[发明专利]太阳能吸收器单元及包含其的太阳能装置

说明书

技术领域

本发明涉及太阳能吸收器装置。更特别地，本发明涉及具有热性质而非光伏性质的太阳能吸收器装置，其使用由日光直接加热的太阳能集热器，并转而加热用于从所述装置提取热能的流体。

背景技术

此类太阳能吸收器装置通常以相对较薄的面板的形式制得，所述面板可安装于建筑物屋顶上，或安装于选择以在一天的相当大部分过程中接收直射日光的其他便利的位置中。面板通常由扁平箱组成，所述扁平箱具有通常由玻璃或透明塑料材料制成的透明壁以及优选隔绝热损失的由金属，木材或塑料制成的剩余部分。所述箱含有太阳能集热器，所述太阳能集热器为距离透明壁之后数厘米设置的平板的形式，并具有前表面，所述前表面为黑色或涂布有吸收入射日光并将入射日光转化为热量的特殊涂层。由此产生的热量经由以蛇形方式设置的金属管(通常由铜制得)从集热器板的后表面提取，使热提取流体(通常为水性液体，例如水或水和丙二醇(防冻剂)的混合物)流动通过所述金属管。在正常条件下，由于热能从集热器板传递至金属管，因此热提取流体可达到高达100℃的温度。捕集的能量的量取决于集热器板的尺寸、入射日光的强度和装置的总体设计，所述装置的总体设计如果不小心计划，则可能导致不希望的热损失。集热器尺寸通常受限于处理和美学考虑，特别是当装置旨在在屋顶安装并因此是高度可见之时。为了使热损失达到最小，这种装置通常为隔热的，如上所述，且通常关闭和密封箱以防止对流热损失，并保护吸收器的外表面免于气候的不利影响。因此，在使用中，静止空气提供了覆盖作用，使得热量在箱内累积。

集热器板本身必须具有良好的热导率，使得在前表面处收集的热量易于通过面板到达后表面，收集的热量在后表面处被提取。因此，通常面板由导热金属(例如铝、铜或这些金属的合金)制成。蛇形金属管通常直接附接至集热器板的后表面，这可通过各种方法实现，例如物理成型、激光焊接或超声焊接，或钎焊。在激光焊接(其产生良好的结合)的情况中，可激光焊接的保护层可设置于板的后侧上。这为板提供了保护，并使得焊接过程更容易。然而，不连续焊接(即所谓的缝焊)常用于将金属管连接至集热器板以降低成本。因此，所述管仅以间隔附接至板，焊缝不沿着金属管的整个长度行进。这在热能传递过程中产生效率损失，实际上，即使当焊缝的确完全沿着金属管延伸时，焊接用于附接管也并不高度能量有效。不仅接触区域相对于集热器板的总表面积相当有限，而且形成焊接的材料可能不具有良好的热导率，且在热量加热包含于金属管内的热提取流体之前，热量必须通过金属管的壁。

此类太阳能装置应该设计为尽可能无维护，并具有长的工作寿命。装置不含有需要常规维护的任何移动部件，但可能由于热提取流体的不利影响而发生腐蚀。不幸的是，具有良好强度和使它们易于制造成太阳能集热器或除热管的性质的材料常常不具有良好的耐腐蚀性。为了克服这点，已试图用耐腐蚀材料(例如金属氧化物)涂布用于输送热提取流体的管或通道的内表面，或者用牺牲合金的层覆盖金属表面。这种方法已描述于例如1979年12月18日授权给JamesM.Popplewell的美国专利no.4,178,990中。然而，发现用金属氧化物涂布在完全防止点蚀中是不令人满意的，并且发现由于必须将两个覆盖片材结合在一起，因此包层金属(例如具有铝-锌合金的铝包层)的使用为复杂且昂贵的。也发现保护包层仅提供有限的保护，因为它们通过腐蚀而快速消耗，从而留下未保护的芯部表面，且腐蚀在结合部分处发生，由此导致热传递流体沿着结合界面渗透并泄漏。Popplewell优选提供对腐蚀金属离子具有高亲和性的吸收物质(getter substance)，从而在热交换流体通过太阳能集热器装置之前从这种流体中去除这种离子。

在1977年12月13日授权给Gerald C.Reed的美国专利no.4,062,350中，太阳能吸收器被描述为具有由不锈钢制成的基底片材和具有至少一个用铜涂布的表面的由不锈钢制成的吸收器片材。不锈钢的使用可提供相当重的太阳能集热器装置。专利权人阻止在这种装置中使用铝，因为当铝暴露于典型自来水时其经受腐蚀，并且当铝暴露于游泳池水时其甚至更易于腐蚀。由于铜的良好的热导率和耐腐蚀性，因此使用铜，但专利权人指出，铜的成本相对较高，并且其为在未来可能变得稀缺的金属。

1981年10月6日授权给HaroldW.Smith的美国专利4,292,955公开了一种太阳能集热器，其中据称所述太阳能集热器由具有高耐腐蚀性和热传递性质的金属(例如铜)制成。