太阳能收集器的制作方法

专利名称：太阳能收集器的制作方法
技术领域：
本发明涉及使用太阳能收集器收集来自太阳辐射的热量形式的能量，用于例如空间加热和住宅、商业或工厂楼房的热水供给。

背景技术：
目前，人们对例如由在装料空间加热器和家用热水系统中化石(矿物)燃料的燃烧引起的全球变暖效应的关注在增加。与这种效应相关的增加的环境成本预期会迫使全球的政府最终对化石燃料的燃烧或碳贸易方案征税，这两者将会增加与化石燃料的燃烧相关的成本。
将入射的太阳辐射用于上面提及的应用是对燃烧化石燃料的明显的和适合的替换，然而，这样的系统目前还没有广泛使用。玻璃/金属太阳能热水系统已经发现一些用途，但是由于它们的初始成本很高，这些系统大多由政府减税(rebate)来资助。这样的系统的平均回收期可能是5至10年，然而玻璃/金属收集器的平均寿命仅约为15年。当然，金属价格的近期的上升不利于这样的系统的经济可行性，因为它们广泛使用铜和铝。
由于较低的材料成本，人们已经做出诸多努力以将塑料应用于太阳能收集器的制造中，但是由于许多原因塑料收集器还没有广泛地商业化生产或还不能与玻璃/金属进行商业化竞争。这主要是由于在被用于玻璃(glazing)和特别是吸收器时塑料的公知的限制。主要的限制涉及吸收器部件或收集器的其它结构部件暴露于滞止条件下的极端温度，其中，收集器暴露于完全的太阳条件下且内部冷却流体不流动。内部滞止温度对于平坦的太阳能收集器可轻易达到超过160C°，所述太阳能收集器具有可选择的表面涂层以最大化吸收同时最小化热损失。面板暴露于滞止条件是常见的且可在安装或泵、控制器或阀失效期间发生以及可轻易地导致对塑料收集器的灾难性的损坏或严重地限制了收集器的寿命。这可要求将功能塑料用于吸收器和相关的部件，所述功能塑料可承受上述的高温但不幸的是这样的功能塑料非常昂贵。
在限制塑料太阳能收集器的滞止温度上已经作出了许多尝试。最简单的是通过使用用于吸收器和玻璃的非选择性的涂层允许从面板的顶面的巨大的热量损失或如在池型的太阳能收集器中完全缺少玻璃盖、或缺少底侧绝缘体。不幸地是，所有的这些限制这样的太阳能面板的效率，并且因此限制了它们的使用特别是在冬季的使用。更加复杂的无源方法包括使用作为温度的函数改变光的传输的材料，但是这些还没有发现用作太阳能收集器的部件。许多主动的控制方法可以且已经被设想，例如通风系统或反射部件的机械旋转，使得太阳被返回至大气而不是在指定的吸收器上。这样的策略具有明显的缺陷使用复杂的移动部件和相关的监视和控制系统，其易于经受高的保养成本和最终失败。


发明内容
本发明提供了薄断面的太阳能收集器，用于收集太阳能作为热量，同时限制夏季月份中的收集器中的可能的峰值滞止温度，包括 (a)多个反射元件，分别具有第一和第二边缘，反射元件布置成固定偏移的平行阵列，以在使用中形成面向上的反射表面的楼梯； (b)吸收器元件，具有位于每对反射元件之间的暴露表面，所述暴露表面大致位于所述相邻的一对反射元件中的一个的第一边缘和所述一对反射元件中的另一个的第二边缘之间，并且所述暴露表面被设置以与所述反射元件的每一个成一角度，从而形成所述吸收器元件的暴露表面的固定的平行阵列；和 (c)透明的顶盖，在反射元件和吸收器元件上方延伸， 使得在使用中反射元件在第一大致水平方向上定向，入射的阳光穿过顶盖并且直接落在每个吸收器元件的暴露表面上，和/或与吸收器元件中的一个的暴露表面邻近的反射器上，入射的阳光能够从反射器反射至各个暴露表面上。
典型地，收集器面板将被安装在平坦的支撑结构上，例如屋顶，优选地面对正午的太阳，其中，屋顶具有斜度p，使得吸收器元件的上边缘以与水平面成角度p描绘一条线(参见图2的定义)。所述收集器可以典型地被安装至具有70°或更小的斜度的屋顶上，但是优选地斜度在10°-50°的范围内。绝缘体可以安装在吸收器结构的下面以降低传送至屋顶的热量。
优选地太阳能收集器包括外壳，所述顶盖形成外壳的一部分，使得外壳包围反射器和吸收器元件的阵列。
吸收器元件的太阳暴露表面区域(其不必是平坦的)优选地被倾斜使得太阳暴露表面区域的法线(或如果太阳暴露表面不平坦时是平均法线)与正午太阳辐射成的入射角在夏至时大于冬至或春分/秋分(参见图1-3)时。优选地，反射元件以在水平面的上方或下方的很小的角度(或如果不平坦时是平均角度)被永久地固定。
反射元件可以由包括(但不限于)可被设置在连接的吸收器元件上或连接至所述连接的吸收器元件的抛光的片状金属、可被连接至玻璃或吸收器元件的聚碳酸酯镜子、直接沉积在吸收器元件的特定区域上的真空铬处理层或镀层(尤其是如果这些区域大致为平坦时)的材料制成，或通过添加反射的、类似塑料的铝处理的

薄片至吸收器元件区域制成，从而孔限定在每对相邻的反射元件之间，所述孔由所述一对元件中的一个的第一边缘和所述一对元件中的另一个的第二边缘限定。
优选地，暴露的吸收器元件表面被涂黑，从而具有很高的太阳能吸收率。
太阳能收集器面板的实施例包括一个或多个透明顶盖，其可由聚合物材料或玻璃形成。优选地，所述材料是低成本材料，例如透明聚合物材料的低成本片或低成本玻璃。顶盖材料优选地是透明的但可以部分地或全部地阻挡紫外光的透射。太阳能收集器可包括被封闭的空气间隙分隔开的多个顶盖，以减少通过顶盖的传热。优选地，顶盖包括“自清洁”性能。
在太阳能收集器的实施例中，吸收器元件的固定的平行阵列是细长的矩形形状，并且在收集器的一个水平尺寸的长度上延伸。在太阳能收集器安装在使用位置上时，太阳能收集器的方向优选地使得这些塑料吸收器元件在大致东-西方向上延伸。塑料吸收器结构可被制造成包括这些连接的吸收器元件的单个件或可替换地被制造成分离的吸收器元件并且之后被布置或连接成平行的阵列。
矩形反射元件的固定的平行阵列可以是大致细长的矩形形状并且也在收集器的水平尺寸(与塑料吸收器元件的水平尺寸相同)的长度上延伸。因此，反射元件也优选地在使用中将在大致东-西方向上延伸，其中，反射元件和吸收器元件被布置以在组装时交替；在沿屋顶的斜度方向上观看时反射元件形成大致台阶状外观，反射元件形成踏板且吸收器元件形成台阶的竖板。
在一个实施例中，收集器可被安装以使得吸收器元件和反射器元件的长度与水平面成1°-5°范围内的微小的角度。
优选地，一个反射器的长边缘和第二个反射器的长边缘形成细长的平面矩形孔，通过所述孔吸收器区域或面被暴露于直接的和反射的太阳曝晒，并且其中，这种暴露的区域或面优选地是平坦的并且优选地与平面矩形孔一致，因此可以略微向前突出于平面矩形孔或略微在平面矩形孔的后面。平面矩形孔和暴露的区域或面还优选地以一角度朝水平面向下倾斜，使得直射的夏至正午太阳以很大的入射角照射所述区域或面(或穿过所述矩形孔)，同时直射的冬至或春分/秋分(昼夜平分点)的正午太阳以较小的入射角照射所述区域或面。
每个太阳暴露表面区域或面在其前面(在沿屋顶或支撑结构的斜度方向观看时)具有对应的反射器，所述反射器优选地以朝向或远离对应的太阳暴露表面区域转动的很小的角度r固定。对应的反射器的目的是将冬季太阳曝晒反射至吸收器元件的对应的太阳暴露表面区域。
每个这样的对应的反射器的角度r依赖于屋顶斜度p(假定收集器面板被平行于屋顶的斜度安装)和安装位置的纬度。对于特定的屋顶斜度和纬度的角度r可在具有由下面的方程1和方程2限定的限制的范围中。r和p的数值优选地被选择以使得照射在反射元件上的冬季太阳辐射的大部分被反射在对应的太阳暴露表面区域上，用于集中冬季辐射的目的，同时将夏季太阳辐射的全部或一部分返回至大气中，用于限制夏季滞止温度的目的。
吸收器结构具有在太阳暴露表面下面且与吸收器元件的暴露表面热连通的至少一个流体通道，并且所述流体通道可选择地在反射区域的下面。这些通道可以沿面板的长度延伸(与反射器和吸收器元件的相邻的边缘平行)，或可替代地它们可以垂直于反射器(沿屋顶的斜度向上)或以任何角度延伸。优选地，每个吸收器元件具有在其暴露表面下面延伸且与暴露表面热连通以传送热量用于存储或其他用途的至少一个内部流体运载通道。这些通道还可沿面板的长度(与反射元件和吸收器元件平行)或可替换地垂直于反射元件或以任何这样的角度延伸。
在流体运载通道也在反射器区域下面延伸时，在特定的情形中可能有利的是另外允许反射区域和在其下面的流体运载通道之间的显著的热连通，以使得在反射器区域上的任何残余的热量也可被转移至流体。
收集器包括将传热流体引入到收集器面板和流体通道的进口通路以及从所述通道和收集器面板排出传热流体的出口通路。
优选地，吸收器元件(包括流体通道)将由例如塑料材料的聚合物材料形成。
塑料吸收器元件可被UV稳定和/或着色或用可选择的涂层在太阳暴露表面上处理或保持未被处理。吸收器元件还可具有连接至太阳暴露表面区域的薄的表面选择性薄膜。所述玻璃(glazing)也可被UV稳定并且被制造以阻挡UV辐射，并且还可被非反射或选择性涂层处理。
在一个优选的实施例中，顶部玻璃盖和吸收器组件通过滑动或夹紧接合被连接，所述接合包括底切通道和具有与该通道的横截面形状互补的横截面形状的协作的肋状突起。在这种布置中，每个吸收器元件包括接合装置的一半，即突起或通道中的一个，顶部玻璃盖的相邻的表面设置有各个协作部件，其形成接合装置的另一半。优选地，每个吸收器元件将包括底切通道，并且顶部玻璃盖的相邻的表面设置有各个协作肋状突起。
优选的实施例还可包括底盖，所述底盖通过滑动或夹紧接合被连接至吸收器组件，所述接合装置类似地包括底切通道和具有与该通道的横截面形状互补的横截面形状的协作的肋状突起。在这种布置中，每个吸收器元件也包括接合装置的一半，即突起或通道中的一个，并且底盖的相邻的表面设置有各个协作部件，其形成接合装置的另一半。优选地，每个吸收器元件将包括底切通道，并且底盖的相邻的表面设置有各个协作肋状突起。
太阳能收集器的吸收器元件可具有在大于50％和0％之间的夏至正午太阳接收孔(参见图1-3的定义)，而同时具有约100％的冬至正午太阳接收孔。优选地，绝对的冬至正午太阳接收孔至少是夏至正午太阳接收孔的两倍。
反射元件还可降低来自吸收器元件流体通道的热损耗，所述流体通道可大致在反射区域的下面延伸。为此，反射器可由具有非常低的发射率的材料制成。
台阶形反射元件的可能的角度由屋顶的斜度和安装位置的纬度确定，对于任何特定的斜度和纬度，所述角度可以在由下面的方程1和方程2给出的值之间的值的范围中 其中，r是反射元件的角度，w是在特定的安装位置处的太阳的正午冬至太阳的角度，并且p是屋顶的斜度(参见图1的所有角度的定义)。
方程1给出系统的反射角度的下限，所述系统基本上仅是冬季收集器，并且可能需要被安装在屋顶上，所述屋顶略微偏移于太阳的正午定向(即其需要最大化较低的冬季太阳角度的捕获)。这样的应用不需要相当大量的夏季收集。
方程2给出反射器角度的上限，其中，最大的热量收集出现在春季和秋季昼夜等分点附近。然而，所述实施例也具有显著的夏季排斥，因此对夏季滞止温度进行保护。接近上限范围的反射器角度对应于相当量的热量在夏季仍然被需要的安装条件，例如仅用于家庭的热水系统。
对于收集器面对正午太阳的安装的优选的反射器角度是冬至正午太阳照射反射器的外边缘并且被反射至吸收器面的顶部边缘的角度。求出这个值的r的方程是 r＝(w＝p)/2(3) 太阳能收集器的实施例可利用在吸收器元件的太阳暴露表面上的表面选择性涂层和在吸收器结构下面的绝缘体，同时保持夏季滞止温度低于破坏水平，使得使用便宜的非功能塑料是可以接受的。
在太阳能收集器覆盖正午朝向的屋顶的相当大的部分时，它还可帮助降低屋顶腔的温度，并且因此通过在屋顶上提供适当形式的反射和非反射的绝缘体降低夏季中的室内温度。
优选的太阳能收集器可在冬季收集更多的能量或在四季中收集相对恒定的热能供给，并且它因此可以防止储存箱的水过热，并且因此避免夏季中对热量主动预防装置的需要。这样的太阳能收集器也可全天提供较平坦的热量收集曲线，消除尖锐的收集峰，尤其是在夏季月份中。
虽然一些塑料可能是较不坚固的材料，但是塑料收集器仍可提供较长耐久性的收集器。例如，这样的收集器不会遭受包括内部腐蚀或被来自使用的硬水的沉淀物堵塞、或如在金属收集器中发生的由于非柔性金属管道内的水冻结而被损坏的问题。因为顶部玻璃盖可能需要周期性的更换，所以太阳能收集器可具有为了轻易地更换这种塑料盖的装置，所述塑料盖基本上覆盖整个收集器并且阻挡相当量的UV辐射。
太阳能收集器可以足够轻，以致于细管(slim-line)屋顶支撑的收集器可以利用典型的屋顶作为已有的平坦的支撑结构，并且因此消除对于任何广泛的内部或外部收集器支撑或硬化结构的需要。这样的收集器可以在建造时使用最小量的材料，从而导致较低的制作成本。



现在将通过举例的方式参考附图对太阳能收集器的实施例进行描述，其中 图1显示装配至屋顶结构的太阳能收集器； 图2示意性地示出简单的台阶形的吸收器/反射器结构的顶部的横截面视图； 图3示意性地示出在反射器元件上显示出很小曲率的太阳能收集器的结构的横截面视图； 图4示意性地示出适合于需要较少冬季加热的情形中的太阳能收集器； 图5示意性地示出适合于需要较少冬季加热的情形中的另一太阳能收集器布置； 图6示意性地示出显示吸收器流体通道在吸收器元件中的可能布置的太阳能收集器； 图7示意性地示出显示多个吸收器流体通道在每个吸收器元件中的可能布置的太阳能收集器； 图8示意性地示出显示一种用于连接顶部玻璃盖和底部壳体盖的方法的太阳能收集器； 图9示意性地示出类似于图8但具有用于顶部玻璃盖的不同的模块的太阳能收集器； 图10示意性地示出类似于图8但装配有另一顶部玻璃盖的太阳能收集器； 图11示意性地示出在每个吸收器元件中具有三角形流体通道的太阳能收集器； 图12示意性地示出在每个吸收器元件中具有矩形流体通道的太阳能收集器； 图13示意性地示出在每个吸收器元件中具有矩形流体通道的太阳能收集器，且吸收器元件的阵列通过直接彼此连接吸收器元件来构建； 图14示意性地示出具有圆柱形太阳暴露表面区域和用于每一吸收器元件且部分地设置在各个反射元件下面的流体通道的太阳能收集器； 图15示意性示出具有垂直于吸收器元件的太阳暴露区域延伸的多个流体通道的太阳能收集器；和 图16示意性地示出每个流体通道为多个吸收器元件和反射器服务的太阳能收集器。

具体实施例方式 对太阳能收集器面板的实施例的详细描述 参考图1，显示了装配至屋顶结构19的太阳能收集器11。这样的安装可被作为翻新或可以在建造时完成，在上述情形中屋顶可被特定地改造以允许管路简单地安装和设置。实施例显示具有典型的外壳结构的太阳能收集器11，所述外壳结构包括侧壁13、顶盖14和底盖或壁26(参考图6-14和16)，吸收器元件10和反射器12的内部布置配置成台阶状的结构。进口15和出口17端部管道系统连接被提供用于吸收器流体通道22(参考图6-15)。连接至进口15和出口17的管道系统(未显示)将被从屋顶19引导且被连接至热量储存系统或直接被用于提供可使用的热量。
优选的太阳能收集器11是吸收太阳能且把它转化成热量的薄断面(型面高度)的面板。无源或非机械的方法被用于限制在夏季月份中收集器中的峰值滞止温度，使得可采用低成本的材料，否则如果峰值滞止温度不被限制那么它将潜在地被损坏。
收集器面板11是大致平坦的，且具有例如由塑料或其它的低成本材料形成的吸收器元件10和顶部玻璃盖的主要部件。
提出将优选的太阳能收集器安装在平坦的支撑结构(例如屋顶)上，其具有从水平面测量的达到60°但优选地在10°和50°之间的斜度。太阳能收集器11优选地被安装以面向正午太阳的方向(即在南半球中向正北或在北半球中向正南)，但可以以在正午太阳的方向的一侧的小角度安装，而不显著地损失效率。
参考图2至5，面板包括具有太阳暴露区域21的细长的塑料吸收器元件10的固定的平行阵列，每个吸收器元件在收集器的水平长度上延伸。在使用中，所述元件优选地将沿大致东-西方向上延伸。大致平坦的细长矩形的反射元件12的固定的平行阵列也以沿收集器的水平长度(大致在东-西方向上)延伸的长度以平行的布置间隔开。反射元件和吸收器元件的长度以吸收器/反射器交替的方式布置，反射元件在沿着屋顶的斜度方向观看时形成大致台阶状的外观。
通过图6-16中的例子的方式显示了各种实施例的结构的横截面视图。整个吸收器结构28可被制造成包括各个吸收器元件10的单个挤压件，各个吸收器元件10通过在反射器将被设置的位置处的连接件而被连接。可替代地，这可被实现，例如通过(六角手风琴，concertina)切割和折叠多壁材料的单个件来形成如图15中示出的吸收器结构的台阶形的顶表面。反射材料可被随后施加至连接件。可替代地，分离的吸收器元件10和反射器12可被组装和连接以形成平行的阵列。
至少一个透明的塑料玻璃(plastic glazing)顶盖14位于吸收器结构28的上方以保持热量和保护吸收器结构。
成对的相邻反射器的长边缘形成细长的平面矩形孔，通过所述孔或在所述孔中吸收器元件10的吸收区域或吸收面21被暴露于直接的和反射的太阳曝晒。所述暴露的区域或面21优选地是平坦的且优选地与平面的矩形孔一致，因此可略微从平坦的矩形孔向前突出或从平坦的矩形孔略微向后。如图2-5所示，平坦的矩形孔和暴露的区域或面大致垂直或至少相对于水平面成一角度，使得直射的夏至正午太阳以大的入射角度照射所述区域或面(或穿透矩形孔)，同时直射的冬至或春分/秋分(昼夜平分点)正午太阳以较小的入射角度照射所述区域或面。对应的反射器12位于每一太阳暴露表面区域或面21(沿屋顶或支撑结构的斜度观看时)前面，其朝向或远离对应的太阳暴露表面区域旋转且以相对于水平面可能是正的或负的很小的角度r被固定(参见图2)。每个反射元件起到将冬季太阳曝晒反射至对应的相邻的吸收器元件10的太阳暴露表面区域21的作用。
反射元件的角度r依赖于屋顶斜度p(再次参考图2)和安装位置的纬度，对特定的屋顶斜度和纬度，这一角度可以是在由方程1和方程2(上述的)给出的值之间的值的范围内。为了集中冬季辐射的目的，r和p的值可被选择以使得反射元件将照射在反射器上的冬季太阳辐射的大部分反射至对应的太阳暴露表面区域，而为了限制夏季停滞温度的目的，将夏季太阳辐射的全部或一部分排斥回大气中。
虽然太阳能收集器可以适合于多种热量吸收技术，但是在优选的实施例中每个吸收器元件具有至少一个内部流体运载通道22，热量被转移至内部流体运载通道22和送出以被存储，并且其中这些通道在太阳暴露吸收区域10下面延伸且可选地还可在反射区域下面延伸(例如参见图11和15)。这些通道可以沿如图6-14和16所示的面板的长度(与反射元件和吸收器元件平行)延伸，或可替代地垂直于反射元件(沿屋顶的斜度向上，参见图15)或以任何这样的角度延伸。
太阳能收集器的提出的实施例可能起初看上去违背常理，因为收集器的效率在最佳的太阳能收集季节(即，夏季)被有意地限制，而几乎之前所有的方案对于每个季节力争增加效率。另外，在本发明的收集器的情形下几乎需要两倍的面板面积来收集与标准的平坦的太阳能面板在一整年中收集的能量相同的在一整年中收集的能量，因此，这也可能看上去违背常理。对于本发明的太阳能收集器，必须认识到，首先对于典型的情形，冬季对热水的需求远大于夏季的需求，因此如果我们具有足够大的安装面板以供给足够的冬季热水(对于家庭加热和热水服务)，那么我们将会在夏季具有足够多的热水，并且因此我们可以轻易地牺牲夏季的效率而不接近最大夏季热水需求或降低至最大夏季热水需求之下。其次，必须认识到典型的热水太阳能平坦的安装面板目前占据的屋顶面积远小于可以利用的屋顶面积，因此典型的屋顶面积可以容纳更大的面板。第三，大多数现有技术设备集中于最大化每平方米收集的热量，然而必须认识到当然每平方米的太阳的能量是不受限制的，而对于典型的房屋/楼房可利用的屋顶面积(或支撑结构)通常是已经存在的且能够容纳比当前通常使用的更大的尺寸的收集器。因此，没有与支撑更大的面板或更多的面板相关的显著的额外的费用，因此本发明的太阳能收集器的设计集中于收集的每单位热量的成本，通过增加收集器的面积来弥补整年中热量收集的不足。通过采用更加便宜的太阳能收集器建造方法，所述方法使得显著地降低每单位热量的成本成为可能。
这种类型的优选的收集器布置可潜在地制造具有大约在大于50％和0％之间的夏至正午太阳接收孔(参考图1-3)(直接的和反射的)的太阳能面板，而同时具有大约100％的冬至正午太阳接收孔(直接的和反射的)，其中，绝对的冬至正午太阳接收孔至少是夏至正午太阳接收孔的两倍。
因此，制造具有避免在夏季过热而集中冬季曝晒的两个优点的这种类型的无源太阳能面板成为可能。虽然提出的面板显著地集中冬季曝晒，因此可能遇到冬季滞止温度问题，但是必须认识到对于地球上的大多数地方，冬季温度远小于夏季温度，冬季的太阳辐射在天空较低，因此穿过更多的大气，因此比夏季的太阳的集中低，并且其次对于设想的典型的安装(对于约25-35°的屋顶斜度)，冬季的太阳以比其它季节更大的入射角度照射整个收集器。因此，这种收集器首次允许使用具有有效的表面选择性涂层和非常好的下层绝缘的玻璃(或双层玻璃)并结合在大多数结构中使用便宜的非功能塑料，而不用关注夏季滞止温度。这具有以比传统的平坦的板式收集器更低的成本提供在冬季非常有效率而在夏季有目的使得效率较低的太阳能面板的可能。
通过使用上面描述的原理，构建在冬季可收集更多能量或在四个季节中可收集相对恒定的热能供给的太阳能收集器成为可能。作为另外的优点，收集器可避免储水箱的水过热并且因此避免对于夏季中主动预防热量的装置的需求，从而潜在地降低了总的系统成本。
提供全天的较平坦的热量收集曲线也成为可能，消除了尖锐的收集峰，尤其是在这经常成为问题的夏季月份中。
面板还可被构建以用于在屋顶上提供一种适当形式的反射和非反射的绝缘体的目的，并且因此有助于降低屋顶腔的温度，并且因此降低夏季的室内温度，其中太阳能收集器覆盖面对正午太阳的屋顶的相当大的部分。
通过使用塑料部件，构建更加便宜且更长耐久性的收集器面板成为可能，所述收集器面板不会被来自使用的硬水的沉淀物腐蚀或内部堵塞，或如金属收集器发生的由于不挠曲的金属管道内部的水的冻结而被损坏。对于这个目的，可能需要周期性的更换顶部玻璃盖。为此，在优选的实施例中提出用于轻易地更换这种塑料盖的装置或措施，塑料盖基本上覆盖整个收集器且可阻挡相当量的UV辐射。
通过构建细管(slim-line)屋顶支撑的面板，收集器利用典型的屋顶作为已存在的平坦的支撑结构也成为可能，并且因此消除对于任何广泛的内部或外部收集器支撑或硬化结构的需求，并且因此提供一种收集器，其在构建中使用最小量的材料和使收集器及其安装的成本大为降低。
参考图2，显示出吸收器10和反射器12的台阶形结构的顶部的典型的示例的横截面示意图。图2中的示例显示出反射元件12和吸收器元件10的太阳暴露吸收区域或面21和它们彼此的典型的台阶状关系。图1通过将37.5°的纬度作为例子(将冬至正午太阳仰角假定为29°)还显示出对于夏至的正午太阳纬度42的整个接收孔16S和排斥孔18S。图1中的秋分正午太阳纬度41被显示以提供整个接收孔16A和排斥孔18A，同时冬至正午太阳纬度40被显示以提供整个接收孔16W并且排斥孔已经消失。给定的配置碰巧显示拒绝夏至的太阳的正午曝晒的约75％，当然具有各种夏季拒绝百分数的其它应用通过改变如下面所显示的r和太阳暴露的吸收区域21的角度也轻易地成为可能。反射元件的角度r(其对于本实施例的应用恰巧接近水平面)从水平面被逆时针地测量。正午冬至太阳辐射40的仰角w也被从水平面逆时针地测量，而其上安装了收集器的屋顶或支撑结构的斜度p被从水平面顺时针地测量。在附图中，由两个相对的反射元件的边缘形成的平面矩形孔被显示为与吸收器元件10的太阳的暴露表面区域21一致。
图3显示在反射元件上显示很小的曲率的另一实施例的收集器的横截面结构。这样的实施例在冬季是需要高水平的热量同时在夏季需要明显较少的热量的情形中是有用的。
图4显示需要较少冬季加热的情形中的太阳能收集器的另一实施例，并且同样地较小的屋顶面板的较大部分被用于在夏季月份中提供热水。附图显示对夏至正午曝晒的排斥率约为50％。用于这样的应用的太阳暴露表面区域10被显示更加朝向春-秋分的太阳倾斜。在图4中，由两个相邻的反射元件12的边缘形成的平面矩形孔被显示与吸收器元件10的太阳暴露的表面区域一致。
图5显示需要较少冬季加热的另一实施例的太阳能收集器，并且同样地较小的屋顶面板的较大部分被使用以在夏季月份中提供热水，但显示略微大的反射器角度r。附图显示对夏至太阳的正午曝晒的排斥率约为60％。在图中，由两个相对的反射器的边缘形成的平面矩形孔被显示与吸收器元件10的太阳暴露表面区域一致。
图6显示具有近似圆柱形的吸收器液体通道22的另一实施例的太阳能收集器，其中，吸收器结构28(包括多个吸收器元件10和反射器12)被制成为单个(例如挤压的)塑料件，其中反射元件12被在吸收器元件10之间的平坦的连接区域48有效地支撑。附图还显示被连接至顶玻璃盖14的用于辐射接收吸收器表面区域21的可选的第二玻璃盖20。附图还显示出可选的绝缘体24和底盖26。在附图中，由两个相对的反射元件的边缘形成的平坦矩形孔被显示为不与各自的吸收器元件10的太阳暴露表面区域21一致，所述吸收器元件10被大致弯曲且朝前，并且因此看上出从矩形孔突出。
如果流体媒介由空气构成，那么空气优选地可以穿过平行布置的大致东-西延伸的通道22和在太阳暴露表面吸收器区域21前面的通道43延伸。起初空气可以穿过在吸收器面/反射器结构前面的第一通道43进入收集器，之后穿过吸收器太阳暴露面21(在这个例子中其对于空气是多孔的)，然后沿与进入的空气相同的方向穿过在热吸收表面下面的第二组通道22，并且在收集器的相对侧面上出去。可替换地，空气可在收集器的底部进入，但在吸收器/反射器的结构的前部，同样移动穿过吸收器太阳暴露面21(其对空气是多孔的)且从在收集器的顶部上的下部吸收器/反射器结构从收集器中出去。
图7显示具有多个吸收器流体通道22的另一实施例的太阳能收集器，其中，整个吸收器结构28被制成包括吸收器元件10的单个(例如挤压的)件，辐射接收吸收器区域21是平坦的且反射元件12被在相邻的吸收器元件10之间的平坦的区域48有效地支撑。附图还显示可选的绝缘体24和底盖26。在附图中，由两个相对的反射元件的边缘形成的平面矩形孔被显示为与吸收器元件10的太阳暴露表面区域21一致。
在图8、9和10中显示的太阳能收集器面板的例子显示用于连接顶部玻璃盖32以及底盖28至台阶反射器/吸收器结构28的装置，所述顶部玻璃盖32包括各种形状的变化。在本实施例中附图显示包括在通道中的夹子或接合在通道中的滑轨的连接系统。在吸收器元件10的上边缘上的开口的底切通道44接收从顶盖32的底表面延伸的突出肋45，且从吸收器结构28的一侧滑动或夹紧接合以连接顶盖32至吸收器结构28。实施例还显示具有在图8和9中的顶部玻璃盖32中的不同变化(modulation)图案和图10中的平坦的顶盖的顶盖的三种变形。由于操作中的收集器元件的热膨胀所述变化防止顶部玻璃盖的向上凸起。在底盖26的情形中，通道46和肋47的类似的布置允许底盖被滑动或夹紧到吸收器结构28上。连接系统的阳性/阴性特征的颠倒也是可以的，在该情形中，吸收器结构28将会承载阳性突出肋，玻璃盖和底盖将承载阴性开口底切通道。
图11显示每个吸收器元件10具有单个三角形流体通道22的太阳能收集器11的另一实施例，且流体通道基本上设置在反射元件的下面，其中包括吸收器元件10的整个吸收器结构28被制成单个件，辐射接收吸收器区域21是平坦的，反射元件12被桥接吸收器元件10的平坦区域48有效地支撑。所述附图还显示连接至顶部玻璃盖14的用于辐射接收吸收器表面区域21的可选的第二玻璃盖20。由两个相对的反射元件12的边缘形成的平面矩形孔被显示与吸收器元件10的太阳暴露表面区域21一致。
图12显示每个吸收器元件10具有单个矩形流体通道22的太阳能收集器的另一个实施例，其中吸收器作为一个整体通过连接吸收器元件10而被构建，辐射接收吸收器区域21是L形，反射元件12有效地是抛光的片状金属(或其它材料)，其还被用作连接吸收器元件10的目的。在附图中，由两个相对的反射元件12的边缘形成的平面矩形孔在这种情形中与吸收器元件10的太阳暴露表面区域不一致，所述太阳暴露的表面区域成大致L形并且因此基本上在矩形孔的前面。吸收器元件10在后顶部边缘和前底部边缘处设置有纵向槽口49，反射器12被放置进入到槽49中以将吸收器元件连接在一起形成台阶状的阵列。
图13显示每一吸收器元件10具有单个矩形流体通道22的太阳能收集器的另一实施例，其中吸收器元件的阵列作为一个整体通过直接彼此连接吸收器元件而被构建。在这种情形中，每个吸收器元件形成有一体的反射器，如所显示地所述阵列通过将每个反射器12的后端插入到在阵列28中的下一个吸收器元件的下部前边缘中的槽49中而被装配。在这个例子中，辐射接收吸收器区域21是平坦的，且反射元件12被吸收器元件10有效地支撑。在这种情形中由两个相对的反射元件12的边缘形成的平面矩形孔被显示与吸收器元件10的太阳暴露表面区域一致。
图14显示每个吸收器元件具有单个球形流体通道22的太阳能收集器的另一实施例，且流体通道部分地设置在反射元件下面，其中吸收器结构28被制成为单个件，并且吸收器元件10是圆柱形且具有半圆柱形的辐射接收面21。显示的反射元件12由聚碳酸酯镜子12制成且连接至顶部玻璃盖14。基本上覆盖吸收器元件10的太阳暴露表面区域21的第二玻璃20也被连接至顶部玻璃盖14。在这种情形中由两个相对的反射元件12的边缘形成的平面矩形孔与吸收器元件10的太阳暴露表面区域21不一致，太阳暴露表面是大致弯曲形状且被设置为从矩形孔略微向后。
图15显示了具有垂直于吸收器元件10的暴露表面21和反射元件12的长(使用中东-西)轴延伸的多个流体通道22的太阳能收集器的另一实施例，其中，吸收器元件10和反射器元件12形成台阶结构28。在图15中由两个相对的反射元件的边缘形成的平面矩形孔被显示为与吸收器元件10的太阳暴露表面区域21一致。
图16显示每个流体通道22具有多对(小型化)太阳暴露吸收器面21和反射器元件12的太阳能收集器的另一实施例。流体通道22与吸收器元件10和反射器元件12平行地延伸。
本领域技术人员将会理解，在不背离如宽泛地描述的本发明的实质或范围的情形下，可对在特定实施例中所显示的本发明进行许多变形、组合和/或修改。因此，本发明实施例在所有方面被认为是示例性的而不是限制性的。
权利要求
1.一种薄断面的太阳能收集器，用于收集太阳能作为热量，同时限制夏季月份中收集器中的可能的峰值滞止温度，包括
(a)多个反射器，分别具有第一和第二边缘，反射元件布置成固定偏移的平行阵列，以在使用中形成面向上的反射表面的楼梯；
(b)吸收器元件，具有位于每对反射元件之间的暴露表面，所述暴露表面大致位于所述相邻的一对反射元件中的一个的第一边缘和所述一对反射元件中的另一个的第二边缘之间，并且所述暴露表面被设置以与所述反射元件的每一个成一角度，从而形成所述吸收器元件的暴露表面的固定的平行阵列；和
(c)透明的顶盖，在反射元件和吸收器元件上方延伸，
使得在使用中所述反射元件在第一大致水平方向上定向，并且入射的阳光穿过顶盖并且直接落在每个吸收器元件的暴露表面上，和/或落在与吸收器元件中的一个吸收器元件的暴露表面邻近的反射器上并且能够从所述反射器反射至各个暴露表面上。
2.根据权利要求1所述的太阳能收集器，其中，所述太阳能收集器被布置以安装在平坦的支撑结构上。
3.根据权利要求1或2所述的太阳能收集器，其中，在被安装至使用位置上时，塑料吸收器元件在大致东-西方向上延伸。
4.根据权利要求1、2或3所述的太阳能收集器，其中，收集器的部分由塑料制成。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的太阳能收集器，其中，所述收集器的所有部分由塑料制成。
6.根据权利要求1至4中任一项所述的太阳能收集器，其中，所述透明顶盖由塑料制成。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的太阳能收集器，其中，所述收集器的部分由低成本的材料制成。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的太阳能收集器，其中，所述收集器的部分由温度敏感的材料制成。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的太阳能收集器，其中，所述透明顶盖阻挡紫外光的透射。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的太阳能收集器，其中，所述透明顶盖由聚合物材料制成。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的太阳能收集器，其中，所述吸收器元件由聚合物材料制成。
12.根据权利要求1至4中任一项所述的太阳能收集器，其中，所述透明顶盖由玻璃形成。
13.根据权利要求1至12中任一项所述的太阳能收集器，其中，所述收集器面板包括由密封的空气间隙分隔开的多个顶盖。
14.根据权利要求1至13中任一项所述的太阳能收集器，其中，所述吸收器元件具有在所述吸收器元件的暴露表面下面并与所述暴露表面热连通的至少一个流体通道。
15.根据权利要求1至14中任一项所述的太阳能收集器，其中，所述吸收器元件具有在所述反射区域下面的至少有一个流体通道。
16.根据权利要求14或15所述的太阳能收集器，其中，所述流体通道沿面板的长度与所述反射元件和吸收器元件平行地延伸。
17.根据权利要求14至16中任一项所述的太阳能收集器，其中，所述流体通道垂直于所述反射器延伸。
18.根据权利要求1至17中任一项所述的太阳能收集器，其中，所述吸收器元件的每一个具有在所述暴露表面下面延伸且与所述吸收器元件的暴露表面热连通的至少一个内部流体运载通道。
19.根据权利要求1-17中任一项所述的太阳能收集器，其中，内部流体运载通道在所述吸收器元件的暴露表面下面延伸。
20.根据权利要求18或19所述的太阳能收集器，其中，所述流体运载通道在所述反射区域下面延伸。
21.根据权利要求18至20中任一项所述的太阳能收集器，其中，所述流体通道垂直于所述反射元件延伸。
22.根据权利要求1至21中任一项所述的太阳能收集器，其中，所述收集器安装在具有60°或更小的斜度的屋顶上。
23.根据权利要求1至22中任一项所述的太阳能收集器，其中，绝缘体安装在所述吸收器结构的下面。
24.根据权利要求1至23中任一项所述的太阳能收集器，其中，所述顶盖形成外壳的一部分，所述外壳包围反射器和吸收器元件的阵列。
25.根据权利要求1至24中任一项所述的太阳能收集器，其中，所述暴露的吸收器表面被涂黑且具有很高的太阳能吸收率。
26.根据权利要求1至25中任一项所述的太阳能收集器，其中，所述吸收器元件的太阳暴露表面区域被倾斜成在所述太阳能收集器被安装在使用位置上时，使得所述太阳暴露表面区域的法线与正午太阳的太阳辐射所成的入射角在夏至时大于冬至或春分/秋分时。
27.根据权利要求1至26中任一项所述的太阳能收集器，其中，所述吸收器元件的太阳暴露表面区域是不平坦的，且在所述太阳能收集器被安装在使用位置时，所述太阳暴露表面的平均法线与正午太阳的太阳辐射所成的入射角在夏至时大于冬至或春分/秋分时。
28.根据权利要求1至27中任一项所述的太阳能收集器，其中，在所述太阳能收集器被安装在使用位置时，所述反射元件在水平面的上方或下方以很小的角度r被永久地固定。
29.根据权利要求1至27中任一项所述的太阳能收集器，其中，所述反射元件是不平坦的，且在所述太阳能收集器被安装在使用位置上时，以一角度永久地固定，所述角度的平均值是在水平面的上方或下方的很小的角度r。
30.根据权利要求1至29中任一项所述的太阳能收集器，其中，在水平面的上方或下方的每一个反射元件的角度r依赖于太阳能收集器安装在其上的屋顶的屋顶斜度p和安装位置处的纬度，对于特定的屋顶斜度和纬度的角度r具有在一个范围中选择的值，所述范围具有由方程1和方程2(在以下描述)限定的极限。
31.根据权利要求1至30中任一项所述的太阳能收集器，其中，所述吸收器元件由塑料制成且被紫外线稳定。
32.根据权利要求31所述的太阳能收集器，其中，所述塑料吸收器元件被着色。
33.根据权利要求31所述的太阳能收集器，其中，所述塑料吸收器元件在所述暴露的表面区域上用可选择的涂层处理。
34.根据权利要求1至33中任一项所述的太阳能收集器，其中，所述反射元件由从抛光的片状金属或聚碳酸酯镜子、真空铬镀层中选择的材料制成或通过添加反射的、铝处理的Mylar
薄片制成，所述Mylar
薄片施加在所述吸收器元件的暴露表面之间的区域上。
35.根据权利要求1至34中任一项所述的太阳能收集器，其中，在被安装在使用位置时，所述太阳能收集器的吸收器元件具有在50％和0％之间的夏至正午太阳接收孔和100％的冬至正午太阳接收孔。
36.根据权利要求37所述的太阳能收集器，其中，所述绝对的冬至正午太阳接收孔至少是所述夏至正午太阳接收孔的两倍。
37.根据权利要求1至36中任一项所述的太阳能收集器，其中，所述反射器由具有非常低的发射率的材料制成，从而所述反射元件降低大致在所述反射区域下面延伸的吸收器流体通道的热损耗。
38.根据权利要求14至21中任一项所述的太阳能收集器，其中，所述收集器包括将传热流体供给至所述太阳能收集器的流体通道中的进口和从所述收集器面板的通道运载传热流体的出口。
39.根据权利要求1至38中任一项所述的太阳能收集器，其中，所述塑料吸收器结构被制造成包括连接的吸收器元件的单个件。
40.根据权利要求1至38中任一项所述的太阳能收集器，其中，所述塑料吸收器结构被制造成分开的吸收器元件，并且之后形成平行的阵列。
41.根据权利要求1至40中任一项所述的太阳能收集器，其中，孔被限定在每对相邻的反射元件之间，所述孔被所述一对反射元件中的一个的第一边缘和所述一对反射元件中的另一个的第二边缘限定。
42.根据权利要求41所述的太阳能收集器，其中，在所述一对反射元件中的一个的第一边缘和所述一对反射元件中的另一个的第二边缘之间形成的所述孔是细长的平面矩形孔，通过所述孔吸收器区域或面被暴露于直接的和反射的太阳曝晒。
43.根据权利要求42中任一项所述的太阳能收集器，其中，所述平面的矩形孔和所述暴露的区域或面被以一角度朝水平面向下倾斜，使得直射的夏至正午太阳以较大的入射角照射所述区域或面(或穿过所述矩形孔)，而所述直射的冬至或春分/秋分(昼夜平分点)的正午太阳以较小的入射角照射所述区域或面。
44.根据权利要求1至43中任一项所述的太阳能收集器，其中，所述反射元件是细长矩形形状且沿所述收集器的水平尺寸的长度延伸。
45.根据权利要求44所述的太阳能收集器，其中，所述反射元件在使用中沿大致东-西方向延伸，其中，反射元件和吸收器元件被布置以在所述组件中交替，所述反射元件形成当沿所述屋顶的斜度的方向观看时的大致台阶状的外观，所述反射元件形成踏板并且所述吸收器元件形成台阶的竖板。
46.根据权利要求1至45中任一项所述的太阳能收集器，其中，所述台阶形反射元件被布置成与水平面成一角度，所述角度由屋顶斜度和安装位置的纬度来确定，对于任何特定的斜度和纬度，所述角度从由下面的方程1和2给出的值之间的值的范围中选出
其中，r是所述反射元件的角度，w是特定的安装位置处的太阳的正午冬至太阳的角度，以及P是屋顶的斜度。
47.根据权利要求46所述的太阳能收集器，其中，r＝(w-p)/2。
48.根据权利要求1至47中任一项所述的太阳能收集器，其中，所述顶部玻璃盖和所述吸收器组件通过滑动或夹紧接合而被连接，所述接合包括底切通道和具有与该通道的横截面形状互补的横截面形状以接合在所述通道中的协作肋状突起。
49.根据权利要求48所述的太阳能收集器，其中，每个吸收器元件包括所述突起或通道中的一个，并且所述顶部玻璃盖的相邻的表面设置有各个接合协作部件。
50.根据权利要求49所述的太阳能收集器，其中，每个吸收器元件包括底切通道，并且所述顶部玻璃盖的相邻的表面设置有所述各个协作肋状突起。
51.根据权利要求1至50中任一项所述的太阳能收集器，其中，所述底盖和所述吸收器组件通过滑动或夹紧接合而被连接，所述接合包括底切通道和具有与所述通道的横截面形状互补的横截面形状以接合在所述通道中的协作肋状突起。
52.根据权利要求51所述的太阳能收集器，其中，每个吸收器元件包括所述突起或通道中的一个，并且所述底盖的相邻的表面设置有各个接合协作部件。
53.根据权利要求52所述的太阳能收集器，其中，每个吸收器元件包括底切通道，并且所述底盖的相邻的表面设置有各个协作肋状突起。
全文摘要
一种薄断面太阳能收集器收集太阳能作为热量，同时限制夏季月份中收集器中的可能的峰值滞止温度。所述太阳能收集器具有多个反射器，每个反射器具有与相邻的反射器平行的纵向边缘，使得反射元件被布置成固定偏移的平行阵列，其在使用中形成向上反射表面的楼梯。吸收器元件位于相邻的一对反射器之间。每个吸收器元件具有位于每对反射元件之间并且被布置以在一个反射器的第一边缘和相邻的反射器的第二边缘之间延伸的暴露表面。吸收器元件的暴露表面被设置以与反射元件的每一个成一角度，从而形成吸收器元件的暴露表面的固定的平行的阵列。透明顶盖在反射元件和吸收器元件上方延伸。在使用中，反射元件在第一大致水平方向上定向，使得穿过顶盖的入射阳光或者直接落在每个吸收器元件的暴露表面上或者入射阳光落在邻近吸收器元件中的一个的暴露表面的反射器上并且反射至各自的暴露表面上。
文档编号F24J2/46GK101606029SQ200880004589
公开日2009年12月16日 申请日期2008年2月6日 优先权日2007年2月12日
发明者格雷格利·马丁·格劳古拉 申请人:索莱克瑟斯私人有限公司