料(描述於下文)及/或控制演算法。以此方式，可(例如)在系統被盜或以其他方式損壞之情況下維持資料安全。 控制器820可經組態以至少基於環境條件之即時及/或預測變化而改變系統900之操作。舉例而言，控制器820可控制乾燥劑804 (例如，或其部分)暴露於過程空氣及再生流體以回應於環境條件中之變化(例如，藉由改變碟片910之轉速，以使得安置於其上之乾燥劑804之部分暴露於過程空氣路徑810中之過程空氣或再生流體路徑812中之再生流體中的時間可增大或減少)。在一些實施例中，控制器820可經組態以改變吸附區域或解吸附區域之大小(例如，以回應於日變化)。 自前文，應瞭解，儘管出於說明的目的已在本文描述特定實例，但可在不偏離本發明之範疇的情況下進行各種修改。因此意欲將前文實施方式視為說明性而非限制性，且應理解，包括所有等效者之以下申請專利範圍意欲尤其指出且明顯地主張所主張的主題。
100‧‧‧太陽能加熱單元102‧‧‧第一玻璃層104‧‧‧外表面106‧‧‧內表面108‧‧‧第一多孔光吸收材料層110‧‧‧頂表面112‧‧‧厚度114‧‧‧底表面116‧‧‧熱吸收流體118‧‧‧第一流體流動路徑之第一部分120‧‧‧入口122‧‧‧出口124‧‧‧第一間隙層126‧‧‧頂表面128‧‧‧底表面130‧‧‧絕熱層132‧‧‧絕熱層之底部134‧‧‧絕熱層之側壁136‧‧‧第一流動通道138‧‧‧第一過渡區140‧‧‧第一流體流動路徑之第二部分142‧‧‧第一流體路徑之第三部分144‧‧‧第一流體路徑之第四部分146‧‧‧第二玻璃層148‧‧‧外表面150‧‧‧內表面152‧‧‧第二多孔光吸收材料層154‧‧‧頂表面156‧‧‧厚度158‧‧‧底表面160‧‧‧第二流體流動路徑之第一部分162‧‧‧第二過渡區164‧‧‧第二流體流動路徑之第二部分166‧‧‧第二流體流動路徑之第三部分168‧‧‧第二流體路徑之第四部分170‧‧‧第二間隙層172‧‧‧頂表面174‧‧‧底表面176‧‧‧第二流動通道178‧‧‧第一密封流動腔室180‧‧‧第二密封流動腔室182‧‧‧保護性外殼184‧‧‧充氣室186‧‧‧充氣室外罩188‧‧‧上部充氣室190‧‧‧光伏打板192‧‧‧第一間隙層124之末端194‧‧‧第一間隙196‧‧‧第二間隙層170之末端198‧‧‧第二間隙500‧‧‧太陽能加熱單元502‧‧‧玻璃層504‧‧‧外表面506‧‧‧內表面508‧‧‧多孔光吸收材料層510‧‧‧頂表面512‧‧‧厚度514‧‧‧底表面516‧‧‧熱吸收流體518‧‧‧流體流動路徑之第一部分520‧‧‧入口522‧‧‧出口522‧‧‧流體流動路徑之第二部分524‧‧‧第一流體路徑之第三部分526‧‧‧流體路徑之第四部分528‧‧‧間隙層530‧‧‧頂表面532‧‧‧底表面534‧‧‧絕熱層536‧‧‧底部538‧‧‧側壁540‧‧‧第一流動通道542‧‧‧間隙層528之末端544‧‧‧第一間隙580‧‧‧過渡區582‧‧‧流體流動路徑之第二部分600‧‧‧太陽能加熱單元602‧‧‧第一玻璃層604‧‧‧外表面606‧‧‧內表面608‧‧‧第一多孔光吸收材料層610‧‧‧頂表面612‧‧‧厚度614‧‧‧底表面616‧‧‧第二多孔光吸收材料層618‧‧‧頂表面620‧‧‧厚度622‧‧‧底表面624‧‧‧熱吸收流體626‧‧‧入口628‧‧‧充氣室630‧‧‧第一流體流動路徑632‧‧‧第二流體流動路徑634‧‧‧出口636‧‧‧充氣室外罩638‧‧‧第一間隙層640‧‧‧第二間隙層700‧‧‧太陽能加熱單元702‧‧‧第一玻璃層704‧‧‧第一間隙層706‧‧‧第二間隙層708‧‧‧熱吸收流體710‧‧‧入口712‧‧‧第一多孔光吸收材料層714‧‧‧第二多孔光吸收材料層716‧‧‧出口800‧‧‧系統802‧‧‧乾燥劑單元804‧‧‧乾燥劑806‧‧‧吸附區域808‧‧‧解吸附區域810‧‧‧過程空氣路徑812‧‧‧再生流體路徑814‧‧‧外殼816‧‧‧鼓風機818‧‧‧循環器820‧‧‧控制器822‧‧‧加熱單元824‧‧‧冷凝器826‧‧‧水收集單元828‧‧‧過濾器830‧‧‧容器900‧‧‧系統902‧‧‧水含量感測器904‧‧‧太陽能電力單元906‧‧‧致動器908‧‧‧收發器910‧‧‧碟片912‧‧‧乾燥劑之部分914‧‧‧碟片之部分916‧‧‧溫度感測器918‧‧‧濕度感測器920‧‧‧太陽日照感測器922‧‧‧流速感測器1000‧‧‧太陽能加熱單元1002‧‧‧第一玻璃層1004‧‧‧外表面1006‧‧‧內表面1008‧‧‧第一多孔光吸收材料層1010‧‧‧頂表面1012‧‧‧厚度1014‧‧‧底表面1016‧‧‧第一間隙層1018‧‧‧頂表面1020‧‧‧底表面1022‧‧‧PV板1026‧‧‧入口充氣室1028‧‧‧內表面1030‧‧‧入口1032‧‧‧出口1034‧‧‧熱吸收流體1036‧‧‧絕熱層1038‧‧‧頂表面1040‧‧‧底表面1042‧‧‧保護性外殼1044‧‧‧第二多孔光吸收材料層1046‧‧‧頂表面1048‧‧‧厚度1050‧‧‧底表面1052‧‧‧第二間隙層1054‧‧‧頂表面1056‧‧‧底表面1058‧‧‧PV板1060‧‧‧第三玻璃層1062‧‧‧第一過渡區2000‧‧‧第一流體流動路徑2002‧‧‧第二流體流動路徑L‧‧‧長度L1‧‧‧長度L2‧‧‧長度W‧‧‧寬度
特定實例已出於說明及描述之目的經選擇，且展示於附圖中，從而形成本說明書之部分。 圖1為本發明技術之太陽能加熱單元之一個實例的透視圖。 圖2為圖1之太陽能加熱單元之分解圖。 圖3為展示熱吸收流體之流動路徑的圖1之太陽能加熱單元的橫截面側視圖。 圖4為展示熱吸收流體之流動路徑的圖3之太陽能加熱單元之部分的橫截面側視圖。 圖5為本發明技術之太陽能加熱單元之第二實例的橫截面側視圖。 圖6為本發明技術之太陽能加熱單元之第三實例的橫截面側視圖。 圖7為本發明技術之太陽能加熱單元之第四實例的橫截面側視圖。 圖8為本發明技術之太陽能加熱單元之吸收器中之非線性溫度分佈的曲線圖。 圖9為展示測試本發明技術之太陽能加熱單元之一個實例之結果的日照對比時間之曲線圖。 圖10為其中可使用本發明技術之太陽能加熱單元的用於自空氣產生液態水之第一系統的圖式。 圖11為其中可使用本發明技術之太陽能加熱單元的用於自空氣產生液態水之第二系統的圖式。 圖12為本發明技術之太陽能加熱單元之第五實例的分解視圖。 圖13為展示熱吸收流體之流動路徑的圖12之太陽能加熱單元的橫截面側視圖。 圖14為兩種不同流動速率下之太陽能加熱單元之第五實例的效能對比超過環境之溫度的曲線圖。
1002‧‧‧第一玻璃層
1004‧‧‧外表面
1006‧‧‧內表面
1008‧‧‧第一多孔光吸收材料層
1012‧‧‧厚度
1016‧‧‧第一間隙層
1018‧‧‧頂表面
1020‧‧‧底表面
1022‧‧‧PV板
1026‧‧‧入口充氣室
1028‧‧‧內表面
1030‧‧‧入口
1032‧‧‧出口
1034‧‧‧熱吸收流體
1036‧‧‧絕熱層
1038‧‧‧頂表面
1040‧‧‧底表面
1044‧‧‧第二多孔光吸收材料層
1048‧‧‧厚度
1052‧‧‧第二間隙層
1054‧‧‧頂表面
1056‧‧‧底表面
1058‧‧‧PV板
1060‧‧‧第三玻璃層
1062‧‧‧第一過渡區
2000‧‧‧第一流體流動路徑
2002‧‧‧第二流體流動路徑

Claims (20)

  1. 一種太陽能加熱單元，其包含：玻璃層；第一多孔光吸收材料層，其設置於該玻璃層下方且與該玻璃層間隔開，其中第一流體流動路徑係界定於該玻璃層與該第一多孔光吸收材料層之間；第二多孔光吸收材料層，其設置於該玻璃層下方且與該玻璃層間隔開，其中第二流體流動路徑係界定於該玻璃層與該第二多孔光吸收材料層之間；及入口，其經組態以將在該第一流體流動路徑及該第二流體流動路徑之間的熱吸收流體分開。
  2. 如請求項1之太陽能加熱單元，其中該熱吸收流體經組態以收集來自該玻璃層、該第一多孔光吸收材料層以及第二多孔光吸收材料層之至少一者的熱。
  3. 如請求項1之太陽能加熱單元，其進一步包含：第一間隙層，其設置於該玻璃層與該第一多孔光吸收材料層之間且與該玻璃層與該第一多孔光吸收材料層間隔開；及第二間隙層，其設置於該玻璃層與該第二多孔光吸收材料層之間且與該玻璃層與該第二多孔光吸收材料層間隔開。
  4. 如請求項3之太陽能加熱單元，其中該第一間隙層及該第二間隙層之至少一者包含玻璃。
  5. 如請求項3之太陽能加熱單元，其中該第一間隙層及該第二間隙層之至少一者包含光伏打板及玻璃。
  6. 如請求項3之太陽能加熱單元，其中該第一多孔光吸收材料層之至少一部份設置於第一絕熱層與該玻璃層之間且與該第一絕熱層與該玻璃層間隔開；且該第二多孔光吸收材料層之至少一部份設置於第二絕熱層與該玻璃層之間且與該第二絕熱層與該玻璃層間隔開。
  7. 如請求項6之太陽能加熱單元，其中該第一絕熱層包含第一底部及第一側壁，且該第二絕熱層包含第二底部及第二側壁。
  8. 如請求項7之太陽能加熱單元，其中該玻璃層之至少一部份、該第一底部及該第一側壁界定第一密封流動腔室，且其中該玻璃層之至少一部份、該第二底部及該第二側壁界定第二密封流動腔室。
  9. 如請求項6之太陽能加熱單元，其進一步包含設置於該第一多孔光吸收材料層以及該第二多孔光吸收材料層之間的充氣室。
  10. 如請求項9之太陽能加熱單元，其中該充氣室進一步包含該入口、充 氣室外罩及位於該充氣室外罩下方之上部充氣室，該充氣室外罩包含光伏打板。
  11. 如請求項10之太陽能加熱單元，其中該熱吸收流體經由該入口進入該上部充氣室且在沿該第一流體流動路徑或該第二流體流動路徑繼續進行之前收集來自該充氣室外罩之熱。
  12. 如請求項11之太陽能加熱單元，其中：該第一流體流動路徑經組態自該入口導引該熱吸收流體，沿該玻璃層之內表面與該第一間隙層之頂表面，沿著該第一間隙層之底表面與該第一多孔光吸收材料層之頂表面，穿過該第一多孔光吸收材料層，達至出口；及該第二流體流動路徑經組態自該入口導引該熱吸收流體，沿該玻璃層之內表面與該第二間隙層之頂表面，沿著該第二間隙層之底表面與該第二多孔光吸收材料層之頂表面，穿過該第二多孔光吸收材料層，達至出口。
  13. 一種太陽能加熱單元，其包含：玻璃層；第一多孔光吸收材料層，其設置於該玻璃層下方且與該玻璃層間隔開；第一間隙層，其設置於該玻璃層與該第一多孔光吸收材料層之間且與該玻璃層與該第一多孔光吸收材料層間隔開；第一流體流動路徑，其經組態將熱吸收流體之第一部份沿該玻璃層之內表面，穿過該第一多孔光吸收材料層，導引至出口； 第二多孔光吸收材料層，其設置於該玻璃層下方且與該玻璃層間隔開；第二間隙層，其設置於該玻璃層與該第二多孔光吸收材料層之間且與該玻璃層與該第二多孔光吸收材料層間隔開；第二流體流動路徑，其經組態將熱吸收流體之第二部份沿該玻璃層之內表面，穿過該第二多孔光吸收材料層，導引至出口；及入口，其經組態以將在該第一流體流動路徑及該第二流體流動路徑之間的熱吸收流體分開。
  14. 如請求項13之太陽能加熱單元，其中該第一間隙層及該第二間隙層之至少一者包含光伏打板及玻璃之至少一者。
  15. 如請求項13之太陽能加熱單元，其進一步包含：入口充氣室，其經組態為至少部分環繞該第一多孔光吸收材料層以及該第二多孔光吸收材料層，該入口充氣室包含該入口、該出口及內表面。
  16. 如請求項15之太陽能加熱單元，其進一步包含絕熱層，其設置於該入口充氣室與該第一多孔光吸收材料層及該第二多孔光吸收材料層之至少一者之間，且與該入口充氣室與該第一多孔光吸收材料層及該第二多孔光吸收材料層之至少一者間隔開。
  17. 如請求項16之太陽能加熱單元，其中該絕熱層包含頂表面、底表面、第一側壁以及第二側壁。
  18. 如請求項17之太陽能加熱單元，其中該第一流體流動路徑經組態導引該熱吸收流體：自該入口，在該入口充氣室之內表面與該絕熱層之底表面之間，在該入口充氣室之內表面與該絕熱層之第一側壁之間，在該玻璃層與該第一間隙層之間，穿過設置在該第一間隙層與該第二間隙層之間的第一過渡區，在該第一間隙層與該第一多孔光吸收材料層之間，穿過該第一多孔光吸收材料層，在該第一多孔光吸收材料層及該絕熱層之頂表面之間，及達至出口。
  19. 如請求項18之太陽能加熱單元，其中該第二流體流動路徑經組態導引該熱吸收流體：自該入口，在該入口充氣室之內表面與該絕熱層之底表面之間，在該入口充氣室之內表面與該絕熱層之第二側壁之間，在該玻璃層與該第二間隙層之間，穿過該第一過渡區，在該第二間隙層與該第二多孔光吸收材料層之間，穿過該第二多孔光吸收材料層，在該第二多孔光吸收材料層及該絕熱層之頂表面之間，及 達到出口。
  20. 如請求項19之太陽能加熱單元，其中在該第一過渡區內，該第一流體流動路徑之該熱吸收流體與該第二流體流動路徑之該熱吸收流體混合在一起。
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