CN102353159A - 安装浮阀的太阳能热水系统 - Google Patents

Abstract

“安装浮阀的太阳能热水系统”是在太阳能热水系统的进出气管上安装浮阀，浮阀由外壳、多孔板、浮子构成，浮子的比重大于空气的比重，小于水的比重，浮阀允许空气在进出气管中进出、通过，当太阳能热水系统中的水位达到浮子的位置时，浮子浮起，封闭进出气管，使太阳能热水系统中可以达到比较大的压力，从而使太阳能热水系统具有较高的效率，有利于与公共供水网采用相同的压力进行运行，而与传统的系统和方法相比，这种系统和方法更加简单、安全、可靠。

Description

安装浮阀的太阳能热水系统

技术领域

本发明涉及太阳能热水系统，涉及太阳能热水系统的控制，特别涉及用于太阳能热水系统的浮阀。

背景技术

太阳能利用包括光电利用和光热利用，光电利用主要指太阳能电池，光热利用主要指聚光太阳能发电装置和太阳能集热器，应用最广泛的太阳能集热器是太阳能热水器，关键问题是太阳能集热体和太阳能热水系统的控制。我国主要采用真空玻璃管太阳能集热体，国外主要采用铜管板式太阳能集热体。新型太阳能集热体是黑瓷复合陶瓷太阳板，黑瓷复合陶瓷太阳板是有进出口的中空陶瓷板材，简称陶瓷太阳板。

太阳能是面能源，理论和实践都已经证明效率最高的太阳能集热体是通孔扁盒式太阳能集热体，也就是有进出口的中空板材，在这种集热体中，阳光吸收面下面布满待加热的介质，热交换最直接、迅速，热传导距离最短，但是以前主要采用铜材，这种集热体需要使用大量铜材，铜材非常昂贵，焊缝很长，制造工艺复杂，制造成本很高，难以大规模生产和使用，所以产生了陶瓷太阳板。

真空玻璃管的主要缺点是：真空玻璃管由同轴内外玻璃管组成，一端封闭，内外管之间抽真空，外管透明，内管外表面覆盖太阳能吸收涂料。由于必须采用真空层、密封圈、防尘圈、尾托，使黑色阳光吸收面只占采光投影面积约60％，中午阳光直射时，部分阳光穿过黑色面之间的空档，未得到利用，在阳光最强烈的中午时段降低了集热效率；真空度在使用中不断下降，降低保温效果；一头封闭的盲管结构容易沉淀水碱和水中的杂质，减少热交换面积；太阳能吸收涂料的阳光吸收率容易衰减，这是目前太阳能热水器太阳能吸收涂料或称作太阳能吸收膜的共同缺点；玻璃管用硼硅玻璃制造，熔制温度1650℃，熔制时间数小时，制造能耗高，氧化硼价格高；这些缺点导致真空玻璃管制造成本高、制造耗能比较高，寿命比较短，一般有效使用寿命7-8年。

铜管板式太阳能集热体的主要缺点是：太阳能吸收涂料的阳光吸收率容易衰减；铜材十分昂贵，需要电解提纯，制造成本高、耗能很高；集热铜管横向间隔大，导热距离远，影响效率；焊缝容易腐蚀；一般有效使用寿命7-10年。

太阳能集热器可以提供热水、热风，热水、热风可用于洗涤、冬季取暖、夏季空调，另外参照地下热水发电的方式，大量廉价的高温热水还可以进行低成本发电，取代常规能源、保护环境。但是现有的太阳能集热器制造成本高、有效使用寿命短，使太阳能的使用成本远远高于常规能源，严重制约了太阳能集热器的发展，太阳能集热器必须实现与建筑一体化，才能获得更大的发展空间，现有太阳能集热器受其太阳能集热体材料和结构的制约，难以实现与建筑一体化、与建筑同寿命。太阳能集热器的核心部件是太阳能集热体，陶瓷太阳板是一种全新的低成本、长寿命、高效率的太阳能集热体。

一吨硼硅玻璃或金属材料，成本数千元至数万元，材料成为制品还需要经过复杂的加工过程。一吨陶瓷制品如一吨陶瓷墙地砖通常成本数百元，陶瓷材料成本低廉是由于原料来源广泛，一般就地取材，运费低；蕴藏量大，价格低；不需要选矿、富集；成型后一次烧结，即为制品；烧结时有所收缩，但不改变形状，烧结后无加工过程；烧结温度低、时间短，一般薄壁陶瓷制品烧结温度约1200℃，历时几分钟至十几分钟，而玻璃的熔制或金属材料的冶炼，通常温度1650-1800℃，历时数小时，原材料须经过熔化、流动、均化、反应、澄清等过程，一般来说，温度每提高100℃，能耗增加1倍，同时设备和耐火材料的价格、消耗也成倍提高，电解的能耗更远大于冶炼。所以，陶瓷烧结与玻璃的熔制或金属材料的冶炼、电解有本质区别，能耗与成本均相差10倍至100倍。陶瓷是目前已知的成本最低、使用寿命最长、性能最稳定的工程材料之一。

陶瓷材料强度大、硬度高、不腐蚀、不老化、理化性能非常稳定，使用寿命很长，可达数百年以上。黑色瓷质材料具有陶瓷通性，阳光吸收率高，阳光吸收率不会衰减。

由此近几年出现了黑瓷复合陶瓷太阳板，黑瓷复合陶瓷太阳板的基体是普通陶瓷，表面层是黑瓷，即其基体是用普通陶瓷原料制造的陶瓷中空板，表面层是黑色、粗糙、布满微小孔洞的黑瓷的复合陶瓷中空太阳能集热板。

新能源的核心是使用成本，包括能源成本、货币成本、环境成本，只有使用成本低于常规能源的新能源才可能成为大规模替代能源。

陶瓷太阳板是以普通陶瓷为基体，立体网状钒钛黑瓷为表面层的中空薄壁扁盒式太阳能集热体，已取得发明专利证书。无白度要求的普通陶瓷是已知成本最低、寿命最长、性能最稳定的工程材料之一，以工业废弃物制造的钒钛黑瓷是成本最低、寿命最长、性能最稳定的太阳能吸收材料，经国家太阳能热水器质量监督检验中心检测，陶瓷太阳板的阳光吸收比0.95，混凝土结构陶瓷太阳能房顶的日得热量8.6MJ，远高于国家标准。

陶瓷太阳板制造、使用成本低，阳光吸收比不衰减，与建筑同寿命，可以用于与原房顶共用结构层、保温层、防水层、结构简单、保温隔热效果好于原房顶、与建筑一体化的混凝土结构陶瓷太阳能房顶、向阳墙面、阳台护栏面，为建筑提供热水、取暖、空调；为工农业、养殖业提供热能；可用于荒漠大规模太阳能热水发电、风道发电、海水淡化、苦咸水淡化、变沙漠为农田。已有多家工厂投产、正在投产陶瓷太阳板，我国陶瓷业产量占全球60％以上，我国最有条件大规模生产陶瓷太阳板，应该有助于解决全球能源、气候、淡水、耕地问题。

太阳能是大规模可替代能源的主要希望，陶瓷太阳能集热系统成本低、寿命长、效率高，单位能量使用成本应该低于常规能源，是一种新的可以大规模使用的太阳能利用装置。

采用陶瓷太阳板作为太阳能集热体的太阳能热水系统称作陶瓷太阳板太阳能热水系统。

传统太阳能热水系统主要包括太阳能集热器、储热水箱、控制系统，其运行方式是自然循环、强制循环和直流式加热方式。

储热水箱放在太阳能集热器的上方，储热水箱的最低点比太阳能集热器的最高点高200毫米以上，太阳能集热器中的水被阳光加热，体积膨胀，密度变小，向上运动进入储热水箱的上部，储热水箱下部温度较低的水向下运动进入太阳能集热器下部，再被加热后向上运动形成循环，称作自然循环。

强制循环包括温差控制直接强制循环、光电控制直接强制循环、定时器控制直接强制循环、温差控制间接强制循环、温差控制间接强制循环回排方式，此外，还有直流式加热方式等。

采用自然循环的太阳能热水系统的储热水箱必须放在太阳能集热器的上方，工作时太阳能集热器中充满水，为防止太阳辐射不够强烈时太阳能集热器内热水温度下降或冬天防止冻裂，需要人为或自动控制装置将集热器中水打入上水箱或放入下水箱，这些自动装置由于停电、机械故障等原因影响可靠性，水箱放在太阳能集热器的上方，对房顶上的大型系统来说，也影响建筑外观。

而目前采用强制循环的太阳能热水系统控制系统都比较复杂，如上所述，这些自动控制装置包括大量电动阀门、电磁阀、水泵，由于停电、机械故障等原因很容易影响可靠性。

陶瓷太阳板强度大、硬度高、不腐蚀、不老化、理化性能稳定、阳光吸收率不会衰减、使用寿命很长，可达数百年，陶瓷太阳板没有延展性，是脆性材料，在几十年，上百年的使用中，某一个冬天下午，由于电气、或机械故障，陶瓷太阳板中的水没有放出来，太阳能集热器中的所有陶瓷太阳板都会在短时间内冻裂，而陶瓷太阳板集热系统往往是大系统，甚至是巨型系统，必将损失惨重。

传统太阳能集热系统有各种防冻措施，包括防冻液双循环系统、防冻阀自动排水系统等，具有一定程度的可靠性。防冻液双循环系统结构复杂，造价高，需要及时补充防冻液等。对于大系统来说，防冻液数量大、成本高，明显影响热效率，多采用排水防冻方式，大系统管道长，管路复杂，放水时容易形成真空，真空造成负压，难以确保系统中的水完全排空，任何存水在结冰时都会导致太阳能集热体或管道的损坏，所以防冻阀自动排水系统需要安装真空破除阀、进气阀、排水阀等各种自动控制的电动或手动阀门，由于可能的停电、电气或机械故障，降低了可靠性，传统太阳能集热系统寿命10年左右，而陶瓷太阳板集热系统寿命几十年，上百年，需要更高的可靠性。

发明专利申请“以单水泵运行和控制的陶瓷太阳板太阳能热水系统”提出了系统中没有任何阀门，仅仅用一个离心式水泵运行和控制的陶瓷太阳板太阳能热水系统和方法。这种系统和方法对于陶瓷太阳板太阳能热水系统的防冻和防止热能大量流失非常简单、安全、可靠，但是一般适合低压运行的系统，系统的运行压力依靠进出气管中水位的高低进行平衡，如果在系统的运行压力比较高的情况下，就需要安装高度比较高的进出气管，这在实际工程中有一定的困难。

发明内容

本发明的目的是在太阳能热水系统上安装浮阀，在保持系统简单、安全、可靠的前提下，提高太阳能热水系统的运行压力。

本发明是在发明专利申请“以单水泵运行和控制的陶瓷太阳板太阳能热水系统”基础上的改进，上述发明专利申请的基本内容如下：

陶瓷太阳板集热系统，尤其是陶瓷太阳板热水系统的循环系统应该尽量简化，所述的陶瓷太阳板热水循环系统由陶瓷太阳能集热器、下循环管、水泵、保温储热水箱、上循环管、进出气管、集热器温度传感器、水箱温度传感器、控制器组成，进出气管的出口高于上汇集管高度差为H；陶瓷太阳能集热器由陶瓷太阳板、板间接口、上汇集管、下汇集管、保温材料、外壳组成；保温储热水箱放在陶瓷太阳能集热器下面，保温储热水箱内最高水面低于陶瓷太阳能集热器的下汇集管；陶瓷太阳板集热系统中只有一个水泵，是一个离心泵或轴流泵；在陶瓷太阳板热水系统的循环系统中即在上循环管、下循环管、上汇集管、下汇集管、包括进出气管中不设任何阀门，即不设防冻阀、排水阀、排气阀、压力释放阀、真空破除阀、截止阀、球阀、单向阀、电磁阀、电动阀、手动阀等任何一种、任何一个阀门，即在上述水路、气路中没有设置任何可能截断管路的装置，以确保任何情况下水路、气路都是畅通无阻的。所述的进出气管的出口高于上汇集管0.5-2米。上述陶瓷太阳板是黑瓷复合陶瓷太阳板的简称。

上午陶瓷太阳板在阳光照射下，陶瓷太阳能集热器中温度上升，当陶瓷太阳能集热器中温度超过保温储热水箱内水温，其差值达到设定的ΔA度时，控制器指令水泵启动，水箱中的水经过水泵、上循环管、下汇集管、陶瓷太阳能集热器中的陶瓷太阳板、上汇集管、下循环管，在经过陶瓷太阳板被阳光加热的水回到保温储热水箱内，如此不断循环，保温储热水箱内的水温不断提高，当陶瓷太阳能集热器中温度仍然超过保温储热水箱内水温，但是其差值逐步变小，当其差值达到设定的ΔB度时，控制器指令水泵停止工作，ΔA大于ΔB，如ΔA＝8，ΔB＝2，一旦水泵停止工作，陶瓷太阳能集热器中的水经过上循环管、水泵全部进入保温储热水箱，下循环管中的水也进入保温储热水箱，由于进出气管的存在，破坏了陶瓷太阳能集热器可能出现的局部真空状态，使水顺利、可靠、全部、必然的流回保温储热水箱。通常设定范围ΔA＝5-10，ΔB＝1-3。通常设定为ΔA＝5-10中的某一个数值，ΔB＝1-3中的某一个数值。

任何水泵都有一定的扬程和流量，任何形状、尺寸的水流的通道、管道在一定压力下，都有一定的允许水通过的能力和相应的阻力，陶瓷太阳板热水循环系统中的进出气管的出口高于陶瓷太阳能集热器的上汇集管一定的高度H，系统中水泵的扬程和流量正好使系统中的上水面高于上汇集管，同时低于进出气管的出口，即系统中水泵的扬程和流量正好使系统中的上水面高于上汇集管0-H毫米，实施中上水面高于上汇集管10-2000毫米。

传统的太阳能热水(器)系统主要是真空玻璃管系统和金属管板系统，真空玻璃管系统依靠真空保温，一般在非高寒地区冬天夜间也不会冻裂，而对于金属管板系统来说，防冻是一个重大问题，一般采取防冻液间接循环热交换的方式防止冻裂金属集热体，或者采取温度下降以前落水的方式防止冻裂金属集热体，采用手动或各种控制器和阀门实现操作，手动方式存在人为失误的可能，控制器和阀门方式存在出现电气和机械故障的可能，所以多采用防冻液间接循环热交换的方式，这种方式结构复杂，造价比较高。

金属材料具有一定的延展性，对于少量、轻度的冰冻有一定的抵抗能力，陶瓷太阳板是板状脆性材料，对于冰冻的抵抗能力低于金属管结构，陶瓷太阳板不腐蚀、不老化，可以具有很长的使用寿命，采取上述技术方案可以确保在其漫长的寿命期间不发生冻裂现象。

经过试验，200瓦的水泵可以使2吨水箱、40平方米的陶瓷太阳能房顶实现上述循环，一般晴天水泵运行5小时可以使自来水增温40度以上，消耗的电能是增加的热能的百分之一左右。

陶瓷太阳能集热器中温度超过保温储热水箱内水温，其差值达到设定的8度时，控制器指令水泵启动，水箱中的水经过水泵、上循环管、下汇集管、陶瓷太阳能集热器中的陶瓷太阳板、上汇集管、下循环管，在陶瓷太阳板被阳光加热的水再次回到保温储热水箱内，如此不断循环，保温储热水箱内的水温不断提高，当陶瓷太阳能集热器中温度仍然超过保温储热水箱内水温，但是其差值逐步变小，当其差值达到设定的2度时，控制器指令水泵停止工作。

太阳能热水系统，尤其是大型太阳能热水系统防冻问题至关重要，一旦系统结冰，作为太阳能热水系统主要部件的太阳能集热体首先冻裂报废，暴露在环境中的管道也会冻裂报废，防止太阳能热水系统结冰，是容易做到的，关键是可靠性，传统太阳能热水系统要求在十年左右的时间内不允许发生结冰现象，而陶瓷太阳能热水系统要求在几十年甚至几百年的时间内不允许发生结冰现象，对可靠性的要求提高了数十倍，以前为防止系统结冰，采用大量控制器、各种阀门，看似十分可靠，实际上是一种认识误区，即便是高精度的控制器、各种阀门经过长时间的使用也会出现故障，采用大量控制器、各种阀门反而降低了可靠性，在本技术方案中只有一个控制器、两个温度传感器、一个水泵，出现任何故障只有两种结果，一种是水泵停止工作，此时系统中所有水都会自动进入保温储热水箱内；另一种是水泵停不下来，始终在工作，此时系统中所有水都在不停循环，不会结冰，也给管理人员提供了发现问题进行维修的时间，本技术方案的另一个特点是设置出口高于上汇集管0.5-2米的进出气管，实质是针对本技术方案在系统中由水泵工作造成的一个压力为0-2米水柱的压力源以维持水流的运动循环，所述技术方案专门用于陶瓷太阳板太阳能热水系统。

上述技术方案使陶瓷太阳能热水系统或者混凝土结构陶瓷太阳能房顶在任何情况下都不会发生冻裂问题，也不会产生热水中热量大量损失的问题，并且结构简单、造价低廉。

本发明是这样实现的：

本发明是上述发明专利申请“以单水泵运行和控制的陶瓷太阳板太阳能热水系统”的改进，是在“以单水泵运行和控制的陶瓷太阳板太阳能热水系统”或者将其中的陶瓷太阳板太阳能热水系统修改为太阳能热水系统，在太阳能热水系统的进出气管上安装浮阀，浮阀由外壳、多孔板、浮子构成，浮子的比重大于空气的比重，小于水的比重，浮阀允许空气在进出气管中进出、通过，当太阳能热水系统中的水位达到浮子的位置时，浮子浮起，封闭进出气管，使太阳能热水系统中可以达到比较大的压力。太阳能热水系统中允许采用比较大的压力有利于调整水泵的扬程和流量，有利于提高太阳能热水系统的效率，有利于与公共供水网采用相同的压力进行运行，而与传统的系统和方法相比，这种系统和方法更加简单、安全、可靠。

即在太阳能热水系统的进出气管上安装浮阀，浮阀由外壳、多孔板、浮子构成，浮子的比重大于空气的比重，小于水的比重，浮阀允许空气在进出气管中进出、通过，当太阳能热水系统中的水位达到浮子的位置时，浮子浮起，封闭进出气管，使太阳能热水系统中可以达到比较大的压力。

浮子可以是球状浮子或者针状浮子，采用球状浮子称作球浮阀，采用针状浮子称作针浮阀。球状浮子的体积受浮阀直径的限制，使浮力受到一定限制，针状浮子可以具有较大的长度，从而可以具有较大的体积，可以具有较大的浮力，使密封更加可靠。

在太阳能热水系统的循环系统中只安装一个离心式水泵和一个浮阀，没有其他水泵和阀门。

在陶瓷太阳板太阳能热水系统的循环系统中只安装一个离心式水泵和一个浮阀，没有其他水泵和阀门。

所述太阳能热水系统是传统太阳能热水系统或者陶瓷太阳板太阳能热水系统。

附图说明：

图1表示陶瓷太阳板集热系统的侧视图

图2表示陶瓷太阳板集热系统的正面视图

图3表示球浮阀

图4表示针浮阀

图中标记的说明：

1、陶瓷太阳能集热器外壳  2、陶瓷太阳能集热器保温材料  3、陶瓷太阳板  4、透明盖板5、上汇集管  6、集热器温度传感器  7、下循环管  8、水箱保温材料  9、水箱  10、水箱温度传感器  11、水泵  12、上循环管  13、进出气管  14、下汇集管  15、陶瓷太阳板接头  16、浮阀  17、球浮阀外壳  18、球状浮子  19、多孔板  20、针浮阀外壳  21、针状浮子

具体实施例：

1、与原房顶共用结构层、保温层、防水层的混凝土结构陶瓷太阳能房顶40平方米，由陶瓷太阳能集热器、下循环管、水泵、保温储热水箱、上循环管、进出气管、集热器温度传感器、水箱温度传感器、控制器组成，进出气管的出口高于上汇集管高度差为1米，进出气管上安装浮阀；陶瓷太阳能集热器由陶瓷太阳板、板间接口、上汇集管、下汇集管、保温材料、外壳组成；保温储热水箱放在陶瓷太阳能集热器下面，保温储热水箱内最高水面低于陶瓷太阳能集热器的下汇集管1.5米；陶瓷太阳板集热系统中有一个水泵，是一个功率100瓦扬程6米和流量50L/min的离心泵；在陶瓷太阳板热水系统的循环系统中即在上循环管、下循环管、上汇集管、下汇集管、包括进出气管中除浮阀外没有其他阀门，即没有防冻阀、排水阀、排气阀、压力释放阀、真空破除阀、截止阀、球阀、单向阀、电磁阀、电动阀等任何一种、任何一个阀门，以确保任何情况下气路都是畅通无阻的。上午陶瓷太阳板在阳光照射下，陶瓷太阳能集热器中温度上升，当陶瓷太阳能集热器中温度超过保温储热水箱内水温，其差值达到设定的8度时，控制器指令水泵启动，水位升高，空气通过浮阀排出，水位达到浮子的位置时，浮子浮起，封闭进出气管，使太阳能热水系统中达到需要的压力，水箱中的水经过水泵、上循环管、下汇集管、陶瓷太阳能集热器中的陶瓷太阳板、上汇集管、下循环管，在陶瓷太阳板被阳光加热的水回到保温储热水箱内，如此不断循环，保温储热水箱内的水温不断提高，当陶瓷太阳能集热器中温度仍然超过保温储热水箱内水温，但是其差值逐步变小，当其差值达到设定的2度时，控制器指令水泵停止工作，一旦水泵停止工作，系统中的水在重力作用下部分水流入水箱，空气进入系统上升达到浮阀，没有水的浮力，浮子下降，大量空气进入进出气管，陶瓷太阳能集热器中的水经过上循环管、水泵全部进入保温储热水箱，下循环管中的水也进入保温储热水箱，由于进出气管和浮阀的作用，破坏了陶瓷太阳能集热器可能出现的局部真空状态，使水顺利、可靠、必然的流回保温储热水箱。

这种陶瓷太阳能热水系统或者混凝土结构陶瓷太阳能房顶在任何情况下都不会发生冻裂问题，也不会产生热水中热量大量损失的问题。

2、采用传统太阳能热水系统，其余如实施例1.

Claims (4)

1.一种太阳能热水系统，其特征在于太阳能热水系统的进出气管上安装浮阀，浮阀由外壳、多孔板、浮子构成，浮子的比重大于空气的比重，小于水的比重，浮阀允许空气在进出气管中进出、通过，当太阳能热水系统中的水位达到浮子的位置时，浮子浮起，封闭进出气管，使太阳能热水系统中达到比较大的压力。

2.一种用于太阳能热水系统的浮阀，其特征在于所述的浮阀由外壳、多孔板、浮子构成，浮子的比重大于空气的比重，小于水的比重，浮阀允许空气在进出气管中进出、通过，当太阳能热水系统中的水位达到浮子的位置时，浮子浮起，封闭进出气管，浮子是球状浮子或者针状浮子。

3.根据权利要求1所述的一种太阳能热水系统，其特征在于所述太阳能热水系统的循环系统中只安装一个离心式水泵和一个浮阀，没有其他水泵和阀门。

4.根据权利要求1所述的一种太阳能热水系统，其特征在于所述太阳能热水系统是陶瓷太阳板太阳能热水系统。

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