[发明专利]太阳能空气加热装置

说明书

技术领域

本发明涉及太阳能加热装置，特别是，涉及使用辐射吸收收集器的模块化太阳能加热装置。

背景技术

大部分常见的已有太阳能空气加热系统都采用安装在房屋墙体外侧的空气蒸发板（也即，空气流过板的表面），来为房屋加热系统中的新鲜流通空气预加热。比如，美国专利No. 4774932中，Hollick描述了一种平坦的或纵向起皱的平板，其上有许多穿孔，比如圆孔或槽口，安装在房屋墙体的向南侧外。太阳能辐射将加热板吸热一面加热，房屋加热系统风扇将聚集在板外表层上，太阳能加热的边缘层空气吸入，通过板上的通孔进入到板后的整个管道中，之后进入到加热系统的入口。这样的系统是针对大面积的板以及高速流动的空气流而设计的。

对于该系统，环境风是一个至关重要的影响因素，会降低系统的效率。如果每平方英尺（1平方英尺约等于 0.0929平方米）上通过通孔的排出气流低于大约2立方英尺（1立方英尺约等于0.0283立方米），集中在板表面的加热边缘层气流可能会被风吹走。这个因素制约了将这种系统缩小应用在商品化及民用领域的可能，因为后者需要较小的加热面积以及少量的太阳能加热气流。另一个降低效率的制约因素来源于板的固定位置，通常板固定在房屋垂直方向的墙体上。与地面形成90°的夹角，这不能与每天及每季度的太阳入射角方向（大约为安装地区纬度的平均值）保持垂直。这样，一部分太阳能辐射通过加热板反射出去，造成的结果是，与垂直于太阳入射角方向的板相比，其上热辐射损失20%至25%。

Hollick蒸发空气太阳能加热系统已经是成功实现商业化生产的太阳能空气加热器，主要用在房屋的通风和加热系统中。目前在民用和小型商业市场上常用的太阳能加热系统只有太阳能热水器。太阳能热水器同样存在一些问题。由于需要专业的安装，太阳能热水器的安装费用较高，甚至在使用过程中高的能量成本，以及出于能量节约的角度，系统的经济回报需要几年的时间来实现。对于尝试应用在民用市场的太阳能空气加热系统而言，这些不利因素也同样存在。

目前，在Hollick的专利USP 4744932、Christiansen等的专利USP 5692491以及McClenden的专利USP 7677243中提出了无玻璃盖板的蒸发型太阳能（UTS）空气加热器，在吸入空气一侧使用通风扇，将外界新鲜空气通过热能吸收表面上的蒸发空气板通孔吸入。同时也将加热板太阳能辐射表面上的太阳能加热边界层空气也吸入。新鲜的空气和加热边界层空气在蒸发空气板后的空间里混合。这是一个单通道系统，其加热能力受到环境风的影响，风可能会将加热的边界层空气从UTS板上吹走。

在Hummel的专利USP 4323054、Doherty的专利USP 7434577、Mique的专利USP 4159707、Telkes的专利USP 4034736，Rylewski的专利USP 6109258，以及Borst等的专利USP 4090494中提出的有玻璃盖板的蒸发型太阳能（GTS）加热器，运行方式与前文所述相似，尽管加了玻璃盖板后，通过玻璃盖板会造成热辐射传递的部分损失，但与无玻璃盖板UTS板相比，由于玻璃盖板能防止环境风将蒸发板表面的加热边界层空气吹走，这种系统更高效。这些也是单通道系统。

UTS蒸发空气板上的多孔结构对于系统的加热性能也是一个至关重要的因素。新西兰奥克兰大学机械工程系于2004年8月发表的名为《使用多孔金属板作为房屋空间加热太阳能收集器》的研究表明，整个收集器板表面最优的孔隙率为0.2%至0.4%。北半球板上使用的孔隙率范围是1.0%至2.0%。同时，文中也指出，降低风扇吸气率以及较高的风速也会影响UTS收集器的效率。

Doherty的专利USP 7434557中提出了一系列固定方向角度的平板形太阳能加热器，空气流过台阶时被加热。每个太阳能收集器的前边缘与前玻璃盖板接触，其上的后边缘与后玻璃盖板接触。空气流过收集器的边缘，沿着平行于收集器长度的方向，在每个收集器中经过一系列分区，并通过收集器的热传导加热。空气流不会直接与每个收集器表面上加热的边缘层接触，不会与下一个收集器入口的气流混到一起。台阶式加热的空气在上方下一个角度的收集器下表面下方聚集起来，与背板接触，并流出气流通道。这种结构限制了通过空气混合进行的热传递，却能增加收集器内底部对气流的热传导。