CN103994591B - 多功能太阳能系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多功能太阳能系统。由一个或多个太阳能收集器、带有热交换器的储热箱、净化工质容器以及工质补充容器组成。太阳能收集器包括多条纵向管道和与其相通的三条平行水平管，分别为顶部汽管，底部液管和之间的输液管；太阳能收集器内的工质充满底部液管和纵向管道的一部份，优选的工质为待净化原水。太阳能收集器内的原水在太阳光的作用下汽化，并通过汽管进入储热箱内的热交换器。水汽在热交换器内冷凝为蒸馏水，所释放热量用于加热热交换器周围的储热媒质；蒸馏水则进入与热交换器相通的净化工质容器，工质补充容器通过输液管不断地向太阳能收集器补充原水。本发明低成本地实现高效相变热传递并同时生成纯净水，大大提升系统的回报。

Description

多功能太阳能系统
技术领域
本发明属于太阳能技术领域，更具体地涉及一种包括带有纯净水功能的太阳能热或电-热一体系统。
背景技术
太阳能是非常理想的清洁能源，是解决由煤之类的化石能源带来环境污染、全球变暖和资源枯竭等问题最好的方案之一。但相比化石能源，目前大规模的太阳能的应用仍然面临各种瓶颈，其中投资回报率低，或投资回报周期过长是最大的问题。
提高投资回报率最有效的方向是提高系统的“回报”。当前的太阳能光伏组件的转换效率相对偏低（15~20%），大部分光能变成热，因此有热利用的空间。但为了不使光伏电池的温度太高、温度分布不均匀而影响效率，组件和水箱的高效热传导尤其重要。
而让太阳能系统生成纯净水更是将系统的“回报”显著提高。在很多应用环境下，太阳能系统的纯净水的回报远高于其光电和光热的回报。本发明也有助于解决我国清洁饮用水资源缺乏的问题。
发明内容
1、本发明的目的。
本发明为了解决现有太阳能技术中投资回报率低的问题，并解决了自然循环热传导性能不佳，以及强制循环需要水泵等附加设备和消耗电能等问题，而提出的具有纯净水功能的多功能太阳能系统。
2、本发明所采用的技术方案。
多功能太阳能系统由一个或多个太阳能收集器（101）、带有热交换器的储热箱（102）、净化工质容器（103）、以及工质补充容器（104）组成。
太阳能收集器（101）包括太阳能收集面板（7），其正面为向阳面；向阳面上装有能将太阳能转换为热能的涂层（12）或将太阳能转换为电能的光伏电池（13），其背面与包括有多条纵向管道（3）的管道系统紧密热接触；管道系统还包括三条延伸到太阳能收集器外的水平管道与纵向管道（3）相通，三条水平管道分别为顶部的汽管（2），底部液管（6），以及介于两者之间的输液管（1）；可发生相变的传热工质（15）充满底部液管（6）和纵向管道（3）的一部分，传热工质在常温常压下为液态，而在太阳能热的作用下，传热工质可部分或全部汽化并吸收热量。
多个太阳能收集器（101）之间通过汽管（2）、输液管（1）和底部液管（6）连通。
储热箱（102）内有储热媒质（16）和热交换器（4）；热交换器（4）至少和太阳能收集器（101）的汽管（2）相通，并将接收到的汽化工质冷凝为液态，所释放热量用于加热储热媒质（16）。
净化工质容器（103）与储热箱（102）内的热交换器（4）相通用于接纳热交换器内冷凝的传热工质（15）。
工质补充容器（104）与太阳能收集器（101）的输液管（1）相连，向太阳能收集器内补充传热工质（15）。
优选的，所述的太阳能收集器（101）的传热工质为待净化的原水。
优选的，所述的储热箱（102）内的储热媒质为水。
在本发明的一具体实施例中，多个太阳能收集器（101）之间通过汽管、输液管和底部液管连成一排，并且多排太阳能收集器通过外部公共的汽管、输液管和底部液相连。由多个太阳能收集器组成的系统其纯净水功能的附加成本比例可降至很低。
在本发明的一具体实施例中，还包括用于收集可能产生的不凝气体的不凝气室（5），与所述热交换器（4）连通。
在本发明的另一具体实施例中，所述的热交换器、净化工质容器、和不凝气室三者由导热壁做成的热交换容器（105）替代，并放置于储热箱（102）内；热交换容器(105)将接收到的汽化工质冷凝为液态并储存于热交换容器内，所释放热量通过导热壁用于加热热交换容器周围的储热媒质（16），而不凝气体则集聚于热交换容器的上部。
在本发明的另一具体实施例中，工质补充容器（104）与太阳能收集器（101）的底部液管（6）相连，在泵的作用下将太阳能收集器浓度升高的传热工质（15）抽出。
在本发明的另一具体实施例中，还包括一真空泵（10），用于抽走不凝气体和并维持系统处于低压或真空状态。
在本发明的另一具体实施例中，还包括一旁流管（8）与汽管（2）和底部液管（6）相连。
在本发明的另一具体实施例中，所述的旁流管（8）与汽管（2）连接处安装气-液分离器（14）。
在本发明的另一具体实施例中，工质补充容器（104）与储热箱（102）合并，储热箱（102）兼作工质补充容器的作用，并与太阳能收集器的输液管（1）相连通。
工作原理：
运行时，系统的内部压力是低于大气压的，优选是真空或接近真空。在工质补充容器（原水容器）104内工质（原水15）被真空吸力经输液管1引入太阳能收集器101内，其流量是由节流阀11控制。原水吸收了太阳的热能后汽化并由纵管3向上，经过汽管2流向热交换的储热箱102内的热交换器4的上端，所携带的液态水则经旁流管8流回太阳能收集器101的底部液管6。水汽在热交换的储热箱102中的热交换器4内凝结为蒸馏水，同时释放热量并加热储热箱内的水16。不凝气体如氧气、氮气、二氧化碳等向上积聚于不凝气室5，而蒸馏水则向下流入净化工质容器（纯净水容器）103。
3、本发明的有益效果。
（1）本发明的多功能太阳能系统能同时输出热或电+热，并生成纯净水，使系统的投资回报率大大提高；
（2）本发明的三条平行管道的设计可以低成本地实现高效相变热传递和无能耗地生成蒸馏水，并且使太阳能收集面板7的温度均匀，保持太阳能电池的效率；
（3）相比自然或强迫循环热传导，相变热传导高效地将热量从太阳能收集器传递到储热箱，并可省去水泵及其附加控制设备，而且不消耗电能；
（4）作为一个纯净水系统或海水淡化系统，本发明的系统既不消耗昂贵的反渗透膜滤芯，又不消耗包括太阳能在内的任何能源。
综上，本发明所展示的多功能太阳能系统相对于现有的太阳能系统是很大的提升。
附图说明
图1为实施例1的多功能太阳能系统。
图2为太阳能收集面板涂有太阳能吸收涂层示意图。
图3为太阳能收集面板上装有光伏电池示意图。
图4为实施例2的多功能太阳能系统。
图5为实施例3的多功能太阳能系统。
图6为实施例4的多功能太阳能系统。
101-太阳能收集器，102-带有热交换的储热箱，103-净化工质容器，104-工质补充容器，105-由导热壁做成的热交换容器，1-输液管，2-汽管，3-纵向管道，4-热交换器，5-不凝气室，6-底部液管，7-太阳能收集面板，8-旁流管，9-水泵，10-真空泵，11-节流阀，12-将太阳能转换为热能的涂层，13-将太阳能转换为电能的光伏电池，14-汽-液分离器，15-传热工质，16-储热媒质。
具体实施方式
为了使专利局的审查员尤其是公众能够更加清楚地理解本发明的技术实质和有益效果，申请人将在下面以实施例的方式作详细说明，但是对实施例的描述均不是对本发明方案的限制，任何依据本发明构思所作出的仅仅为形式上的而非实质性的等效变换都应视为本发明的技术方案范畴。
实施例1
如图1所示，有纯净水功能的多功能太阳能系统由太阳能收集器101、带有热交换器的储热箱102，净化工质容器103、以及工质补充容器104组成；
太阳能收集器101包括太阳能收集面板7，其正面为向阳面，向阳面安装有能将太阳能转换为热能的涂层12或将太阳能转换为电能的光伏电池（13）。如图2所示，太阳能收集面板7上有太阳能吸收涂层12可将光能转换为热能；或如图3所示，太阳能收集面板7上有太阳能电池13，将光能同时转换为电能和热能，
太阳能收集面板7背面与包括多条纵向管道3的管道体系紧密热接触；管道体系还包括延伸到太阳能收集器外的三条水平管，纵向管道与的此三条平行水平管道相通；顶部的水平管道为汽管2，底部的水平管道为底部液管6，介于两者之间的水平管为输液管1。
可发生相变的传热工质15充满底部液管6，也充盈纵向管道3的一部份。工质在常温常压下为液态，而在太阳能热的作用下，工质可部分或全部汽化并吸收热量。优选的工质为待净化的原水。
多功能太阳能系统还包括一旁流管8与汽管2和底部液管6相连，将汽管2中可能存在的液体工质通过旁流管8流向底部液管6，减少了对循环系统的不良干扰。
储热箱102内有储热媒质16和热交换器4；热交换器4和太阳能收集器101的汽管2相通，并将接收到的汽化工质冷凝为液态，所释放热量用于加热储热媒质16。储热箱102优选地放置高于太阳能收集器101。
净化工质容器103与储热箱102内的热交换器4相通用于接纳热交换器内冷凝的工质。净化工质容器103外部连通一个用于将净化的工质排出的泵9。
工质补充容器104与太阳能收集器101的输液管1相连，由节流阀11控制向太阳能收集器补充工质。
系统还包括用于收集不凝气体的不凝气室5，位于热交换器4的顶部。
系统还包括一真空泵10，用于抽走不凝气体和并维持系统处于低压或真空状态。
实施例2
在此实施例中，实施例1所述的热交换器、净化工质容器103、和不凝气室5三者由导热壁做成的热交换容器105所替代，如图4所示。热交换容器105将接收到的汽化工质冷凝为液态并储存于热交换容器内，所释放热量用于加热热交换容器周围的储热媒质16，而不凝气体则集聚于热交换容器的上部。
在此实施例中，工质补充容器104与太阳能收集器101的底部液管通过泵相连，用于抽走太阳能收集器101内浓度升高的工质。
在旁流管8与汽管2连接处还安装了汽-液分离器14。
实施例3
在此实施例中，带有热交换的储热箱102内的储热媒质为水，并且储热水箱102和工质补充容器104合二为一，储热水箱兼作工质补充容器（或原水容器），并与纵向管道上部的输液管1相通，如图5所示。
实施例4
在此实施例中，此系统由多个太阳能收集器101和带有热交换容器105的储热箱102组成，储热媒质为水，如图6所示，每个太阳能收集器可与相邻的太阳能收集器通过连接对应的三条水平管（汽管、输液管和底部液管）而连成一排。三条公共的水平管，汽管2、输液管1和底部液管6可用于连接对应的多排太阳能收集器的水平管。
储热水箱102内的热交换容器105通过公共汽管2和太阳能收集器101的汽管连通，将水汽冷凝并储存生成的蒸馏水，而储热水箱102兼原水容器通过公共输液管1向太阳能收集器101的输液管补充原水。

Claims (10)

1.一种多功能太阳能系统，其特征在于：由一个或多个太阳能收集器（101）、带有热交换器的储热箱（102）、净化工质容器（103）、以及工质补充容器（104）组成；太阳能收集器（101）包括太阳能收集面板（7），其正面为向阳面；向阳面上装有能将太阳能转换为热能的涂层（12）或将太阳能转换为电能的光伏电池（13），其背面与包括多条纵向管道（3）的管道系统紧密热接触；管道系统还包括延伸到太阳能收集器之外的三条水平管道与纵向管道（3）相通，三条水平管道分别为顶部的汽管（2），底部液管（6），以及介于两者之间的输液管（1）；可发生相变的传热工质（15）充满底部液管（6）和纵向管道（3）的一部分，工质在常温常压下为液态，在太阳能热的作用下，工质可部分或全部汽化并吸收热量；
多个太阳能收集器（101）之间通过汽管（2）、输液管（1）和底部液管（6）连通；
储热箱（102）内有储热媒质（16）和热交换器（4）；热交换器（4）至少和太阳能收集器（101）的汽管（2）相通，并将接收到的汽化工质冷凝为液态，所释放热量用于加热储热媒质（16）；
净化工质容器（103）与储热箱（102）内的热交换器（4）相通用于接纳热交换器内冷凝的传热工质（15）；
工质补充容器（104）与太阳能收集器（101）的输液管（1）相连，向太阳能收集器内补充传热工质（15）。
2.根据权利要求1所述的多功能太阳能系统，其特征在于：还包括用于收集不凝气体的不凝气室（5），与所述热交换器（4）连通。
3.根据权利要求2所述的多功能太阳能系统，其特征在于：所述的热交换器、净化工质容器和不凝气室三者由导热壁做成的热交换容器（105）替代，并放置于储热箱（102）内；热交换容器（105）将接收到的汽化工质冷凝为液态并储存于热交换容器内，所释放热量通过其导热壁用于加热热交换容器周围的储热媒质（16），而不凝气体则集聚于热交换容器的上部。
4.根据权利要求1所述的多功能太阳能系统，其特征在于：工质补充容器（104）与太阳能收集器（101）的底部液管（6）相连。
5.根据权利要求2和3任一所述的多功能太阳能系统，其特征在于：还包括一真空泵（10），用于抽走不凝气体和并维持系统处于低压或真空状态。
6.根据权利要求1所述的多功能太阳能系统，其特征在于：还包括一旁流管（8）与汽管（2）和底部液管（6）相连。
7.根据权利要求6所述的多功能太阳能系统，其特征在于：所述的旁流管（8）与汽管（2）连接处安装气-液分离器（14）。
8.根据权利要求1所述的多功能太阳能系统，其特征在于：所述的太阳能收集器（101）的传热工质为水。
9.根据权利要求1所述的多功能太阳能系统，其特征在于：所述的储热箱（102）内的储热媒质为水。
10.根据权利要求9所述的多功能太阳能系统，其特征在于：所述的工质补充容器（104）与储热箱（102）合并，并与太阳能收集器的输液管（1）相连通。
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