CN103528217A - 一种环路热管式太阳能热水器系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种环路热管式太阳能热水器系统，包括太阳能热水器和热利用装置，所述太阳能热水器包括集热器，所述集热器用于吸收太阳能的热量以加热太阳能热水器中的水，所述集热器包括金属集热管，金属集热管包括金属基管，所述金属基管的外表面依次覆盖防腐层和吸热层。本发明提供一种环路热管的太阳能利用系统，提高太阳能的吸收能力，节约了能源。

Description

一种环路热管式太阳能热水器系统

技术领域

本发明属于太阳能领域，尤其涉及一种具有吸收膜的环路热管式太阳能热水器。

背景技术

随着现代社会经济的高速发展，人类对能源的需求量越来越大。然而煤、石油、天然气等传统能源储备量不断减少、日益紧缺，造成价格的不断上涨，同时常规化石燃料造成的环境污染问题也愈加严重，这些都大大限制着社会的发展和人类生活质量的提高。能源问题已经成为当代世界的最突出的问题之一。因而寻求新的能源，特别是无污染的清洁能源已成为现在人们研究的热点。太阳能是一种取之不尽用之不竭的清洁能源，而且资源量巨大，地球表面每年收的太阳辐射能总量为1×1018kW·h，为世界年耗总能量的一万多倍。世界各国都已经把太阳能的利用作为新能源开发的重要一项，我国政府在《政府工作报告》也早已明确提出要积极发展新能源，其中太阳能的利用尤其占据着突出地位。然而由于太阳辐射到达地球上的能量密度小（每平方米约一千瓦），而且又是不连续的，这给大规模的开发利用带来一定困难。因此，为了广泛利用太阳能，不仅要解决技术上的问题，而且在经济上必须能同常规能源相竞争。太阳能的利用主要有光热转化、光电转化、光化学转换这三种形式。相比于太阳能光伏产业和光化学转换的高昂成本与低的能量转换效率，太阳能热转化是一种能量转换效率和利用率高而且成本低廉、可在全社会广泛推广的太阳能利用方式。在太阳能热利用装置中，关键是要将太阳辐射能转换成热能，实现这种转换的器件称为太阳能集热器。

无论哪种形式和结构的太阳能集热器，都要有一个用来吸收太阳辐射的吸收部件，该部件吸收表面的热辐射性能对集热器的热性能起着重要的作用。表征吸收表面热辐射性能的物理量是吸收比和热发射比，前者表征吸收太阳辐射能的能力，后者表征自身温度下发射辐射能的能力。前者越高后者越低，表明吸热效果最好。

发明内容

本发明旨在提供一种高吸收率太阳能系统，尤其是提供一种环路热管的高吸收率的太阳能热利用系统，提高太阳能的利用能力。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种环路热管式的太阳能热水器系统，包括太阳能热水器和热利用装置，所述太阳能热水器包括集热器、水箱和环路热管，其中环路热管的蒸发端设置在集热器中，环路热管的冷凝端设置在水箱中；集热器吸收太阳能的热量，加热环路热管的蒸发端，蒸发端的工作流体经过循环进入环路热管的冷凝端，在冷凝端进行放热，加热水箱中的水，工作流体在冷凝端放热完成后再循环进入热管的蒸发端进行加热；所述集热器设置金属集热管，金属集热管包括金属基管，所述金属基管的外表面依次覆盖防腐层和吸热层。

所述的防腐层涂覆防腐涂料形成，防腐涂料的成分如下：防腐涂料由如下成分组成：片状锌粉3.1%，片状铝粉2.8%、片状镁粉3.3％，氧化锌为5.8％，铬酐为4.3％，二丙酮醇为0.4％，丙二醇为0.7%,润湿分散剂为0.4％，增稠剂为0.15％，消泡剂为0.23％，余量的水；

该种涂料通过喷涂、刷涂、浸涂施涂于基管表面，80±10℃烘干10～60分钟，280±40℃固化烧结30～60分钟，形成良好防腐涂层。

所述吸热层从内向外依次包括红外反射涂层、吸热涂层和减反射涂层，其中红外反射涂层、吸热涂层和减反射涂层的厚度的比例为1:1.5:2；所述红外反射涂层为Ag；吸热涂层从内向外依次包括TiAl、Cr、Nb、Zr四层，其中TiAl、Cr、Nb、Zr四层的厚度比例为1:1.1:0.84:1.14；减反射涂层从内向外依次是AlN、TiO₂、Ta₂O₅、SiO₂层，其中AlN、TiO₂、Ta₂O₅、SiO₂层的厚度比例为0.9:1:0.75:1。

基管的材料为铝合金，所述铝合金的组分的质量百分比如下：3.0％Cu，1.9％Mg，1.6％Ag，0.6％Mn，0.25％Zr，0.3％Ce，0.23％Ti，0.38％Si，其余为Al。

热利用装置为圆弧形封闭式结构的翅片管散热器，所述散热器包括上集管、下集管和连接上集管和下集管的翅片管，所述翅片管包括圆形基管和第一翅片、第二翅片，第一翅片和第二翅片设置在基管的外部并且第一翅片和第二翅片的延长线相交于基管的圆心所在的基管的中心轴线，第一翅片和第二翅片沿着通过基管中心轴线的第一平面镜像对称；所述翅片管包括第三翅片和第四翅片，所述第三翅片、第四翅片沿着第二平面分别与第一翅片和第二翅片镜像对称，所述第二平面与第一平面垂直而且经过基管的中心轴线；所述第一翅片和第二翅片之间设置第一连接片，所述第三翅片和第四翅片之间设置第二连接片，第一连接片和第二连接片为圆弧型金属板；第一翅片、第二翅片与相邻翅片管的第三翅片和第四翅片形成空间；所述圆弧形金属板的圆心所在的中心轴线与基管的中心轴线重合；所述基管为直管，所述相邻的基管的中心轴线互相平行；相邻基管的第一翅片互相平行；

所述第一翅片和第二翅片之间的夹角为A，第一翅片和第二翅片的长度为L，基管的外半径为R，沿着基管轴向上的翅片高度H，上述四者的关系满足如下公式：Sin(A/2)=a*(L/R)²+b*(L/R)+c

H/(R*10)=e*Sin(A/2)²-f*Sin(A/2)+h其中，A单位为角度，60°<A<110°,

L的尺寸为mm，12mm<L<80mm,

R的单位为mm，10mm<R<80mm,

H的单位为mm，800mm<R<1200mm,

a、b、c、e、f、h为系数，a的范围为0.04-0.042，b的范围为0.266-0.28,c的范围为0.36-0.37，e的范围为21-23，f的范围是44-45，h是23-25。

另一个优选的实施例，热利用装置为直线型封闭式结构的翅片管散热器，所述散热器包括上集管、下集管和连接上集管和下集管的翅片管，所述翅片管包括圆形基管和第一翅片、第二翅片，第一翅片和第二翅片设置在基管的外部并且第一翅片和第二翅片的延长线相交于基管的圆心所在的基管的中心轴线，第一翅片和第二翅片沿着通过基管的中心轴线的第一平面镜像对称；所述翅片管包括第三翅片和第四翅片，所述第三翅片、第四翅片沿着第二平面分别与第一翅片和第二翅片镜像对称，所述第二平面与第一平面垂直而且经过基管的中心轴线；所述第一翅片和第二翅片之间设置第一连接片，所述第三翅片和第四翅片之间设置第二连接片，第一连接片和第二连接片为直线型金属板；第一翅片、第二翅片与相邻翅片管的第三翅片和第四翅片形成空间；所述基管为直管，所述相邻的基管的中心轴线互相平行；

所述第一翅片和第二翅片之间的夹角为A，第一翅片和第二翅片的长度为L，基管的外半径为R，沿着基管轴向上的翅片高度H，上述四者的关系满足如下公式：

Sin(A/2)=a×(L/R)²+b×(L/R)+c，

H/R=10×e×(Sin(A/2))^f，

其中，A单位为角度，60°<A<110°,

L的尺寸为mm，15mm<L<80mm,

R的单位为mm，10mm<R<80mm,

H的单位为mm，600mm<H<1200mm,

a、b、c、e、f为系数，a的范围为0.038-0.04，b的范围为0.26-0.27,c的范围为0.34-0.35，e的范围为0.72-0.78，f的范围是-3.6至-3.5之间。

所述的热利用装置为向用户提供热水的热水输出设备，所述热水输出设备包括换热器，所述换热器连接自来水，来自太阳能热水器的热水进入换热器中，与自来水进行换热；

所述热水输出设备还包括电加热棒，当热水输入设备输出的热水温度低于第一温度时，电加热棒启动加热，并以第一功率进行加热；当热水输入设备输出的热水温度低于比第一温度低的第二温度时，电加热棒以高于第一功率的第二功率进行加热；当热水输入设备输出的热水温度低于比第二温度低的第三温度时，电加热棒以高于第二功率的第三功率进行加热；当热水输入设备输出的热水温度低于比第三温度低的第四温度时，电加热棒以高于第三功率的第四功率进行加热；当热水输入设备输出的热水温度低于比第四温度低的第五温度时，电加热棒以高于第四功率的第五功率进行加热。

所述的系统中还包括辅助电加热器和/或辅助热水锅炉，电加热系统和热水锅炉系统根据进入电加热器和热水锅炉的水的温度自动启动，对热水进行加热。

所述的系统包括电加热器、热水锅炉，所述热利用设备分别是散热器和热水输出设备，所述的电加热器和热水输出设备设置在一条管路上，散热器和热水锅炉设置在另一条管路上，所述两条管路为并联设置。

所述热利用设备设置在与太阳能热水器系统的管路并联设置，其中与太阳能热水器系统的管路连通的热利用设备的进水管路和出水管路上都设置阀门，位于进水管路和出水管路之间的与热利用设备并联的太阳能热水器系统的管路上设置阀门。

与现有技术相比较，本发明太阳能热水器具有如下的优点：

1）本发明提供的太阳能热水器具有防腐层和吸热层，可以减少对基管的腐蚀，同时能够加大对太阳能的吸收。

2)本发明设计了新的防腐材料，加强防腐效果。

3）本发明对吸热层的材料和厚度进行精心的选择和实验，已达到最好的吸热的技术效果。

4）通过对铝合金的组分的质量百分比的合理分配，提高基管的高耐热性和高导热性。

5）本发明提供了直板型和圆弧形两种结构的封闭式翅片管散热器，通过多次试验，设计了不同管径、不同高度、夹角的翅片进行试验，从而得到一个最优的翅片优化结果，并且通过试验进行了验证，从而证明了结果的准确性。

6）通过设置热输出设备的电加热棒，自动控制热利用装置的温度。

7）辅助电加热器和/或辅助热水锅炉，能够起到辅助加热作用，而且通过自动控制控制辅助加热系统的启动，节约能源。

8）通过电加热器、热水锅炉与热利用装置的并联连接，可以实现独立控制热利用装置。

9）热利用设备设置在与太阳能热水器系统的管路并联设置，可以实现在需要的时候连通热利用设备，在不需要的时候关闭热利用设备，以节约能源。

10）太阳能热水器为环路热管式结构，提高了传热能力。

附图说明

图1是本发明的环路太阳能热水器的示意图；

图2是本发明串联结构的太阳能系统示意图；

图3是本发明并联结构的太阳能系统示意图；

图4是本发明的热利用装置与管路并联的太阳能系统示意图；

图5是本发明的防腐层和吸热层的结构示意图；

图6是热利用装置散热器的示意图；

图7是热利用装置散热器的翅片管实施例一的示意图；

图8是热利用装置散热器的翅片管实施例二的示意图；

图9是控制系统的示意图；

图10是图7从左侧看的示意图；

图11是图8从左侧看的示意图；

图12是热管蒸发端的一个实施例。

图13是环路热管太阳能热水器的一个实施例。

附图标记如下：

1上集管，2基管中没有翅片的部分，3下集管，4翅片管，5基管，6水第一翅片，7空隙部分，8第一连接片，9第二翅片，10第四翅片，11第三翅片，12第二连接片，13中央控制器，14太阳能系统输水管，15温度传感器，16温度传感器，17散热器，18太阳能热水器水箱，19电加热器，20锅炉，21热水输出设备，22散热器，23泵，24阀门，25基管，26防腐层，27红外反射涂层,28吸热涂层,29减反射涂层，30环路热管，31集热管，32集热器，蒸发端33，冷凝端34

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

图1展示了一种环路热管式的太阳能热水器，其中环路热管30的蒸发端设置在集热器32中，环路热管30的冷凝端设置在太阳能热水器水箱18中。集热器32吸收太阳能的热量，加热环路热管30的蒸发端，蒸发端的工作流体经过循环进入环路热管的冷凝端，在冷凝端进行放热，加热水箱18中的水。工作流体冷凝端放热完成后再循环进入热管的蒸发端进行加热。

所述的图1中的集热器是示意性的。本领域技术人员可以想到的多种结构，其中包括具有多个集热管31，而环路热管的蒸发端分为多根管子，分别经过多个集热管31，如图12所示。也可以设置只有一根集热管，如图13所示。也可以包括单个储水容器，多个集热管加热储水容器中的水，然后由水再加热换热热管的蒸发端。

所述集热管为金属集热管，金属集热管包括金属基管25（参见图5），所述金属基管的外表面依次覆盖防腐层26和吸热层27－29。

如图2-4所示的一种太阳能热水器系统，包括太阳能热水器（图2-4中仅仅展示了图1中的水箱18）和热利用装置21和22。

如图2所示，太阳能热水器水箱18中的水经过环路热管加热，依次通过辅助加热装置、热利用装置21、热利用装置22，然后回水在泵23的作用下再次循环到太阳能热水器18，进行新的加热。

优选的是，辅助加热装置可以是电加热器19、热水锅炉20，电加热器和热水锅炉的主要作用是起到辅助加热的作用，例如当利用太阳能加热的水没有达到预定的温度，这是可以启动电加热器和/或热水锅炉。

当然，虽然图2展示了两种热利用装置，但是实际并不局限于两种，也可以3种或者以上，当然也可以仅仅设置一种。辅助加热装置同样可以仅仅设置一种，例如仅设置电加热器或热水锅炉。

图3展示了热利用装置21和22并联结构的示意图。其中电加热器19与热利用装置21设置在一条管路上，电加热器19用于辅助加热进入热利用装置21中的水，而热水锅炉和热利用装置22设置在另一条管路上，所述的这两条管路并联设置，两端分别连接太阳能热水器水箱的热水出口和泵23。

当然上述设置也是实例性的，本领域技术人员可以选择增加多条并联的管路，每条管路上设置热利用装置，使得热利用装置之间互相并联设置，同时对于附加加热装置，例如热水锅炉和电加热器，对本领域技术人员来说，可以根据需要选择是否需要设置，或者只设置一种。

图4中展示了热利用装置与太阳能系统的输水管路并联设置。其中与太阳能热水器系统的管路连通的热利用设备的进水管路和出水管路上都设置阀门24，位于进水管路和出水管路之间的与热利用设备并联的太阳能热水器系统的管路上设置阀门24。通过设置阀门，可以使得在不需要使用热利用设备的时候，可以通过打开太阳能热水器系统的管路上的阀门和关闭热利用设备的进水管路和出水管路上都设置阀门来控制管路上的水不与热利用设备进行换热。

当然，不仅仅是热利用设备，附加加热设备也与太阳能系统的输水管路并联设置，其中与太阳能热水器系统的管路连通的附加加热设备的进水管路和出水管路上都设置阀门，位于进水管路和出水管路之间的与附加加热设备并联的太阳能热水器系统的管路上设置阀门。通过设置阀门，可以使得在不需要使用附加加热设备的时候，可以通过打开太阳能热水器系统的管路上的阀门和关闭附加加热设备的进水管路和出水管路上都设置阀门来控制管路上的水不经过附加加热设备。

虽然图4中给出了所有的热利用设备、附加加热设备与太阳能系统的输水管路并联设置，但是并不局限于上述的设备，对于本领域技术人员来说，可以仅仅选择一个或者多个与太阳能系统的输水管路并联设置。例如可以进设置其中一个或两个热利用设备与太阳能系统的输水管路并联设置，也可以仅仅设置一个或者两个附加加热设备与太阳能系统的输水管路并联设置。

虽然图2-4中都设置了电加热器19、热水锅炉20，对于本领域技术人员来说，太阳能热水器系统可以选择性的设置上述部件，例如可以仅仅设置电加热器或者热水锅炉，也可以选择两者都不设置。

优选的是，所述的基管防腐层涂覆防腐涂料形成，防腐涂料的质量百分比成分如下：防腐涂料由如下成分组成：片状锌粉3.1%，片状铝粉2.8%、片状镁粉3.3％，氧化锌为5.8％，铬酐为4.3％，二丙酮醇为0.4％，丙二醇为0.7%,润湿分散剂为0.3％，增稠剂为0.15％，消泡剂为0.25％，余量的水；

该种涂料通过喷涂、刷涂、浸涂施涂于基管表面，80±10℃烘干10～60分钟，280±40℃固化烧结30～60分钟，形成良好防腐涂层。

一种制备上述防腐涂料的方法，该方法按照以下步骤实施，

a、按涂料总质量百分比，分别称取5-10%的水、0.3％的润湿分散剂和0.25％的消泡剂，然后混合到一起，充分搅拌使之溶解制成涂料混合液A1，再向混合液A1中加入占涂料总质量的片状锌粉3.1%，片状铝粉2.8%、片状镁粉3.3％，搅拌均匀制成涂料混合液A2；

b、按涂料总质量百分比，称取4.3％铬酐，组成混合液，加入到20％～40％的水中充分溶解制成无机酸混合液B1，再向混合液B1中加入5.8％的氧化锌，搅拌至无沉淀制成无机酸混合液B2；

c、按涂料总质量百分比，称取二丙酮醇为0.4％，丙二醇为0.7%，加入到5％～15％的水中，充分搅拌均匀制成还原剂混合液C；

d、按涂料总质量百分比，称取0.15％的增稠剂，加入到2.5％～15％的水中，搅拌至溶解呈半透明状且无凝胶出现即停止搅拌制成增稠剂混合液D；

e、将配制的无机酸混合液B2加入到涂料混合液A2中，然后加入还原剂混合液C配制量的1/5～1/2，边搅拌边加入增稠剂混合液D，再加入余量的水，继续搅拌30～90分钟，直到涂料混合液均匀一致无团聚颗粒为止，最后再加入剩余的还原剂混合液C，再搅拌10～40分钟，即得。

该种涂料通过喷涂、刷涂、浸涂施涂于翅片管表面，80±10℃烘干10～60分钟，280±40℃固化烧结30～60分钟，形成良好耐蚀涂层。

所述润湿分散剂为平平加系列中的SA-20，所述的增稠剂选用羟乙基纤维素；所述的消泡剂选用磷酸三丁酯。

优选的是，所述吸热层从内向外依次包括红外反射涂层27、吸热涂层28和减反射涂层29，其中红外反射涂层27、吸热涂层28和减反射涂层29的厚度的比例为1:1.5:2；所述红外反射涂层为Ag；吸热涂层从内向外依次包括TiAl、Cr、Nb、Zr四层，其中四层的厚度比例为1:1.1:0.84:1.14；减反射涂层从内向外依次是AlN、TiO₂、Ta₂O₅、SiO₂层，其中四层的厚度比例为0.9:1:0.75:1。

优选的是，吸热层的总厚度为1.8μm。

上述的尺寸比例是通过近百种不同的厚度比例试验得来的最佳的结果。通过实验，对于采用上述吸收涂层中各独立层的成分及厚度，可以使制备的吸收涂层的吸收比大于0.94，并实现0.04的发射率。

对于上述涂层的制造方法，可以使用本领域经常采用的真空磁控溅射镀膜工艺制备。

集热器的基管25的材料为铝合金，所述铝合金的组分的质量百分比如下：3.0％Cu，1.9％Mg，1.6％Ag，0.6％Mn，0.25％Zr，0.3％Ce，0.23％Ti，0.38％Si，其余为Al。

铝合金的制造方法为：采用真空冶金熔炼，氩气保护浇注成圆坯，经过600℃均匀化处理，在400℃，采用热挤压成棒材，然后再经过580℃固溶淬火后，在200℃进行人工时效处理。合金的抗拉强度σb：室温≥550MPa，200℃≥440MPa，300℃≥-230MPa。

经测试，上述合金具有很高的导热系数和耐热性。

对于热利用装置，可以包括散热器和热水输出设备，对于散热器，主要有两个具体的实施例，实施例1是圆弧形封闭式翅片管散热器，如图6、7所示，实施例2是直板型封闭式翅片管散热器，如图6、8所示。

实施例1的结构如下：

一种封闭式结构的翅片管散热器17，包括上集管1、下集管3和连接上集管1和下集管3的翅片管4，所述翅片管4包括圆形基管5和第一翅片6、第二翅片9，第一翅片6和第二翅片9设置在基管5的外部并且第一翅片6和第二翅片9的延长线相交于基管5的圆心所在的基管的中心轴线，第一翅片6和第二翅片9沿着通过基管中心轴线的第一平面B镜像对称；所述翅片管包括第三翅片11和第四翅片10，所述第三翅片11、第四翅片10沿着第二平面C分别与第一翅片6和第二翅片9镜像对称，所述第二平面C与第一平面B垂直而且经过基管5的中心轴线；所述第一翅片6和第二翅片9之间设置第一连接片8，所述第三翅片11和第四翅片10之间设置第二连接片12，第一连接片8和第二连接片12为圆弧型金属板；所述圆弧形金属板的中心轴线与基管5的中心轴线重合；所述基管为直管，所述相邻的基管的中心轴线互相平行。

优选的是，相邻基管的第一翅片互相平行，表示相邻基管的第二翅片也互相平行，同理，第三翅片、第四翅片也互相平行。此特征表明翅片管是按照相同方向排列的。

需要解释的是，如图7所示，基管的中心轴线就是基管5的横切面上的圆心点的集合形成的一条线，圆弧形金属板的中心轴线就是横切面上圆弧形金属板的圆心点的集合形成的一条线。所述圆弧形金属板的中心轴线与基管5的中心轴线重合就是指在横切面上，圆弧形金属板和基管是同心圆。

优选的是，所有翅片管的尺寸都相同。

通过上述的设置，使得翅片与连接片之间形成一个空隙部分7，在对流换热的时候，空隙部分7就形成了一种烟筒效应，能够增强换热。

第一翅片、第二翅片与相邻翅片管的第三翅片和第四翅片形成空间，该空间形成一定的空隙，能够形成烟筒效应，加强对流，强化传热。

所述第一翅片6和第二翅片9之间的夹角为A，第一翅片6和第二翅片9的长度为L，基管的外半径为R，当然，因为镜像对称，第三翅片11和第四翅片10的长度也自然是L。但是在实践中发现，换热过程中.如果翅片夹角过小，则会阻碍换热，因为翅片夹角过小的话，导致第一翅片、第二翅片的距离太近，则温度边界层在封闭区域内随着基管高度的方向上开始重合，气体温度接近管壁温度而逐渐接近热饱和，流动阻力增大，最终反而恶化换热,外翅片的优势发挥不出来，同样的原因，随着夹角的不断地增大，使得连接片距离基管的距离原来越近，同样使得温度边界层在封闭区域内随着基管高度的方向上开始重合，气体温度接近管壁温度而逐渐接近热饱和，流动阻力增大，最终反而恶化换热，因此夹角具有一个最佳值。

对于翅片长度，如果太长，则因为基管的热量无法及时到达翅片的端部或者即使达到效果也不明显，如果太短，则扩展换热面积太小，无法达到一个好的换热效果，因此翅片的高度也有一个最佳值。

对于两个翅片管之间的距离，首先如果距离太近或者完全靠近，则两个翅片管的连接片之间距离的空间（参见图6）太小，则空气无法通过翅片之间的间隙进入翅片管之间形成的空隙，此时的换热只能依靠从散热器底部进入空气，无法达到很好的对流换热效果，同样的原因，如果距离太远，则翅片管的第一第二第三第四翅片无法形成有效烟筒效果的空隙，从而导致换热效果变差，因此对于两个翅片管之间的距离也需要一个合适的数值。

如图10所示，对于翅片沿着基管5轴向上的高度H，也需要具有一个合适的数值，如果翅片高度太高，则在翅片的上部，因为边界层在封闭区域内随着基管高度的方向上开始重合，导致换热的恶化，同理，高度太低，则换热没有充分发挥，从而影响换热效果。

因此，本发明是通过多个不同尺寸的散热器的试验数据总结出的最佳的散热器的翅片管的尺寸关系。因为翅片管还有夹角A、翅片长度L、翅片高度H这三个变量，因此，引入两个无量纲量sin(A/2)、L/R、H/R，这里R是基管的半径，从换热效果中的散热量最大出发，计算了近200种形式。所述的尺寸关系如下：

所述第一翅片和第二翅片之间的夹角为A，第一翅片和第二翅片的长度为L，基管的外半径为R，沿着基管轴向上的翅片高度H，上述四者的关系满足如下公式：

Sin(A/2)=a×(L/R)²+b×(L/R)+c

H/(R×10)=e×Sin(A/2)²-f×Sin(A/2)+h其中，A单位为角度，60°<A<110°,

L的尺寸为mm，12mm<L<80mm,

R的单位为mm，10mm<R<80mm,

H的单位为mm，800mm<R<1200mm,

a、b、c、e、f、h为系数，a的范围为0.04-0.042，b的范围为0.266-0.28,c的范围为0.36-0.37，e的范围为21-23，f的范围是44-45，h是23-25。

通过计算结果后再进行试验，通过计算边界以及中间值的数值，所得的结果基本上与公式相吻合，误差基本上在4%以内，最大的相对误差不超过6%，平均误差是2%。；

系数优化的最佳结果是：a为0.0412,b为0.02715，c为0.03628，e为22，f为44.37，h为23.86。

优选的是，相邻基管中心轴线之间的距离为S=d×（L+R）×sin(A/2)，其中d为1.1-1.2。

如图7所示，相邻基管中心轴线之间的距离就是横切面上两个基管圆心之间的距离。

d的优化结果是1.118。

实施例2的结构如下：

一种封闭式结构的翅片管散热器17，包括上集管1、下集管3和连接上集管1和下集管3的翅片管4，所述翅片管4包括圆形基管5和第一翅片6、第二翅片9，第一翅片6和第二翅片9设置在基管5的外部并且第一翅片6和第二翅片9的延长线相交于基管5的圆心所在的基管中心轴线，第一翅片6和第二翅片9沿着通过基管中心轴线的第一平面B镜像对称；所述翅片管包括第三翅片11和第四翅片10，所述第三翅片11、第四翅片10沿着第二平面C分别与第一翅片6和第二翅片9镜像对称，所述第二平面C与第一平面B垂直而且经过基管5的中心轴线；所述第一翅片6和第二翅片9之间设置第一连接片8，所述第三翅片11和第四翅片10之间设置第二连接片12，第一连接片8和第二连接片12为直线型金属板。所述基管为直管，所述相邻的基管5的中心轴线互相平行。

需要解释的是，如图8所示，基管的中心轴线就是基管5的横切面上的圆心点的集合形成的一条线。

通过上述的设置，使得翅片与连接片之间形成一个空隙部分7，在对流换热的时候，空隙部分7就形成了一种烟筒效应，能够增强换热。

优选的是，所述相邻基管5的第一连接片8在一个平面上，相邻基管5的第二连接片12在一个平面上，第一连接片8和第二连接片12所在的平面互相平行。

优选的是，相邻基管的第一翅片互相平行，表示相邻基管的第二翅片也互相平行，同理，第三翅片、第四翅片也互相平行。此特征表明翅片管是按照相同方向排列的。此特征表明翅片管是按照相同方向排列的。

优选的是，所有翅片管的尺寸都相同。

第一翅片、第二翅片与相邻翅片管的第三翅片和第四翅片形成空间，该空间形成一定的空隙，能够形成烟筒效应，加强对流，强化传热。

所述第一翅片6和第二翅片9之间的夹角为A，第一翅片6和第二翅片9的长度为L，基管的外半径为R，当然，因为镜像对称，第三翅片11和第四翅片10的长度也自然是L。

对于实施例2，也进行了优化，具体优化的结果如下：

所述第一翅片和第二翅片之间的夹角为A，第一翅片和第二翅片的长度为L，基管的外半径为R，翅片沿着基管轴向上的翅片高度H，上述四者的关系满足如下公式：

Sin(A/2)=a×(L/R)²+b×(L/R)+c

H/R=10×e×(Sin(A/2))^f

其中，A单位为角度，60°<A<110°,

L的尺寸为mm，15mm<L<80mm,

R的单位为mm，10mm<R<80mm,

H的单位为mm，600mm<H<1200mm,

a、b、c、e、f为系数，a的范围为0.038-0.04，b的范围为0.26-0.27,c的范围为0.34-0.35，e的范围为0.72-0.78，f的范围是-3.6至-3.5之间。

优选的是，相邻基管中心轴线之间的距离为S=d×（L+R）×sin(A/2)，其中d为1.05-1.2。

其中d优选为1.13。

热利用装置的另一个实施例是向用户提供热水的热水输出设备，所述热水输出设备包括换热器，所述换热器连接自来水，来自太阳能热水器的热水进入换热器中，与自来水进行换热；

所述热水输出设备还包括电加热棒，当热水输入设备输出的热水温度低于第一温度时，电加热棒启动加热，并以第一功率进行加热；当热水输入设备输出的热水温度低于比第一温度低的第二温度时，电加热棒以高于第一功率的第二功率进行加热；当热水输入设备输出的热水温度低于比第二温度低的第三温度时，电加热棒以高于第二功率的第三功率进行加热；当热水输入设备输出的热水温度低于比第三温度低的第四温度时，电加热棒以高于第三功率的第四功率进行加热；当热水输入设备输出的热水温度低于比第四温度低的第五温度时，电加热棒以高于第四功率的第五功率进行加热。

在换热器中，自来水和来自太阳能热水器中的水不直接混合的进行换热，也就是通过间接地方式进行换热。

如图9所示，所述电加热系统和/或热水锅炉系统还包括控制系统，电加热系统和/或热水锅炉系统根据进入电加热器和热水锅炉的水的温度自动启动，对热水进行加热。下面针对电加热器进行说明。

所述控制系统包括测量温度的温度传感器15和中央控制器13，温度传感器15用于测量进入电加热器的水的温度，中央控制器用于控制电加热器的加热功率。当测量的进水温度低于温度a时，电加热器启动加热，并以功率A进行加热；当热测量的进水温度低于比温度a低的温度b时，电加热器以高于功率A的功率B进行加热；当测量的进水温度低于比温度b低的温度c时，电加热器以高于功率B的功率C进行加热；当测量的进水温度低于比温度c低的温度d时，电加热器以高于功率C的功率D进行加热；当测量的进水温度低于比温度d低的温度e时，电加热器以高于功率D的功率E进行加热。

当然，可以选择的是，为了增加测量温度的准确性，可以在电加热器的出水口处设置另一个温度传感器16，通过两个温度传感器的测量的温度的平均值来计算电加热器的启动功率。

对于锅炉来说，设置自动点火装置。当测量的进入锅炉的水的温度低于一定的温度的时候，锅炉就启动点火装置进行加热。当测量的水的温度达到一定的温度的时候，则就停止进行加热。

当然，可以选择的是，为了增加测量温度的准确性，可以在锅炉的出水口处设置另一个温度传感器，通过两个温度传感器的测量的温度的平均值来计算电加热器的启动功率。

优选的是，可以在太阳能热水器水箱中设置电加热装置，当太阳能热水器水箱的出水温度低于一定的数值时，可以启动电加热装置。例如可以在集热器和/或水箱中设置电加热装置。

对于图4所示的情况，可以通过设置控制系统，所述控制系统根据温度来控制进入热利用装置和/或辅助加热装置中的流体流量。例如，对于散热器来说，可以根据室内的温度来确定进入散热器中的流体的流量，当室内温度高于一定的第一数值，则将进水管路和出水管路中的阀门完全关闭，将太阳能热水器系统上的管路完全打开，流体不流入散热器，当室内温度低于一定的第二数值，则将进水管路和出水管路中的阀门完全打开，将太阳能热水器系统上的管路完全关闭，保证太阳能热水器系统上的管路上的水完全进入散热器。当室内温度介于第一数值和第二数值时，则将进水管路和出水管路中的阀门部分打开，将太阳能热水器系统上的管路部分打开，保证只有一部分流体进入散热器。

对于热输出设备来说，可以根据热输出设备输出的水的温度来确定进入热输出设备中的流体的流量，当热输出设备输出的水的温度高于一定的第一数值，则将进水管路和出水管路中的阀门完全关闭，将太阳能热水器系统上的管路完全打开，流体不流入热输出设备，当热输出设备输出的水的温度低于一定的第二数值，则将进水管路和出水管路中的阀门完全打开，将太阳能热水器系统上的管路完全关闭，保证太阳能热水器系统上的管路上的水完全进入热输出设备。当输出的水的温度介于第一数值和第二数值时，则将进水管路和出水管路中的阀门部分打开，将太阳能热水器系统上的管路部分打开，保证只有一部分流体进入热输出设备。

对于辅助加热设备来说，可以根据进入辅助加热设备的水的温度来确定进入辅助加热设备中的流体的流量，当进入辅助加热设备的水的温度高于一定的第一数值，则将进水管路和出水管路中的阀门完全关闭，将太阳能热水器系统上的管路完全打开，流体不流入辅助加热设备，当进入辅助加热设备水的温度低于一定的第二数值，则将进水管路和出水管路中的阀门完全打开，将太阳能热水器系统上的管路完全关闭，保证太阳能热水器系统上的管路上的水完全进入辅助加热设备。当进入辅助加热设备的水的温度介于第一数值和第二数值时，则将进水管路和出水管路中的阀门部分打开，将太阳能热水器系统上的管路部分打开，保证只有一部分流体进入辅助加热设备。

虽然本发明已以较佳实施例披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims (10)

1.一种环路热管式的太阳能热水器系统，包括太阳能热水器和热利用装置，热利用装置与太阳能热水器通过输水管路连接；所述太阳能热水器包括集热器、水箱和环路热管，其中环路热管的蒸发端设置在集热器中，环路热管的冷凝端设置在水箱中；集热器吸收太阳能的热量，加热环路热管的蒸发端，蒸发端的工作流体经过循环进入环路热管的冷凝端，在冷凝端进行放热，加热水箱中的水，工作流体在冷凝端放热完成后再循环进入热管的蒸发端进行加热；所述集热器中设置金属集热管，金属集热管包括金属基管，所述金属基管的外表面依次覆盖防腐层和吸热层。

2.根据权利要求1所述的太阳能热水器系统，其特征在于所述吸热层从内向外依次包括红外反射涂层、吸热涂层和减反射涂层，其中红外反射涂层、吸热涂层和减反射涂层的厚度的比例为1:1.5:2；所述红外反射涂层为Ag；吸热涂层从内向外依次包括TiAl、Cr、Nb、Zr四层，其中TiAl、Cr、Nb、Zr四层的厚度比例为1:1.1:0.84:1.14；减反射涂层从内向外依次是AlN、TiO₂、Ta₂O₅、SiO₂层，其中AlN、TiO₂、Ta₂O₅、SiO₂层的厚度比例为0.9:1:0.75:1。

3.根据权利要求1所述的太阳能热水器系统，其特征在于所述的防腐层涂覆防腐涂料形成，防腐涂料的质量百分比的成分如下：片状锌粉3.1%，片状铝粉2.8%、片状镁粉3.3％，氧化锌为5.8％，铬酐为4.3％，二丙酮醇为0.4％，丙二醇为0.7%,润湿分散剂为0.4％，增稠剂为0.15％，消泡剂为0.23％，余量的水；

该种涂料通过喷涂、刷涂、浸涂施涂于基管表面，80±10℃烘干10～60分钟，280±40℃固化烧结30～60分钟，形成防腐层。

4.根据权利要求1所述的太阳能热水器系统，其特征在于基管的材料为铝合金，所述铝合金的组分的质量百分比如下：3.0％Cu，1.9％Mg，1.6％Ag，0.6％Mn，0.25％Zr，0.3％Ce，0.23％Ti，0.38％Si，其余为Al。

5.根据权利要求1所述的太阳能热水器系统，其特征在于热利用装置为圆弧形封闭式结构的翅片管散热器，所述散热器包括上集管、下集管和连接上集管和下集管的翅片管，所述翅片管包括圆形基管和第一翅片、第二翅片，第一翅片和第二翅片设置在基管的外部并且第一翅片和第二翅片的延长线相交于基管的圆心所在的基管的中心轴线，第一翅片和第二翅片沿着通过基管中心轴线的第一平面镜像对称；所述翅片管包括第三翅片和第四翅片，所述第三翅片、第四翅片沿着第二平面分别与第一翅片和第二翅片镜像对称，所述第二平面与第一平面垂直而且经过基管的中心轴线；所述第一翅片和第二翅片之间设置第一连接片，所述第三翅片和第四翅片之间设置第二连接片，第一连接片和第二连接片为圆弧型金属板；第一翅片、第二翅片与相邻翅片管的第三翅片和第四翅片形成空间；所述圆弧形金属板的圆心所在的中心轴线与基管的中心轴线重合；所述基管为直管，所述相邻的基管的中心轴线互相平行；相邻基管的第一翅片互相平行；

所述第一翅片和第二翅片之间的夹角为A，第一翅片和第二翅片的长度为L，基管的外半径为R，沿着基管轴向上的翅片高度H，上述四者的关系满足如下公式：

Sin(A/2)=a*(L/R)²+b*(L/R)+c

H/(R*10)=e*Sin(A/2)²-f*Sin(A/2)+h其中，A单位为角度，60°<A<110°,

L的尺寸为mm，12mm<L<80mm,

R的单位为mm，10mm<R<80mm,

H的单位为mm，800mm<R<1200mm,

a、b、c、e、f、h为系数，a的范围为0.04-0.042，b的范围为0.266-0.28,c的范围为0.36-0.37，e的范围为21-23，f的范围是44-45，h是23-25。

6.根据权利要求1所述的太阳能热水器系统，其特征在于热利用装置为直线型封闭式结构的翅片管散热器，所述散热器包括上集管、下集管和连接上集管和下集管的翅片管，所述翅片管包括圆形基管和第一翅片、第二翅片，第一翅片和第二翅片设置在基管的外部并且第一翅片和第二翅片的延长线相交于基管的圆心所在的基管的中心轴线，第一翅片和第二翅片沿着通过基管的中心轴线的第一平面镜像对称；所述翅片管包括第三翅片和第四翅片，所述第三翅片、第四翅片沿着第二平面分别与第一翅片和第二翅片镜像对称，所述第二平面与第一平面垂直而且经过基管的中心轴线；所述第一翅片和第二翅片之间设置第一连接片，所述第三翅片和第四翅片之间设置第二连接片，第一连接片和第二连接片为直线型金属板；第一翅片、第二翅片与相邻翅片管的第三翅片和第四翅片形成空间；所述基管为直管，所述相邻的基管的中心轴线互相平行；

所述第一翅片和第二翅片之间的夹角为A，第一翅片和第二翅片的长度为L，基管的外半径为R，沿着基管轴向上的翅片高度H，上述四者的关系满足如下公式：

Sin(A/2)=a×(L/R)²+b×(L/R)+c，

H/R=10×e×(Sin(A/2))^f，

其中，A单位为角度，60°<A<110°,

L的尺寸为mm，15mm<L<80mm,

R的单位为mm，10mm<R<80mm,

H的单位为mm，600mm<H<1200mm,

a、b、c、e、f为系数，a的范围为0.038-0.04，b的范围为0.26-0.27,c的范围为0.34-0.35，e的范围为0.72-0.78，f的范围是-3.6至-3.5之间。

7.根据权利要求1所述的太阳能热水器系统，其特征在于所述的热利用装置为向用户提供热水的热水输出设备，所述热水输出设备包括换热器，所述换热器连接自来水，来自太阳能热水器的热水进入换热器中，与自来水进行换热；

所述热水输出设备还包括电加热棒，当热水输入设备输出的热水温度低于第一温度时，电加热棒启动加热，并以第一功率进行加热；当热水输入设备输出的热水温度低于比第一温度低的第二温度时，电加热棒以高于第一功率的第二功率进行加热；当热水输入设备输出的热水温度低于比第二温度低的第三温度时，电加热棒以高于第二功率的第三功率进行加热；当热水输入设备输出的热水温度低于比第三温度低的第四温度时，电加热棒以高于第三功率的第四功率进行加热；当热水输入设备输出的热水温度低于比第四温度低的第五温度时，电加热棒以高于第四功率的第五功率进行加热。

8.根据权利要求1所述的太阳能热水器系统，其特征在于所述的系统中还包括辅助加热设备，辅助加热设备根据进入辅助加热设备的水的温度自动启动，对热水进行加热。

9.根据权利要求1所述的太阳能热水器系统，其特征在于所述的系统包括电加热器、热水锅炉，所述热利用设备分别是散热器和热水输出设备，所述的电加热器和热水输出设备设置在一条管路上，散热器和热水锅炉设置在另一条管路上，所述两条管路为并联设置。

10.根据权利要求1所述的太阳能热水器系统，其特征在于所述热利用设备设置在与太阳能热水器系统的管路并联设置，其中与太阳能热水器系统的管路连通的热利用设备的进水管路和出水管路上都设置阀门，位于进水管路和出水管路之间的与热利用设备并联的太阳能热水器系统的管路上设置阀门。

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