专利名称：太阳能收集器以及蓄热设备的制作方法
技术领域：
所公开的实施例涉及被动式太阳能加热单元领域，该被动式太阳能加热单元可以代替传统的窗户安装在建筑物中。
背景技术：
被动式太阳能建筑的目的是在太阳每日和每年循环中保持内部热感舒适，同时减少对主动加热和冷却系统的需求。被动式太阳能建筑设计是绿色建筑设计的一部分，并且不包括主动系统，诸如机械通风或光伏系统。被动式太阳能建筑设计的科学基础已经通过各种研究发展起来，这些研究包括气候学和热力学(特别是太阳辐射能输入和热传输损耗)。热量输入的主要来源是辐射能，并且首要来源是太阳。鉴于太阳的高度路径，这是地球旋转轴相对于其轨道倾斜而产生的结果，正午较低的太阳在冬天容易在的面向赤道的结构的方向输入光和热，而该面向赤道的结构在北半球包括面向南的墙壁。当定位在结构的南墙上时，窗户可以是方便的并且可预测的用于传输太阳辐射的位置。窗户，特别是低辐射(low-e)型窗户，可以提供绝热值，这降低了建筑的导热性，允许该建筑与外界相对分开地被加热或被冷却。图1示出了典型的绝热玻璃单元(IGU) 10。这种单元用两块或更多块玻璃板制成， 也称为“光学玻璃(Iites) ”，它包括由密封空间或腔16分开的面向外和面向内的光学玻璃 12、14。图1是双层玻璃窗类型，指的是它具有包围一个通常绝热的腔16的两块光学玻璃 12、14。包含三块光学玻璃和两个绝热腔的三层玻璃窗也是熟知的。在一般使用时，术语 “玻璃窗(glazing) ”表示墙壁的透明部分，因此可以表示各种类型的窗户单元，诸如具有一块、两块或三块光学玻璃的单元，即单层、双层或三层玻璃窗。在图1中，光学玻璃12、14具有采用常用方式依次标识的表面，从位于外光学玻璃 12的外(环境)侧上的#1表面开始，#2表面位于外光学玻璃12的内侧上，#3表面位于内光学玻璃14的内侧上且面对#2表面，而#4表面位于内光学玻璃14的内(生活空间)侧上。隔件18设置在绝热单元的周边周围，其分隔两块光学玻璃12、14。这种隔件可以用称为干燥剂的吸湿性材料填充。为了减少通过隔件18的热传输并且提高总体热性能，隔件18可以用泡沫塑料、纤维玻璃构成，或者使用金属和塑料的混合设计。整个单元的周边利用密封剂20密封。制造商已经引入了使用氩气、氪气和氙气填充腔16，在热性能方面具有重要的改善，诸如显著提高绝热值。氩气是廉价、无毒、不反应、透明和无味的。相对的光学玻璃之间的距离是惰性气体浅热循环的函数。用于氩气填充单元的优化间隔与用于空气的间隔相同，大约为半英寸(ll-13mm)。氪气是无毒、不反应、透明和无味的，并且具有更好的热性能，但是生产较为昂贵。 在光学玻璃之间的空间必须比通常希望地更薄时，例如四分之一英寸(6mm)时，氪气特别有用。用于氪气的优化间隙宽度是3/8英寸(9mm)。氪气和氩气的混合物也用作热性能和成本之间的折衷方案。从二十世纪80年代中期开始，用于玻璃的低辐射涂层被开发出来并投放市场。现在，较薄、通常以金属制成的大多数透明的涂层应用在玻璃表面，这种涂层利用暴露金属表面的长波辐射反射率来阻碍绝热腔中的辐射热流。这样提高了绝热腔的绝热能力。它们也与惰性气体填充物协同工作，以进一步提高腔的绝热能力。低辐射涂层也吸收一定百分比的进来的太阳辐射，将其转化为热量。在双层压光的IGU中，低辐射涂层可以根据应用场景，置于#2表面或#3表面上。 涂层的表面位置的变化并不影响IGU的绝热性质，仅仅影响太阳热量增益的百分比。具体来说，当构建低太阳增益、密封的玻璃单元时，低辐射涂层定位在#2表面上。被表面#2上的低辐射涂层吸收的热量被低辐射涂层的辐射能力阻止通过腔16并达到#3表面，并且被抛弃到外部。今天生产的90%以上的IGU单元以这种方式制成，并且阻止太阳热量增益以及热损耗两者。相反，低辐射涂层可以定位在#3表面上，用于产生高太阳热量增益(SHG)、低辐射双层玻璃窗单元，该单元是用于被动式加热系统中的玻璃窗单元类型。这种玻璃窗设计用于减少热损耗并且获取太阳能增益。被低辐射涂层吸收的热量现在利用低辐射涂层的辐射能力加热内光学玻璃，而非被抛弃到外侧环境中。较之低增益IGU，高增益IGU的特征在于相对较大的太阳能热量增益系数(SHGC)。如果图1看做是高增益低辐射IGU玻璃窗，则#3 表面可以设置有低辐射表面涂层，以便提供优化的SHGC。SHGC是通过玻璃窗单元获取的太阳辐射的一部分，这里的太阳辐射包括直接透射并吸收以及随后向内释放的辐射。玻璃窗的SHGC越高，则它透射的太阳能热量越多。偶尔，玻璃窗的“U值”，即也称为总体热传输系数，是其热阻或者R值的倒数，并且作为通过它的非太阳能热量损耗或者增益的速率的度量。U值越高，则玻璃窗对热流的阻力越低。当R 值的单位为sf*F*h/BTU时，U值的单位是BTU/(h*F*sf)，其中sf =平方英尺，F是华氏度温度，而h是时间(例如，小时)。理解了上述概念，发明人意识到使用高增益低辐射玻璃窗的各种限制。在高增益低辐射玻璃窗中，被#3表面上的涂层吸收的热量大致传输到内光学玻璃14的内(生活空间)侧。但是，该过程也加热了内光学玻璃，在寒冷的冬日里，内光学玻璃可能达到120到 150华氏度。玻璃的温度越高，则向外侧的热梯度就越大。这种提高的热梯度导致玻璃窗的辐射、传导和对流作用力也向外侧提高，减小了净SHGC。如果可以保持#3表面较冷，则可以降低损耗，并且向内侧的净增益可以提高。此外，高增益玻璃窗，虽然优选用于被动式加热，但是也会在它们包围的居住空间中产生宽范围的温度振荡，特别是如果它们覆盖较大百分比的面向南的墙壁的话。作为粗略平均，在马赛诸塞州的波士顿以及这个国家的许多其他部分，晴朗的冬季白天里，进来的太阳能辐射可以在3-5小时的期间内，通过面朝南的玻璃窗产生每小时每平方英尺 250-300BTU。这种太阳能辐射能与前述低辐射涂覆的内光学玻璃的升高的温度相结合，产生了向生活空间的热输入的巨量暴涨。尺寸适当且暴露于这种热增益中的房间，在马赛诸塞州的波士顿的寒冷冬季白天，可以达到130度。相反，在太阳能输入暴涨之间的夜晚或多云的白天的长期时间内，即使低辐射涂覆的内光学玻璃具有热传导性，它也将变得比内部空间更寒冷。如果如前所述，大百分比的面向南的墙壁安装玻璃窗，则将趋向于在晚上令人不舒服地冷却所述空间。该房间可能不舒服，如果不是无法居住的话。为了缓解温度振荡带来的不舒适，被动加热系统通常利用材料来蓄热。蓄热能力由材料的热质量来决定，材料的热质量基本上就是提供的材料质量乘以材料的特定热容量。在被动加热环境下，热质量针对温度波动提供“惯性“，有时也称为热飞轮效应。例如， 当外界温度在白天过程中波动时，房屋的被绝热部分内的巨大热质量可以用来“拉平”每天的温度波动。这是因为，当处于太阳辐射的直接路径中时，或者当周围环境比该质量更热时，热质量将会吸收热量，并且当周围环境更凉时，将热量发出。在被动加热系统中，热质量在白天被直接太阳能辐射所暖热。蓄热在该质量中的热量随后在夜晚释放回内部生活空间中。一些因其热质量能力为人所知的材料是混凝土、粘土砖和其他形式的砖石。“拉平”温度波动的老的方案是将结构或房间建造成带有砖石壁炉的结构，或者在房间中建造石头或瓷砖地板。这种构造用于双重功能，即用作防火的结构元件，以及用作蓄热来自炉火产生的热量以及来自太阳的热输入的蓄热件。从被动太阳能的立场来看，可能难于在房屋中增加过多的热质量。当用于收集太阳辐射时，以上公开的那种系统的其中一个缺陷在于，热质量应该具有深色的吸收色，并且应该处于到来的太阳能辐射的直接路径上。这样做可能带来问题， 不仅是因为太阳辐射的路径整个白天都在移动，而且因为长久地将家具、地毯、壁挂等物品放置在该质量上，这阻碍了太阳辐射到达它。结果是该空间被过度加热，并且热质量加热缺失。此外，上述这种封闭空间趋向于被“日光清洗(simwash) ”。就是说，大面积的未遮罩的玻璃，受直接的低角度的冬季太阳的影响，变得无法忍受的明亮。此外，包括超过50% 的总太阳能的太阳红外谱能量，以几乎全部强度输入该空间。结果是该空间感到远远比它实际情况更热，类似于大热天待在海滩上。这种日光清洗理论上很不错，但是它可能让人相当不舒服并且对于正常的室内活动来说太耀眼。使用深色砖石墙壁作为热质量，在被动加热系统中直接位于面向南的玻璃窗之后，由法国工程师Felix Trombe于1956年在Font-Romeu-Odeillo-Via进行了探索。利用 “Trombe”墙壁，在白天中，日光穿过面向南的玻璃墙照射并且直接暖热热质量的表面。这解决了家具错误摆放的问题以及日光清洗问题。但是，在最初的单层玻璃窗(单层光学玻璃，没有绝热腔)的设计中，接收到的非常少的热量终止于内部生活空间，并且大部分在夜晚损耗到环境中，原因是单层玻璃窗单元的不良绝热特性。通过在Trombe墙壁的外侧上使用绝热玻璃窗，特别是高增益低辐射类型的绝热玻璃窗，Trombe墙壁的热质量的平均温度可以设计地高于平均室温。因此，热量可以从Trombe墙壁流入房屋内部。虽然借助IGU的协助，但Trombe墙壁仍然存在问题。砖石墙壁必然阻挡视线和光照通过玻璃窗。此外，该墙壁重量巨大，因为通常Trombe墙壁是12到16英寸厚的砖石结构。所以，例如，这种墙壁对于谋求用被动加热系统翻新面向南的墙壁的业主来说，是不切实际的方案。此外，由于砖石仅为中等导热体，砖石墙壁的深色外表面趋向于在晴朗的冬季白天相当快地加热。这样加剧了透过玻璃窗的温度差，因此加大了玻璃窗的绝热热损耗，降低了系统效率。在现有技术的专利和非专利文献中，探索了对砖石Trombe墙壁的替代方案。一个例子是授予Taff等人的美国专利4，532，917，题为“Modular Passive Solar Energy Heating Unit Employing Phase Change Heat Storage Material Which Is Clearly Transparent When In Its High-Stored-Energy Liquid State (应用相变蓄热材料的模块化被动太阳能加热单元，所述材料在其高蓄能液体状态时是清晰透明的)”，该专利于1935 年08月06日授权。该专利公开了一种相变热质量，该热质量在变成透明之前必须接收特定的最小量的热量，从而提供通往住所外侧的清晰视线。而另一种对砖石Trombe墙壁的替代方案是使用水作为蓄热介质。当然，水可以包含在钢罐内，并且可以获得这里列出的水作为蓄热介质的全部好处。但是，钢罐并没有解决与砖石Trombe墙壁相关的视线和光照透射问题。水墙的真实好处在于利用水蓄热介质的透明性或者至少半透明性，诸如在本申请人的国际公开W02008/0M497A2中所述的那样， 该国际公开的主题为“Solar Heating Blocks (太阳能加热块)”，于2008年05月03日公开。利用水蓄热的好处在于，例如，3英寸水柱与1英尺厚的砖石墙壁具有类似的热容量。此外，类似标准窗户，水柱是透明和半透明的。此外，水比砖石具有更高的导热性。这意味着设置于水柱的外侧上的低辐射涂覆的光学玻璃上吸收的能量迅速分布到整个水质量上。这样降低了低辐射涂覆的光学玻璃的外侧表面温度，因此降低了光学玻璃和外侧环境之间的温度差，提高了效率。此外，由于它是透明的，其他太阳能吸收装置可以进一步定位于该质量内，这样提高了蓄热介质的效率。但是，水墙具有其自身的难题。水结构可能被水藻生长、悬浮的矿物沉淀物和被蒸发作用损坏，所以水填充的结构必须气密密封。在填充过程中引入的空气泡可能附着到内侧玻璃表面，并且在填充该模块不久之后，合并成更大的看着显眼的气泡，它们漂浮到模块的顶部。透明或半透明水方案的另一个问题在于，由于静水压力，为液体水建造巨大尤其是高耸的玻璃容器是不切实际的。尺寸更为合理的方形块(例如每条边介于8英寸和2英尺之间)已经用来克服这个问题。但是，方形的水填充的“鱼缸”阵列(多个行和列)可能存在的问题是，给定的阵列中显著大量的空间需要被格架支撑系统占用，这样则产生了具有大量竖框或玻璃分隔件的外观。此外，该阵列可能需要大量的密封件，它们引入了另一条失效途径。此外，利用这种设计，可能需要至少一定程度上拆解水块的整个阵列以维修或更换任何一个块。现有技术的设计，诸如Trombe墙壁和各种水块实施方案的另一个问题在于，在玻璃窗和被加热质量之间安置空气间隙。空气间隙是由在内侧光学玻璃和热质量(诸如砖石墙壁)之间故意留下的空间形成的。该间隔用于在墙壁周围形成对流通风，以协助从墙壁向内部生活空间中汲取热量。通常，通过砖石墙壁在顶部和底部安装带有挡板的通风口，并且通风口打开以允许晴朗的白天进行对流流动。已经广泛接受的是，上述空气间隙配置提高了总体热增益。但是，发明人已经发现将惰性气体填充的高增益低辐射IGU玻璃窗的内侧光学玻璃直接抵靠热质量的外侧表面热效率更高。这种结构连接将双层压光的IGU的#3表面上的低辐射涂层与热质量直接热学连接在一起。这样，使得绝热腔与热质量之间的连接热效率更高，并且降低了低辐射表面上的温度振荡，否则这种温度振荡会降低系统的效率。发明人已经发现，利用水基蓄热介质，将低辐射表面耦接到其外侧表面，并且利用惰性气体约束低辐射表面的外侧，即创建外侧绝热腔，则蓄热介质的外侧表面将保持足够冷，以使不再需要早期Trombe墙壁系统的对流通风孔来在晴朗的白天排出该表面上产生的多余的热量。相反，该热量可以传导到水质量中，供以后使用。因此，如上所述，具有一种将其外侧上的蓄热单元与绝热腔相融合的协同作用，其中位于其面对绝热腔一侧的绝热腔的内侧光学玻璃具有低辐射涂层。但是，正如现代双层玻璃窗构造的惰性气体填充一样，关键是在包封惰性气体的两块光学玻璃的边缘周围形成永久的气密密封件，以便包含惰性气体。不幸的是，无法简单地将全尺寸的玻璃板定位在组装起来的水填充的热阵列的外侧并且利用惰性气体填料约束它。无法改变的是，惰性气体可能从叠置的热阵列周围的空气空间泄漏。这是因为叠置的热阵列无法建造地达到长期保持气体所需的气密密封水平。 相反，需要为每个水块制造与其外侧整合的绝热腔。因此，希望在利用水块作为蓄热介质时，为每个水块建造绝热腔，使得每个绝热腔与每个蓄热腔具有相同尺寸。虽然如此，这些较小的被绝热水块让系统具有额外的能力因需要额外数量的密封件、制造过程的额外复杂性、现场装配等而失效。更重要的是，每个绝热玻璃密封件是热路径或短路，这增加了有关玻璃窗单元的热损耗。此外，较小的被绝热水块存在其他相关的问题。例如，在任何密封IGU玻璃窗的周边，大约6英寸受到通过边缘隔件材料的热短路的影响。如上所述，U值通常以玻璃中心值来测量，对于用于叠置水块热阵列的尺寸通常可制造的较小的被绝热水块来说，U值可能严重退化。此外，对于较小的被绝热水块，随着单元尺寸下降，净太阳能采光面显著减小。这是因为边缘处理是大约1/2到3/4英寸的恒定宽度。可以理解，在块尺寸下降到大约每条边12英寸时，采光面的巨大百分比被边缘处理所占用。因此，存在对制造大型密封双层玻璃窗蓄热单元的长期需求，以替代热效率低下的系统，在这些系统中，一大部分面积可能被隔件热短路，或者低辐射涂层无法直接热连接到热质量并且被惰性气体填充的绝热腔所约束。就是说，蓄热单元应该是热效率高、透明和半透明结构，它足够大以避免过多的热短路，并且利用该单元，来自晴朗的冬季白天的增益大于夜晚的损耗，从而提供补充热量。提供与尺寸相同的蓄热腔热耦接的较高、高增益、低辐射绝热腔的一次尝试在授予Kunert的美国专利6，589，613中给出，该专利的主题为“hsulating Glass Element For Glazing A Building(用于建筑物玻璃窗的绝热玻璃元件)”，于2003年07月08日授权(简称’613专利)。‘613专利请求保护包括外部透明玻璃板和内部绿色玻璃板的“绝热玻璃元件”。低辐射涂层抵靠绿色玻璃板的外侧定位，低辐射涂层面对透明玻璃和绿色玻璃之间的气体填充空间。在一个实施例中，’ 613专利公开了替代使用绿色玻璃，可以使用两块隔开的玻璃板，将流体置于它们之间。所述流体公开为水或者“同质地分散的高粘性水凝胶”来降低高耸的绝热玻璃元件中的压力。但是，正如下面将要谈到，’ 613专利中公开的实施例存在缺陷。本发明人已经发现用作光学玻璃之间的蓄热材料的适当水凝胶的关键特征在于水凝胶正确地粘附到光学玻璃以及凝胶自身的内聚性。这种特征限定了凝胶的正确拉伸和剪切特征，以防凝胶因为重力而随着时间变形和流动，由此丢失其形状。粘性和凝聚特征对于水凝胶来说是必要的，以便自支撑和避免视觉缺陷，以及由间隙产生的热效率低下，否则间隙会在包封水凝胶的玻璃板与水凝胶之间以及在水凝胶内部扩展。换句话说，利用适当的粘性和内聚特征，水凝胶粘附到包封玻璃板的表面并且不会下垂或分离。此外，适当的水凝胶可能需要具备UV稳定性。这种稳定性避免化学损坏、流体分离和/或褪色，诸如因长期暴露于日光而“变黄”。此外，优选的凝胶应该不是流体。相反，凝胶应该是交联的固体凝胶。优选的交联固体凝胶能保持较高百分比的水。以上要求的水凝胶的粘性、凝聚性、UV稳定性和结构特征并未在’ 613专利中提及。 相反，’ 613专利简单地提到提议的流体为“同质分散的高粘性水凝胶”。实际上，发明人在广泛的实验和调查之后，还不能获取甚至是确定具有适当粘性、凝聚性和UV稳定特性的水凝胶，更不用说高粘性流体水凝胶。通过广泛的研究，发明人发现使用水凝胶吸收来自火焰的热量的防火窗户。这种防火窗户在以下具体实施方式
部分公开。这种防火窗户中的水凝胶并不是紫外线稳定的。 发明人假定紫外线稳定性的缺失是因为阻燃剂和膨胀剂包含在凝胶中，以阻止包含在水凝胶中的水蒸发掉之后火焰开始蔓延。凝胶防火玻璃窗户中的紫外线稳定性并不重要，因为这些窗户并不会任意长时间地暴露于太阳能或者紫外线辐射中。通常，这些窗户用在结构的内部。如果它们用在结构的外部，它们用于在具有凝胶防火玻璃窗户的结构与可能着火的邻近定位/相邻的建筑之间创建防止潜在火灾的热障。由于相邻建筑位置接近，阳光以及紫外线被挡住而不能照到窗户。发明人以保密关系与凝胶防火玻璃的制造商一起工作，并且认识到用于凝胶防火玻璃中的凝胶的紫外线稳定性缺陷已经指导该公司利用不包括阻燃剂和膨胀剂的水凝胶制备凝胶玻璃结构。虽然这打消了使用用于防火玻璃的水凝胶的想法，发明人相信它满足发明人对于蓄热单元的需求，它是紫外线稳定的，并且包含具有适当粘性和凝聚性特征的水凝胶。这种特别的水凝胶的好处是出人意料的，因为防火障的主要目的是阻止热量从一个区域传递到相邻区域。防火玻璃窗户中的凝胶应该保持在尽可能低的温度。防火玻璃窗户中凝胶的温度越低，则防火玻璃窗户所能吸收的热量越多，并且它能在大火与防火玻璃窗户另一侧的相邻结构之间提供热障的时间就越长。防火障的这个主要目的与将热量传递到相邻区域的目的正好相反。但是，将热量传递到相邻区域是这里公开的绝热玻璃元件的主要目的。除了无法确定适当的水凝胶之外，’613专利的另一个缺陷在于无法确定热流体质量的最小厚度以便在冬季白天适当地提供加热。‘613专利指导在“相对较长的期间”(’613 专利，第3栏，第30-40行)保持玻璃板的恒定温度水平。为此，’613专利公开了提供总体 “传统厚度为27mm”的窗户，透明玻璃板为3_5mm厚，透明玻璃板和吸收性绿色玻璃板之间的间隔为6-12mm，吸收性绿色玻璃板的厚度为12mm(’ 613专利，第3栏，第15-25行，第9 栏第45-55行)。’613专利进一步公开了在替代绿色玻璃而使用流体质量时，上述厚度不变。实际上，转到以引用方式包含在本申请中的’613专利的图4，可以看到该系统的流体/凝胶填充部分的总体厚度要比该系统的气体填充的部分狭窄。例如，如果该系统的热量吸收部分的总体厚度为10_12mm，并且两块间隔开的板每一块为3mm，则水填料的深度仅为6mm(例如， 1/4英寸)，这对于在“相对长期内”提供“恒定温度”太浅了。此外，，613专利公开了水填充的热质量是绿色玻璃的蓄热容量的“3倍”。在冬季白天，白天过程中的热输入是每小时每平方英尺200BTU，即使将12mm厚的绿色玻璃的热容量乘3倍，也无法实现在“相对长期内”提供“恒定温度”的目标。在太阳落山后的很短时间，例如可数的几分钟内，存储的热量可能从该系统完全耗散。在冬季白天，当黑夜远大于每天小时数的50%时，在短时间内耗尽可用的热量几乎没有意义。
发明内容
鉴于以上公开的背景技术，提供了一种太阳能收集器和蓄热设备，用于安放在建筑物的外部架构的开口中，具有绝热腔，所述绝热腔包括位于该设备外侧的第一光学玻璃和从其向内隔开的第二光学玻璃，限定所述绝热腔的深度，并且基本上用绝热气体填充。提供了蓄热腔，所述蓄热腔包括第二光学玻璃和从其向内隔开的第三光学玻璃，限定了所述蓄热腔的深度，所述蓄热腔的深度至少与所述绝热腔的深度相同，并且基本上以蓄热介质填充。所述蓄热介质是粘附到所述第二光学玻璃和第三光学玻璃的水凝胶，并且具有凝聚特性，使得其自支撑并在所述蓄热腔中保持其形状。设置在所述第二光学玻璃的所述绝热腔一侧的低辐射涂层阻止热辐射从所述蓄热介质向外部传递。所述绝热气体例如是惰性气体，诸如氩气、氪气或者氙气。正如文中公开，可以利用高洁净度的光学玻璃向该组件的外侧添加额外的绝热腔料层并密封，该组件可以用惰性气体填充以便为更为极端的气候形成更高的绝热水平。
应该理解，以下附图仅表述本发明的典型实施例的细节，因此并不可以认为限制了本发明的范围，并且具体来说图1示出了现有技术的双层压光I⑶“绝热玻璃单元”；图2示出了一种公开的实施例；和图3示出了进一步的公开实施例。
具体实施例方式图2示出了一种公开的实施例，该实施例是包括具有两个密封腔M、26的密封玻璃窗单元的被动式加热系统22。为了不与用于绝热目的的三层玻璃窗相混淆，在这个单元中，外侧或第一腔M通常用惰性气体观氪气等填充，并且是绝热部件。内侧或第二腔26 用含水介质30填充并密封，并且是蓄热部件。在该图示中，#1表面是绝热腔的外部(第一)光学玻璃沈的外(环境)侧表面， #2和#3表面是绝热腔中相互面对的表面，并且分别是外部光学玻璃36和中部(第二)光学玻璃38的一部分；#4和#5表面是蓄热腔中相互面对的表面，并且分别是中部光学玻璃 38和内部(第三)光学玻璃40的一部分；而#6表面是内部光学玻璃40的内部(生活空间)侧表面。如图所示，绝热腔是外部腔，而蓄热腔是内部腔。此外，应该理解，中部光学玻璃既是用于绝热腔的内部光学玻璃，也是用于蓄热腔的外部光学玻璃。此外，外部光学玻璃36可以是低铁型玻璃，以使太阳能增益最大。#3表面可以具有位于其上的低辐射涂层，所以中部光学玻璃38是低辐射型。内部光学玻璃40可以是标准透明型，或者可以染色，正如在进一步的描述中所体现。绝热腔M中的隔件32包含干燥剂，而蓄热腔沈中的普通隔件34则不包含。绝热腔M中的隔件32可以设计成让热流最小，而在蓄热腔沈中这并不太重要。优选含水介质30是水凝胶，该水凝胶具有粘结和凝聚特性，以使其粘附到#4和#5 表面，这两个表面被IGU领域已知的隔件34分开。用于该目的的这种适当的介质可以主要由聚丙烯酸钠和水构成，即水在包封光学玻璃38和40之间部分固化的水凝胶。在这种水凝胶中，水包含在显著稀释的交联系统中，在稳定状态表现地几乎没什么流动。这种水凝胶可以以液态填充到除气的腔中，然后形成凝胶。此外，微囊包封相变材料可以添加到该水凝胶中，以提升其热容量。使用具有正确的粘性和凝聚特性的水凝胶非常重要，因为它允许透明的蓄热面板具有较高的尺度，而如果使用水填充该腔，则可能不允许。与可能因静水压力而破裂的水面板相比，水凝胶形成自支撑结构，粘附到玻璃的表面。这种结构不易受到突变失效的影响， 即使它主要是水，并且与水发挥相同的蓄热功能。如果不担心结构失效，则蓄热系统可以安装成倾斜取向，这可能对于水填充的玻璃腔(诸如作为天窗的一部分的顶板)来说有些莽撞。此外，适当的水凝胶是UV稳定的。这种UV稳定性防止水凝胶发生化学损坏、液体从固体分离、或者褪色(诸如因南面玻璃窗所要求的过度日光曝晒而“变黄”)。正如背景技术部分所提及，发明人发现包含适当粘性和凝聚特性的产品在防火面板领域由位于美国94124-1432加州旧金山Newhall街325号的SAFTI FIRST所制造。具体来说，SAFTI HRST制造了名为SuperLite II-XL-120的产品。在其典型制造形式中，该产品的厚度仅为1.5英寸，重121b/sf，并且是透明的。在保密关系下，发明人指导SAFTI FIRST从凝胶中去除除水凝胶之外提供阻燃性的化学物。这是在相信该产品将会是紫外线稳定的情况下完成的。应该注意，凝胶产品的厚度包括位于任一侧上的光学玻璃。因此，凝胶材料的实际厚度是1英寸。发明人已经确定，该厚度是提供有意义的蓄热性从而在合理的时间期间(例如冬季里晴朗的白天之后整个夜晚)提供连续的热量回收所需的最小厚度。重要的是认识并理解SuperLite II-XL 120的主要目的，它是与所公开的实施例的主要目的完全分开并且不同的。防火屏障凝胶窗户的整体目的是阻止热量进入凝胶的进程，并且防止热量进入到相邻的空间中。例如，SuperLite II-XL 120是耐火透明凝胶，阻挡辐射热传递以满足ASTM E119的要求。凝胶阻挡热量的机制是在接近热量的第一面板被热量摧毁之后，利用强火产生的热量转化成致密的高度绝热的硬壳。该硬壳从被摧毁的第一面板向着尚未暴露于热量的第二面板缓慢扩展自身。在这一过程中，凝胶并不从第二面板分离。重要的是要注意，在水凝胶里的水蒸发掉之后，凝胶结构仍保留。这种保持水的凝胶结构是固体而非液体，并且它在水消失之后缓慢燃烧。根据其防火特性，SuperLite II-XL 120凝胶不仅像已知玻璃砖或者例如学校走廊中存在的络网玻璃那样阻止烟和火苗，而且防止热量通过其辐射。这种热辐射可以点燃窗帘、家具以及其他可燃材料，即使火焰包含在防火墙之后。较之其他防火玻璃窗产品，诸如陶瓷，SuperLite II-XL 120对火产生的热量提供明显更长的阻碍，并且对于其用在墙、 窗、楣窗和边窗没有总面积限制。与SuperLite II-XL 120凝胶的主要目的相反，在所公开的实施例中，热传输到热质量得到提高，加速了太阳能热量吸收到凝胶中，并且允许它轻易地到达另一侧。辐射热显著增加到热质量，对于中部光学玻璃38来说，利用低辐射涂覆玻璃来实现，该玻璃优选提供0. 3或以下的辐射系数，并且将太阳能波谱红外区域的一定百分比的太阳能辐射转化为热能。用于中部光学玻璃38的低辐射涂层位于其外侧，即#3表面，以使其与凝胶直接热接触，使得该热连接更为有效。这种配置降低了高增益玻璃窗中的温度振荡，否则温度振荡会降低通过绝热腔的热传输效率，如上所述。用于中部光学玻璃38的适当的玻璃是钢化Pilkington Energy Advantage (TM) 低辐射涂覆的玻璃。这种玻璃可以从美国俄亥俄州托莱多市Madison大街811号(邮编 43604-5684)的 Pilkington North America 公司获得。所述 Pilkington Energy Advantage(TM)低辐射涂覆的玻璃设计成高透光性和高太阳能透过性，允许更多的太阳光线作为太阳能进入凝胶30，这种太阳能可以转化成可用的热量。较之其设计应用，不同地和不恰当地应用如这里公开的SuperLite II-XL120现在应该容易被审阅本公开文件的人理解。SuperLite II-XL 120的设计应用是阻挡热量， 而非促使热量传输到另一侧。将高增益、低辐射涂覆的玻璃(诸如Pilkington Energy Advantage玻璃)直接抵靠凝胶放置在暴露于热辐射的一侧，将会是无法理解的配置，如果 SuperLite II-XL 120根据其设计目的来使用的话。由于不必要的提升其温度，因此降低其可以保持的热量大小，促使热量向凝胶传递，必须降低阻燃系统的总体热阻挡特性，这对于寻求阻燃产品的人来说，是不可接受的结果。在与SuperLite II-XL 120的设计目的相比较时，促使热量向凝胶传递的配置正是本发明的配置。这种对于SuperLite II-XL 120最初既定用途的非显而易见的改动，将凝胶从热阻挡系统转化为向房间内部有目的地传输令人舒适的热量的系统。此外，就SuperLite II-XL 120出售用于外部玻璃窗来说，它不会向公开的实施例中提供的那样，以相同表面上带有低辐射涂层的状态来出售。凝胶将总是设置在外部玻璃窗上，目的是从定位接近的外侧建筑火势吸收热量。这可以通过将可能使用的低辐射涂层置于整体绝热的玻璃窗的外部光学玻璃上(例如#2表面上)来实现。这样可以减少红外太阳能或红外火能进入凝胶层。因此，可以理解，SuperLite II-XL 120并非像文中公开的那样设计用于从太阳吸收热量并防止热量逃逸到外部。理解了阻燃凝胶到目前为止尚未用于有目的地向房间内部重新分布热量，还值得注意的是，所述的高增益玻璃，即Pilkington Energy Advantage低辐射涂覆的玻璃，设计用于降低紫外线的透过性。这样协助防止织物、室内装饰品和地毯提前褪色和降解。现在转到蓄热腔的内部生活空间侧上的光学玻璃40，该光学玻璃40是PPG Graylite-14染色玻璃，可以从位于宾夕法尼亚州Harmarville的Guys Run路(邮编 15238)的PPG hdustries公司获得。该PPG Graylite灰色染色玻璃，较之被动式加热系统10中的其他光学玻璃，吸收较高百分比的进来的能量，无论可见光还是红外光，允许一小部分可见光透射。正如用于第二光学玻璃38的玻璃，PPG Graylite-14玻璃阻挡大量的 UV能量，从而防止内部织物褪色。吸收到来的能量用于进一步加热凝胶，这些热量将存储在凝胶中，用于以后分布到生活空间中。它还用于使前面讨论过的日光清洗效应最小。用于日光清洗控制的Graylite-14玻璃的替代品可以是将凝胶自身染色。将凝胶染色的好处是染色剂均勻分散在凝胶中，允许其均勻加热。可以尝试使用染料用于此目的， 但是在实践中已经发现，它们将会随着时间而褪色。更适当的方案是真实色素染色剂，诸如硝酸银，它容易与水混合并且形成胶状银颗粒的悬浮液。硝酸银可以适量加入用于填充光学玻璃38、40之间的空腔沈的含水的可聚合溶液中。当溶液聚合以形成凝胶时，悬浮的胶状银颗粒被阻止沉淀出来，并且为凝胶提供均勻的色调，这种色调不会随着时间而褪色。例如，硝酸银浓缩液可以消除80 %的经过蓄热面板的可见光。将凝胶染色可以用于双重目的，因为它可以减少眩光并且也可以增加吸收到凝胶中的太阳能。此外，中部光学玻璃38可以染色，以使眩光最少，并且提高热能吸收到凝胶30 内。就是说，中部光学玻璃38可以在#3表面上具有低辐射色素，诸如Pilkington低辐射色素应用到PPG Graylite玻璃上。这种配置将用于在抵达凝胶前消除超过90%的光线和有害UV。作为替代，可以在中部光学玻璃38的#4表面施加一层色素。在这种配置中，蓄热介质将直接接触色素层。此外，可以添加各种色素以提高太阳能吸收和效率。在凝胶30粘附到各中部和内部光学玻璃上的#4和#5表面上的情况下，密封蓄热腔沈可以制造成非常大的尺寸。由于密封绝热腔与蓄热腔尺寸相同并且整体形成，所以具有巨大的蓄热腔26允许使用同样巨大的密封绝热腔M。这样使得玻璃元件数量、密封件、 失效风险、成本、不希望的外观以及热短缺最少。这优于现有技术的系统，在现有技术的系统中，玻璃块含水，这样将尺寸和高度严格限制到大约两英尺，通常需要大量的分隔件阵列以及分开的玻璃板。转到绝热腔对，适当的外部光学玻璃36可以具有0. 70或以上的SHGC，优选大约为0. 90。发明人已经利用了 Pilkington Optiwhite低铁玻璃，作为被动加热系统22中的外部光学玻璃36。选择Pilkington Optiwhite是因为它提供较高的光传输性和较高的太阳能热量透射性，并且它可以密封。外部光学玻璃36和中部光学玻璃38之间的隔件32是来自位于美国俄亥俄州 Cambridge 市 Cochran 大街 800 号(邮编 43725) Edgetech USA 的 Super Spacer (TM)型号。 隔件32是工程设计的、全泡沫塑料、“非金属”技术。此外，隔件32是双重密封的温热边缘隔件系统，使用高性能丙烯酸粘结剂用于其结构密封，由水蒸气密封件支撑。与金属基隔件不同，隔件32的全泡沫、非金属结构是非传导的，阻挡热量流过玻璃窗。通过阻挡热量逃逸路径，隔件提供了优化的热性能。隔件32的尺寸与光学玻璃36和38之间的空间对应，限定了绝热腔的深度，该隔件的尺寸基本上与双层或三层玻璃窗中光学玻璃之间的通常间隔相同。绝热腔M以惰性气体(诸如氩气或者氩气/氪气混合物)填充，从而针对外部温度提供绝热。相应地，以惰性气体填充的腔中的光学玻璃之间的间隔距离是气体浅热循环的函数。例如，对于氩气来说，间隔可以是大约0. 5英寸，对于氪气来说，是3/8英寸，或者对于氙气来说是1/4英寸。例如，绝热腔M深度可以介于1/4英寸和1/2英寸之间，带有对应尺寸的隔件32。 此外，通常，蓄热腔沈可以确定尺寸，以使包封光学玻璃38、40之间限定蓄热腔沈的深度的空间介于1英寸和4英寸之间，带有对应尺寸的隔件34。绝热腔M的尺寸使得绝热值最大，而蓄热腔26的尺寸使得含水蓄热容量最大。密封剂42、44围绕腔M、26的周边提供。密封剂例如用一份硅酮、两份硅酮、聚异丁烯(即丁基橡胶)、热熔丁基胶、聚氨酯、多硫化物和丙烯酸胶乳制造。密封剂允许隔件 32,34形成牢固的不透气密封件。转到图3，这里示出了进一步公开的实施例，该实施例是三层玻璃窗的绝热蓄热单元46。设计用于更寒冷的气候的IGU，具有两个分别密封的填充有氪气等的绝热腔48、50， 和一个以水凝胶52填充的密封腔。在这种图示中，#1表面是第一绝热腔中的第一(外部)光学玻璃的外部(环境) 一侧表面；#2和#表面是第一绝热腔中的相互面对的表面且分别是外部光学玻璃和第二光学玻璃的一部分；#4和#5表面是第二绝热腔中相互面对的表面并且分别是第二光学玻璃和第三光学玻璃的一部分；#6和#7表面是蓄热腔中相互面对的表面并且分别是第三光学玻璃38和第四(内部)光学玻璃的一部分；并且#8表面是内部光学玻璃的内部(生活空间)一侧表面。相对来说，第一绝热腔是外部腔，第二绝热腔是中部腔，而蓄热腔是内部腔。此外， 应该理解，第二光学玻璃既是用于外部绝热腔的内部光学玻璃，也是用于第二绝热腔的外部光学玻璃。此外，第三光学玻璃既是用于第二绝热腔的内部光学玻璃，也是用于蓄热腔的外部光学玻璃。此外，低辐射涂层可以应用在#5表面上。这可以让辐射热损耗最小并且将太阳能有效地传递给与其直接热连接的热质量。是否需要双层或三层板玻璃，根据情况来确定。以下参照〃 Chart Of Gains And Losses (增益和损耗图表)”，在马萨诸塞州的波士顿郊区工作的发明人在三个冬季，在12 月、1月和2月的主要供暖月份期间，测量了落在垂直面南的表面上的平均太阳能，为每小时每平方英尺30BTU。注意，这明显不同于前面引用的用于明亮晴朗的冬日白天的每小时每平方英尺250到300BTU的数字，因为30BTU是时间平均值，所有夜晚小时和阴天小时也包含在内。进一步参照该图表，发明人测量了处于65华氏度的被加热空间与外界温度之间的平均温度差(Delta-T)。对于相同的月份，平均Delta-T是38华氏度。利用这两个数据点，即太阳能输入和Delta-T，发明人分析了许多玻璃窗配置以优化用于玻璃窗配置的最大净正BTU输入平均值。分析结果在图表中不同的“示例”下列出。对于图表中总结的代表不同玻璃窗配置的不同示例，SHGC和U值利用“Window 5” 计算，这是一个由Laurence Berkeley National Labs公布的程序，该实验室是由位于加州伯克利Cyclotron路1号(邮编94720)的加州大学运作的一家能源国家实验室的美国部门，其网址是http://WWW. Ib 1. gov八净太阳能输入是所述平均每小时每平方英尺30BTU乘以SHGC。热损耗表示38度“Delta-T”乘以玻璃窗U值。该净值为平均增益减去平均损耗， 所有取值的单位为每小时每平方英尺的BTU。以下是所获取的全部数据的总结增益与损耗图表由发明人记录的基于马赛诸塞州波士顿气候的各种被动玻璃窗可选方案；冬季月份12月、1月和2月；平均值垂直的面南墙壁太阳能输入=30BTU/sf/hr, Delta-T均值 =38度；内侧与外侧相对比
权利要求
1.一种用于安放在建筑物的外部架构开口中的太阳能收集器和蓄热设备，包括绝热腔，所述绝热腔包括位于该设备外侧的第一光学玻璃和从其向内隔开的第二光学玻璃，所述绝热强限定所述绝热腔的深度，并且所述绝热腔基本上以绝热气体填充；蓄热腔，所述蓄热腔包括第二光学玻璃和从所述第二光学玻璃向内隔开的第三光学玻璃，所述蓄热腔限定了所述蓄热腔的深度，所述蓄热腔的深度至少与绝热腔的深度相同尺寸，并且所述蓄热腔基本上以蓄热介质填充；所述蓄热介质是粘附到所述第二光学玻璃和所述第三光学玻璃的水凝胶，并且所述水凝胶具有凝聚特征，以使其自支撑并且在所述蓄热腔中保持其形状；和设置在所述第二光学玻璃的所述绝热腔一侧的低辐射涂层阻止热辐射从所述蓄热介质传递到外部。
2.如权利要求1所述的太阳能收集器，其特征在于，所述第二光学玻璃利用第一边缘隔件与所述第一光学玻璃隔开，而所述第三光学玻璃利用第二边缘隔件与所述第二光学玻璃隔幵。
3.如权利要求1所述的太阳能收集器和蓄热设备，其特征在于，所述水凝胶相对不受 UV光的影响。
4.如权利要求1所述的太阳能收集器和蓄热设备，其特征在于，所述绝热气体是惰性气体。
5.如权利要求4所述的太阳能收集器和蓄热设备，其特征在于，所述惰性气体是氩气、 氪气或者氙气。
6.如权利要求2所述的太阳能收集器和蓄热设备，其特征在于，包括位于所述第一边缘隔件和所述第二边缘隔件周围的密封件。
7.如权利要求6所述的太阳能收集器和蓄热设备，其特征在于，所述第一边缘隔件和所述第二边缘隔件周围的所述密封件包括所述第一边缘隔件周围的第一密封件和所述第二边缘隔件周围的第二密封件。
8.如权利要求1所述的太阳能收集器和蓄热设备，其特征在于，所述蓄热介质是透光的。
9.如权利要求8所述的太阳能收集器和蓄热设备，其特征在于，所述蓄热介质是透明的。
10.如权利要求1所述的太阳能收集器和蓄热设备，其特征在于，所述蓄热介质热耦接到所述第二光学玻璃和所述第三光学玻璃。
11.如权利要求1所述的太阳能收集器和蓄热设备，其特征在于，所述蓄热介质将太阳能波谱中红外区域的太阳能辐射转化为热能。
12.如权利要求11所述的太阳能收集器和蓄热设备，其特征在于，所述蓄热介质被染色，并且将太阳能波谱的红外区域的太阳能辐射以及太阳能波谱的可见光区域内的太阳能辐射转化为热能。
13.如权利要求1所述的太阳能收集器和蓄热设备，其特征在于，所述蓄热介质被染色，并且将太阳能波谱的可见光区域的太阳能辐射转化为热能。
14.如权利要求1所述的太阳能收集器和蓄热设备，其特征在于，所述蓄热介质包含相变材料。
15.如权利要求1所述的太阳能收集器和蓄热设备，其特征在于，所述蓄热介质主要由水和聚丙烯酸钠构成。
16.如权利要求1所述的太阳能收集器和蓄热设备，其特征在于，所述第一光学玻璃、 所述第二光学玻璃和所述第三光学玻璃中的一个或多个用透明玻璃制成。
17.如权利要求16所述的太阳能收集器和蓄热设备，其特征在于，所述第一光学玻璃是太阳能热增益系数大于0. 70的透明玻璃。
18.如权利要求1所述的太阳能收集器和蓄热设备，其特征在于，所述第二光学玻璃和 /或所述第三光学玻璃被染色。
19.如权利要求1所述的太阳能收集器和蓄热设备，其特征在于，所述低辐射涂层的辐射率大约为0.3或以下。
20.如权利要求19所述的太阳能收集器和蓄热设备，其特征在于，所述低辐射涂层将太阳能波谱中红外区域的太阳能辐射的大约0. 5%到99. 5%转化为热能。
21.如权利要求20所述的太阳能收集器和蓄热设备，其特征在于，所述热能转移到所述蓄热介质中。
22.如权利要求2所述的太阳能收集器和蓄热设备，其特征在于，所述第一边缘隔件包含干燥剂。
23.如权利要求5所述的太阳能收集器和蓄热设备，其特征在于，所述惰性气体是氩气，并且所述绝热腔的深度大约为1/2英寸。
24.如权利要求5所述的太阳能收集器和蓄热设备，其特征在于，所述惰性气体是氪气，并且所述绝热腔的深度大约为3/8英寸。
25.如权利要求5所述的太阳能收集器和蓄热设备，其特征在于，所述惰性气体是氙气，并且所述绝热腔的深度大约为1/4英寸。
26.如权利要求7所述的太阳能收集器和蓄热设备，其特征在于，所述第一边缘密封件由硅酮、聚异丁烯、热熔丁基胶、聚氨酯、多硫化物和丙烯酸乳胶中的一种或多种制成。
27.如权利要求7所述的太阳能收集器和蓄热设备，其特征在于，所述第二边缘密封件由硅酮、聚异丁烯、热熔丁基胶、聚氨酯、多硫化物和丙烯酸乳胶中的一种或多种制成。
28.如权利要求1所述的太阳能收集器和蓄热设备，其特征在于，所述蓄热腔的深度大于所述绝热腔的深度。
29.如权利要求观所述的太阳能收集器和蓄热设备，其特征在于，所述蓄热腔的深度至少是所述绝热腔的深度的两倍。
30.如权利要求1所述的太阳能收集器和蓄热设备，其特征在于，所述蓄热腔的深度范围从大约1英寸到大约4英寸。
31.如权利要求30所述的太阳能收集器和蓄热设备，其特征在于，所述蓄热腔的深度最优选范围从大约1英寸到大约3英寸。
32.如权利要求31所述的太阳能收集器和蓄热设备，其特征在于，所述蓄热腔的深度大约为1英寸。
33.如权利要求31所述的太阳能收集器和蓄热设备，其特征在于，所述蓄热腔的深度大约为2英寸。
34.如权利要求31所述的太阳能收集器和蓄热设备，其特征在于，所述蓄热腔的深度大约为3英寸。
35.如权利要求1所述的太阳能收集器和蓄热设备，其特征在于，所述第二光学玻璃和所述第三光学玻璃的厚度分别不超过1/4英寸。
36.如权利要求1所述的太阳能收集器和蓄热设备，其特征在于，所述设备半透明。
37.如权利要求1所述的太阳能收集器和蓄热设备，其特征在于，所述设备透明。
38.如权利要求7所述的太阳能收集器和蓄热设备，进一步包括位于所述蓄热设备的外侧的第四光学玻璃，所述第四光学玻璃与所述第一光学玻璃被第三边缘隔件以及围绕所述第三边缘隔件的第三密封件隔开。
39.一种组件，包括如权利要求1所述的太阳能收集器和蓄热设备；和设置在所述第一光学玻璃的外侧上的遮罩。
40.如权利要求39所述的组件，包括用于降低和升高所述遮罩的马达。
41.如权利要求40所述的组件，其特征在于，所述组件是用于容纳所述太阳能收集器和蓄热设备、所述遮罩和所述遮罩马达的单体式组件。
全文摘要
提供了一种用于安放在建筑物的外部架构开口中的太阳能收集器和蓄热设备，具有绝热腔，所述绝热腔包括位于该设备外侧的第一光学玻璃和从其向内隔开的第二光学玻璃，所述绝热腔限定所述绝热腔的深度，并且所述绝热腔基本上以绝热气体填充。提供的蓄热腔包括第二光学玻璃和从所述第二光学玻璃向内隔开的第三光学玻璃，所述蓄热腔限定了所述蓄热腔的深度，所述蓄热腔的深度至少与绝热腔的深度相同尺寸，并且所述蓄热腔基本上以蓄热介质填充，所述蓄热介质是粘附于所述第二光学玻璃和所述第三光学玻璃的水凝胶并且具有凝聚特性以使其自支撑并在所述蓄热腔中保持其形状。低辐射涂层设置在所述第二光学玻璃的绝热腔一侧，阻止向外的热辐射传递。
文档编号F24J2/00GK102575871SQ201080044463
公开日2012年7月11日 申请日期2010年10月4日 优先权日2009年10月5日
发明者丹尼尔·M·福格蒂, 温德尔·B·科尔森 申请人:亨特道格拉斯有限公司