包括不透明蓋的太陽能收集器的制造方法
【專利說明】包括不透明蓋的太陽能收集器
[0001]相關(guān)申請的交叉引用
[0002]本申請要求2013年4月12日(12/04/2013)提交的美國臨時申請序列號61/811，495的優(yōu)先權(quán)和權(quán)益。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003]本發(fā)明涉及太陽能收集器，更具體地涉及設(shè)計成將工作流體加熱到約25°C到180 °C范圍內(nèi)的溫度的太陽能熱收集器。
【背景技術(shù)】
[0004]自20世紀(jì)70年代以來平板太陽能收集器沒有發(fā)生根本變化。Gallagher的美國專利N0.4，011，856 (1977)教導(dǎo)了一種示例性設(shè)計，其基本代表了當(dāng)今使用的大多數(shù)上釉平板太陽能收集器。這樣的太陽能收集器一般利用具有減少的氧化鐵含量的鋼化玻璃作為蓋板材料。該玻璃必須足夠薄以防止無支撐跨度的松垂。該玻璃還必須具有抗沖擊性，并且在強(qiáng)風(fēng)區(qū)域中必須附接到具有能夠經(jīng)受強(qiáng)風(fēng)暴產(chǎn)生的動態(tài)氣壓的構(gòu)架和緊固件的太陽能收集器組件上。結(jié)果，玻璃蓋板典型地為3.2或4毫米厚，相對應(yīng)重量為約8和1kg/ Hf。對玻璃的使用使得平板太陽能收集器難以處理并且裝運(yùn)昂貴。同時，鋼化玻璃并不防破裂。盡管鋼化產(chǎn)生極佳的抗平面沖擊性，然而棱邊強(qiáng)度不佳。當(dāng)橫向壓縮力(例如，由于在處理過程中太陽能收集器在其一側(cè)墜落產(chǎn)生的力)迫使鄰近的釉料構(gòu)架螺釘?shù)念^部或者長度裝上玻璃棱邊時，鋼化玻璃片會破碎。
[0005]半透明塑料(包括丙烯酸樹脂和聚碳酸酯)已經(jīng)被作用太陽能收集器釉料，以嘗試降低重量和成本。不幸的是，由于經(jīng)年累月暴露于紫外輻射和停滯溫度產(chǎn)生褪色和結(jié)構(gòu)性退化，這些材料隨著時間的推移遭受透射率的顯著減小。當(dāng)暴露于與強(qiáng)風(fēng)暴相關(guān)的動態(tài)壓力時，塑料釉料材料還易于經(jīng)歷不可接受程度的向外彎曲。
[0006]透明和半透明蓋板材料的另一問題是空氣傳播的灰塵和污點(diǎn)會積累在釉料表面上，這減小了太陽能透過率。在許多氣候下，降雨的頻率和強(qiáng)度不足以去除積累的灰塵和污點(diǎn)。另外，存在一個實(shí)際的現(xiàn)實(shí)一一對于住房屋頂上和在大的商用陣列中的太陽能收集器的定期人工清理是一個問題。
[0007]典型的上釉平板太陽能收集器的側(cè)壁由四個細(xì)長、直的鋁擠制件形成，帶有45度的坡口端和從垂直臂部分向外延伸的各種擠制的附加件。四個側(cè)壁結(jié)合成90度角拐角，經(jīng)常利用L形支架在每個拐角的內(nèi)側(cè)處進(jìn)行加強(qiáng)。螺釘、螺母或鉚釘將側(cè)壁緊固到L形加強(qiáng)支架上。這些銳利的拐角接縫具有兩個缺點(diǎn)。第一，太陽能收集器側(cè)壁隨著日常溫度變化而膨脹和收縮。隨著時間推移，不斷的膨脹和收縮會導(dǎo)致在拐角接縫處的小間隙。這個問題可由于上水平側(cè)壁和下水平側(cè)壁溫度上的差異而惡化，該溫度差異導(dǎo)致小但是很有影響的上和下水平側(cè)的縱向膨脹和收縮差異。即使具有最小的拐角間隙，由于太陽能收集器內(nèi)部空氣和環(huán)境空氣之間的壓力差的驅(qū)策，進(jìn)入太陽能收集器內(nèi)部的充滿濕氣和微粒的空氣滲透也將不可避免地發(fā)生。濕氣和微粒的入侵最終結(jié)果是在釉料的上側(cè)形成骯臟的薄層，減小了太陽能透射率。所討論的拐角接縫幾乎沒有利用可能有助于防止隨著時間的推移濕氣入侵的彈性體材料進(jìn)行密封。缺乏有效的拐角密封的部分原因是:密封每個拐角接縫的頂部和底部處的陡起的、平面的并且尖狀的表面相交部操作上是困難的。盡管拐角接縫可以被焊接，但是該辦法招致不可接受的勞動力成本并且與最常用的構(gòu)架材料和表面處理不相適應(yīng)，表面處理包括對鋁構(gòu)架的陽極氧化表面處理。
[0008]在強(qiáng)風(fēng)暴期間，太陽能收集器上的方角增加了蓋板上的動態(tài)壓力。屋頂?shù)[石沖刷的對比測試顯示，相比于常規(guī)方角，空氣動力學(xué)拐角能夠使得損傷閾值風(fēng)速加倍。壓力測量顯示，相比于方角，對于空氣動力學(xué)拐角，在屋頂拐角測試中，揚(yáng)壓力減小高達(dá)75%。見Lin等，“Aerodynamic Devices for Mitigat1n of Wind Damage Risk，，，4th Internat1nalConference on Advances in Wind and Structures,AffAS 08.Jeru,Korea,May29-31，2008。
[0009]與上述風(fēng)揚(yáng)壓力問題緊密相關(guān)的一個問題是:包括具有方角的鈍迎風(fēng)邊緣的任何結(jié)構(gòu)促進(jìn)沿著布置在這樣的拐角下風(fēng)向的邊緣的漩渦流的形成和脫落。(見Okamoto，S和Uemura, N.“Effect of rounding side-corner on aerodynamic forces and turbulentwake of a cube placed on a ground plane”，Experiments in Fluids, 11, 58-64.Springer-Verlag.1991)如果漩禍脫落的頻率正好匹配該結(jié)構(gòu)的諧振頻率，那么該結(jié)構(gòu)將開始諧振并且該結(jié)構(gòu)的運(yùn)動將變成為自承的。強(qiáng)風(fēng)暴期間太陽能收集器上的漩渦脫落實(shí)際上能使屋頂貼板松動并開始越來越嚴(yán)重地?fù)p毀整個屋頂結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致最終災(zāi)難性的損失。屋頂板破壞是強(qiáng)風(fēng)暴期間受災(zāi)住房建筑損壞的主要原因。一旦建筑失去屋頂板的一個或多個板片，損壞將隨大量的風(fēng)驅(qū)動的水進(jìn)入該結(jié)構(gòu)而呈指數(shù)增加。保險索賠數(shù)據(jù)顯示一旦屋頂板開始破壞，損失將急速上升。即便墻保持完好并且屋頂架未破壞，屋頂板的損失一般導(dǎo)致大于建筑保險價值50 %的損失。見Applied ResearchAssociates, Inc.“Development of Loss Relativities for Wind Resistive Features ofResidential Structures，，，F(xiàn)lorida Department of Community Affairs(DCA Contract
02-RC-l1-14-00-22-003), Vers1n 2.2, March 28,2002。
[0010]真空管太陽能收集器是上釉平板太陽能收集器的替代。Fehlner和Ortabasi的美國專利N0.4，067，315教導(dǎo)了一種示例性真空管太陽能收集器。這樣的太陽能收集器的真空管典型包括1.6毫米厚硼硅玻璃圓筒。盡管這樣的玻璃圓筒有一定程度的抗沖擊性，但是由于冰雹、風(fēng)驅(qū)動的風(fēng)暴碎片、打偏的高爾夫球和棒球和墜落的工具的沖擊的原因，也會發(fā)生破裂。在裝運(yùn)和處理期間也會發(fā)生破裂。
[0011]對于真空管太陽能收集器來說，積雪也是一個問題。消除從玻璃管內(nèi)部到環(huán)境空氣的對流熱損失的真空也允許雪積累在真空管上。在陽光充足的條件下通過從玻璃上側(cè)上的較熱空氣到較冷的環(huán)境空氣的連續(xù)熱傳遞，平板太陽能收集器的玻璃蓋板會變暖。然而，真空管太陽能收集器的玻璃僅由玻璃吸收的入射太陽能的小百分比而變暖，并且該熱量會快速損失到伴隨降雪的冷環(huán)境空氣。這樣，在沒有人工除雪的情況下，在降雪之后，真空管太陽能收集器會變得一段時間不可使用。
[0012]已經(jīng)提出過真空平板太陽能收集器。Dalstein等的美國專利N0.，4，332，241 (1982)、Benvenuti 的 N0.7，810，491 (2010)以及 Palmieri 的N0.8, 161,965(2012)是示例性設(shè)計。Benvenuti ‘491專利提供了對于管和平板真空太陽能收集器的極佳討論。Dalstein ‘241專利教導(dǎo)了一種復(fù)雜的雙壁構(gòu)架，其包括內(nèi)構(gòu)架壁，該內(nèi)構(gòu)架壁包括四件焊接成45度斜坡銳角的方管。Dalstein ‘241、Benvenuti ‘491和Palmieri ‘965專利全都教導(dǎo)了將金屬釬焊或融合到玻璃的各種方法。這些復(fù)雜和相對昂貴的處理被設(shè)想出以解決相異的材料以及玻璃蓋板和金屬構(gòu)架壁的相異的膨脹和收縮率。然而，Dalstein ‘241、Benvenuti ‘491和Palmieri ‘965專利沒有解決與平板太陽能收集器釉料或銳側(cè)壁拐角相關(guān)的問題，或者真空太陽能收集器外玻璃表面上積雪的問題。
[0013]不上釉太陽能收集器是上釉平板太陽能收集器的另一選擇。不上釉塑料太陽能收集器(其中炭黑添加到塑料樹脂以增強(qiáng)太陽能吸收率并抵抗持久地暴露于紫外輻射的效果)廣泛地用于泳池加熱。Ford等的美國專利N0.3，934，232(1976)和Harter的美國專利N0.4，060，070 (1977)教導(dǎo)了不上釉塑料太陽能收集器的實(shí)例。盡管泳池加熱要求溫度在25°C和32°C之間，不上釉塑料太陽能收集器已經(jīng)被利用來用于便攜式水加熱，其要求溫度在45°C和60°C之間。
[0014]不上釉太陽能收集器能夠在工作流體的流率減小時遞送60°C的水。不幸的是，盡管這樣，當(dāng)環(huán)境空氣溫度落于太陽能收集器流體進(jìn)口溫度以下時，不上釉太陽能收集器比上釉平板太陽能收集器遭受多得多的對流熱損失。風(fēng)使得該問題更加嚴(yán)重。對于太陽能泳池加熱來說，不佳的冷天氣性能是可接受的，因?yàn)榇蠖鄶?shù)氣候中的目標(biāo)僅僅是延展游泳季節(jié)多幾個月。其他水加熱應(yīng)用要求全年的熱水。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0015]本發(fā)明涉及包括不透明蓋的太陽能收集器。太陽能由不透明蓋吸收并轉(zhuǎn)換成熱，熱通過傳導(dǎo)、對流和至少基本氣密的外殼內(nèi)的間隙之間的紅外發(fā)射而從不透明蓋傳遞到包含工作流體的吸收器。不透明蓋的外表面具有高太陽能吸收率并且內(nèi)表面具有高紅外發(fā)射率。外表明優(yōu)選還具有低紅外發(fā)射率。不透明蓋的成分、結(jié)構(gòu)和熱質(zhì)量和吸收器的成分、結(jié)構(gòu)和熱質(zhì)量被選擇成促進(jìn)這樣的工作關(guān)系，憑借該工作關(guān)系不透明蓋的內(nèi)表面比吸收體表面熱。
[0016]—個實(shí)施方式涉及一種太陽能收集器，其包括具有中空橫截面和圓角的連續(xù)側(cè)壁。該連續(xù)側(cè)壁制造經(jīng)濟(jì)并且相比于現(xiàn)有技術(shù)太陽能收集器構(gòu)架異乎尋常地結(jié)實(shí)。連續(xù)側(cè)壁的圓角減小了颶風(fēng)級風(fēng)期間的風(fēng)載應(yīng)力，這允許減小不透明蓋的厚度并可以減小潛在的受災(zāi)屋頂損傷。連續(xù)側(cè)壁的形狀和內(nèi)在強(qiáng)度還允許用于減少到環(huán)