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超臨界平板收集器及其使用方法

文檔序號:6281472閱讀:397來源:國知局
專利名稱:超臨界平板收集器及其使用方法
技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明總的涉及超臨界的太陽能收集器和超臨界的熱交換器,具體來說, 涉及超臨界的太陽能收集器和高效率能量轉(zhuǎn)換的構(gòu)造。
背景技術(shù)
太陽能收集器在本技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)是眾所周知的。太陽能收集器實(shí)質(zhì)上是一種 傳送太陽能的裝置,通常將熱能作為將光子能引導(dǎo)到能量轉(zhuǎn)換裝置,或作為將 熱量傳遞到傳熱流體內(nèi)的手段。在通篇的本申請中,本發(fā)明將涉及到超臨界平 板收集器,應(yīng)理解到平板這個名稱代表鄰接板,其可用形狀更改的和非鄰接收 集器代替,而不會改變本發(fā)明目的和裝置的操作。
在吸收式熱泵中,諸如水那樣的吸收劑吸收制冷劑(通常為氨),由此產(chǎn) 生熱。當(dāng)對混合的溶液加壓并進(jìn)一步加熱時,可排出制冷劑。當(dāng)制冷劑被預(yù)冷 卻并膨脹到低壓時,它提供冷卻功能。然后低壓制冷劑與低壓的用過的溶液混 合而完成該循環(huán)。
還沒有揭示平板收集器內(nèi)使用超臨界流體的專利或參考文獻(xiàn),也沒有使用 故障保護(hù)的閥門和/或作為對一體的能量轉(zhuǎn)換裝置(包括光電裝置在內(nèi))提供熱 管理手段的熱二極管的專利或參考文獻(xiàn)。
該技術(shù)效率不高,且沒有合并了與真空、集中器和常規(guī)平板太陽能收集器 相關(guān)的多種優(yōu)點(diǎn)的、成本效益高的平板收集器。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是一種故障保護(hù)的平板太陽能收集器,通過從非轉(zhuǎn)換的光子對光子 中收集諸如電能和熱能之類的直接能量轉(zhuǎn)換裝置的能量以及收集能量轉(zhuǎn)換裝 置中低效造成的余熱,使這兩種收集達(dá)到最大化,則所述平板太陽能收集器可 實(shí)現(xiàn)超級的能量轉(zhuǎn)換效率。從本發(fā)明設(shè)計中得到的另一基本好處是大大地降低 熱損失。超臨界平板熱能收集器的另一優(yōu)點(diǎn)在于熱通量率高和壓力損失最小。


圖l一顯示有一體式微通道和涂層的SFPC的截面圖。
圖2 —構(gòu)造成組合降膜熱交換器的固有好處的SFPC的截面圖。
圖3 —顯示有一體式流體分離層的SFPC的截面圖。
圖4一顯示有一體式太陽能集中器內(nèi)安全儲存的SFPC的截面圖。
圖5 —顯示有一體式能量轉(zhuǎn)換裝置的SFPC的截面圖。
圖6 —顯示有一體式太陽能光電裝置的SFPC的截面圖。
具體實(shí)施例方式
術(shù)語"故障保護(hù)"定義為能夠自動地和安全地補(bǔ)償機(jī)構(gòu)或電源的故障。 超臨界平板熱收集器也稱之為"SFPC",其中,平板熱收集器包括超臨界 傳熱流體,其具有選自以下一組益處中的至少一個益處壓力損失小、熱損失 小、極佳的熱傳遞以及消除傳熱流體的凍結(jié)。有效地(若不是完全地)消除凍結(jié) 設(shè)計和操作考慮,可導(dǎo)致操作簡化和成本降低至少華氏-40度。SFPC的傳熱流 體具有20dynes/cm的最大表面張力,這能部分地減小管子直徑。管子直徑的 至少減小最小50%,這種減小能使橫貫SFPC的至少更多的表面達(dá)到極佳的傳 熱流體的分布,且在大多數(shù)情形中,傳熱表面的增加超過收集器表面面積的50 %。傳熱表面面積的增加能使收集器峰值表面收集器溫度有很大的降低,由此 得出的好處包括熱損失的減小和極佳的傳熱。
在超臨界壓力下運(yùn)行的任何傳熱流體的壓力損失將低于低壓下運(yùn)行的壓力 損失。則在大于300psi的壓力下運(yùn)行的超臨界收集器流體腔"管"的直徑比同樣的傳熱流體在小于100psi運(yùn)行壓力下具有相當(dāng)?shù)哪Σ翐p失的直徑小最少50
%。流體流動腔"管"的直徑小于1 / 4英寸。在小于3000微米的直徑下摩擦 損失可顯著地減小。較佳的直徑小于1000微米。特別優(yōu)選的直徑是小于100 微米。尤其優(yōu)選的直徑是小于10微米。直徑主要受到生產(chǎn)超臨界收集器所采 用的制造工藝過程的限制。目前的制造方法包括半導(dǎo)體工藝過程、印刷電路技 術(shù),其有能力生產(chǎn)出小于10微米的期望產(chǎn)品。這些直徑包括10納米、50納米、 100納米、1微米、5微米和IO微米的直徑。具體的直徑選擇取決于制造成本、 傳熱流體的分子量和粘度、運(yùn)行壓力以及流率。
超臨界平板熱收集器包括一體式故障保護(hù)閥門,以在傳熱流體泄漏的情況 下限制傳熱流體的損失。超臨界平板熱收集器包括一體式故障保護(hù)熱二極管, 以將熱載荷傳遞到另一替代的冷源中。
超臨界平板熱收集器可用作超臨界太陽能平板熱收集器。
超臨界平板收集器包括涂敷在非面陽側(cè)上的熱障涂層。較佳的超臨界平板 收集器還具有涂敷在向陽側(cè)上的太陽能吸收涂層。
較佳的超臨界平板收集器構(gòu)造成作為降膜熱交換器運(yùn)行。降膜結(jié)構(gòu)使得熱 傳遞最大化,這還導(dǎo)致熱損失降低。
超臨界平板收集器還可包括內(nèi)部涂層,以將由至少兩個成分組成的傳熱流 體分離為至少兩個截然不同的流動。將傳熱流體分離為其獨(dú)特成分能形成最快 的"蒸發(fā)"成分以從主要的傳熱表面分離,因此,保持與具有較高熱傳導(dǎo)率的 成分接觸。特別優(yōu)選的超臨界平板收集器具有一體式微通道。特別優(yōu)選的收集 器的通道寬度小于IO微米。特別優(yōu)選的收集器具有構(gòu)造成位于收集器內(nèi)的微 通道,位于最大收集器表面區(qū)域上,其目的在于,橫貫全部表面的表面溫度差 小于10華氏度。還希望獲得最低的溫差,例如,橫貫全部表面的溫度差小于5 華氏度。與非超臨界(即,常規(guī)的)平板熱收集器相比,理想的結(jié)果包括輻射損 失至少降低10%。
本技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)已知有多種方法來分離至少兩種不同的流動。這些方法包括 選自以下的各種方法密度、分子量和不溶合的變化。較佳的示例性方法包括 使用毫微孔基體,例如,能使超臨界的二氧化碳吸收物從由至少一種離子液體或離子液體聚合物組成的至少兩種傳熱流體中解吸出來。人們認(rèn)識到可以采用 任何的傳熱流體,只要該流體由在密度、分子量和/或溶合性方面具有顯著差 別的至少兩種流體組成即可。優(yōu)選的傳熱流體應(yīng)該這樣流體通過將復(fù)合的傳 熱流體將流體從溶合區(qū)域移到不溶合區(qū)域內(nèi)而分離。
美國懷俄明州82071拉臘米(Lramie)市的懷俄明大學(xué)化學(xué)和石油工程系 的Yo叫ing Shen等人提出"作為C02吸收的新材料的聚(離子的液體)" (Poly(ionic liquid)s as New Materials for C02 Absorption),其于2005年2月9日 受到后發(fā)表,該新材料表明,與離子液體相比,簡單地使離子液體成為聚合物 形式可大大地提高C02的吸收能力。Shen等人還指出,尤其是,基于四垸基銨 的離子液體的聚合物具有的吸收C02能力是室溫下離子液體吸收能力的6.0-7.6 倍。C02的吸收和聚合物固體的解吸非??欤馕耆乜赡?。然后,Shen 等人具體的指出,所述聚合物可用作為"C02分離的非常有前途的吸收和薄膜 材料"。由Shen等人提出的示例性聚(離子液)包括具有最高C02吸收能力 的離子液體PF6陰離子組成。具體來說,聚(離子液)包括四氟硼酸-l-[2-(甲 基丙烯酰氧基)乙基]-3-丁基咪唑鑰([MABI][BF4])和四氟硼酸l-(對乙烯基 芐基)-3-丁基-咪唑鎰([VBBI][BF4]),聚四氟硼酸[1-(4-乙烯基芐基)-3-丁基-咪唑鎿](PVBIT)、聚六氟磷酸[l-(4-乙烯基芐基)-3-丁基-咪唑鐵](PVBIH)和 聚[四氟硼酸-2-(1- 丁基咪唑鎗-3-基)乙基-甲基丙烯酸酯](PBIMT) (poly[2-l-butylimidazoliurn-3-yl]ethyl methacrylate tetrafluoroborate(PBIMT))。
顆粒大小試驗(yàn)的特定結(jié)果得出如下的結(jié)論C02吸收能力主要取決于聚(離子 液)的化學(xué)結(jié)構(gòu),而C02吸收速率則依賴于顆粒大小。
Shen等人理解到聚合物固定為吸收劑或薄膜材料并不能期望使用聚(離子 液)作為熱力學(xué)循環(huán)內(nèi)的傳熱流體或工作流體。工作流體的較佳實(shí)施例是離子 液體和聚(離子液)"乳狀液",其具有離子液體單體的流體流動以及聚(離 子液)的提高的吸收/解吸吸收物的特性的組合優(yōu)點(diǎn),所述聚(離子液)也稱 之為離子聚合物。離子液體"乳狀液"的標(biāo)準(zhǔn)分類表征為兩個形態(tài),乳狀液的 一個形態(tài)是"離子液體單體"或縮寫為"ILM",另一個形態(tài)是"離子液體漿 "或縮寫為"ILP" 。 ILM和ILP形態(tài)也可描述為離子液體漿,下文將稱之為"ILS "。較佳的ILS包括至少一種離子液體單體和至少一種離子液體聚合物。
較佳的ILS由顆粒大小近似在0.1納米至500微米之間的ILP組成。特別較佳 的ILS由顆粒大小近似在10納米至5微米之間的ILP組成。且特定較佳的ILS 由顆粒大小近似在0.1納米至500納米之間的ILP組成。
傳熱流體的特別優(yōu)選的應(yīng)用是在熱能轉(zhuǎn)換裝置內(nèi)運(yùn)行,所述熱能轉(zhuǎn)換裝置 選自以下的一組太陽能熱平板、太陽能熱集中器接收器、熱離子發(fā)射單元、
熱伏達(dá)電池、發(fā)電機(jī)、壓縮機(jī),以及熱泵。特別優(yōu)選的應(yīng)用是溶液中跨臨界或
超臨界區(qū)域內(nèi)運(yùn)行的流體和至少一種吸收的氣體(最好是C02),由此,在熱力 學(xué)循環(huán)內(nèi)使用其后解吸的氣體,所述循環(huán)包括選自如下一組的循環(huán)高斯瓦米 (Goswami)、上原(Uehara)、卡里那(Kalina)、蘭金(Rankine)、卡諾 (Carnot)、焦耳-布雷頓(Joule-Brayton)、埃里克森(Ericsson)以及斯特林 (Stirling)。
超臨界平板集熱器內(nèi)的較佳結(jié)構(gòu)是用于傳熱流體,以在傳熱流體被加熱時 進(jìn)入到頂部內(nèi)層。或者,超臨界平板集熱器內(nèi)的較佳的結(jié)構(gòu)是用于傳熱流體, 以在傳熱流體被冷卻時進(jìn)入到底部內(nèi)層。
在超臨界平板集熱器的運(yùn)行過程中獲得的壓力足以直接地驅(qū)動機(jī)械泵,因 此是熱驅(qū)動的機(jī)械泵。作為吸收系統(tǒng)一體式部件運(yùn)行的收集器利用超臨界平板 集熱器的熱增益,來提供驅(qū)動解吸循環(huán)所需的熱載荷的至少一部分,這又驅(qū)動 機(jī)械泵,隨后有同時發(fā)生的吸收循環(huán),該吸收循環(huán)至少預(yù)加熱或最好加熱二級 傳熱流體。二級傳熱流體最好是諸如城市用水那樣的傳熱流體,它又可被用作 為家用熱水。
超臨界平板的關(guān)鍵特征是因小"管"直徑引起的減小的壓力損失。最佳壓 力范圍高于傳熱流體的超臨界壓力。當(dāng)運(yùn)行壓力范圍是跨臨界時,這就是說, 低壓側(cè)上的運(yùn)行壓力低于超臨界壓力,使高壓側(cè)壓力上升到高于超臨界壓力, 仍可獲得許多優(yōu)點(diǎn)(即,當(dāng)因太陽能而溫度上升時發(fā)生)。所期望的運(yùn)行壓力是 高于100psi的壓力。較佳的運(yùn)行壓力是高于300psi。特別較佳的運(yùn)行壓力是高 于500psi。特定較佳的運(yùn)行壓力是高于1000psi。
超臨界平板集熱器還包括光子到電子和聲子到電子轉(zhuǎn)換裝置中的至少一個。這種能量轉(zhuǎn)換裝置也稱之為"ECD",其包括光電的、熱離子的和熱電的 裝置,它們將光子或聲子(即,熱能包)變換成電力。光電裝置特別地對溫度敏 感,因此,它們通常在較高溫下獲得的效率較低。當(dāng)能量轉(zhuǎn)換裝置與太陽能集 中器聯(lián)接時,這一點(diǎn)就特別重要。優(yōu)選的結(jié)構(gòu)應(yīng)該這樣超臨界平板集熱器位 于能量轉(zhuǎn)換裝置的背側(cè)上,該轉(zhuǎn)換裝置直接與高熱傳導(dǎo)率的"糊"連接,所述 糊具有匹配的熱膨脹系數(shù)"TCE"。因此,平板收集器起到至少兩個重要作用 l)通過有效地利用能量轉(zhuǎn)換過程的熱損失產(chǎn)生的熱能來提高總的效率,以及2) 滿足高集中比的太陽能集中器中的高熱通量造成的熱力上的冷卻要求。該結(jié)構(gòu) 是將能量轉(zhuǎn)換裝置轉(zhuǎn)變?yōu)榧械哪芰哭D(zhuǎn)換裝置的理想方法。
集中的能量轉(zhuǎn)換裝置的安全和長期的運(yùn)行要求直接集成一體式溫度傳感 器。該一體式溫度傳感器是動態(tài)系統(tǒng)控制器中獲得反饋所必須輸入中的至少一 個,以便變化傳熱流體流率來保持小于最大能量轉(zhuǎn)換安全溫度的出口溫度。該 目的等于獲得高于最小熱要求溫度的最大傳熱流體出口溫度的熱目。第三個控 制方案是可實(shí)現(xiàn)最大總效率的總的最佳溫度,它是能量轉(zhuǎn)換裝置效率和熱能轉(zhuǎn) 換效率的組合。
使總的能量效率達(dá)到最大需要包括一體式熱障層來限制熱損失。熱損失歸 結(jié)于對流、輻射和傳導(dǎo)的熱損失,通過利用熱障涂層甚或包括氣凝膠、絕熱材 料和真空腔在內(nèi)的絕熱物,可將所有這些熱損失減到最小。減小熱損失的一個 示例性結(jié)構(gòu)是利用一體式機(jī)械蒸發(fā)壓縮的熱泵系統(tǒng)。機(jī)械的蒸發(fā)壓縮熱泵同時 地獲得傳熱流體的溫度提升,并減小超臨界平板收熱器內(nèi)的熱損失。通過減小 橫貫集熱器大的表面面積的溫差由此減小收集器內(nèi)最大的運(yùn)行溫度,可減小熱 損失。機(jī)械蒸發(fā)壓縮熱泵獲得顯著較小表面面積內(nèi)的溫升,因此減小熱損失。
使橫貫超臨界平板的整個表面的溫差最小,對于太陽能應(yīng)用之外的眾多應(yīng) 用來說是一種基本的優(yōu)點(diǎn)。這包括輻射地板加熱和冷卻。事實(shí)上,利用超臨界 流體可防止水或其它液體的傳熱流體在發(fā)生泄漏時形成很大的危險。超臨界平 板尤其是一種用于輻射冷卻應(yīng)用的極佳的熱交換器,其將部分地由于與周圍空 氣的溫差減小和表面面積的顯著增加引起的冷凝可能性減到最小。
超臨界平板收集器包括用于傳熱流體的微通道(圖1-30)、將一系列微通道一個連續(xù)的輻射表面內(nèi)的基底(圖1-40)、以及位于背 側(cè)上熱障涂層(圖1-50),這樣的超臨界平板收集器可使傳熱達(dá)到最大。該種稱
之為超臨界平板熱交換器"SHX"的結(jié)構(gòu)對于實(shí)現(xiàn)輻射加熱和冷卻裝置內(nèi)的傳
熱最大化是理想的結(jié)構(gòu),所述輻射和冷卻裝置可構(gòu)造在地板、墻板、圍墻、屋 頂、天花板或建筑構(gòu)件和結(jié)構(gòu)內(nèi)。建筑構(gòu)件包括雕塑或簡單設(shè)計的構(gòu)件。 平板熱交換器較佳地包括一系列微通道熱交換器,所述熱交換器集成在至
少一個平表面內(nèi)以獲得橫貫整個表面的小于IO華氏度的溫差。形成的平板作
為選自如下一組的裝置運(yùn)行結(jié)構(gòu)件、地板、墻板、圍墻、屋頂、天花板或建 筑構(gòu)件和結(jié)構(gòu)。如果足夠的表面面積減小了因具有低的雷諾數(shù)的足夠低的流率 引起的傳熱流體的摩擦損失(即,壓力損失),則還可預(yù)期用非超臨界流體獲得 由平板微通道熱交換器所實(shí)現(xiàn)的益處。
本發(fā)明的超臨界平板熱收集器的最有遠(yuǎn)景的結(jié)構(gòu)是與線性集中的平板反射
弗雷斯納爾(Fresnel)透鏡的組合。平板反射弗雷斯納爾透鏡實(shí)現(xiàn)顯著的好處, 其包括風(fēng)易感性降低、制造成本低、結(jié)構(gòu)要求相對較低。線性集中區(qū)域?qū)⑻?能聚焦到相當(dāng)小的物理區(qū)域內(nèi)。因此,超臨界平板收集器做得較小且更加有成 本效益。盡管極端天氣條件在頻度和剛度上是非常不尋常的,但超臨界平板收 集器設(shè)計成在極端天氣條件下卻安然無恙。降低在這種極端天氣條件下生存所 要求的工程條件的最佳方法是使用同樣有效的跟蹤馬達(dá),將超臨界平板收集器 "停放"在太陽能集中器內(nèi)的一體式外殼內(nèi),以便安全地儲存超臨界平板收集 熱器。因此,太陽能集中器起到保護(hù)超臨界平板收集器和其嵌入的能量轉(zhuǎn)換裝 置(它通常是單一最昂貴的部件)的第二用途。
要實(shí)現(xiàn)非常高的集中比對能量轉(zhuǎn)換裝置提出了很高的熱力學(xué)要求。因此, 熱管理能力的任何損失都會對能量轉(zhuǎn)換裝置造成持續(xù)的危險。正常的運(yùn)行將熱 能傳遞給傳熱流體(最好是超臨界流體)。盡管較佳的二氧化碳的超臨界流體不 會呈現(xiàn)任何溫室效益提高的可能,但該超臨界流體的高壓會導(dǎo)致泄漏可能性提 高。在發(fā)生泄漏或傳熱流體損失的情況下,通常是能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)內(nèi)最昂貴部件 的能量轉(zhuǎn)換裝置必須加以保護(hù)。 一體式故障保護(hù)熱二極管的集成可用來將熱載 荷傳遞到另外替代的冷源內(nèi)。較佳的結(jié)構(gòu)將替代的冷源集成到太陽能集中器內(nèi)。特別較佳的結(jié)構(gòu)利用太陽能集中器機(jī)構(gòu)作為故障保護(hù)的冷源,因此,可使 集中器結(jié)構(gòu)的功能最大化。
本技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)的許多已知方法可適用于熱二極管??梢灶A(yù)計能夠從正常冷 源"切換"到替代冷源的任何裝置基本上都是適用的。還可預(yù)計該裝置,外部 的壓力傳感器即是對常開接觸/開關(guān)的輸入。該常開的接觸開關(guān)能夠驅(qū)動被致 動的馬達(dá),該馬達(dá)形成通往替代的冷源的熱通道。特別優(yōu)選的熱二極管是壓力 致動的彈簧裝置,其響應(yīng)于壓力損失來移動形成通向替代冷源的熱通道的機(jī)械 接觸。熱通道最好包括低熱阻材料,包括選自以下一組的材料毫微管的熱總 管/導(dǎo)管和熱管。
另一安全特征是包括通過壓降而啟動的故障防護(hù)閥門,壓降表示傳熱流體 存在泄漏,閥門的啟動可切斷超臨界平板收集器的泄漏部分。較佳的結(jié)構(gòu)利用 正常運(yùn)行下的故障保護(hù)閥門來脈動地使傳熱流體流向平板收集器。在相對于由 太陽增益獲得溫度上升和提高而獲得的較高壓力有壓力減小時,使相對低溫的 傳熱流體能流入平板收集器內(nèi)。這減小或可能在某些運(yùn)行條件下消除對增加傳 熱流體液壓壓力的泵/壓縮機(jī)的要求。
超臨界平板集熱器如果還包括太陽能光電裝置和太陽能集中器,則它會有 很大的熱通量。太陽能光電裝置通常需要至少被動的冷卻,以使光電到電能的 轉(zhuǎn)化效率和系統(tǒng)壽命達(dá)到最大。太陽能光電裝置的成本經(jīng)濟(jì)使得太陽能集中器 的使用不斷提高,在許多情形下太陽能的集中可達(dá)到100且往往達(dá)到500。超 臨界流體的進(jìn)一步使用可實(shí)現(xiàn)高熱通量從太陽能光電裝置中耗散,同時能使廢 熱能有效地轉(zhuǎn)換成有用的包括電能在內(nèi)的能量,以便提高總效率。由流動腔內(nèi) 的跨臨界或超臨界流體組成的超臨界平板集熱器直接集成在太陽能光電或熱 電子裝置的背面上,可用于積極的冷卻和提高能量轉(zhuǎn)換,導(dǎo)致組合的能量效率 大于每個分量,所述流動腔的通道"管"直徑較佳地小于100微米(最好小于 IO微米)。
最后,有望超臨界平板集熱器較佳地構(gòu)造成滿足附加的第二用途的形狀。 一個這種好處包括將平板收集器集成到二級結(jié)構(gòu)構(gòu)件中的能力,因此只需較少 的結(jié)構(gòu)改成匹配一體式建筑構(gòu)件的形狀。平板收集器集成到建筑物/建筑部件可以獲 得好多益處,包括成本減小、建筑外觀良好,以及建筑物/建筑部件的熱阻較 高。示例性建筑物/建筑部件包括屋頂構(gòu)件、外墻以及車庫/車庫屋頂。較佳 形狀修改的收集器是其本身在建筑上令人愉悅的建筑太陽能樹/結(jié)構(gòu)。所謂樹 的樹干既用作傳熱流體的管道,又用作用于平板收集器的結(jié)構(gòu)支承件。特別優(yōu) 選的太陽能樹使收集器具有收縮和/或坍癟的固有能力以便而減少暴露于惡 劣的天氣。
本發(fā)明說明書內(nèi)的附圖提供了 SFPC最重要部件的示例性結(jié)構(gòu)。下面段落
將提供對附圖的詳細(xì)描述。圖1示出SFPC,其包括作為結(jié)構(gòu)基底(20)的涂層的 太陽能吸收涂層(IO)。從太陽能中收集到的熱增益通過微通道(30)傳遞到超臨 界傳熱流體。微通道(30)被夾在兩個結(jié)構(gòu)基底(20和40)之間。最后,熱障涂層 (50)涂敷在基底(40)的非向陽側(cè)上以限制熱損失。圖2示出傾斜角度下的SFPC, 它的傾斜能使超臨界流體在降膜結(jié)構(gòu)中運(yùn)行以使傳熱達(dá)到最大。
圖3示出還包括介于頂部和底部基底層(120和150)之間的內(nèi)部流體分離層 (140)。獲得太陽能過程中的該優(yōu)選的結(jié)構(gòu)應(yīng)該這樣內(nèi)部流體分離層鄰近于底 部基底層(150)以使超臨界傳熱流體有更多氣體分量循著某一路徑進(jìn)一步遠(yuǎn)離 最重要的傳熱表面基底(120)。
圖4示出位于遠(yuǎn)離太陽能集中器(210)的位置中的SFPC(200)??捎帽炯夹g(shù) 領(lǐng)域內(nèi)已知的任何方法來移動SFPC以使SPFC對于天氣條件保持穩(wěn)定并跟蹤 和/或優(yōu)化太陽能的收集和集中。太陽能集中器具有空穴(210),其設(shè)計成 能安全地儲藏SFPC,尤其是在惡劣天氣過程中,同時SFPC還主管能量轉(zhuǎn)換 裝置??昭ǖ淖罴巡贾檬菍⒔Y(jié)構(gòu)成本減到最小和將SFPC(200)移入空穴(210)之 間的平衡,同時將可移去的太陽能集中器工作表面?zhèn)葴p到最小,這可減小收集 到的太陽能量。在本發(fā)明范圍之內(nèi),空穴可發(fā)生在太陽能集中器的一側(cè)上或太 陽能收集器的底側(cè)上。
圖5示出SFPC(300),其具有一體式能量轉(zhuǎn)換裝置"ECD" (310)、閥門組 件裝置"閥"(370),以及熱二極管組件裝置"熱二極管"(350)。閥門組件用 于將SFPC與附加的SFPC裝置和用于超臨界傳熱流體的管道其它部分隔絕的目的,以限制失效的SFPC(即,泄漏、失去真空等)對傳熱流體的總能量效率和 /或傳熱流體的損失的任何影響。熱二極管組件裝置用于消除/減小進(jìn)入到替
代冷源內(nèi)的熱損失的目的,冷源可理想地集成到太陽能集中器(320)內(nèi)或作為正 常運(yùn)行中的太陽能集中器結(jié)構(gòu)/替代的冷源(340)。然而,在熱管理系統(tǒng)失效或 簡單地達(dá)到超過ECD安全運(yùn)行的峰值溫度過程中,熱二極管組件裝置使到替 代冷源的熱傳遞達(dá)到最大。該組合裝置可確保SFPC的安全有效的長期運(yùn)行。 本文描述了本發(fā)明其它的特征和優(yōu)點(diǎn),并將會從對目前優(yōu)選實(shí)施例的詳細(xì) 描述中得以明了。應(yīng)該理解到,本技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員將會明白,對于所描 述的目前優(yōu)選的實(shí)施例可以作出各種變化和修改。作出這種變化和修改不會脫 離本發(fā)明的精神和范圍且不會減少其附屬的優(yōu)點(diǎn)。因此,附后的權(quán)利要求書應(yīng) 涵蓋這種變化和修改。
權(quán)利要求
1.一種超臨界平板集熱器,其中,所述平板集熱器包括超臨界的傳熱流體,與非超臨界平板集熱器相比,所述超臨界平板集熱器具有選自以下一組中的至少一個益處最大表面張力為20達(dá)因/cm、傳熱流體管的直徑小于3000微米,這導(dǎo)致峰值表面收集器溫度減小,得到的益處包括熱損失減小、熱傳遞提高,以及消除高達(dá)至少-40華氏度時傳熱流體的凍結(jié)。
2. —種超臨界平板集熱器,包括在大于300psi壓力下運(yùn)行的傳熱流體,以 及選自包括一體式故障保護(hù)閥門和熱二極管的組群中的至少一個裝置,以在發(fā) 生傳熱流體泄漏時限制傳熱流體的損失或?qū)彷d荷傳遞到替代的冷源。
3. —種超臨界集熱器,包括選自跨臨界或超臨界氣體組中的傳熱流體和選 自以下組群中的至少一種流體在大于300psi壓力下運(yùn)行的離子液體或離子液 體聚合物。
4. 一種平板熱交換器,包括集成到至少一個平表面內(nèi)的一系列微通道熱交 換器,由此,所述熱交換器具有橫貫整個表面的小于10華氏度的溫差,且由 此所述平板可作為選自以下組群的裝置運(yùn)行結(jié)構(gòu)構(gòu)件、地板、墻板、圍墻、 屋頂、天花板磚或建筑構(gòu)件和結(jié)構(gòu)。
5. 如權(quán)利要求1所述的超臨界平板集熱器,其特征在于,還包括非向陽側(cè) 上的熱障涂層和向陽側(cè)上的太陽能吸收涂層。
6. 如權(quán)利要求1所述的超臨界平板集熱器,其特征在于,所述平板收集器 構(gòu)造成作為降膜熱交換器運(yùn)行。
7. 如權(quán)利要求1所述的超臨界平板集熱器,其特征在于,所述平板收集器 還包括多個內(nèi)部層,所述內(nèi)部層將包括至少兩種成分組成的傳熱流體分離成至 少兩個不同的流。
8. 如權(quán)利要求1所述的超臨界平板集熱器,其特征在于,還包括至少一個 能量轉(zhuǎn)換裝置,所述能量轉(zhuǎn)換裝置選自太陽能光電或熱離子裝置構(gòu)成的組群, 由此,所述集熱器提供能量轉(zhuǎn)換裝置的積極冷卻和較高的能量效率。
9. 如權(quán)利要求1所述的超臨界平板集熱器,其特征在于,所述平板收集器還包括多個微通道,所述微通道具有寬度小于IO微米的通道。
10. 如權(quán)利要求1所述的超臨界平板集熱器,其特征在于,所述超臨界平板
11.集熱器具有橫貫整個表面的小于io華氏度的表面溫差。
12. 如權(quán)利要求1所述的超臨界平板集熱器,其特征在于,與非超臨界平板 集熱器相比,所述超臨界平板集熱器的輻射損失減少至少10%。
13. 如權(quán)利要求7所述的超臨界平板集熱器,其特征在于,所述至少兩個不同的流動通過多種方法予以分離,所述方法包括選自以下組群的方法密度、分子量,以及不溶合性的變化。
14. 如權(quán)利要求1所述的超臨界平板集熱器,其特征在于,所述超臨界平板集熱器還包括傳熱流體,所述傳熱流體至少包括一種離子液體或離子液體聚合 物以及超臨界氣體。
15. 如權(quán)利要求l所述的超臨界平板集熱器,其特征在于,當(dāng)所述傳熱流體被加熱時,所述超臨界平板集熱器的所述傳熱流體進(jìn)入頂部的內(nèi)層。
16. 如權(quán)利要求1所述的超臨界平板集熱器,其特征在于,當(dāng)所述傳熱流體 被冷卻時,所述超臨界平板集熱器的所述傳熱流體進(jìn)入底部的內(nèi)層。
17. 如權(quán)利要求1所述的超臨界平板集熱器,其特征在于,所述超臨界平板 集熱器用作熱驅(qū)動機(jī)械泵。
18. 如權(quán)利要求1所述的超臨界平板集熱器,其特征在于,所述超臨界平板 集熱器的解吸循環(huán)驅(qū)動機(jī)械泵,同時吸收循環(huán)加熱所述傳熱流體。
19. 如權(quán)利要求1所述的超臨界平板集熱器,其特征在于,還包括光子到電 子和聲子到電子的能量轉(zhuǎn)換裝置中的至少一個。
20. 如權(quán)利要求1所述的超臨界平板集熱器,其特征在于,還包括太陽能集 中器。
21. 如權(quán)利要求19所述的超臨界平板集熱器,其特征在于,光子到電子和 聲子到電子的能量轉(zhuǎn)換裝置中的至少一個是集中的能量轉(zhuǎn)換裝置。
22. 如權(quán)利要求1所述的超臨界平板集熱器,其特征在于,還包括一體式溫度傳感器。
23. 如權(quán)利要求1所述的超臨界平板集熱器,其特征在于,還包括用來改變 所述傳熱流體的動態(tài)系統(tǒng)控制器,以保持出口溫度低于最大能量轉(zhuǎn)換安全溫度 并高于最小熱能要求溫度。
24. 如權(quán)利要求1所述的超臨界平板集熱器,其特征在于,還包括一體式熱 障層以限制熱力學(xué)的熱損失。
25. 如權(quán)利要求1所述的超臨界平板集熱器,其特征在于,所述超臨界平板 集熱器是機(jī)械蒸發(fā)壓縮熱泵系統(tǒng)的一體式部件。
26. 如權(quán)利要求25所述的超臨界平板集熱器,其特征在于,所述機(jī)械蒸發(fā) 壓縮熱泵同時地實(shí)現(xiàn)所述傳熱流體的溫升和所述超臨界平板集熱器的熱損失 的降低。
27. 如權(quán)利要求20所述的超臨界平板集熱器,其特征在于,還包括用于所 述超臨界平板集熱器安全儲藏的一體式外殼。
28. 如權(quán)利要求20所述的超臨界平板集熱器,其特征在于,所述太陽能集 中器還包括故障保護(hù)冷源。
29. 如權(quán)利要求1所述的超臨界平板集熱器,其特征在于,還包括一體式故 障保護(hù)熱二極管,以將熱載荷傳遞到替代的冷源。
30. 如權(quán)利要求1所述的超臨界平板集熱器,其特征在于,還包括一體式故 障保護(hù)閥門,以在發(fā)生傳熱流體泄漏時限制所述傳熱流體的損失。
31. 如權(quán)利要求2所述的超臨界平板集熱器,其特征在于,所述故障保護(hù)閥 門在正常條件下運(yùn)行脈動地使所述傳熱流體流入所述超臨界平板集熱器內(nèi)。
32. 如權(quán)利要求1所述的超臨界平板集熱器,其特征在于,所述超臨界平板 集熱器的形狀可修改為一體式建筑構(gòu)件。
33. —種傳熱流體,包括至少一種離子液體單體和至少一種離子液體聚合物。
34. 如權(quán)利要求33所述的傳熱流體,其特征在于,所述離子液體聚合物的 顆粒大小大約在0.1納米至500微米之間。
35. 如權(quán)利要求33所述的傳熱流體,其特征在于,所述離子液體聚合物的顆粒大小近似在10納米至5微米之間。
36. 如權(quán)利要求33所述的傳熱流體,其特征在于,所述離子液體聚合物的 顆粒大小近似在0.1納米至500納米之間。
37. 如權(quán)利要求33所述的傳熱流體,其特征在于,所述流體在熱能轉(zhuǎn)換裝 置內(nèi)運(yùn)行,所述轉(zhuǎn)換裝置選自以下的組群太陽能熱平板、太陽能熱集中器接 收器、熱電子發(fā)射單元、熱伏打電池、發(fā)電機(jī)、壓縮機(jī)以及熱泵。
38. 如權(quán)利要求33所述的傳熱流體,其特征在于,所述流體和至少一種吸 收的氣體選自由溶液中跨臨界或超臨界氣體組成的組群,由此,隨后在熱力學(xué) 循環(huán)中使用解吸的氣體,所述熱力學(xué)循環(huán)包括選自以下的組群的循環(huán)高斯瓦 米(Goswami)、上原(Uehara)、卡里那(Kalina)、蘭金(Rankine)、卡 諾(Carnot)、焦耳-布雷頓(Joule-Brayton)、埃里克森(Ericsson)以及斯特 林(Stirling)。
全文摘要
本發(fā)明揭示一種高效的平板收集器,其使用一體式超臨界傳熱以及一系列故障保護(hù)機(jī)構(gòu)。使用帶有太陽能集中器和一體式能量轉(zhuǎn)換裝置的較佳的結(jié)構(gòu),包括較佳地使用離子液體或離子液體聚合物作為系統(tǒng)中的工作流體,這樣可實(shí)現(xiàn)最佳的總能量效率。戰(zhàn)略地使用平板集熱器還可使機(jī)械泵、熱泵和膨脹的能量轉(zhuǎn)換裝置的功能得到提高。
文檔編號G05D16/00GK101310152SQ200680042184
公開日2008年11月19日 申請日期2006年9月11日 優(yōu)先權(quán)日2005年9月11日
發(fā)明者M·H·古林 申請人:瑞克索斯熱離子學(xué)股份有限公司
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