包括可自持的冷凝、水收集和清洁子组件的太阳能系统的制作方法

相关申请的交叉引用

本申请要求2015年1月15日提交的题为“包括可自持的冷凝、水收集和清洁子组件的太阳能系统(solarsystemcomprisingselfsustainablecondensation,watercollection,andcleaningsubassemblies)”(案号sa6012pa)的美国专利申请案第14/597,404号的优先权，其内容以其全文引用的方式并入本文中。

背景技术：

本发明涉及光伏、热和其它类型的太阳能系统，其中透射或反射光接收表面曝露于环境并且遭受颗粒污染。更具体来说，本发明引入用于解决在此类太阳能系统中采用的光接收表面的颗粒污染的技术。

技术实现要素：

根据本发明的主题，提供了一种包括冷凝、水收集和清洁子组件的太阳能系统，所述子组合件被配置成解决由如在城市、偏远或海上位置所用的太阳能系统的特定光接收表面上的颗粒沉积引起的性能问题。本发明的主题适合于构造自持式太阳能系统，所述自持式太阳能系统引起存在于环境空气中的湿气冷凝、捕获并收集冷凝水并且使用所收集的水清洁太阳能系统的特定光接收表面。

根据本发明的一个实施例，压缩空气的膨胀用于冷却太阳能系统的光接收表面。环境湿气在光接收表面上冷凝，其也充当系统的水收集介质。捕获的水收集于例如放置在表面的底部边缘处的容器中，过滤用以去除灰尘，并且随后存储在加压的水箱中。压缩空气然后用于使存储水升高并对其加压并且将其输送到喷淋头管，或任何其它水性清洁系统。喷淋头管优选地放置在光接收表面的顶边缘处并且配备有喷水喷洒器、喷嘴、洒水器等，它们对齐以实现有效的表面清洁。预期此清洁硬件可与一个或多个可用的利用水的自动清洁附件(像毛刷、刮片、拖把等)组合。

根据本发明的另一个实施例，提供了一种包括光接收表面、冷凝子组件、水收集子组件和清洁子组件的太阳能系统。光接收表面曝露于环境空气。冷凝子组件包括耦合到膨胀室的压缩空气膨胀阀。冷凝子组件的膨胀室热耦合到光接收表面并且与环境热隔绝，使得压缩空气在膨胀室中膨胀，如通过压缩空气膨胀阀控制，通过降低光接收表面的温度促进在光接收表面上的湿气冷凝。水收集子组件包括水收集容器和被定位成将在光接收表面上的冷凝水引导到水收集容器的水引导硬件。清洁子组件包括经由清洁流体导管流体地耦合到水收集容器的水分配单元。水分配单元被定位成将来自水收集容器的水分配在太阳能系统的光接收表面上。

在又一实施例中，考虑了一种操作太阳能系统的方法，其中根据通过控制来自压缩空气供应器的压缩空气经压缩空气膨胀阀的释放的环境传感器输出，通过控制水收集子组件的激活条件操作太阳能系统。

虽然本文主要参考一些具体的太阳能系统配置描述了本发明的概念，但是预期所述概念将适用于包含光接收表面的任何太阳能系统，所述光接收表面曝露于环境并且遭受颗粒污染。

附图说明

当结合以下附图时可以更好地理解以下对本发明的具体实施例的详细描述，附图中用类似的参考标号指示类似的结构并且其中：

图1a示出根据本发明的一个实施例的太阳能系统，其中特别强调其光接收表面、冷凝子组件、水收集子组件和清洁子组件；

图1b示出根据本发明的一个实施例的太阳能系统，其中特别强调其水分配单元和外围水坝；

图2和图3示出本发明考虑的许多替代类型的光接收表面配置中的两种配置；

图4示出根据本发明的一个实施例的太阳能系统配置，其中特别强调系统的环境传感器；和

图5到图15示出支持根据本发明的太阳能系统的功效的建模操作数据。

具体实施方式

本发明引入用于解决在光伏、热和其它类型的太阳能系统中采用的光接收表面的颗粒污染的技术，其中透射或反射光接收表面曝露于环境并且遭受颗粒污染。此类污染和相对应的操作效率下降在当今的太阳能系统中是主要挑战，尤其是其中颗粒和/或污物浓度较高，就如其中系统安装在偏远的城市或海上位置的情况一样。

首先参考图1a，示出了太阳能系统100，所述太阳能系统100包括曝露于环境空气的光接收表面10、冷凝子组件20、水收集子组件30和清洁子组件40。光接收表面10可包括被配置成收集热量或其它形式聚集的太阳能的光伏模块的输入面或太阳能反射器模块的反射面。

冷凝子组件20包括耦合到膨胀室24的压缩空气膨胀阀22。冷凝子组件20的膨胀室24热耦合到光接收表面10并且与环境热隔绝。在操作中，压缩空气在膨胀室24中的膨胀(如通过压缩空气膨胀阀22控制)冷却膨胀室24并且促进在热耦合到膨胀室24的光接收表面10上的湿气冷凝。举例来说，如在图1a中示出，冷凝子组件20的膨胀室24可热耦合到模块的背面以确保光接收表面10用膨胀室24冷却。

虽然不是必需的，但是在所示出的实施例中，光接收表面10包括光伏或太阳能反射器模块的输入面，并且冷凝子组件20的膨胀室24的一侧经由高热导率材料26(例如铜或铝的传导层)热耦合到模块的背面。还预期，冷凝子组件20的膨胀室24的相对侧可带有一层隔热材料28，以使直接来自环境的热吸收降到最低并且防止在膨胀室24的背侧上冷凝。

水收集子组件30包括水收集容器32和被定位成将在光接收表面上的冷凝水引导到水收集容器32的水引导硬件34。除了水引导硬件34(其在图1a中以沿光接收表面10的外围的至少一部分定位的外围水坝36的形式示出)之外，预期水收集子组件30可包括水收集过滤器38，其被定位成在冷凝水被引导到水收集容器32之前从所述冷凝水中去除颗粒。还预期，光接收表面10可设置有透明的疏水性涂层以改善冷凝水排斥性和所得水收集。

清洁子组件40包括水分配单元42，其经由清洁流体导管44流体地耦合到水收集容器32。水分配单元42可终止于指向光收集表面10的一个或多个喷水嘴46以将来自水收集容器32的水分配在太阳能系统100的光接收表面10上。清洁流体可通过经由压缩空气供应器50和加压阀55选择性地对水收集容器加压而从清洁流体导管44向上驱动。举例来说，喷水嘴46可被配置成处于固定到喷淋头管的喷嘴的线性阵列，各自在约35kpa到约350kpa之间的温度下操作。在表面清洁操作期间，压缩空气可被专门引导到水收集容器32以确保足够的喷水嘴46的压力。清洁子组件40可另外设置有水分流阀48，其选择性地分流来自水收集容器32的废水或将过滤的废水引导到所述水收集容器32，用以在清洁操作期间选择性再循环水。

呈现图2和图3以示出本发明涵盖呈多种形式的光接收表面的事实，包含基本上平面的光接收表面(参见图2)、被配置成限定在例如太阳能收集器12处的太阳能聚集的焦点或焦线的弧形光接收表面10^*，和被配置成将太阳能引导到透射光接收表面10”的互补反射和透射光接收表面10'、10”(参见图3)。

图1和图4示意性地示出其中压缩空气供应器50可与根据本发明的太阳能系统100集成在一起的方式。更具体来说，压缩空气供应器50可直接或间接地耦合到冷凝子组件20的压缩空气膨胀阀22。具体地参考图4，其中太阳能系统100包括太阳能单元60的阵列，每个太阳能单元60都包括光接收表面10并且每个都与冷凝子组件、水收集子组件和清洁子组件相关联，预期压缩空气供应器50可包括与太阳能单元60阵列的单独太阳能单元连通的中心压缩空气供应器或多个专用的压缩空气供应器。在任一情况下，预期在光接收表面10包括光伏模块的输入面情况下，光伏模块可被配置成将其光伏输出的部分专用于压缩空气供应器50。

进一步考虑，压缩空气供应器可包括被定位成将压缩空气供应器50中的压缩空气除湿的脱水器52。脱水器52可放置成经由补充水收集阀35与水收集子组件30的水收集容器32处于流体连通。以此方式，可“按需”使用脱水器52(其可包括冷却/冷凝翅片)和补充水收集阀35以将捕获的冷凝水传递到水收集容器32。对压缩空气供应器的这种除湿也阻止了水夹带在冷凝子组件20的内表面上。

参考图1和图4，预期太阳能系统100可设置有处理控制器70，其经编程以确保在启动水收集子组件30之前启动用于清洁光接收表面10的清洁子组件40的水分配单元42，以有助于避免在收集的水中夹带颗粒物质。处理控制器70还可经编程以根据响应于来自环境温度传感器80和环境湿度传感器82的信号的环境温度、湿度或其组合控制水收集子组件30的启动。另外，为了避免当压缩空气供应器50中的气压不足时启动冷凝子组件20，预期处理控制器70可经编程以根据在压缩空气供应器50中的气压控制清洁子组件40的启动。

在光接收表面包括光伏模块的输入面的情况下，进一步考虑，太阳能系统100可设置有光伏模块功率监测器84，并且处理控制器70可经编程以根据由光伏模块产生如通过功率监测器84感测到的功率控制清洁子组件的启动。举例来说，预期使用前述部件，自动系统可被配置成测量环境温度、湿度或系统性能下降，并且确定用于启动收集和清洁子组合件的频率、持续时间和时段。

还预期，处理控制器70可经编程以根据通过控制来自压缩空气供应器50的压缩空气的释放的环境传感器输出控制水收集子组件30的启动条件，例如释放持续时间、压降或其组合。举例来说，在一个实施例中，环境传感器包括环境温度传感器80、环境湿度传感器82、环境风速传感器86，并且水收集子组件的适当操作条件可通过处理控制器70根据温度、湿度、风速，或其它测量的气候条件的各种组合设定。

进一步参考图4，根据本发明的太阳能系统可包括补充电力插座或其它形式的输入，所述补充电力插座或其它形式的输入被配置成准许在来自例如外电网90的补充电力下的系统操作。举例来说，当光伏模块的光伏输出低于最小操作阈值(如可出现在夜里或在其它低光照条件下)时，太阳能系统操作可通过来自外部电网90的电力补充。

对于能量守恒计算，已开发了涵盖季节性变化的包含环境条件、物理尺寸和系统的机械因素的数学模型。模型基于热力学原理和热传递定律，以便预测用于冷凝环境空气中存在的湿气所需要的能量从而捕获合适的水量用于清洁处理。在本文呈现所述模型仅出于说明性目并且不应用于限制超出其文字叙述的所附权利要求书的范围。

模型使用最大温度用于在一定比表面积的pv模块的顶部上在环境压力下的湿气冷凝，并且同样适用于太阳能热系统的反射器。上述光接收表面的面积和相对湿度将确定操作的持续时间以收集合适的水冷凝物和使其可用于以最小能量消耗的清洁。此外，应指出，在环境空气中高湿度的情况下，在压缩空气于pv模块膨处胀之前通过经由翅片式热传递使所述压缩空气冷却也可收集大量的水。

如下文提出的模型是基于“pv工作站特征”、“pv组件特征”、“环境参数”和“洗涤系统细节”。具体地说，“pv工作站特征”包含电力输出、pv面积和冷冻面积。“pv组件特征”包含呈现单晶硅或多晶硅的太阳能模块、中空的pv设计、玻璃厚度、玻璃热导率、eva厚度、eva热导率、硅厚度、硅热导率、tedlar厚度、tedlar热导率、铝框架厚度和铝框架热导率。“环境参数”包含环境温度、环境压力、相对湿度、每年阳光充足的天数、每天的日照时间和风速。“洗涤系统细节”包含用于水提升的高度、管道尺寸、喷嘴头压力、用于清洁的合适水量、水储存箱体积、清洁的持续时间和清洁频率。

采用多种控制方程以开发所述模型，并且呈现在下文。

冷冻pv表面的温度。为了测定冷冻pv表面(外部-与空气接触)的合适温度，考虑到，为了水分在冷冻表面上冷凝并且形成水，相对湿度(rh)需要达到100％。此温度被称作“露点”。用于在空气中水饱和的安托尼(antoine)方程如下(a＝8.074，b＝1730.63，c＝233.4)：

冷气的温度(在膨胀之后)。对于计算用于表面冷却(内部-在膨胀之后)的冷却空气的合适温度，可计算在表面上从环境空气的热传递速率和pv模块的内部组件的温度，如下：

(在对流情况下的热传递速率)

(在通过系统的材料传导情况下的热传递速率)

其中λ为组件的每种材料的热导率，并且δl为每种材料的厚度(垂直于热传递向量/方向)。因为组件内表面的厚度极小，所以可在最小错误的情况下使用线性温度梯度法。

冷气供应速率。为了测定合适的冷气供应速率，考虑到，在稳定状态下，从内部组件到冷气的热去除速率与冷却空气的质量通量(以g/s为单位)冷却空气的比热容和温差成比例。

水冷凝速率。可使用水液化(冷凝)焓(h2o(g)→h2o(l)+δh，放热)计算水在冷冻表面上的冷凝速率，其在25℃下等于540cal/g[2]。因此，冷凝速率将为：

通过绝热膨胀的冷气。假设空气的理想气体行为，即进行可逆的绝热膨胀，这意指pv^γ在膨胀期间为常数，其中p为压力，v为体积并且γ为空气的热容比(cp/cv)。从上可知，可得出结论：

其中可针对t1(环境温度)、p2(环境压力)和t2(冷气温度)计算p1(压缩空气压力)。

清洁系统所需要的压力。用于清洁的合适总压力为在水喷嘴(或喷淋器或洒水器)处施加的压力加上将清洁水提升到喷淋头所需要的流体静压的和。在本发明公开内容中开发的数学模型已测试了10psig，其落入工业用压力要求之间。

为了计算在此压力下压缩空气所需要的能量，假设了绝热过程，因此：

其中α等于1/(γ-1)，n为压缩的空气的摩尔数。每清洁循环合适的空气摩尔数等于在水压箱处使用的空气摩尔数加上在膨胀阀处使用的空气摩尔数。在水箱处，(在压力下)空气摩尔数等于(pv)/(rt)。在膨胀阀处，上文已计算所需要的空气摩尔数，作为冷气供应的速率。使用用于压缩每摩尔空气的能量的量和空气供应摩尔速率，可计算用于压缩的能量消耗速率。

如使用前述数学模式确定，环境温度、相对湿度、冷冻表面积的百分比、压缩机效率、合适的清洁水体积、风速和喷淋头压力对本文提出的太阳能系统技术的能量消耗的影响(表示为牺牲能量比)示出在图5到图11中。以下数据已经用于数学模型：

pv系统安装参数：

1.pv系统表面：1m²

2.pv系统电力输出：180w[3]

3.玻璃厚度：3mm

4.eva厚度：0.3mm

5.硅厚度：0.2mm

6.tedlar厚度：2mm

7.安装最大高度：1.8m

环境细节：

1.环境压力：1atm

2.每年阳光充足的天数：310

3.每天平均日照时间：10h

清洁系统细节：

1.用于冷却和洗涤系统的独立压缩机

2.用于清洁的合适水：120ml

3.喷淋头管直径：0.5"

4.在管处的能量损耗：2％

5.喷嘴头压力：10psig

6.清洁持续时间：30s

7.清洁频率：每周两次

图5示出环境温度对太阳能pv系统的牺牲能量比的影响。环境温度在15℃到40℃的范围内，而相对湿度在每种情况下都是固定的。此外，冷冻面积百分比(a)、环境压力(p)、风速和水量分别为1atm、100％、7km/h和120ml。

图6示出相对湿度(rh)对太阳能pv系统的牺牲能量比的影响。相对湿度在20％到80％的范围内，而冷冻pv表面百分比(a)和环境温度(t)在每种情况下都是固定的。此外，环境压力(p)、风速和水量分别为1atm、7km/h和120ml。

图7示出风速对太阳能pv系统的牺牲能量比的影响。风速在7km/h到57km/h的范围内，而相对湿度在每种情况下都是固定的。此外，环境温度(t)、冷冻面积百分比(a)、环境压力(p)和水量分别为25℃、100％、1atm和120ml。

图8示出冷冻面积百分比对太阳能pv系统的牺牲能量比的影响。冷冻面积百分比在50％到100％的范围内，而环境温度(t)在每种情况下都是固定的。此外，环境压力(p)、相对湿度(rh)、风速和水量分别为1atm、40％、7km/h和120ml。

图9示出产生的水量对太阳能pv系统的牺牲能量比的影响。产生的水量在80ml到180ml的范围内，而相对湿度在每种情况下都是固定的。此外，环境温度(t)、冷冻面积百分比(a)、环境压力(p)和风速分别为25℃、100％、1atm和7km/h。

图10示出压缩机效率对太阳能pv系统的牺牲能量比的影响。环境温度(t)、冷冻面积百分比(a)、环境压力(p)、产生的水量和风速分别为25℃、100％、1atm、120ml和7km/h。

图11示出水喷头压力对太阳能pv系统的牺牲能量比的影响。环境温度(t)、冷冻面积百分比(a)、环境压力(p)、相对湿度(rh)、产生的水量和风速分别为25℃、100％、1atm、40％、120ml和7km/h。

在上文讨论的模型中，如图5到图11中所示，根据周围环境条件(即环境温度、相对湿度和风速)调节清洁系统的操作参数(p和冷却空气流动速率)是有帮助的。为了使牺牲能量降到最低，已经确定两个低能消耗操作：i)在用于冷却空气供应-膨胀的压缩机处在固定的压力下的操作，和ii)在固定的冷冻pv表面温度(外部-与空气接触)下的操作。

在用于冷却空气供应的压缩机处在固定压力下的操作。图12a示出在用于冷却空气供应的压缩机处在2atm的固定操作压力下，环境空气相对湿度对太阳能pv系统的牺牲能量比的影响。相对湿度在20％到80％的范围内，而冷冻pv表面百分比(a)和环境温度(t)在每种情况下都是固定的。此外，环境压力(p)、风速和水量分别为1atm、7km/h和120ml。图12b示出在用于冷却空气供应的压缩机处在3atm的固定操作压力下，环境空气相对湿度对太阳能pv系统的牺牲能量比的影响。相对湿度在20％到80％的范围内，而冷冻pv表面百分比(a)和环境温度(t)在每种情况下都是固定的。此外，环境压力(p)、风速和水量分别为1atm、7km/h和120ml。

图12a和图12b共同地示出在其中在用于冷却空气供应的压缩机处在操作压力分别固定在2atm和3atm的情况下，相对湿度对太阳能pv系统的牺牲能量比的影响。如图12a和图12b中示出，当压力分别固定在2atm和3atm时，观察到在rh～50％和～35％下，牺牲能量比(清洁系统的能量消耗)的急剧下降。能量消耗的这种急剧下降归因于在第二箱处由压缩、翅片冷却和随后对潮湿空气的除而湿捕获的大量冷凝水。

在图13中示出在固定压缩机操作压力条件下，太阳能pv系统的牺牲能量比对压缩机(用于冷却空气供应)的操作压力的灵敏度分析。图13示出在固定操作压力条件下用于冷却空气供应的压缩机的操作压力对太阳能pv系统的牺牲能量比的灵敏度分析。示出了在25℃和35℃环境温度下40％和60％相对湿度的情况。环境压力(p)、风速和水量分别为1atm、7km/h和120ml。压缩机操作压力在1.5atm和2.3atm之间的范围内，同时呈现在25℃和35℃(tamb)下40％和60％相对湿度的情况。如图13所示，在低tamb和其中水仅通过对冷冻pv表面的外部的环境空气除湿捕获的rh水平下，压缩机操作压力对在本发明清洁系统中描述的能量消耗的影响显著。

在固定的冷冻pv表面温度下的操作。图14a示出在固定的冷冻pv表面温度为1℃下，环境空气相对湿度对太阳能pv系统的牺牲能量比的影响。相对湿度在20％到80％的范围内，而冷冻pv表面百分比(a)和环境温度(t)在每种情况下都是固定的。此外，环境压力(p)、风速和水量分别为1atm、7km/h和120ml。图14b示出在固定的冷冻pv表面温度为2℃下，环境空气相对湿度对太阳能pv系统的牺牲能量比影响。相对湿度在20％到80％的范围内，而冷冻pv表面百分比(a)和环境温度(t)在每种情况下都是固定的。此外，环境压力(p)、风速和水量分别为1atm、7km/h和120ml。

图14a和图14b共同地示出在其中在冷冻外部pv表面温度(其中出现空气湿气冷凝)分别固定在1℃和2℃的情况下，相对湿度对太阳能pv系统的牺牲能量比的影响。如在图(14a和14b)中所示，当rh在40％到60％的范围内时，观察到类似于图12a和图12b中所观察的牺牲能量比急剧下降。这种急剧下降归因于可在第二箱处在压缩、翅片冷却和随后的对潮湿空气除湿之后收集的大量冷凝水。

图15中示出在固定的冷冻pv表面温度条件下，太阳能pv系统的牺牲能量比对冷冻pv表面温度的灵敏度分析。表面温度在1℃和5℃之间的范围内，同时呈现40％、60％和80％相对湿度的情况。环境温度(tamb)、环境压力(pamb)、风速和水量分别为25℃、1atm、7km/h和120ml。在每种情况下也提到了露点。如在图15中所示，固定的pv表面温度对清洁系统能量消耗的影响不是那么显著。

出于描述和限定本发明的目的，应指出，本文提到变量为参数的“函数”或另一个变量不旨在表示变量专门为所列参数或变量的函数。相反地，本文提到其为所列参数的“函数”的变量意欲是开放式的，使得变量可为单个参数或多个参数的函数。

应当注意的是，此处对以特定方式“配置”或“编程”或者包括特定性能、或通过特定方式发挥作用的本发明的部件的叙述是对照于预期用途叙述的结构性叙述。更具体来说，本文提到其中部件被“编程”或“配置”的方式表示部件的现有物理条件以及，因而将被视为部件的结构特征的明确叙述。

应指出，当在本文采用比如“优选的”、“典型的”和“合适的”的术语时，这些术语不用于限制所要求的发明的范围，或暗示某些特征对于所要求的发明的结构或功能来说是至关重要的、必需的或者甚至是重要的。相反地，这些术语仅旨在识别本发明实施例的特定方面或强调可或可不用于本发明特定实施例的替代或附加特征。

出于描述和限定本发明的目的，应注意到，本文采用术语“基本上”和“大约”来表示归因于任何定量比较、值、测量值或其它表示的固有的不确定度。本文也采用术语“基本上”和“大约”表示定量表示可在陈述参考的范围内变化而不在此问题上导致主题的基本功能的改变的程度。

已详细并且参照其具体实施例描述本发明的主题，应当注意，甚至在其中特定元件示出在本说明书所附的每个附图中的情况下，本文公开的各种细节不应用于暗示这些细节与为本文所描述的各种实施例的必需部件的元件有关。另外，很明显，在不脱离本发明的范围(包含但不限于所附权利要求书中限定的实施例)的情况下，修改和变化是可能的。更具体来说，虽然本发明的一些方面在本文被认为是优选的或特别有利，但是可以设想本发明不必限于这些方面。

应当注意，以下权利要求中的一个或多个利用术语“其中”为过渡短语。出于限定本发明的目的，应当注意，此术语作为开放式过渡短语被引入权力要求中，其用于引入对结构的一系列特征的叙述并且应以与更常用的开放式前导术语“包括”相同的方式解释。