СОЛНЕЧНЫЙ КОЛЛЕКТОР ТРАНСПИРАЦИОННОГО ТИПА
TRANSPIRATION TYPE SOLAR COLLECTOR

Настоящее изобретение относится к солнечному коллектору транспирационного типа.
С усовершенствованием строительных конструкций, которое сводится к улучшению воздухонепроницаемости зданий, становится все более важным предусмотреть системы вентиляции для постоянного поступления свежего воздуха в здание. Если поступающий свежий воздух холоднее, чем выпускаемый теплый воздух, температура внутри здания может снизиться. Это означает, что может потребоваться отопление здания.
В патенте США 4899728 описана система, в которой предварительный нагрев вентиляционного воздуха для здания обеспечивают путем установки на обращенной к югу стене панели с поглощающим солнечное излучение коллектором, имеющей множество отверстий для впуска воздуха, которые сообщаются с каналами для забора воздуха, расположенными за панелью. Наружный воздух, проходя вверх по панели, нагревается теплом от панели, причем сама панель нагревается благодаря комбинированному воздействию солнечного излучения и тепла, проходящего изнутри здания. Наружный воздух, проходящий короткое расстояние вдоль панели до ближайшего отверстия для впуска воздуха, выходит через него в канал для забора воздуха и вытесняется во внутреннее пространство здания. Тип солнечного коллектора, описанного в патенте США 4899728, известен как солнечный коллектор транспирационного типа.
Солнечные коллекторы транспирационного типа могут быть использованы для предварительного нагрева воздуха, поступающего в здание, что позволяет уменьшить потребность в нагреве с помощью стандартных систем отопления. Кроме того, солнечные коллекторы транспирационного типа могут быть использованы для предварительного нагрева воздуха, применяемого для решения и других задач.
Тепло, обеспечиваемое солнечным коллектором транспирационного типа, получают из свободно доступной солнечной энергии (источника возобновляемой энергии). Единственным внешним источником питания, необходимым солнечному коллектору транспирационного типа, является источник питания, необходимый для приведения в действие системы циркуляции воздуха (например, вентилятора). С другой стороны, стандартным системам отопления для осуществления обогрева необходим существенный объем внешней энергии. Внешняя энергия (для системы циркуляции воздуха или стандартной системы отопления) может быть получена из ископаемых энергоносителей (таких как уголь или газ), ядерных источников или возобновляемых источников. Таким образом, использование солнечного коллектора транспирационного типа может позволить снизить объем необходимой внешней энергии, что обеспечит сокращение затрат.Кроме того, если внешнюю энергию получают из ископаемых энергоносителей или ядерные источников, это обеспечивает значительные экологические выгоды и снижает использования истощаемых ресурсов.
Однако эффективность систем солнечных коллекторов транспирационного типа ограничена потерями тепла на излучение от материала солнечного коллектора транспирационного типа в атмосферу. Такие потери тепла на излучение имеют обусловлены более низкой температурой окружающей среды по сравнению с солнечным коллектором транспирационного типа, при этом такие потери тепла значительно возрастают по мере увеличения температуры солнечного коллектора транспирационного типа. Потери тепла на излучение также ограничивают повышение температуры материала солнечного коллектора транспирационного типа и нагреваемого им наружного воздуха. Это ограничивает области применения, в которых может быть использована подача нагретого воздуха.
Кроме того, солнечные коллекторы транспирационного типа обычно выполняют из мягкой стали или алюминия и обычно покрывают слоем краски, как правило темного цвета, для увеличения доли поглощенного солнечного излучения. Со временем под действием ультрафиолетового света происходит выцветание и разрушение этих покрытий, что ограничивает ожидаемый срок службы солнечных коллекторов транспирационного типа.
Согласно первому аспекту настоящего изобретения, предложен солнечный коллектор транспирационного типа, содержащий: поглощающую панель, содержащую основу, выполненную из нержавеющей стали; поверхностный слой из оксида хрома на передней поверхности основы; и множество сквозных отверстий, образованных в основе и поверхностном слое, при этом поверхностный слой имеет толщину по меньшей мере 70 нанометров.
Наращенный слой оксида хрома обеспечивает высокий коэффициент поглощения солнечного излучения и низкий коэффициент излучения поглощающей панели солнечного коллектора транспирационного типа (т.е. образует избирательный поглотитель). Таким образом, солнечный коллектор транспирационного типа является более эффективным по сравнению с другими солнечными коллекторами транспирационного типа, поскольку он преобразует большую долю солнечного излучения, падающего на определенную площадь поглощающей панели, в полезную тепловую энергию. Кроме того, поглощающая панель обладает высокой стойкостью к коррозии, за счет чего коллектор имеет длительный срок службы. Кроме того, поскольку в отличие от лакокрасочного покрытия оксид хрома является неотъемлемой частью химической структуры поглощающей панели и устойчив к воздействию ультрафиолетового света, он не подвержен выцветанию или отслаиванию.
Кроме того, солнечный коллектор транспирационного типа выполнен с возможностью нагревания проходящего через него воздуха до более высоких температур, так что предварительно нагретый воздух может быть использован не только для вентиляции зданий, но и для решения других задач.
Поверхностный слой может иметь толщину от 70 нанометров до 400 нанометров. Поверхностный слой может предпочтительно иметь толщину от 100 нанометров до 280 нанометров.
Толщина поверхностного слоя может определять внешний вид солнечного коллектора транспирационного типа. Толщина поверхностного слоя может определять цвет солнечного коллектора транспирационного типа.
Использование толщины для управления внешним видом и/или цветом позволяет обеспечить эстетически привлекательный внешний вид и высокую эффективность поглощающей панели. Цвет также устойчив к воздействию ультрафиолетового света, за счет чего цвет также имеет продолжительный срок эксплуатации.
Поглощающая панель может иметь коэффициент излучения не более 0,30. Поглощающая панель может иметь коэффициент излучения от 0,1 до 0,30. Поглощающая панель может иметь коэффициент излучения от 0,1 до 0,26.
Поглощающая панель может иметь коэффициент поглощения солнечного излучения по меньшей мере 0,50. Поглощающая панель может иметь коэффициент поглощения солнечного излучения от 0,50 до 0,90.
Поверхностный слой может образовывать наружную поверхность солнечного коллектора транспирационного типа.
Солнечный коллектор транспирационного типа может дополнительно содержать: заднюю панель, расположенную на расстоянии от поглощающей панели с образованием полости между поглощающей панелью и задней панелью, при этом поверхностный слой находится за пределами указанной полости.
Задняя панель может быть образована стеной или крышей здания.
Поверхностный слой может представлять собой химически или электрохимически наращенный слой оксида хрома.
Согласно второму аспекту настоящего изобретения, предложен солнечный коллектор транспирационного типа из нержавеющей стали, имеющий химически или электрохимически наращенный поверхностный слой оксида хрома.
Второй аспект может включать любой один или более дополнительных признаков первого аспекта.
В третьем аспекте настоящего изобретения предложено здание, содержащее солнечный коллектор транспирационного типа согласно первому или второму аспекту, установленный на стену или крышу здания, в результате чего поверхностный слой образует наружную поверхность здания.
Согласно четвертому аспекту настоящего изобретения, предложен способ изготовления солнечного коллектора транспирационного типа, включающий: обеспечение наличия пластины из нержавеющей стали, имеющей на первой поверхности первоначальный слой оксида хрома (обычно характерный естественный слой оксида хрома); осуществление химического или электрохимического наращивания первоначального слоя оксида хрома на первой поверхности с образованием наращенного слоя оксида хрома; формирование множества сквозных отверстий в пластине из нержавеющей стали; и формирование пластины из нержавеющей стали в виде поглощающей панели солнечного коллектора транспирационного типа, при этом наращенный слой оксида хрома образует наружную поверхность солнечного коллектора транспирационного типа, а этап химического или электрохимического наращивания первоначального оксида хрома осуществляют до или после этапа образования указанного множества сквозных отверстий.
Этап химического или электрохимического наращивания первоначального слоя оксида хрома на первой поверхности с образованием наращенного слоя оксида хрома может включать: химическое или электрохимическое наращивание слоя оксида хрома на первой поверхности с образованием наращенного слоя оксида хрома, имеющего толщину по меньшей мере 70 нанометров.
Этап химического или электрохимического наращивания первоначального слоя оксида хрома на первой поверхности с образованием наращенного слоя оксида хрома может включать: химическое или электрохимическое наращивание слоя оксида хрома на первой поверхности с образованием наращенного слоя оксида хрома, имеющего толщину от 70 нанометров до 400 нанометров.
Предпочтительно этап химического или электрохимического наращивания первоначального слоя оксида хрома на первой поверхности с образованием наращенного слоя оксида хрома может включать: химическое или электрохимическое наращивание слоя оксида хрома на первой поверхности с образованием наращенного слоя оксида хрома, имеющего толщину от 100 нанометров до 280 нанометров.
Кроме того, способ может включать: формирование солнечного коллектора транспирационного типа путем установки поглощающей панели на крышу или стену здания, при этом поглощающая панель расположена на расстоянии от крыши или стены с образованием полости между поглощающей панелью и крышей или стеной, а поверхностный слой образует наружную поверхность здания.
В качестве альтернативы способ может дополнительно включать: формирование солнечного коллектора транспирационного типа путем обеспечения наличия задней панели, расположенной на расстоянии от поглощающей панели с образованием полости, при этом поверхностный слой находится за пределами указанной полости.
Ниже в качестве примера описаны варианты осуществления настоящего изобретения со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
На фиг. 1 показан вид в разрезе варианта осуществления солнечного коллектора транспирационного типа, образованного на наружной стороне здания в качестве части системы вентиляции здания;
На фиг. 2 показан вид в разрезе варианта осуществления поглощающей панели согласно настоящему изобретению;
На фиг. 3 показан пример способа изготовления солнечного коллектора транспирационного типа;
На фиг. 4 показан вариант осуществления передней части поглощающей панели согласно настоящему изобретению; и
На фиг. 5 показан пример улучшения, которое может быть обеспечено в случае использования солнечных коллекторов транспирационного типа с химически или электрохимически наращенными слоями оксида хрома.
На фиг.1 показан пример солнечного коллектора транспирационного типа 100. Солнечный коллектор 100 транспирационного типа расположен на наружной стороне 102 здания и содержит поглощающую панель 108 (панель с поглощающим коллектором), установленную на стене 106 здания с помощью скоб (не показаны). В поглощающей панели 108 сформировано множество сквозных отверстий 110 (перфорационных отверстий).
Поглощающая панель 108 находится на расстоянии от стены 106 с образованием полости 112 между поглощающей панелью 108 и стеной 106. Полость 112 соединена с воздуховодом 114 системы вентиляции, выполненным с возможностью подачи свежего воздуха во внутреннее пространство 104 здания.
При эксплуатации поглощающая панель 108 поглощает солнечное излучение, что обеспечивает нагрев материала поглощающей панели 108. Граничный слой, прилегающий к наружной (передней) поверхности 122 поглощающей панели 108, нагревается поглощающей пластиной 108 и втягивается через сквозные отверстия 110 в полость 11 и затем втягивается из полости 112 в выпускной воздуховод 114 с помощью воздушного вентилятора 116. Протекание воздуха через поглощающую панель 108 и систему вентиляции показано стрелками на фиг. 1.
2
3
На фиг. 2 показан вид в разрезе поглощающей панели 108 согласно вариантам осуществления настоящего изобретения. Поглощающая панель 108 выполнена из нержавеющей стали. Как известно, нержавеющая сталь представляет собой легированную сталь, содержащую хром. Нержавеющая сталь имеет оксидированную поверхность из оксида хрома (например, CrO). В обычных условиях оксидированная поверхность имеет толщину от 1 до 8 нанометров, обычно не более 10 нанометров.
Поглощающая панель 108, показанная на фиг. 2, имеет химически или электрохимически наращенный слой оксида хрома. В одном примере поглощающую панель из нержавеющей стали погружали в горячий раствор, содержащий хромовую кислоту и серную кислоту. На обеих сторонах панели 108 образован наращенный слой оксида хрома. Этот процесс был впервые описан в патенте США 4071416, хотя он и не был использован для материалов солнечных коллекторов транспирационного типа.
Можно считать, что поглощающая панель образована из основы 118 из нержавеющей стали и выполненного за одно целое поверхностного слоя 120 из оксида хрома на передней поверхности 122 панели и на задней поверхности 124 поглощающей панели 108.
Поверхностный слой 120 из слоя оксида хрома должен иметь толщину 126, превышающую 70 нанометров. Кроме того, толщина 126 должна быть меньше 400 нанометров. В одном примере толщина составляет от 100 нанометров до 280 нанометров. Общая толщина 128 поглощающей панели составляет от 0,5 мм до 2 мм.
Для длин волн света, включающего солнечное излучение, нержавеющая сталь с наращенным поверхностным слоем оксида хрома имеет высокий коэффициент поглощения солнечного излучения и низкий коэффициент излучения, что делает ее избирательным материалом.
Для длин волн света, включающего солнечное излучение, нержавеющая сталь с наращенным поверхностным слоем оксида хрома обладает высоким коэффициентом поглощения солнечного излучения (при длине волны от 0 нм до 3000 нм) и низким коэффициентом излучения на длинных волнах (>3000 нм), что делает ее избирательным материалом.
Для нержавеющей стали с поверхностным слоем толщиной от 70 нм до 400 нм коэффициент поглощения солнечного излучения поглощающей панели 108 составляет от 0,50 до 0,90, а коэффициент излучения составляет от 0,10 до 0,30. Коэффициент поглощения солнечного излучения и коэффициент излучения зависят от толщины поверхностного слоя 120.
Толщина 126 поверхностного слоя также влияет на цвет поглощающей панели 108, так что цвет может быть выбран путем подбора толщины с обеспечением эстетического эффекта. Например, слой толщиной 70 нанометров обеспечивает бронзовый цвет, а слой толщиной 130 нанометров обеспечивает синий цвет. На поверхность также может быть нанесен рисунок. Например, рисунок может быть нанесен на поверхность путем шлифования и/или холодной прокатки.
Цвет обусловлен структурой поверхностного слоя 120 и, таким образом, не подвержен выцветанию и т.п. Поверхностный слой 120 также устойчив к коррозии. Эти факторы указывают на то, что поглощающая панель 108 может иметь срок службы до 100 лет и что дополнительное наружное защитное покрытие не требуется; поверхностный слой 120 может образовывать наружный слой, сообщающийся с атмосферой.
На фиг. 3 показан пример варианта осуществления способа 200 изготовления солнечного коллектора 100 транспирационного типа.
На первом этапе 202 обеспечивают наличие листа нержавеющей стали с характерным первоначальным слоем оксида хрома на его поверхности. Затем химическим или электрохимическим способом на листе наращивают 204 слой 122 оксида хрома. Затем образуют 206 сквозные отверстия 110 и, наконец, 208, лист используют в качестве поглощающей панели 108 в солнечном коллекторе 100 транспирационного типа.
Отверстия могут быть образованы 206 до или после наращивания 204 слоя оксида хрома. Кроме того, следует иметь в виду, что лист может быть разрезан до требуемого размера на любом этапе способа 200.
На фиг. 5 показан пример улучшения, которое может быть обеспечено в случае использования солнечных коллекторов 100 транспирационного типа с химически или электрохимически наращенными слоями оксида хрома.
На фиг. 5(a)-5(d) показано повышение температуры воздуха, достигнутое с помощью стандартного солнечного коллектора транспирационного типа с черным поверхностным покрытием 302 по сравнению с солнечными коллекторами 100 транспирационного типа с химически или электрохимически наращенными слоями оксида хрома. Повышение температуры воздуха показано для солнечного коллектора транспирационного типа с черной отделкой 304 и синей отделкой 306.
Повышение температуры воздуха показано в виде функции от солнечного излучения, падающего на определенную площадь солнечного коллектора 100 транспирационного типа. Например, в сумерках или на рассвете солнечное излучение составляет приблизительно 200 Вт на квадратный метр, когда солнце находится в среднем положении, солнечное излучение составляет приблизительно 600 Вт на квадратный метр, когда солнце находится в зените, солнечное излучение составляет приблизительно 1000 Вт на квадратный метр и в темноте солнечное излучение составляет 0 Вт на квадратный метр. В случае применения солнечных коллекторов солнечное излучение, воспринимаемое поглощающей панелью 108, может составлять до 1200 Вт на квадратный метр и, возможно, выше, при концентрировании падающего солнечного излучения на отражающих поверхностях, прилегающих к поглощающей панели 108.
Во всех случаях солнечный коллектор транспирационного типа имеет площадь 300 квадратных метров. На фиг. 5(a) показано повышение температуры воздуха при расходе воздуха 5,25 килограмм в секунду (более низкий расход воздуха используют для достижения более высоких температур воздуха), температуре окружающего воздуха 0°С и температуре наружного воздуха -10°С. На фиг. 5(b) показано повышение температуры воздуха при расходе воздуха 5,25 килограмм в секунду, температуре окружающего воздуха 25°С и температуре наружного воздуха 15°С. На фиг. 5(c) показано повышение температуры воздуха при расходе воздуха 14 килограмм в секунду (более низкий расход воздуха используют для достижения более высоких температур воздуха), температуре окружающего воздуха 0°С и температуре наружного воздуха -10°С. На фиг. 5(d) показано повышение температуры воздуха при расходе воздуха 14 килограмм в секунду, температуре окружающего воздуха 25°С и температуре наружного воздуха 15°С.
Из фиг. 5(a)-5(d) видно, что в диапазоне рабочих условий солнечный коллектор 100 транспирационного типа с химически или электрохимически наращенным слоем способен нагревать воздух до более высокой температуры, т.е. он работает более эффективно.
На фиг. 4 показан пример передней поверхности 122 секции поглощающей панели 108. В показанном примере сквозные отверстия 110 выполнены круглыми и образуют правильный узор в форме сетки. Однако следует понимать, что сквозные отверстия могут иметь любую форму и расположение. Кроме того, следует понимать, что сквозное отверстие может представлять собой любое отверстие, проходящее через поглощающую панель 108 между задней поверхностью 124 и передней поверхностью 122. В некоторых примерах отверстия могут быть просверленными отверстиями, пробитыми отверстиями, пробитыми и прикатанными прорезями или любыми другими подходящими отверстиями.
Отверстия также могут быть любого размера и количество отверстий может быть любым. Например, каждое отверстие может иметь площадь от 0,15 до 15 квадратных миллиметров и находиться на расстоянии от 5 миллиметров до 30 миллиметров. Отверстия могут быть расположены в форме квадратной сетки, треугольной сетки или могут иметь любое подходящее расположение.
В примере, показанном на чертежах, полость 112 образована между задней поверхностью 124 поглощающей панели 108 и стеной 106 здания. Однако следует иметь в виду, что полость 112 может быть образована отдельно от стены 106 посредством задней панели (не показана). Затем весь солнечный коллектор 100 транспирационного типа устанавливают снаружи здания.
Следует иметь в виду, что независимо от того, образована ли полость стеной 106 или задней панелью, края между стеной 106/задней панелью могут быть герметизированы, хотя это не обязательно.
При использовании с системой вентиляции здания солнечный коллектор 100 транспирационного типа может быть установлен на любую подходящую поверхность здания. Например, солнечный коллектор транспирационного типа может быть установлен на стену 106 или крышу, а стена 106 или крыша могут быть обращены в любом направлении. В одном примере солнечный коллектор 100 транспирационного типа может быть обращен к югу, чтобы на его поверхность поступало максимальное количество солнечного излучения.
При использовании на поверхности здания имеющая низкий коэффициент излучения поверхность 120 поглощающей панели 108 может обеспечивать предотвращение утечки тепла из здания, таким образом, выступая в роли дополнительной теплоизоляции в зимний период. Поглощающая панель 108 также может обеспечивать дополнительное затенение в летнее время, уменьшая потребность в охлаждении.
В качестве альтернативы солнечный коллектор 100 транспирационного типа может быть выполнен в виде отдельного блока, установленного не на здании. В этом случае воздуховод соединяет солнечный коллектор 100 транспирационного типа с воздуховодом 114 здания.
Система вентиляции, показанная на фиг. 1, приведена в качестве примера; здание может иметь любые подходящие воздуховоды и любую подходящую систему циркуляции воздуха.
Применение любого из примеров солнечных коллекторов транспирационного типа, рассмотренных выше в отношении системы вентиляции здания, также может быть отличным от предварительного нагрева воздуха для системы вентиляции здания.
Например, воздух, предварительно нагретый солнечным коллектором 100 транспирационного типа, может быть использован в следующих случаях:
Подача нагретого воздуха для обеспечения прямого или косвенного нагрева посредством теплообменника или теплового насоса для регенерации осушителя в системе охлаждения, осушения или кондиционирования воздуха, таким образом, обеспечивают повышение энергоэффективности, соответственно, испарительного охлаждения, осушения или кондиционирования воздуха;
Подача нагретого воздуха для обеспечения прямого или косвенного нагрева посредством теплообменника или теплового насоса для обогрева помещений в здании;
Подача нагретого воздуха для обеспечения прямого или косвенного нагрева посредством теплообменника или теплового насоса для нагрева воды в здании;
Подача нагретого воздуха для обеспечения прямого или косвенного нагрева посредством теплообменника или теплового насоса для технологического нагрева в отраслях, требующих подачи тепла, в том числе для сушки, оттаивания, испарения, дистилляции и бланширования в секторах продуктов питания и напитков, а также для обработки поверхности и окраски в текстильной, металлургической промышленности и промышленности по производству пластмасс;
Подача нагретого воздуха для обеспечения прямого или косвенного увлажнения для кондиционирования воздуха в помещениях или технологического увлажнения;
Подача нагретого воздуха для обеспечения прямого или косвенного нагрева в системах абсорбционного охлаждения для охлаждения помещений или промышленного охлаждения;
Подача нагретого воздуха для обеспечения прямого или косвенного нагрева в системах адсорбционного охлаждения для охлаждения помещений или промышленного охлаждения.
В любой другой ситуации, в которой необходим нагретый воздух.
Однако следует понимать, что поглощающая панель 108 может иметь любую форму и размеры. Кроме того, солнечный коллектор 100 транспирационного типа может быть выполнен с возможностью покрытия большой площади за счет использования множества поглощающих панелей 108 для покрытия этой площади.
Кроме того, следует понимать, что вышеописанный способ наращивания поверхностного слоя (с использованием горячего раствора, содержащего хромовую кислоту и серную кислоту), является лишь примером и может быть использован любой подходящий способ. В некоторых примерах поверхностный слой может быть наращен только на передней поверхности 122 поглощающей панели 108.
Кроме того, следует понимать, что признаки, описанные в различных вариантах осуществления, могут быть объединены в одном варианте осуществления. Аналогичным образом, если несколько признаков описаны вместе в одном варианте осуществления, такие признаки также могут быть обеспечены по отдельности или в подходящих подкомбинациях.