[0001] 相关案件的引用本
专利申请基于并且据此要求2014年7月3日提交的美国临时专利申请序列号62/
020948的优先权，并且该临时申请的全部内容通过引用就此被合并在本文中。
技术领域
[0002] 本
发明属于太阳能的技术领域，更具体地，本发明属于如下技术领域：使用太阳能面板以便产生热量、热
水和/或电
力的太阳能系统。
背景技术
[0003] 目前，存在如下太阳能系统：该太阳能系统采用太阳能面板来收集来自太阳的
辐射能以对循环通过该太阳能面板的
流体进行加热、产生电力或者二者。在2010年3月2日提交的、名称为“SOLOR ENERGY SYSTEM”的、公开为美国专利公开号2010/0224234的美国专利申请12/660,646中示出了并且描述了此类太阳能面板的示例。该专利申请的
说明书和公开文本的全部内容通过引用就此被合并到本专利申请中。
[0004] 如此，虽然上述专利申请的太阳能系统和各个模
块化太阳能面板完全适合用于提供热水和/或电力的目的，但是在对此类太阳能系统进行使用时此类太阳能系统的整体效率是关键，并且因此对太阳能系统和太阳能面板的热传递特性的任何提高都是有益的。
[0005] 然而，混合型太阳能面板的成本已经成为阻碍市场扩大的首要原因。所以任何将会使该关键的细分市场能够得到增长的对设计的改善都将会是有利的。
[0006] 因此，将会是有利的是，提供太阳能系统的材料、面板尺寸和各种增强的特征来改善太阳能面板的整体热效率，并且因此改善该系统的整体热效率。
发明内容
[0007] 本发明是一种太阳能系统，并且一个主要的创新点在于使用与如下太阳能面板结合的光伏
电池来在电力的联合产生期间捕获
能量（热量），所述太阳能面板由金属材料（例如
铝）的薄板片的“囊”组成。太阳能面板对穿过
湍流通道的流体进行加热，该湍流通道形成在薄的、平坦的板片之间。
[0008] 所述板片均由导热金属形成或
聚合物形成，并且定向成平行的平面，通道形成在所述板片之间。所述板片附接在一起，并且一个板片具有外平坦表面，光伏电池附接到该外平坦表面，而另一板片具有长形的压痕，长形的压痕对液体穿过所述通道的流动进行控制以增强该液体和板片之间的热传导。在重量是考虑因素的情况下，这些压痕还用来控制面板中的流体体积。控制体积的能力还通过如下方式用来使从光伏（PV）电池（该PV电池发热，产生电力）到前述“囊”内的
工作流体的热转移最大化：既导致“设计的湍流”而且还迫使流体通过面板以便获得贯穿面板的全部区域的均匀的热量吸收。
[0009] 借助于头座组件将流体引导到通道中并且从该通道回收流体。头座组件由上和下凸缘组成，具有夹在上和下凸缘之间的端部
歧管。端部歧管具有多个管口，多个管口大体上或完全沿着板片的相对边缘的长度间隔并且与板片之间的通道连通。如此，以平滑的、均匀的流动形式从通道引导流体并且从该通道移除流体。头座中的一个用作进口以便流体进入通道，并且另一头座用作出口以便在流体已经穿过通道后移除流体。
[0010] 在示例性
实施例中，进口头座中的管口的尺寸是可控的，以使得当被用在具有多个面板的阵列中时可以由操作者来增大或减小入口流从而优化整个系统。另外，从通道移除流体的出口头座中的管口的全部或累加的开口比进口头座中的全部或累加的开口更大，从而维持了通过管道的平滑的流动而不会产生回涌（back-up）。
[0011] 本发明的太阳能面板能够被容易且便宜地制造，并且还易于进行组装。容易地制造和组装本发明的太阳能面板为使用太阳能面板来生产热量、热水以及电力提供了极大优势（与没有该技术的类似PV电池面板相比年电力产量高10%）。
附图说明
[0012] 根据下面的本发明优选实施例的详细描述并且如附图所示，将会更加明白本发明的太阳能系统的其他特征。
[0013] 图1是依照本发明而构建的太阳能系统的示意图；图2是本发明的太阳能面板的分解图；
图3是与本发明的太阳能面板一起使用的进口头座组件的透视图；
图4A是用于构建本发明的太阳能面板的出口头座组件的出口歧管的透视图，并且图4B是出口歧管的放大侧视图；
图5是示出了本发明的进口歧管的示意图；
图6A是示出了使用在本发明的主流体通道中的压痕的形状和取向的示意图，并且图6B是这些压痕的侧视图；
图7是示出了压痕的形状和取向的另一示意图；并且
图8是示出了与本发明的太阳能面板一起使用的侧
支撑组件的透视图。
具体实施方式
[0014] 首先来看图1，这里示出了部分分解的示意图，该示意图示出了依照本发明构建的太阳能系统10。如可看到的，具有顶部14的建筑结构12直接或间接地暴露于一些形式的阳光。当然，建筑结构12可以是需要电力和/或热水的任何形式的建筑。如将会看到的，本发明可与如下结构一起使用，所述结构全部地用于产生热量、热水和/或电力，即所述结构是专用结构或
框架并且不用作任何其他的目的，所述其他的目的例如是用于居住或者用于给居住人提供住所的结构。
[0015] 如在图1中所看到的，顶部14具有多个太阳能面板16，多个太阳能面板16布置成列（竖直排布）和行（横向排布）。如所示，存在九个（9）太阳能面板16，然而，如将会明白的是，面板的数量、它们的尺寸以及取向可以取决于具体设施而变化，包括取决于具体设施的热量、热水和/或电力的需求。使用模块化设计，可使用单个面板，或者可使用两个或更多的面板，其容易地联接在一起以便为结构提供足够的太阳能需求，这些面板被放置在该结构上。
[0016] 太阳能面板16可以以常见的方式附接到顶部14，使得允许空气在太阳能面板16和顶部14之间进行循环，或者太阳能面板16可以直接附接成齐平于顶部14。如果被直接地安装到结构的顶部，绝缘材料可被插入在太阳能面板和该顶部之间。如在图1中还可注意到的，这里存在分解的太阳能面板16，该太阳能面板16由第一板片18和第二板片20组成。
[0017] 如可看到的，第一板片18关于第二板片20处于靠上
位置，并且太阳能面板16还包括进口头座组件24和出口头座组件22，进口头座组件24和出口头座组件22将会在稍后进行说明，不过，进口和出口头座组件24和22分别包括进口26和出口28以便将液体引导到太阳能面板16中并且以便在液体已经穿过太阳能面板16之后从太阳能面板16移除该液体。
[0018] 在所示出的实施例中，每个太阳能面板16中的进口26被定向成使得关于地面进口26比出口28更高，从而液体通过太阳能面板16的路径沿着向下的方向，由此借助重力。如果存在多个面板也是这样，也就是说，冷液体进入靠上的一个或多个面板并且随后沿向下的方向行进到靠下的一个或多个太阳能面板。虽然穿过太阳能面板16的液体可以是水，但是也可以使用其他流体，包括但是不限于乙二醇或者甚至空气。在本说明书中，为了方便，此后该介质将会被称为液体。
[0019] 如常见的那样，液体循环通过太阳能面板16，其中，由太阳的辐射能以及太阳能面板它们自身中的光伏电池所产生的热量来加热所述液体。在图1的示例性实施例中，第一板片18是靠上位置并且面向太阳，而第二板片20处于靠下位置并且面向顶部14。经加热的液体可穿过适合的管30（
闭环系统）到贮器32中的
热交换器。贮器32也可具有模块化形式，其中，用户或设计者可取决于所需要的构造通过进行堆叠（使用适合的连接件）和/或使用多个经堆叠的单元来增加额外的容量或减少容量。在任何情况中，经加热的液体被储存并且累积在贮器32中以经过排出管34被用于一些最终目的。
[0020] 太阳能系统10还可包括加热系统36以在需要的时候提供热量，从而使贮器32中的液体维持在预定的
温度。一种类型的加热系统36可以是
热泵；然而，可使用其他系统来维持该预定的温度。加热系统36将会是仅有的在本质上不是模块化的部件；然而，取决于所需要的构造，若干种尺寸/容量（输出）是现成可获得的。
[0021] 现在结合图1来看图2，这里示出了太阳能面板16的分解图并且示出了示例性实施例的单个太阳能面板16的构造。如可看到的，通过使用两个大体上平坦的板片（即第一板片18和第二板片20）来构建图2的太阳能面板16。如可在图2中看到的，使太阳能面板16从其使用时的正常取向倒置，也就是说，第一板片18处于靠下位置，第二板片20处于第一板片18之上，而在正常使用时，第一板片18处于靠上位置，然而，在图2中使太阳能面板16倒置是为了更好示出第二板片20的具体构造。
[0022] 因此，当在使用时，最靠上的部件是一个或多个光伏电池（PV电池）40，PV电池40是常见的并且面向阳光以接收辐射能从而产生电力。PV电池40附接到第一板片18的上表面42并且可以由
粘合剂或通过
层压附接到第一板片18的上表面42。能够与本发明的太阳能面板一起使用的PV电池是容易商购的，并且本发明的太阳能面板的优势之一是PV电池不需要进行定制而是能够是当前可获得的商用PV电池中的几乎任何一些。
[0023] 典型的商用经封装的PV电池可被获得为具有达到期望尺寸的玻璃盖的单元并且可以是单个PV电池，单个PV电池
覆盖第一板片18的上表面42的所有区域或大体上所有区域。如提到的，第一板片18的上表面42是大体上平坦的表面，从而PV电池40均匀地覆盖该表面以增强热传递。
[0024] 在图2中，太阳能面板16被构造为具有端部44、46和侧部48、50的矩形，然而，可看到的是可以使用其他几何形状。如提到的，太阳能面板16的端部44、46由进口和出口头座组件24、22固定。在示例性实施例中，进口头座组件24被用于经由进口26（图1）引导液体通过太阳能面板16，而出口头座组件24被用于经由出口28（图1）从太阳能面板16移除液体。
[0025] 因此，如可在图2中看到的，虽然如将会在稍后进行说明的，进口和出口头座组件24、22在某些方面是大体不同的，但是进口和出口头座组件24、22中的每个包括上凸缘54和下凸缘52。另外，存在进口歧管56和出口歧管57。在制作进口和出口头座组件24、22时，上和下凸缘54、52与夹在它们之间的进口和出口歧管56、被固定在一起。
[0026] 结合图2，在图3中，这里有完整的进口头座组件24的透视图，并且结合图2，包括进口和出口头座组件24、22两者的公共部件。因此，对进口头座组件24进行描述，可以看到有上凸缘54、下凸缘52以及
定位在上凸缘54和下凸缘52之间的进口歧管56。可由
紧固件58来实施对进口头座组件24的组装，紧固件58可以是螺钉、
铆钉或其他紧固装置。如还可看到的，当完全安装在一起时，长形槽60形成在进口头座组件24中，如将会稍后进行说明的，长形槽60在第一和第二板片18、20被附接在一起之后接收第一和第二板片18、20的端部边缘62、64。
[0027] 如所说明的，进口和出口头座组件24、22两者除了歧管以外是相似的，所述歧管夹在上凸缘54和下凸缘52之间并且所述歧管是进口和出口组件24、22之间的不同点。
[0028] 然后来看图4A和4B，这里示出了出口歧管57的透视图和前视图，并且如可看到的，出口歧管57包括出口28，出口28为液体离开出口歧管57内的长形通路提供了排出方式。多个出口管口66形成在出口歧管57中并且每个出口管口66与出口歧管57内的长形通路连通，以使得通过出口28离开的液体被均匀地接收到多个出口管口66中。
[0029] 在图4B中，可看到的是，在示例性实施例中，出口管口66在形状上是长形的或卵形的并且可沿出口歧管57均匀地分布。
[0030] 然后来看图5，这里有进口歧管56的示意图。如可看到的，进口歧管56具有与图4A和4B的出口管口66类似的多个长形的进口管口67，然而，还存在
套管69，套管69在进口歧管56内滑动，并且套管还具有多个开口71，多个开口71相比进口管口67以近似（略微更分开的）相同的距离间隔开并且具有相似的尺寸。如此，为了改变通过进口歧管56的液体流量，可使套管关于进口歧管56轴向地移动，以使得开口71中的更多或更少与进口管口67对准。
[0031] 因此，当套管69移动到开口71与进口管口67完全对准的位置时，最大量的液体可穿过进口歧管67。然后，随着套管69轴向地移动，开口71将会与进口管口67更少地对准从而进口管口67的有效的累积开口减小，因此减小了通过进口歧管的流量。
[0032] 以这种方式，通过进口歧管56的流量可由操作者来控制，并且可存在某种机构73以手动地或自动地导致套管69的轴向运动。
[0033] 回到图2，在太阳能面板16的组装中，第一和第二板片18、20附接在一起以在它们之间形成通道68，通道68用于液体通过太阳能面板16的路径。如关于进口和出口头座组件24、22所描述的，一旦第一和第二板片18、20如将进行说明的那样附接在一起，该组合体配合到进口头座组件24中的长形槽60（图3）中并且配合到出口头座组件22中的同样的长形槽中，以使得出口头座组件57的出口管口66和进口头座组件24 22中的进口管口能够与通道
68连通。如此，大体上沿着或完全沿着进口头座组件24的宽度定位的多个进口管口67将液体引导到通道68中，并且大体上沿着或完全沿着出口头座组件22的宽度定位的出口管口66将液体从通道68移除，从而形成液体通过通道68的平滑均匀的流动。
[0034] 有助于所述平滑流动的是如下特征：出口管口66的全部开口累积面积被设计成比进口管口67的累积面积更大，从而防止了通过通道68的流动发生回涌。
[0035] 通过在第二板片20中使用突出到通道68中的压痕70进一步增强了液体的流动。压痕70遍及第二板片20均匀地分布，并且压痕70延伸到通道68中但并不一直延伸贯穿通道68以致
接触第一板片18。以该方式，压痕70允许穿过通道68的液体占据靠下的板片20的全部区域以便使热传递最大化，而且诱使该液体流动通过狭窄的空间而不是采用最快的路径（可能由倾斜导致的，或者最容易的流动道路），并且压痕70还用来管理穿过太阳能面板16的液体的量。
[0036] 结合图2来看图6A和6B，这里有示出了通道68的俯视图和侧视图以及显示出压痕70的形状和取向的示例性实施例。如可看到的，压痕70被布置成行（平行于由图6A的箭头A示出的液体的流动方向）和成列（垂直于液体的流动）。
[0037] 压痕70还可被描述为是螺旋形的，所述螺旋的端部被定向成使得与通过通道68的流动方向垂直。另外，如在图6B中所看到的，螺旋压痕70的一个端部越来越伸出到通道68中。
[0038] 来看图7，这里有示出了压痕70的形状和取向的示意图。在图7中，由箭头B指示流体的流动方向。如可看到的，压痕70被布置成与流动方向垂直的行（如由线C指示）以及与流体流平行的列（由线D指示）。
[0039] 压痕70基本上是一圈或360度的螺旋盘卷（spiral coil），其中，盘卷的压痕70的一个端部75基本上与第二板片20的平坦表面齐平并且另一端部或前导端部77被移位成向外远离第二板片20的平坦表面。由于具有螺旋构造，存在断裂部79，在断裂部79处，压痕70的一个端部75和前导端部77被分开有限的距离。
[0040] 相应地，随着箭头E所示的冷流体流进入通道68，该流的一部分如箭头H所示的那样被压痕70转向并且被加热而同时形成漩涡模式的流动并且因此增强了热传导。在示例性实施例中，断裂部81与所述流体流垂直并且可被定向成使得断裂部81随着行的交替呈现180度的偏置。流体流的螺旋模式迫使倾泻的流体围绕PF电池40（图2）的热点形成漩涡，从而使到该流体的热传递最大化。
[0041] 压痕70被压到第二板片上，以使得在第二板片20和压痕70之间存在平滑连续的金属过渡并且在其两者之间不存在断裂或间隙。
[0042] 除了压痕70之外，存在凹陷72，凹陷72形成在第二板片20中，再一次，凹陷72向内延伸并且均匀地分布在第二板片20上。凹陷72向内延伸穿过通道68以接触第一板片18，并且在接触的地方进行
激光焊接从而使第一和第二板片18、20固定在一起。凹陷72的使用具有两个功能，也就是：凹陷72保持第一和第二板片18、20在整个太阳能面板16上等距地间隔开以使得通道68具有一致的深度，并且还使用经
激光焊接的凹陷72来防止第一和第二板片18、20在出现不期望的膨胀的情况下发生鼓胀。然而，该膨胀也可由安全
阀门和/或工业标准的“后撤（drop back）”系统来控制。
[0043] 作为太阳能面板16的另外的部件，存在侧部构件74、76，再一次，侧部构件74、76可以由金属（例如铝）组成，并且侧部构件74、76在第一和第二板件18、20之间沿着太阳能面板16的侧部48、50定位以密封侧部48、50并且防止液体从通道68泄露。侧部48、50可被激光焊接到侧部构件74、76以使侧部构件74、76保持在期望的位置中。
[0044] 结合图2，在图8中，侧部构件74、76二者可以被构建为侧部支撑组件80，侧部支撑组件80可被用于加强太阳能面板16。因为侧部支撑组件沿着太阳能面板16的每个侧部48、50是相同的，所以将仅描述一个。如此，侧部组件80包括外边缘挤出件82。边缘挤出件82具有用于保持侧部
密封件86的主通道84，侧部密封件86如侧部构件74、76一样被插入在第一和第二板片18、20之间以提供第一和第二板片18、20之间的密封。
[0045] 如还可看到的，PV电池40与第一板片18一起被附接在边缘挤出件82中的凹口88内。以类似的方式，第二板片20也配合在边缘挤出件中的凹口90内。紧固装置92（例如螺钉或铆钉）穿过边缘挤出件82以使所有部件保持在一起。
[0046] 回到图2，作为太阳能面板16的另一特征，存在形成在第一板片18中的开口94和形成在第二板片20中的开口96，如前述所描述的，当第一板片18已被附接到第二板片20时，开口94和开口96是对准的。
衬垫98被设置在开口94、96中间以在第一和第二板片18、20之间进行密封。如此，开口94、96在太阳能面板16中提供了贯通开口以便作为电气布线或其他实用需要的通路。
[0047] 基于用户输入（将要被加热的区域的尺寸、热水的使用、人的数量、结构尺寸、绝缘等级、地理区域等）以及还可基于该输入获得的所有相关数据（例如配置、尺寸、效率、估算的
费用节省（基于用户输入）等）将能够用计算机对所有这些部件进行配置（用于估算和安装的指导目的）。
[0048] 另外，这些太阳能面板在具有足够容量的贮器中提供维持在恒定温度的足够的热水。作为当温度下降一些度数时启动可选的
燃料驱动加热单元的替代，该单元被设计成维持恒定的预定温度，从而消除了低效率的“峰值和谷值”以有利于更高效地进行温度维持。在模块设计内可添加额外的（模块化）太阳能面板以提供足够的热量/热水或电力的联合产生。
[0049] 因此，最小的公共特性（例如，适合于小型
车库的尺寸）将会是每个模块化太阳能面板单元的
基础尺寸，并且可以容易地通过将更多的这些模块单元添加在一起来组装得到更大的尺寸。
[0050] 如图1-5所示的本发明的构造细节在于该系统配置可适于任何尺寸的构造。所使用的材料将会适合于暴露（顶部）并且理想地适应所有的
气候和环境。另外，所述单元可被容易地构造并安装成新的构造，这就如同改装成现有的结构那样容易。在本质上，所述太阳能面板包括由结合在一起的两个
铝片组成的囊以允许工作流体跨过现在仅由薄铝壁分隔的面板的整个背部在薄“片”中均匀地流动，由此更高效地冷却整个PV电池的阵列并且为处理中的热水提取更多热量。
[0051] 两个铝片可被激光焊接以便获得水密的密封，并且可在内部进行激光焊接以维持适当的间隔（流体体积控制）并防止膨胀（除了安全压力阀之外）。本发明被用于在操作期间进一步管理面板内的流体的总体积，而且被用于诱使流体成为跨过面板的整个平面的均匀的流。本设计在自然
加速的情况下迫使流体遍及PV层的最热的区域，从而能够更高效地进行冷却并且提取更多的热量以便产生热水。
[0052] 在宽泛的实施例中，本发明是独特的多维度太阳能面板系统，所述太阳能面板系统包括使用创新材料、尺寸和构造的太阳能面板和PV电池，所述太阳能面板用于产生热量，所述PV电池用于产生电力。另外，本发明在概念上是完全模块化的，以便极其容易地进行安装和维修。
[0053] 虽然前面的对本发明的书面描述使人们能够制造并使用目前被认为是最好的、最方便的、最可配置的并且在各方面都是最有优势的本发明的太阳能系统，但是本领域中的任何水平的技术人员将会理解并且领会本文中的具体实施例、方法和示例存在变体、组合和等同物。因此，本发明不应受到上面所描述的实施例、方法和示例的限制，但是本发明应受到所要求的本发明的范围和精神内的所有实施例和方法的限制。
