包括不透明蓋的太陽(yáng)能收集器的制造方法
【專利說(shuō)明】包括不透明蓋的太陽(yáng)能收集器
[0001]相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用
[0002]本申請(qǐng)要求2013年4月12日(12/04/2013)提交的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)序列號(hào)61/811，495的優(yōu)先權(quán)和權(quán)益。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003]本發(fā)明涉及太陽(yáng)能收集器，更具體地涉及設(shè)計(jì)成將工作流體加熱到約25°C到180 °C范圍內(nèi)的溫度的太陽(yáng)能熱收集器。
【背景技術(shù)】
[0004]自20世紀(jì)70年代以來(lái)平板太陽(yáng)能收集器沒有發(fā)生根本變化。Gallagher的美國(guó)專利N0.4，011，856 (1977)教導(dǎo)了一種示例性設(shè)計(jì)，其基本代表了當(dāng)今使用的大多數(shù)上釉平板太陽(yáng)能收集器。這樣的太陽(yáng)能收集器一般利用具有減少的氧化鐵含量的鋼化玻璃作為蓋板材料。該玻璃必須足夠薄以防止無(wú)支撐跨度的松垂。該玻璃還必須具有抗沖擊性，并且在強(qiáng)風(fēng)區(qū)域中必須附接到具有能夠經(jīng)受強(qiáng)風(fēng)暴產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)氣壓的構(gòu)架和緊固件的太陽(yáng)能收集器組件上。結(jié)果，玻璃蓋板典型地為3.2或4毫米厚，相對(duì)應(yīng)重量為約8和1kg/ Hf。對(duì)玻璃的使用使得平板太陽(yáng)能收集器難以處理并且裝運(yùn)昂貴。同時(shí)，鋼化玻璃并不防破裂。盡管鋼化產(chǎn)生極佳的抗平面沖擊性，然而棱邊強(qiáng)度不佳。當(dāng)橫向壓縮力(例如，由于在處理過程中太陽(yáng)能收集器在其一側(cè)墜落產(chǎn)生的力)迫使鄰近的釉料構(gòu)架螺釘?shù)念^部或者長(zhǎng)度裝上玻璃棱邊時(shí)，鋼化玻璃片會(huì)破碎。
[0005]半透明塑料(包括丙烯酸樹脂和聚碳酸酯)已經(jīng)被作用太陽(yáng)能收集器釉料，以嘗試降低重量和成本。不幸的是，由于經(jīng)年累月暴露于紫外輻射和停滯溫度產(chǎn)生褪色和結(jié)構(gòu)性退化，這些材料隨著時(shí)間的推移遭受透射率的顯著減小。當(dāng)暴露于與強(qiáng)風(fēng)暴相關(guān)的動(dòng)態(tài)壓力時(shí)，塑料釉料材料還易于經(jīng)歷不可接受程度的向外彎曲。
[0006]透明和半透明蓋板材料的另一問題是空氣傳播的灰塵和污點(diǎn)會(huì)積累在釉料表面上，這減小了太陽(yáng)能透過率。在許多氣候下，降雨的頻率和強(qiáng)度不足以去除積累的灰塵和污點(diǎn)。另外，存在一個(gè)實(shí)際的現(xiàn)實(shí)一一對(duì)于住房屋頂上和在大的商用陣列中的太陽(yáng)能收集器的定期人工清理是一個(gè)問題。
[0007]典型的上釉平板太陽(yáng)能收集器的側(cè)壁由四個(gè)細(xì)長(zhǎng)、直的鋁擠制件形成，帶有45度的坡口端和從垂直臂部分向外延伸的各種擠制的附加件。四個(gè)側(cè)壁結(jié)合成90度角拐角，經(jīng)常利用L形支架在每個(gè)拐角的內(nèi)側(cè)處進(jìn)行加強(qiáng)。螺釘、螺母或鉚釘將側(cè)壁緊固到L形加強(qiáng)支架上。這些銳利的拐角接縫具有兩個(gè)缺點(diǎn)。第一，太陽(yáng)能收集器側(cè)壁隨著日常溫度變化而膨脹和收縮。隨著時(shí)間推移，不斷的膨脹和收縮會(huì)導(dǎo)致在拐角接縫處的小間隙。這個(gè)問題可由于上水平側(cè)壁和下水平側(cè)壁溫度上的差異而惡化，該溫度差異導(dǎo)致小但是很有影響的上和下水平側(cè)的縱向膨脹和收縮差異。即使具有最小的拐角間隙，由于太陽(yáng)能收集器內(nèi)部空氣和環(huán)境空氣之間的壓力差的驅(qū)策，進(jìn)入太陽(yáng)能收集器內(nèi)部的充滿濕氣和微粒的空氣滲透也將不可避免地發(fā)生。濕氣和微粒的入侵最終結(jié)果是在釉料的上側(cè)形成骯臟的薄層，減小了太陽(yáng)能透射率。所討論的拐角接縫幾乎沒有利用可能有助于防止隨著時(shí)間的推移濕氣入侵的彈性體材料進(jìn)行密封。缺乏有效的拐角密封的部分原因是:密封每個(gè)拐角接縫的頂部和底部處的陡起的、平面的并且尖狀的表面相交部操作上是困難的。盡管拐角接縫可以被焊接，但是該辦法招致不可接受的勞動(dòng)力成本并且與最常用的構(gòu)架材料和表面處理不相適應(yīng)，表面處理包括對(duì)鋁構(gòu)架的陽(yáng)極氧化表面處理。
[0008]在強(qiáng)風(fēng)暴期間，太陽(yáng)能收集器上的方角增加了蓋板上的動(dòng)態(tài)壓力。屋頂?shù)[石沖刷的對(duì)比測(cè)試顯示，相比于常規(guī)方角，空氣動(dòng)力學(xué)拐角能夠使得損傷閾值風(fēng)速加倍。壓力測(cè)量顯示，相比于方角，對(duì)于空氣動(dòng)力學(xué)拐角，在屋頂拐角測(cè)試中，揚(yáng)壓力減小高達(dá)75%。見Lin等，“Aerodynamic Devices for Mitigat1n of Wind Damage Risk，，，4th Internat1nalConference on Advances in Wind and Structures,AffAS 08.Jeru,Korea,May29-31，2008。
[0009]與上述風(fēng)揚(yáng)壓力問題緊密相關(guān)的一個(gè)問題是:包括具有方角的鈍迎風(fēng)邊緣的任何結(jié)構(gòu)促進(jìn)沿著布置在這樣的拐角下風(fēng)向的邊緣的漩渦流的形成和脫落。(見Okamoto，S和Uemura, N.“Effect of rounding side-corner on aerodynamic forces and turbulentwake of a cube placed on a ground plane”，Experiments in Fluids, 11, 58-64.Springer-Verlag.1991)如果漩禍脫落的頻率正好匹配該結(jié)構(gòu)的諧振頻率，那么該結(jié)構(gòu)將開始諧振并且該結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)將變成為自承的。強(qiáng)風(fēng)暴期間太陽(yáng)能收集器上的漩渦脫落實(shí)際上能使屋頂貼板松動(dòng)并開始越來(lái)越嚴(yán)重地?fù)p毀整個(gè)屋頂結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致最終災(zāi)難性的損失。屋頂板破壞是強(qiáng)風(fēng)暴期間受災(zāi)住房建筑損壞的主要原因。一旦建筑失去屋頂板的一個(gè)或多個(gè)板片，損壞將隨大量的風(fēng)驅(qū)動(dòng)的水進(jìn)入該結(jié)構(gòu)而呈指數(shù)增加。保險(xiǎn)索賠數(shù)據(jù)顯示一旦屋頂板開始破壞，損失將急速上升。即便墻保持完好并且屋頂架未破壞，屋頂板的損失一般導(dǎo)致大于建筑保險(xiǎn)價(jià)值50 %的損失。見Applied ResearchAssociates, Inc.“Development of Loss Relativities for Wind Resistive Features ofResidential Structures，，，F(xiàn)lorida Department of Community Affairs(DCA Contract
02-RC-l1-14-00-22-003), Vers1n 2.2, March 28,2002。
[0010]真空管太陽(yáng)能收集器是上釉平板太陽(yáng)能收集器的替代。Fehlner和Ortabasi的美國(guó)專利N0.4，067，315教導(dǎo)了一種示例性真空管太陽(yáng)能收集器。這樣的太陽(yáng)能收集器的真空管典型包括1.6毫米厚硼硅玻璃圓筒。盡管這樣的玻璃圓筒有一定程度的抗沖擊性，但是由于冰雹、風(fēng)驅(qū)動(dòng)的風(fēng)暴碎片、打偏的高爾夫球和棒球和墜落的工具的沖擊的原因，也會(huì)發(fā)生破裂。在裝運(yùn)和處理期間也會(huì)發(fā)生破裂。
[0011]對(duì)于真空管太陽(yáng)能收集器來(lái)說(shuō)，積雪也是一個(gè)問題。消除從玻璃管內(nèi)部到環(huán)境空氣的對(duì)流熱損失的真空也允許雪積累在真空管上。在陽(yáng)光充足的條件下通過從玻璃上側(cè)上的較熱空氣到較冷的環(huán)境空氣的連續(xù)熱傳遞，平板太陽(yáng)能收集器的玻璃蓋板會(huì)變暖。然而，真空管太陽(yáng)能收集器的玻璃僅由玻璃吸收的入射太陽(yáng)能的小百分比而變暖，并且該熱量會(huì)快速損失到伴隨降雪的冷環(huán)境空氣。這樣，在沒有人工除雪的情況下，在降雪之后，真空管太陽(yáng)能收集器會(huì)變得一段時(shí)間不可使用。
[0012]已經(jīng)提出過真空平板太陽(yáng)能收集器。Dalstein等的美國(guó)專利N0.，4，332，241 (1982)、Benvenuti 的 N0.7，810，491 (2010)以及 Palmieri 的N0.8, 161,965(2012)是示例性設(shè)計(jì)。Benvenuti ‘491專利提供了對(duì)于管和平板真空太陽(yáng)能收集器的極佳討論。Dalstein ‘241專利教導(dǎo)了一種復(fù)雜的雙壁構(gòu)架，其包括內(nèi)構(gòu)架壁，該內(nèi)構(gòu)架壁包括四件焊接成45度斜坡銳角的方管。Dalstein ‘241、Benvenuti ‘491和Palmieri ‘965專利全都教導(dǎo)了將金屬釬焊或融合到玻璃的各種方法。這些復(fù)雜和相對(duì)昂貴的處理被設(shè)想出以解決相異的材料以及玻璃蓋板和金屬構(gòu)架壁的相異的膨脹和收縮率。然而，Dalstein ‘241、Benvenuti ‘491和Palmieri ‘965專利沒有解決與平板太陽(yáng)能收集器釉料或銳側(cè)壁拐角相關(guān)的問題，或者真空太陽(yáng)能收集器外玻璃表面上積雪的問題。
[0013]不上釉太陽(yáng)能收集器是上釉平板太陽(yáng)能收集器的另一選擇。不上釉塑料太陽(yáng)能收集器(其中炭黑添加到塑料樹脂以增強(qiáng)太陽(yáng)能吸收率并抵抗持久地暴露于紫外輻射的效果)廣泛地用于泳池加熱。Ford等的美國(guó)專利N0.3，934，232(1976)和Harter的美國(guó)專利N0.4，060，070 (1977)教導(dǎo)了不上釉塑料太陽(yáng)能收集器的實(shí)例。盡管泳池加熱要求溫度在25°C和32°C之間，不上釉塑料太陽(yáng)能收集器已經(jīng)被利用來(lái)用于便攜式水加熱，其要求溫度在45°C和60°C之間。
[0014]不上釉太陽(yáng)能收集器能夠在工作流體的流率減小時(shí)遞送60°C的水。不幸的是，盡管這樣，當(dāng)環(huán)境空氣溫度落于太陽(yáng)能收集器流體進(jìn)口溫度以下時(shí)，不上釉太陽(yáng)能收集器比上釉平板太陽(yáng)能收集器遭受多得多的對(duì)流熱損失。風(fēng)使得該問題更加嚴(yán)重。對(duì)于太陽(yáng)能泳池加熱來(lái)說(shuō)，不佳的冷天氣性能是可接受的，因?yàn)榇蠖鄶?shù)氣候中的目標(biāo)僅僅是延展游泳季節(jié)多幾個(gè)月。其他水加熱應(yīng)用要求全年的熱水。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0015]本發(fā)明涉及包括不透明蓋的太陽(yáng)能收集器。太陽(yáng)能由不透明蓋吸收并轉(zhuǎn)換成熱，熱通過傳導(dǎo)、對(duì)流和至少基本氣密的外殼內(nèi)的間隙之間的紅外發(fā)射而從不透明蓋傳遞到包含工作流體的吸收器。不透明蓋的外表面具有高太陽(yáng)能吸收率并且內(nèi)表面具有高紅外發(fā)射率。外表明優(yōu)選還具有低紅外發(fā)射率。不透明蓋的成分、結(jié)構(gòu)和熱質(zhì)量和吸收器的成分、結(jié)構(gòu)和熱質(zhì)量被選擇成促進(jìn)這樣的工作關(guān)系，憑借該工作關(guān)系不透明蓋的內(nèi)表面比吸收體表面熱。
[0016]—個(gè)實(shí)施方式涉及一種太陽(yáng)能收集器，其包括具有中空橫截面和圓角的連續(xù)側(cè)壁。該連續(xù)側(cè)壁制造經(jīng)濟(jì)并且相比于現(xiàn)有技術(shù)太陽(yáng)能收集器構(gòu)架異乎尋常地結(jié)實(shí)。連續(xù)側(cè)壁的圓角減小了颶風(fēng)級(jí)風(fēng)期間的風(fēng)載應(yīng)力，這允許減小不透明蓋的厚度并可以減小潛在的受災(zāi)屋頂損傷。連續(xù)側(cè)壁的形狀和內(nèi)在強(qiáng)度還允許用于減少到環(huán)