半透明塑料太阳能热收集器的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明一般性设及用于太阳能热应用或分布式太阳能热应用的装置。具体地，本 发明设及在使用热或能量的位置处或附近提供热W及与热相关的能量源的太阳能热构造 或分布式太阳能热构造。
【背景技术】
[0002] 已经对开发平板型收集器的替代物进行了许多尝试。在某些报道2011年是平板 型收集器的100周年之后，收集器仅在为家用热水（"DHW")、空间加热和冷却提供热的方 面取得了有限的成功，而对于生产加热和冷却几乎没有成功。
[0003] 参照图1，平板型收集器在黑色表面上吸收来自太阳的能量，该黑色表面被施加至 铜或儀金属板。图1中的平板型太阳能收集器主要由入口连接部1、出口连接部2、吸收板 3、外壳4、玻璃框5、玻璃6、隔离物7和流管8构成。热通过传导被传递至含有用于加热和 冷却水的流体介质的铜管。隔离和保护收集器的外壳通常由挤制侣与用作透镜的低铁玻璃 的组合制成。运就是将来自太阳的能量转化为可用热的系统。
[0004] 构造完整的收集器的材料使得产品非常重。上述材料在其制造期间需要相对大量 的能量，使得产品昂贵。随着成本由于经济发展而增加，材料的成本还受制于商品市场。在 人们因为他们的其他生活成本升高而处于压力下而对该产品感兴趣的时候，运却引起了较 高的价格。平板型收集器的制造和组装成本也与同样具有周期性销售性的相对小批量产品 的行业的成本同样高。
[0005] 平板型收集器的改进进展迟疑且缓慢。大多数效率上的改变微小且流于表面。
[0006] 现今，测试平板型收集器的独立机构报道平板型收集器每平方英尺所产生的BTU 都在同一范围内。
[0007] 从20世纪70年代中期至20世纪80年代中期，研究活动从改进平板型收集器的 效率和操作转移至在设计中采用成本低且重量轻的塑料。通过使用与在平板型收集器中采 用的技术部分类似的技术，在运些塑料收集器中取得了初步成功。现今仍在使用的早期塑 料类型（图2)由SealedAirCo巧oration制造并销售。聚丙締塑料与黑色颜料完全混合 并且被制造成由黑色集箱化eader)9和黑色带槽板10(在等距视图中示出）构成的单体结 构。如图2的截面端视图所示，板10包括带槽板式流通道。黑色塑料容器吸收来自太阳的 能量，通过传导将该能量传递给流经塑料的流体。然而，运只是在市场取得显著成功的初级 类型的商品级塑料产品。
[0008] 平板型收集器在提供DHW方面是有效的。塑料基产品仅在需求非常小的游泳池加 热市场中可被接受。运是因为铜是非常好的导热体，而塑料更多地用作隔热体，因此热从塑 料收集器的转移效率不高。
[0009] 在将塑料技术引入DHW市场的大量尝试中，发明人致力于用一种高透明度无色塑 料一一聚碳酸醋来代替聚締控塑料。聚碳酸醋非常透明且抗裂的W至于甚至将其制造成处 方眼镜。技术发生如下转变：从平板和黑色聚締控两步吸收W及传导过程转变为在流经透 明聚碳酸醋基系统的流体中一步吸收。运是真正地将阳光直接转为热。
[0010] 在专利中几乎全面地选择了聚碳酸醋，原因是其能够用在制造高透明度的太阳能 热收集器（图3)中。如图3所示，聚碳酸醋太阳能热收集器包括与含有槽13的带槽板12 接合的集箱14。在顶视图中示出的整个结构中，流体经由流体管道装置15通过左上侧进 入；流经集箱，该集箱引导流穿过带槽板12 ;并且流体流经相对的集箱14并通过右下方的 管道装置15出来。各集箱的端部用塞16密封。除了管道装置15和16之外，整个结构由 聚碳酸醋制造。针对聚碳酸醋塑料而言的其他优点是相对合理的价格、高强度W及高的玻 璃化转变溫度，据称高的玻璃化转变溫度使得收集器能够耐受高于在DHW收集器中使用的 水或水/防冻剂混合物的沸点的溫度。在采用聚碳酸醋塑料的技术中，能量被直接转移至 流经高透明度的收集器的流体并且通过溶解或分散在暴露于太阳的流体中的各种能量吸 收添加剂被直接吸收。应该考虑的润湿剂、流图案W及任何装置被认为是可接受的系统所 必需的。
[0011] 压倒性地选择聚碳酸醋塑料作为所选的塑料，原因是聚碳酸醋塑料的透光率几乎 等同于玻璃的透光率。具有勉强较高的透光率的塑料例如丙締酸树脂和苯乙締基塑料具 有严重显著的缺点。它们具有脆性而不具有可延展性。石子或冰富无法从安装在屋子上 的收集器无损伤地弹开，并且与常规聚碳酸醋塑料的特定的250°F的热变形溫度相比，在 180°F的量级的热变形溫度也无法工作。在标准太阳能收集器操作条件下，预期溫度高达 200°F至220°F。除了低热变形溫度W外，无色素状态下的聚丙締的不透明外观也将聚 丙締排除在聚碳酸醋的替代物之外，因为公认的是，塑料必须完全透明W进行工作。虽然聚 碳酸醋塑料的成本与前述大量塑料相比较高，但是由于通过使用聚碳酸醋材料所明显固有 的性质而使该额外费用被认为是可接受的。该选择是显然的。
[0012] 可惜的是，忽视了聚碳酸醋具有在制造商的资料中不为所知的缺点：聚碳酸醋树 脂的分子结构存在内在的不稳定性，即在聚碳酸醋被制造成收集器的情况下，收集器将在 与在游泳池加热应用中所使用的溫度类似的溫度下失效。显然，运样的构造将在DHW及空 间加热所需的远远较高的溫度下失效。在多数应用中实际性能被限制到大约120°F下使 用，原因是在较高的溫度下塑料快速的降解并且在使用期间将在收集器中产生泄漏。
【发明内容】
[0013] 在美国授权的基于高透明度、高强度聚碳酸醋塑料的发明中没有一件曾取得商业 成功。结构缺陷使得由聚碳酸醋塑料制造的收集器无论在何处只要接近DHW应用所需的溫 度便会自己显现出故障。故障为小孔泄漏的形式，小孔泄漏初期难W发现但在运行中进一 步使用期间会扩大。
[0014] 经研究，该问题似乎是由于在系统内使用水基流体或水/乙二醇基流体的情况下 进行的水解作用而导致的。对于油基流体，油也降低了系统的操作效率。运使得产品在常 规操作环境中生产热水方面无效。因此，存在对能够在利用流体溫度持续超过180°F的太 阳能热收集器中操作的重量轻的板的殷切需求。
[0015] 在本发明之前，通过平板型收集器提供的太阳能热是利用太阳提供能量的最具成 本效益的装置。我们发明了一种从太阳产生能量的较低成本、较高效的方式，目前能够采用 该方式来W与之前所提供的成本相比较低的成本提供更多的民用热水、空间加热及空间冷 却。本发明的某些特征、方面和优点使得系统具有足够的成本效益W用于大量工业能量产 品，例如生产加热及生产冷却，并且具有足够的成本效益W在没有政府补贴的情况下用于 其他应用。
[0016] 本发明的某些特征、方面和优点直接利用太阳射线来加热流体。热在构成收集器 的材料和包含在收集器中的流体两者中被捕获。系统克服了上述平板式系统的缺陷。收集 器本身在单步过程中利用=维来吸收直接来自太阳的热。收集器在其制造中结合了耐久、 重量轻且成本低的材料。与用于制作常规平板型太阳能收集器的制造方法相比，该制造方 法成本低得多。与笨重的平板型收集器相比，该收集器更为轻便而且更容易安装，最终，该 收集器产生可W信赖的塑料产品。
[0017] 本发明的某些特征、方面和优点采用了用于建造收集器的结构的材料W将太阳的 能量直接转化成热。该转化通过采用透光率低的塑料而非采用广泛出售的高透光率产品进 行。同时，包含在装置中的流体除了通过从收集器传导之外还通过吸收将太阳的能量直接 转化成热。该组合引起了在将太阳的能量转化成可用热方面较高的效率。构造的材料成本 较低并且制造起来较不耗能。由于商品市场的特性，在价格方面基本没有波动。
[0018] 此外，作为本发明的实施方案的一类，发明人采用了与例如聚碳酸醋、聚丙締、丙 締酸树脂、聚苯乙締等通常所认为的塑料完全不同类的材料。我们采用了热固树脂型材 料一-玻璃纤维增强塑料（"FRP")。FRP，在市场上不与塑料竞争，而是与金属竞争，最显著 的例子是波音梦幻飞机。因此，本发明的某些特征、方面和优点设及使用半透明FRP产品， 据我们所知，该半透明FRP产品从未用于制造太阳能热收集器。
[0019] 在一些实施方案中，太阳能热系统包括具有半透明的玻璃纤维增强塑料（FR巧板 的太阳能热收集器。该系统还可W包括累、阀、储罐、锅炉和控制器。流体连接件可W与太阳 能热收集器、累、阀、储罐和锅炉连通。在系统内的流体流通过控制器控制。在一些实施方 案中，半透明FRP板包括高强度、高溫树脂。在一些实施方案中，半透明FRP板包括约30% 的玻璃含量。在一些实施方案中，半透明FRP板包含染料。
[0020] 在一些实施方案中，用于加热流体的方法包括：提供太阳能热系统，该太阳能热系 统包括具有半透明的玻璃纤维增强塑料（FR巧板的太阳能热收集器、累、阀、储罐、锅炉、控 制器，W及与太阳能热收集器、累、阀、储罐和锅炉连通的流体连接件。在系统内的流体流通 过控制器控制。流体循环通过太阳能热系统。在一些实施方案中，流体包含染料。在一些 实施方案中，流体流包括脉冲流。在一些实施方案中，流体流包括端流。
[0021] 在一些实施方案中，太阳能热收集器系统包括：入口集箱；出口集箱；W及与入口 集箱和出口集箱禪接的半透明板。板包括第一层、第二层W及位于第一层与第二层之间的 第=层。第=层为波状层。在一些实施方案中，板包含FRP材料。在一些实施方案中，板包 含热塑性材料。在一些实施方案中，波状层包括正弦形。在一些实施方案中，波状层包括梯 形。在一些实施方案中，波状层包括=角形。在一些实施方案中，波状层包括矩形。在一些 实施方案中，波状层包含染料。
[0022] 在一些实施方案中，太阳能热收集器系统包括：入口集箱；出口集箱；W及与入口 集箱和出口集箱禪接的半透明板。板包括第一层和第二层。第一层和第二层包含玻璃纤维 增强塑料（FR巧材料。在一些实施方案中，板包括第=层。在一些实施方案中，板包括至少 屯个层。
[0023]在一些实施方案中，太阳能热收集器系统包括：入口集箱；出口集箱；W及与入口 集箱和出口集箱禪接的半透明板。板包括第一层和第二层。第一层和第二层包含热塑性材 料。在一些实施方案中，板包括第=层。在一些实施方案中，板包括至少屯个层。
[0024]在一些实施方案中，用于制造太阳能热收集器系统的一部分的方法包括提供半透 明的玻璃纤维增强塑料（FR巧材料的第一层、半透明FRP材料的第二层、W及半透明FRP材 料的第=层。第=层为波状层并且位于第一层与第二层之间。第一层、第二层和第=层通 过在使形成FRP材料的树脂固化期间在压力下将第一层、第二层和第=层禪接在一起而被 接合，由此形成半透明板。在一些实施方案中，板与集箱禪接。
[00巧]在一些实施方案中，用于制造太阳能热收集器系统的一部分的方法包括对形成板 的第一层、第二层和第=层热塑性材料进行共挤出，其中第=层为波状层并且位于第一层 与第二层之间，由此形成半透明板。在第一层和第二层中的至少之一上层压UV稳定剂膜。 在一些实施方案中，板与集箱禪接。在一些实施方案中，热塑性材料包含聚讽树脂。
[0026]本发明的某些特征、方面和优点采用在美国容易获得的成本低且耐久的材料。可W在制作该产品中使用的材料包括多种FRP和热塑性塑料。在制造本发明产品时所使用的 方法还存在经济效益。如此，产品可W更快速地投入生产并且可W流杨地实现增产。
【附图说明】
[0027]现在将参照优选实施方案的附图来描述本发明的运些特征、方面和优点W及其他 特征、方面和优点，本发明的实施方案旨在进行说明而非限制本发明，并且在附图中：
[0028] 图1为被部分剖开W露出内部构造细节的常规平板型太阳能收集器，该收集器被 示出为本发明优选实施方案将要替代的具有代表性的一类产品。
[0029] 图2为示出图1中所示的平板型收集器的