太阳能空气加热/降温系统的制作方法
【专利说明】太阳能空气加热/降温系统发明领域
[0001]本发明涉及太阳能空气加热/降温/通风系统，和/或用于此系统中的太阳能集热器/热交换器。
[0002]发明背景
[0003]将太阳能用作人类需要的能量来源正日渐增长。然而，密集生活区中有限的朝阳表面导致需要效率和空间经济性增加的使用太阳能的系统，例如那些用于加热或降温通风、水能或光伏(PV)或风能发电的系统。
[0004]太阳能空气加热和降温系统已用于通风建筑，但也用于商业环境中，例如用于干燥生产。来自加拿大的SolarWall系统通过无光朝阳穿孔铝壁将空气汲取到商业、工业或公寓建筑中。这种类型的太阳能空气加热器属于渗透性太阳能空气集热器，具有广泛应用，例如风干谷物、有高通风要求的制造和装配工厂、分层天花板加热，或通常建筑物中的负压。混合版本已包括在太阳能空气加热器前面使用光伏容量，其被发现通过减少过热来增强PV的性能。
[0005]一些系统用于较住宅化的环境中，如Grammer Solar (总部也在加拿大)的有光泽的隔热平板单程面板，且具有各种矩形大小，其可互锁以形成较大的空气区域或较长的空气通道。这些系统可引入新鲜空气，和/或再循环温暖的浑浊空气。
[0006]太阳能加热/降温系统的其它实例包括自制系统，其例如使用安装在墙壁、屋顶以及一些情况下窗户上的有光泽隔热框架内的首尾相连依次排开布置的饮料罐或蛇形管。
[0007]另一实例是如SolarVenti (来自新西兰)等非隔热有光泽类型，其通过具有内部PV容量的面板背侧上的数百个小孔将空气供应到面板，来使风扇运转。
[0008]欧洲专利公开第2310760号描述一种与热量回收系统组合的太阳能空气加热器，所述热量回收系统沿垂直于前壁铺设的通道间隔具有逆流空气。所述系统使用新鲜空气、回收利用来自建筑的空气或来自在建筑物下通过的空气的储存热量。
[0009]在气流受限的情况下，或在空气直接与系统的难以清理的零件接触的情况下，此系统中出现低效性。
[0010]当可组合太阳能使用时，尤其当一者能增强另一者的性能时，产生经济效益。举例来说，呈相变材料(PCM)的形式的储热可导致被加热或降温的空气在太阳能空气加热/通风系统中的更均匀分布。这有助于在通常需要较多被太阳能加热的空气的白天晚些时候供应被太阳能加热的空气。这也可有助于防止系统中存在的任何PV面板过热。鉴于所有这些情况，引导空气的任何太阳能空气加热/通风系统适合结合其它太阳能用途来使用是合意的。
[0011]举例来说，对具有呈PCM形式的热量储存的双程太阳能空气加热器进行并在KingSaid大学和工程科学杂志中发表的实验研宄发现PCM在下午4点之后三个小时的时间使热能有明显的升尚。
[0012]PCT公开第85/00212号描述一种被设计来储存PCM的平板单向太阳能空气加热器。然而，此系统并不提供使其能够用于若干模式(例如在冬季用于加热，且在夏天用于降温)的灵活性。
[0013]加拿大专利第1082544号描述使用蜂窝构造作为有效手段来将热量诱捕在太阳能集热器板与透明墙壁之间来改进热效率。对将蜂窝状结构接合到透明墙壁下面以便使辐射指向吸收元件，并阻止气流朝向前面的透明墙壁的有效性进行了测试。在此专利中，气流穿过由多孔不透明材料组成的吸收剂集热器元件，在大多数情况下，空气与蜂窝结构接触。集热器的内部组件易于被气流污染，这影响透明度且因此影响效率，且该设计使得集热器难以清理。
[0014]以太阳能烟囱发电站的形式大规模利用太阳能。位于烟囱基座处的大型温室屋顶集热器有时为数百米高，借助于上升气流或对流(烟囱效应)来发电。此气流驱动烟囱内部或基座处的风力祸轮机。举例来说，具有集热区域的中国内蒙古金沙湾(Jinshawan)的一个塔意在覆盖超过200公顷，从玻璃盖下面的热砂吸收热量。使用温室效应，热空气沿烟囱向上流动，并通过使烟囱内部的涡轮机旋转来发电。PCT公开第WO 2008/022372号描述一种类似装置，用于使用太阳能烟囱效应从太阳能发电。美国专利公开第2011/021133号描述使用太阳能烟囱效应经由特伦伯墙(trombe wall)到祸轮机的气流，作为一种加热、降温和通风手段。
[0015]所有类型的太阳能空气加热器的共性在于其经由吸收介质捕获太阳辐射，并接着加热空气。所述太阳能空气加热器有广泛的使用潜力，用来干燥谷物、玻璃房、脱盐工厂、商业、工业、住宅环境等。挑战是在短期和长期持续时间内增加效率。太阳能空气加热器在短期内效率良好，但因连续气流而堵塞，使它们在不长的期限内变得低效。举例来说，吸收器上方的区域可比吸收器下方的区域暖(对具有热能储存的双程太阳能空气加热器的实验研宄，King Said大学工程科学杂志)。因此，透明前壁与吸收器板之间的空气流通在短期内将最大化热量的摄取，但可能快速减少热传输，且因此通过釉面下侧的污渍而降低效率。
[0016]太阳能空气加热器的集热器效率也取决于风扇流的比率。气流的减少导致最大化出口处的空气温度升高，但这是以太阳能空气加热系统的效率为代价。合意的气流取决于若干因素，例如外部空气温度差、太阳能空气加热器从吸收器提取热量的效率、太阳能空气加热器内的被阻气流、例如通过热量回收在入口预热/预冷空气的其它手段等。大多数太阳能空气加热器在40%到70%的效率范围内。
[0017]Omojaro和Aldabbagh已对使用同一空气来源的单程对双程布置的效率进行了实验。发现效率随着空气质量流率而增加。当为双程系统时，效率也增加。对于.038kg/s的空气质量流率，单程与双程空气加热器之间的最大效率差分别为59.62%和63.74%。当设计改进的太阳能空气加热技术时，可考虑这些因素。
[0018]加拿大专利第2393273号描述一种太阳能空气加热系统，其通过剪切管的若干段时期向内弯曲以形成鳍片来在管内部的通道中形成湍流，来努力最大化效率。然而，此系统导致管内部的流被中断，且因此增压。流的中断限制了穿过管的空气的体积，且因此限制了可加热的空气的量。这些鳍片也可能非常难以清理。
[0019]可通过屋顶集成太阳能空气加热系统来实现经济效益。Sreekumar进行了经济分析，并发现屋顶集成系统是高效的且经济上可行的，且这是依靠干燥菠萝的实验。因此，以使其能够进行屋顶集成或集成到建筑的任何部分中的方式来设计太阳能空气加热系统是合意的。
[0020]Hammou和Lacroix对使用相变材料来同时管理来自太阳能和电能的热量的储存的混合热能储存系统进行研宄。结果是用于空间加热的电消耗减少了 32%。当考虑到储存的热量在90%的电力被消耗时的峰值周期期间释放时，这是重要的。
[0021]发明目标
[0022]本发明的目标是提供一种改进的太阳能空气加热/降温/通风系统。
[0023]或者，本发明的目标是提供一种改进的太阳能集热器或热交换器。
[0024]或者，本发明的目标是解决与现有技术相关联的前述问题中的一个或多个。
[0025]或者，本发明的目标是至少向公众提供有用选择。
[0026]发明概述
[0027]根据本发明的第一方面，提供一种用于通风系统中的太阳能集热器，所述集热器包括:
[0028]多个邻近布置的上部空气通道；
[0029]顶部面板，其定位在所述上部空气通道上方，以界定所述顶部面板与所述上部空气通道之间的太阳能吸收空间，所述上部空气通道与所述太阳能吸收空间热连通；以及
[0030]用于与定位在所述上部空气通道下面并与之热连通的所述多个上部空气通道交换热能的装置；
[0031]其中上部和下部空气通道被配置来从不同来源接收空气，且未流体连接。
[0032]优选的是，所述用于交换热能的装置包括至少一个下部空气通道。
[0033]优选的是，上部和下部空气通道被配置来在相对方向上引导空气。
[0034]优选的是，所述太阳能集热器包括密封外壳，其中含有上部空气通道和下部空气通道，所述外壳的上表面包括顶部面板。
[0035]更优选的是，所述顶部面板、所述外壳的一个或多个侧壁以及所述上部空气通道的上表面界定太阳能吸收空间。
[0036]优选的是，所述太阳能吸收空间是气密密封的。更优选的是，所述外壳包括所述外壳的顶部面板与所述外壳的侧壁中的一个之间的一个或多个密封件，其中所述密封件被配置来允许外壳的顶部面板打开。
[0037]所述太阳能吸收空间优选含有热量吸收介质，例如空气。
[0038]优选的是，所述外壳包括隔热装置，其被配置来将热量诱捕在所述外壳中。
[0039]优选的是，所述上部空气通道包括用于在通道内部形成气流的湍流的装置。更优选的是，所述用于形成湍流的装置包括螺旋形鳍片，其在纵向方向上沿每一通道延伸。更优选的是，所述螺旋形鳍片以可移动方式安装在通道内部。或者或另外，所述用于形成湍流的装置可包括所述通道的内部表面上的一个或多个突起。
[0040]优选的是，所述用于交换热能的装置包括用于储存太阳能热能的装置。更优选的是，所述用于储存太阳能热能的装置包括相变材料。更优选的是，所述用于储存太阳能热能的装置定位成与所述一个或多个下部空气通道热连通。
[0041]优选的是，所述太阳能集热器包括一个或多个管，每一管界定所述上部空气通道中的一个。更优选的是，所述一个或多个管包括用于将邻近管连接在一起的连接装置。所述连接装置可包括互锁机构。
[0042]根据本发明的第二方面，提供一种用于通风系统中的太阳能集热器，所述集热器包括:
[0043]多个空气通道；
[0044]顶部面板，其定位在所述空气通道上方，以界定太阳能吸收空间，所述空气通道与所述太阳能吸收空间热连通；以及
[0045]用于在所述空气通道内部形成气流的湍流，而不实质上阻碍空气沿所述空气通道的流动的装置。
[0046]优选的是，所述用于形成湍流的装置包括螺旋形鳍片，其在纵向方向上沿每一通道延伸。更优选的是，所述螺旋形鳍片以可移动方式安装在通道内部。
[0047]或者或另外，所述用于形成湍流的装置可包括所述通道的内表