太陽能收集設(shè)備和設(shè)計(jì)方法
【專利說明】太陽能收集設(shè)備和設(shè)計(jì)方法 發(fā)明領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及一種太陽能收集設(shè)備和設(shè)計(jì)方法。本發(fā)明進(jìn)一步提供一種設(shè)計(jì)太陽能 收集設(shè)備的計(jì)算機(jī)實(shí)施的方法。 發(fā)明背景
[0002] 太陽能收集器已經(jīng)作為可再生能量源使用了許多年，該可再生能量源使用太陽輻 射（另外已知為日射）來加熱在一個(gè)表面上經(jīng)過或穿過一個(gè)導(dǎo)管的流體，或者將太陽日射 提供給收集熱以用于實(shí)用目的的其他裝置。這些收集器典型地被直接支撐在屋頂上并且通 過它們的安裝件而成角度，或者包括框架以便在一個(gè)水平表面上使這些收集器適當(dāng)?shù)爻山?度。本領(lǐng)域的一個(gè)挑戰(zhàn)是實(shí)現(xiàn)太陽輻射到熱能的高效轉(zhuǎn)換以及將流體的溫度增加到一定程 度，這確保針對(duì)各種能量消耗過程改善流體的實(shí)用性。
[0003] 太陽熱收集系統(tǒng)典型地在冬季、深秋和早春，即當(dāng)用戶通常尋求消耗更多熱或需 要大部分熱用于加熱系統(tǒng)時(shí)表現(xiàn)較差?，F(xiàn)有的太陽熱收集系統(tǒng)的性能在較冷月份更加常見 的云層存在時(shí)進(jìn)一步降低。在夏季，當(dāng)由于在商用應(yīng)用中到周圍環(huán)境的熱損失降低和/或 在家庭應(yīng)用中熱使用減少而對(duì)熱的需求降低時(shí)，太陽熱收集器表現(xiàn)最有效，從而與需求相 比收集過量的熱能。
[0004] 典型地，在固定的太陽熱收集器中存在夏季供熱容量過量，而在較冷月份熱生產(chǎn) 的不足的問題。在以用于在寒冷月份收集熱的特定設(shè)置來部署足夠的收集器的情況下，必 須在較暖月份中排放過量的熱。
[0005] 固定太陽熱收集器在較冷月份中的性能也降級(jí)，因?yàn)闊彷敵鎏幱谳^低溫度下，這 樣使得該輸出并未處于足以滿足消耗需求的溫度下。
[0006] 另外，許多設(shè)備是憑經(jīng)驗(yàn)定位的，即，盡管諸如一年中的時(shí)間的因素，還是具有相 同收集器位置和取向。此類設(shè)備總體上被引導(dǎo)朝向高峰夏季時(shí)期的入射太陽輻射。因此， 此類設(shè)備不是設(shè)計(jì)來貫穿全年補(bǔ)償太陽的日變化和太陽方位角的變化，也就是說除非貫穿 全年它們被物理地重新取向。此外，申請(qǐng)人已知的大多數(shù)現(xiàn)有設(shè)備僅使用收集器面板的上 表面來收集或利用太陽輻射。因此，這些現(xiàn)有設(shè)備在利用入射日射方面并不特別有效，這導(dǎo) 致了上述問題，尤其是在太陽在地平線上最低的較冷月份中。
[0007] 解決以上問題的嘗試迄今為止大體上還未成功。例如，與交替加熱方法相比，安裝 更多的太陽能收集器用于在冬季增加熱水生產(chǎn)需要更高的資本成本，并且代表了商業(yè)上不 可行的解決方案。一個(gè)附加的問題是與在夏季收集的過量熱的熱排放相關(guān)聯(lián)的困難和花 費(fèi)。
[0008] 也已經(jīng)嘗試了安裝移動(dòng)的收集器或聚集器以便改善冬季性能，并且允許通過夏季 熱收集的"解調(diào)諧"實(shí)現(xiàn)夏季加熱性能的任何必要降低。然而，這極大地增加了這些系統(tǒng)的 復(fù)雜性和花費(fèi)，并且降低了它們的商業(yè)價(jià)值，同樣導(dǎo)致這成為非商業(yè)性解決方案。
[0009] 在加拿大北部的至少一個(gè)位置已發(fā)展了能夠存儲(chǔ)熱多達(dá)5年的一種熱儲(chǔ)存器的 安裝，以便允許夏季時(shí)收集和冬季時(shí)利用源自太陽熱的熱量。這個(gè)解決方案需要"整個(gè)鄉(xiāng) 村"的發(fā)展，因?yàn)檩^小尺寸的地面熱儲(chǔ)存器是不可行的。這個(gè)解決方案作為改裝安裝大體 上不可行，因?yàn)樵诖蟮闹醒霟醿?chǔ)存器與其他建筑物中的能量的消耗裝置之間需要大量的管 道。
[0010] 也已經(jīng)存在結(jié)合相對(duì)于收集器定位的反射器面板的設(shè)備的發(fā)展，以便不僅從直接 太陽輻射而且從經(jīng)由反射器面板的反射輻射將太陽能提供到收集器。然而，申請(qǐng)人已知的 這種類型的設(shè)備仍然采用適于在一年中的一個(gè)特定時(shí)間改善效率的一種經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)，也就是 說，它們不包括明確地相對(duì)于彼此定向以便確保針對(duì)一個(gè)給定煒度的貫穿全年的最佳性能 的收集器和反射器。因此，采用反射性面板，同時(shí)在一年中的一個(gè)特定時(shí)間的一天中的特定 時(shí)間成功地提高效率的已知設(shè)備在一年中的其他時(shí)間仍然存在與非反射器收集器相關(guān)聯(lián) 的相同性能問題。
[0011] 除了與現(xiàn)有太陽能收集設(shè)備的操作相關(guān)聯(lián)的問題外，申請(qǐng)人也已經(jīng)認(rèn)識(shí)到解決與 此類設(shè)備的設(shè)計(jì)相關(guān)聯(lián)的問題的需要。當(dāng)前不存在申請(qǐng)人已知的這種方法：該方法提供設(shè) 計(jì)一種太陽能收集設(shè)備并且具體地該設(shè)備的一個(gè)收集器和一個(gè)或多個(gè)反射器的取向用于 至少基于煒度在一年中所選擇的一個(gè)時(shí)間內(nèi)（或全年）具有最佳性能的一種手段。的確， 存在可能影響此類設(shè)備的設(shè)計(jì)的一些其他因素。例如，典型地遇到了各種各樣的現(xiàn)有屋頂 線和取向。另外，在不同煒度處的建筑物可能需要系統(tǒng)的不同取向以便實(shí)現(xiàn)最佳性能。在 一些安裝中，冬季熱收集是最重要的，而夏季熱收集必須減少以避免過量的能量累積。在其 他安裝中，期望在年周期內(nèi)的最大能量收集量，而在另一個(gè)情景中，期望最大夏季收益。在 其他情況下，收集空間可能受到限制并且期望每平方米的最大能量收集量。
[0012] 本發(fā)明的目的是提供一種太陽能收集設(shè)備和一種緩解以上問題或至少向公眾提 供有用的替代方案的設(shè)計(jì)方法。 發(fā)明概述
[0013] 根據(jù)一個(gè)方面，本發(fā)明提供一種用于增加入射在太陽能收集器上的太陽輻射量的 太陽能收集設(shè)備，所述設(shè)備的特征在于處于鄰近該收集器且與該收集器相距一段距離的位 置中并且與該收集器成除直角外的一個(gè)或多個(gè)角度的一個(gè)或多個(gè)反射表面，這些反射表面 各自具有一個(gè)反射性表面面積，其中該一個(gè)或多個(gè)反射器具有為至少25 %的整體表面面積 與收集器表面面積比，并且其中該一個(gè)或多個(gè)反射表面相對(duì)于該收集器的位置、位移和一 個(gè)或多個(gè)角度是這樣的以使得針對(duì)年周期的大多數(shù)日子里的大部分日照時(shí)數(shù)內(nèi)實(shí)現(xiàn)入射 在該收集器上的太陽能量的增加。
[0014] 在一個(gè)實(shí)施例中，該一個(gè)或多個(gè)反射表面基本上不能移動(dòng)并且是平面表面。
[0015] 在一個(gè)實(shí)施例中，至少該太陽能收集器的一個(gè)平面與該一個(gè)或多個(gè)反射器中的每 一個(gè)的一個(gè)平面之間相距的位移或它們之間形成的角度是預(yù)先確定的，以便實(shí)現(xiàn)高達(dá)入射 在該收集器上的太陽能量的最大理論增加的一個(gè)特定增加。
[0016] 在一個(gè)實(shí)施例中，確定該太陽能收集器的一個(gè)平面與該一個(gè)或多個(gè)反射器中的每 一個(gè)的一個(gè)平面之間相距的位移或它們之間形成的角度是基于一個(gè)給定煒度。
[0017] 在一個(gè)實(shí)施例中，所述給定煒度是在赤道北維60度與南維60度之間。
[0018] 在一個(gè)實(shí)施例中，確定該太陽能收集器的一個(gè)平面與該一個(gè)或多個(gè)反射器中的每 一個(gè)的一個(gè)平面之間相距的位移或它們之間形成的角度是基于該太陽能收集器與一個(gè)參 考平面相距的一個(gè)給定角度。
[0019] 在一個(gè)實(shí)施例中，確定該太陽能收集器的一個(gè)平面與該一個(gè)或多個(gè)反射器中的每 一個(gè)的一個(gè)平面之間相距的位移或它們之間形成的角度是基于該收集器的一個(gè)給定取向 和尺寸。
[0020] 在一個(gè)實(shí)施例中，確定該太陽能收集器的一個(gè)平面與該一個(gè)或多個(gè)反射器中的每 一個(gè)的一個(gè)平面之間相距的位移或它們之間形成的角度是基于該一個(gè)或多個(gè)反射器中的 每一個(gè)的一個(gè)給定尺寸或與該太陽能收集器相距的位移。
[0021 ] 在一個(gè)實(shí)施例中，確定該太陽能收集器的一個(gè)平面與該一個(gè)或多個(gè)反射器中的每 一個(gè)的一個(gè)平面之間相距的位移或它們之間形成的角度是基于該設(shè)備中使用的一個(gè)或多 個(gè)反射表面的一個(gè)給定數(shù)量。
[0022] 在一個(gè)實(shí)施例中，該太陽能收集器具有一個(gè)縱向方向并且被定位在沿著所述縱向 方向具有一個(gè)最大可用長度的一個(gè)安裝表面上，其中預(yù)先確定該反射表面數(shù)量是基于該安 裝表面的該最大可用長度。
[0023] 在另一個(gè)方面中，本發(fā)明提供一種配置太陽能收集設(shè)備的方法，該方法的特征在 于以下步驟：在鄰近一個(gè)太陽能收集器且與該太陽能收集器相距一段距離的一個(gè)位置處提 供一個(gè)或多個(gè)反射表面；將該一個(gè)或多個(gè)反射表面和該收集器的大小確定成使得該一個(gè)或 多個(gè)反射表面的整體反射表面面積與該收集器表面面積之間的比為至少25% ;并且將該一 個(gè)或多個(gè)反射表面定向使得每個(gè)反射表面被定向成與該收集器成除直角外的一個(gè)或多個(gè) 角度，其中選擇該一個(gè)或多個(gè)反射表面的所述位置、位移以及一個(gè)或多個(gè)角度以便引起在 年周期的大多數(shù)日子里大部分日照時(shí)數(shù)內(nèi)入射在該收集器上的太陽能的量的增加。
[0024] 在又一個(gè)方面中，本發(fā)明提供一種設(shè)計(jì)太陽能收集設(shè)備的方法，所述方法包括：接 收關(guān)于一個(gè)太陽能收集器的煒度、安裝角度、取向和尺寸的數(shù)據(jù)；接收關(guān)于鄰近該收集器且 與該收集器相距一段距離的一個(gè)或多個(gè)反射表面中的每一個(gè)的尺寸或位移的數(shù)據(jù)；基于所 接收數(shù)據(jù)，確定至少該太陽能收集器的一個(gè)平面與該一個(gè)或多個(gè)反射器中的每一個(gè)的一個(gè) 平面之間相距的位移或它們之間形成的角度，以便相較于單獨(dú)入射在該收集器上的太陽能 的量實(shí)現(xiàn)高達(dá)入射在該收集器上的太陽能的量的最大理論增加的一個(gè)特定增加。
[0025] 在另一個(gè)方面中，本發(fā)明提供一種確定入射在一個(gè)太陽能收集器上的太陽輻射的 量的方法，該收集器接收來自太陽的直接太陽輻射和來自鄰近該收集器且與該收集器相距 一段距離的一個(gè)或多個(gè)反射表面的間接輻射，該方法包括：接收關(guān)于一個(gè)太陽能收集器的 特性的數(shù)據(jù)，包括它的煒度、安裝角度、取向和尺寸；接收關(guān)于鄰近該收集器且與該收集器 相距一段距離的一個(gè)或多個(gè)反射表面的特性的數(shù)據(jù)，包括該一個(gè)或多個(gè)反射表面中的每一 個(gè)的尺寸或位移；并且基于該所接收的數(shù)據(jù)確定入射在該收集器上的太陽能的量。
[0026] 在一個(gè)實(shí)施例中，該方法進(jìn)一步包括：接收關(guān)于該收集器或該一個(gè)或多個(gè)反射表 面的特性的后續(xù)數(shù)據(jù)，其中所述后續(xù)數(shù)據(jù)可以包括替代數(shù)據(jù)；并且基于所接收數(shù)據(jù)和該后 續(xù)數(shù)據(jù)確定入射在該收集器上的太陽能的量。
[0027] 在一個(gè)實(shí)施例中，該方法進(jìn)一步包括在一個(gè)用戶界面上顯示入射在該收集器上的 太陽能的量或從其導(dǎo)出的一個(gè)性能量度。
[0028] 在一個(gè)實(shí)施例中，該方法進(jìn)一步包括接收關(guān)于與該收集器的一個(gè)安裝表面相關(guān)聯(lián) 的物理約束的數(shù)據(jù)。
[0029] 在一個(gè)實(shí)施例中，所述物理約束包括所述安裝表面的尺寸、取向或角度。
[0030] 在一個(gè)實(shí)施例中，所述物理約束進(jìn)一步包括引起所述一個(gè)或多個(gè)反射表面處于陰 影中的相鄰結(jié)構(gòu)。
[0031] 根據(jù)一個(gè)方面，本發(fā)明提供一種確定入射在一個(gè)收集器上的太陽輻射的量的方 法，該方法的特征在于以下的步驟，包括：確定在一個(gè)給定煒度處、在全年中的白天的一個(gè) 給定時(shí)刻或時(shí)期太陽在天空中的位置；確定被定位的一個(gè)或多個(gè)反射表面的用于在所述時(shí) 刻或所述時(shí)期中將太陽輻射反射到該收集器的一個(gè)表面的一個(gè)面積，假設(shè)這些反射表面都 未處于陰影中；確定該一個(gè)或多個(gè)反射表面的處于陰影中并且因此不能夠在所述時(shí)刻或所 述時(shí)期中將太陽輻射反射到該收集器的一個(gè)表面的一個(gè)面積；確定該收集器的接收來自太 陽的