太阳能收集设备和设计方法
【专利说明】太阳能收集设备和设计方法 发明领域
[0001] 本发明涉及一种太阳能收集设备和设计方法。本发明进一步提供一种设计太阳能 收集设备的计算机实施的方法。 发明背景
[0002] 太阳能收集器已经作为可再生能量源使用了许多年，该可再生能量源使用太阳辐 射（另外已知为日射）来加热在一个表面上经过或穿过一个导管的流体，或者将太阳日射 提供给收集热以用于实用目的的其他装置。这些收集器典型地被直接支撑在屋顶上并且通 过它们的安装件而成角度，或者包括框架以便在一个水平表面上使这些收集器适当地成角 度。本领域的一个挑战是实现太阳辐射到热能的高效转换以及将流体的温度增加到一定程 度，这确保针对各种能量消耗过程改善流体的实用性。
[0003] 太阳热收集系统典型地在冬季、深秋和早春，即当用户通常寻求消耗更多热或需 要大部分热用于加热系统时表现较差。现有的太阳热收集系统的性能在较冷月份更加常见 的云层存在时进一步降低。在夏季，当由于在商用应用中到周围环境的热损失降低和/或 在家庭应用中热使用减少而对热的需求降低时，太阳热收集器表现最有效，从而与需求相 比收集过量的热能。
[0004] 典型地，在固定的太阳热收集器中存在夏季供热容量过量，而在较冷月份热生产 的不足的问题。在以用于在寒冷月份收集热的特定设置来部署足够的收集器的情况下，必 须在较暖月份中排放过量的热。
[0005] 固定太阳热收集器在较冷月份中的性能也降级，因为热输出处于较低温度下，这 样使得该输出并未处于足以满足消耗需求的温度下。
[0006] 另外，许多设备是凭经验定位的，即，尽管诸如一年中的时间的因素，还是具有相 同收集器位置和取向。此类设备总体上被引导朝向高峰夏季时期的入射太阳辐射。因此， 此类设备不是设计来贯穿全年补偿太阳的日变化和太阳方位角的变化，也就是说除非贯穿 全年它们被物理地重新取向。此外，申请人已知的大多数现有设备仅使用收集器面板的上 表面来收集或利用太阳辐射。因此，这些现有设备在利用入射日射方面并不特别有效，这导 致了上述问题，尤其是在太阳在地平线上最低的较冷月份中。
[0007] 解决以上问题的尝试迄今为止大体上还未成功。例如，与交替加热方法相比，安装 更多的太阳能收集器用于在冬季增加热水生产需要更高的资本成本，并且代表了商业上不 可行的解决方案。一个附加的问题是与在夏季收集的过量热的热排放相关联的困难和花 费。
[0008] 也已经尝试了安装移动的收集器或聚集器以便改善冬季性能，并且允许通过夏季 热收集的"解调谐"实现夏季加热性能的任何必要降低。然而，这极大地增加了这些系统的 复杂性和花费，并且降低了它们的商业价值，同样导致这成为非商业性解决方案。
[0009] 在加拿大北部的至少一个位置已发展了能够存储热多达5年的一种热储存器的 安装，以便允许夏季时收集和冬季时利用源自太阳热的热量。这个解决方案需要"整个乡 村"的发展，因为较小尺寸的地面热储存器是不可行的。这个解决方案作为改装安装大体 上不可行，因为在大的中央热储存器与其他建筑物中的能量的消耗装置之间需要大量的管 道。
[0010] 也已经存在结合相对于收集器定位的反射器面板的设备的发展，以便不仅从直接 太阳辐射而且从经由反射器面板的反射辐射将太阳能提供到收集器。然而，申请人已知的 这种类型的设备仍然采用适于在一年中的一个特定时间改善效率的一种经验设计，也就是 说，它们不包括明确地相对于彼此定向以便确保针对一个给定炜度的贯穿全年的最佳性能 的收集器和反射器。因此，采用反射性面板，同时在一年中的一个特定时间的一天中的特定 时间成功地提高效率的已知设备在一年中的其他时间仍然存在与非反射器收集器相关联 的相同性能问题。
[0011] 除了与现有太阳能收集设备的操作相关联的问题外，申请人也已经认识到解决与 此类设备的设计相关联的问题的需要。当前不存在申请人已知的这种方法：该方法提供设 计一种太阳能收集设备并且具体地该设备的一个收集器和一个或多个反射器的取向用于 至少基于炜度在一年中所选择的一个时间内（或全年）具有最佳性能的一种手段。的确， 存在可能影响此类设备的设计的一些其他因素。例如，典型地遇到了各种各样的现有屋顶 线和取向。另外，在不同炜度处的建筑物可能需要系统的不同取向以便实现最佳性能。在 一些安装中，冬季热收集是最重要的，而夏季热收集必须减少以避免过量的能量累积。在其 他安装中，期望在年周期内的最大能量收集量，而在另一个情景中，期望最大夏季收益。在 其他情况下，收集空间可能受到限制并且期望每平方米的最大能量收集量。
[0012] 本发明的目的是提供一种太阳能收集设备和一种缓解以上问题或至少向公众提 供有用的替代方案的设计方法。 发明概述
[0013] 根据一个方面，本发明提供一种用于增加入射在太阳能收集器上的太阳辐射量的 太阳能收集设备，所述设备的特征在于处于邻近该收集器且与该收集器相距一段距离的位 置中并且与该收集器成除直角外的一个或多个角度的一个或多个反射表面，这些反射表面 各自具有一个反射性表面面积，其中该一个或多个反射器具有为至少25 %的整体表面面积 与收集器表面面积比，并且其中该一个或多个反射表面相对于该收集器的位置、位移和一 个或多个角度是这样的以使得针对年周期的大多数日子里的大部分日照时数内实现入射 在该收集器上的太阳能量的增加。
[0014] 在一个实施例中，该一个或多个反射表面基本上不能移动并且是平面表面。
[0015] 在一个实施例中，至少该太阳能收集器的一个平面与该一个或多个反射器中的每 一个的一个平面之间相距的位移或它们之间形成的角度是预先确定的，以便实现高达入射 在该收集器上的太阳能量的最大理论增加的一个特定增加。
[0016] 在一个实施例中，确定该太阳能收集器的一个平面与该一个或多个反射器中的每 一个的一个平面之间相距的位移或它们之间形成的角度是基于一个给定炜度。
[0017] 在一个实施例中，所述给定炜度是在赤道北维60度与南维60度之间。
[0018] 在一个实施例中，确定该太阳能收集器的一个平面与该一个或多个反射器中的每 一个的一个平面之间相距的位移或它们之间形成的角度是基于该太阳能收集器与一个参 考平面相距的一个给定角度。
[0019] 在一个实施例中，确定该太阳能收集器的一个平面与该一个或多个反射器中的每 一个的一个平面之间相距的位移或它们之间形成的角度是基于该收集器的一个给定取向 和尺寸。
[0020] 在一个实施例中，确定该太阳能收集器的一个平面与该一个或多个反射器中的每 一个的一个平面之间相距的位移或它们之间形成的角度是基于该一个或多个反射器中的 每一个的一个给定尺寸或与该太阳能收集器相距的位移。
[0021 ] 在一个实施例中，确定该太阳能收集器的一个平面与该一个或多个反射器中的每 一个的一个平面之间相距的位移或它们之间形成的角度是基于该设备中使用的一个或多 个反射表面的一个给定数量。
[0022] 在一个实施例中，该太阳能收集器具有一个纵向方向并且被定位在沿着所述纵向 方向具有一个最大可用长度的一个安装表面上，其中预先确定该反射表面数量是基于该安 装表面的该最大可用长度。
[0023] 在另一个方面中，本发明提供一种配置太阳能收集设备的方法，该方法的特征在 于以下步骤：在邻近一个太阳能收集器且与该太阳能收集器相距一段距离的一个位置处提 供一个或多个反射表面；将该一个或多个反射表面和该收集器的大小确定成使得该一个或 多个反射表面的整体反射表面面积与该收集器表面面积之间的比为至少25% ;并且将该一 个或多个反射表面定向使得每个反射表面被定向成与该收集器成除直角外的一个或多个 角度，其中选择该一个或多个反射表面的所述位置、位移以及一个或多个角度以便引起在 年周期的大多数日子里大部分日照时数内入射在该收集器上的太阳能的量的增加。
[0024] 在又一个方面中，本发明提供一种设计太阳能收集设备的方法，所述方法包括：接 收关于一个太阳能收集器的炜度、安装角度、取向和尺寸的数据；接收关于邻近该收集器且 与该收集器相距一段距离的一个或多个反射表面中的每一个的尺寸或位移的数据；基于所 接收数据，确定至少该太阳能收集器的一个平面与该一个或多个反射器中的每一个的一个 平面之间相距的位移或它们之间形成的角度，以便相较于单独入射在该收集器上的太阳能 的量实现高达入射在该收集器上的太阳能的量的最大理论增加的一个特定增加。
[0025] 在另一个方面中，本发明提供一种确定入射在一个太阳能收集器上的太阳辐射的 量的方法，该收集器接收来自太阳的直接太阳辐射和来自邻近该收集器且与该收集器相距 一段距离的一个或多个反射表面的间接辐射，该方法包括：接收关于一个太阳能收集器的 特性的数据，包括它的炜度、安装角度、取向和尺寸；接收关于邻近该收集器且与该收集器 相距一段距离的一个或多个反射表面的特性的数据，包括该一个或多个反射表面中的每一 个的尺寸或位移；并且基于该所接收的数据确定入射在该收集器上的太阳能的量。
[0026] 在一个实施例中，该方法进一步包括：接收关于该收集器或该一个或多个反射表 面的特性的后续数据，其中所述后续数据可以包括替代数据；并且基于所接收数据和该后 续数据确定入射在该收集器上的太阳能的量。
[0027] 在一个实施例中，该方法进一步包括在一个用户界面上显示入射在该收集器上的 太阳能的量或从其导出的一个性能量度。
[0028] 在一个实施例中，该方法进一步包括接收关于与该收集器的一个安装表面相关联 的物理约束的数据。
[0029] 在一个实施例中，所述物理约束包括所述安装表面的尺寸、取向或角度。
[0030] 在一个实施例中，所述物理约束进一步包括引起所述一个或多个反射表面处于阴 影中的相邻结构。
[0031] 根据一个方面，本发明提供一种确定入射在一个收集器上的太阳辐射的量的方 法，该方法的特征在于以下的步骤，包括：确定在一个给定炜度处、在全年中的白天的一个 给定时刻或时期太阳在天空中的位置；确定被定位的一个或多个反射表面的用于在所述时 刻或所述时期中将太阳辐射反射到该收集器的一个表面的一个面积，假设这些反射表面都 未处于阴影中；确定该一个或多个反射表面的处于阴影中并且因此不能够在所述时刻或所 述时期中将太阳辐射反射到该收集器的一个表面的一个面积；确定该收集器的接收来自太 阳的