特開 2022-103404 太陽光を利用するシステム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2022103404

(43)【公開日】2022-07-07

(54)【発明の名称】太陽光を利用するシステム

(51)【国際特許分類】

   F24S 10/80 20180101AFI20220630BHJP

【ＦＩ】

F24S10/80

【審査請求】有

【請求項の数】10

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022082790

(22)【出願日】2022-05-20

(62)【分割の表示】P 2019503636の分割

【原出願日】2017-04-07

(31)【優先権主張番号】62/319,721

(32)【優先日】2016-04-07

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(71)【出願人】

【識別番号】518356280

【氏名又は名称】ゼロ マス ウォーター，インコーポレイテッド

(74)【代理人】

【識別番号】110002310

【氏名又は名称】特許業務法人あい特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】フリーゼン，コーディー

(72)【発明者】

【氏名】ロビンソン，マイケル

(72)【発明者】

【氏名】フリーセン，グラント

(72)【発明者】

【氏名】ローゼル，ヒース

(72)【発明者】

【氏名】ベッサント，ジャスティン，ザカリー

(57)【要約】

【課題】日射を熱エネルギーに変換するように構成された太陽熱ユニットを利用するシステムを提供する。
【解決手段】太陽熱ユニットと、日射を熱エネルギーに変換するための太陽熱ユニットの動作方法とが提供される。いくつかの実施例では、太陽熱ユニットは、入口と、第１の流体流路および第２の流体流路に沿った太陽熱ユニットの両側への熱吸収流体の分流とを有する。所望により、１つまたは複数の光起電力パネルは、日射を太陽熱ユニットに接続されたシステムによって使用され得る電力に変換できる太陽熱ユニットの一部として提供することができる。太陽熱ユニットは、空気から液体の水を生成するシステムの熱ユニットとして使用されてもよい。
【選択図】図１３

【特許請求の範囲】

【請求項1】

太陽光が透過する透明層と、
前記透明層の下方に設けられる第１の多孔質光吸収材料層と、
前記透明層と前記第１の多孔質光吸収材料層との間に設けられる第１の間隙層と、
再生流体を、前記透明層の内側表面および前記第１の間隙層の上部表面の間を通り、次に、前記第１の多孔質光吸収材料層を通るように導くように構成されている第１の流体流路とを備え、
前記再生流体が、前記透明層から熱を収集し、次に前記第１多孔質光吸収材料層から熱を収集する、システム。

【請求項2】

太陽光が透過する透明層と、
前記透明層の下方に設けられる第１の多孔質光吸収材料層と、
前記透明層と前記第１の多孔質光吸収材料層との間に設けられる第１の間隙層と、
再生流体を、前記透明層の内側表面に沿って、次に、前記第１の多孔質光吸収材料層を通るように導くように構成されている第１の流体流路と、
前記第１の流体流路と流体連通する吸湿性材料と、
前記第１の流体流路における前記再生流体の流量を調節するように構成されているサーキュレータと、
前記第１の流体流路から前記再生流体を受け取り、受け取った前記再生流体中の水蒸気を凝縮して液体の水を生成するように構成されている凝縮器とを備え、
前記再生流体は、前記凝縮器によって受け取られる前に、前記第１の多孔質光吸収材料層を通って流れる前に前記透明層の前記内側表面および前記第１の間隙層から熱を収集する、システム。

【請求項3】

日内変動に応じて前記再生流路内の前記再生流体に対する前記吸湿性材料の曝露を制御するように構成されたコントローラをさらに含む、請求項２に記載のシステム。

【請求項4】

前記吸湿性材料が、熱放射吸収材料と組み合わされている、請求項２または３に記載のシステム。

【請求項5】

前記透明層の下方に設けられる第２の多孔質光吸収材料層と、
前記透明層と前記第２の多孔質光吸収材料層との間に設けられる第２の間隙層と、
前記再生流体の一部を、前記透明層の前記内側表面および前記第２多孔質光吸収材料層の上部表面に沿って、その後に前記第２の多孔質光吸収材料層を通って流れるように導くように構成されている第２の流体流路とをさらに備え、
前記システムが、前記再生流体を前記第１の流体流路と前記第２の流体流路とに分配するように構成されており、
前記第２の流体流路内の前記再生流体が、前記透明層から熱を収集し、次に、前記第２の多孔質光吸収材料層から熱を収集する、請求項１～４のいずれか一項に記載のシステム。

【請求項6】

前記第１の間隙層は、前記システムに電力を供給する光起電力パネルを備え、前記第１流体流路が、前記再生流体を、前記光起電力パネルから熱を収集し、その後に前記第１多孔質光吸収材料層を通って流れるように導くように構成されている、請求項１～５のいずれか一項に記載のシステム。

【請求項7】

前記システムに電力を供給する光起電力パネルを有するプレナムをさらに含む、請求項１～６のいずれか一項に記載のシステム。

【請求項8】

日射の日内変動に応じて前記システムを制御するように構成されたコントローラをさらに含む、請求項１～７のいずれか一項に記載のシステム。

【請求項9】

電力を発生して前記システムの一つ以上の構成部品に電力を供給する光起電力パネルと、
前記光起電力パネルによって生成される電力の量に応じて、前記システムを制御するように構成されたコントローラと、をさらに含む、請求項１～８のいずれか一項に記載のシステム。

【請求項10】

前記システムでの圧力低下のバランスをとるために、前記再生流路の複数の分流路の間に前記再生流体を分配するように構成されている、請求項１～９のいずれか一項に記載のシステム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

関連出願の相互参照
本出願は、２０１６年４月７日に出願された米国仮出願第６２／３１９，７２１号に基づき、その出願日の利益を享受する。この出願は、参照することによりその内容全体が本明細書に組み込まれる。

【発明の概要】

【0002】

本明細書は、太陽光を利用するシステムを開示する。また、本明細書は、太陽熱ユニットおよび太陽熱ユニットの動作方法の技術を提供する。本技術の太陽熱ユニットは、日射を熱エネルギーに変換するように構成される。

【0003】

例示および説明の目的で具体例が選択され、本明細書の一部を成す添付図面に示される。

【図面の簡単な説明】

【0004】

【図1】図１は、本技術の太陽熱ユニットの一実施形態の斜視図である。

【図2】図２は、図１の太陽熱ユニットの分解図である。

【図3】図３は、図１の太陽熱ユニットの側面断面図であり、熱吸収流体の流路を示す。

【図4】図４は、図３の太陽熱ユニットの一部の側面断面図であり、熱吸収流体の流路を示す。

【図5】図５は、本技術の太陽熱ユニットの第２の実施形態の側面断面図である。

【図6】図６は、本技術の太陽熱ユニットの第３の実施形態の側面断面図である。

【図7】図７は、本技術の太陽熱ユニットの第４の実施形態の側面断面図である。

【図8】図８は、本技術の太陽熱ユニットの吸収体における非線形温度プロファイルのグラフである。

【図9】図９は、本技術の太陽熱ユニットの一実施形態を試験した結果を示す日射対時間のグラフである。

【図10】図１０は、本技術の太陽熱ユニットが使用され得る、空気から液体の水を生成する第１のシステムの図である。

【図11】図１１は、本技術の太陽熱ユニットが使用され得る、空気から液体の水を生成する第２のシステムの図である。

【図12】図１２は、本技術の太陽熱ユニットの第５の実施形態の分解図である。

【図13】図１３は、図１２の太陽熱ユニットの側面断面図であり、熱吸収流体の流路を示す。

【図14】図１４は、２つの異なる流速での太陽熱ユニットの第５の実施形態の効率対周囲温度を超える温度のグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0005】

用語「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｅ）」（およびその任意の活用形、例えば「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ）」および「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」）、「有する（ｈａｖｅ）」（およびその任意の活用形、例えば「有する（ｈａｓ）」および「有する（ｈａｖｉｎｇ）」）、「含む、備える（ｉｎｃｌｕｄｅ）」（およびその任意の活用形、例えば「含む、備える（ｉｎｃｌｕｄｅｓ）」および「含む、備える（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」）、および「含む、包含する（ｃｏｎｔａｉｎ）」（およびその任意の活用形、例えば「含む、包含する（ｃｏｎｔａｉｎｓ）」および「含む、包含する（ｃｏｎｔａｉｎｉｎｇ）」）は、非限定的連結動詞である。その結果、１つまたは複数の要素を「備える」、「有する」、「含む」、または「包含する」装置は、それら１つまたは複数の要素を保有するが、それらの要素のみを保有することに限定されない。同様に、１つまたは複数のステップを「備える」、「有する」、「含む」、または「包含する」方法は、それらの１つまたは複数のステップを保有するが、それら１つまたは複数のステップのみを保有することに限定されない。

【0006】

装置、システムおよび方法のいずれかの任意の実施形態は、記述されるステップ、要素および／または特徴のいずれかを備え／含み／包含し／備えるというよりむしろ、記述されるステップ、要素および／または特徴のいずれかからなるか、または本質的になることができる。それゆえ、請求項のいずれにおいても、非限定的連結動詞を使用している所与の請求項の範囲を変えるために、上記の非限定的連結動詞のいずれかを「～からなる」、または「本質的に～からなる」という用語に置き換えることができる。

【0007】

一実施形態の１つまたは複数の特徴は、本開示または実施形態の性質によって明示的に禁止されていない限り、記述または図示されていなくても、他の実施形態にも適用してもよい。

【0008】

上述した実施形態などに関連するいくつかの詳細を以下に説明する。

【0009】

本技術の太陽熱ユニットは、太陽光から、太陽熱ユニットを通って流れる熱吸収流体へとエネルギーを伝達することによって、日射を熱エネルギーに変換する。少なくともいくつかの実施形態では、本技術の太陽熱ユニットは、熱吸収流体が入口から出口へといずれかの流路に沿って流れる方向に、太陽熱ユニットの深さに沿って温度勾配が増加するように構成されてもよい。これにより、周囲空気と接触しているグレージング層のようなシステムの上層から離れるように、熱が実質的に抽出されるかまたは導かれ、そのような層を比較的冷たく保つことができる。対照的に、従来の太陽熱ユニットは、非常に熱い外側表面を有する傾向がある。太陽熱ユニットの構成により、さらに、日射からの熱がユニットの最も断熱された領域に導かれて保持され、ユニットからの放射損失を低減させることができる。

【0010】

本開示は、一体化された太陽熱および光起電力変換デバイスを有する、エネルギーおよび／または水を生成するための装置および方法をさらに提供する。単なる一例として、本発明は、ソーラーモジュールおよび水生成デバイスに適用されているが、本発明ははるかに広い適用範囲を有することが認識されるであろう。

【0011】

図１～図４は、本技術の太陽熱ユニット１００の一実施形態を示す。太陽熱ユニット１００は、２つの流体流路を有する分流設計を有する。

【0012】

太陽熱ユニット１００の右側にある第１の流体流路に関して、外側表面１０４および内側表面１０６を有する第１のグレージング層１０２がある。第１のグレージング層１０２の外側表面１０４は、周囲空気に曝露されていてもよい。太陽熱ユニット１００の第１の流体流路はまた、第１のグレージング層１０２の下にあり、第１のグレージング層１０２から離れている第１の多孔質光吸収材料層１０８を有する。第１の多孔質光吸収材料層１０８は、上部表面１１０、厚さ１１２および底部表面１１４を有する。熱吸収流体１１６またはその一部は、入口１２０から出口１２２へと第１の流体流路に沿って太陽熱ユニット１００を通って流れてもよい。

【0013】

図示されるように、第１のグレージング層１０２および第１の多孔質光吸収材料層１０８はそれぞれ、同じ幅Ｗおよび長さＬ_１を有する。図６および図７に図示されるものを含む他の実施形態では、第１のグレージング層は、第１の多孔質光吸収材料層１０８の長さＬ_１よりも大きく、両方の流体流路の長さにわたって延びることができる長さＬを有してもよい。

【0014】

入口１２０を通って太陽熱ユニット１００に入るとき、熱吸収流体１１６は、用途に応じて、太陽熱ユニット１００外部の周囲空気の温度と同じであっても、同じでなくてもよい初期温度を有してもよい。入口１２０を通って太陽熱ユニット１００に入った後、熱吸収流体１１６の少なくとも一部は、入口１２０から第１のグレージング層１０２の内側表面１０６に沿って延びる第１の流体流路の第１の部分１１８に沿って流れてもよい。熱吸収流体１１６は、第１の流体流路の第１の部分１１８に沿って流れるときに、第１のグレージング層１０２の内側表面１０６の全長Ｌ_１に沿って流れてもよい。

【0015】

第１の流体流路の第１の部分１１８に沿った熱吸収流体１１６の流路は、入口１２０および／または太陽熱ユニット１００全体の構造幾何形状によって制御されてもよい。例えば、入口１２０は、熱吸収流体１１６が太陽熱ユニット１００内に流れて通る１つまたは複数のノズルを備えていてもよい。１つまたは複数のノズルは、熱吸収流体１１６が第１の流体流路の第１の部分１１８に沿って流れるときに熱吸収流体１１６の速度および方向を制御してもよい。あるいは、太陽熱ユニット１００は、後述するように、少なくとも１つの間隙層を備えてもよい。

【0016】

さらに、第１の流体流路の第１の部分１１８内で、熱吸収流体１１６は、第１のグレージング層１０２の内側表面１０６の全幅Ｗにわたって均一に分布してもよい。第１の流体流路の第１の部分１１８に沿って移動するときに、熱吸収流体１１６は、第１のグレージング層１０２の内側表面１０６に沿って熱を収集してもよい。したがって、第１の流体流路の第１の部分１１８端部における熱吸収流体１１６の温度は、入口１２０における熱吸収流体１１６の初期温度よりも高い可能性がある。温度上昇の量は、日射のレベル、周囲温度、および入口温度をはじめとするいくつかの要因に依存し得る。

【0017】

第１の流体流路の第１の部分１１８を通って流れた後、熱吸収流体１１６は、第１の流体流路の第１の移行部１３８を通り、次に第２の部分１４０に沿って流れてもよい。第１の流体流路の第２の部分１４０は、多孔質光吸収材料層１０８の上部表面１１０に沿って延びている。熱吸収流体１１６の少なくとも一部は、第１の流体流路の第２の部分１４０に沿って流れるときに、多孔質光吸収材料層１０８の上部表面１１０の全長Ｌ_１に沿って流れてもよい。さらに、第１の流体流路の第２の部分１４０内で、熱吸収流体１１６は、多孔質光吸収材料層１０８の上部表面１１０の全幅Ｗにわたって均一に分布してもよい。第１の流体流路の第２の部分１４０に沿って移動するときに、熱吸収流体１１６は、多孔質光吸収材料層１０８の上部表面１１０に沿って熱を収集してもよい。したがって、第１の流体流路の第２の部分１４０端部における熱吸収流体１１６の温度は、入口１２０における熱吸収流体１１６の初期温度よりも高いだけでなく、第１の流体流路の第１の部分１１８の端部における熱吸収流体１１６の温度よりも高い可能性がある。

【0018】

第１の流体流路の第２の部分１４０を通って流れた後、熱吸収流体１１６は、多孔質光吸収材料層１０８の厚さ１１２を通って、第１の流体流路の第３の部分１４２に沿って流れてもよい。第１の流体経路の第３の部分１４２に沿って流れるときに、熱吸収流体１１６は、第１の多孔質光吸収材料層１０８内から熱を収集してもよい。したがって、第１の流体流路の第３の部分１４２の端部における熱吸収流体１１６の温度は、入口１２０における熱吸収流体１１６の初期温度よりも高いだけでなく、第１の流体流路の第２の部分１４０の端部における熱吸収流体１１６の温度よりも高い可能性がある。

【0019】

第１の流体流路の第３の部分１４２を通って流れた後、熱吸収流体１１６は、多孔質光吸収材料層１０８の底部表面１１４に沿って、熱吸収流体が太陽熱ユニット１００を出ることができる出口１２２まで、第１の流体経路の第４の部分１４４に沿って流れてもよい。熱吸収流体１１６は、多孔質光吸収材料層１０８の底部表面１１４から熱を収集してもよい。熱吸収流体１１６は、第１の多孔質光吸収材料層１０８の底部表面１１４から、また第１の流体経路の第４の部分１４４に沿って流れるときに接触する断熱層１３０などの任意の他の構成部品から熱を収集してもよい。したがって、第１の流体流路の第４の部分１４４端部における熱吸収流体１１６の温度は、入口１２０における熱吸収流体１１６の初期温度よりも高いだけでなく、第１の流体流路の第３の部分１４２の端部における熱吸収流体１１６の温度よりも高い可能性がある。

【0020】

太陽熱ユニット１００はまた、少なくとも底部１３２および側壁１３４を有することができる断熱層１３０を有してもよい。側壁１３４は、太陽熱ユニット１００の外辺部全体の周りに延びてもよい。断熱層１３０は、第１の多孔質光吸収材料層１０８の下にあり、第１の多孔質光吸収材料層１０８から離れていてもよい。断熱層１３０は、第１の流体経路の第４の部分１４４の一部を形成する第１の流れチャネル１３６を提供するように構成されてもよい。第１の流体経路の第４の部分１４４は、多孔質光吸収材料層１０８の下の第１の流れチャネル１３６に沿って、出口１２２へと流れてもよい。

【0021】

さらに、第１の流体流路１１８に関して、太陽熱ユニット１００は、第１のグレージング層１０２と第１の多孔質光吸収材料層１０８との間に、第１の間隙層１２４のような１つまたは複数の間隙層を有することができる。間隙層１２４は、第１のグレージング層１０２との流れ相互作用を促進でき、結果として第１のグレージング層１０２からの熱抽出を増加させられる。図示されているように、第１の間隙層１２４は、グレージングであってもよく、第１のグレージング層１０２と同じ材料もしくは異なる材料で製造されていてもよく、および／または１つもしくは複数の光起電力（ＰＶ）パネルを備えてもよい。第１の間隙層１２４は、上部表面１２６および底部表面１２８を有してもよい。第１の間隙層１２４の上部表面１２６は、第１のグレージング層１０２の内側表面１０６の下にあり、内側表面１０６から離れており、第１の間隙層１２４の底部表面１２８は、第１の多孔質光吸収材料層１０８の上部表面１１０の上にあり、上部表面１１０から離れている。

【0022】

太陽熱ユニット１００が第１の間隙層１２４を備える実施形態では、第１の移行部１３８は、第１の間隙層１２４の端部１９２周りに第１の流体経路の曲がり角を備えてもよい。図３および図４に図示されるように、第１のグレージング層１０２は長さＬ_１を有し、第１の間隙層１２４は、第１のグレージング層１０２の長さよりも短い長さを有する。第１の間隙層１２４の短い長さは、第１の間隙層１２４の端部１９２と断熱層１３０の側壁１３４との間の第１のギャップ１９４を形成する。第１の移行部１３８の曲がり角は、約９０°～約１８０°などの最大約１８０°の角度であってよい角度で熱吸収流体１１６の向きを変えることができる。第１の間隙層１２４は、第１のグレージング層１０２の幅Ｗに等しい幅を有してもよい。このような実施形態では、第１の流体経路の第１の部分１１８は、入口１２０から、第１のグレージング層１０２の内側表面１０６と第１の間隙層１２４の上部表面１２６との間の、第１のグレージング層１０２の内側表面１０６に沿って延び、第１の流体経路の第２の部分１４０は、第１の間隙層１２４の底部表面１２８と第１の多孔質光吸収材料層１０８の上部表面１１０との間に延びている。第１の流体経路の第２の部分１４０は、第１の間隙層１２４の底部表面１２８と接触し、それによって第１の間隙層１２４から熱を収集してもよい。

【0023】

太陽熱ユニット１００が第１の間隙層１２４を備える実施形態では、熱吸収流体はさらに、第１の流体流路に沿って流れるときに間隙層１２４から熱を抽出してもよい。例えば、熱吸収流体１１６が第１の流体流路の第１の部分１１８に沿って移動するときに、熱吸収流体１１６は、第１のグレージング層１０２の内側表面１０６に沿って、また第１の間隙層１２４の上部表面１２６から熱を収集してもよい。さらに、第１の流体流路の第２の部分１４０に沿って移動するときに、熱吸収流体１１６は、第１の間隙層１２４の底部表面１２８に沿って、また多孔質光吸収材料層１０８の上部表面１１０に沿って熱を収集してもよい。上述したように、熱吸収流体１１６の温度勾配は、熱吸収流体が第１の流体流路に沿って入口１２０から出口１２２に流れるにつれて増大し得るため、出口１２２における熱吸収流体の温度は、入口１２０における熱吸収流体１１６の温度より高い可能性がある。

【0024】

太陽熱ユニット１００の左側の第２の流体流路は、第１の流体流路と同じ構成部品のセットを有していてもよく、第１の流体流路と左右対称であってもよい。図示されているように、太陽熱ユニット１００の左側は、外側表面１４８および内側表面１５０を有する第２のグレージング層１４６を備える。第２のグレージング層１４６の外側表面１４８は、周囲空気に曝露されていてもよい。太陽熱ユニット１００の左側はまた、第２のグレージング層１４６の下にあり、第２のグレージング層１４６から離れている第２の多孔質光吸収材料層１５２を有する。第２の多孔質光吸収材料層１５２は、上部表面１５４、厚さ１５６および底部表面１５８を有する。熱吸収流体１１６またはその一部は、入口１２０から出口１２２へと第２の流体流路に沿って太陽熱ユニット１００を通って流れてもよい。図示されるように、第２のグレージング層１４６および第２の多孔質光吸収材料層１５２はそれぞれ、同じ幅Ｗおよび長さＬ_２を有する。

【0025】

上述のように、入口１２０を通って太陽熱ユニット１００に入るとき、熱吸収流体１１６は、初期温度を有してもよい。入口１２０を通って太陽熱ユニット１００に入った後、熱吸収流体１１６の少なくとも一部は、入口１２０から第２のグレージング層１４６の内側表面１５０に沿って延びる第２の流体流路の第１の部分１６０に沿って流れてもよい。熱吸収流体１１６は、第２の流体流路の第１の部分１６０に沿って流れるときに、第２のグレージング層１４６の内側表面１５０の全長Ｌ_２に沿って流れてもよい。さらに、第２の流体流路の第１の部分１６０内で、熱吸収流体１１６は、第２のグレージング層１４６の内側表面１５０の全幅Ｗにわたって均一に分布してもよい。第２の流体流路の第１の部分１６０に沿って移動するときに、熱吸収流体１１６は、第２のグレージング層１４６の内側表面１５０に沿って熱を収集してもよい。したがって、第２の流体流路の第１の部分１６０の端部における熱吸収流体１１６の温度は、入口１２０における熱吸収流体１１６の初期温度よりも高い可能性がある。

【0026】

第２の流体流路の第１の部分１６０を通って流れた後、熱吸収流体１１６は、第２の流体流路の第２の移行部１６２を通り、次に第２の部分１６４に沿って流れてもよい。第２の流体流路の第２の部分１６４は、第２の多孔質光吸収材料層１５２の上部表面１５４に沿って延びている。熱吸収流体１１６の少なくとも一部は、第２の流体流路の第２の部分１６４に沿って流れるときに、第２の多孔質光吸収材料層１５２の上部表面１５４の全長Ｌ_１に沿って流れてもよい。さらに、第２の流体流路の第２の部分１６４内で、熱吸収流
体１１６は、多孔質光吸収材料層１５２の上部表面１５４の全幅Ｗにわたって均一に分布してもよい。第２の流体流路の第２の部分１６４に沿って移動するときに、熱吸収流体１１６は、多孔質光吸収材料層１５２の上部表面１５４に沿って熱を収集してもよい。したがって、第２の流体流路の第２の部分１６４端部における熱吸収流体１１６の温度は、入口１２０における熱吸収流体１１６の初期温度よりも高いだけでなく、第２の流体流路の第１の部分１６０の端部における熱吸収流体１１６の温度よりも高い可能性がある。

【0027】

第２の流体流路の第２の部分１６４を通って流れた後、熱吸収流体１１６は、第２の多孔質光吸収材料層１５２の厚さ１５６を通って、第２の流体経路の第３の部分１６６に沿って流れてもよい。第２の流体経路の第３の部分１６６に沿って流れるときに、熱吸収流体１１６は、第２の多孔質光吸収材料層１５２内から熱を収集してもよい。したがって、第２の流体流路の第３の部分１６６端部における熱吸収流体１１６の温度は、入口１２０における熱吸収流体１１６の初期温度よりも高いだけでなく、第２の流体流路の第２の部分１６４の端部における熱吸収流体１１６の温度よりも高い可能性がある。

【0028】

第２の流体流路の第３の部分１４２を通って流れた後、熱吸収流体１１６は、第２の多孔質光吸収材料層１５２の底部表面１５８に沿って、熱吸収流体１１６が太陽熱ユニット１００を出ることができる出口１２２まで、第２の流体経路の第４の部分１６８に沿って流れてもよい。熱吸収流体１１６は、第２の多孔質光吸収材料層１５２の底部表面１５８から、また第２の流体経路の第４の部分１６８に沿って流れるときに接触する断熱層１３０などの任意の他の構成部品から熱を収集してもよい。したがって、第２の流体流路の第４の部分１６８の端部における熱吸収流体１１６の温度は、入口１２０における熱吸収流体１１６の初期温度よりも高いだけでなく、第２の流体流路の第３の部分１６６の端部における熱吸収流体１１６の温度よりも高い可能性がある。

【0029】

断熱層１３０は、第２の多孔質光吸収材料層１５２の下にあり、第２の多孔質光吸収材料層１５２から離れていてもよい。断熱層１３０は、第２の流体経路の第４の部分１６８の一部を形成する第２の流れチャネル１７６を提供するように構成されてもよい。第２の流体経路の第４の部分１６８は、第２の多孔質光吸収材料層１５２の下の第２の流れチャネル１７６に沿って、出口１２２へと流れてもよい。

【0030】

さらに、第２の流体流路に関して、太陽熱ユニット１００は、第２のグレージング層１４６と第２の多孔質光吸収材料層１５２との間に、第２の間隙層１７０のような１つまたは複数の間隙層を有してもよい。図示されているように、第２の間隙層１７０は、グレージングであってもまたは異なる適切な材料であってもよく、第２のグレージング層１４６と同じ材料もしくは異なる材料で製造されていてもよく、および／または１つもしくは複数の光起電力（ＰＶ）パネルを備えてもよい。第２の間隙層１７０は、上部表面１７２および底部表面１７４を有してもよい。第２の間隙層１７０の上部表面１７２は、第２のグレージング層１４６の内側表面１５０の下にあり、内側表面１５０から離れており、第２の間隙層１７０の底部表面１７４は、第２の多孔質光吸収材料層１５２の上部表面１５４の上にあり、上部表面１５４から離れている。

【0031】

太陽熱ユニット１００が第２の間隙層１７０を備える実施形態では、第２の移行部１６２は、第２の間隙層１７０の端部１９６周りに第２の流体経路の曲がり角を備えてもよい。図３および図４に図示されるように、第２のグレージング層１４６は長さＬ_２を有し、第２の間隙層１７０は、第２のグレージング層１４６の長さＬ_２よりも短い長さを有する。第２の間隙層１７０の短い長さは、第２の間隙層１７０の端部１９６と断熱層１３０の側壁１３４との間の第２のギャップ１９８を形成する。第２の移行部１６２の曲がり角は、約９０°～約１８０°などの最大約１８０°の角度であってよい角度で熱吸収流体１１６の向きを変えることができる。第２の間隙層１７０は、第２のグレージング層１４６の幅Ｗに等しい幅を有してもよい。このような実施形態では、第２の流体経路の第１の部分１６０は、入口１２０から、第２のグレージング層１４６の内側表面１５０と第２の間隙層１７０の上部表面１７２との間の、第２のグレージング層１４６の内側表面１５０に沿って延び、第２の流体経路の第２の部分１６４は、第２の間隙層１７０の底部表面１７４と第２の多孔質光吸収材料層１５２の上部表面１５４との間に延びている。

【0032】

太陽熱ユニット１００が第２の間隙層１７０を備える実施形態では、熱吸収流体１１６はさらに、第２の流体流路に沿って流れるときに第２の間隙層１７０から熱を抽出してもよい。例えば、第２の流体流路の第１の部分１６０に沿って移動するときに、熱吸収流体１１６は、第２のグレージング層１４６の内側表面１５０に沿って、また第２の間隙層１７０の上部表面１７２から熱を収集してもよい。さらに、第２の流体流路の第２の部分１６４に沿って移動するときに、熱吸収流体１１６は、第２の間隙層１７０の底部表面１７４に沿って、また多孔質光吸収材料層１５２の上部表面１５４に沿って熱を収集してもよい。上述したように、熱吸収流体１１６の温度勾配は、熱吸収流体が第２の流体流路に沿って入口１２０から出口１２２に流れるにつれて増大し得るため、出口１２２における熱吸収流体の温度は、入口１２０における熱吸収流体１１６の温度より高い可能性がある。

【0033】

図３および図４に示すように、第１の流体流路および第２の流体流路は、それぞれ底部および側部が断熱層１３０によって、それぞれ上部が第１のグレージング層１０２または第２のグレージング層１４６によって取り囲まれてもよい。太陽熱ユニット１００の取り囲まれたセクションは、密閉された流れチャンバを提供できるため、熱吸収流体は、入口１２０から出口１２２に流れるときに太陽熱ユニット１００から漏れない。例えば、第１のグレージング層１０２と、断熱材１３０からなる底部１３２と、断熱材１３０からなる側壁１３４と、プレナム１８４からなる壁とによって囲まれた第１の密閉された流れチャンバ１７８を設けてもよい。第１の密閉されたチャンバは第１の流体経路を取り囲む。同様に、第２のグレージング層１４６と、断熱材１３０からなる底部１３２と、断熱材１３０からなる側壁１３４と、プレナム１８４からなる壁とによって囲まれた第２の密閉された流れチャンバ１８０を設けてもよい。第２の密閉されたチャンバは第２の流体経路を取り囲む。

【0034】

太陽熱ユニット１００はさらに、流体流路の少なくとも一部と、断熱層１３０をはじめとする流体流路を形成する構成部品とを包囲し、取り囲む保護ハウジング１８２を有してもよい。

【0035】

図３および図４から見てとれるように、分流太陽熱ユニット１００は、第１のグレージング層１０２および第１の多孔質光吸収材料層１０８を第２のグレージング層１４６および第２の多孔質光吸収材料層１５２から分離するプレナム１８４を有してもよい。プレナム１８４は、プレナムカバー１８６と、プレナムカバー１８６の下の上部プレナムチャンバ１８８とを有してもよい。入口１２０は、プレナム１８４内に配置してもよい。入口１２０は、流入する熱吸収流体を均等に分割し、第１の流体経路と第２の流体経路との間に向けるように構成されてもよい。入口は、熱吸収流体を上部プレナムチャンバ１８８に流入させるようにさらに構成されてもよい。

【0036】

熱エネルギーを生成することに加えて、本技術の太陽熱ユニットのいくつかの実施形態はまた、電気エネルギーを生成してもよい。そのような実施形態では、電気エネルギーは、プレナムカバー１８６の少なくとも一部を含むことができる１つまたは複数の光電池を備える光起電力パネル（ＰＶ）１９０によって生成してもよい。入口１２０から上部プレナムチャンバ１８８に流入する熱吸収流体１１６は、第１の流路または第２の流路に沿って進む前に、光起電力パネル１９０から熱を収集してもよい。光電池は、冷却されるとより効率的に動作するため、光起電力パネル１９０から熱を収集する熱吸収流体は、熱吸収流体によって吸収される熱量を増加させるだけでなく、光起電力パネル１９０の効率を維持または向上させることができる。ＰＶパネルの後面は、パネルとの流れの相互作用を促進してパネルの冷却を促進するように改造されてもよい。さらに、パネルの電池のレイアウトおよび配線は、パネル全体の温度勾配を考慮してパネル性能を最大にするように最適化することができる。

【0037】

単一の流体流路を有する、本技術の太陽熱ユニット５００の１つの他の実施形態を図５に示す。少なくともいくつかの実施形態では、太陽熱ユニット５００は、入口５２０から出口５２２への流体流路に沿って、温度勾配がユニットを通して増加するように構成されてもよい。

【0038】

図示されているように、太陽熱ユニット５００は、外側表面５０４および内側表面５０６を有するグレージング層５０２を有する。グレージング層５０２の外側表面５０４は、周囲空気に曝露されていてもよい。太陽熱ユニット５００はまた、グレージング層５０２の下にあり、グレージング層５０２から離れている多孔質光吸収材料層５０８を有する。多孔質光吸収材料層５０８は、上部表面５１０、厚さ５１２および底部表面５１４を有する。熱吸収流体５１６は、入口５２０から出口５２２へと流体流路に沿って太陽熱ユニット５００を通って流れてもよい。

【0039】

入口５２０を通って太陽熱ユニット５００に入るとき、熱吸収流体５１６は、用途に応じて、太陽熱ユニット５００外部の周囲空気の温度と同じであっても、同じでなくてもよい初期温度を有してもよい。入口５２０を通って太陽熱ユニット５００に入った後、熱吸収流体５１６の少なくとも一部は、入口５２０からグレージング層５０２の内側表面５０６に沿って延びる流体流路の第１の部分５１８に沿って流れてもよい。熱吸収流体５１６は、流体流路の第１の部分５１８に沿って流れるときに、グレージング層５０２の内側表面５０６の全長に沿って流れてもよい。さらに、流体流路の第１の部分５１８内で、熱吸収流体５１６は、第１のグレージング層５０２の内側表面５０６の全幅にわたって均一に分布してもよい。流体流路の第１の部分５１８に沿って移動するときに、熱吸収流体５１６は、第１のグレージング層５０２の内側表面５０６に沿って熱を収集してもよい。したがって、流体流路の第１の部分５１８端部における熱吸収流体５１６の温度は、入口５２０における熱吸収流体５１６の初期温度よりも高い可能性がある。

【0040】

流体流路の第１の部分５１８を通って流れた後、熱吸収流体５１６は、流体流路の第２の移行部５２０を通り、次に第２の部分５２２に沿って流れてもよい。流体流路の第２の部分５２２は、多孔質光吸収材料層５０８の上部表面５１０に沿って延びている。熱吸収流体５１６の少なくとも一部は、流体流路の第２の部分５２２に沿って流れるときに、多孔質光吸収材料層５０８の上部表面５１０の全長に沿って流れてもよい。さらに、流体流路の第２の部分５２２内で、熱吸収流体５１６は、多孔質光吸収材料層５０８の上部表面５１０の全幅にわたって均一に分布してもよい。流体流路の第２の部分５２２に沿って移動するときに、熱吸収流体５１６は、多孔質光吸収材料層５０８の上部表面５１０に沿って熱を収集してもよい。したがって、流体流路の第２の部分５２２端部における熱吸収流体５１６の温度は、入口５２０における熱吸収流体５１６の初期温度よりも高いだけでなく、流体流路の第１の部分５１８の端部における熱吸収流体５１６の温度よりも高い可能性がある。

【0041】

流体流路の第２の部分５２２を通って流れた後、熱吸収流体５１６は、多孔質光吸収材料層５０８の厚さ５１２を通って、第１の流体経路の第３の部分５２４に沿って流れてもよい。流体経路の第３の部分５２４に沿って流れるときに、熱吸収流体５１６は、多孔質光吸収材料層５０８内から熱を収集してもよい。したがって、流体流路の第３の部分５２４端部における熱吸収流体５１６の温度は、入口５２０における熱吸収流体５１６の初期温度よりも高いだけでなく、流体流路の第２の部分５２２の端部における熱吸収流体５１６の温度よりも高い可能性がある。

【0042】

流体流路の第３の部分５２４を通って流れた後、熱吸収流体５１６は、多孔質光吸収材料層５０８の底部表面５１４に沿って、熱吸収流体が太陽熱ユニット５００を出ることができる出口５２２まで、流体経路の第４の部分５２６に沿って流れてもよい。熱吸収流体５１６は、多孔質光吸収材料層５０８の底部表面５１４から、また流体経路の第４の部分５２６に沿って流れるときに接触する断熱層５３４などの任意の他の構成部品から熱を収集してもよい。したがって、流体流路の第４の部分５２６端部における熱吸収流体５１６の温度は、入口５２０における熱吸収流体５１６の初期温度よりも高いだけでなく、流体流路の第３の部分５２４の端部における熱吸収流体５１６の温度よりも高い可能性がある。

【0043】

太陽熱ユニット５００はまた、少なくとも底部５３６および側壁５３８を有することができる断熱層５３４を有してもよい。断熱層５３４は、多孔質光吸収材料層５０８の下にあり、多孔質光吸収材料層５０８から離れていてもよい。断熱層５３４は、流体経路の第４の部分５２６の一部を形成する第１の流れチャネル５４０を提供するように構成されてもよい。流体経路の第４の部分５２６は、多孔質光吸収材料層５０８の下の第１の流れチャネル５４０に沿って、出口５２２へと流れてもよい。

【0044】

さらに、太陽熱ユニット５００は、グレージング層５０２と多孔質光吸収材料層５０８との間に、間隙層５２８のような少なくとも１つの間隙層を有してもよい。間隙層５２８は、グレージングであってもまたは異なる適切な材料であってもよく、グレージング層２０２と同じ材料または異なる材料で製造されていてもよい。間隙層５２８は、上部表面５３０および底部表面５３２を有してもよい。間隙層５２８の上部表面５３０は、グレージング層５０２の内側表面５０６の下にあり、内側表面５０６から離れており、間隙層５２８の底部表面５３２は、多孔質光吸収材料層５０８の上部表面５１０の上にあり、上部表面５１０から離れている。

【0045】

太陽熱ユニット５００が間隙層５２８を備える実施形態では、移行部５２０は、間隙層５２８の端部５４２周りに第１の流体経路の曲がり角を備えてもよい。図５に図示されるように、グレージング層５０２は長さを有し、間隙層５２８は、グレージング層５０２の長さよりも短い長さを有する。間隙層５２８の短い長さは、間隙層５２８の端部５４２と断熱層５３４の側壁５３８との間の第１のギャップ５４４を形成する。移行部５２０の曲がり角は、約９０°～約１８０°などの最大約１８０°の角度であってよい角度で熱吸収流体５１６の向きを変えることができる。間隙層５２８は、グレージング層５０２の幅に等しい幅を有してもよい。このような実施形態では、流体経路の第１の部分５１８は、入口５２０から、グレージング層５０２の内側表面５０６と間隙層５２８の上部表面５３０との間の、グレージング層５０２の内側表面５０４に沿って延び、流体経路の第２の部分５２２は、間隙層５２８の底部表面５３２と多孔質光吸収材料層５０８の上部表面５１０との間に延びている。流体経路の第２の部分５２２は、間隙層５２８の底部表面５３２と接触し、それによって第１の間隙層５２８から熱を収集してもよい。

【0046】

太陽熱ユニット５００が第１の間隙層５２８を備える実施形態では、熱吸収流体はさらに、流体流路に沿って流れるときに間隙層５２８から熱を抽出してもよい。例えば、熱吸収流体５１６が流体流路の第１の部分５１８に沿って移動するときに、熱吸収流体５１６は、第１のグレージング層５０２の内側表面５０６に沿って、また第１の間隙層５２８の上部表面５３０から熱を収集してもよい。さらに、流体流路の第２の部分５２２に沿って移動するときに、熱吸収流体５１６は、第１の間隙層５２８の底部表面５３２に沿って、また多孔質光吸収材料層５０８の上部表面５１０に沿って熱を収集してもよい。上述したように、熱吸収流体５１６の温度勾配は、熱吸収流体が第１の流体流路に沿って入口５２０から出口５２２に流れるにつれて増大し得るため、出口５２２における熱吸収流体の温度は、入口５２０における熱吸収流体５１６の温度より高い可能性がある。

【0047】

本技術の太陽熱ユニット６００および７００のさらなる他の実施形態をそれぞれ図６および図７に示す。

【0048】

図６に示すように、太陽熱ユニット６００は、図１～図４に関して上記において図示され説明されたものと同様の２つの流体流路を有する。しかしながら、第２のグレージング層を有する代わりに、太陽熱ユニット６００は、長さＬを有し、両方の流体流路の上部全体に延びる第１のグレージング層６０２のみを有する。図示されているように、太陽熱ユニット６００は、外側表面６０４および内側表面６０６を有する第１のグレージング層を有する。第１のグレージング層６０２の外側表面６０４は、周囲空気に曝露されていてもよい。太陽熱ユニット６００はまた、太陽熱ユニット６００の第１の側に、第１のグレージング層６０２の下にあり、第１のグレージング層６０２から離れている第１の多孔質光吸収材料層６０８を有する。第１の多孔質光吸収材料層６０８は、上部表面６１０、厚さ６１２および底部表面６１４を有する。太陽熱ユニット６００はまた、太陽熱ユニット６００の第１の側とは反対側の太陽熱ユニット６００の第２の側に、第１のグレージング層６０２の下にあり、第１のグレージング層６０２から離れている第２の多孔質光吸収材料層６１６を有する。第２の多孔質光吸収材料層６１６は、上部表面６１８、厚さ６２０および底部表面６２２を有する。太陽熱ユニット６００は、第１の間隙層６３８および第２の間隙層６４０をさらに有する。

【0049】

熱吸収流体６２４は、第１の多孔質光吸収材料層６０８を第２の多孔質光吸収材料層６１６から分離するプレナム６２８における入口６２６を通って、太陽熱ユニット６００に流入する。熱吸収流体６２４の半分であってもよい第１の部分は、第１のグレージング層の内側表面６０６に沿って、入口６２６から第１の流体流路６３０に沿って流れ、次に、第１の多孔質光吸収材料層６０８の厚さを通って出口６３４へと流れる。熱吸収流体６２４の同じく半分であってもよい第２の部分は、第１のグレージング層の内側表面６０６に沿って、入口６２６から第２の流体流路６３２に沿って流れ、次に、第２の多孔質光吸収材料層６１６の厚さを通って出口６３４へと流れる。

【0050】

太陽熱ユニット６００を通る熱吸収流体６２４の流れは、上述の太陽熱ユニット１００の流体経路に沿った流れと同じであるか、または実質的に同じである。しかし、太陽熱ユニット６００において、第１の間隙層６３８および第２の間隙層６４０と面一であってよいプレナムカバー６３６は、第１のグレージング層６０２の下にあり、第１のグレージング層６０２から離れている。図示されるように、プレナムカバー６３６は１つまたは複数の光電池を備えてもよい。入口６２６は、流入する熱吸収流体６２４を均等に分割し、第１の流体経路と第２の流体経路との間に向けるように構成されてもよい。入口６２６は、熱吸収流体をプレナムカバー６３６の下にあるプレナムに流入させ、次いで各流路に沿って分割されるときにプレナムカバー６３６の上を流れさせるようにさらに構成されてもよい。このような構成により、熱吸収流体６２４は、プレナムカバー６３６の下および上から、ならびにプレナムカバー６３６の一部である１つまたは複数のＰＶパネルのいずれかから熱を収集することができる。

【0051】

図７に示すように、太陽熱ユニット７００は、太陽熱ユニット６００と構造および流れが類似している。太陽熱ユニット７００は、長さＬを有し、両方の流体流路の上部全体に延びる第１のグレージング層７０２を有する。本実施形態では、第１の間隙層７０４および第２の間隙層７０６それぞれの第１の端部は、プレナムカバーとして機能してもよい。さらに、第１の間隙層７０４および第２の間隙層７０６はそれぞれ、１つまたは複数のＰＶパネルを備えてもよい。本実施形態では、備えることができるＰＶパネルの面積は、他の図示された実施形態のＰＶパネルの面積よりも大きい。熱吸収流体７０８は、プレナムカバーとして機能する第１の間隙層７０４および第２の間隙層７０６それぞれの一部の下にある入口７１０を通って、太陽熱ユニット７００に流入することができる。次いで、熱吸収流体は分かれて、流体流路それぞれに沿って流れ、第１の間隙層７０４および第２の間隙層７０６のＰＶパネルの上部から、次いで第１の間隙層７０４および第２の間隙層７０６のＰＶパネルの底部から熱を収集した後、第１の多孔質光吸収材料層７１２および第２の多孔質光吸収材料層７１４を通って出口７１６へと流れてもよい。太陽熱ユニット７００では、プレナムカバーとして機能する第１の間隙層７０４および第２の間隙層７０６の厚さができるだけ実用的であるように低減され、第１の多孔質光吸収材料層７１２および第２の多孔質光吸収材料層７１４の厚さは増大されることが有利であり得る。

【0052】

図１２～図１３は、本技術の太陽熱ユニット１０００の第５の実施形態を示す。太陽熱ユニット１０００は、２つの流体流路、すなわち、右側に第１の流体流路、左側に第２の流体流路を有する分流設計を有する。第２の流体流路は、第１の流体流路と同じ構成部品のセットを有していてもよく、第１の流体流路と左右対称であってもよいと理解すべきである。この設計の流路は、太陽熱ユニット１００の流路と比較すると変更されており、まず熱吸収流体がユニットの外縁部、次いで第１のグレージング層の底部表面に沿ってユニットの中心へと流れる。

【0053】

図示される太陽熱ユニット１０００は、第１の流体流路２０００および第２の流体流路２００２の両方の全体に延びる第１のグレージング層１００２を備える。第１のグレージング層１００２は外側表面１００４および内側表面１００６を有する。第１のグレージング層１００２の外側表面１００４は、周囲空気に曝露されていてもよい。

【0054】

太陽熱ユニット１０００の第１の流体流路２０００は、第１のグレージング層１００２の下にあり、第１のグレージング層１００２から離れている第１の多孔質光吸収材料層１００８を有する。第１の多孔質光吸収材料層１００８は、上部表面１０１０、厚さ１０１２および底部表面１０１４を有する。

【0055】

太陽熱ユニット１０００の第１の流体流路２０００はまた、第１のグレージング層１００２と第１の多孔質光吸収材料層１００８との間に第１の間隙層１０１６を有し、第１の間隙層１０１６は上部表面１０１８および底部表面１０２０を有する。第１の間隙層１０１６の上部表面１０１８は、第１のグレージング層１００２の内側表面１００６の下にあり、内側表面１００６から離れており、第１の間隙層１０１６の底部表面１０２０は、第１の多孔質光吸収材料層１００８の上部表面１０１０の上にあり、上部表面１０１０から離れている。第１の間隙層は、ＰＶパネル１０２２および第２のグレージング層１０２４を備えてもよい。

【0056】

太陽熱ユニット１０００の第２の流体流路２００２は、第１のグレージング層１００２の下にあり、第１のグレージング層１００２から離れている第２の多孔質光吸収材料層１０４４を有する。第２の多孔質光吸収材料層１０４４は、上部表面１０４６、厚さ１０４８および底部表面１０５０を有する。

【0057】

太陽熱ユニット１０００の第２の流体流路２００２はさらに、第１のグレージング層１００２と第２の多孔質光吸収材料層１０４４との間に第２の間隙層１０５２を有し、第２の間隙層１０５２は上部表面１０５４および底部表面１０５６を有する。第２の間隙層１０５２の上部表面１０５４は、第１のグレージング層１００２の内側表面１００６の下にあり、内側表面１００６から離れており、第２の間隙層１０５２の底部表面１０５６は、第２の多孔質光吸収材料層１０４４の上部表面１０４６の上にあり、上部表面１０４６から離れている。第２の間隙層１０５２は、ＰＶパネル１０５８および第３のグレージング層１０６０を備えてもよい。加えて、第１の間隙層１０１６および第２の間隙層１０５２は、第１および第２の流路の熱吸収流体が通過できる第１の移行部１０６２を設けるように離間されていてもよい。

【0058】

太陽熱ユニット１０００はまた、内側表面１０２８を有する入口プレナム１０２６を備える。入口プレナムは、熱吸収流体１０３４が通って太陽熱ユニット１０００に流入する入口１０３０と、熱吸収流体１０３４が太陽熱ユニット１０００から出る出口１０３２とを有する。入口１０３０を含む太陽熱ユニットは、熱吸収流体の最初の半分が第１の流体流路２０００に沿って流れ、熱吸収流体の残りの半分は第２の流体流路２００２に沿って流れるように、熱吸収流体を均等に分割するように構成されてもよい。流路間で均等に分配して流れのバランスをとることにより、第１のグレージング層で起こり得るホットスポットを低減または排除することができ、これは第１のグレージング層による熱損失を低減させ、効率を改善できる。

【0059】

太陽熱ユニット１０００は、入口プレナム１０２６と第１の多孔質光吸収材料層１００８との間に断熱層１０３６をさらに備える。断熱層は、上部表面１０３８および底部表面１０４０を有する。

【0060】

太陽熱ユニット１０００は、流体流路の少なくとも一部と、入口プレナム１０２６をはじめとする流体流路を形成する構成部品とを包囲し、取り囲むことができる保護ハウジング１０４２を備えてもよい。

【0061】

熱吸収流体１０３４は、入口１０３０を通って太陽熱ユニット１０００に流入し、第１の流体流路および第２の流体流路に沿って流れるように分かれる。

【0062】

図１３に示すように、第１の流体流路２０００は、入口１０３０から入口プレナム１０２６の内側表面１０２８と断熱層１０３６の底部表面１０４０との間を、右へ流れる。次に、第１の流体流路２０００は、第１のグレージング層１００２の内側表面１００６に沿って流れる。熱吸収流体は、第１のグレージング層１００２の内側表面１００６に沿って、またその構成部品であるＰＶパネルを含む、第１の間隙層１０１６の上部表面１０１８に沿って熱を吸収する。したがって、第１のグレージング層１００２の内側表面１００６に沿って流れた後の熱吸収流体の温度は、入口１０３０における熱吸収流体の温度よりも高い。

【0063】

次に、第１の流体流路２０００は、離間されている第１の間隙層１０１６と第２の間隙層１０５２との間の空間として示される第１の移行部１０６２を通って流れる。第１の移行部１０６２において、またその中で、流れが分かれて２つの流体流路に沿って進む前に、第１の流路の熱吸収流体は第２の流路の熱吸収流体と混ざり合う場合がある。第１の移行部１０６２は、第１の流路と第２の流路とを接合し、次いで、熱吸収流体を２つの流体流路間で均等に分割するように、第１の流路と第２の流路とに分かれさせるように構成されてもよい。

【0064】

次に、第１の流体流路２０００は、第１の間隙層の底部表面および第１の多孔質光吸収材料層１００８の上部表面に沿って流れ、次に、第１の多孔質光吸収材料層１００８の厚さ１０１２を通って出口１０３２へと流れる。第１の流体流路２０００に沿って流れる熱吸収流体１０３４は、その構成部品であるＰＶパネルを含む、第１の間隙層の底部表面と、第１の多孔質光吸収材料層１００８の上部表面に沿って熱を吸収する。第１の流体流路２０００に沿って流れる熱吸収流体は、第１の多孔質光吸収材料層１００８の厚さ内からも熱を吸収する。したがって、第１の多孔質光吸収材料層１００８を通って流れた後の熱吸収流体の温度は、入口１０３０における熱吸収流体１０３４の温度よりも高い可能性がある。

【0065】

第２の流体流路２００２は、入口１０３０から入口プレナム１０２６の内側表面１０２８と断熱層１０３６の底部表面１０４０との間を、左へ流れる。次に、第２の流体流路２００２は、第１のグレージング層１００２の内側表面１００６に沿って流れる。熱吸収流体は、第１のグレージング層１００２の内側表面１００６に沿って、また第２の間隙層１０５２の上部表面１０５４に沿って熱を吸収する。したがって、第１のグレージング層１００２の内側表面１００６に沿って流れた後の熱吸収流体の温度は、入口１０３０における熱吸収流体の温度よりも高い。

【0066】

次に、第２の流体流路２００２は、離間されている第１の間隙層１０１６と第２の間隙層１０５２との間の第１の移行部１０６２を通って流れる。第１の移行部１０６２において、またその中で、流れが分かれて２つの流体流路に沿って進む前に、第２の流路の熱吸収流体は第１の流路の熱吸収流体と混ざり合う場合がある。

【0067】

次に、第２の流体流路２００２は、第２の間隙層１０５２の底部表面１０５６および第２の多孔質光吸収材料層１０４４の上部表面１０４６に沿って流れ、次に、第１の多孔質光吸収材料層１０４４の厚さ１０４８を通って出口１０３２へと流れる。第２の流体流路２００２に沿って流れる熱吸収流体１０３４は、第２の間隙層１０５２の底部表面１０５６と、第２の多孔質光吸収材料層１０４４の上部表面１０４６とに沿って熱を吸収する。第２の流体流路２００２に沿って流れる熱吸収流体は、第２の多孔質光吸収材料層１０４４の厚さ１０４８内からも熱を吸収する。したがって、第２の多孔質光吸収材料層１０４４を通って流れた後の熱吸収流体の温度は、入口１０３０における熱吸収流体１０３４の温度よりも高い可能性がある。

【0068】

上述したように、熱吸収流体１０３４の温度勾配は、熱吸収流体が第１の流体流路２０００または第２の流体流路のいずれかに沿って入口１０３０から出口１０３２に流れるにつれて増大し得るため、出口１０３２における熱吸収流体の温度は、入口１０３０における熱吸収流体１０３４の温度より高い可能性がある。
材料
上記の図１～図５に関連して説明した太陽熱ユニットの特定の実施形態は、熱吸収流体として空気、具体的には周囲空気を使用する。周囲空気は、通常、酸素および窒素を含む気体成分の混合物を含有する。他の実施形態では、気体状または液体状のいずれかであってよい他の熱吸収流体を使用することができる。他の熱吸収流体のいくつかの非限定的な例としては、水、ヘリウム、アルゴン、水、蒸気、およびこれらの成分の互いのまたは他の成分との混合物が挙げられる。

【0069】

本技術の太陽熱ユニットで使用するためのグレージング層は、太陽光が、グレージング層を通って太陽熱ユニット内へ、それから多孔質光吸収層へと透過するように構成された透明層である。グレージング層は、例えば、ガラス、アクリル、ＦＥＰ、ポリマー、多結晶性材料、前述のもののいずれかの誘導体、または前述のもののいずれかの組み合わせを含む、任意の適切な材料から製造することができる。ガラスを使用する場合、ガラスはソーダライム、無鉄または低鉄ガラスであってもよい。グレージング層の赤外線（ＩＲ）不透過度は、空気が流れていない典型的な太陽熱ユニットと比較して、空気または他の熱吸収流体が太陽熱ユニットを流れる本技術の太陽熱ユニットでは重要ではない。グレージング層はまた、グレージングを通して透過を促進し、および／または放射損失を低減するように、表面処理またはコーティングされてもよい。

【0070】

本技術の太陽熱ユニットに使用するための多孔質熱吸収層は、熱を吸収し、例えば金属、ミネラルウール、および熱的に安定なポリマーが挙げられる、熱吸収流体が通って流れるように構成された任意の適切な材料で製造することができる。いくつかの実施形態では、多孔質熱吸収層は黒色材料で製造されていてもよく、またはその上部表面に黒色コーティングもしくは選択的フィルムが適用されてもよい。本技術の多孔質熱吸収層は、複数の下層を備えてもよく、この場合、各下層は、多孔質熱吸収層全体によって吸収される熱のある割合を捕捉する。多孔質熱吸収層の各下層の形態係数は、上部表面から底部表面までの厚さを通して各層によって捕捉された熱の割合に直接影響を及ぼす。多孔質熱吸収層が所望の温度に達するのに必要な時間を短縮するために、実現可能な限り小さくてもよい最適化された熱質量を有するように多孔質熱吸収層を構成することが望ましい場合がある。多孔質熱吸収層は、図８に示すような非線形温度プロファイルを有するように構成することも望ましい場合があり、太陽熱ユニットの動作中の任意の所定の時間における温度は、上部表面および最初の層においては低く、下層において底部表面の近くまたは底部表面では最大に増加する。

【0071】

本技術の太陽熱ユニットに使用するための断熱層は、太陽熱ユニットからの放射熱の損失を低減するように機能する任意の適切な材料で製造することができる。

【0072】

本技術の太陽熱ユニットに使用するためのハウジングは、例えば亜鉛メッキ鋼を含む任意の適切な材料で製造することができる。
熱伝達および吸収
計算シミュレーションツールは、太陽熱ユニットの熱伝達を説明する完全な連立方程式を解くために開発された。方程式は、解が収束するまで反復的にシステム内の各構成部品について同時に解かれる。構成部品は、ソーラーユニット内の材料のあるセクション、またはキャリア流体のあるセクションであり得る。

【0073】

一般に、日射に対する熱伝達は、任意の所与の構成部品の吸収率に入射日射を掛けたものに等しい。構成部品との熱伝達は、別の構成部品、キャリア流体、または周囲の表面および／もしくは空との熱伝達であってもよい。太陽熱ユニット１００のような本技術の太陽熱ユニットの動作中、熱は、４段階で熱吸収流体に伝達してもよい。（１）流体経路の第１の部分１１８、１６０、５１８におけるグレージング層および任意の間隙層からの強制内部対流、（２）流体経路の第２の部分１４０、１６４、５２２における間隙層および多孔質熱吸収層の上部表面からの強制内部対流、（３）流体経路の第３の部分１４２、１６６、５２４における多孔質吸収層からの多孔質流れ対流、ならびに（４）流体経路の第４の部分１４４、１６８、５２６における多孔質熱吸収層の底部表面および断熱部からの強制内部対流。

【0074】

流体経路の第１、第２および第４の部分において、強制対流下の熱吸収流体への熱伝達は、２枚の平板間の強制対流のための方程式によって調節してもよい。

【0075】

【数1】

【0076】

式（１）中、Ｑは、伝達された電力（Ｗ）である。Ｎｕは無次元ヌッセルト数（平行板の場合約８）である。ｋの値は熱吸収流体の熱伝導率（Ｗ／（ｍＫ））である。Ａは、第１のグレージング層１０２および第１の間隙層１２４、第２のグレージング層１４６および第２の間隙層１７０、グレージング層５０２および間隙層５２８または多孔質熱吸収層の底部表面および断熱層の底部のような、流れが移動する各板の面積（ｍ^２）である。Ｔ_Ｆは熱吸収流体（Ｃ）の温度である。Ｔ_Ｍは材料の温度である。分母ｔｈは、２枚の板間の厚さである。

【0077】

流体経路の第３の部分１４２、１６６、５２４において、熱吸収流体への熱伝達は、以下によって調節してもよい。

【0078】

【数2】

【0079】

式（２）中、ここでＮｕ_{Ｐｏｒｏｕｓ}は多孔質材料では約～１００であり、Ａ_Ｅｆｆは材料の有効表面積（典型的には材料の体積の数百倍）であり、ｔｈは吸収体の厚さである。

【0080】

個々の太陽熱構成部品間の熱伝達は、対流または放射のいずれかによって生じ得る。放射は以下によって調節してもよい。

【0081】

【数3】

【0082】

式中、Ｑ_ｒａｄは放射電力であり、Ｔ_１およびＴ_２は２つの連通している表面の温度であり、σはシュテファン－ボルツマン定数であり、ε_１およびε_２は２つの表面の透過率（ｅｍｉｓｓｉｔｉｖｉｔｙ）である。この方程式は、孔を通っていくらかの放射線を透過する多孔質材料を説明するための形態係数乗数を含むことができ、したがって、ある構成部品が、その構成部品を「透視し」て、別の構成部品からのさらなる放射を拾うことができる。

【0083】

各構成部品における太陽束からの熱は、以下によって調節してもよい。

【0084】

【数4】

【0085】

ここで、αは材料の吸収率であり、Ｆはその材料に入射する太陽束（Ｗ／ｍ２、内部構成部品が全太陽束に上記の構成部品の透過率を乗じたものに等しい太陽束を受けることを考慮する）である。

【0086】

システムがどのように機能するかを決定する際に、本技術の太陽熱ユニットの放射熱および対流熱の損失も考慮に入れてもよい。周囲への放射熱伝達は、構成部品間の放射伝達と同じ方程式を使用してもよい。対流熱伝達は、以下によって調節してもよい。

【0087】

【数5】

【0088】

式（５）中、Ｑ_{Ａｍｂ．ｃｏｎｖ．}は対流熱損失であり、Ｗｉｎｄ_{ｖｅｌｏｃｉｔｙ}は、太陽熱ユニットの直近の風速であり、Ｔ_{ｓｕｒｆａｃｅ}は、太陽熱ユニットの関連する表面の温度であり、Ｔ_{ａｍｂｉｅｎｔ}は、太陽熱ユニットの直近の周囲温度である。

【0089】

反復解は、各構成部品が周囲温度に等しい温度で開始すると仮定することによって開始する。次に、温度は次のように進む。

【0090】

【数6】

【0091】

式（６）中、Ｔは構成部品の温度であり、ｔは時間であり、ｍは構成部品の質量であり、Ｃ_ｐは構成部品の比熱であり、Ｑ_{ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ}は各構成部品の熱伝達である。時間ステップは、Ｔの変化がＴの大きさと比較して小さくなるように選択される。次に、Ｔ_ｏｌｄがＴ_ｎｅｗに置き換えられ、温度は次のステップへと時間的に進められる。このプロセスは、各ステップの温度変化が指定された「停止」基準を下回るまで繰り返され、その時点で連立方程式は収束していると考えられ、最終温度セットが解になる。

【0092】

システムの効率は、以下のように、キャリア流体に伝達される熱エネルギーを、システムの全日射で除したものとして定義してもよい。

【0093】

【数7】

【0094】

式（７）中、

はキャリア流体の質量流量である。太陽束から吸収されるがキャリア流体に伝達されない残りのエネルギーは、外部表面（典型的にはガラスの上部ペインおよび断熱材の外部）から周囲への放射熱および対流熱の伝達によって環境に伝達される。

【0095】

上記の連立方程式は、ほぼすべての太陽熱ユニットの設計における熱伝達を説明する。本明細書に記載された実施形態は、２つの理由で従来の太陽熱ユニット（平板ユニットなど）より高い効率を生み出すことができる。理由の１つは、多孔質材料とキャリア流体との間の対流熱伝達が、平板収集における対流熱伝達よりも著しく速くなり得ることである。２つ目の理由は、多孔質設計における流路が、（周囲への大部分の損失が生じる）ガラスの上部ペインから熱を運搬し、太陽熱中のより高温の成分が、熱がよりゆっくりと周囲に逃げるより内部の場所にあることを確実にするように通ることができるというものである。
流体流れおよび圧力低下
本技術の太陽熱ユニットの効率および電力使用は、各流体経路を通る熱吸収流体の流れと、ユニット内の任意の流体経路全体の圧力低下とによって影響を受ける可能性がある。

【0096】

圧力低下を最小限にすることにより、熱吸収流体が所望の流量でシステムを通るように圧送するのに必要な電力量を低減することができる。図１～図４に示す実施形態のような分流設計を使用することによって、ユニット全体の圧力低下のバランスをとり、単一の流体経路のみを有する太陽熱ユニットと比較して、圧力低下を半減させることができる。

【0097】

空気流の均一性は、圧力低下を制御するために太陽熱ユニットの構成部品間の空間の慎重な許容誤差によって制御してもよい。本明細書に記載された流体経路に沿った流れを調節することができる３つの方程式がある。システムの設計は、下記方程式によって調節してもよい。
グレージング間の距離を設定するためのクエットの流れ（平行平板間の定常流）：

【0098】

【数8】

【0099】

多孔質熱吸収層の上下の距離、多孔質熱吸収層からグレージングまたは間隙層までの距離、および多孔質熱吸収層から断熱層の底部までの距離それぞれについての改良されたクエットの流れ（多孔質熱吸収層から出入りする流れを考慮する）。

【0100】

【数9】

【0101】

多孔質熱吸収層の所望の厚さを決定するための、多孔質熱吸収層を通るダルシー流れ。

【0102】

【数10】

【0103】

流体運動量に対するニュートンの第二法則を使用して、所定の流体経路に沿った、入口、出口、および移行部（流れが１８０度回転するため倍にしなければならない）で流れを９０度回転させるのに必要な圧力低下を決定してもよい。

【0104】

【数11】

【0105】

これらの方程式において、ΔＰは圧力低下（Ｐａ）であり、μは流体の粘度（Ｐａ^＊ｓ）であり、Ｌは断面の長さ（ｍ）であり、Ｑは流量（ｍ^３／ｓ）であり、ｈはギャップの
厚さ（ｍ、変動する場合、最初および最後）であり、ｗは断面の幅（ｍ）であり、ｔは多孔質領域の厚さ（ｍ）であり、ｋは多孔質熱吸収層の拡散係数（ｍ^２／ｓ）であり、ρは流体の密度（ｋｇ／ｍ^３）であり、υは流体の速度（ｍ／ｓ）であり、Ａは流体が通過する面積である。

【0106】

移行部の面積は、移行部における大きな圧力低下を防ぐために、グレージングと間隙層との間の断面積と少なくとも同じ大きさの面積でなければならない。

【実施例0107】

太陽熱ユニット１００および断熱されたプレナムカバーに関して上述の流れを有する本技術の太陽熱ユニットは、以下の材料およびパラメータを使用して製造された。

【0108】

このシステムは、グレージング層および間隙層のそれぞれが無鉄ガラスで作られた分流設計で構成された。断熱材はポリイソシアヌレート断熱材（Ｒ値６）から構成された。ハウジングは０．６ｍｍ厚の亜鉛メッキ鋼であった。多孔質熱吸収層はそれぞれ、反射損失を最小限にするために黒色に塗られた１インチ厚の鉱滓綿で作製された。プレナムカバーはポリイソシアヌレート断熱材であった。総吸収面積は、約２平方メートルであった。各流路に対するグレージング層と間隙層との間隔は１／８インチに設定した。各間隙層は３６．５インチ長および４７．５インチ幅の寸法を有していたのに対し、各グレージング層は３８．５インチ長および４７．５インチ幅であった。グレージング層はそれぞれ、各辺において約０．５インチだけ支持され、各移行部のギャップは約１．０インチであった。各間隙層と各多孔質熱吸収層との間の距離、また各多孔質熱吸収層と断熱材の底部との間の距離は、約１．２５インチであった。太陽熱ユニットは、公知の体積流量で計器を通して送風器に強制空気を供給することによって較正された。得られたガラスのペイン全体の圧力を測定した。すると、この圧力はＤＣファンから供給される流れと一致した。

【0109】

晴れて始まり、最後の１時間曇った日に約５時間にわたって太陽熱ユニットを試験した。毎分立方フィート（ＣＦＭ）で測定された流量は、時間単位で変化した。具体的には、最初の１時間の流量を４０ＣＦＭに設定し、２時間目の流量を５０ＣＦＭに設定した。入口の温度でもある周囲温度を毎時測定した。結果を図９に示す。システムの効率は、経時的な日射に基づいて決定し、以下の表１に示す。

【0110】

【表1】

【実施例0111】

プレナムカバーに組み込まれたＰＶパネルを有する本技術の太陽熱ユニットは、以下の材料およびパラメータを使用して製造された。

【0112】

このシステムは、グレージング層および間隙層のそれぞれが無鉄ガラスで作られた分流設計で構成された。断熱材はポリイソシアヌレート断熱材（Ｒ値６）から構成された。ハウジングは０．６ｍｍ厚の亜鉛メッキ鋼であった。多孔質熱吸収層はそれぞれ、反射損失を最小限にするために黒色に塗られた１インチ厚の鉱滓綿で作製された。プレナムカバーはＰＶパネルを備えていた。ＰＶパネルの寸法は４６．５インチ幅および１７．４インチ長であった。各グレージング層と各間隙層との間隔は約１／８インチに設定した。各間隙層は３６．５インチ長および４７．５インチ幅の寸法を有していたのに対し、各グレージング層は３８．５インチ長および４７．５インチ幅であった。グレージング層はそれぞれ、各辺において約０．５インチだけ支持され、各移行部のギャップは約１．０インチであった。総吸収面積（ＰＶパネルの面積は含まない）は、約２平方メートルであった。各間隙層と各多孔質熱吸収層との間の距離、また各多孔質熱吸収層と断熱材の底部との間の距離は、約１．２５インチであった。太陽熱ユニットは、公知の体積流量で計器を通して送風器に強制空気を供給することによって較正された。得られたガラスのペイン全体の圧力を測定した。すると、この圧力はＤＣファンから供給される流れと一致した。

【0113】

太陽熱ユニットをシザージャッキシステムに設置し、太陽熱ユニットの向きを０°から４５°までの範囲の角度で回転させて変えた。例えば、太陽熱ユニットを年間の異なる時間帯または異なる緯度の地理的地域で使用するときなどに、太陽熱ユニットが有利になる角度を調整する機能は、太陽熱ユニットを可能な限り太陽に直接向けることを可能にする。