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太阳能系统

阅读：1040发布：2020-05-12

IPRDB可以提供太阳能系统专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明描述了一种太阳能面板(302)，该太阳能面板(302)用于使用入射太阳辐射对目标流体进行加热，该太阳能面板(302)包括：三个主边缘(306)，其布置为使得太阳能面板(302)能够内接于一个三角形中，并且面板(302)的每个主边缘(308)沿该三角形的边的至少一部分布置；用于保持目标流体的腔室；以及用于目标流体的入口和出口，其用于与相邻的太阳能面板(302)交换目标流体。，下面是太阳能系统专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种太阳能面板，其用于使用入射太阳辐射对目标流体进行加热，所述太阳能面板包括：三个主边缘，其布置为使得所述太阳能面板能够内接于一个三角形中，并且所述面板的每个主边缘沿所述三角形的边的至少一部分布置；

用于保持所述目标流体的腔室；以及

用于所述目标流体的入口和出口，所述入口和所述出口位于与所述三角形的拐角相邻的位置，且用于与相邻的太阳能面板交换所述目标流体；

其中，所述面板成形为具有相间的三个主边缘和三个副边缘的截角三角形，其中，所述主边缘是所述副边缘的至少3倍长。

2.根据权利要求1所述的太阳能面板，其中，存在三个入口和三个出口。

3.根据权利要求2所述的太阳能面板，其中，一个入口和一个出口位于与所述三角形的每个拐角相邻的位置。

4.根据前述权利要求中任一项所述的太阳能面板，其中，所述副边缘是笔直的。

5.根据前述权利要求中任一项所述的太阳能面板，其中，所述三角形为等边形。

6.根据前述权利要求中任一项所述的太阳能面板，其中，所述腔室通过模制的塑料片材限定。

7.根据前述权利要求中任一项所述的太阳能面板，包括：保护性上层；

目标流体层，其包括所述目标流体；

透光流体间分隔层；

工作流体层，其包括工作流体；以及

下保持层。

8.根据权利要求7所述的太阳能面板，其中，所述流体间分隔层是透明的。

9.根据权利要求7所述的太阳能面板，其中，所述流体间分隔层是半透明的或以漫射方式透过光。

10.根据权利要求7至9中任一项所述的太阳能面板，其中，所述流体间分隔层能透过电磁波谱的红外部分和可见光部分两者中的光。

说明书全文

太阳能系统

[0001] 本申请是申请号为2016800306014、申请日为2016年3月24日、发明名称为“太阳能系统”的专利申请的分案申请。

技术领域

[0002] 本发明涉及太阳能领域，并且具体地涉及从太阳辐射获取和利用能量，具体地为将能量转换为太阳能热系统中有用的热能。

背景技术

[0003] 在赤道处晴朗的中午时分，地球表面一平方米接收约1000W能量。长期以来已认识到该能量可以对人类的能量需求作出重要贡献。迄今为止，已在寻求两种不同方法来利用该能量。太阳能光伏(太阳能PV)系统使用半导体材料(通常基于硅)以从太阳吸收能量并将该能量转换为电能。入射在光伏材料上的光子导致材料内的电子激发到更高能量状态，并且使这些电子能够用作电流的载流子。可以在本地使用该电能或将该电能传输到长距离传输的输电网络上。太阳能PV方法由于其直接转换入射太阳能的简单性而具有吸引力。然而，太阳能PV面板的最大理论效率为约50％且通常家用太阳能PV系统具有约15％的效率，并且操作中的PV系统的当前记录效率仅为约40％。

[0004] 可选方法为使用热式太阳能系统以将入射太阳能转换为诸如水等目标流体中的热量。在某些情况下，随后可以使用目标流体生成电能，例如使用蒸汽或燃气涡轮机。然而，这需要利用使用了反射镜和透视镜来对进入的辐射进行聚焦的聚光太阳能(concentrated solar power)在目标流体中得到足够高的温度(通常约600至800℃)，从而使转换为电能成为可能。在大多数情况下，不生成电而使用热式太阳能系统将水加热到100℃以下以用于在本地的消毒、巴氏灭菌、蒸馏、烹饪、空间或水加热、干燥、清洁或太阳能驱动冷却。

[0005] 在简单的太阳能热平板系统中，诸如水等工作流体穿过通常由黑色塑料材料制成的管线。管线的塑料从进入的太阳辐射吸收能量，并且对管线内的水进行加热。受热水经过系统循环，并且如果水是目标流体则可以直接使用(例如，用于洗涤)，或可以穿过热交换器以将热量传递给另一材料(例如，用于储存热系统)。可以将管线保持在面板内的真空或接近真空的腔室内(例如由具有玻璃表面的密封腔室形成)。真空或半真空使从工作流体返回大气的热量损失减少。

[0006] 对于简单地将入射辐射转换为受热流体的热式太阳能系统，理论上效率可能很高，但这些系统的效率受诸如吸收表面和任何覆盖的保护层(诸如玻璃层等)对太阳能的反射和/或透射等因素的限制。这些系统的效率还受吸收表面吸收进入的辐射的能力所限制，吸收能力随太阳能面板与其周围之间的温度差而变化。平板太阳能热系统的通常效率为约50至60％。

发明内容

[0007] 根据一个方面，提供一种太阳能系统，其用于使用入射太阳辐射对目标流体进行加热，该系统包括：

[0008] 保护性上层；

[0009] 目标流体层，其包括目标流体；

[0010] 透光流体间分隔层；

[0011] 工作流体层，其包括工作流体；以及

[0012] 下保持层。

[0013] 该系统提供了一种太阳能系统，其中，入射辐射中的高比例的能量被吸收到目标流体中。具体地说，通过将目标流体和工作流体均布置为系统中(例如，面板中)的层，可以使用两个流体吸收入射太阳辐射。由于目标流体可以吸收与其可以直接吸收的能量一样多的能量而不需要与另一介质热交换，因此这样可以增加效率。然而，工作流体可以被设计为对目标流体而言吸收差的波长的辐射进行吸收，从而获取总入射能量中的更多能量。

[0014] 尽管对于大多数实施例来说以上提到的层的顺序是优选的，但要求保护的系统不限于层的特定顺序。目标流体可以设置在工作流体上方或下方的层中。层的布置取决于流体中的每一个吸收辐射的不同波长范围。然而，在大多数实施例中，目标流体和工作流体布置为使得进入的太阳辐射在穿入工作流体之前穿过目标流体。具体地说，在太阳能系统中目标流体层位于工作流体层的上方，使得入射辐射在到达工作流体层之前穿过目标流体层。这使入射辐射被目标流体直接吸收的机会最大化。

[0015] 可选地，流体间分隔层是透明的，作为选择，流体间分隔层可以是半透明的，并且在其它变型中，流体间分隔层以漫射(diffusive)方式透过光。透明分隔层相比于不透明分隔层来说可以允许更大比例的光进入工作流体。漫射或半透明的分隔层可有助于传播进入的光线而不是将这些进入的光线聚焦在小光点上。

[0016] 流体间分隔层可以透过光谱的红外部分、可见光部分和紫外部分中的至少一者中的光。由于地球表面处的太阳光谱主要由光谱的这些区域中的电磁辐射构成，因此在这些频率处透明的流体间分隔层允许大量的入射能量从一个流体穿入到另一个流体，从而提高装置的效率。此外，流体间分隔层能透过电磁波谱的红外部分和可见光部分两者中的光。在一些实施例中，工作流体布置为在可见光光谱中强烈地吸收，并且再次辐射光谱中的待被目标流体吸收的红外部分的吸收能量。因此，在这种实施例中，需要流体间分隔层能透过可见光辐射，以便大比例的进入能量能够到达工作流体。此外，流体间分隔层还应当对红外辐射透明，使得再次被发射的辐射可以以低损失透射到目标流体。

[0017] 可选地，目标流体和工作流体均为液体，而技术人员应认识到，在优选实施例中液态工作流体携带有悬浮在其中的固体颗粒。这允许每一流体循环，从而与固体相比更加均匀地吸收能量。类似地，液体比气体密度大，从而与气体相比单位体积能够储存更多热能。从而，使用液体作为工作流体和目标流体两者提高了装置的整体效率。

[0018] 可选地，系统还包括用于使目标流体通过系统的目标流体层进行循环的装置。具体地说，可以将目标流体从目标流体层的输入连接部(或输入连接区)泵送或虹吸到输出连接部(或输出连接区)。如下文中所详细描述的，目标流体可以穿过目标流体层并且从输出部抽出以直接用于加热、洗涤、巴氏灭菌等。应认识到，如果在流过太阳能系统的单个循环中未达到期望温度，则目标流体可以不止一次穿过太阳能系统。通过使流体多次通过输入连接部循环或通过生成穿过面板的使目标流体多次流过面板的路径(例如通过将含有目标流体的太阳能面板分割成多个部分，使得目标流体在输入连接部与输出连接部之间多次流过面板)可以实现使目标流体多次流过面板而循环。在一个实施例中，可以使用传感器和阀结构来确定从太阳能系统排出的目标流体的温度，并且将流体重新引导回输入侧以用于进一步加热。

[0019] 在优选实施例中，目标流体包括水。这包括纯水、过滤和未过滤水、蒸馏水以及作为溶质的水(例如在盐水或卤水中)。

[0020] 如下文中更详细描述的那样，工作流体还可以是水基的。作为选择，工作流体包括油。

[0021] 优选地，工作流体包括胶体，该胶体包括纳米颗粒的分散相，优选地包括碳纳米颗粒。即，纳米颗粒悬浮在工作流体内。分散介质可以是水或油基的。除较粘稠的油之外，优选地利用高粘度流体或稠化介质(诸如下文中更详细描述的那些，具体地为天然树胶或橡胶或卵磷脂(lecithin))使分散介质变稠。

[0022] 优选地，对于入射太阳辐射的光谱的至少一部分，工作流体中的入射辐射的吸光度或吸光率大于目标流体中的入射辐射的吸光度。例如，如果目标流体包括水，那么在电磁波谱的可见光范围中容易具有低吸光度。工作流体可以被设计为在可见光谱中具有高吸光度，使得工作流体可以用来对目标流体不能吸收的能量进行吸收并且通过将能量作为热能辐射而将能量转换为红外辐射。因此，工作流体可以被设计为对光谱中的不太强烈吸收的部分进行吸收。在一个实施例中，目标流体在窄范围的频率中强烈吸收，但工作流体被设计为提供在横跨宽范围的频率中吸收。

[0023] 在特定实施例中，光谱中的被工作流体比被目标流体更强烈吸收的部分包括可见光波长。优选地，工作流体发射红外波长的吸收辐射。随后目标流体可以吸收被发射的红外辐射。

[0024] 系统的优选实施例还包括上隔绝层(insulating layer)。上隔绝层优选地对电磁波谱的至少可见光波长和红外波长透明。然而，技术人员应认识到，该层不必光学透明(optically clear)，而可以对提供传送能量的入射辐射进行漫射。隔绝层可以简单地包括塑料或玻璃两个层之间的空气间隙。然而，优选地，隔绝层包括静态空气层。这种层可以例如通过设置被膜或隔膜分开的至少两个空气层来实现。膜有助于使隔绝层内的空气分层，并且通过对流减少从系统损失热量。使空气滞留在隔绝层内的可选的方法是在隔绝间隙的一些或全部中设置将空气保留在分开的凹槽中的结构，诸如蜂窝状结构或气密性凹槽的结构等，该结构可以由塑料材料制造。

[0025] 优选地，下保持层包括用于将辐射反射穿回覆盖在其上的层的反射层。因此，第一次穿过太阳能系统的各层时未被吸收的任何能量可以在其穿过各层离开太阳能系统的途中被吸收。

[0026] 在一个实施例中，工作流体与目标流体之间的能量传递主要包括辐射传递。

[0027] 根据另一方面，提供一种高剪切混合系统，其用于使纳米颗粒分散在分散介质中以制造用于太阳能系统的工作流体，该高剪切混合系统包括：

[0028] 用于接纳分散介质和纳米颗粒的表面；

[0029] 刮板；以及

[0030] 用于安装刮板的装置，其中，用于安装刮板的装置布置在与表面相距预定距离的位置处；以及

[0031] 用于移动刮板的装置，其使刮板移过表面(跨过表面移动)。

[0032] 通过使刮板移过表面，可以向纳米颗粒施加大的力以使纳米颗粒在分散介质中均匀混合。可以将刮板按压在表面上，使刮板弯曲并在表面上施加力。当刮板被拖拽通过分散介质和纳米颗粒的混合物时，施加在刮板上的力被传递至混合物，并且对混合物进行混合。由于刮板被按压在表面上，因此仅少量的混合的分散介质和纳米颗粒在刮板下方穿过，并且在表面上形成薄层，同时当刮板在表面上移动时混合物的剩余部分被推到刮板的前方。

[0033] 可选地，用于安装高剪切混合系统中的刮板的装置与表面之间的预定距离是可调节的。用于安装刮板的装置与表面之间的距离确定当刮板移过表面时留下的层的厚度。在第一实例中，当刮板不触碰表面时，通过刮板的下边缘与表面之间的距离可以确定层的厚度。在第二实例中，当刮板触碰表面时，使用于安装刮板的装置与表面之间的距离减少而向刮板施加压力，并且导致刮板弯曲。在这种情况下，当刮板移过表面时，刮板的弯曲部在混合物上施加力，并且混合物的薄层能够在刮板的下方穿过。用于安装刮板的装置越靠近表面，施加越大的力，并且在刮板移动时形成在刮板后方的混合物的薄层越薄。因此，在本实例中更靠近表面的用于安装刮板的装置允许精确地并可再现地生成非常薄的层，从而提供充分混合的分散介质和纳米颗粒的层。

[0034] 在本实例中，刮板可以由任何合适的材料制成，并且该材料选择为使得其弹性提供期望的层厚。尽管可以使用金属刮板，但已发现金属的小杂质可极大地减弱碳纳米颗粒吸收入射辐射的效果。因此，当使用高剪切混合系统来制造含碳纳米颗粒的工作流体(例如用于本文中所描述的太阳能系统和太阳能面板)时，优选地使用例如由塑料或橡胶材料制成的非金属刮板。

[0035] 可选地，用于移动刮板的装置使刮板在表面的平面中旋转。通过将用于移动刮板的装置布置为以旋转方式移动，刮板能够在单次通过中在表面上通过许多次。这意味着可以存在在刮板下穿过的分散介质和纳米颗粒的混合物的恒定流。刮板可以长时间以这种旋转方式移动。例如，使刮板以l00rpm旋转一个星期，实现了略多于一百万次旋转。这种大量的旋转意味着从统计学上来说非常可能的是每个纳米颗粒都已在刮板下穿过，并且相应地得到纳米颗粒在分散介质中高度分散的流体。

[0036] 根据又一方面，提供一种制造用于太阳能系统的工作流体的方法，包括：

[0037] 提供多个纳米颗粒；

[0038] 提供具有大于500cP，优选地大于800cP的粘度的分散介质；

[0039] 在高剪切混合系统中将纳米颗粒分散在分散介质中。

[0040] 高剪切混合系统与有足够粘度(以在一旦分散介质和颗粒混合时将颗粒保持悬浮)的分散介质一起使用能够制造工作流体而无需使用附加的化学物质或添加剂。可选地，该方法还包括在将纳米颗粒分散在分散介质内之前使多个纳米颗粒混合有或涂覆有表面活性剂。在一些实施例中，作为制造纳米颗粒本身的方法的结果，纳米颗粒可以已混合或涂覆有表面活性剂。保持任何留在纳米颗粒上的表面活性剂可以辅助纳米颗粒在分散介质内的分散。

[0041] 制造工作流体的方法可以使用上述高剪切混合系统，并且混合过程还可以包括以下步骤：

[0042] 将分散介质和纳米颗粒置于上述表面上；并且

[0043] 拖拽刮板移过表面。可选地，拖拽刮板多次移过表面，例如数万计。如上所述，使用该混合系统提供了高剪切混合以及对剪切力的可靠控制。允许刮板移过(pass across)表面多次导致极好的混合的工作流体。

[0044] 本文中还描述了用于太阳能系统的工作流体，其中，工作流体包括胶体，胶体包括：

[0045] 分散介质，其具有大于lcP，优选地大于300cP的粘度；以及

[0046] 分散相，其中，分散相包括碳纳米颗粒；

[0047] 其中，使用高剪切混合系统将分散相分散在分散介质内。

[0048] 根据又一方面，提供一种用于吸收太阳能系统中的入射辐射的流体，其中，该流体包括胶体，胶体包括：

[0049] 分散介质，其具有大于800cP且小于1200cP的粘度；

[0050] 纳米颗粒的分散相。

[0051] 在一个实施例中，使用高剪切混合系统将分散相分散在分散介质内。

[0052] 优选地，所述纳米颗粒包括碳纳米颗粒。

[0053] 以下特征同样地应用于前述方法和系统方面。

[0054] 可选地，流体还包括表面活性剂，并且碳纳米颗粒在分散在分散介质内之前可以与表面活性剂混合。

[0055] 在一个实施例中，分散介质包括水以及用于使分散介质稠化的高粘度流体，可选地为卵磷脂。作为选择，分散介质包括油，可选地为蓖麻油。

[0056] 可选地，工作流体还包括用于使分散介质的粘度增加的蜡，可选地为包括巴西棕榈蜡。

[0057] 可选地，碳纳米颗粒的重量为工作流体的重量的至少3％，优选为至少5％，更优选为至少6％。

[0058] 可选地，碳纳米颗粒的重量小于工作流体的重量的10％，优选为小于8％，更优选为少于7％。

[0059] 已发现流体内按重量计约6.6％的碳纳米颗粒提供对入射辐射的良好吸收。

[0060] 碳纳米颗粒可以包括许多不同形状和尺寸的纳米颗粒，然而，纳米颗粒优选地包括管形碳纳米颗粒，可选地，纳米颗粒包括至少25％的管形碳纳米颗粒，优选地至少50％。管形纳米颗粒可以是碳纳米管，或可以包括卷成管形形状的石墨烯片材。这种卷制管被包括在本文中所使用的碳纳米管的定义中。已发现碳纳米管的性能能够很好地吸收入射辐射。

[0061] 可选地，工作流体还包括高透光度材料，可选地包括具有大于70％的透光度的材料。

[0062] 高透光度材料可以包括具有高折射率的材料，优选为具有大于1.4的折射率的材料。

[0063] 合适的高透光度材料包括CaF2和SiO2。

[0064] 工作流体可以包括高透光度材料，高透光度材料与纳米颗粒的重量比小于0.1％。因此，相对于纳米颗粒或分散介质来说仅存在很小比例的高透光度材料。

[0065] 根据又一方面，提供一种用于电磁辐射的阻抗匹配层，该阻抗匹配层包括：

[0066] 第一复合物，其对电磁辐射的透射具有第一阻抗；

[0067] 第二复合物，其对电磁辐射的透射具有第二阻抗，第二阻抗不同于第一阻抗；

[0068] 其中，每个复合物包括载体材料和掺杂剂，载体材料和掺杂剂对电磁辐射的透射具有不同的阻抗；

[0069] 其中，第一复合物包括掺杂剂相对于载体材料的第一比例，以提供对电磁辐射的透射具有第一阻抗的复合物；

[0070] 其中，第二复合物包括掺杂剂相对于载体材料的第二比例，以提供对电磁辐射的透射具有第二阻抗的复合物。

[0071] 因此，通过使用不同比例的载体材料和掺杂剂，可以形成不同阻抗的复合物，并且可以使用这些复合物生成用于电磁辐射的阻抗匹配层。因此，阻抗匹配层形成为具有对电磁辐射的阻抗沿层的厚度而变化的分布，从而使得进入的电磁辐射能够更有效地转移并且减少从匹配层的一侧的材料到匹配层的另一侧的材料的反射损失。

[0072] 可选地，阻抗匹配层包括至少一个居间复合物，居间复合物对电磁辐射的透射的阻抗的值在第一复合物对电磁辐射的透射的阻抗的值与第二复合物对电磁辐射的透射的阻抗的值之间。可选地，阻抗匹配层被设计为位于空气/固体界面处并且阻抗匹配层使入射能量从空气向固体的传送增加，反之亦然。

[0073] 在本实施例中，第一复合物的阻抗比固体的阻抗更接近于空气的阻抗。第二复合物的阻抗比空气的阻抗更接近于固体的阻抗。

[0074] 在一个实施例中，固体包括玻璃或塑料。

[0075] 在一个实施例中，与载体相比，掺杂剂对电磁辐射的透射具有更低的阻抗，并且由此在具有更低的阻抗的复合物中存在更高比例的掺杂剂。

[0076] 掺杂剂可以包括气凝胶，可选地为硅基气凝胶。载体可以包括硅树脂，例如硅橡胶。具体地说，使用硅基气凝胶与硅橡胶组合是特别有利的。这是由于掺杂剂的颗粒通常具有大约与光谱的紫外部分、可见光部分和/或红外部分的光的波长一样大或更大的特征尺寸。这可能减小掺杂的效果，这是由于掺杂剂颗粒起到类似不同阻抗材料的小块(small pocket)的作用，而不是使整个复合物表现为似乎具有掺杂剂的阻抗与载体的阻抗之间的阻抗。然而，在硅橡胶载体中使用硅气凝胶(silica aerogel)掺杂剂减缓了这种有害的影响，这是由于硅橡胶与硅气凝胶之间的界面不是锐利的边界。这意味着掺杂剂颗粒表现得不太像不同阻抗的孤立小块，而更像是使作为整体的复合物的阻抗改变的掺杂剂。

[0077] 此外，气凝胶是疏水的，其可以提供第一复合物的外表面上的自清洁效果。自清洁是阻抗匹配层的重要性能，这是由于如果外表面变脏，则较少光会开始进入层。

[0078] 可选地，阻抗匹配层包括厚度为t的复合物，厚度t与复合物中的处于电磁波谱的下述部分中的光的波长λ有关，地球表面处的太阳能在电磁波谱的该部分最大，t与λ的关系式为：

[0079]

[0080] 其中，n为任何正奇整数。

[0081] 当光从一个材料向另一材料转移时，当波在边界处处于峰值振幅时光被最佳地透过。这对应于整个周波的四分之一(或等效于整个周波的四分之三)。由于阻抗匹配层布置为使横跨光谱的紫外部分、可见光部分和红外部分的宽范围波长的光透过，因此不可能将复合物的厚度与每一个波长匹配。相反，必须选择特定波长以从这种效应受益。因此，有益的是选择使在地球表面处接收的太阳能最大化或接近最大化的波长区域。技术人员应认识到，存在使入射辐射的能量较高或大于阈值水平的波长值范围。因此，存在可接受的波长λ的范围，在该范围里，可以应用上述公式来确定厚度t以及匹配层的可接受厚度的对应范围。

[0082] 另外，通常难以将复合物精确地形成为正确厚度，这是由于所需厚度需要能够将厚度控制到数十纳米的量级。另外，光的波长根据材料的折射率而改变。因此，每个复合物的厚度需要与每个其它复合物的厚度不同以从上述效应获益。由于这些并发问题，通常不能精确地选择将从该效应获益的单个波长。相反，考虑小范围的波长可以可再现地制造阻抗匹配层，但从该效应受益的一个或多个实际波长可能在一定范围内变化。

[0083] 可选地，λ与6×1014Hz与1×1015Hz之间的频率对应。这与太阳传达到地球表面的最大能量的区域对应，并且大致横跨光谱的近紫外至绿色部分。

[0084] 根据另一方面，提供一种太阳能面板，其用于使用入射太阳辐射对目标流体进行加热，该太阳能面板包括：

[0085] 三个主边缘，其布置为使得太阳能面板能够内接于一个三角形中，并且面板的每个主边缘沿三角形的边的至少一部分布置(lie)；

[0086] 用于保持目标流体的腔室；以及

[0087] 用于目标流体的入口和出口，其用于与相邻太阳能面板交换目标流体。

[0088] 通过将太阳能面板制成基于三角形的形状，由于三角形嵌合(tessellate)而可以大面积铺设。在这种情况下，面板的三个主边缘是三个最长的边缘。例如，当面板的边缘沿三角形的边的整个长度布置时，面板本身也将是三角形的，从而仅具有三个边缘。在这种情况下，这三个边缘对应于主边缘的全长。

[0089] 在其它实施例中，面板的主边缘仅沿三角形的一部分布置。在这种情况下，主边缘与副边缘接合在一起，并且面板的形状可以是去除了拐角的截角三角形的形状，也可以被认为是不规则六边形。

[0090] 太阳能面板可以包括位于与三角形的拐角相邻的位置的入口和出口。尽管其它形状也是嵌合的(正方形，长方形，六边形等)，但基于三角形的形状的另一个优点是当入口和出口位于三角形的拐角附近时，可以在相邻的三角形之间形成大量的连接。例如，将三角形与可嵌合的其它形状进行比较，六边形最多可以连接6个相邻的六边形，正方形或长方形可以连接多达8个相邻的正方形或长方形，但三角形能够连接多达12个相邻的形状。因此，当使用基于三角形的形状时，目标流体可以从一个面板流出到大量相邻的面板，从而提供灵活的网络。

[0091] 太阳能面板可以包括三个入口和三个出口。此外，可选地，一个入口和一个出口位于与三角形的每个拐角相邻的位置。如上所述，如果面板具有副边缘，则将入口和出口定位在三角形的拐角附近，具体地，将入口和出口定位在面板的副边缘上，从而提供灵活的网络。

[0092] 太阳能面板可以成形为截角三角形，其具有与三个副边缘相间的三个主边缘，其中，副边缘比主边缘短。对三角形面板进行截角提供了当面板接合在一起时使相邻面板的入口和出口可以连接在一起的空间。

[0093] 太阳能面板的主边缘可以是副边缘的至少3倍长，并且可选地三角形是等边形。

[0094] 在可以与三角形的面板形状结合或独立于三角形的面板形状而提供的特征中，用于保持目标流体的太阳能面板的腔室可以包括内部结构，该内部结构成形为：通过迫使目标流体沿着在入口与出口之间的比直线路径长的路径流动，使目标流体花费在面板中的时间增加。通过迫使目标流体在面板中花费更多时间，目标流体能够达到更高的温度。可选地，腔室由模制的塑料片材限定，或者由连接在容纳目标流体的腔室的上表面与下表面之间的多个塑料片材限定。这使得面板能够容易且便宜地制造。

[0095] 可选地，面板的内部结构导致目标流体在面板内循环。例如，流体可以采用穿过面板的螺旋形路径。

[0096] 太阳能面板可以被设置成不同的尺寸，例如大面板可以具有长度在0.9m与1m之间的主边缘；中等面板的主边缘可以在0.5m与0.7m之间；并且小面板的主边缘可以在0.2米与0.4米之间。在优选的实施例中，布置6个左右较小面板的阵列以为赤道地区的单个用户提供足够的热水。

[0097] 太阳能面板还可以包括上述太阳能系统。如上所述，目标流体与工作流体结合使用可以提高系统的性能。

[0098] 可选地，工作流体是如上所述用于吸收入射太阳辐射的流体。

[0099] 根据又一方面，提供一种太阳能面板的网络，其用于使用入射太阳辐射对目标流体进行加热，该网络包括：

[0100] 第一太阳能面板；以及

[0101] 第二太阳能面板；其中

[0102] 第一太阳能面板和第二太阳能面板均包括用于保持目标流体的腔室，并且第一太阳能面板和第二太阳能面板联接在一起以允许目标流体在它们之间流动；并且[0103] 还包括用于选择性地使流体流进各个面板中的装置。

[0104] 当选择性地允许流体流进各面板中时，流体可以环绕网络地受到引导。例如，可以基于每个面板有多热来引导流体。当面板较冷时，例如由于其处于阴凉处，则目标流体不会被送到该面板，因为该面板不能有助于加热目标流体。因此，通过避免使用较冷的面板可以提高网络的效率。

[0105] 优选地，通过限制或允许流体流进面板来控制通过太阳能面板阵列的流体流。然而，流体从面板流出不受限制。

[0106] 形成网络的一部分的太阳能面板优选为上述的太阳能面板。

[0107] 可选地，网络中的太阳能面板布置为与另一太阳能面板相邻，并沿两太阳能面板的主边缘中的一个彼此联接。如上所述，将太阳能面板沿其主边缘连接在一起意味着面板在其拐角(或副边缘)处交汇。这为每个面板提供了多达12个相邻面板来交换目标流体，并提供了灵活的网络。

[0108] 网络中的太阳能面板可以能调节地和/或柔性地接合在一起，使得相邻面板之间的距离和/或角度能够变化。这允许面板安装在具有复杂底层几何构型的表面上，这是由于网络可以弯曲以将面板安装到底层表面。

[0109] 可选地，每个面板具有与相邻面板联接的入口和出口，并且通过选择性地打开或关闭入口来控制目标流体的流动。

[0110] 可选地，目标流体能够在相邻面板之间沿任何方向流动。

[0111] 通过阀控制网络周围的目标流体的流动，阀构造为在高于第一预定温度下打开，并且在低于第二预定温度下关闭。合适的开关温度可以是60℃，因为这是足够高到杀死大多数水传播病原体的温度。因此，允许水流入约60℃的面板中，并防止水流入低于该温度的面板中，这有助于确保系统中的所有水都被消毒。

[0112] 网络中的阀可以包括布置为响应于温度而改变形状和/或尺寸的物理阀。例如，该物理阀可以是具有穹顶状主体的隔板，隔板响应于由隔板的热膨胀或热收缩产生的应力而使自身倒拱(反弓)。布置以这种方式操作的阀意味着在该位置不需要复杂的控制系统。相反，绕过较冷的面板是系统的内在特征。

[0113] 根据又一方面，提供一种用于温度控制阀中的隔板，其包括穹顶状主体，隔板构造为响应于由隔板的热膨胀或热收缩产生的应力而在预定温度处使自身倒拱。这种隔板便宜且易于生产。

[0114] 通过隔板的几何构型或材料可以确定隔板使其自身倒拱的温度。这允许根据预期用途生产各种不同的隔板。

[0115] 可选地，隔板由塑料材料制成，例如隔板部分地由聚偏氟乙烯(PVDF)或聚丙烯制成。隔板可以由多于一种材料制成，每种材料具有不同的热膨胀系数。塑料便宜、容易获得并且易于成形。

[0116] 隔板可以具有横跨隔板而变化的厚度。这提供了在生产期间可以设定隔板自身倒拱的温度的方式。

[0117] 应认识到，上述的本发明的方面可以单独实施或者与其它方面结合实施。一个方面的优选特征可以应用于其它方面。还提供了用于实现所述方法的设备和操作所述的设备的方法。还提供了包括指令的计算机程序、计算机程序产品和计算机可读介质，这些指令用于对制造和控制本文中所描述的系统的设备进行操作。

附图说明

[0118] 现在，将参考附图将对本文中所描述的设备和方法的各实施例进行更详细的描述，其中：

[0119] 图1是根据一个实施例的太阳能热系统的示意图；

[0120] 图2是根据又一实施例的太阳能热系统的示意图；

[0121] 图3是根据实施例的太阳能面板的平面图；

[0122] 图4A和图4B是根据实施例的太阳能面板的网络的平面图；

[0123] 图5A和图5B是根据另一实施例的太阳能面板的平面图；

[0124] 图6是高剪切混合器的示意图；

[0125] 图7A和图7B是根据又一实施例的高剪切混合器的示意图；

[0126] 图8示出了根据一个实施例的阻抗匹配层的制造的步骤；

[0127] 图9示出了根据一个实施例的阻抗匹配层；

[0128] 图10示出了根据一个实施例的阻抗匹配层的制造中的压延处理(calendering process)；

[0129] 图11A是根据一个实施例的隔板的示意图；并且

[0130] 图11B和图11C提供了用作管道中的阀的图11A的隔板的示意图。

具体实施方式

[0131] 图1示意性地示出了太阳能热系统的实施例。该系统包括以平板布置而堆叠的多个层。第一层(即上层)包括保护性玻璃层118，保护性玻璃层118为面板提供一些结构稳定性和保护。玻璃是刚性的、耐划的并且对于入射电磁照射的广谱是透明的，因此玻璃是用于太阳能热系统的上层的合适的材料。然而，技术人员应认识到，诸如透明塑料等其它材料可能也是合适的。应认识到，上层不必光学透明，而可以对光进行漫射。

[0132] 在上玻璃层下方提供目标流体120的层。目标流体是这样的流体：太阳能热系统被设计为将太阳能传递到该流体中。通常，目标流体包括水。水对于入射太阳辐射的一些波长，特别是可见光波长或更小波长的辐射是透明的。因此，大比例的入射辐射将直接穿过水134。然而，水对红外波长处的辐射是不透明的。因此，红外波长及更大波长的入射辐射在进入系统时被吸收进目标流体中，从而可以用来对水进行直接加热。这样使入射辐射的光谱的该有用部分在被目标流体吸收之前必须穿过的层的数量最小化。

[0133] 在至少一些实施例中，使入射辐射首先穿过目标流体的另一优点在于，入射紫外辐射将对目标流体具有巴氏灭菌或抗菌效果。这在例如被设计为以巴氏灭菌法对水进行灭菌的系统中可能是有益的。

[0134] 目标流体被更深玻璃层122支撑，这也使目标流体120与工作流体124的层分开。实际上，只要光透过该更深层122(也被称为流体间分隔层)，就可以使用工作流体124和目标流体120两者从阳光提取能量。因此，可以将诸如透光塑料等任何材料用于流体间分隔层122。

[0135] 由于入射在地球表面上的较大比例的太阳能在电磁波谱的红外区域、可见光区域和紫外区域中，因此优选地，流体间分隔层122能透过这些区域的任何一者中的光。优选地，层122能透过光谱的红外部分和可见光部分中的光，这是由于这两个区域合起来占据到达地球表面的太阳的能量的大部分。

[0136] 在这种情况下，“能透过”意味着光不会被层阻挡。例如，如果层是透明的，则光可以几乎完全不受影响地穿过。作为选择，层可以是漫射或半透明的，在这种情况下，入射光线以不相干的方式被大致散射，但仍穿过层。

[0137] 工作流体被设计为对目标流体吸收差的波长的入射辐射具有高吸收。具体地说，如下文中更详细描述的，工作流体被设计为吸收高比例的光谱的可见光部分内波长的入射辐射。辐射的吸收导致工作流体升温并且发射红外辐射136、138。红外辐射被透过136或反射138回目标流体120以供吸收。

[0138] 在工作流体下方，设置下玻璃层126，下玻璃层126覆盖图1作为单个层示出的反射和隔绝层130(但也可以设置为两个单独层)。具体地说，可以通过向玻璃层126的下表面添加反射涂层来提供反射层。隔绝层可以由诸如聚苯乙烯、聚酯或其它塑料基材料，或者隔绝毡或毛织品等任何合适的有机或无机材料形成。

[0139] 来自本文中描述的任何系统的目标流体可以直接用于饮用、烹饪、供暖或洗涤，或者可以用于对其它流体或物品进行消毒、巴氏灭菌。受热流体还可以用于空间或水加热、干燥、清洁或太阳能驱动冷却。本文中所描述的系统还可以用作蒸馏过程的一部分，例如，用于盐水的脱盐。尽管目标流体优选地被直接使用，但可以将来自目标流体的能量传递到图1所示的太阳能热系统的外部的另一介质(诸如另一流体等)中，或在图1所示的太阳能热系统的外部传递为另一形式(诸如电能等)。

[0140] 图2是根据第二实施例的太阳能热系统的示意图。图2的系统并入了上述图1的所有元件，但包括若干个附加层以改进系统的性能或稳健性(robustness)。

[0141] 具体地说，面板的上玻璃表面覆盖有附加层以降低从面板损失热量并且向面板提供附加的强度和弹性(resilience)。面板覆盖有外玻璃或塑料基层210，其实施例将在下文更加详细讨论。

[0142] 外层210的下方是包括两个密封部212、216的空气间隙，两个密封部212、216填充有空气并且被薄塑料膜214或隔膜分开。薄塑料层使空气间隙212、216内的空气分层，以减少该空间中的空气的移动，从而减少外层210与玻璃表面218之间的热量的移动。塑料膜可以由任何合适的塑料材料制造，例如聚乙烯(FIDPE或LDPE)或聚氯乙烯。

[0143] 包括外层和分层的空气间隙的该外结构减少从太阳能面板中的目标材料损失热量。

[0144] 接着外结构的是上文关于图1已经描述的层：上玻璃层218、目标流体220(在这种情况下包括水)、第二玻璃层222、工作流体224(在这种情况下包括碳纳米流体)以及第三玻璃层226。

[0145] 优选地，又一空气间隙228布置在第三玻璃层226的下方以提供隔绝并且减少从面板的下表面损失热量。最后层如在图1的实施例中那样包括反射层230和隔绝层，但在本实施例中提供两个单独的层。

[0146] 期望的是，使图1和图2中所描述的面板中的每个层在仍能够保持功能的同时尽可能薄和轻。通常，每个玻璃层将为约1mm厚，并且目标流体和工作流体的层的厚度将为0.5mm至1mm。然而，其它层可以薄得多；具体地说，不需要使薄膜层比约0.01mm更厚，并且反射层可以简单地包括厚度也为约0.01mm的箔的薄层或简单地为涂布在相邻玻璃或隔绝层上的涂层。面板(诸如图2所示的面板)的总厚度应当小于20mm，优选地小于15mm，优选地厚度为约10mm。

[0147] 面板的厚度的减少使其成本减少，这是由于减少了制造面板所需的材料的量。这还导致更轻重量的面板，使得面板更容易和更便宜地运输、安装和使用。

[0148] 还应注意的是，以上参考图1和图2所述的面板中的固体层都不需要是光学透明的，并且实际上，提供漫射的光学层可以减少从面板损失的未吸收的电磁能，这是由于能量更加难以被反射出面板。此外，存在可以制造这些层的许多合适的材料，例如透光塑料或玻璃。如上文所强调的那样，能透射电磁波谱的红外部分、可见光部分和/或紫外部分是优选的，因为这些光谱区域共同占据地球表面处绝大多数的入射太阳辐射。

[0149] 尽管面板可以制成任何形状，但面板的特别有利的形状是基于三角形形状的。例如，图3示出了具有大致三角形形状的太阳能面板302。实际上，该形状是不规则的六角形，或者是截角三角形，也就是去掉角的三角形。面板的形状为使得其具有三个主边缘306和三个副边缘308。主边缘306布置为使得它们沿着(即，它们对准于)三角形304的边，如在该附图中以虚线示意性地示出的。重要的是应注意，该三角形304不是太阳能面板的一部分，而仅仅是为了说明的目的而示出，以便突出显示太阳能面板的形状的三角形基础。当然，太阳能面板的主边缘306可能一直延伸到三角形304的拐角，使得面板302本身是三角形的。

[0150] 图3所示的面板基于等边三角形，但取决于期望的应用，作为替代可以基于其它三角形。

[0151] 现在转到图4A和图4B，在网络400中示出了多个太阳能面板402、403。在图4A中，中央面板402被相邻的面板包围。这里，面板的形状是三角形。在该附图中，面板402、403可以具有入口和出口以用于与位于三角形的拐角处的相邻面板交换目标流体。这意味着存在这样的区域407：许多面板可以在这些区域407处彼此联接以交换流体。在该实例中，每个区域407具有与其链接的6个面板。这意味着中央面板402总共能够与12个相邻面板链接以交换目标流体。这种高度的连通性意味着所得到的网络非常灵活，并且可以顺应凸面、凹面或圆形形状。

[0152] 在图4B中，面板402均具有截角三角形(或不规则的六边形)形状。另外，网络400是不规则的形状。显而易见的是，通过在需要的地方简单地添加更多的面板，网络的整体形状可以适应宽范围的形状和尺寸。另外，面板可以彼此连接，从而可以调节面板之间的距离和/或角度。这允许网络顺应底层几何构型，即使底层几何构型不是平坦的。应进一步认识到，可以不是所有的面板都沿着它们的边缘相互连接，如果需要顺应底层几何构型，可以在一些相邻的面板之间留下更大的间隙。

[0153] 在6个面板402交汇的位置处，由于三角形的截角而存在间隙。这允许为流体交换枢纽407提供比使用规则三角形形状面板更多的空间。在该实例中，副边缘408包括用于面板的入口和出口，使得每个面板均可以在任何流动方向上与相邻的面板交换目标流体。

[0154] 可出于各种原因而控制目标流体环绕网络400的流动。最重要的是，可能存在特定面板比其它面板冷得多(可能是因为太阳已经在天空中发生移动并且面板现在处于阴影中)的情况。如果目标流体流向该面板，则网络的总体加热功率将降低，并且最终的流体输出将处于较低的温度。因此，通过选择性地将特定面板的入口阀关闭使得较冷的面板被绕过，可以有利地使环绕网络的目标流体的流动转向。

[0155] 现在转到图5A和图5B，示出了太阳能面板502的一些内部结构。具体地，图5A示出了具有三个内壁510的太阳能面板502，三个内壁510成形为引导目标流体朝向面板502的中心的流动。同样，该面板502的入口和出口位于面板的副边缘508中。流动路径512示出了在左上角进入的流体如何前进通过面板。不同于能够沿着面板的一个主边缘行进并且一旦到达另一副边缘就离开的情况，流体在达到面板的中心之前必须几乎流过主边缘的整个长度。为了离开面板，流体必须行进几乎两个主边缘的距离。

[0156] 现在考虑图5B，其中示出了类似的内部结构。但是，在这种情况下，存在六个内壁510a和510b。实际上，这与图5A中所示的设计相同，但在原始设计内嵌套有较小形式的相同设计。显然，在该附图中流体到达面板的中心的路径长度512甚至比图5A中的路径长度更长。一旦到达中心，流体必须反过来贯穿相同长度的路径，以便离开面板。对于技术人员显而易见的是，嵌套与图5A的内部结构类似但较小形式的内部结构的过程可以根据需要多次重复，例如形成螺旋结构。

[0157] 对于技术人员显而易见的是，存在可用于增加当流体行进穿过面板时流体的路径长度的许多不同的设计。例如，尽管图5A和5B中的实例均使用直壁，但也可以额外地使用或替代地使用弯曲壁。

[0158] 当入射太阳辐射从空气转移到本文中所描述的太阳能面板系统的每个层中时，约20％的能量通过反射而损失。为了减少每个空气/固体界面处的能量损失，可以设置匹配层。匹配层具有这样的分布：使得匹配层对电磁辐射的阻抗随着穿过层而从接近于空气阻抗的值变化到接近辐射所穿入的固体的阻抗的值。匹配层可以附着到或形成在每个固体层的与空气接触的表面上，使得匹配层在使由于反射和折射率的突然变化引起的能量损失最小化的同时，能使电磁辐射转移进和转移出每个层。

[0159] 作为具体的实例，太阳能面板的顶部玻璃层的外表面或上表面优选地涂覆有匹配层以使电磁辐射从空气到玻璃层中的转移平顺。另一匹配层可以形成在玻璃层的下部“出口”侧上，以使电磁辐射返回到第一隔绝空气间隙中的转移平顺。

[0160] 匹配层包括多个复合物、层体(stratum)或子层，复合物、层和子层中的每一者具有相对于电磁辐射的穿过逐渐增加的阻抗。在图9中示意性地示出了根据本文中所描述的实施例的匹配层。入射辐射906遇到的第一复合物900具有接近于空气阻抗的阻抗。在入射辐射到达玻璃层908之前的最后复合物904具有与玻璃的阻抗相似的阻抗。居间复合物(并且在图9所示的实施例中，被示为单个居间层902)具有介于空气与玻璃之间的阻抗。

[0161] 与本文中所描述的太阳能板系统一起使用的优选实施例包括至少2个，优选为至少3个复合物或子层。然而，对于其中透射非常高比例的入射能量是重要的其它实施例而言，可以使用更多数量的层。根据本文中所描述的方法可以制造包括10、20、50层或更多层的阻抗匹配层。在这样的实施例中，每层之间的阻抗差异非常小，使得当入射辐射穿过匹配层的每个复合物时，入射辐射不会感知到反射或折射的边界。

[0162] 在图8中示意性地示出了复合层中的每一个的成分。通常，每种复合物由基础载体材料800形成，基础载体材料800的阻抗与电磁能所穿过的材料的阻抗相似。在太阳能面板实施例中，合适的基础载体材料是液体硅树脂，液体硅树脂透明、便宜并且易于使用。

[0163] 基础载体材料被分成多个部分，基础载体材料的每个部分被掺杂或混合有不同比例的掺杂剂材料802，掺杂剂材料802的阻抗显著低于载体材料的阻抗。对于本文中所描述的太阳能面板实施例，基于碳或硅的气凝胶将是合适的掺杂剂材料。气凝胶的使用提供了附加的优点：这些材料是高度绝热的，并且气凝胶的疏水性能也赋予层以自清洁性能。

[0164] 提供或制造粉末形式的气凝胶，其可以在例如如本文中所描述的高剪切混合系统中直接混入载体材料中。

[0165] 将气凝胶添加到液体硅树脂中降低了载体材料部分或复合物的阻抗。匹配层内的每个复合物以不同的和增加的比例掺杂气凝胶，以降低载体材料的阻抗，直到最后复合物的阻抗接近于接收辐射的空气的阻抗。与之对比，靠近电磁辐射所穿入的固体(诸如玻璃)的复合物的阻抗接近于固体层的阻抗。

[0166] 紧邻固体表面(例如玻璃层)处的复合物的阻抗与固体表面本身的阻抗值的差在固体表面本身的阻抗值的30％以内，优选在20％以内。紧邻空气处的复合物的阻抗与空气的阻抗值的差在空气的阻抗值的30％以内，优选在20％以内。

[0167] 在具体实施例中，硅橡胶与数量逐渐增加的硅基气凝胶混合以形成用于匹配层的复合物。这导致具有疏水性表面且折射率接近于1的光学透明材料。

[0168] 另外，硅橡胶与硅气凝胶是特别合适的组合，因为硅橡胶“光学地藕接(optically grab)”硅气凝胶。即，这些材料之间的边界并不清晰，而是表现得好像是更加渐进的边界。这导致硅气凝胶起到更像掺杂剂的作用，而不像具有不同阻抗的杂质区域。

[0169] 一旦具有不同阻抗值的复合物已被混合，则将每一层卷起，或压延成片或条。然后按阻抗的降序将不同阻抗的层堆叠在彼此之上。然后使用另一压延处理将这些层压在一起以形成完整的匹配层。

[0170] 图10中示意性地示出了用于压延的设备。将复合物1000供给到压延设备中，压延设备包括两对相对的辊1002a、1002b，一对辊中的每个辊沿相反方向旋转以使复合物1000在辊之间穿过并被挤压或碾制成扁平的层或层体。如技术人员应认识到的，图10是压延设备的一个实施例的示意图，并且许多不同类型的压延设备可适合于将复合物转换成层。具体地说，可以设置3组或更多组辊，每组辊具有比前组辊更小的辊间距，以将复合物压延成更薄的层。

[0171] 应认识到，还可以使用其它类型的压延或挤出装备以从掺杂的复合物形成层。

[0172] 尽管在匹配层中不同阻抗的两种复合物可能足以显著增加穿入太阳能面板系统中的电磁能量的比例，但匹配层优选地包括至少3个复合物。在示例性实施例中，匹配层中第一复合物的阻抗为约空气阻抗的120％，第三层的阻抗为约辐射穿过的玻璃层的阻抗的80％，并且第二层(即中间层)的阻抗大致在第一层和第三层的阻抗的中间。一旦具有不同掺杂水平的多个复合物已经形成并且通过第一压延处理，则通过按阻抗的降序堆叠压延复合物并且使堆叠层穿过另一个压延设备而形成阻抗匹配层本身。每个复合物可以形成为具有与在地球表面处接收的太阳能最大的那部分电磁波谱中的光的波长的四分之一的奇数倍相等的厚度。这可以有助于使该波长的更多能量透过层。在实践中，难以形成恰好该尺寸的层，并且更通常的是选择所需波长的范围，使得当层被制造出时，即使该范围内的具体波长将难以选择，层将具有对于在该范围内的波长的透射而言最佳的厚度。

[0173] 一旦阻抗匹配层形成，阻抗匹配层包括薄的、基本透明的膜，该膜可以覆盖于压敏粘合剂中用于附着到太阳能面板层的表面，该表面存在从固体到流体的界面，包括玻璃/塑料与空气层之间的界面以及玻璃/塑料与目标/工作流体层之间的界面。合适的粘合剂包括丙烯酸或硅树脂粘合剂的薄层。

[0174] 然而，在可选实施例中，在制造固体层时，匹配层可以与固体层一体形成。这使得匹配层能够形成并固定到固体层而不需要居间粘合剂层，居间粘合剂层可引入入射辐射所遇到的阻抗的不连续性。这种一体形成的实施例在材料需要光学透明的情况下可能特别有用，例如下文更加详细描述的那些情况。

[0175] 技术人员应认识到，除了形成用于将电磁能量转移进和转移出太阳能面板的层的匹配层之外，上述匹配层还具有许多应用。具体地说，可以使用光学阻抗匹配层来使被设计为能够透过电磁辐射的任何材料的透光度增加。具体地说，向形成窗户或挡风玻璃的玻璃的进向(inbound)表面，优选为出向(outbound)表面，添加阻抗匹配层可以增加能量穿过玻璃的传输，这减少了来自玻璃的反射，因此增加了玻璃本身的可见度。在具体实施例中，可以将匹配层(诸如本文中所描述的那些)附接到汽车或飞机的挡风玻璃。类似的匹配层可以用作眼镜、太阳镜、遮阳板或护目镜的涂层。还可以将匹配层(诸如本文中所描述的那些)用于减少来自玻璃表面(诸如电子或计算机装备的屏幕)的反射。

[0176] 阻抗匹配层的另一个应用是在光学、天文学、医学成像和照相装备中，在这些装备中阻抗匹配层可以应用于诸如透镜、显微镜、望远镜、反射镜和光源(诸如激光器等)等成像装备。

[0177] 在另一实施例中，可以使用诸如上述匹配层的匹配层来制造单向玻璃，该单向玻璃在一个方向上具有高透光度，但是对于从另一方向入射的光具有显著的光学阻抗差异(显著地减少了光在这个方向上的透光度)。

[0178] 尽管可以使用多种不同类型的工作流体和目标流体来实现上述太阳能热系统，但在具体实施例中，工作流体优选地包括纳米流体，即悬浮有纳米颗粒的流体。下面将更详细地描述该实施例。

[0179] 在本实施例中使用的纳米颗粒包含碳纳米颗粒。这些可以相对便宜地制造，并且在可见波长的光吸收方面具有有用的性能。具体地说，碳纳米颗粒的未改性和未经过滤的样品呈现为黑色，这是因为碳纳米颗粒包括宽范围的碳纳米颗粒尺寸，并且具体地说是不同的碳纳米管直径，不同尺寸碳纳米颗粒各自优先地吸收跨过可见光谱的不同波长的光。

[0180] 镍铬氧化物、氧化镍或镍铬的纳米颗粒也可用于本系统的实施例中，以代替碳纳米颗粒或者优选地与更大比例的碳纳米颗粒一起混合。镍的合金(诸如所列举的那些)在本系统的工作流体中是特别有用的，因为镍的合金具有低辐射系数并且易于吸收入射辐射。

[0181] 在流体内使用纳米颗粒显著增加了流体内的可用于吸收太阳能量的表面积。增加或最大化吸收表面积使流体吸收太阳能量的能力增加。通常在热式太阳能面板中用于吸收太阳能的1m2的黑色塑料具有1m2的吸收表面积。与之对比，1cm3的纳米流体具有1300m3的表面积。

[0182] 因此，流体内的纳米颗粒产生大量的能够吸收太阳能的表面积。实际上，每个纳米颗粒具有吸收如此多的能量的能力，使得纳米流体的薄层的吸收能力大于在平板太阳能热系统中通常从太阳入射的辐射的量，并且被吸收的入射辐射的比例很高。因此，技术人员应该认识到，本文中所描述的纳米流体也可以优选地用于聚光式太阳能热系统。

[0183] 纳米流体包括由碳形成的多个纳米颗粒。已经发现，为了在本文中所描述的实施例中作为有效的纳米流体进行操作，没有必要使用形状或尺寸特别均匀的纳米颗粒。然而，已经发现某些类型的纳米颗粒对于本文中所描述的系统是有效的，并且在下文中更加详细地突出和讨论了这些纳米颗粒。然而，通常地，可以将形成为管、球体、富勒烯、板或不规则形状的，尺寸大约为30至300nm的碳颗粒的混合物用在本文中所描述的工作流体的制取中。

[0184] 这种碳纳米颗粒可以从商业来源购买，或者可以使用诸如形成石墨烯的乙炔化学气相沉积(可以形成碳纳米颗粒)等工艺来形成。在具体工艺中，使用机械混合工艺(诸如杵和臼等)将表面活性剂与石墨烯混合。当表面活性剂涂布于石墨烯时，表面活性剂通过使石墨烯片材破裂成层并卷成碳纳米管和纳米颗粒(诸如富勒烯颗粒等)而使石墨烯官能化(functionalise)。碳纳米管可以是封闭的管状结构，或者可以简单地包括卷成管状的石墨烯层。在本系统的实施例中，纳米颗粒的精确形状、尺寸和均匀度并不被认为是重要的。事实上，提供各种形状和尺寸的纳米颗粒可以帮助吸收跨过宽的光谱的电磁能量。表面活性剂的更多细节在下面列出。

[0185] 为了形成在上述太阳能热设施内用作工作流体的纳米流体，将碳纳米颗粒与流体混合。纳米颗粒应在整个流体中均匀混合并分散在流体内以使可用于吸收辐射的颗粒的表面积最大化。

[0186] 如下面更详细描述的，将纳米颗粒混合以形成悬浮在流体分散介质中的形成分散相的纳米颗粒的胶体。

[0187] 可以使用化学添加剂使纳米颗粒在流体内混合，以减少纳米颗粒的表面张力和表面能，并且充分克服范德华力和来自氢键的分子间力以使纳米颗粒能够在流体内分散。

[0188] 具体地说，已经发现表面活性剂有助于中和纳米颗粒的疏水性能并使得颗粒更均匀地分散在整个流体中。不同于在该处理阶段添加表面活性剂，已经发现，从纳米颗粒的官能化所保留下的已经与纳米颗粒一起存在的表面活性剂在使用如下方法分散颗粒时足以辅助纳米颗粒分散在整个流体中。

[0189] 用于将纳米颗粒官能化并分散在流体内的合适的表面活性剂包括简单的皂(尤其在水基流体中使用)，或卵磷脂(尤其在油基流体中使用)。

[0190] 还应该注意的是，有利地，苯环通常保持与碳残留物中的碳纳米颗粒附着，这增加了碳纳米颗粒在油基分散液中的溶解度。这种苯环的存在减少了添加其它试剂以增加纳米颗粒的溶解度的需要。

[0191] 因此，尽管可以添加其它化学品以积极地促进流体在流体内的分散，但令人惊讶的是，已经发现，使用机械分散方法可以实现纳米颗粒在流体内的良好分散，而不需要其它化学添加剂。解决该问题的方法(使所使用的化学品的数量最小化)可以改善纳米流体对环境的影响，简化制造并降低制造成本。

[0192] 纳米颗粒在流体内的机械分散尤其可以使用非常高的剪切混合系统或高剪切均化器来实现。存在这种系统的许多实施例，但这些实施例通常包括至少一个旋转刮板和至少一个固定定子，以用于通过使流体的相邻部分相对于彼此以不同的速率移动而在流体内产生高剪切力。图6中示意性地示出了基本的高剪切混合器的简化图，以说明这种混合方法的原理。在这种混合器中，一定形状的旋转刮板或转子610将流体朝该旋转刮板或转子61向上抽吸，并且使最接近刮板或转子610的流体相对于作为整体的流体主体高速旋转运动。然后流体从转子被向外推进通过称为定子612的静态元件，定子612包括多个孔口614。当流体穿过孔口614时，流体内的单元(element)(在这种情况下是纳米颗粒组团)被分解成更小的聚集体或单个单元，从而增加了颗粒在流体中的分散性。

[0193] 使用两组相互啮合的同心刮板可以实现更有效的高剪切混合器。每个刮板是圆形的并且包括多个齿。使刮板组中的一组在另一组内高速旋转，使得旋转刮板(转子)紧挨着静止刮板(定子)，并且接着的是直到混合器的边缘的其它对旋转刮板和静止刮板。流体被输入到旋转刮板的中心，并通过旋转刮板和静刮板被向外抽出。当流体通过混合器时，流体内的颗粒被分解和分散。

[0194] 技术人员应认识到，尽管以上已经描述了高剪切混合系统的元件，但是可以利用这种系统的多个不同实施例以将颗粒充分地分散在流体内。

[0195] 非常高的剪切混合系统可以提供纳米颗粒在流体内的均匀分散，并且颗粒如此分散和分解，以至于这种方式混合的流体的沉降时间长达数千甚至数百万年。

[0196] 图7A和7B显示了另一种高剪切混合系统。从图7A开始，显示了混合系统700的平面图。其包括可旋转地安装用于安装刮板的装置704的中心轴线706。在用于安装刮板的装置704的下方是表面702。该表面被壁710围绕。在操作中，将要被混合的流体放置在表面702上。通过壁710防止流体离开表面。如箭头708所示，用于安装刮板的装置随后围绕中心轴线
706旋转。

[0197] 为了更好地显示当流体在表面702上时用于安装刮板的装置的运动的效果，图7B中从侧面示出了布置700。这里，示出了安装在用于安装刮板的装置704上的刮板705。用于安装刮板的装置704被示出为保持与表面702相距预定的距离。刮板705与表面接触并弯曲，从而在表面702上施加力。当刮板沿着箭头708所示的方向移动时，刮板对流体712a进行压缩。大部分流体712a被推到刮板的前方，但小比例的流体712a被挤压在刮板705下方，并在刮板后方形成薄层712b。当流体被挤压在刮板下方时，流体以高剪切方式混合。

[0198] 用于安装刮板的装置704与表面702之间的距离越小，刮板施加的力越大(因为刮板弯曲越多)，这导致更高的剪切混合，同时使得刮板后方的层712b更薄。在可选布置中，刮板不与表面接触，而是与表面保持很短的距离。然后，流体在穿过过小间隙时被混合。

[0199] 由于刮板可旋转地安装在中心轴线上，因此多次旋转导致流体以这种方式反复混合。作为选择，该系统可以包括刮板相对于表面的线性运动，但优选地具有旋转运动，因为这允许以简单的方式反复混合。

[0200] 刮板可以由任何材料制成，这取决于弹性要求和所需的剪切力。类似地，表面可以由任何材料制成，只要表面坚硬且相对光滑即可。只要当刮板在表面上移过时刮板顺应表面的轮廓即可，不需要表面平坦或平整。在制造用于本文中所描述的太阳能面板的工作流体的具体应用中，已经发现小金属颗粒与碳纳米颗粒结合，降低了碳纳米颗粒吸收辐射的能力。因此，对于这种用途，在这种实施例中推荐使用非金属刮板和表面。例如塑料或橡胶刮板以及玻璃表面适用于此用途。

[0201] 一旦纳米颗粒已经分散在流体分散介质中，重要的是纳米颗粒保持在流体内悬浮，并抵抗沉降和聚集或絮凝。分散颗粒的流体的粘性可用于减缓这些过程并将颗粒保持在溶液中。

[0202] 优选地是，流体粘度大于500cP(其中1厘泊，lcP＝1mPa·s)，优选地大于800cP。

[0203] 然而，如果纳米颗粒能够在一定程度上在流体分散介质内流动，则也是有益的，这是因为纳米颗粒的这种流动或混合可有助于使颗粒能够在流体中保持悬浮。因此，流体的粘度应小于2500cP，优选地小于2000cP，进一步优选地小于1200cP。

[0204] 上述粘度涉及当工作流体较冷(在约20℃)时分散介质的粘度。油基工作流体的粘度随温度升高而降低。然而，如果在较高温度下的流体(当流体暴露于入射辐射时)的粘度低于在较低温度下的粘度，则是有利的。在较高的操作温度下具有较低粘度可以使纳米颗粒在吸收入射光子时更自由地移动。纳米颗粒的这种移动可以有助于将热能更均匀地分布在整个流体中，并且还可以有助于搅拌流体内的纳米颗粒，减少沉淀并保持颗粒分散在整个流体中。因此，当工作流体吸收入射辐射并处于其操作温度时，工作流体的粘度可以降至500cP以下。

[0205] 然而，当没有入射辐射来“搅拌”流体内的纳米颗粒并且更可能发生颗粒的沉降时，维持相对高的流体粘度更重要。因此，在本申请中的讨论集中于在低温下流体的粘度。如下文更加详细讨论的，向分散介质中加入蜡可以辅助提高分散介质的粘度，并且在操作中增加冷却流体与工作流体之间的粘度变化。

[0206] 悬浮有纳米颗粒的合适流体可以是水基或油基的。与水的比热容相比油较低的比热容意味着对于相同的入射辐射，油基流体的升高增加将大于水基流体的温度升高。这使得工作流体能够更快速地加热和冷却，从而减少储存在工作流体中的热量，并且一旦面板暴露于入射辐射，就增加目标流体开始被加热的速度。油还倾向于具有比水更低的冰点和更高的沸点，并且许多温度是在正常环境条件下太阳能热面板预期遇到的温度范围之外。油还倾向于具有比水更高的粘度，这有助于纳米颗粒的悬浮。因此，使用油基流体有许多优点。然而，水是容易获得的、无污染的并且可以如本文中所描述的那样进行改造以将纳米颗粒携带在如本文中所描述的工作流体中。

[0207] 合适的油可以包括烃油，但包括蓖麻油、大豆油、椰子油或棕榈油的天然油或有机油是优选的。具体地说，蓖麻子油或蓖麻油具有约1000cP的粘度，并且即使不添加添加剂也将是合适的分散介质。

[0208] 无论工作流体是油基还是水基，可能都需要增加其粘度以使工作流体在上述范围内。可以将多个添加剂与基础流体混合，以便将其粘度提高到500cP以上，优选至约1000cP。可以使用的高粘度流体包括硅树脂或重油；然而，这种材料不太符合环境要求，并且可能会增加对太阳能面板寿命终结产生影响的问题。因此，有机材料是优选的，合适的材料包括琼脂、阿拉伯树胶(gum aribica)、诸如藤壶提取物等天然提取的产物。可以用来增加载体流体的粘度的另一种材料是卵磷脂，特别是大豆卵磷脂或合成形式的卵磷脂。

[0209] 在具体实施例中，蜡与工作流体的分散介质混合。必要时，蜡可用于增加分散介质的粘度。然而，在分散介质内中使用蜡也有助于增加冷的非操作温度与热的操作温度之间的流体粘度差。即，蜡可用于增加低温下的流体的粘度，并因此当太阳能面板不接收进入的辐射时(例如在夜间)使纳米颗粒更稳定地保持悬浮。在优选实施例中，当系统冷至约20℃时，蜡的粘度可以增加到约2000至2500cP。

[0210] 合适的蜡包括天然产生的蜡，诸如蜂蜡和巴西棕榈蜡等，或烃蜡，诸如石蜡等。这种蜡与上述油基分散介质充分混合，并以均匀且可预测的方式操作以改变其粘度。巴西棕榈蜡特别适用于本文中所描述的系统，这是因为巴西棕榈蜡是具有约90℃的熔点的高温蜡。因此，分散介质的整体粘度仅在较高的温度下降低，并且纳米颗粒被更牢固地保持悬浮，直到在分散介质内达到更高的能量水平。

[0211] 添加如上所述的蜡还使得工作流体的制造商能够针对特定太阳能面板预期遇到的特定温度范围微调工作流体的粘度。例如，用于部署在更高纬度或海拔处的太阳能面板可能比部署在更低纬度的太阳能面板具有更冷的静止温度。因此，对于较低温度的面板，可以减少分散介质中蜡的量。

[0212] 尽管期望高粘度以减少纳米颗粒的沉降，但粘度不应该高到排除了工作流体内的所有对流。如上所述，对流有助于在使用中通过流体混合纳米颗粒并保持工作流体内均匀的热量分布。

[0213] 用于承载纳米颗粒的合适流体的另一个特性是它应当与纳米颗粒本身具有高的光学耦合。即，入射电磁能应当能够从流体穿进纳米颗粒，而不会遇到两种介质之间的明显界面。使两种材料的光学阻抗的匹配(优选地在阻抗值的20％以内)是增加纳米流体的两种元素(element)之间的光学耦合的一个因素。高的光学耦合可以使得入射光或光子在载体流体内向各个方向反射，直到入射光或光子被纳米颗粒吸收，使得纳米颗粒的吸收能够在纳米颗粒周围360°的范围进行。

[0214] 已经发现，在纳米流体内使用含有高比例的纳米管(例如超过50％的纳米管)的纳米颗粒是有利的。本发明人已经发现，纳米管的形状以及在纳米管内电子能够移动的方式增加了这种特定形状的纳米颗粒吸收电磁辐射的能力。具体地说，纳米管可以充当被入射电磁辐射调谐并与入射电磁辐射共振的天线。纳米管的这些共振特性增加了光子在穿过工作流体时与纳米管相互作用并被纳米管吸收的可能性。

[0215] 工作流体的其它添加剂也可以增加工作流体吸收入射能量的能力。具体地说，发现添加少量的高透光度材料显著增加了纳米流体吸收入射辐射的能力。

[0216] 高透光度材料的添加“调谐”了由纳米颗粒形成的电路，使得电路的共振频率与进入的电磁信号的共振频率匹配。特定比例的特定添加剂的添加可以调谐纳米颗粒，以在特定频率(例如在可见光和紫外光频率)更强烈地吸收进入的辐射。调谐纳米颗粒以在这些频率下吸收可能是有益的，这是因为工作流体(水)在其它光谱带(例如红外频率附近)中的吸收性更高。

[0217] 高透光度材料包括透光度大于至少约70％的任何材料，并且合适的材料包括氟化钙、CaF2(也称为萤石)、结晶形式的二氧化硅、SiO2(也称为硅石)、铟锡氧化物、ITO、铝掺杂氧化锡、AZO和铟掺杂氧化镉。

[0218] 在本系统中作为添加剂特别有用的SiO2的结晶形式是具有较高密度的结晶形式，其具有相应的高折射率。具体地说，发现密度为2.5至3g/cm3或更大的结晶形式是最有效的。这些形式的折射率约为1.5至1.55。

[0219] 特别合适的材料(包括CaF2和SiO2)具有高透光度和高折射率。

[0220] 仅需要少量添加剂，特别是小于流体中存在的纳米颗粒的量的0.1％，优选为大约0.01％的添加剂，并且添加剂应当基本均匀地分散在整个载体流体中。

[0221] 添加剂改变了纳米流体的光学性能(这特别是由于添加剂颗粒的质量不同)，并改变了载体流体和颗粒之间的光学连接，增加了纳米颗粒吸收入射辐射的能力。具体地说，具有高透光度和高折射率的材料可以帮助增加光通过纳米流体工作流体层的有效路径长度，因此增加了碳纳米颗粒吸收光的特定光子的可能性。

[0222] 如上所述，入射太阳辐射直接地或者经由工作流体的吸收和再传输而被吸收到目标流体中。考虑到携带碳纳米颗粒的工作流体的吸收能力增加，流体迅速升温，并且工作流体与目标流体之间的显著温差有利于促进热传递到目标流体中。然而，该系统不应当被设计成简单地使流体之间的温差最大化。实际上，尽可能快地将热量从工作流体传递到目标流体中是有利的，因为工作流体的任何温度升高将降低其进一步吸收太阳辐射的能力(因为太阳与工作流体之间的温差将减少)。工作流体达到大于100℃的温度，通常为大约160至190℃。这样的温度允许将目标流体加热至150℃以上，优选地加热至约160℃。

[0223] 如技术人员应认识到的，由于面板的绝热性能必然受到限制，所以在这些温度下从面板损失热量可能变得显著。此外，面板的构件(component)的劣化也将开始发生，特别是如果面板的元件长时间保持在非常高的温度。因此，使要传递到目标流体中的热能能够有效地传递是重要的。

[0224] 如上所述，工作流体吸收可见光和红外能量并将两者转换成红外能量(将波长从300至1000nm转换成5000至10000nm)。由于水对红外能量是不透明的，所以包含水的目标流体容易吸收由工作流体发射的红外能量。因此，工作流体中的纳米颗粒吸收能量并且将该能量作为辐射红外能量进行再传输，使得能够有效地收集目标流体中的能量。

[0225] 注意到，利用从一种流体的表面到另一种流体的表面的辐射传递，而不是通过导热性(thermal conductivity)(尽管可期的是有少量的能量通过传导来传递)，能量大量地传递到目标流体中。如在图1和图2所示的太阳能面板中所描述的，将工作流体的伸展表面放置为接近目标流体的伸展表面，能够实现从一种流体到另一种流体的红外能量的有效辐射传递。

[0226] 图11A至11C示出了隔板1100。具体地，图11A示出了处于正常状态1100和倒拱状态1101的两种状态下的隔板。在正常状态下，隔板处于称为倒拱温度的特定温度下。一旦隔膜已经被加热到倒拱温度，热膨胀应力就会增大并导致隔膜倒拱，从而导致倒拱状态1101。该过程是完全可逆的；当温度再次低于转换温度时，隔板恢复正常状态。

[0227] 在对网络中特定面板的流体流入进行控制的阀中可以找到这种隔板的用处。例如，在图4A和图4B的描述中，流动路径可以被选择为绕过较冷的面板。因此，通过在这些面板的入口处放置热敏阀，网络可以将具有构建在网络自身中的绕道(分路)功能。

[0228] 这在图11B和图11C中示意性地示出。应认识到，管道的尺寸和隔膜的曲率在11B和图11C中被夸大了，以使操作的原理更容易被解释。在图11B中，示出了安装有隔膜的管道1102。在该实例中，温度高于倒拱温度，并且隔膜处于倒拱状态1101，这使得管道1102通畅，并且流体能够流动。在这种情况下，打开的流路是太阳能面板的入口。借助不会影响隔板的倒拱能力的安装装置1104将隔板安装在管道1102中。

[0229] 在图11C中，温度已经下降到低于倒拱温度，并且隔膜已经恢复到正常状态1100。在该实例中，这意味着隔膜延伸到管道1102中并且阻塞管道1102，从而防止流体流入太阳能面板。当太阳能面板再次升温时，热的目标流体将导致隔膜升温，并且最终发生倒拱并打开管道以使流体流动。只要流经管道的目标流体保持比倒拱温度高，隔膜就保持在倒拱状态，并且流体就可以流动。

[0230] 如技术人员应认识到的，热阀的其它设计是可能的。例如，可以构造使用热膨胀来施加线性运动以将管道按压闭合的阀。尽管图11A至图11C中的隔板被示出为具有恒定的厚度，但隔板可以具有变化的厚度。改变隔板的几何构型是改变隔板倒拱温度的一种方法。用于制造隔板的合适材料是塑料材料，例如聚偏二氟乙烯(PVDF)或聚丙烯。隔板甚至可以由两种或更多种不同的材料构成，并且可以使用两种材料的不同的热响应来调节倒拱温度。塑料是合适的材料，因为塑料具有良好的抗疲劳性。

[0231] 倒拱温度是网络的可选参数，这取决于预期的用途。例如，40℃是舒适的洗涤温度，60℃是水传播病原体开始死亡的温度。

[0232] 还可以设计隔板，以使隔板具有两个倒拱温度，即上倒拱温度和下倒拱温度。这会在系统中引入一定程度的滞后现象，并有助于防止倒拱温度附近的隔板阀的不稳定的振荡。例如，隔板从正常状态变为倒拱状态的温度可以比从倒拱状态变为正常状态的温度高10℃。在这两种状态之间的10℃的窗口中，隔膜呈现其最近构造。

[0233] 本文中所描述的面板和系统可以直接用于饮用、烹饪、加热或洗涤，或者可以用于对其它流体或物品进行消毒、巴氏灭菌。例如，该系统可以用作家用热水加热系统或家用加热或冷却系统。作为选择，一个或多个面板可用在工业预热器中，以用于包括蒸馏、脱盐、或对诸如粮食作物等材料进行干燥在内的工艺。

[0234] 在具体实施例中，该系统可以在手术或医疗设备的清洁和消毒中或在对药物和疫苗的制备中具有医疗用途。

[0235] 该系统还可以被部署在例如污水的预处理或用于发电厂的流体的预热。

标题	发布/更新时间	阅读量
太阳能电池-专利编号CN110476257A	2020-05-12	498
太阳能系统-专利编号CN109855313A	2020-05-12	1040
太阳能系统-专利编号CN104364587B	2020-05-13	597
太阳能板-专利编号CN103247705A	2020-05-11	806
太阳能罐-专利编号CN102227597A	2020-05-11	660
太阳能面板-专利编号CN108604612A	2020-05-13	505
太阳能路灯-专利编号CN106764893B	2020-05-13	685
太阳能炉-专利编号CN105276831A	2020-05-11	221
太阳能板-专利编号CN102117853A	2020-05-11	168
太阳能面板-专利编号CN110634979A	2020-05-12	865

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