(57)【要約】【課題】日射を熱エネルギーに変換するように構成された太陽熱ユニットおよび太陽熱ユニットの動作方法を提供する。【解決手段】太陽熱ユニットと、日射を熱エネルギーに変換するための太陽熱ユニットの動作方法とが提供される。いくつかの実施例では、太陽熱ユニットは、入口と、第１の流体流路および第２の流体流路に沿った太陽熱ユニットの両側への熱吸収流体の分流とを有する。所望により、１つまたは複数の光起電力パネルは、日射を太陽熱ユニットに接続されたシステムによって使用され得る電力に変換できる太陽熱ユニットの一部として提供することができる。【選択図】図１３
2019516062.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
外側表面および内側表面を有する第１のグレージング層と、
前記第１のグレージング層の下にあり、前記第１のグレージング層から離れており、上部表面、厚さ、および底部表面を有する、第１の多孔質光吸収材料層と、
前記第１のグレージング層の前記内側表面に沿って、次に前記第１の多孔質光吸収材料層の前記厚さを通って出口へと流れる第１の流体流路と、
前記第１の流体流路に沿って流れ、前記第１のグレージング層の前記内側表面に沿って、かつ前記多孔質光吸収材料層から熱を収集するように構成される、熱吸収流体とを備える、太陽熱ユニット。
【請求項２】
前記第１のグレージング層と前記第１の多孔質光吸収材料層との間の第１の間隙層をさらに備え、前記第１の間隙層は、上部表面および底部表面を備え、前記第１の間隙層の前記上部表面は、前記第１のグレージング層の前記内側表面の下にあり、前記第１のグレージング層の前記内側表面から離れており、前記第１の間隙層の前記底部表面は、前記第１の多孔質光吸収材料層の前記上部表面の上にあり、前記第１の多孔質光吸収材料層の前記上部表面から離れており、
前記第１の流体流路は、前記第１のグレージング層の前記内側表面と前記間隙層の前記上部表面との間の前記第１のグレージング層の前記内側表面に沿って流れ、次に、前記間隙層の前記底部表面と前記第１の多孔質光吸収材料層の前記上部表面との間から、前記第１の多孔質光吸収材料層の前記厚さを通って出口へと流れる、請求項１に記載の太陽熱ユニット。
【請求項３】
前記第１の間隙層はグレージングを備える、請求項１に記載の太陽熱ユニット。
【請求項４】
前記第１の間隙層はＰＶパネルおよびグレージングを備える、請求項１に記載の太陽熱ユニット。
【請求項５】
前記第１の多孔質光吸収材料層の下にあり、前記第１の多孔質光吸収材料層から離れている断熱層をさらに備え、前記断熱層は、前記第１の流体流路が前記出口まで沿って流れる第１の流れチャネルを提供するように構成される、請求項１に記載の太陽熱ユニット。
【請求項６】
前記断熱層は底部および側壁を備え、前記太陽熱ユニットは、前記第１の流体流路を取り囲み、前記第１のグレージング層と前記断熱材からなる前記底部と前記断熱材からなる前記側壁とによって囲まれた第１の密閉された流れチャンバをさらに備える、請求項１に記載の太陽熱ユニット。
【請求項７】
外側表面および内側表面を有する第２のグレージング層と、
前記第２のグレージング層の下にあり、前記第２のグレージング層から離れており、上部表面、厚さ、および底部表面を有する、第２の多孔質光吸収材料層と、
前記第２のグレージング層の前記内側表面に沿って、次に前記第２の多孔質光吸収材料層の前記厚さを通って前記出口へと流れる第２の流体流路と
をさらに備える、請求項１に記載の太陽熱ユニット。
【請求項８】
前記第２のグレージング層と前記第２の多孔質光吸収材料層との間の第２の間隙層をさらに備え、前記第２の間隙層は、上部表面および底部表面を備え、前記第２の間隙層の前記上部表面は、前記第２のグレージング層の前記内側表面の下にあり、前記第２のグレージング層の前記内側表面から離れており、前記第２の間隙層の前記底部表面は、前記第２の多孔質光吸収材料層の前記上部表面の上にあり、前記第２の多孔質光吸収材料層の前記上部表面から離れており、
前記第２の流体流路は、前記第２のグレージング層の前記内側表面と前記間隙層の前記上部表面との間の前記第２のグレージング層の前記内側表面に沿って流れ、次に、前記間隙層の前記底部表面と前記第２の多孔質光吸収材料層の前記上部表面との間から、前記第２の多孔質光吸収材料層の前記厚さを通って前記出口へと流れる、請求項７に記載の太陽熱ユニット。
【請求項９】
前記第２の間隙層はＰＶパネルおよびグレージングを備える、請求項７に記載の太陽熱ユニット。
【請求項１０】
前記断熱層は、前記第２の多孔質光吸収材料層の下にあり、前記第２の多孔質光吸収材料層から離れており、前記断熱層は、前記第２の流体流路が前記出口まで沿って流れる第２の流れチャネルを提供するように構成される、請求項７に記載の太陽熱ユニット。
【請求項１１】
前記第２の流体流路を取り囲み、前記第２のグレージング層と前記断熱材からなる前記底部と前記断熱材からなる前記側壁とによって囲まれた第２の密閉された流れチャンバをさらに備える、請求項７に記載の太陽熱ユニット。
【請求項１２】
前記太陽熱ユニットが、流入する熱吸収流体を均等に分割し、前記第１の流体流路と前記第２の流体流路との間に向けるように構成される、請求項７に記載の太陽熱ユニット。
【請求項１３】
前記プレナムは、プレナムカバーと、前記プレナムカバーの下の上部プレナムチャンバとをさらに備え、前記プレナムカバーはＰＶパネルを備えることを特徴とする、請求項７に記載の太陽熱ユニット。
【請求項１４】
前記熱吸収流体は、入口を通って前記上部プレナムチャンバに流入し、前記第１の流路または前記第２の流路に沿って進む前に、前記光起電力パネルから熱を収集することを特徴とする、請求項１３に記載の太陽熱ユニット。
【請求項１５】
外側表面および内側表面を有する第１のグレージング層と、
前記第１のグレージング層の下にあり、前記第１のグレージング層から離れており、上部表面、厚さ、および底部表面を有する、第１の多孔質光吸収材料層と、
前記第１のグレージング層と前記第１の多孔質光吸収材料層との間の第１の間隙層であって、前記第１の間隙層は、上部表面および底部表面を備え、前記第１の間隙層の前記上部表面は、前記第１のグレージング層の前記内側表面の下にあり、前記第１のグレージング層の前記内側表面から離れており、前記第１の間隙層の前記底部表面は、前記第１の多孔質光吸収材料層の前記上部表面の上にあり、前記第１の多孔質光吸収材料層の前記上部表面から離れている、第１の間隙層と、
前記第１のグレージング層の前記内側表面に沿って、次に前記第１の多孔質光吸収材料層の前記厚さを通って出口へと流れる第１の流体流路と、
前記第１の流体流路に沿って流れる熱吸収流体とを備える、太陽熱ユニット。
【請求項１６】
前記第１の間隙層はＰＶパネルおよび第２のグレージング層を備える、請求項１５に記載の太陽熱ユニット。
【請求項１７】
内側表面、入口および前記出口を備えた入口プレナムと、
前記入口プレナムと前記第１の多孔質光吸収材料層との間にあり、上部表面および底部表面を有する断熱層とをさらに備える、請求項１５に記載の太陽熱ユニット。
【請求項１８】
前記第１の流体流路は、前記入口プレナムの前記内側表面と前記断熱層の前記底部表面との間の前記入口から流れ、次に、前記第１のグレージング層の前記内側表面に沿って、それから前記第１の多孔質光吸収材料層の前記厚さを通って出口へと流れることを特徴とする、請求項１７に記載の太陽熱ユニット。
【請求項１９】
前記第１のグレージング層の下にあり、前記第１のグレージング層から離れており、上部表面、厚さ、および底部表面を有する、第２の多孔質光吸収材料層と、
前記第１のグレージング層と前記第２の多孔質光吸収材料層との間の第２の間隙層であって、前記第２の間隙層は、上部表面および底部表面を備え、前記第２の間隙層の前記上部表面は、前記第１のグレージング層の前記内側表面の下にあり、前記第１のグレージング層の前記内側表面から離れており、前記第２の間隙層の前記底部表面は、前記第２の多孔質光吸収材料層の前記上部表面の上にあり、前記第２の多孔質光吸収材料層の前記上部表面から離れている、第２の間隙層と、
前記第１のグレージング層の前記内側表面に沿って、次に前記第２の多孔質光吸収材料層の前記厚さを通って前記出口へと流れる第２の流体流路と、
前記熱吸収流体を分割して、前記第１の流体流路および前記第２の流体流路に沿って流れるように構成された入口とをさらに備える、請求項１５に記載の太陽熱ユニット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本出願は、２０１６年４月７日に出願された米国仮出願第６２／３１９，７２１号に基づき、その出願日の利益を享受する。この出願は、参照することによりその内容全体が本明細書に組み込まれる。
【発明の概要】
【０００２】
本技術は、太陽熱ユニットおよび太陽熱ユニットの動作方法を提供する。本技術の太陽熱ユニットは、日射を熱エネルギーに変換するように構成される。
【０００３】
例示および説明の目的で具体例が選択され、本明細書の一部を成す添付図面に示される。
【図面の簡単な説明】
【０００４】
【図１】図１は、本技術の太陽熱ユニットの一実施形態の斜視図である。
【図２】図２は、図１の太陽熱ユニットの分解図である。
【図３】図３は、図１の太陽熱ユニットの側面断面図であり、熱吸収流体の流路を示す。
【図４】図４は、図３の太陽熱ユニットの一部の側面断面図であり、熱吸収流体の流路を示す。
【図５】図５は、本技術の太陽熱ユニットの第２の実施形態の側面断面図である。
【図６】図６は、本技術の太陽熱ユニットの第３の実施形態の側面断面図である。
【図７】図７は、本技術の太陽熱ユニットの第４の実施形態の側面断面図である。
【図８】図８は、本技術の太陽熱ユニットの吸収体における非線形温度プロファイルのグラフである。
【図９】図９は、本技術の太陽熱ユニットの一実施形態を試験した結果を示す日射対時間のグラフである。
【図１０】図１０は、本技術の太陽熱ユニットが使用され得る、空気から液体の水を生成する第１のシステムの図である。
【図１１】図１１は、本技術の太陽熱ユニットが使用され得る、空気から液体の水を生成する第２のシステムの図である。
【図１２】図１２は、本技術の太陽熱ユニットの第５の実施形態の分解図である。
【図１３】図１３は、図１２の太陽熱ユニットの側面断面図であり、熱吸収流体の流路を示す。
【図１４】図１４は、２つの異なる流速での太陽熱ユニットの第５の実施形態の効率対周囲温度を超える温度のグラフである。
【発明を実施するための形態】
【０００５】
用語「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｅ）」（およびその任意の活用形、例えば「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ）」および「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」）、「有する（ｈａｖｅ）」（およびその任意の活用形、例えば「有する（ｈａｓ）」および「有する（ｈａｖｉｎｇ）」）、「含む、備える（ｉｎｃｌｕｄｅ）」（およびその任意の活用形、例えば「含む、備える（ｉｎｃｌｕｄｅｓ）」および「含む、備える（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」）、および「含む、包含する（ｃｏｎｔａｉｎ）」（およびその任意の活用形、例えば「含む、包含する（ｃｏｎｔａｉｎｓ）」および「含む、包含する（ｃｏｎｔａｉｎｉｎｇ）」）は、非限定的連結動詞である。その結果、１つまたは複数の要素を「備える」、「有する」、「含む」、または「包含する」装置は、それら１つまたは複数の要素を保有するが、それらの要素のみを保有することに限定されない。同様に、１つまたは複数のステップを「備える」、「有する」、「含む」、または「包含する」方法は、それらの１つまたは複数のステップを保有するが、それら１つまたは複数のステップのみを保有することに限定されない。
【０００６】
装置、システムおよび方法のいずれかの任意の実施形態は、記述されるステップ、要素および／または特徴のいずれかを備え／含み／包含し／備えるというよりむしろ、記述されるステップ、要素および／または特徴のいずれかからなるか、または本質的になることができる。それゆえ、請求項のいずれにおいても、非限定的連結動詞を使用している所与の請求項の範囲を変えるために、上記の非限定的連結動詞のいずれかを「〜からなる」、または「本質的に〜からなる」という用語に置き換えることができる。
【０００７】
一実施形態の１つまたは複数の特徴は、本開示または実施形態の性質によって明示的に禁止されていない限り、記述または図示されていなくても、他の実施形態にも適用してもよい。
【０００８】
上述した実施形態などに関連するいくつかの詳細を以下に説明する。
【０００９】
本技術の太陽熱ユニットは、太陽光から、太陽熱ユニットを通って流れる熱吸収流体へとエネルギーを伝達することによって、日射を熱エネルギーに変換する。少なくともいくつかの実施形態では、本技術の太陽熱ユニットは、熱吸収流体が入口から出口へといずれかの流路に沿って流れる方向に、太陽熱ユニットの深さに沿って温度勾配が増加するように構成されてもよい。これにより、周囲空気と接触しているグレージング層のようなシステムの上層から離れるように、熱が実質的に抽出されるかまたは導かれ、そのような層を比較的冷たく保つことができる。対照的に、従来の太陽熱ユニットは、非常に熱い外側表面を有する傾向がある。太陽熱ユニットの構成により、さらに、日射からの熱がユニットの最も断熱された領域に導かれて保持され、ユニットからの放射損失を低減させることができる。
【００１０】
本開示は、一体化された太陽熱および光起電力変換デバイスを有する、エネルギーおよび／または水を生成するための装置および方法をさらに提供する。単なる一例として、本発明は、ソーラーモジュールおよび水生成デバイスに適用されているが、本発明ははるかに広い適用範囲を有することが認識されるであろう。
【００１１】
図１〜図４は、本技術の太陽熱ユニット１００の一実施形態を示す。太陽熱ユニット１００は、２つの流体流路を有する分流設計を有する。
【００１２】
太陽熱ユニット１００の右側にある第１の流体流路に関して、外側表面１０４および内側表面１０６を有する第１のグレージング層１０２がある。第１のグレージング層１０２の外側表面１０４は、周囲空気に曝露されていてもよい。太陽熱ユニット１００の第１の流体流路はまた、第１のグレージング層１０２の下にあり、第１のグレージング層１０２から離れている第１の多孔質光吸収材料層１０８を有する。第１の多孔質光吸収材料層１０８は、上部表面１１０、厚さ１１２および底部表面１１４を有する。熱吸収流体１１６またはその一部は、入口１２０から出口１２２へと第１の流体流路に沿って太陽熱ユニット１００を通って流れてもよい。
【００１３】
図示されるように、第１のグレージング層１０２および第１の多孔質光吸収材料層１０８はそれぞれ、同じ幅Ｗおよび長さＬ１を有する。図６および図７に図示されるものを含む他の実施形態では、第１のグレージング層は、第１の多孔質光吸収材料層１０８の長さＬ１よりも大きく、両方の流体流路の長さにわたって延びることができる長さＬを有してもよい。
【００１４】
入口１２０を通って太陽熱ユニット１００に入るとき、熱吸収流体１１６は、用途に応じて、太陽熱ユニット１００外部の周囲空気の温度と同じであっても、同じでなくてもよい初期温度を有してもよい。入口１２０を通って太陽熱ユニット１００に入った後、熱吸収流体１１６の少なくとも一部は、入口１２０から第１のグレージング層１０２の内側表面１０６に沿って延びる第１の流体流路の第１の部分１１８に沿って流れてもよい。熱吸収流体１１６は、第１の流体流路の第１の部分１１８に沿って流れるときに、第１のグレージング層１０２の内側表面１０６の全長Ｌ１に沿って流れてもよい。
【００１５】
第１の流体流路の第１の部分１１８に沿った熱吸収流体１１６の流路は、入口１２０および／または太陽熱ユニット１００全体の構造幾何形状によって制御されてもよい。例えば、入口１２０は、熱吸収流体１１６が太陽熱ユニット１００内に流れて通る１つまたは複数のノズルを備えていてもよい。１つまたは複数のノズルは、熱吸収流体１１６が第１の流体流路の第１の部分１１８に沿って流れるときに熱吸収流体１１６の速度および方向を制御してもよい。あるいは、太陽熱ユニット１００は、後述するように、少なくとも１つの間隙層を備えてもよい。
【００１６】
さらに、第１の流体流路の第１の部分１１８内で、熱吸収流体１１６は、第１のグレージング層１０２の内側表面１０６の全幅Ｗにわたって均一に分布してもよい。第１の流体流路の第１の部分１１８に沿って移動するときに、熱吸収流体１１６は、第１のグレージング層１０２の内側表面１０６に沿って熱を収集してもよい。したがって、第１の流体流路の第１の部分１１８端部における熱吸収流体１１６の温度は、入口１２０における熱吸収流体１１６の初期温度よりも高い可能性がある。温度上昇の量は、日射のレベル、周囲温度、および入口温度をはじめとするいくつかの要因に依存し得る。
【００１７】
第１の流体流路の第１の部分１１８を通って流れた後、熱吸収流体１１６は、第１の流体流路の第１の移行部１３８を通り、次に第２の部分１４０に沿って流れてもよい。第１の流体流路の第２の部分１４０は、多孔質光吸収材料層１０８の上部表面１１０に沿って延びている。熱吸収流体１１６の少なくとも一部は、第１の流体流路の第２の部分１４０に沿って流れるときに、多孔質光吸収材料層１０８の上部表面１１０の全長Ｌ１に沿って流れてもよい。さらに、第１の流体流路の第２の部分１４０内で、熱吸収流体１１６は、多孔質光吸収材料層１０８の上部表面１１０の全幅Ｗにわたって均一に分布してもよい。第１の流体流路の第２の部分１４０に沿って移動するときに、熱吸収流体１１６は、多孔質光吸収材料層１０８の上部表面１１０に沿って熱を収集してもよい。したがって、第１の流体流路の第２の部分１４０端部における熱吸収流体１１６の温度は、入口１２０における熱吸収流体１１６の初期温度よりも高いだけでなく、第１の流体流路の第１の部分１１８の端部における熱吸収流体１１６の温度よりも高い可能性がある。
【００１８】
第１の流体流路の第２の部分１４０を通って流れた後、熱吸収流体１１６は、多孔質光吸収材料層１０８の厚さ１１２を通って、第１の流体流路の第３の部分１４２に沿って流れてもよい。第１の流体経路の第３の部分１４２に沿って流れるときに、熱吸収流体１１６は、第１の多孔質光吸収材料層１０８内から熱を収集してもよい。したがって、第１の流体流路の第３の部分１４２の端部における熱吸収流体１１６の温度は、入口１２０における熱吸収流体１１６の初期温度よりも高いだけでなく、第１の流体流路の第２の部分１４０の端部における熱吸収流体１１６の温度よりも高い可能性がある。
【００１９】
第１の流体流路の第３の部分１４２を通って流れた後、熱吸収流体１１６は、多孔質光吸収材料層１０８の底部表面１１４に沿って、熱吸収流体が太陽熱ユニット１００を出ることができる出口１２２まで、第１の流体経路の第４の部分１４４に沿って流れてもよい。熱吸収流体１１６は、多孔質光吸収材料層１０８の底部表面１１４から熱を収集してもよい。熱吸収流体１１６は、第１の多孔質光吸収材料層１０８の底部表面１１４から、また第１の流体経路の第４の部分１４４に沿って流れるときに接触する断熱層１３０などの任意の他の構成部品から熱を収集してもよい。したがって、第１の流体流路の第４の部分１４４端部における熱吸収流体１１６の温度は、入口１２０における熱吸収流体１１６の初期温度よりも高いだけでなく、第１の流体流路の第３の部分１４２の端部における熱吸収流体１１６の温度よりも高い可能性がある。
【００２０】
太陽熱ユニット１００はまた、少なくとも底部１３２および側壁１３４を有することができる断熱層１３０を有してもよい。側壁１３４は、太陽熱ユニット１００の外辺部全体の周りに延びてもよい。断熱層１３０は、第１の多孔質光吸収材料層１０８の下にあり、第１の多孔質光吸収材料層１０８から離れていてもよい。断熱層１３０は、第１の流体経路の第４の部分１４４の一部を形成する第１の流れチャネル１３６を提供するように構成されてもよい。第１の流体経路の第４の部分１４４は、多孔質光吸収材料層１０８の下の第１の流れチャネル１３６に沿って、出口１２２へと流れてもよい。
【００２１】
さらに、第１の流体流路１１８に関して、太陽熱ユニット１００は、第１のグレージング層１０２と第１の多孔質光吸収材料層１０８との間に、第１の間隙層１２４のような１つまたは複数の間隙層を有することができる。間隙層１２４は、第１のグレージング層１０２との流れ相互作用を促進でき、結果として第１のグレージング層１０２からの熱抽出を増加させられる。図示されているように、第１の間隙層１２４は、グレージングであってもよく、第１のグレージング層１０２と同じ材料もしくは異なる材料で製造されていてもよく、および／または１つもしくは複数の光起電力（ＰＶ）パネルを備えてもよい。第１の間隙層１２４は、上部表面１２６および底部表面１２８を有してもよい。第１の間隙層１２４の上部表面１２６は、第１のグレージング層１０２の内側表面１０６の下にあり、内側表面１０６から離れており、第１の間隙層１２４の底部表面１２８は、第１の多孔質光吸収材料層１０８の上部表面１１０の上にあり、上部表面１１０から離れている。
【００２２】
太陽熱ユニット１００が第１の間隙層１２４を備える実施形態では、第１の移行部１３８は、第１の間隙層１２４の端部１９２周りに第１の流体経路の曲がり角を備えてもよい。図３および図４に図示されるように、第１のグレージング層１０２は長さＬ１を有し、第１の間隙層１２４は、第１のグレージング層１０２の長さよりも短い長さを有する。第１の間隙層１２４の短い長さは、第１の間隙層１２４の端部１９２と断熱層１３０の側壁１３４との間の第１のギャップ１９４を形成する。第１の移行部１３８の曲がり角は、約９０°〜約１８０°などの最大約１８０°の角度であってよい角度で熱吸収流体１１６の向きを変えることができる。第１の間隙層１２４は、第１のグレージング層１０２の幅Ｗに等しい幅を有してもよい。このような実施形態では、第１の流体経路の第１の部分１１８は、入口１２０から、第１のグレージング層１０２の内側表面１０６と第１の間隙層１２４の上部表面１２６との間の、第１のグレージング層１０２の内側表面１０６に沿って延び、第１の流体経路の第２の部分１４０は、第１の間隙層１２４の底部表面１２８と第１の多孔質光吸収材料層１０８の上部表面１１０との間に延びている。第１の流体経路の第２の部分１４０は、第１の間隙層１２４の底部表面１２８と接触し、それによって第１の間隙層１２４から熱を収集してもよい。
【００２３】
太陽熱ユニット１００が第１の間隙層１２４を備える実施形態では、熱吸収流体はさらに、第１の流体流路に沿って流れるときに間隙層１２４から熱を抽出してもよい。例えば、熱吸収流体１１６が第１の流体流路の第１の部分１１８に沿って移動するときに、熱吸収流体１１６は、第１のグレージング層１０２の内側表面１０６に沿って、また第１の間隙層１２４の上部表面１２６から熱を収集してもよい。さらに、第１の流体流路の第２の部分１４０に沿って移動するときに、熱吸収流体１１６は、第１の間隙層１２４の底部表面１２８に沿って、また多孔質光吸収材料層１０８の上部表面１１０に沿って熱を収集してもよい。上述したように、熱吸収流体１１６の温度勾配は、熱吸収流体が第１の流体流路に沿って入口１２０から出口１２２に流れるにつれて増大し得るため、出口１２２における熱吸収流体の温度は、入口１２０における熱吸収流体１１６の温度より高い可能性がある。
【００２４】
太陽熱ユニット１００の左側の第２の流体流路は、第１の流体流路と同じ構成部品のセットを有していてもよく、第１の流体流路と左右対称であってもよい。図示されているように、太陽熱ユニット１００の左側は、外側表面１４８および内側表面１５０を有する第２のグレージング層１４６を備える。第２のグレージング層１４６の外側表面１４８は、周囲空気に曝露されていてもよい。太陽熱ユニット１００の左側はまた、第２のグレージング層１４６の下にあり、第２のグレージング層１４６から離れている第２の多孔質光吸収材料層１５２を有する。第２の多孔質光吸収材料層１５２は、上部表面１５４、厚さ１５６および底部表面１５８を有する。熱吸収流体１１６またはその一部は、入口１２０から出口１２２へと第２の流体流路に沿って太陽熱ユニット１００を通って流れてもよい。図示されるように、第２のグレージング層１４６および第２の多孔質光吸収材料層１５２はそれぞれ、同じ幅Ｗおよび長さＬ２を有する。
【００２５】
上述のように、入口１２０を通って太陽熱ユニット１００に入るとき、熱吸収流体１１６は、初期温度を有してもよい。入口１２０を通って太陽熱ユニット１００に入った後、熱吸収流体１１６の少なくとも一部は、入口１２０から第２のグレージング層１４６の内側表面１５０に沿って延びる第２の流体流路の第１の部分１６０に沿って流れてもよい。熱吸収流体１１６は、第２の流体流路の第１の部分１６０に沿って流れるときに、第２のグレージング層１４６の内側表面１５０の全長Ｌ２に沿って流れてもよい。さらに、第２の流体流路の第１の部分１６０内で、熱吸収流体１１６は、第２のグレージング層１４６の内側表面１５０の全幅Ｗにわたって均一に分布してもよい。第２の流体流路の第１の部分１６０に沿って移動するときに、熱吸収流体１１６は、第２のグレージング層１４６の内側表面１５０に沿って熱を収集してもよい。したがって、第２の流体流路の第１の部分１６０の端部における熱吸収流体１１６の温度は、入口１２０における熱吸収流体１１６の初期温度よりも高い可能性がある。
【００２６】
第２の流体流路の第１の部分１６０を通って流れた後、熱吸収流体１１６は、第２の流体流路の第２の移行部１６２を通り、次に第２の部分１６４に沿って流れてもよい。第２の流体流路の第２の部分１６４は、第２の多孔質光吸収材料層１５２の上部表面１５４に沿って延びている。熱吸収流体１１６の少なくとも一部は、第２の流体流路の第２の部分１６４に沿って流れるときに、第２の多孔質光吸収材料層１５２の上部表面１５４の全長Ｌ１に沿って流れてもよい。さらに、第２の流体流路の第２の部分１６４内で、熱吸収流体１１６は、多孔質光吸収材料層１５２の上部表面１５４の全幅Ｗにわたって均一に分布してもよい。第２の流体流路の第２の部分１６４に沿って移動するときに、熱吸収流体１１６は、多孔質光吸収材料層１５２の上部表面１５４に沿って熱を収集してもよい。したがって、第２の流体流路の第２の部分１６４端部における熱吸収流体１１６の温度は、入口１２０における熱吸収流体１１６の初期温度よりも高いだけでなく、第２の流体流路の第１の部分１６０の端部における熱吸収流体１１６の温度よりも高い可能性がある。
【００２７】
第２の流体流路の第２の部分１６４を通って流れた後、熱吸収流体１１６は、第２の多孔質光吸収材料層１５２の厚さ１５６を通って、第２の流体経路の第３の部分１６６に沿って流れてもよい。第２の流体経路の第３の部分１６６に沿って流れるときに、熱吸収流体１１６は、第２の多孔質光吸収材料層１５２内から熱を収集してもよい。したがって、第２の流体流路の第３の部分１６６端部における熱吸収流体１１６の温度は、入口１２０における熱吸収流体１１６の初期温度よりも高いだけでなく、第２の流体流路の第２の部分１６４の端部における熱吸収流体１１６の温度よりも高い可能性がある。
【００２８】
第２の流体流路の第３の部分１４２を通って流れた後、熱吸収流体１１６は、第２の多孔質光吸収材料層１５２の底部表面１５８に沿って、熱吸収流体１１６が太陽熱ユニット１００を出ることができる出口１２２まで、第２の流体経路の第４の部分１６８に沿って流れてもよい。熱吸収流体１１６は、第２の多孔質光吸収材料層１５２の底部表面１５８から、また第２の流体経路の第４の部分１６８に沿って流れるときに接触する断熱層１３０などの任意の他の構成部品から熱を収集してもよい。したがって、第２の流体流路の第４の部分１６８の端部における熱吸収流体１１６の温度は、入口１２０における熱吸収流体１１６の初期温度よりも高いだけでなく、第２の流体流路の第３の部分１６６の端部における熱吸収流体１１６の温度よりも高い可能性がある。
【００２９】
断熱層１３０は、第２の多孔質光吸収材料層１５２の下にあり、第２の多孔質光吸収材料層１５２から離れていてもよい。断熱層１３０は、第２の流体経路の第４の部分１６８の一部を形成する第２の流れチャネル１７６を提供するように構成されてもよい。第２の流体経路の第４の部分１６８は、第２の多孔質光吸収材料層１５２の下の第２の流れチャネル１７６に沿って、出口１２２へと流れてもよい。
【００３０】
さらに、第２の流体流路に関して、太陽熱ユニット１００は、第２のグレージング層１４６と第２の多孔質光吸収材料層１５２との間に、第２の間隙層１７０のような１つまたは複数の間隙層を有してもよい。図示されているように、第２の間隙層１７０は、グレージングであってもまたは異なる適切な材料であってもよく、第２のグレージング層１４６と同じ材料もしくは異なる材料で製造されていてもよく、および／または１つもしくは複数の光起電力（ＰＶ）パネルを備えてもよい。第２の間隙層１７０は、上部表面１７２および底部表面１７４を有してもよい。第２の間隙層１７０の上部表面１７２は、第２のグレージング層１４６の内側表面１５０の下にあり、内側表面１５０から離れており、第２の間隙層１７０の底部表面１７４は、第２の多孔質光吸収材料層１５２の上部表面１５４の上にあり、上部表面１５４から離れている。
【００３１】
太陽熱ユニット１００が第２の間隙層１７０を備える実施形態では、第２の移行部１６２は、第２の間隙層１７０の端部１９６周りに第２の流体経路の曲がり角を備えてもよい。図３および図４に図示されるように、第２のグレージング層１４６は長さＬ２を有し、第２の間隙層１７０は、第２のグレージング層１４６の長さＬ２よりも短い長さを有する。第２の間隙層１７０の短い長さは、第２の間隙層１７０の端部１９６と断熱層１３０の側壁１３４との間の第２のギャップ１９８を形成する。第２の移行部１６２の曲がり角は、約９０°〜約１８０°などの最大約１８０°の角度であってよい角度で熱吸収流体１１６の向きを変えることができる。第２の間隙層１７０は、第２のグレージング層１４６の幅Ｗに等しい幅を有してもよい。このような実施形態では、第２の流体経路の第１の部分１６０は、入口１２０から、第２のグレージング層１４６の内側表面１５０と第２の間隙層１７０の上部表面１７２との間の、第２のグレージング層１４６の内側表面１５０に沿って延び、第２の流体経路の第２の部分１６４は、第２の間隙層１７０の底部表面１７４と第２の多孔質光吸収材料層１５２の上部表面１５４との間に延びている。
【００３２】
太陽熱ユニット１００が第２の間隙層１７０を備える実施形態では、熱吸収流体１１６はさらに、第２の流体流路に沿って流れるときに第２の間隙層１７０から熱を抽出してもよい。例えば、第２の流体流路の第１の部分１６０に沿って移動するときに、熱吸収流体１１６は、第２のグレージング層１４６の内側表面１５０に沿って、また第２の間隙層１７０の上部表面１７２から熱を収集してもよい。さらに、第２の流体流路の第２の部分１６４に沿って移動するときに、熱吸収流体１１６は、第２の間隙層１７０の底部表面１７４に沿って、また多孔質光吸収材料層１５２の上部表面１５４に沿って熱を収集してもよい。上述したように、熱吸収流体１１６の温度勾配は、熱吸収流体が第２の流体流路に沿って入口１２０から出口１２２に流れるにつれて増大し得るため、出口１２２における熱吸収流体の温度は、入口１２０における熱吸収流体１１６の温度より高い可能性がある。
【００３３】
図３および図４に示すように、第１の流体流路および第２の流体流路は、それぞれ底部および側部が断熱層１３０によって、それぞれ上部が第１のグレージング層１０２または第２のグレージング層１４６によって取り囲まれてもよい。太陽熱ユニット１００の取り囲まれたセクションは、密閉された流れチャンバを提供できるため、熱吸収流体は、入口１２０から出口１２２に流れるときに太陽熱ユニット１００から漏れない。例えば、第１のグレージング層１０２と、断熱材１３０からなる底部１３２と、断熱材１３０からなる側壁１３４と、プレナム１８４からなる壁とによって囲まれた第１の密閉された流れチャンバ１７８を設けてもよい。第１の密閉されたチャンバは第１の流体経路を取り囲む。同様に、第２のグレージング層１４６と、断熱材１３０からなる底部１３２と、断熱材１３０からなる側壁１３４と、プレナム１８４からなる壁とによって囲まれた第２の密閉された流れチャンバ１８０を設けてもよい。第２の密閉されたチャンバは第２の流体経路を取り囲む。
【００３４】
太陽熱ユニット１００はさらに、流体流路の少なくとも一部と、断熱層１３０をはじめとする流体流路を形成する構成部品とを包囲し、取り囲む保護ハウジング１８２を有してもよい。
【００３５】
図３および図４から見てとれるように、分流太陽熱ユニット１００は、第１のグレージング層１０２および第１の多孔質光吸収材料層１０８を第２のグレージング層１４６および第２の多孔質光吸収材料層１５２から分離するプレナム１８４を有してもよい。プレナム１８４は、プレナムカバー１８６と、プレナムカバー１８６の下の上部プレナムチャンバ１８８とを有してもよい。入口１２０は、プレナム１８４内に配置してもよい。入口１２０は、流入する熱吸収流体を均等に分割し、第１の流体経路と第２の流体経路との間に向けるように構成されてもよい。入口は、熱吸収流体を上部プレナムチャンバ１８８に流入させるようにさらに構成されてもよい。
【００３６】
熱エネルギーを生成することに加えて、本技術の太陽熱ユニットのいくつかの実施形態はまた、電気エネルギーを生成してもよい。そのような実施形態では、電気エネルギーは、プレナムカバー１８６の少なくとも一部を含むことができる１つまたは複数の光電池を備える光起電力パネル（ＰＶ）１９０によって生成してもよい。入口１２０から上部プレナムチャンバ１８８に流入する熱吸収流体１１６は、第１の流路または第２の流路に沿って進む前に、光起電力パネル１９０から熱を収集してもよい。光電池は、冷却されるとより効率的に動作するため、光起電力パネル１９０から熱を収集する熱吸収流体は、熱吸収流体によって吸収される熱量を増加させるだけでなく、光起電力パネル１９０の効率を維持または向上させることができる。ＰＶパネルの後面は、パネルとの流れの相互作用を促進してパネルの冷却を促進するように改造されてもよい。さらに、パネルの電池のレイアウトおよび配線は、パネル全体の温度勾配を考慮してパネル性能を最大にするように最適化することができる。
【００３７】
単一の流体流路を有する、本技術の太陽熱ユニット５００の１つの他の実施形態を図５に示す。少なくともいくつかの実施形態では、太陽熱ユニット５００は、入口５２０から出口５２２への流体流路に沿って、温度勾配がユニットを通して増加するように構成されてもよい。
【００３８】
図示されているように、太陽熱ユニット５００は、外側表面５０４および内側表面５０６を有するグレージング層５０２を有する。グレージング層５０２の外側表面５０４は、周囲空気に曝露されていてもよい。太陽熱ユニット５００はまた、グレージング層５０２の下にあり、グレージング層５０２から離れている多孔質光吸収材料層５０８を有する。多孔質光吸収材料層５０８は、上部表面５１０、厚さ５１２および底部表面５１４を有する。熱吸収流体５１６は、入口５２０から出口５２２へと流体流路に沿って太陽熱ユニット５００を通って流れてもよい。
【００３９】
入口５２０を通って太陽熱ユニット５００に入るとき、熱吸収流体５１６は、用途に応じて、太陽熱ユニット５００外部の周囲空気の温度と同じであっても、同じでなくてもよい初期温度を有してもよい。入口５２０を通って太陽熱ユニット５００に入った後、熱吸収流体５１６の少なくとも一部は、入口５２０からグレージング層５０２の内側表面５０６に沿って延びる流体流路の第１の部分５１８に沿って流れてもよい。熱吸収流体５１６は、流体流路の第１の部分５１８に沿って流れるときに、グレージング層５０２の内側表面５０６の全長に沿って流れてもよい。さらに、流体流路の第１の部分５１８内で、熱吸収流体５１６は、第１のグレージング層５０２の内側表面５０６の全幅にわたって均一に分布してもよい。流体流路の第１の部分５１８に沿って移動するときに、熱吸収流体５１６は、第１のグレージング層５０２の内側表面５０６に沿って熱を収集してもよい。したがって、流体流路の第１の部分５１８端部における熱吸収流体５１６の温度は、入口５２０における熱吸収流体５１６の初期温度よりも高い可能性がある。
【００４０】
流体流路の第１の部分５１８を通って流れた後、熱吸収流体５１６は、流体流路の第２の移行部５２０を通り、次に第２の部分５２２に沿って流れてもよい。流体流路の第２の部分５２２は、多孔質光吸収材料層５０８の上部表面５１０に沿って延びている。熱吸収流体５１６の少なくとも一部は、流体流路の第２の部分５２２に沿って流れるときに、多孔質光吸収材料層５０８の上部表面５１０の全長に沿って流れてもよい。さらに、流体流路の第２の部分５２２内で、熱吸収流体５１６は、多孔質光吸収材料層５０８の上部表面５１０の全幅にわたって均一に分布してもよい。流体流路の第２の部分５２２に沿って移動するときに、熱吸収流体５１６は、多孔質光吸収材料層５０８の上部表面５１０に沿って熱を収集してもよい。したがって、流体流路の第２の部分５２２端部における熱吸収流体５１６の温度は、入口５２０における熱吸収流体５１６の初期温度よりも高いだけでなく、流体流路の第１の部分５１８の端部における熱吸収流体５１６の温度よりも高い可能性がある。
【００４１】
流体流路の第２の部分５２２を通って流れた後、熱吸収流体５１６は、多孔質光吸収材料層５０８の厚さ５１２を通って、第１の流体経路の第３の部分５２４に沿って流れてもよい。流体経路の第３の部分５２４に沿って流れるときに、熱吸収流体５１６は、多孔質光吸収材料層５０８内から熱を収集してもよい。したがって、流体流路の第３の部分５２４端部における熱吸収流体５１６の温度は、入口５２０における熱吸収流体５１６の初期温度よりも高いだけでなく、流体流路の第２の部分５２２の端部における熱吸収流体５１６の温度よりも高い可能性がある。
【００４２】
流体流路の第３の部分５２４を通って流れた後、熱吸収流体５１６は、多孔質光吸収材料層５０８の底部表面５１４に沿って、熱吸収流体が太陽熱ユニット５００を出ることができる出口５２２まで、流体経路の第４の部分５２６に沿って流れてもよい。熱吸収流体５１６は、多孔質光吸収材料層５０８の底部表面５１４から、また流体経路の第４の部分５２６に沿って流れるときに接触する断熱層５３４などの任意の他の構成部品から熱を収集してもよい。したがって、流体流路の第４の部分５２６端部における熱吸収流体５１６の温度は、入口５２０における熱吸収流体５１６の初期温度よりも高いだけでなく、流体流路の第３の部分５２４の端部における熱吸収流体５１６の温度よりも高い可能性がある。
【００４３】
太陽熱ユニット５００はまた、少なくとも底部５３６および側壁５３８を有することができる断熱層５３４を有してもよい。断熱層５３４は、多孔質光吸収材料層５０８の下にあり、多孔質光吸収材料層５０８から離れていてもよい。断熱層５３４は、流体経路の第４の部分５２６の一部を形成する第１の流れチャネル５４０を提供するように構成されてもよい。流体経路の第４の部分５２６は、多孔質光吸収材料層５０８の下の第１の流れチャネル５４０に沿って、出口５２２へと流れてもよい。
【００４４】
さらに、太陽熱ユニット５００は、グレージング層５０２と多孔質光吸収材料層５０８との間に、間隙層５２８のような少なくとも１つの間隙層を有してもよい。間隙層５２８は、グレージングであってもまたは異なる適切な材料であってもよく、グレージング層２０２と同じ材料または異なる材料で製造されていてもよい。間隙層５２８は、上部表面５３０および底部表面５３２を有してもよい。間隙層５２８の上部表面５３０は、グレージング層５０２の内側表面５０６の下にあり、内側表面５０６から離れており、間隙層５２８の底部表面５３２は、多孔質光吸収材料層５０８の上部表面５１０の上にあり、上部表面５１０から離れている。
【００４５】
太陽熱ユニット５００が間隙層５２８を備える実施形態では、移行部５２０は、間隙層５２８の端部５４２周りに第１の流体経路の曲がり角を備えてもよい。図５に図示されるように、グレージング層５０２は長さを有し、間隙層５２８は、グレージング層５０２の長さよりも短い長さを有する。間隙層５２８の短い長さは、間隙層５２８の端部５４２と断熱層５３４の側壁５３８との間の第１のギャップ５４４を形成する。移行部５２０の曲がり角は、約９０°〜約１８０°などの最大約１８０°の角度であってよい角度で熱吸収流体５１６の向きを変えることができる。間隙層５２８は、グレージング層５０２の幅に等しい幅を有してもよい。このような実施形態では、流体経路の第１の部分５１８は、入口５２０から、グレージング層５０２の内側表面５０６と間隙層５２８の上部表面５３０との間の、グレージング層５０２の内側表面５０４に沿って延び、流体経路の第２の部分５２２は、間隙層５２８の底部表面５３２と多孔質光吸収材料層５０８の上部表面５１０との間に延びている。流体経路の第２の部分５２２は、間隙層５２８の底部表面５３２と接触し、それによって第１の間隙層５２８から熱を収集してもよい。
【００４６】
太陽熱ユニット５００が第１の間隙層５２８を備える実施形態では、熱吸収流体はさらに、流体流路に沿って流れるときに間隙層５２８から熱を抽出してもよい。例えば、熱吸収流体５１６が流体流路の第１の部分５１８に沿って移動するときに、熱吸収流体５１６は、第１のグレージング層５０２の内側表面５０６に沿って、また第１の間隙層５２８の上部表面５３０から熱を収集してもよい。さらに、流体流路の第２の部分５２２に沿って移動するときに、熱吸収流体５１６は、第１の間隙層５２８の底部表面５３２に沿って、また多孔質光吸収材料層５０８の上部表面５１０に沿って熱を収集してもよい。上述したように、熱吸収流体５１６の温度勾配は、熱吸収流体が第１の流体流路に沿って入口５２０から出口５２２に流れるにつれて増大し得るため、出口５２２における熱吸収流体の温度は、入口５２０における熱吸収流体５１６の温度より高い可能性がある。
【００４７】
本技術の太陽熱ユニット６００および７００のさらなる他の実施形態をそれぞれ図６および図７に示す。
【００４８】
図６に示すように、太陽熱ユニット６００は、図１〜図４に関して上記において図示され説明されたものと同様の２つの流体流路を有する。しかしながら、第２のグレージング層を有する代わりに、太陽熱ユニット６００は、長さＬを有し、両方の流体流路の上部全体に延びる第１のグレージング層６０２のみを有する。図示されているように、太陽熱ユニット６００は、外側表面６０４および内側表面６０６を有する第１のグレージング層を有する。第１のグレージング層６０２の外側表面６０４は、周囲空気に曝露されていてもよい。太陽熱ユニット６００はまた、太陽熱ユニット６００の第１の側に、第１のグレージング層６０２の下にあり、第１のグレージング層６０２から離れている第１の多孔質光吸収材料層６０８を有する。第１の多孔質光吸収材料層６０８は、上部表面６１０、厚さ６１２および底部表面６１４を有する。太陽熱ユニット６００はまた、太陽熱ユニット６００の第１の側とは反対側の太陽熱ユニット６００の第２の側に、第１のグレージング層６０２の下にあり、第１のグレージング層６０２から離れている第２の多孔質光吸収材料層６１６を有する。第２の多孔質光吸収材料層６１６は、上部表面６１８、厚さ６２０および底部表面６２２を有する。太陽熱ユニット６００は、第１の間隙層６３８および第２の間隙層６４０をさらに有する。
【００４９】
熱吸収流体６２４は、第１の多孔質光吸収材料層６０８を第２の多孔質光吸収材料層６１６から分離するプレナム６２８における入口６２６を通って、太陽熱ユニット６００に流入する。熱吸収流体６２４の半分であってもよい第１の部分は、第１のグレージング層の内側表面６０６に沿って、入口６２６から第１の流体流路６３０に沿って流れ、次に、第１の多孔質光吸収材料層６０８の厚さを通って出口６３４へと流れる。熱吸収流体６２４の同じく半分であってもよい第２の部分は、第１のグレージング層の内側表面６０６に沿って、入口６２６から第２の流体流路６３２に沿って流れ、次に、第２の多孔質光吸収材料層６１６の厚さを通って出口６３４へと流れる。
【００５０】
太陽熱ユニット６００を通る熱吸収流体６２４の流れは、上述の太陽熱ユニット１００の流体経路に沿った流れと同じであるか、または実質的に同じである。しかし、太陽熱ユニット６００において、第１の間隙層６３８および第２の間隙層６４０と面一であってよいプレナムカバー６３６は、第１のグレージング層６０２の下にあり、第１のグレージング層６０２から離れている。図示されるように、プレナムカバー６３６は１つまたは複数の光電池を備えてもよい。入口６２６は、流入する熱吸収流体６２４を均等に分割し、第１の流体経路と第２の流体経路との間に向けるように構成されてもよい。入口６２６は、熱吸収流体をプレナムカバー６３６の下にあるプレナムに流入させ、次いで各流路に沿って分割されるときにプレナムカバー６３６の上を流れさせるようにさらに構成されてもよい。このような構成により、熱吸収流体６２４は、プレナムカバー６３６の下および上から、ならびにプレナムカバー６３６の一部である１つまたは複数のＰＶパネルのいずれかから熱を収集することができる。
【００５１】
図７に示すように、太陽熱ユニット７００は、太陽熱ユニット６００と構造および流れが類似している。太陽熱ユニット７００は、長さＬを有し、両方の流体流路の上部全体に延びる第１のグレージング層７０２を有する。本実施形態では、第１の間隙層７０４および第２の間隙層７０６それぞれの第１の端部は、プレナムカバーとして機能してもよい。さらに、第１の間隙層７０４および第２の間隙層７０６はそれぞれ、１つまたは複数のＰＶパネルを備えてもよい。本実施形態では、備えることができるＰＶパネルの面積は、他の図示された実施形態のＰＶパネルの面積よりも大きい。熱吸収流体７０８は、プレナムカバーとして機能する第１の間隙層７０４および第２の間隙層７０６それぞれの一部の下にある入口７１０を通って、太陽熱ユニット７００に流入することができる。次いで、熱吸収流体は分かれて、流体流路それぞれに沿って流れ、第１の間隙層７０４および第２の間隙層７０６のＰＶパネルの上部から、次いで第１の間隙層７０４および第２の間隙層７０６のＰＶパネルの底部から熱を収集した後、第１の多孔質光吸収材料層７１２および第２の多孔質光吸収材料層７１４を通って出口７１６へと流れてもよい。太陽熱ユニット７００では、プレナムカバーとして機能する第１の間隙層７０４および第２の間隙層７０６の厚さができるだけ実用的であるように低減され、第１の多孔質光吸収材料層７１２および第２の多孔質光吸収材料層７１４の厚さは増大されることが有利であり得る。
【００５２】
図１２〜図１３は、本技術の太陽熱ユニット１０００の第５の実施形態を示す。太陽熱ユニット１０００は、２つの流体流路、すなわち、右側に第１の流体流路、左側に第２の流体流路を有する分流設計を有する。第２の流体流路は、第１の流体流路と同じ構成部品のセットを有していてもよく、第１の流体流路と左右対称であってもよいと理解すべきである。この設計の流路は、太陽熱ユニット１００の流路と比較すると変更されており、まず熱吸収流体がユニットの外縁部、次いで第１のグレージング層の底部表面に沿ってユニットの中心へと流れる。
【００５３】
図示される太陽熱ユニット１０００は、第１の流体流路２０００および第２の流体流路２００２の両方の全体に延びる第１のグレージング層１００２を備える。第１のグレージング層１００２は外側表面１００４および内側表面１００６を有する。第１のグレージング層１００２の外側表面１００４は、周囲空気に曝露されていてもよい。
【００５４】
太陽熱ユニット１０００の第１の流体流路２０００は、第１のグレージング層１００２の下にあり、第１のグレージング層１００２から離れている第１の多孔質光吸収材料層１００８を有する。第１の多孔質光吸収材料層１００８は、上部表面１０１０、厚さ１０１２および底部表面１０１４を有する。
【００５５】
太陽熱ユニット１０００の第１の流体流路２０００はまた、第１のグレージング層１００２と第１の多孔質光吸収材料層１００８との間に第１の間隙層１０１６を有し、第１の間隙層１０１６は上部表面１０１８および底部表面１０２０を有する。第１の間隙層１０１６の上部表面１０１８は、第１のグレージング層１００２の内側表面１００６の下にあり、内側表面１００６から離れており、第１の間隙層１０１６の底部表面１０２０は、第１の多孔質光吸収材料層１００８の上部表面１０１０の上にあり、上部表面１０１０から離れている。第１の間隙層は、ＰＶパネル１０２２および第２のグレージング層２０２４を備えてもよい。
【００５６】
太陽熱ユニット１０００の第２の流体流路２００２は、第１のグレージング層１００２の下にあり、第１のグレージング層１００２から離れている第２の多孔質光吸収材料層１０４４を有する。第２の多孔質光吸収材料層１０４４は、上部表面１０４６、厚さ１０４８および底部表面１０５０を有する。
【００５７】
太陽熱ユニット１０００の第２の流体流路２００２はさらに、第１のグレージング層１００２と第２の多孔質光吸収材料層１０４４との間に第２の間隙層１０５２を有し、第２の間隙層１０５２は上部表面１０５４および底部表面１０５６を有する。第２の間隙層１０５２の上部表面１０５４は、第１のグレージング層１００２の内側表面１００６の下にあり、内側表面１００６から離れており、第２の間隙層１０５２の底部表面１０５６は、第２の多孔質光吸収材料層１０４４の上部表面１０４６の上にあり、上部表面１０４６から離れている。第２の間隙層１０５２は、ＰＶパネル１０５８および第３のグレージング層１０６０を備えてもよい。加えて、第１の間隙層１０１６および第２の間隙層１０５２は、第１および第２の流路の熱吸収流体が通過できる第１の移行部１０６２を設けるように離間されていてもよい。
【００５８】
太陽熱ユニット１０００はまた、内側表面１０２８を有する入口プレナム１０２６を備える。入口プレナムは、熱吸収流体１０３４が通って太陽熱ユニット１０００に流入する入口１０３０と、熱吸収流体１０３４が太陽熱ユニット１０００から出る出口１０３２とを有する。入口１０３０を含む太陽熱ユニットは、熱吸収流体の最初の半分が第１の流体流路２０００に沿って流れ、熱吸収流体の残りの半分は第２の流体流路２００２に沿って流れるように、熱吸収流体を均等に分割するように構成されてもよい。流路間で均等に分配して流れのバランスをとることにより、第１のグレージング層で起こり得るホットスポットを低減または排除することができ、これは第１のグレージング層による熱損失を低減させ、効率を改善できる。
【００５９】
太陽熱ユニット１０００は、入口プレナム１０２６と第１の多孔質光吸収材料層１００８との間に断熱層１０３６をさらに備える。断熱層は、上部表面１０３８および底部表面１０４０を有する。
【００６０】
太陽熱ユニット１０００は、流体流路の少なくとも一部と、入口プレナム１０２６をはじめとする流体流路を形成する構成部品とを包囲し、取り囲むことができる保護ハウジング１０４２を備えてもよい。
【００６１】
熱吸収流体１０３４は、入口１０３０を通って太陽熱ユニット１０００に流入し、第１の流体流路および第２の流体流路に沿って流れるように分かれる。
【００６２】
図１３に示すように、第１の流体流路２０００は、入口１０３０から入口プレナム１０２６の内側表面１０２８と断熱層１０３６の底部表面１０４０との間を、右へ流れる。次に、第１の流体流路２０００は、第１のグレージング層１００２の内側表面１００６に沿って流れる。熱吸収流体は、第１のグレージング層１００２の内側表面１００６に沿って、またその構成部品であるＰＶパネルを含む、第１の間隙層１０１６の上部表面１０１８に沿って熱を吸収する。したがって、第１のグレージング層１００２の内側表面１００６に沿って流れた後の熱吸収流体の温度は、入口１０３０における熱吸収流体の温度よりも高い。
【００６３】
次に、第１の流体流路２０００は、離間されている第１の間隙層１０１６と第２の間隙層１０５２との間の空間として示される第１の移行部１０６２を通って流れる。第１の移行部１０６２において、またその中で、流れが分かれて２つの流体流路に沿って進む前に、第１の流路の熱吸収流体は第２の流路の熱吸収流体と混ざり合う場合がある。第１の移行部１０６２は、第１の流路と第２の流路とを接合し、次いで、熱吸収流体を２つの流体流路間で均等に分割するように、第１の流路と第２の流路とに分かれさせるように構成されてもよい。
【００６４】
次に、第１の流体流路２０００は、第１の間隙層の底部表面および第１の多孔質光吸収材料層１００８の上部表面に沿って流れ、次に、第１の多孔質光吸収材料層１００８の厚さ１０１２を通って出口１０３２へと流れる。第１の流体流路２０００に沿って流れる熱吸収流体１０３４は、その構成部品であるＰＶパネルを含む、第１の間隙層の底部表面と、第１の多孔質光吸収材料層１００８の上部表面に沿って熱を吸収する。第１の流体流路２０００に沿って流れる熱吸収流体は、第１の多孔質光吸収材料層１００８の厚さ内からも熱を吸収する。したがって、第１の多孔質光吸収材料層１００８を通って流れた後の熱吸収流体の温度は、入口１０３０における熱吸収流体１０３４の温度よりも高い可能性がある。
【００６５】
第２の流体流路２００２は、入口１０３０から入口プレナム１０２６の内側表面１０２８と断熱層１０３６の底部表面１０４０との間を、左へ流れる。次に、第２の流体流路２００２は、第１のグレージング層１００２の内側表面１００６に沿って流れる。熱吸収流体は、第１のグレージング層１００２の内側表面１００６に沿って、また第２の間隙層１０５２の上部表面１０５４に沿って熱を吸収する。したがって、第１のグレージング層１００２の内側表面１００６に沿って流れた後の熱吸収流体の温度は、入口１０３０における熱吸収流体の温度よりも高い。
【００６６】
次に、第２の流体流路２００２は、離間されている第１の間隙層１０１６と第２の間隙層１０５２との間の第１の移行部１０６２を通って流れる。第１の移行部１０６２において、またその中で、流れが分かれて２つの流体流路に沿って進む前に、第２の流路の熱吸収流体は第１の流路の熱吸収流体と混ざり合う場合がある。
【００６７】
次に、第２の流体流路２００２は、第２の間隙層１０５２の底部表面１０５６および第２の多孔質光吸収材料層１０４４の上部表面１０４６に沿って流れ、次に、第１の多孔質光吸収材料層１０４４の厚さ１０４８を通って出口１０３２へと流れる。第２の流体流路２００２に沿って流れる熱吸収流体１０３４は、第２の間隙層１０５２の底部表面１０５６と、第２の多孔質光吸収材料層１０４４の上部表面１０４６とに沿って熱を吸収する。第２の流体流路２００２に沿って流れる熱吸収流体は、第２の多孔質光吸収材料層１０４４の厚さ１０４８内からも熱を吸収する。したがって、第２の多孔質光吸収材料層１０４４を通って流れた後の熱吸収流体の温度は、入口１０３０における熱吸収流体１０３４の温度よりも高い可能性がある。
【００６８】
上述したように、熱吸収流体１０３４の温度勾配は、熱吸収流体が第１の流体流路２０００または第２の流体流路のいずれかに沿って入口１０３０から出口１０３２に流れるにつれて増大し得るため、出口１０３２における熱吸収流体の温度は、入口１０３０における熱吸収流体１０３４の温度より高い可能性がある。
材料
上記の図１〜図５に関連して説明した太陽熱ユニットの特定の実施形態は、熱吸収流体として空気、具体的には周囲空気を使用する。周囲空気は、通常、酸素および窒素を含む気体成分の混合物を含有する。他の実施形態では、気体状または液体状のいずれかであってよい他の熱吸収流体を使用することができる。他の熱吸収流体のいくつかの非限定的な例としては、水、ヘリウム、アルゴン、水、蒸気、およびこれらの成分の互いのまたは他の成分との混合物が挙げられる。
【００６９】
本技術の太陽熱ユニットで使用するためのグレージング層は、太陽光が、グレージング層を通って太陽熱ユニット内へ、それから多孔質光吸収層へと透過するように構成された透明層である。グレージング層は、例えば、ガラス、アクリル、ＦＥＰ、ポリマー、多結晶性材料、前述のもののいずれかの誘導体、または前述のもののいずれかの組み合わせを含む、任意の適切な材料から製造することができる。ガラスを使用する場合、ガラスはソーダライム、無鉄または低鉄ガラスであってもよい。グレージング層の赤外線（ＩＲ）不透過度は、空気が流れていない典型的な太陽熱ユニットと比較して、空気または他の熱吸収流体が太陽熱ユニットを流れる本技術の太陽熱ユニットでは重要ではない。グレージング層はまた、グレージングを通して透過を促進し、および／または放射損失を低減するように、表面処理またはコーティングされてもよい。
【００７０】
本技術の太陽熱ユニットに使用するための多孔質熱吸収層は、熱を吸収し、例えば金属、ミネラルウール、および熱的に安定なポリマーが挙げられる、熱吸収流体が通って流れるように構成された任意の適切な材料で製造することができる。いくつかの実施形態では、多孔質熱吸収層は黒色材料で製造されていてもよく、またはその上部表面に黒色コーティングもしくは選択的フィルムが適用されてもよい。本技術の多孔質熱吸収層は、複数の下層を備えてもよく、この場合、各下層は、多孔質熱吸収層全体によって吸収される熱のある割合を捕捉する。多孔質熱吸収層の各下層の形態係数は、上部表面から底部表面までの厚さを通して各層によって捕捉された熱の割合に直接影響を及ぼす。多孔質熱吸収層が所望の温度に達するのに必要な時間を短縮するために、実現可能な限り小さくてもよい最適化された熱質量を有するように多孔質熱吸収層を構成することが望ましい場合がある。多孔質熱吸収層は、図８に示すような非線形温度プロファイルを有するように構成することも望ましい場合があり、太陽熱ユニットの動作中の任意の所定の時間における温度は、上部表面および最初の層においては低く、下層において底部表面の近くまたは底部表面では最大に増加する。
【００７１】
本技術の太陽熱ユニットに使用するための断熱層は、太陽熱ユニットからの放射熱の損失を低減するように機能する任意の適切な材料で製造することができる。
【００７２】
本技術の太陽熱ユニットに使用するためのハウジングは、例えば亜鉛メッキ鋼を含む任意の適切な材料で製造することができる。
熱伝達および吸収
計算シミュレーションツールは、太陽熱ユニットの熱伝達を説明する完全な連立方程式を解くために開発された。方程式は、解が収束するまで反復的にシステム内の各構成部品について同時に解かれる。構成部品は、ソーラーユニット内の材料のあるセクション、またはキャリア流体のあるセクションであり得る。
【００７３】
一般に、日射に対する熱伝達は、任意の所与の構成部品の吸収率に入射日射を掛けたものに等しい。構成部品との熱伝達は、別の構成部品、キャリア流体、または周囲の表面および／もしくは空との熱伝達であってもよい。太陽熱ユニット１００のような本技術の太陽熱ユニットの動作中、熱は、４段階で熱吸収流体に伝達してもよい。（１）流体経路の第１の部分１１８、１６０、５１８におけるグレージング層および任意の間隙層からの強制内部対流、（２）流体経路の第２の部分１４０、１６４、５２２における間隙層および多孔質熱吸収層の上部表面からの強制内部対流、（３）流体経路の第３の部分１４２、１６６、５２４における多孔質吸収層からの多孔質流れ対流、ならびに（４）流体経路の第４の部分１４４、１６８、５２６における多孔質熱吸収層の底部表面および断熱部からの強制内部対流。
【００７４】
流体経路の第１、第２および第４の部分において、強制対流下の熱吸収流体への熱伝達は、２枚の平板間の強制対流のための方程式によって調節してもよい。
【００７５】
【数１】
2019516062.tif 000003
【００７６】
式（１）中、Ｑは、伝達された電力（Ｗ）である。Ｎｕは無次元ヌッセルト数（平行板の場合約８）である。ｋの値は熱吸収流体の熱伝導率（Ｗ／（ｍＫ））である。Ａは、第１のグレージング層１０２および第１の間隙層１２４、第２のグレージング層１４６および第２の間隙層１７０、グレージング層５０２および間隙層５２８または多孔質熱吸収層の底部表面および断熱層の底部のような、流れが移動する各板の面積（ｍ２）である。ＴＦは熱吸収流体（Ｃ）の温度である。ＴＭは材料の温度である。分母ｔｈは、２枚の板間の厚さである。
【００７７】
流体経路の第３の部分１４２、１６６、５２４において、熱吸収流体への熱伝達は、以下によって調節してもよい。
【００７８】
【数２】
2019516062.tif 000004
【００７９】
式（２）中、ここでＮｕＰｏｒｏｕｓは多孔質材料では約〜１００であり、ＡＥｆｆは材料の有効表面積（典型的には材料の体積の数百倍）であり、ｔｈは吸収体の厚さである。
【００８０】
個々の太陽熱構成部品間の熱伝達は、対流または放射のいずれかによって生じ得る。放射は以下によって調節してもよい。
【００８１】
【数３】
2019516062.tif 000005
【００８２】
式中、Ｑｒａｄは放射電力であり、Ｔ１およびＴ２は２つの連通している表面の温度であり、σはシュテファン−ボルツマン定数であり、ε１およびε２は２つの表面の透過率（ｅｍｉｓｓｉｔｉｖｉｔｙ）である。この方程式は、孔を通っていくらかの放射線を透過する多孔質材料を説明するための形態係数乗数を含むことができ、したがって、ある構成部品が、その構成部品を「透視し」て、別の構成部品からのさらなる放射を拾うことができる。
【００８３】
各構成部品における太陽束からの熱は、以下によって調節してもよい。
【００８４】
【数４】
2019516062.tif 000006
【００８５】
ここで、αは材料の吸収率であり、Ｆはその材料に入射する太陽束（Ｗ／ｍ２、内部構成部品が全太陽束に上記の構成部品の透過率を乗じたものに等しい太陽束を受けることを考慮する）である。
【００８６】
システムがどのように機能するかを決定する際に、本技術の太陽熱ユニットの放射熱および対流熱の損失も考慮に入れてもよい。周囲への放射熱伝達は、構成部品間の放射伝達と同じ方程式を使用してもよい。対流熱伝達は、以下によって調節してもよい。
【００８７】
【数５】
2019516062.tif 000007
【００８８】
式（５）中、ＱＡｍｂ．ｃｏｎｖ．は対流熱損失であり、Ｗｉｎｄｖｅｌｏｃｉｔｙは、太陽熱ユニットの直近の風速であり、Ｔｓｕｒｆａｃｅは、太陽熱ユニットの関連する表面の温度であり、Ｔａｍｂｉｅｎｔは、太陽熱ユニットの直近の周囲温度である。
【００８９】
反復解は、各構成部品が周囲温度に等しい温度で開始すると仮定することによって開始する。次に、温度は次のように進む。
【００９０】
【数６】
2019516062.tif 000008
【００９１】
式（６）中、Ｔは構成部品の温度であり、ｔは時間であり、ｍは構成部品の質量であり、Ｃｐは構成部品の比熱であり、Ｑｃｏｍｐｏｎｅｎｔは各構成部品の熱伝達である。時間ステップは、Ｔの変化がＴの大きさと比較して小さくなるように選択される。次に、ＴｏｌｄがＴｎｅｗに置き換えられ、温度は次のステップへと時間的に進められる。このプロセスは、各ステップの温度変化が指定された「停止」基準を下回るまで繰り返され、その時点で連立方程式は収束していると考えられ、最終温度セットが解になる。
【００９２】
システムの効率は、以下のように、キャリア流体に伝達される熱エネルギーを、システムの全日射で除したものとして定義してもよい。
【００９３】
【数７】
2019516062.tif 000009
【００９４】
式（７）中、
2019516062.tif 000010
はキャリア流体の質量流量である。太陽束から吸収されるがキャリア流体に伝達されない残りのエネルギーは、外部表面（典型的にはガラスの上部ペインおよび断熱材の外部）から周囲への放射熱および対流熱の伝達によって環境に伝達される。
【００９５】
上記の連立方程式は、ほぼすべての太陽熱ユニットの設計における熱伝達を説明する。本明細書に記載された実施形態は、２つの理由で従来の太陽熱ユニット（平板ユニットなど）より高い効率を生み出すことができる。理由の１つは、多孔質材料とキャリア流体との間の対流熱伝達が、平板収集における対流熱伝達よりも著しく速くなり得ることである。２つ目の理由は、多孔質設計における流路が、（周囲への大部分の損失が生じる）ガラスの上部ペインから熱を運搬し、太陽熱中のより高温の成分が、熱がよりゆっくりと周囲に逃げるより内部の場所にあることを確実にするように通ることができるというものである。
流体流れおよび圧力低下
本技術の太陽熱ユニットの効率および電力使用は、各流体経路を通る熱吸収流体の流れと、ユニット内の任意の流体経路全体の圧力低下とによって影響を受ける可能性がある。
【００９６】
圧力低下を最小限にすることにより、熱吸収流体が所望の流量でシステムを通るように圧送するのに必要な電力量を低減することができる。図１〜図４に示す実施形態のような分流設計を使用することによって、ユニット全体の圧力低下のバランスをとり、単一の流体経路のみを有する太陽熱ユニットと比較して、圧力低下を半減させることができる。
【００９７】
空気流の均一性は、圧力低下を制御するために太陽熱ユニットの構成部品間の空間の慎重な許容誤差によって制御してもよい。本明細書に記載された流体経路に沿った流れを調節することができる３つの方程式がある。システムの設計は、下記方程式によって調節してもよい。
グレージング間の距離を設定するためのクエットの流れ（平行平板間の定常流）：
【００９８】
【数８】
2019516062.tif 000011
【００９９】
多孔質熱吸収層の上下の距離、多孔質熱吸収層からグレージングまたは間隙層までの距離、および多孔質熱吸収層から断熱層の底部までの距離それぞれについての改良されたクエットの流れ（多孔質熱吸収層から出入りする流れを考慮する）。
【０１００】
【数９】
2019516062.tif 000012
【０１０１】
多孔質熱吸収層の所望の厚さを決定するための、多孔質熱吸収層を通るダルシー流れ。
【０１０２】
【数１０】
2019516062.tif 000013
【０１０３】
流体運動量に対するニュートンの第二法則を使用して、所定の流体経路に沿った、入口、出口、および移行部（流れが１８０度回転するため倍にしなければならない）で流れを９０度回転させるのに必要な圧力低下を決定してもよい。
【０１０４】
【数１１】
2019516062.tif 000014
【０１０５】
これらの方程式において、ΔＰは圧力低下（Ｐａ）であり、μは流体の粘度（Ｐａ＊ｓ）であり、Ｌは断面の長さ（ｍ）であり、Ｑは流量（ｍ３／ｓ）であり、ｈはギャップの厚さ（ｍ、変動する場合、最初および最後）であり、ｗは断面の幅（ｍ）であり、ｔは多孔質領域の厚さ（ｍ）であり、ｋは多孔質熱吸収層の拡散係数（ｍ２／ｓ）であり、ρは流体の密度（ｋｇ／ｍ３）であり、υは流体の速度（ｍ／ｓ）であり、Ａは流体が通過する面積である。
【０１０６】
移行部の面積は、移行部における大きな圧力低下を防ぐために、グレージングと間隙層との間の断面積と少なくとも同じ大きさの面積でなければならない。
【実施例１】
【０１０７】
太陽熱ユニット１００および断熱されたプレナムカバーに関して上述の流れを有する本技術の太陽熱ユニットは、以下の材料およびパラメータを使用して製造された。
【０１０８】
このシステムは、グレージング層および間隙層のそれぞれが無鉄ガラスで作られた分流設計で構成された。断熱材はポリイソシアヌレート断熱材（Ｒ値６）から構成された。ハウジングは０．６ｍｍ厚の亜鉛メッキ鋼であった。多孔質熱吸収層はそれぞれ、反射損失を最小限にするために黒色に塗られた１インチ厚の鉱滓綿で作製された。プレナムカバーはポリイソシアヌレート断熱材であった。総吸収面積は、約２平方メートルであった。各流路に対するグレージング層と間隙層との間隔は１／８インチに設定した。各間隙層は３６．５インチ長および４７．５インチ幅の寸法を有していたのに対し、各グレージング層は３８．５インチ長および４７．５インチ幅であった。グレージング層はそれぞれ、各辺において約０．５インチだけ支持され、各移行部のギャップは約１．０インチであった。各間隙層と各多孔質熱吸収層との間の距離、また各多孔質熱吸収層と断熱材の底部との間の距離は、約１．２５インチであった。太陽熱ユニットは、公知の体積流量で計器を通して送風器に強制空気を供給することによって較正された。得られたガラスのペイン全体の圧力を測定した。すると、この圧力はＤＣファンから供給される流れと一致した。
【０１０９】
晴れて始まり、最後の１時間曇った日に約５時間にわたって太陽熱ユニットを試験した。毎分立方フィート（ＣＦＭ）で測定された流量は、時間単位で変化した。具体的には、最初の１時間の流量を４０ＣＦＭに設定し、２時間目の流量を５０ＣＦＭに設定した。入口の温度でもある周囲温度を毎時測定した。結果を図９に示す。システムの効率は、経時的な日射に基づいて決定し、以下の表１に示す。
【０１１０】
【表１】
2019516062.tif 000015
【実施例２】
【０１１１】
プレナムカバーに組み込まれたＰＶパネルを有する本技術の太陽熱ユニットは、以下の材料およびパラメータを使用して製造された。
【０１１２】
このシステムは、グレージング層および間隙層のそれぞれが無鉄ガラスで作られた分流設計で構成された。断熱材はポリイソシアヌレート断熱材（Ｒ値６）から構成された。ハウジングは０．６ｍｍ厚の亜鉛メッキ鋼であった。多孔質熱吸収層はそれぞれ、反射損失を最小限にするために黒色に塗られた１インチ厚の鉱滓綿で作製された。プレナムカバーはＰＶパネルを備えていた。ＰＶパネルの寸法は４６．５インチ幅および１７．４インチ長であった。各グレージング層と各間隙層との間隔は約１／８インチに設定した。各間隙層は３６．５インチ長および４７．５インチ幅の寸法を有していたのに対し、各グレージング層は３８．５インチ長および４７．５インチ幅であった。グレージング層はそれぞれ、各辺において約０．５インチだけ支持され、各移行部のギャップは約１．０インチであった。総吸収面積（ＰＶパネルの面積は含まない）は、約２平方メートルであった。各間隙層と各多孔質熱吸収層との間の距離、また各多孔質熱吸収層と断熱材の底部との間の距離は、約１．２５インチであった。太陽熱ユニットは、公知の体積流量で計器を通して送風器に強制空気を供給することによって較正された。得られたガラスのペイン全体の圧力を測定した。すると、この圧力はＤＣファンから供給される流れと一致した。
【０１１３】
太陽熱ユニットをシザージャッキシステムに設置し、太陽熱ユニットの向きを０°から４５°までの範囲の角度で回転させて変えた。例えば、太陽熱ユニットを年間の異なる時間帯または異なる緯度の地理的地域で使用するときなどに、太陽熱ユニットが有利になる角度を調整する機能は、太陽熱ユニットを可能な限り太陽に直接向けることを可能にする。
【実施例３】
【０１１４】
図１４および下記の表２は、太陽熱ユニット１００の設計（設計１）を有する本技術の太陽熱ユニット対太陽熱ユニット１０００の逆流設計（設計２）を有する本技術の太陽熱ユニットについての効率判定の結果を提供する。図１４において、左側のグラフは４０ｃｆｍの流量での効率を示す。右側のグラフは、５０ｃｆｍの流量での効率を示す。各グラフのｘ軸は、周囲温度を超える温度数で表された、入口における温度である。
【０１１５】
以下の方程式を用いて効率を計算した。
効率＝（熱出力＋電力）／（日射×パネル面積）
ここでは、式（１）の分子を使用して熱出力を計算し、ＰＶパネルによって生成された電力は、次の式を使用して計算する。
電力＝ボルト×アンペア
さらに、日射は、試験中にパネル上に置かれた全天日射計から直接測定され、パネル面積は２．９２ｍ２に等しい。
【０１１６】
図１４および表２から見てとれるように、いずれかの流量での各設計の効率は、入口での温度が周囲温度に等しい（ｘ軸の０）場合に最も高い。同様に見てとれるように、逆流設計は、試験された温度範囲全体において両方の流量でより高い効率を提供した。
【０１１７】
【表２】
2019516062.tif 000016
【０１１８】
[用途]
本技術の太陽熱ユニットは、住宅用途、商業用途、および産業用途を含む多くの用途に使用されてもよい。例えば、本技術の太陽熱ユニットは、空気および／または水の住居用加熱に使用されてもよく、ならびに住宅用建物の屋根または住宅用建物の近くの地面に設置されてもよい。別の例として、本技術の太陽熱ユニットは、空気または他の任意の熱吸収流体の加熱が所望される任意の商業用途または工業用途に使用されてもよい。少なくとも１つの例では、本技術の太陽熱ユニットは、その全体が参照することにより本明細書に組み込まれる２０１５年４月１０日出願の米国仮特許出願第６２／１４５９９５号に記載されているシステムのような、空気から液体の水を生成するシステムの熱ユニットとして使用されてもよい。
【０１１９】
本技術の太陽熱ユニットが、空気から液体の水を生成するシステムの熱ユニットとして使用することができる一例を図１０に示す。図１０のシステム８００は、日内変動に応じて機能するように構成されてもよい。例えば、以下でより詳細に説明するように、システム８００は、１つまたは複数の日内変動（例えば、周囲空気温度の変動、周囲空気の相対湿度、日射など）に基づいて１つまたは複数の動作パラメータ（例えば、制御および／または制御量）を制御するように構成されてもよい。
【０１２０】
システム８００は、乾燥剤ユニット８０２を備えてもよい。乾燥剤ユニット８０２は、乾燥剤（例えば、収着媒体）８０４を備えてもよく、乾燥剤ユニット８０２（例えば、またはその一部）が、乾燥剤が処理空気通路（例えば、処理空気流路）８１０と流体連通している吸着ゾーン８０６と、乾燥剤が（例えば、閉回路）再生流体通路（例えば、再生流路）８１２と流体連通している脱着ゾーン８０８との間を選択的に（例えば、および／または交互に）移動可能であってもよい。いくつかの実施形態では、吸着ゾーンおよび脱着ゾーンは、乾燥剤ユニット８０２のハウジング（例えば、８１４）によって画定されてもよい。
【０１２１】
乾燥剤ユニット８０２は、乾燥剤ユニット８０２が実質的に同時または同時に水を吸収し、水を脱着するように構成されるように、連続的に、すなわち非バッチ式で動作してもよい。例えば、システム８００は、乾燥剤ユニット８０４の第１の部分が（例えば、第１の部分が処理空気通路８１０内の処理空気から水を捕捉できるように）吸着ゾーン８０６内に配置でき、同時に乾燥剤の第２の部分は（例えば、第２の部分が再生流体通路８１２内の再生流体に水を脱着させることができるように）脱着ゾーン内に配置できるように構成されてもよい。本システムのいくつかの実施形態で使用するのに適した再生流体としては、空気（例えば、任意の適切な量の水蒸気を含む）、超飽和または高相対湿度気体（例えば、９０〜１００％の相対湿度）、グリコール、イオン性液体などが挙げられるが、これらに限定されない。
【０１２２】
乾燥剤ユニット８０２は、処理空気通路８１０と再生流体通路８１２とを連続的に行き来するように構成された吸湿性材料（例えば、乾燥剤または収着媒体８０４）を備えてもよい。いくつかの実施形態において、乾燥剤または収着媒体は、（例えば、乾燥剤を再生するために）水を低相対湿度空気へと迅速に脱着させることができてもよい。したがって、いくつかの実施形態では、乾燥剤または収着媒体の性能は、吸収状態および脱着状態を迅速に循環できることによりもたらされ得る。
【０１２３】
乾燥剤８０４は、（例えば、乾燥剤または収着媒体が水の吸着および脱着ができるように）任意の適切な構成の任意の適切な媒体を含んでもよい。いくつかの実施形態では、乾燥剤または収着媒体は、第１の温度および／または圧力での収着ならびに第２の温度および／または圧力での脱着が可能であってもよい。適切な乾燥剤または収着媒体は、液体、固体、および／またはそれらの組み合わせを含んでもよい。いくつかの実施形態では、乾燥剤または収着媒体は、吸湿性材料を含浸させた任意の適切な多孔質固体を含んでもよい。例えば、乾燥剤ユニット８０４は、シリカ、シリカゲル、アルミナ、アルミナゲル、モンモリロナイト粘土、ゼオライト、モレキュラーシーブ、活性炭、金属酸化物、リチウム塩、カルシウム塩、カリウム塩、ナトリウム塩、マグネシウム塩、リン酸塩、有機塩、金属塩、グリセリン、グリコール、親水性ポリマー、ポリオール、ポリプロピレン繊維、セルロース繊維、それらの誘導体、およびそれらの組み合わせを含んでもよい。いくつかの実施形態では、乾燥剤または収着媒体は、特定の分子（例えば、ヒトが消費すると毒性であり得る分子）の収着を回避するように選択および／または構成されてもよい。
【０１２４】
いくつかの実施形態では、乾燥剤粒子を浅い台に詰め、吸着ゾーン８０６および脱着ゾーン８０８内の空気または流体との相互作用のための表面積を最大化することができる。いくつかの実施形態では、乾燥剤粒子は結合剤により凝集させてもよい。いくつかの実施形態では、（例えば、熱放射の吸収を改善するために）乾燥剤粒子を黒色に染めてもよい。いくつかの実施形態では、乾燥剤粒子は、熱放射吸収材料と混合および／または組み合わせてもよい。
【０１２５】
システム８００は、１つもしくは複数の送風器８１６および／または１つもしくは複数のサーキュレータ８１８を備えてもよい。例えば、本実施形態では、送風器８１６は、処理空気通路８１０に配置され、処理空気通路を通る空気の流量を調節するように構成される。本実施形態では、サーキュレータ８１８は、再生流体通路８１２に配置され、再生流体通路を通る流体の流量を調整するように構成される。いくつかの実施形態では、送風器８１６および／またはサーキュレータ８１８は、コントローラ８２０によって制御されてもよい（例えば、送風器８１６および／またはサーキュレータ８１８の速度を制御して液体の水の生成を最適化する）。いくつかの実施形態では、送風器８１６および／またはサーキュレータ８１８は、処理空気通路８１０および／または再生流体通路８１２をそれぞれ通って所定の流量を実質的に維持するように構成されてもよい。
【０１２６】
システム８００は、（例えば、乾燥剤ユニット８０４が再生され得るように）再生流体通路８１２内の流体に熱エネルギーを供給するように構成された熱ユニット８２２を備えてもよい。熱ユニット８２２は、本技術の太陽熱ユニットであってもよく、出口１２２、５２２（図１および図５に示す）からの熱吸収流体１１６、５１６（図３および図５に示す）は、再生流体通路８１２に沿って熱ユニット８２２から乾燥剤ユニット８０４まで移動する。
【０１２７】
システム８００は、再生流体通路を介して脱着ゾーンから流体を受け取り、（例えば、再生流体通路内の流体中の水蒸気を凝縮させることによって）受け取った流体から液体の水を生成するように構成された凝縮器８２４を備えてもよい。凝縮器８２４は、任意の適切な材料を含み、任意の適切な構成（例えば、再生流体中の水蒸気を液体の水へと凝縮させる）であってよい。例えば、適切な凝縮器は、ポリマー、金属などを含んでいてもよい。凝縮器は、コイル、フィン、板、曲がりくねった通路などを備えるように構成されてもよい。凝縮器８０は、（例えば、処理空気通路８１０内の空気が凝縮器８２４の冷却を促進し得るように）乾燥剤ユニット８０４の下流の再生流体通路８１２内の流体から、乾燥剤ユニット８０４の上流の処理空気通路８１０内の空気へと熱エネルギーを伝達するように構成されてもよい。いくつかの実施形態では、凝縮器８２４は周囲空気によって冷却してもよい。
【０１２８】
システム８００は、凝縮器８２４によって生成された液体の水を受け取るように構成された集水ユニット８２６を備えてもよい。凝縮器によって生成された液体の水は、重力によって集水ユニット８２６に提供されてもよい。しかしながら、他の実施形態では、凝縮器から集水ユニットへの液体の水の流れは（例えば、１つもしくは複数のポンプ、任意の他の適切な送達機構などによって）補助されてもよい。
【０１２９】
システム８００は、（例えば、凝縮器８２４によって生成された液体の水に存在し得る砂、細菌、繊維質、炭素質種などの不純物の量を低減するために）凝縮器８２４と集水ユニット８２６との間に配置され得るフィルタ８２８（例えば、濾過膜）を備えてもよい。
【０１３０】
集水ユニット８２６（例えば、またはそのフィルタ８２８）は、（例えば、凝縮器８２６によって生成された水を消毒するための）紫外（ＵＶ）光源を備えてもよい。いくつかの実施形態では、適切な光源は、例えば、４００ナノメートル（ｎｍ）未満の波長（例えば、３８５ｎｍ、３６５ｎｍなど）、３００ｎｍ未満の波長（例えば、２６５ｎｍ）などを有する発光ダイオード（ＬＥＤ）を備えてもよい。
【０１３１】
集水ユニット８２６は、１つまたは複数の水位センサ（例えば、図１１の９０２）を備えてもよい。このような水位センサは、０．１ミリジーメンス／ｃｍの範囲の水の導電率測定を介して動作し得る導電性センサ（例えば、開および／または閉回路抵抗型導電率センサ）を備えてもよい。
【０１３２】
集水ユニット８２６は、生成された液体の水に導入するための１種または複数種の添加剤を受容するように構成された容器８３０を備えてもよい。このような添加剤は、集水ユニットに貯蔵された液体の水にゆっくりと溶解するように構成されてもよい。添加剤としては、鉱物、塩、他の化合物などを挙げることができるが、これらに限定されない。いくつかの実施形態では、添加剤は、生成された液体の水に風味を付与してもよい。例えば、添加剤としては、カリウム塩、マグネシウム塩、カルシウム塩、フッ化物塩、炭酸塩、鉄塩、塩化物塩、シリカ、石灰岩、および／またはそれらの組み合わせを挙げることができる。
【０１３３】
システム８００は、インジケータ（例えば、ＬＥＤなどのライト）を備えてもよく、インジケータはシステム動作に関する情報を提供するように構成されてもよい。例えば、いくつかの実施形態では、インジケータライトは、システムが動作していること、（例えば、電源ユニット９０４からの）太陽エネルギーが利用可能であること、（例えば、処理空気通路８１０内の）エアーフィルタの交換が必要であり得ること、集水ユニット（例えば８２６）がいっぱいであること（例えば、いくつかの実施形態では、集水ユニットが２０Ｌの液体の水を含むこと）、アクチュエータ（例えば、アクチュエータ９０６、送風器８１６、サーキュレータ８１８など）が故障したか、および／または故障していること、（例えば、トランシーバ９０８の動作によって示される）テレマティックスエラーが発生したか、および／または発生していることなどの情報を（例えばユーザなどに視覚的に）提供するように構成されてもよい。後述のように、任意の適切な情報（インジケータに関して上述した情報を含む）は、（例えば、単独で、および／または任意のインジケータの動作に加えて）通信ネットワークを介して送信されてもよい。
【０１３４】
コントローラ（例えば、プロセッサ）８２０は、（例えば、最終的に凝縮器８２４によって生成される液体の水を増加および／または最適化するために）処理空気通路８１０内の空気および再生流体通路８１２内の再生流体への乾燥剤ユニット８０４（またはその一部）の曝露を制御してもよく、このような制御は、（例えば、日内変動に応じて）概日周期にわたって変化してもよい。環境条件（例えば、コントローラ８２０への入力）におけるそのような変化としては、例えば、周囲空気温度、周囲空気の相対湿度、および日射を挙げることができる。コントローラ８２０への他の入力としては、例えば、熱ユニット８２２によって生成される熱エネルギーの量、処理空気通路８１０内の空気の相対湿度、再生流体通路８１２内の流体の相対湿度、乾燥剤ユニット８０４と熱ユニット８２２との間の再生流体通路内の流体の温度、水生成速度などを挙げることができる。パージ空気流通路を含む実施形態では、コントローラ８２０への入力としては、パージ空気流通路内の空気の流量、温度、相対湿度などを挙げることができる。コントローラ８２０は、吸着ゾーンと脱着ゾーンとの間の乾燥剤ユニット８０４の移動速度を制御し、送風器８１６および／またはサーキュレータ８１８などの速度を制御することによって、そのような入力のうちの１つまたは複数の測定に基づいて、（例えば、コントローラ８２０が現在の環境条件およびシステム条件に基づいて液体の水の生成を最適化できるように）液体の水の生成を最適化するように構成されてもよい。以下でより詳細に説明するように、コントローラ８２０への入力は、１つまたは複数のセンサによって取り込まれたデータで表されているので、測定であってもよい。
【０１３５】
図１１は、空気から液体の水を生成するシステムの実施形態９００の図である。システム９００は、システム８００と実質的に類似していてもよいが、後述の主要な相違点および／または追加点を有する。さもなければ、システム９００は、システム８００に関して述べた任意のおよび／またはすべての特徴を含んでいてもよい。
【０１３６】
システム９００では、システム８００と同様に、乾燥剤８０４（またはその第１の部分）は、処理空気通路８１０内の処理空気と流体連通していてもよいが、乾燥剤８０４（またはその第２の部分）は、同時に再生流体通路８１２内の再生流体と流体連通しており、したがって、乾燥剤ユニット８０２は、連続的かつ非バッチ式で動作する。本実施形態では、乾燥剤８０４のセクションは、処理空気通路８１０内の空気および再生流体通路８１２内の流体に交互に曝露されてもよい。
【０１３７】
システム９００は、（例えば、乾燥剤８０４がその上に配置された）回転可能なディスク９１０を備えてもよい。乾燥剤８０４（またはそのセクション）は、ディスク９１０が回転するときに、吸着ゾーンと脱着ゾーンとの間を移動するように構成されてもよい。例えば、図示されたディスク９１０の向きでは、乾燥剤の一部９１２は処理空気通路８１０と連通しており、ディスクの一部９１４は再生流体通路８１２と連通している。システム９００は、ディスク９１０の回転を引き起こすように構成されたアクチュエータ（例えば電気モータ）９０６を備えてもよい。コントローラ８２０は、少なくとも吸着ゾーンと脱着ゾーンとの間の乾燥剤８０４（例えば、ディスク９１０）の移動を（例えばアクチュエータ９０６の制御を通して）制御することによって、液体の水の生成を最適化するように構成されてもよい。他の実施形態では、アクチュエータ９０６は、ディスク９１０を所定の回転速度で回転させることができる。
【０１３８】
システム９００は、システム９００の少なくとも一部（例えば、送風器４２、サーキュレータ４６、アクチュエータ１１４など）に電力を供給するように構成された太陽光発電ユニット９０４を備えてもよい。太陽光発電ユニット９０４は、日射を電力に変換するように構成されてもよい（例えば、太陽光発電ユニット９０４はソーラーパネルを備える）。例えば、太陽光発電ユニット９０４は、光起電力効果を呈する半導体材料を含む光起電力（ＰＶ）ソーラーパネルとして提供されてもよい。これらおよび類似の実施形態では、コントローラ８２０は、日射の日内変動（例えば、太陽光発電ユニット９０４によって生成される電力の量）に応じてシステム９００を制御するように構成されてもよい。いくつかの実施形態では、太陽光発電ユニット９０４はＰＶパネル１９０（図１〜図２に示す）であってもよい。
【０１３９】
空気から液体の水を生成するシステムは、事実上モジュール式であってもよい。例えば、システムは、各構成部品（例えば、太陽光発電ユニット９０４、熱ユニット８２２、乾燥剤ユニット８０２、凝縮器８２４、集水ユニット８２６など）を互いから分離し、輸送し、組み立て、および／または（例えば、同じまたは異なる構成で）互いに再度組み立てることなどができるように構成されてもよい。例えば、いくつかの実施形態では、システムは、任意の単一の構成部品（例えば、集水ユニット８２６、乾燥剤ユニット８０２、太陽光発電ユニット９０４、熱ユニット８２２、凝縮器８２４など）のどの寸法も、（例えば、Ｔｏｙｏｔａ  Ｈｉｌｕｘピックアップトラックの荷台のような、単一のキャブトラックの荷台におけるシステムまたはその構成部品の輸送を容易にするために）６〜８フィートよりも大きくならないように構成されてもよい（例えば、各構成部品は、６４平方フィート（ｆｔ２）以下の設置面積を有し、および／または各構成部品は、５１２立方フィート（ｆｔ３）以下の体積内に含むことができる）。
【０１４０】
コントローラ８２０は、（例えば、液体の水の生成を最適化するために（このような制御は、例えば、周囲温度、周囲空気の相対湿度、日射などの日内変動に応じていてもよい））送風器８２６、サーキュレータ８２８、アクチュエータ９０６などのうちの１つまたは複数を制御するように構成されてもよい。例えば、コントローラ８２０は、例えば、日内変動を考慮に入れて、送風器８２６、サーキュレータ８２８、アクチュエータ９０６などを制御することによって、液体の水の生成速度を増大させるように構成されてもよい。このような変動により、熱ユニット８２２によって生成される熱エネルギーの量、太陽光発電ユニット９０４によって供給される電力のレベル、システムに入る処理空気中の湿度レベルなどが変わり得る。いくつかの実施形態では、周囲条件は、リアルタイムで測定されてもよく、または例えば、過去の平均などに基づいて予測され得る。コントローラ８２０がリアルタイム測定値を受信する実施形態では、さまざまなセンサ（以下により詳細に説明する）は、（例えば、コントローラ８２０によって要求されたときなどに、連続的に、周期的に）コントローラ８２０に周囲条件を示すデータを提供してもよい。
【０１４１】
コントローラ８２０は、ユーザ選択、１つまたは複数のセンサから受信したデータ、プログラム制御、および／または任意の他の適切なベースのうちの１つまたは複数に基づいてシステムを動作させてもよい。例えば、コントローラ８２０は、データ情報を感知するための周辺デバイス（センサを含む）、データ情報を格納するためのデータ収集コンポーネント、および／またはシステムの動作に関するデータ情報を通信するための通信コンポーネントと関連付けられ得る。
【０１４２】
システム９００は、センサ９０２および９１６〜９２２（例えば、温度センサ９１６、湿度センサ９１８、日射センサ９２０、流量センサ９２２、水位センサ９０２など）のような１つまたは複数の周辺デバイスを備えてもよい。いくつかの実施形態では、１つまたは複数のセンサは、周囲空気の温度、周囲空気の相対湿度、日射、処理空気温度、再生流体温度、処理空気の相対湿度、再生流体の相対湿度、処理空気の流量、再生流体の流量、液体の水の生成速度、水の使用率などを示すデータを提供してもよい。
【０１４３】
１つまたは複数のセンサ９０２および９１６〜９２２は、システムの他の構成部品から遠隔で配置されてもよく、有線および／または無線接続を介してシステムの他の構成部品に取り込まれたデータを提供してもよい。例えば、町、村、市などは、複数の本システムを備えてもよく、複数の本システムのうちの１つは、周囲環境条件（例えば、気温、空気の相対湿度、日射レベルなど）を示すデータを、複数の本システムのうちの別の１つに提供してもよい。このようにして、いくつかの実施形態では、単一のセンサを複数のシステムによって共有してもよい。いくつかの実施形態では、１つまたは複数の周辺デバイス（例えば、１つまたは複数のセンサ９０２または９１６〜９２２）によってコントローラ（例えば８２０）に通信されるデータをデータロギングユニットに格納してもよい。
【０１４４】
システム９００は、テレマティックスユニット（例えば、トランスミッタ、レシーバ、トランスポンダ、トランスバータ、リピータ、時として「トランシーバ９０８」と本明細書では呼ばれるトランシーバなど）を備えてもよい。例えば、トランシーバ９０８は、（例えば、ＧＳＭ（登録商標）、比較的低速で動作する（例えば、数分毎に動作する）ＳＭＳコンポーネント、地理的に特定され得るプロトコルなどの標準化された通信プロトコルに準拠することができる）有線および／もしくは無線インタフェースを介して、システム（例えば、コントローラ８２０）に、ならびに／またはシステムからデータを通信するように構成されてもよい。
【０１４５】
トランシーバ９０８は、サーバと、サーバとトランシーバ（したがって、システムおよび／またはそのコントローラ８２０）との間で情報を通信するための通信ネットワークとに関連付けられてもよい。双方向通信は、システムのセルラー範囲内の移動通信用鉄塔によって促進され得る。いくつかの実施形態では、データベース（例えば、システムから離れていてもよい）は、通信ネットワークを介してサーバから受信した情報を格納するように構成されてもよい。
【０１４６】
テレマティックス機能を有する実施形態では、ネットワーク管理者またはデバイス所有者は、ルックアップテーブルデータ（後述）および／または制御アルゴリズムを更新または削除するために、コマンドをコントローラ８２０に送信してもよい。このようにして、例えば、システムが盗難された場合や他の方法で紛失された場合に、データセキュリティを維持することができる。
【０１４７】
コントローラ８２０は、少なくとも、周囲条件のリアルタイムおよび／または予測変動に基づいてシステム９００の動作を変化させるように構成されてもよい。例えば、コントローラ８２０は、周囲条件の変化に応じて（例えば、ディスク９１０上に配置された乾燥剤８０４の一部が処理空気通路８１０内の処理空気または再生流体通路８１２内の再生流体に曝露される時間が増減され得るように、ディスク９１０の回転速度を変更することによって）処理空気および再生流体への乾燥剤８０４（例えば、またはそのセクション）の曝露を制御することができる。いくつかの実施形態では、コントローラ８２０は、（例えば、日内変動に応じて）吸着ゾーンまたは脱着ゾーンの大きさを変えるように構成されてもよい。
【０１４８】
前述から、特定の実施形態は例示のために本明細書に記述されたが、本開示の範囲から逸脱することなくさまざまな修正を行ってもよいことが認識されるであろう。したがって、前述の発明を実施するための形態は、限定よりもむしろ例示としてみなされることが意図され、特許請求される主題を具体的に指摘し、明確に特許請求することが意図されるのは、すべての均等物を含む以下の請求項であることが理解される。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【国際調査報告】
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