CN104964460A - 一种光热光伏复合智能化高效太阳能热水供应站 - Google Patents

Abstract

一种光热光伏复合智能化高效太阳能热水供应站，包括太阳能集热器、保温水箱、进水阀、出水阀、进水管、热水出水管、热水出水阀、排气阀、回水管和混流泵，在保温水箱的回水端与太阳能集热器的进水端之间设有回水管，在太阳能集热器的出水阀与保温水箱之间设有混流泵，混流泵工作带动水流进行内循环，使水流与集热真空管的内壁进行动态接触，这样就能更及时地将集热真空管吸收的太阳热能传递给水流，从而大大提高了太阳能热水供应站的热转化效率，同时通过光伏发电作为混流泵的电力来源，节约了成本，提高了热能利用率，大大缩短了工作时间，为太阳能热水供应站的广泛应用提供了有力的技术支持。

Description

一种光热光伏复合智能化高效太阳能热水供应站

技术领域：

本发明涉及一种太阳能热水供应系统，尤其涉及一种能自动进行强制热交换的光热光伏复合智能化高效太阳能热水供应系统。

背景技术：

随着现代社会的发展，人类对能源和资源的依赖日益加强，而众所周知地球上的资源是有限的，因此寻求丰富、清洁、廉价和最具发展前途的能源成为了人们首先需要解决的问题。太阳能是一种可以自由利用、无污染、能量密度不高的持久能源，它是人类可以利用的最丰富的能源，也是最洁净、最廉价和最有发展前途的能源。长期以来人们在探索太阳能热利用方面做了大量的工作并取得了良好的成效。其中，太阳能热水器的热利用转换技术无疑是最为成熟的，其产业化进程也较光伏电池、太阳能发电等产业领先一步，如今太阳能热水器获得了越来越广泛的应用。

近十年来，城镇中的高层住宅越来越多，受楼顶面积的限制及楼顶私有化等因素影响，绝大多数住户都无法安装和使用太阳能热水器。为了解决这一问题，申请人早在2008年就研制出阳台挂壁式太阳能热水器，它有真空管型和平板型两种，这两类阳台挂壁式太阳能热水器虽然解决了高层住宅安装和使用太阳能热水器的可能性问题，满足了每户家庭都能安装太阳能热水器，实现了家家都能安装和使用太阳能热水器的梦想，但由于现有的太阳能热水器的热转换效率不高，加上阳台墙壁的光照时间有限，使得阳台挂壁式太阳能的实际利用率受到较大限制，怎样在现有光照条件下提高壁挂式真空管太阳能热水器的热能利用率，使单位光照面积能产生更多的热水，还要保持现有太阳能热水器的固有优点成为人们迫切希望解决的技术问题，更是摆在太阳能热水器生产企业面前的一个重大课题。

现有的阳台壁挂式真空管太阳能热水器的光能利用率不高，由于受到天气影响较大，尤其是高层住宅受屋楼布局影响日均光照时间较短，现有太阳能热水器的真空管集热器的热能利用率偏低，无法保证在一天的自然光照时间内将水箱中的水加热至可用温度，从而导致现有太阳能热水器无法保证正常的热水供应，只能配备电能辅助加热装置，然而即使配备了电能辅助加热装置。由于太阳能热水器的自身的传热方式的不合理，导致太阳能热水器吸收的热量不能被吸热介质充分吸收，导致加热时间过长，能耗增加，能源浪费。

在现有太阳能热水器中，传热介质的传热原理是利用传热液体介质在不同温度条件下密度不同的特点，温度较高的液体密度小，温度较低的液体密度大，在太阳能集热器与保温水箱之间设有吸热介质循环管路，在太阳能集热器与保温水箱之间形成冷介质自上而下，热介质自下而上的自然循环方式来提高保温水箱中的水温度。

由于太阳能真空管在太阳光的照射下是通过其内的吸热介质吸收太阳能的热能的，而太阳能真空管内的吸热介质是静止的，太阳能真空管吸收的热能先与管体内壁接触的介质进行热交换，然后再由位于管体内壁四周的高温介质与管体内芯的低温介质进行温差热量传递，使整个集热管中的吸热介质升温，从而改变集热管中吸热介质的比重，再通过温差循环传热方式使集热管中的热水缓慢地上升输送到保温水箱中。这种冷热介质传热的效率偏低，这是导致了现有太阳能热水器光能利用率偏低的主要原因，现有的太阳能热水器要求有足够的光照时间，保温水箱与太阳能集热器之间要求较短管路也是根据这个因素提出的要求。

为了提高现有太阳能热水器的热交换效率，增加现有太阳能热水器的热水产出量，本申请人采用光伏技术与光热技术相结合的方式，比较理想地解决了这一技术难题。

发明内容：

本发明的目的是提供一种光热光伏复合智能化高效太阳能热水供应站。

本发明采取的技术方案如下：

一种光热光伏复合智能化高效太阳能热水供应站，包括太阳能集热器、保温水箱、进水阀、出水阀、进水管、热水出水管、热水出水阀和排气阀，太阳能集热器的进水端经进水阀和进水管与压力水源相通连，太阳能集热器的出水端经出水阀与保温水箱的进水端相连，保温水箱的进水端与热水出水管相连，在热水出水管上设有热水出水阀，在保温水箱的顶部设有排气阀，所述太阳能集热器包括集热真空管、太阳能背板、支撑架、集热管安装体和集热管座，太阳能背板固定在支撑架上，集热真空管通过集热管安装体和集热管座安装在太阳能背板上，集热真空管的开口端安装在集热管安装体中，集热真空管的闭合端安装在集热管座中，其特征是：在保温水箱的回水端与太阳能集热器的进水端之间设有回水管，在太阳能背板的外露面上设有太阳能光伏膜，在太阳能集热器的出水阀与保温水箱之间设有混流泵，混流泵与太阳能光伏膜电连接，即太阳能光伏膜是混流泵的电源。

进一步，在集热真空管的背光面设有反光镜面膜。

更进一步，反光镜面膜的宽度小于等于集热真空管的外圆周长1/2，即反光镜面膜贴在集热真空管的外圆表面上所形成的包角小于等于180°。

更进一步，反光镜面膜贴在集热真空管的外圆表面上所形成的包角为120°～180°。

进一步，在太阳能集热器中，所有集热真空管水平设置，集热管安装体位于集热真空管的左侧或右侧。

进一步，在太阳能集热器中，所有集热真空管竖直设置，集热管安装体位于集热真空管的上端。

进一步，集热真空管与太阳能光伏膜之间距离为30～150毫米，优选为50-100毫米，最优为80毫米。

进一步，所述混流泵为直流电机驱动的泵，其功率为3W～150W，优选为10W-100W。

进一步，在保温水箱中设有市电加热器和水温传感器，市电加热器和水温传感器均由智能控制器电连接，智能控制器能根据水温传感器自动控制市电加热器。

由于在太阳能集热器和保温水箱之间增设了混流泵，混流泵由贴在太阳能背板上的太阳能光伏膜供电，混流泵能根据外界的光照条件自动随之改变转速，调整保温水箱与太阳能集热器之间导热介质的混流速度，确保太阳能集热器所吸收的热量能即时地被吸热介质吸收，从而提高太阳能热水器的热转换效率。

在实施过程中，在集热真空管与太阳能光伏膜之间限定了透光距离，当太阳光照晒集热真空管的同时，光线能从相邻两根集热真空管的间隙之间直接照射到太阳能光伏膜上，虽然在集热真空管背面会产生一定阴影，但由于在集热真空管背面设有反光镜面膜，它能够对照射到太阳能光伏膜上的光线进行综合的反射折射，保证了太阳能光伏膜上的光照均匀，消除或削弱光斑效应对太阳能光伏膜的光转换稳定性的影响，因此，当太阳光照晒到太阳能集热器上时，太阳光被充分利用，既能被集热真空管吸收转化成热能储存在待加热水中，在集热真空管之间的太阳光及经集热真空管反射、折射后产生的光又能被太阳能光伏膜吸收转化成电能，用光伏电能直接来驱动直流混流泵，由于太阳能光伏膜与集热真空管同步接受太阳光照晒，太阳光照晒的光强越大，集热真空管吸热越多，此时，太阳能光伏膜所产生的光伏电能也越多，直流混流泵的转速也越高，能即时将集热真空管吸收的热能传递给导热介质，直流混流泵的转速能根据光照条件的变化而改变，它能对保温水箱和太阳能集热器中的吸热介质进行内循环输送，使吸热介质在集热真空管内以流动状与集热真空管的内壁进行充分的接触，这样就能更及时地将集热真空管吸收的太阳热能传递给吸热介质，从而提高了太阳能热水供应站的热转化效率。当光照较弱时太阳能真空管转化的热能较低，冷热介质之间的温差偏小，需要延长热交换时间来进行热传递，此时太阳能光伏膜输出的电能随光照变弱而降低，混流泵的转速也随之降低，从而实现热量传递智能化匹配，使得水流以低速循环保证了充分的热交换时间，当光照变强时太阳能真空管转化的热能随之变高，冷热介质之间的温差变大，热传递速度变快，需要增加水流速度以更好的带走热能，此时太阳能光伏膜传导出的电能随光照变强而变强，混流泵的转速也随之增加，从而使得水流循环速度加快，更好的吸收热能，当无光照时，混流泵停止运转，水流也不再循环，最大程度的减少了热量的散失。这种智能化设计能自发的根据光照强度变化而改变水流的循环速度，从而始终保持热水供应站以最大效率进行热能传导。申请人通过实验证明，在同等光照条件下，采用这种方案，太阳能热水供应站的热水产出率能提高22％～25％，将等量的同质水加热到预定温度的时间可缩短25％左右，节能效果十分显著。

在保温水箱中增设市电加热装置和水温传感器的目的是解决连续阴雨天的热水供应问题，当保温水箱内的水温低于预定值时，市电加热装置即启动加热，当水温超过预定值时，市电加热器则自动关闭，整个过程由智能控制器控制，这样就能弥补太阳能光照不足对热水供应的影响。

附图说明：

图1为本发明的工作原理图；

图2为图1中太阳能集热器的结构示意图；

图3为本发明安装在阳台朝南墙壁上的安装结构示意图；

图4为带有电加热装置的保温水箱结构示意图；

图中：1-太阳能集热器；2-保温水箱；3-进水阀；4-出水阀；5-进水管；6-热水出水管；7-热水出水阀；8-排气阀；9-回水管；10-混流泵；11-集热真空管；12-太阳能背板；13-支撑架；14-集热管安装体；15-集热管座；16-太阳能光伏膜；17-反光镜面膜；18-市电加热器；19-水温传感器；20-智能控制器。

具体实施方式：

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。

本装置既适用于导热介质的太阳能热水供应站，也适用于直接对水加热的太阳能热水供应站，下面针对直接对水加热的太阳能热水供应站结合实施例1描述本发明的技术方案。

实施例1：一种光热光伏复合智能化高效太阳能热水供应站，如图1～图3所示，包括太阳能集热器1、保温水箱2、进水阀3、出水阀4、进水管5、热水出水管6、热水出水阀7、排气阀8、回水管9和混流泵10，太阳能集热器1的进水端经进水阀3和进水管5与压力水源相通连，太阳能集热器1的出水端经出水阀4与保温水箱2的进水端相连，保温水箱2的出水端与热水出水管6相连，在热水出水管6上设有热水出水阀7，在保温水箱2的顶部设有排气阀8，所述太阳能集热器1包括集热真空管11、太阳能背板12、支撑架13、集热管安装体14和集热管座15，太阳能背板12固定在支撑架13上，集热真空管11通过集热管安装体14和集热管座15水平安装在太阳能背板12上，集热真空管11的左侧开口端安装在集热管安装体14中，集热真空管11的右侧闭合端安装在集热管座15中，在保温水箱2的回水端与太阳能集热器1的进水端之间设有回水管9，在太阳能背板12的外露面上设有太阳能光伏膜16，集热真空管11与太阳能光伏膜16之间距离为80毫米，在集热真空管11的背光面设有反光镜面膜17，反光镜面膜17的宽度等于集热真空管11的外圆周长的1/2，在太阳能集热器1的出水阀4与保温水箱2之间设有混流泵10，混流泵10与太阳能光伏膜16电连接，即太阳能光伏膜16是混流泵10的电源，所述混流泵10为直流电机驱动的泵，其功率为100W。

实施例2：与实施例1的不同之处在于，将集热真空管11竖直设置，集热管安装体14位于集热真空管11的上端。

实施例3：如图4所示，在上述实施例中，在保温水箱2中设有市电加热器18和水温传感器19，市电加热器18和水温传感器19均由智能控制器20电连接，智能控制器20能根据水温传达室感器19自动控制市电加热器18，解决连续阴雨天的热水供应问题。

本发明的实施方式很多，不能一一罗列，太阳能热水供应站可以为现有技术中的各种结构形式，例如，直接对水进行加热型，通过导热介质间接加热型。

Claims (9)

1.一种光热光伏复合智能化高效太阳能热水供应站，包括太阳能集热器(1)、保温水箱(2)、进水阀(3)、出水阀(4)、进水管(5)、热水出水管(6)、热水出水阀(7)和排气阀(8)，太阳能集热器(1)的进水端经进水阀(3)和进水管(5)与压力水源相通连，太阳能集热器(1)的出水端经出水阀(4)与保温水箱(2)的进水端相连，保温水箱(2)的进水端与热水出水管(6)相连，在热水出水管(6)上设有热水出水阀(7)，在保温水箱(2)的顶部设有排气阀(8)，所述太阳能集热器(1)包括集热真空管(11)、太阳能背板(12)、支撑架(13)、集热管安装体(14)和集热管座(15)，太阳能背板(12)固定在支撑架(13)上，集热真空管(11)通过集热管安装体(14)和集热管座(15)安装在太阳能背板(12)上，集热真空管(11)的开口端安装在集热管安装体(14)中，集热真空管(11)的闭合端安装在集热管座(15)中，其特征是：在保温水箱(2)的回水端与太阳能集热器(1)的进水端之间设有回水管(9)，在太阳能背板(12)的外露面上设有太阳能光伏膜(16)，在太阳能集热器(1)的出水阀(4)与保温水箱(2)之间设有混流泵(10)，混流泵(10)与太阳能光伏膜(16)电连接，即太阳能光伏膜(16)是混流泵(10)的电源。

2.根据权利要求1所述光热光伏复合智能化高效太阳能热水供应站，其特征是：在集热真空管(11)的背光面设有反光镜面膜(17)。

3.根据权利要求2所述光热光伏复合智能化高效太阳能热水供应站，其特征是：反光镜面膜(17)的宽度小于等于集热真空管(11)的外圆周长1/2，即反光镜面膜(17)贴在集热真空管(11)的外圆表面上所形成的包角小于等于180°。

4.根据权利要求3所述光热光伏复合智能化高效太阳能热水供应站，其特征是：反光镜面膜(17)贴在集热真空管(11)的外圆表面上所形成的包角为120°～180°。

5.根据权利要求1所述光热光伏复合智能化高效太阳能热水供应站，其特征是：在太阳能集热器(1)中，所有集热真空管(11)水平设置，集热管安装体(14)位于集热真空管(11)的左侧或右侧。

6.根据权利要求1所述光热光伏复合智能化高效太阳能热水供应站，其特征是：在太阳能集热器(1)中，所有集热真空管(11)竖直设置，集热管安装体(14)位于集热真空管(11)的上端。

7.根据权利要求1所述光热光伏复合智能化高效太阳能热水供应站，其特征是：集热真空管(11)与太阳能光伏膜(16)之间距离为30～150毫米。

8.根据权利要求1所述光热光伏复合智能化高效太阳能热水供应站，其特征是：所述混流泵(10)为直流电机驱动的泵，其功率为3W～150W。

9.根据权利要求1～8中任一所述光热光伏复合智能化高效太阳能热水供应站，其特征是：在保温水箱(2)中设有市电加热器(18)和水温传感器(19)，市电加热器(18)和水温传感器(19)均由智能控制器(20)电连接，智能控制器(20)能根据水温传感器(19)自动控制市电加热器(18)。