[發明專利]太陽能空氣加熱裝置

無效

• 申請號: 201280027337.0
• 申請日: 2012-04-05
• 公開（公告）號: CN103620315A
• 公開（公告）日: 2014-03-05
• 發明（設計）人: 卡梅隆·理查德·麥基;哈利·愛德華·凱爾西
• 申請（專利權）人: 卡梅隆·理查德·麥基;哈利·愛德華·凱爾西
• 主分類號: F24J2/05
• 分類號: F24J2/05;F24J2/20;F24J2/24;F24J2/38
• 代理公司: 上海信好專利代理事務所(普通合伙) 31249
• 代理人: 張靜潔;張妍

技術領域

本發明涉及太陽能加熱裝置，特別是，涉及使用輻射吸收收集器的模塊化太陽能加熱裝置。

背景技術

大部分常見的已有太陽能空氣加熱系統都采用安裝在房屋墻體外側的空氣蒸發板（也即，空氣流過板的表面），來為房屋加熱系統中的新鮮流通空氣預加熱。比如，美國專利No.?4774932中，Hollick描述了一種平坦的或縱向起皺的平板，其上有許多穿孔，比如圓孔或槽口，安裝在房屋墻體的向南側外。太陽能輻射將加熱板吸熱一面加熱，房屋加熱系統風扇將聚集在板外表層上，太陽能加熱的邊緣層空氣吸入，通過板上的通孔進入到板后的整個管道中，之后進入到加熱系統的入口。這樣的系統是針對大面積的板以及高速流動的空氣流而設計的。

對于該系統，環境風是一個至關重要的影響因素，會降低系統的效率。如果每平方英尺（1平方英尺約等于?0.0929平方米）上通過通孔的排出氣流低于大約2立方英尺（1立方英尺約等于0.0283立方米），集中在板表面的加熱邊緣層氣流可能會被風吹走。這個因素制約了將這種系統縮小應用在商品化及民用領域的可能，因為后者需要較小的加熱面積以及少量的太陽能加熱氣流。另一個降低效率的制約因素來源于板的固定位置，通常板固定在房屋垂直方向的墻體上。與地面形成90°的夾角，這不能與每天及每季度的太陽入射角方向（大約為安裝地區緯度的平均值）保持垂直。這樣，一部分太陽能輻射通過加熱板反射出去，造成的結果是，與垂直于太陽入射角方向的板相比，其上熱輻射損失20%至25%。

Hollick蒸發空氣太陽能加熱系統已經是成功實現商業化生產的太陽能空氣加熱器，主要用在房屋的通風和加熱系統中。目前在民用和小型商業市場上常用的太陽能加熱系統只有太陽能熱水器。太陽能熱水器同樣存在一些問題。由于需要專業的安裝，太陽能熱水器的安裝費用較高，甚至在使用過程中高的能量成本，以及出于能量節約的角度，系統的經濟回報需要幾年的時間來實現。對于嘗試應用在民用市場的太陽能空氣加熱系統而言，這些不利因素也同樣存在。

目前，在Hollick的專利USP?4744932、Christiansen等的專利USP?5692491以及McClenden的專利USP?7677243中提出了無玻璃蓋板的蒸發型太陽能（UTS）空氣加熱器，在吸入空氣一側使用通風扇，將外界新鮮空氣通過熱能吸收表面上的蒸發空氣板通孔吸入。同時也將加熱板太陽能輻射表面上的太陽能加熱邊界層空氣也吸入。新鮮的空氣和加熱邊界層空氣在蒸發空氣板后的空間里混合。這是一個單通道系統，其加熱能力受到環境風的影響，風可能會將加熱的邊界層空氣從UTS板上吹走。

在Hummel的專利USP?4323054、Doherty的專利USP?7434577、Mique的專利USP?4159707、Telkes的專利USP?4034736，Rylewski的專利USP?6109258，以及Borst等的專利USP?4090494中提出的有玻璃蓋板的蒸發型太陽能（GTS）加熱器，運行方式與前文所述相似，盡管加了玻璃蓋板后，通過玻璃蓋板會造成熱輻射傳遞的部分損失，但與無玻璃蓋板UTS板相比，由于玻璃蓋板能防止環境風將蒸發板表面的加熱邊界層空氣吹走，這種系統更高效。這些也是單通道系統。

UTS蒸發空氣板上的多孔結構對于系統的加熱性能也是一個至關重要的因素。新西蘭奧克蘭大學機械工程系于2004年8月發表的名為《使用多孔金屬板作為房屋空間加熱太陽能收集器》的研究表明，整個收集器板表面最優的孔隙率為0.2%至0.4%。北半球板上使用的孔隙率范圍是1.0%至2.0%。同時，文中也指出，降低風扇吸氣率以及較高的風速也會影響UTS收集器的效率。

Doherty的專利USP?7434557中提出了一系列固定方向角度的平板形太陽能加熱器，空氣流過臺階時被加熱。每個太陽能收集器的前邊緣與前玻璃蓋板接觸，其上的后邊緣與后玻璃蓋板接觸。空氣流過收集器的邊緣，沿著平行于收集器長度的方向，在每個收集器中經過一系列分區，并通過收集器的熱傳導加熱。空氣流不會直接與每個收集器表面上加熱的邊緣層接觸，不會與下一個收集器入口的氣流混到一起。臺階式加熱的空氣在上方下一個角度的收集器下表面下方聚集起來，與背板接觸，并流出氣流通道。這種結構限制了通過空氣混合進行的熱傳遞，卻能增加收集器內底部對氣流的熱傳導。