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CN101360958B - 模块式多功能太阳能装置 - Google Patents

模块式多功能太阳能装置 Download PDF

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CN101360958B CN2007800016239A CN200780001623A CN101360958B CN 101360958 B CN101360958 B CN 101360958B CN 2007800016239 A CN2007800016239 A CN 2007800016239A CN 200780001623 A CN200780001623 A CN 200780001623A CN 101360958 B CN101360958 B CN 101360958B
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Abstract

模块式多功能太阳能装置是一种可再生能源领域的创新设计。图2中示出了该系统的原理图，该系统通过使用轻量的旋转的热或二价的光电太阳能接收器(A)从太阳光收集能量，接收器夹在容纳技术设备的支撑柱(B)之间。由于其模块式原理，该装置能够：一个简单的改进的装置可安装在暴露在太阳下的位置，其角度可以与太阳光成负角至90°；由微处理器控制的太阳能跟踪系统，其具有可选择固定或可手动调节的框架。这些特征解决了与太阳能接收器有关的传统问题，其包括：固定的位置，其被限制在特定的角度，或垂直布置，这两种以能量回收的方式是不充分的；大尺寸和大重量的收集器，其需要笨重的支撑装置；以及浪费空间。

Description

模块式多功能太阳能装置
模块式多功能太阳能装置是一种可再生能源领域的创新设计。该系统能够从太阳光收集能量，并解决现有太阳能收集器存在的下述问题： 
●固定的位置，其被限制在特定的角度，或垂直布置，这两种以能量回收的方式是不充分的； 
●大尺寸和大重量的收集器，其需要笨重的支撑装置； 
●浪费的空间； 
●在建筑设计中，难于与建筑物集合成一体。 
太阳能装置(图1&2)包括(可变)数量的热或光电接收元件A和容纳技术设备的支撑柱B。利用简单、进步的组件，该太阳能装置除了能够实现基本的热或光电能量的回收功能外，还适合于执行下述功能： 
●为建筑物、窗户、停车场等提供遮光。 
●利用它的瓦面功能，覆盖花园、通道或其它空间。 
关于与建筑物集成为一体的方面，在以前的太阳能收集器技术中存在如下的严重缺点：建筑集成能力的严重问题。由于这个原因，大多数可能的用户和个别的建筑师没有坚持解决这些问题。这是为何热和光电太阳能收集器大部分被限制应用在屋顶上的原因。 
现有的解决方法的缺点是在建筑集成方面，特别是光电能量接收领域中，平板甚至被直接应用到建筑物的竖向表面，而不考虑由于严格的垂直位置与太阳的方向偏离造成的效率问题。 
为了供应从太阳来的可持续的能量并且加大与建筑物整体的集成，发现新的可使建筑物的越来越多的空间(正门，露台，窗户等)及外部空间用来接收能量的解决方法是必要的。如果可能，这些解决方法还应扩展到开发具有活跃的太阳能功能的结构元件方面。 
无论如何，解决方法应该适用于建筑集成，有效并容易装置于建筑物表面。 
本发明公开与现有技术的不同，并公开如何达到上述目的。 
本发明的重点在于提供上述难点的完善的解决方法并说明一个简单的独立的收集器不能解决上述问题的原因。相反，本发明公开一个新的方法 并提出用热型、光电型的独立太阳能收集器或两种类型的混合的综合装置的具体实施。 
本发明中提出用新的支撑柱支撑所述收集器，支撑柱是模块或太阳能收集器组合的相互联结的基本，同时从外部看包含所有必要的支撑元件。 
本发明还把独立的收集器装在椭圆形元件内，椭圆形元件能够覆盖并支撑收集器，同时提供了用于终止具有足够的机械的和热的特性的新收集器的装置。 
为了取得模块性并易于配置和建筑集成化，独立的太阳能收集器的相互连接与收集器本身一样重要。相对于现有技术，本发明对上述内容作出特定而详细的说明。 
由于这些显著的特点，本发明因更进一步地扩展到有一种特定的多功能叶片(7)所提供的遮蔽和围栏而使本发明能够获得多功能能力。 
文献WO2005/090873(后文中以D1表示)公开了一种基于具有上升的吸收器和透明的盖的线性集中器的太阳能收集器，提供了反射器、再反射器和可同时使用热和光电构件的可能性。在D1中还公开了吸收器的特定结构，其包含两个可断开的相连接的吸收器。D1没有公开用于在每个端部连接和支撑所述线性集中器的特定装置。D1描述了与本发明基本上不同的吸收器装置。D1没有公开本发明的支撑柱或对多功能设备来说不可缺少的任何技术特征。 
D1从大体上描述一个独立的太阳能收集器，而没有象本发明提出的利用支撑柱那样，公开出集成所述收集器为一个完整的可工作的太阳能收集装置所需的足够的技术特征。 
事实上，D1意味着一个与本发明不同的问题的解决方案。D1着重于提供一个高效的从太阳能到热和/或电的转换率，其代价是忽略其他也重要的相关的目的，也就是说模块性，低复杂性，少零件数，发展的适应性，低建筑物外形，因此生产、组装和安装所述收集器的成本。本发明着重于提供一个高灵活性，模块化，易于安装，相对简单，有成本效益的太阳能收集器，其代价是较低的热和/或电转换率。根据问题解决方案的这些不同，不可挽回地排除本发明和D1类似的技术特征，两项发明在性质、结构和用途上的不同如下： 
D1基本上公开了一种基于反射器的收集器，然而本发明中没有使用反射器。假定公开的直接吸收是次要的和可选择的，那么这种反射器对D1来说极为重要，如果没有它，D1就不可行。反射器比本发明提出的方案更复杂和昂贵。本发明中不使用反射器，而充分利用直接的太阳能吸收。 
D1公开一种具有太阳能遮光板或瓦面功能的装置，但是对任何结构来说反射或吸收太阳能量是固有的。通过限定，由任何反射或吸收太阳光的材料形成遮光板。事实上，D1没有提供有关这种目的的具体技术特征。本发明公开了末端、热套筒(e)和衬垫(f)，缓冲垫(b)和接线箱(a)，其对于获得模块性和旋转能力全是必要的，而模块性和旋转能力对于产生有效的遮蔽或瓦面系统是必须的。此外，本法明还描述了一种特殊的叶片形式(7)，其对于产生完全的遮蔽或内装瓦面的区域是极为重要的，能够保证收集器之间的完全交叠和相互连接。没有该项特征，D1仅仅提供部分的遮蔽/瓦面功能，即使，如前文提到的那样，D1是一个更昂贵，更重，更复杂和更多部件数量的方案。 
D1提出充分支撑装置的需要，但是没有公开任何相关的有意义的特征。本发明描述的支撑柱与建筑物完全一体化且独立于接收器，固定支撑柱并同时装入和从外观上保护技术设备(电子和机械系统，线路，管，传感器等)。本发明详细描述了能够提供模块性和容易展开为收集器的支撑柱(B)，所述支撑柱(B)连带地连接所述接收器。 
D1公开了将热流体载出收集器的管子，但是如所公开的那样，该管没有承受构件重量的用途，然而，在本发明中，所述管子是对收集器的装置和功能两方面都起到关键作用。在本发明中，这种管子(4)被设置在中心，用作结构重量的承载构件和通过第二管子(3)携带热流体或电连接的装置。 
如上所述，对收集器的简单而有效的终端的需求产生了额外的挑战。D1中没有公开任何特定的缓冲垫或衬垫；只是提到需要它们，这对于获得一个可工作系统完全是必须的。D1公开了末端设备，但是仅仅陈述了在两个管子中热流体回流的可能。本发明公开了一个利用中心放置的重量承受管子(4)解决问题的完整的工作设计，提供了由热套筒(e)和衬垫(f)，缓冲垫(b)和接线箱(a)组成的末端设备，在承受收集器的重量的同时，能够使热流体的流动或电连接的通道流通。 
本发明使用椭圆形的透明管子(2)。D1部分地描述了椭圆形反射器，如果其要产生有效的反射自然不能是透明的。D1使用椭圆形反射器，因为这是尽可能多地反射太阳能的恰当的形状。D1的盖透明元件实际是平的，而没有提供任何其他形式。本发明利用椭圆形状以便为吸收器表面提供一种有效的透明盖，同时对接收器提供足够的结构支撑。D1和本发明中的椭圆形状的元件被用于不同的功能，采用不同的材料，具体的形状被用于不同的用途。 
此外，D1中提出的吸收器不能获得由本发明的叶片(7)所提供的遮光和/或瓦面效果。虽然更昂贵和更复杂，但是通过利用它的反射器表面，D1只能获得局部遮光/瓦面的结果，这与本发明存在本质上的不同。 
如上所示，D1描述了一个基本上不同的收集器和支撑装置。本发明提供了容纳具有有效的侧面末端和支撑装置的独立的收集器的椭圆形的透明管子。这些特征使更小而轻的收集器成为可能，易于安装和与建筑的集成，在被允许代替结构元件(例如露台安全栅栏)的同时，提供有效的遮光和/或瓦面功能。 
文献US6029656(后文中称为D2)公开了一个基于具有位于中心的吸收器和透明盖的线性的集中器的太阳能收集器，其提供了抛物面反射器和同时使用热和光电元件的可能性。虽然存在多个热收集器，但是如D2提出的光滑的平板类型收集器，所有的热收集器均被置于平板房间内。D2还公开了包括两个抛物面反射器的反射器装置的特定装置。D2没有公开用于在每个末端支撑和连接所述线性集中器的特定装置。D2没有公开本发明的支撑柱或对多功能设备来说是基本的任何技术特征。 
实际上，D2意味着一个与本发明不同的问题的解决方法。D2着重于提供一个高效的从太阳能到热和/或电的转换率，其代价是忽略其他也重要的相关的目的，也就是说模块性，低复杂性，低零件数，发展的灵活性，低建筑物外形及生产、组合和安装所述收集器的成本。本发明着重于提供一个高灵活性，模块化，易于安装，相对简单，有成本效益的太阳能收集器，其代价是降低太阳能热和/或电转换率。根据问题解决方法的这些不同，不可挽回地排除本发明和D2类似的技术特征，两项发明在性质、结构和用途上的不同如下： 
D2基本上描述了一个独立的太阳能收集器，虽然提出了组合独立的收集器，但是并没有像本发明提出的上述支撑柱那样，公开出把所述的收集器集合成一个完整的可工作的太阳能接收装置所需的足够的技术特征。 
D2基本上公开出一个基于双反射器的收集器，然而本发明中没有使用反射器。该反射器对D2极为重要，假定公开的直接吸收和直接吸收相比较是次要的，如果没有所述的反射器，D2就不能提供可行的解决方案。与本发明提出的相比较，反射器相对更复杂，部件更昂贵。本发明不使用反射器，反而充分利用直接的太阳吸收。 
D2公开了一种具有太阳能遮光板或瓦面功能的装置，但是对任何结构来说反射或吸收太阳能量是固有的。通过限定，由任何反射或吸收光线的材料都形成遮光板。实际上，如下文所述D2没有关于这个目的的特定技术特征。可以预见D2产生的遮光作用尽管是局部的(如下文所述)，但是可以认为在外部所有区域使用所提出的的透明的盖意味着能够产生遮光板或瓦面效果。这对于大的范围如建筑物的外墙是既不实际又无热效应的。本发明公开的设备末端，热套筒(e)和衬垫(f)，缓冲垫(b)和接线箱(a)对于作为产生有效的遮蔽或瓦面系统的基本的模块性和旋转能力的取得是必要的，并为每个独立的收集器提供外壳。这种独立外壳对收集器的末端产生的附加的要求已经被上述的设备末端解决。此外，本法明还描述了一种特殊的叶片形式(7)，所述的特殊的叶片形式(7)对于产生完全的遮蔽或瓦面包围区域极为重要，能够保证收集器之间的完全交叠和相互连接。没有该项特征，D2仅仅在被用于建筑物整体时提供完全的遮蔽/瓦面功能，这不但从尺寸和复杂性来说是不实用的，而且也不能持续提供控制遮蔽效果的装置。 
D2提出了充分支撑装置的需要，但是没有公开任何相关的有意义的特征。本发明描述的支撑柱与建筑物完全一体化且独立于收集器，固定支撑柱并同时装入和从外观上保护技术设备(电子和机械系统，线，管子，传感器等)。本发明详细描述了支撑柱(B)，其提供了用于模块性和容易扩展至由所述支撑柱(B)连接的收集器。 
D2公开了用于将热流体载出收集器的管子，但是如所公开的那样，该管子仅仅用于该项用途，然而，在本发明中，所述管子还能够携带电连接。 
如前文提到的，对收集器的附加的要求是简单而有效的终端设备。D2中没有公开任何对取得一个工作系统绝对必要的特定的缓冲垫或衬垫。另外，由于本发明利用附属于每个收集器的多样的外壳，而不是对多个收集器使用单一的涂层，这样就对收集器末端产生了特别的要求，即在吸收器与外壳之间，在吸收器与支撑装置之间需要适当的热隔离。本发明公开了一个解决上述问题的完善的工作设计，即利用被设置在中心位置的重量承受管(4)，提供由热套筒(e)和衬垫(f)，缓冲垫(b)和接线箱(a)组成的末端设备，在承受吸收器及其独立外壳的重量的同时，能够使热流体流动或电连接通过。 
本发明使用椭圆形的透明管子(2)。D2描述了凹面反射器，从性质上说，如果其要产生有效的反射就不能是透明的。D2使用的抛物面反射器，其依次形成类似但明显不是椭圆的形状。D2盖透明元件实际是平的，而没有提供任何其他形式。本发明利用椭圆形状以便在对收集器提供足够的构造支撑的同时，为吸收器表面提供一种有效的透明盖。D2中的凹面元件和本发明中的椭圆的盖被用于不同的功能，采用不同的材料，甚至具体的形状也不同。 
此外，D2仅仅预见到在吸收器的背面使用光电元件，然而本发明中光电元件被设置在直接吸收太阳能的位置。 
上文指出D2如何描述了一个基本上不同的收集器和支撑装置。本发明提供椭圆形的透明管子，其容纳具有有效的侧面末端和支撑装置的独立的收集器。这些特征使更小而轻的收集器成为可能，易于安装和建筑的集成，在被允许代替结构元件(例如露台安全栅栏)时，提供有效的遮光和/或瓦面功能。 
文献EP1632786(下文中称为D3)提出了一个太阳跟踪设备，其完全不同于本发明，而且不适合集成用于建筑物上。D3要求保护一个用于有效跟踪太阳的装置和设备。虽然本发明能够实现太阳跟踪，但是是以与D3根本不同的方式，即不是通过旋转整个装置，而是通过旋转独立的收集器。 
接收器能够安装在固定的位置或设计为在经度或纬度位置上跟踪太阳的机构。该接收器能够手动操作或为了使能量收集最大化通过微处理器全自动操作。这些特点允许太阳能装置以正或负的角度，水平或甚至垂直的 在任何暴露在太阳下的地方——例如露台、院子、平台、屋顶(甚至面北的屋顶)、墙壁和间隔物安装。实际上，垂直位置的安装甚至允许单元用在诸如露台等的区域中替代安全栅栏。这种灵活性甚至允许在公寓楼和办公楼中的太阳能的回收。 
太阳能接收器 
从外部看，太阳能接收器由圆形、椭圆形或者其他几何形状的透明或半透明的管子2形成。 
依据它们预定的用途，这些可以是热类型或光电类型。两种类型都可包含允许其被用作太阳遮光板或瓦面的多功能叶片7。 
图3和图4分别示出了热接收器和光电接收器的示意图。 
下面是对图2、图3和图4中示出的各个部件的说明： 
金属盖1 
这种金属盖安装在接收器的背部中间，支撑多功能叶片7。 
外部管子2 
在热接收器上，这种管子是必须的，并形成它的外盖。它支撑、保护并相对外部热隔离内部零件。这种透明管子由丙烯酸纤维(PMMA)或者具有抵抗紫外线和天气特性的其他材料制成，在红外线下具有低的热传导性和高的透明度。利用在一起的这两个盖8，确保了卓越的热隔离(0.21WmK，相对于玻璃的1,2W m K)。 
光电接收器可以没有这种外部管子。 
固定的内部管子3 
这种与旋转的内部管子4接触的铜管确保了热量传入内部流动的流体内。 
光电接收器没有这种管子。 
旋转的内部管子4 
仅在热接收器中，这种管子通过“TiNOX选择涂层”将从太阳收集到的热量传送。 
这种管子由铜制成，焊接并压叠到涂层，通过与固定的内部管子3接触传送热量。 
对于光电接收器，相同的管子(由铜或者其他合适的材料制成)支撑光电池并把线从接收器带入支撑柱内。 
无论哪种类型的接收器，这种管子都允许接收器做成特氟纶衬套。 
支撑叶片5 
这种叶片焊接到旋转的内部管子4，这样支撑了“TiNOX选择涂层”(或替换的)或光电池。 
位置电池6和微处理器9 
定位在一个外部管子2中的一组五个位置感应电池和定位在一个技术支撑柱中的微处理器9提供了跟踪太阳的以经度和纬度表示的信息和计算。比较每个硅电池的电压，从被处理的数据中给出一个误差信号。 
微处理器分析偏差，驱动伺服电机11、臂10和连杆12直到达到对称。 
对于多云的天气，微处理器使用晴天的最近的良好数据或者预定的算法。 
多动能叶片7 
这种叶片是可选的，可安装在上述两种类型之一的接收器上。具有两个独特的功能： 
作为“太阳遮光板”，这种叶片放在金属盖1的任意一侧，并产生荫凉，使建筑物、窗户、停车场等的温度降低。这些叶片部分重叠以产生荫凉而不影响接收器的效果。 
作为选择，接收器能够装有“瓦面叶片”，其移动到关闭或打开的位置(图6b)以保护其下面的区域免于日晒或雨淋。发生降水时，设置在支撑柱内的湿度传感器向微处理器传递信息，微处理器自动驱动所有收集器至关闭位置。如果雨停了，接收器回到微处理器计算出的正常太阳能位置。在夜晚，太阳能接收器被自动送到关闭位置。 
装有瓦面或太阳遮光板的接收器能被人工控制到优选位置。 
盖8 
接收器的顶部用金属或塑料盖封闭。对于热接收器，热效应依据盖的特性，其必须保证最小的内部损耗。如果使用金属盖，还必须在盖和接线箱(图7a)之间装入热隔绝机构(图7f)。盖还控制接收器内的热的流动。 
图7描述热接收器的金属盖组件和其他零件。这些零件是： 
接线箱a 
该零件焊接到旋转的内部管子4(图2，3)，并支撑盖8。 
缓冲垫b 
缓冲垫由特氟纶(具有良好的热阻性和润滑性)制成，如图2(13)中所示。它支撑围绕其旋转的接线箱a。 
螺钉c 
它们将盖8固定到接线箱a。 
臂d 
如图2(10)所示，臂响应接收器的运动。它由与伺服电机11连接的连杆触发。 
热套筒e 
这确保接线箱a的热隔离。 
热衬垫f 
使用软木衬垫隔离接收器与内部热流。注意的是盖不能直接接触接线箱。 
安全阀h 
为了保证良好的热隔离，需要确保接收器的内部和外部之间没有热损失，特别是通过任何自由空气流。如上所述，内部的热隔离必须是完全的。另一方面，接收器内的空气量越少，因空气对流造成的热损失越小。通过自然过程，通过在一个盖中安装单向阀可以使接收器内的空气量最小化。当内部的空气温度升高时，空气的体积增大，一些空气通过阀被排出。当内部空气温度下降，空气体积不减少，因此内部压力降低。两个温度的差越大，内部压力越小，接收器内部损耗越小。在冬天，当温度最低时，接收器的效率最大。 
对于光电接收器的情况，因为空气可以在其中自由流动，不需要隔离，所以盖的结构简单。 
图8示出了含有一些常见的热接收器元件的光电接收器。省略了四个元件：热套筒e；热衬垫f；安全阀h和固定的内部管子3。加入了两个新的元件：灰尘过滤器8a和新的内有孔的衬垫。 
盖8和衬垫8b确保了内部温度与周围的相同。 
衬垫8b防止灰尘沉积在光电池上。 
支撑柱B 
太阳能装置(图1和2)中的支撑柱B，其装有技术设备。这些柱形成针对两种类型的接收器的支撑结构，并包含驱动它们的所必要的一些元件；伺服电机11；微处理器9；线；传感器和机械零件。 
对于热接收器，支撑柱还包含隔离管、安全阀门、电子阀门、气孔和泵。 
热接收器的支撑柱应有良好的内部隔离。 

Claims (1)

1.一种模块式多功能太阳能装置，其通过取代露台的安全栅栏，将太阳能装置融入建筑物，还能够从太阳收集能量，其特征在于：
所述装置包括各个支撑柱(B)，可变数量的旋转的太阳能接收器(A)附加到支撑柱上，每个太阳能接收器包括附加到支撑柱(B)的外部管子(2)，外部管子(2)为椭圆形、外部透明且具有太阳能跟踪系统，太阳能跟踪系统包括微处理器(9)和光感应电池(6)；
所述支撑柱(B)以负角、水平、正角、或垂直安装，支撑柱在任何情况下包括：支撑太阳能接收器的缓冲垫(13)，在每个太阳能接收器末端由缓冲垫(13)、带有安全阀(h)的盖(8)支撑；表面具有选择涂层的叶片(5)，其收集热能；焊接的旋转的管子(4)通过与固定的内部管子(3)接触来传送热量，传送流体在固定的内部管子(3)内流动，并通过绝缘管(14)把能量带出支撑柱(B)；用于电子控制的微处理器(9)；用于触发驱动太阳能接收器的臂(10)和连杆(12)的伺服电机(11)，伺服电机将太阳能接收器保持在与太阳垂直或不重合的位置，以便控制温度；绝缘管(14)；
通过附加到外部管子(2)的两个侧壁的两个多功能叶片(7)，所述太阳能接收器还能提供遮蔽功能或同时地，提供遮蔽和瓦面功能；
所述太阳能接收器通过单向阀排出部分空气以便减少热损失。
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