太阳能空气加热装置制造方法
【专利摘要】一种太阳能空气加热模块，包含一个空气入口大致位于模块底部，以及一个空气出口大致位于模块的顶部；一个背面薄膜，其上有若干个从上面垂直伸出的圆锥形太阳能收集器；一个前方薄膜，与收集器接触，以防止空气在出入口之间泄漏；在模块中，空气通过进气口进入，流过收集器，并与加热的空气混合，直到从出气口流出。收集器在太阳能空气加热模块中是可以移动的。或者，收集器上每个收集器通过板或捆带连接在一起，使模块能够折卷起来，便于储藏。
【专利说明】太阳能空气加热装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及太阳能加热装置，特别是，涉及使用辐射吸收收集器的模块化太阳能加热装置。
【背景技术】
[0002]大部分常见的已有太阳能空气加热系统都采用安装在房屋墙体外侧的空气蒸发板(也即，空气流过板的表面)，来为房屋加热系统中的新鲜流通空气预加热。比如，美国专利N0.4774932中，Hollick描述了一种平坦的或纵向起皱的平板，其上有许多穿孔，比如圆孔或槽口，安装在房屋墙体的向南侧外。太阳能辐射将加热板吸热一面加热，房屋加热系统风扇将聚集在板外表层上，太阳能加热的边缘层空气吸入，通过板上的通孔进入到板后的整个管道中，之后进入到加热系统的入口。这样的系统是针对大面积的板以及高速流动的空气流而设计的。
[0003]对于该系统，环境风是一个至关重要的影响因素，会降低系统的效率。如果每平方英尺(I平方英尺约等于0.0929平方米)上通过通孔的排出气流低于大约2立方英尺(I立方英尺约等于0.0283立方米)，集中在板表面的加热边缘层气流可能会被风吹走。这个因素制约了将这种系统缩小应用在商品化及民用领域的可能，因为后者需要较小的加热面积以及少量的太阳能加热气流。另一个降低效率的制约因素来源于板的固定位置，通常板固定在房屋垂直方向的墙体上。与地面形成90°的夹角，这不能与每天及每季度的太阳入射角方向(大约为安装地区纬度的平均值)保持垂直。这样，一部分太阳能辐射通过加热板反射出去，造成的结果是，与垂直于太阳入射角方向的板相比，其上热辐射损失20%至25%。
[0004]Hollick蒸发空气太阳能加热系统已经是成功实现商业化生产的太阳能空气加热器，主要用在房屋的通风和加热系统中。目前在民用和小型商业市场上常用的太阳能加热系统只有太阳能热水器。太阳能热水器同样存在一些问题。由于需要专业的安装，太阳能热水器的安装费用较高，甚至在使用过程中高的能量成本，以及出于能量节约的角度，系统的经济回报需要几年的时间来实现。对于尝试应用在民用市场的太阳能空气加热系统而言，这些不利因素也同样存在。
[0005]目前，在Hollick 的专利 USP 4744932、Christiansen 等的专利 USP 5692491 以及McClenden的专利USP 7677243中提出了无玻璃盖板的蒸发型太阳能(UTS)空气加热器，在吸入空气一侧使用通风扇，将外界新鲜空气通过热能吸收表面上的蒸发空气板通孔吸入。同时也将加热板太阳能辐射表面上的太阳能加热边界层空气也吸入。新鲜的空气和加热边界层空气在蒸发空气板后的空间里混合。这是一个单通道系统，其加热能力受到环境风的影响，风可能会将加热的边界层空气从UTS板上吹走。
[0006]在Hummel 的专利 USP 4323054、Doherty 的专利 USP 7434577、Mique 的专利 USP4159707、Telkes 的专利 USP 4034736，Rylewski 的专利 USP 6109258，以及 Borst 等的专利USP 4090494中提出的有玻璃盖板的蒸发型太阳能(GTS)加热器，运行方式与前文所述相似，尽管加了玻璃盖板后，通过玻璃盖板会造成热辐射传递的部分损失，但与无玻璃盖板UTS板相比，由于玻璃盖板能防止环境风将蒸发板表面的加热边界层空气吹走，这种系统更高效。这些也是单通道系统。
[0007]UTS蒸发空气板上的多孔结构对于系统的加热性能也是一个至关重要的因素。新西兰奥克兰大学机械工程系于2004年8月发表的名为《使用多孔金属板作为房屋空间加热太阳能收集器》的研究表明，整个收集器板表面最优的孔隙率为0.2%至0.4%。北半球板上使用的孔隙率范围是1.0%至2.0%。同时，文中也指出，降低风扇吸气率以及较高的风速也会影响UTS收集器的效率。
[0008]Doherty的专利USP 7434557中提出了一系列固定方向角度的平板形太阳能加热器，空气流过台阶时被加热。每个太阳能收集器的前边缘与前玻璃盖板接触，其上的后边缘与后玻璃盖板接触。空气流过收集器的边缘，沿着平行于收集器长度的方向，在每个收集器中经过一系列分区，并通过收集器的热传导加热。空气流不会直接与每个收集器表面上加热的边缘层接触，不会与下一个收集器入口的气流混到一起。台阶式加热的空气在上方下一个角度的收集器下表面下方聚集起来，与背板接触，并流出气流通道。这种结构限制了通过空气混合进行的热传递,却能增加收集器内底部对气流的热传导。
[0009]Miquel 的专利 USP 4，159，707、Telkes 的专利 USP 4，034，736、Rylewski 的专利USP 6，109, 258以及Borst等的专利USP 4，090, 494公开了台阶式可调节或固定的太阳能收集器。Rylewski提出了一种有玻璃盖板的透明收集器，每个收集器上有背板与之接触，但没有新风或再流动的气流。Telkes和Miquel公开了台阶式收集器，但空气气流能在玻璃盖板和收集器之间流动通过每个台阶。Borst提出了一种固定的收集器板，安装在有孔的天窗里。太阳辐射只会投射在倾斜的前方有孔的表面，将太阳能加热的边缘层吸入到气流中，与Hollick 一样。这些太阳能空气加热器也是一种刚性结构。
[0010]对于能成功用于民用和小商业市场的太阳能空气加热器或热水器，应该是能大规模生产的；有一定的灵活性，并有模块化可应用于这种市场的使用和安装；安装简单方便；运输储存容易；能适用于民用；并有较高的太阳能加热效率以及较短的经济回报周期。
【发明内容】
[0011]本发明提供了一种模块化的太阳能加热模块及方法，通过太阳能辐射对空气或液体或者气液共同加热。模块安装容易，几乎不需要维护，可以远程操作，需要控制也可以不需要控制。模块可以根据不同应用场合设计成不同尺寸大小，固定位置可以垂直、水平、或成一定角度，通常面向太阳入射方向。太阳能加热模块可以挂在窗户上，对房间或房屋内部进行加热。这种模块可以固定在房屋墙体上或屋顶上，为房屋加热系统提供太阳能加热的空气或水。这种模块较大尺寸的配置可工业化地应用在农作物干燥、玻璃暖房供暖以及加热过程。当不需要使用时，这种模块可以被卷起来或折叠起来以方便储藏。
[0012]太阳能辐射收集器模块包含若干个具有太阳能辐射吸收表面的收集器，采集太阳能辐射。收集器是可调整的(自动或手动)，以跟踪太阳季节性以及纬度角度的变化。可选择地，一个固定的收集器实施例可以没有这种可调节功能。
[0013]装置中的收集器表面有特殊的形状或者有开孔，从而能在每个收集器内收集太阳能辐射以及加热边缘层空气。模块化的气流管道部件安装在太阳能收集器模块上，通过对流或风扇，引导气流流过收集器模块。在模块中的收集器按照台阶逐渐上升的形式布置，从而对气流进行加热。每个收集器的太阳能加热的边缘层空气会提高来自上一个收集器气流的温度。流过模块的房屋内回流空气或外界环境空气，带走每个收集器上的太阳能加热边缘层空气，因此当气流通过收集器模块时，会被逐渐加热。模块上循环的气流可调整为加热环境新鲜空气或加热回流的房屋内空气，或者加热两者的混合，并引导太阳能加热气流流入或流出一个房子。
[0014]一块透明玻璃盖板覆盖在收集器模块上，将气流封闭在收集器边缘上。在模块两侧的玻璃盖板可以都是透明的，让阳光透过模块进入到房间或房屋中。玻璃盖板也可具有凸起的表面作为收集器。一个安装完毕的太阳能加热装置可以通过增加更多的模块来增加它的尺寸。
[0015]太阳能空气加热模块的一个实施例里，收集器内有管道，可以携带液体通过收集器模块。太阳能辐射同时为空气和液体加热。流过装置的空气也可为液体额外加热。
[0016]本发明是一种模块化的太阳能加热装置及方法，通过太阳能辐射对空气或液体或者气液共同加热。完成安装后，装置的太阳能加热性能可以通过拆除或增加模块来降低或提高。该装置安装容易，需要极少的维护。
[0017]本装置通过太阳能辐射，以热学方式对排列的收集器辐射吸收表面的空气进行加热，收集器在模块中会面向或跟踪太阳方向。随着太阳能辐射以及反射通过空气层辐射的增大，上述表面加热的空气，在此称为边缘层空气的厚度会增加。无论是外部新鲜空气还是回流房屋空气，亦或是两者的混合气体，这些气流的运动会将收集器上的边缘层空气扫走，使气流的温度升高。在蒸发空气太阳能收集器热能吸收表面上的太阳能加热边缘层空气(在收集器表面通过太阳能辐射加热的空气)可对通过多个收集器的太阳能加热器中的气流逐渐加热。
[0018]本发明提出一种太阳能空气加热器，其包含包含:一系列排列的太阳能辐射吸收收集器；收集器被包围在前方透明薄膜和背面薄膜内，该前方透明薄膜位于面向太阳一侧的第一侧面上，该背面薄膜位于相对第一侧面的第二侧面上；每个前方薄膜和背面薄膜都与每个排列的收集器上的边缘接触；在第一薄膜(前方透明薄膜)和第二薄膜(背面薄膜)之间气流能流过收集器，气流与每个收集器上第一侧面的辐射吸收表面上的空气混合，并将混合的加热空气带入到临近的收集器内；以及一个管道将气流送到一个需要加热的空间里。
[0019]安装一个齿轮，用于将收集器旋转至面向太阳一侧。前后薄膜是柔性的，薄膜上有突出部分，将太阳能收集器排列固定在一定位置上。
[0020]收集器是若干个成形在或镶嵌在背面薄膜表面上的若干个圆锥形突起。可选择地，每个收集器上有一系列面向太阳的逐渐变细的鳍状结构，其中逐渐变细的鳍状结构上有侧壁表面，收集器上还有缺口，能让空气流过收集器，并收集加热空气。
[0021]收集器通常为圆柱形。可选择地，收集器是由薄的材料成形为半圆形，收集器上有孔洞，让空气流过收集器。另外可选择的实施例是，收集器通常是平坦的，上面有开口可让空气流过收集器；前方薄膜与背面薄膜之间的空间是可调节的，这样，前后薄膜都能与收集器接触。
[0022]收集器上面向太阳辐射方向的一个表面上有一系列逐渐变细的鳍状结构，其上还有逐渐变细的侧面。收集器旋转连接在背面薄膜平面上。[0023]收集器为圆柱形，上面有若干个逐渐变细的鳍状结构，沿着收集器的纵轴方向分开布置，让空气流过前后薄膜之间，鳍状结构之间的每个收集器。
[0024]收集器可以一系列垂直布置，每个收集器机械连接在相邻收集器上，这样收集器可在其纵轴方向上进行调节，与太阳辐射方向一致。
[0025]收集器可通过机动方式进行调整，使收集器的排列角度面向太阳方向。收集器采用一种太阳能收集材料制作或涂有一种太阳能辐射吸收材料涂层，并且制作收集器的材料刚度足够大，以保证结构的形状和位置。
[0026]收集器能卷成紧凑的一捆。
[0027]每个收集器的太阳能辐射吸收表面上固定有一个管子，每根管子与临近收集器上的相邻管子连接，并形成一个管系，管系上有一个出口和一个入口进出太阳能空气加热器；管系中携带的液体通过收集器的热传递以及气流的热对流来达到加热的目的。
[0028]包含本发明提出一种太阳能空气加热模块包含:一个大致位于模块底部的空气入口，以及一个大致位于模块顶部的空气出口 ；一个背面薄膜，其上有若干个从上面垂直伸出的圆锥形太阳能收集器；一个前方薄膜与所述收集器接触，以防止空气在出入口之间泄漏；在模块中，空气通过进气口进入，流过收集器，并与加热的空气混合，直到从出气口流出。
【专利附图】
【附图说明】
[0029]图1A是根据本发明一个太阳能空气加热装置上一个模块的实施例的垂直位置透视图。
[0030]图1B是有嵌入式风扇模块实施例的透视图。
[0031]图2是图1所示模块的局部爆炸透视图。
[0032]图3A是根据本发明以及其中的热能收集器上模块的实施例的局部视图。
[0033]图3B是根据本发明上有齿轮设计的圆柱形收集器的局部视图。
[0034]图4A是根据本发明一个收集器实施例的截面视图。
[0035]图4B是根据本发明收集器另一个实施例的局部视图。
[0036]图4C是根据本发明收集器另一个实施例的截面视图，其中收集器上有逐渐变细的鳍状结构。
[0037]图4D是根据本发明收集器另一个实施例的局部视图，其中收集器上是半圆形结构。
[0038]图4E是根据本发明收集器的另一个实施例的局部视图，其中收集器为圆柱形，上面有逐渐变细的鳍状结构。
[0039]图4F是沿着直线F-F方向的剖面视图。
[0040]图4G是沿着直线G-G方向的局部剖面视图。
[0041]图4H是一个收集器可选实施例的局部视图，其上有若干个圆锥形的元件。
[0042]图5是根据本发明一个太阳能空气加热模块实施例的水平位置前视图。
[0043]图6是根据本发明一个太阳能空气加热模块另一个实施的透视图，其上的管子连接在每个连接头上。
[0044]图7是本发明一个部分分解实施例的透视图，太阳能收集器上有一层薄膜。
[0045]图8A是根据本发明一个模块实施例的爆炸视图，其上的收集器固定在背板上。[0046]图SB是局部视图，其中详细展示说明了收集器。
【具体实施方式】
[0047]如图1A所示，太阳能收集器模块10 (其可能是一个较大太阳能收集装置的一部分，或者独立作为一个太阳能加热装置)可以垂直固定在一个表面上，比如一面外墙上。模块10可以水平位置或垂直位置安装，并可以与太阳入射角成任意角度。模块10的宽度、长度和厚度可以进行调节，以适应安装、气流以及加热性能的需要。
[0048]如图1A所示的模块10连接到外管道以及排风扇(图中未示出)上。管道罩20、22分别固定在太阳能收集模块10的顶端12和底端14上，外界的新鲜空气或大楼中回流的空气通过模块10进入或流出一个管道或其它空气通道。模块10可以通过连接在盖罩20的挂钩30挂在一面墙上或天花板上，或者可以通过紧固的方式直接固定在墙上或屋顶上。通过将模块与管道盖罩20、22相连的连接件40连接在一起，多个收集器模块10能组合使用。在这个太阳能空气加热模块10里，未加热的新鲜空气或回流气流的方向也是可以逆转的。模块10包含若干个排列布置的太阳能收集器80。
[0049]如图1B所示，吸气电扇50可组装在管道盖罩20内。吸气扇50的电力可通过一块光伏板或者其它供电能源提供。在图1B所示的实施例中，在气流入口处的管道盖罩22上有空气吸入口 60，比如设置一个可通过隔板(图中未示出)调节流量的开口，用来吸入或送出空气，或者二者的混合。
[0050]隔板是一块位于空气管道内可调节的双向隔板，而不是空气入口 60的一部分，隔板用以控制气流，并加热外部的新鲜空气或内部的回流空气，或者两者的混合，从而给房屋进行加热。在本发明的这个实施例中，模块10可以挂在窗户上，在下方窗台处打开几英寸的开口，让新鲜的空气流入房间中。入口 60可以位于太阳辐射一侧，也可位于面向房间内部的一侧。在该模块10内的一块隔板可打开或者关闭两侧的开口，从而可以仅仅让外部空气进入、内部空气流动或混合内部外部空气。这种方式能实现使新鲜空气进入房间、回流空气流动以及混合这两种气流，改善房屋内的环境。
[0051]如图2所示，收集器模块10面向太阳的一侧18上有一块透明的玻璃盖板70f，而位于模块10背向太阳的另一侧19上有板70b，该板70b可以是透明的，也可以是不透明的。玻璃盖板70f及板70b可以是固体或柔性体，并覆盖模块10上的太阳能收集器80 (如图2中剖开的部分所示)。如图2中所示的实施例，收集器80以及玻璃盖板70f分别固定在支架90、92上，支架连接在管道盖罩20、22上。
[0052]如图3A所示，模块10包含若干个基本平行排列的收集器80。玻璃盖板70f，如图中部分所示，覆盖着收集器80。使用在模块10上的收集器80实施例有许多不同类型。每种收集器80上有可以吸收能量的涂层或材料，以及可以吸收能量的着色以获取太阳辐射，形成收集器表面的加热边缘层空气180。本发明的另一个实施例中，收集器80有可反射的表面，将太阳辐射集中到一个表面或管子上。收集器80可以是金属、塑料或其它材料，通过表面吸收、材料热传导及表面缺口或孔洞来保存太阳辐射能。
[0053]收集器80可以采用多种低热传导系数材料制成，或者金属材料，其上可以有吸收辐射的涂层，用来形成太阳能加热边缘层空气。收集器80材料的重要特性是可以维持一定的形状，并且是太阳能吸收涂层。比如金属、塑料、木材、混凝土、织物、复合材料，甚至是纸张。
[0054]收集器80列可以位置固定或位置可调节，这样可使表面平面垂直于太阳入射角。调节收集器80的方式包含一个旋转连接器110，以及一根链条或类似链条的东西，或者皮带120，可以同时调节在模块10上所有收集器80，并使之成一排。
[0055]收集器80可以通过手动或电机方式，在水平或垂直方向上跟踪太阳的运动，从而增加收集器表面接收到的太阳能辐射，提高季节性效率。在本发明的一个模型上使用了自然资源加拿大清洁能源项目分析软件，软件评估了在下述不同季节里的9个月时间里，平板收集器模型在加拿大温哥华(北纬49.2° )的表现。
[0056]收集器的角度设置成与阳光入射方向垂直，太阳能空气加热器的季节效率会提高。电机跟踪收集器能跟踪每天太阳的运动路径，与垂直固定的太阳能空气加热器相比，能提高季节性效率超过30%。
[0057]每个收集器80连接在临近的收集器80上，并通过一侧的铰链盘100、110固定在侧栏85上，另一侧通过一根柔性皮带120，或其它旋转机构固定在另一侧上。
[0058]板100、110，皮带120，柔性玻璃盖板70f以及背板70b可让模块10卷起来或折叠起来，这样，收集器能折叠成一个紧凑封闭的形式。从而使模块10便于携带，在不使用时储存方便，当需要加热时再挂起来。同时，模块10可以水平方向布置，而使收集器80垂直方向排列，提供水平方向的气流，这样模块可以卷向窗子的一边或面向南侧房屋墙体的一边。
[0059]如图3B所示，收集器80可以是圆柱形，在收集器80的一端84有一个齿轮130。惰轮135和齿轮130通过一根绳索、链条或其它方式连接，用来调整收集器80表面86的角度，使它接近垂直于太阳与水平面形成的夹角。角度的调整可以通过手动或通过电机装置实现，并使用一个传感器来跟踪太阳的入射路径。在本发明的其它实施例中，模块10中的收集器80是垂直安装的，会跟踪太阳每天自东向西的方位角路径。
[0060]连接在每个收集器80上的齿轮130，可以设置成与相邻收集器80有不同的方向。这能使模块10针对不同的太阳入射角或者每天的太阳位置，有不同的加热性能。
[0061]如图4A所示，收集器80a有逐渐变细的鳍状结构140，以角度200所示方向，面向太阳。鳍状结构140上有锥形侧壁150，能让鳍状结构140上更多的侧壁表面向着阳光155。这些收集器80a的凸出表面积比收集器80a的长度与宽度相乘获得的表面积要大得多。这些凸出的表面区域吸收太阳辐射能，在鳍状结构140之间，鳍状结构140的锥形侧壁150上形成加热边缘层空气180。开口 170能让来自管道盖罩20或22的新鲜空气或回流空气160流入，并通过收集器80a。当气流160经过收集器80a时,会带走在锥形侧壁150上的加热边缘层空气180。边缘层空气180与气流160混合，使气流160温度上升。
[0062]收集器80a上逐渐变细的鳍状结构140增加了收集器80a垂直于太阳辐射方向的凸出宽度。鳍状结构的截面通常为圆形，来密封前玻璃盖板70f和背板70b，使气流160保存在模块10内，而不会影响收集器80a的角度垂直于太阳入射角。在一个直径为4英寸长度为48英寸的收集器80a中，其表面积为1.33平方英尺，其中23%为空气流动区域，而凸出鳍状结构面积11.53平方英尺为太阳能辐射加热边缘层空气180。
[0063]玻璃盖板70f能阻止周围的风将加热的边缘层空气180从收集器80a上吹走。前玻璃盖板70f以及背板或背面玻璃盖板70b与每个收集器80a接触，控制气流160按照气流从空气入口到空气出口的方向，流动通过每个收集器80a并加热。移动的气流160与每块收集器80a上的加热边缘层空气180混合。如果模块10固定在房屋的一面墙体上，气流160也会将房屋在模块10背后通过墙体散发的热量损失吸收。对于非绝热的房屋而言，热量的耗散是非常可观的。
[0064]在本发明的这个实施例中，前玻璃盖板70f以及背板或背面玻璃盖板70b分别密封每个收集器80a的边缘190f及190b，空气气流160通过每个收集器80a。模块10上前玻璃盖板70f和背板70b都为透明玻璃盖板的情况下，在允许太阳辐射加热收集器80a上的边缘层空气180的同时，也可让光进入房间或模块后面的空间。对于有着不透明或黑色吸热表面的背板70b，每个模块10中的加热边缘层空气180会加入混合到气流160中。
[0065]本发明的实施例中，水平或垂直布置的收集器80是圆柱形的，收集器的外圆周上有鳍状结构140或其它类型表面，与前玻璃盖板70f接触，收集器80上的另一个部分190b与背板70b接触。在圆柱形收集器80旋转到垂直于太阳入射角的最高效位置时，始终保持密封状态。
[0066]在平面型收集器80的实施例中，在设定了面向太阳的旋转角度后，前玻璃盖板70f和背板70b之间的距离会进行调整，调窄或调宽玻璃盖板/背板边缘70f、70b之间的距离，来密封收集器边缘190f、190b以及气流160。
[0067]这种结构的另一个实施例中，收集器80与背面薄膜70b连接，采用链条或其它方式将每个收集器80连接起来，以根据太阳调整法向角度。
[0068]气流160的方向也是可逆转的。而典型气流160的方向与热流方向相同。
[0069]如图4B所示，收集器80b大致上有两个空间。在这个结构中，收集器80b的表面85以200所示角度面向太阳，气流160流过收集器80b上的槽口 170 (或者孔洞)，将在收集器表面85上的加热边缘层空气180收集起来。
[0070]如图4C所示的收集器80c，可能伸出或潜入到一个平面型的结构上，有着逐渐变细的鳍状结构146，鳍状结构的侧边155能提供更大的表面积来接受太阳辐射。气流160垂直流过收集器孔洞170，并与加热边缘层空气180混合。在收集器80c调节到面向太阳的200所示方向角度后,通过手动或自动方式将玻璃盖板70f及背板或背面玻璃盖板70b进行调整，使玻璃盖板70f、70b分别在190f及190b处与每个收集器80c接触并密封，从而控制气流160通过台阶上每个收集器80c，通过这种方式排除侧漏的情况。
[0071]如图4D所示，收集器80d可以是半圆形的，截面形状为包含了一条面向太阳方向的抛物线167的开口半圆165。孔洞170可让气流160流过收集器80d，并与加热边缘层空气180混合。收集器80d中空的形式能将太阳辐射反射到侧壁185内。收集器80d的形状在收集器列中会以一定的角度固定，或手动或自动地跟踪太阳角度变化。
[0072]收集器80中央部分205上也可设置一根管道210，管道210贯通收集器80d用来加热诸如水之类的液体。在这个实施例中，太阳能空气加热装置10可同时加热水和空气。每个收集器80d通过对流或风扇输送加热气流160，增加给管道210中液体的传热量。
[0073]如图4E、4F及4G所示，使用在模块10上收集器80e的另一个实施例是一种三维圆柱形太阳能收集器，其上有一系列圆形逐渐变细的鳍状结构145,从收集器80e圆周表面上伸出，其形成的表面150比收集器80e的长度与圆周形成的表面大许多。收集器80e的一个优势是，当静止时，无论每天日升日落的太阳角度如何变化，面向太阳的表面积始终是相同的。经过收集器80e上鳍状结构145的新鲜空气或回流孔气流160将鳍状结构145之间的加热边缘层空气180带走。收集器80e上背向太阳的区域220会根据太阳角度200的变化而改变的。
[0074]收集器SOe的形状和表面特征能增加收集器80e上面向太阳的区域面积，进而增加与太阳能加热气流160混合的加热边缘层气流180的体积量。
[0075]收集器80a和80e的鳍状结构140、145沿着垂直于收集器轴线方向布置，在任何海平面以上太阳入射角情况下，静止圆形收集器80a、80e面向太阳的法向面积相同，是同样大小逐渐变细鳍状结构的面积，而收集器中心投射形成的阴影区域较小。通过收集器鳍状结构140、145的气流160与鳍状结构140、145上的太阳能加热边缘层空气180混合。
[0076]若干个静止的水平方向收集器80，比如收集器80a和80e，可用于跟踪每年的季节变换造成的太阳与水平方向夹角变化。若干个静止的垂直方向圆柱形收集器80可追踪每天太阳自东向西的移动。因此，不需要为了提高效率，通过手动或机动手段来改变收集器的角度，使其面向太阳辐射方向。
[0077]图4H所示为一个收集器80f的实施例，其中收集器80f的表面上有若干个圆锥体290，圆锥体与前薄膜70f及背板70b接触。圆锥体290采用太阳能辐射吸收材料和/或者上面涂有太阳能吸收涂层。气流160流过圆锥体290，并吸收来自太阳的太阳能热。
[0078]图5所示为一个水平放置的模块10。在这个实施例中，收集器80从轨道230上垂直固定在玻璃盖板70f内。入气管道240控制气流160水平流过收集器，并从出口管道250出来。
[0079]收集器80可以自动跟踪每天太阳自东向西的路径，或者也可以是固定的收集器，比如收集器80e，位于模块10中来吸收太阳能辐射。可选择地，不使用时，收集器80可以像窗帘一样打开关闭，沿着上方轨道230的方向，将收集器80拉入一个位于模块10 —端的旋转容腔中(图中未示出)。
[0080]图6所示为本发明的一个实施例，可以用于水或其它液体的加热。管子260通过固定连接或旋转连接等方法，连接在每块平坦的收集器80上，并与相邻收集器80上的管子260接触。收集器80固定在前玻璃盖板70f后方，位于管子260的上方，并可通过手动或自动方式转动调整到面向太阳入射角。若液体从入口 270进入，模块10中的气流160也以相同的方向流动，加热的气流160会将热量传递给在管子260中的液体，直到液体流到出口280，将水流引流到一个绝热储藏箱中(图中未示出)。这样模块10可以在白天加热水流，并将热水储存在一个绝热箱中。在夜晚，通过储藏箱上的一个泵将热水泵出，并流过模块10，在模块10中房屋回流空气会将热量从管子260上带走，并在夜晚为房屋提供热量。
[0081]管子260与相邻收集器80上的管子260之间有一个固体可旋转连接或柔性连接。每一级台阶上的收集器80可用管子260作为一个旋转轴，将收集器80的平面转向垂直于阳光入射方向。当收集器80转动时，管子260也可作为一个固定连接线在模块10内移动。
[0082]收集器80通过热传递，将收集器80表面上太阳能加热边缘层空气180的热量传递到金属管子260上。从上一个收集器80中流出的加热气流160也会增加对管子260的热对流和热传递，并加热在管子260内流动的液体。加热气流160和在管子260内的液体流动方向通常一致，从而实现升温。
[0083]在夏天，加热的空气会被管道送出房屋。在另一个实施例中，储存箱中的加热液体能回流到模块10内，将热量传回给收集器80，以提供夜晚或阴天回流空气的热量，为房间或房屋供暖。
[0084]如图4D所示，有孔洞的圆形金属收集器80d可夹紧在管子260上。通过一条链条或其它方式来旋转管子上的收集器80d，针对太阳调节收集器80d的角度。
[0085]如图7所示，薄膜70f、70b接触每个收集器80e的相对两侧，可以是硬的定型的或嵌入的，支撑台阶上的太阳能收集器80。薄膜70b和/或者70f可成形成一定的形状来支撑和固定每个收集器80e。在另一个实施例中，收集器80可直接嵌入或成形在薄膜70f或70b上。太阳能辐射通过前薄膜70f，并加热在每个收集器80e上的边缘层空气180。气流160从薄膜70b或70f上的入口进入，并从薄膜70f或70b的出口带走太阳能加热空气160。前面的和背面的定型的薄膜70f、70b共同将收集器SOe的边缘密封起来。在出口处可以增加一个风扇50以增加气体流动。
[0086]图8A和SB所示为模块10的一个实施例，其中背面薄膜70b包含包含若干个嵌入的或定型的锥形体290 (与上述参考图4H的描述相似)，采用太阳能吸收材料制成和/或者具有一层太阳能吸收涂层，从薄膜70b表面上伸出。气流160从入口 292进入，在圆锥体290表面形成吸收太阳能辐射的边缘层空气180，直到从出口 294流出。
[0087]如图SB (以及图4H)所示的收集器，可以是圆锥形、截头圆锥形、角锥形或其它逐渐变细的形状，底部的面积比顶部面积要大。
[0088]模块10是模块化的，可以使用在空气管道、风扇管道以及作为太阳能收集箱，针对不同的应用场合采用不同的尺寸。因此，这能以较低的成本增加或减少太阳能加热表面的安装。在一个典型的实施例中，模块10的部件能根据适应太阳能空气加热器安装需要，提供一定的柔性。模块10的宽度可以根据窗户、门以及其它墙体上的开口的宽度进行调整。模块10的长度可以通过增加或减少收集器80来进行伸长或收缩。连接器40也可与模块10—起，增加表面积以及加热性能。收集器集合以及收集器的形状可以进行改变，提高或降低加热性能，或者改变位置让更多的阳光通过太阳能空气加热器。
[0089]使用管道盖罩固定件20、22将太阳能收集器排列连接形成一个更大的整体的多管道的HVAC系统。管道固定件20、22可有一体的风扇50，使气流160流过太阳能空气加热收集器模块10.风扇管道固定件20可以固定在太阳能收集器模块的进口 /出口 292、294，以改变气流160的方向。
[0090]本发明模块10的优点是，吸收太阳能辐射的蒸发性太阳能空气板是一系列水平或垂直布置的吸能收集器80，新鲜空气或回流气体160在其中流过收集器80，与表面上太阳能加热边缘层空气180混合。这与当下的UTS和GTS太阳能空气加热器的气流方向相反。
[0091]由于加热边缘层空气180静止在收集器80的表面上，因此其深度会增加。由于孔洞不会限制气流的体积，因此加热边缘层空气180能更好地与气流160混合。当气流160流过一系列的收集器80时，在每个收集器80上的太阳能边缘层空气180能增加流动气体的热量。针对本发明的一个实验，采用了 4英寸x8英寸的太阳能空气加热器，有23个水平方向的平面收集器80b，放置角度为49°面向太阳，在一个垂直布置的玻璃盖板罩内，每3个3平方英寸x48英寸的收集器的总收集器面积为28.75平方英尺，其中有24%的自由开放面积。实验在2011年I月19日，加拿大温哥华区，北纬49.2°进行。在下午1:30时，显示器显示环境温度以及太阳能加热器入口的温度为17.5 ° C (63.5 ° F)，而太阳能空气加热器出口的温度为24.9 ° C (76.8 ° F)。当监视器采集数据时，天气时阴时晴。从直径为5英寸的入口和出口管道处测量的气流速度为每分钟14立方英尺。这个气体对流率是没有循环风扇的。
[0092]实验显示，如本发明实施例中描述的，在模块中平板的或一定形状的吸热收集器80，体现出了几个优点。大的自由区域能降低空气流动阻力，让气流160对流通过模块10，随着太阳能辐射的增加而增加。本发明可以不用电扇，仅仅使用对流来运行。有一个风扇50，增加的太阳能温度会提高系统的整体对流速度以及风扇50的气流160速率。当太阳能温度下降，整个气流160的流速也会下降。
[0093]上述描述的实施例是作为例子提出的，目的是更清晰地理解本发明。该领域的技术人员会意识到修改、改进或变化会对上述实施例造成影响，但仍然包含于在此所提出权利要求定义的本发明领域中。
【权利要求】
1.一种太阳能空气加热器，其特征在于，该太阳能空气加热器包含: 一系列排列的太阳能辐射吸收收集器； 收集器被位于面向太阳一侧的第一侧面上的前方透明薄膜，以及位于相对的第二侧面上的背面薄膜包围； 每个前方薄膜和背面薄膜都与每个排列的收集器上的前面边缘和后面边缘接触；收集器在前方薄膜和背面薄膜确定的空间内能进行移动； 其中，气流从一个入口进入，流过在前后薄膜之间的收集器，气流与每个收集器上第一侧面的辐射吸收表面上的空气混合，并将混合的加热空气带入到临近的收集器内； 以及，一个空气出口，将气流送出到一个需要加热的空间里。
2.如权利要求1所述的太阳能空气加热器进一步包含一个齿轮，用于将收集器旋转至面向太阳一侧。
3.如权利要求1所述的太阳能空气加热器，其中前后薄膜是柔性的。
4.如权利要求1所述的太阳能空气加热器，其前后薄膜上有突出部分，将太阳能收集器排列固定在一定位置上。
5.如权利要求1所述的太阳能空气加热器，其中收集器是若干个圆锥形突起，成形在或镶嵌在背面薄膜表面上。
6.如权利要求1所述的太阳能空气加热器，其中每个收集器上有一系列面向太阳的逐渐变细的鳍状结构，逐 渐变细的鳍状结构上有侧壁表面，上面还有缺口，能让空气流过收集器,并收集加热空气。
7.如权利要求4所述的太阳能空气加热器，其中每个收集器通常为圆柱形。
8.如权利要求1所述的太阳能加热器，其中每个收集器是由薄的材料成形为半圆形，收集器上有孔洞，让空气流过收集器。
9.如权利要求1所述的太阳能空气加热器，其中收集器通常是平坦的，上面有开口可让空气流过收集器；前方薄膜与背面薄膜之间的空间是可调节的，这样无论收集器与前后薄膜的夹角多少，前后薄膜都能与收集器接触。
10.如权利要求9所述的太阳能空气加热器，其中收集器上面向太阳辐射方向的一个表面上有一系列逐渐变细的鳍状结构，其上还有逐渐变细的侧面。
11.如权利要求9所述的太阳能空气加热器，其中收集器旋转连接在背面薄膜平面上。
12.如权利要求1所述的太阳能空气加热器，其中每个收集器为圆柱形，上面有若干个逐渐变细的鳍状结构，沿着收集器的纵轴方向分开布置，让空气流过位于前后薄膜之间和鳍状结构之间的每个收集器。
13.如权利要求1所述的太阳能空气加热器，其中收集器垂直布置，每个所述收集器机械连接在相邻收集器上，这样所述收集器可在其纵轴方向上进行调节，与太阳辐射方向一致。
14.如权利要求13所述的太阳能空气加热器，其中收集器可通过机动方式进行调整，使收集器的排列角度面向太阳方向。
15.如权利要求1所述的太阳能空气加热器，其中收集器采用一种太阳能收集材料制作或涂有一种太阳能辐射吸收材料涂层，并且制作收集器的材料刚度足够大，以保证结构的形状和位置。
16.如权利要求1所述的太阳能空气加热器，其中收集器能拉卷成紧凑的一捆形式。
17.如权利要求1所述的太阳能空气加热器，其中每个收集器的第一侧面上固定有一个管子，每根管子与临近收集器上的相邻管子连接，并形成一个管系，管系上有一个出口和一个入口进出太阳能空气加热器；管系中携带的液体通过收集器的热传递以及气流的热对流来达到加热的目的。
18.—种太阳能空气加热模块包含: a)—个空气入口大致位于模块底部，以及一个空气出口大致位于模块的顶部； b)一个背面薄膜，所述背面薄膜上有若干个从上面垂直伸出的圆锥形太阳能收集器； c)一个前方薄膜，所述前方薄膜与所述收集器接触，以防止空气在出入口之间泄漏； 在模块中，空气通 过进气口进入，流过收集器，并与加热的空气混合，直到从出气口流出。
【文档编号】F24J2/24GK103620315SQ201280027337
【公开日】2014年3月5日 申请日期:2012年4月5日 优先权日:2011年4月8日
【发明者】卡梅隆·理查德·麦基, 哈利·爱德华·凯尔西 申请人:卡梅隆·理查德·麦基, 哈利·爱德华·凯尔西