CN105716299A - 一种太阳能热泵热水器 - Google Patents

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罗朋
陈健豪
金世昊
刘璐萱
崔东旭
宾雪儿
刘哲
杨永庆
姜张锐
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Abstract

本发明公开了一种太阳能热泵热水器，所述纳米流体通过外管道按顺序流经所述聚光集热器、进口智能控制阀门、换热组件、出口智能控制阀门和循环泵，并形成循环回路，所述水箱连接在进口智能控制阀门和出口智能控制阀门之间，且与换热组件并联，所述纳米流体通过进口智能控制阀门流经水箱流向出口智能控制阀门，所述热泵组件设置在换热组件和水箱之间。本发明集热效果强，适用于阳光斜射角较大或光照强度较弱的地区，能为高纬度地区居民提供稳定的热水，不仅增大了太阳能的利用效率，还保证机组在晚上也能正常工作，输出热水。

Description

一种太阳能热泵热水器
技术领域
本发明涉及一种太阳能热泵热水器，属于太阳能热泵热水器领域。
背景技术
随着工业现代化的发展，能源危机在当今世界日渐凸显，可再生能源将成为世界能源结构的重要组成部分。太阳能作为一种取之不尽用之不竭的能源，对其合理开发和利用具有重要意义。近年来，全世界各个国家的科学研究工作者在这方面进行了大量的工作和科学探究，取得了一定成果。
我国是太阳能资源极为丰富的国家，全国半数以上的地区辐射量502W/m2以上。如今，太阳能已经应用到很多领域，尤其是集热系统领域。太阳能聚光集热系统是充分利用太阳能的热辐射将工质加热，从而达到对热设备提供热量的目的。现有的太阳能集热器利用率不高，系统不够稳定，集热效果不明显。
目前的太阳能系统有：太阳能槽式线聚焦系统、太阳能塔式系统、太阳能碟式系统以及太阳能菲涅尔式等几种形式。其中菲涅尔式成本低，加工成型方便。其工作原理是：透镜纹理是根据光的干涉及抗射以及相对灵敏度和接收角要求设计，只保留发射折射的曲面，使光在玻璃中直线传播的部分衰减，能省下材料同时达到增强聚光的效果。
近年来，新材料的研制和应用逐渐成为科技发展的主要方向，纳米流体是目前研究较多的一种新型高效传热介质，基于纳米流体优异的热运输性能和光谱吸收性能，使得纳米流体在太阳能的利用中具有较好的应用前景，成为一种新型高效的太阳能辐射吸收材料。
相变材料在状态改变时需要大量的热交换，可作为能量存储器。这种特性在节能，温度控制等领域有着极大的意义。相变材料减少了储热设备体积，弥补太阳能受地理和气候影响的缺陷。利用相变材料的这种性质，可以进行热能的储存和交换。
发明内容
本发明提供一种太阳能热泵热水器，将太阳能聚光、纳米流体与热泵技术相结合，发挥相变材料的蓄热特性，消耗的电量少，在提高热水的品质和节能方面效果显著，充分地利用太阳能，使机组在晚上也能正常工作。
本发明的技术方案如下：
一种太阳能热泵热水器，包括聚光集热器、外管道、进口智能控制阀门、出口智能控制阀门、纳米流体、换热组件、热泵组件、水箱以及循环泵，
所述纳米流体通过外管道按顺序流经所述聚光集热器、进口智能控制阀门、换热组件、出口智能控制阀门和循环泵，并形成循环回路，所述水箱连接在进口智能控制阀门和出口智能控制阀门之间，且与换热组件并联，所述纳米流体通过进口智能控制阀门经水箱流向出口智能控制阀门，所述热泵组件设置在换热组件和水箱之间。
优选地，所述聚光集热器包括外壳、第一保温层、扁形流体通道、下层板、上集管、上层吸热板、焊接线、聚光器、空腔和下集管，所述外壳为无上盖长方形壳体，所述外壳内部底板上设有第一保温层，所述第一保温层上覆有下层板，所述下层板上设有扁形流体通道，所述扁形流体通道的上方设有上层吸热板，所述焊接线焊接在扁形流体通道之间，用于连接上层吸热板形成整体结构，所述聚光器安装在所述外壳的上方，所述聚光器和上层吸热板之间设有空腔，且空腔占聚光集热器厚度的1/2，所述上集管和下集管连接在扁形流体通道的两端便于流体的循环，且所述上集管和下集管通过外管道分别与进口智能控制阀门和循环泵连接。
优选地，所述换热组件包括相变材料、流体入口、流体出口、上层隔板、下层隔板、隔板空隙、上腔室、下腔室、第二保温层和换热组件箱体，所述换热组件箱体的内壁设有第二保温层，所述上层隔板设置在换热组件箱体内2/3高度处，所述下层隔板设置在换热组件箱体内1/3高度处，所述相变材料填充在上层隔板和下层隔板之间，所述上层隔板与换热组件箱体上部形成上腔室，所述下层隔板与换热组件箱体下部形成下腔室，所述上腔室上设有流体入口，且通过外管道与进口智能控制阀门连接，所述下腔室上设有流体出口，且通过外管道与出口智能控制阀门连接，所述上层隔板和下层隔板上设有隔板空隙，且所述隔板空隙的直径小于相变材料直径。
优选地，其特征在于，所述水箱包括水箱箱体、圆形隔板、换热器、热水出口、冷水进口、排污口、热泵工质循环进口、热泵工质循环出口、纳米流体循环进口和纳米流体循环出口，所述圆形隔板设置在水箱箱体中1/2处，且圆形隔板两侧开有半弧形开口，所述热水出口设置在圆形隔板上方的水箱箱体侧壁上，所述冷水进口设置在圆形隔板下方的水箱箱体侧壁上，所述排污口设置在水箱箱体的底部侧壁上，所述热泵工质循环进口和热泵工质循环出口设置在水箱箱体的侧壁上，用于连接热泵组件，所述纳米流体循环进口和纳米流体循环出口设置在水箱箱体的另一侧壁上，所述换热器安装在水箱箱体的内部，且换热器两端分别与纳米流体循环进口和纳米流体循环出口连接。
优选地，所述热泵组件包括压缩机、冷凝器、膨胀阀和蒸发器，且所述压缩机、冷凝器、膨胀阀和蒸发器按顺序连接，形成回路，所述蒸发器设在换热组件箱体内，且与相变材料充分接触；所述冷凝器两端通过与热泵工质循环进口和热泵工质循环出口连接设置在水箱箱体内。
优选地，所述聚光器为一种平板线性菲涅尔聚光透镜。
优选地，所述外管道为铝塑材质，且管道外部包有泡沫塑料或石棉保温材料。
优选地，所述纳米流体为Fe3O4纳米流体或者是TiO2纳米流体。
优选地，所述第二保温层由内至外依次设置有不锈钢、保温材料和防护层。
优选地，所述相变材料为硫酸钠水合盐、磷酸氢二钠十二水合盐、氯化钙水合盐或石蜡中的一种。
本发明的有益效果：本发明提供一种太阳能热泵热水器，集热效果强，适用于阳光斜射角较大或光照强度较弱的地区，能为高纬度地区居民提供稳定的热水，不仅增大了太阳能的利用效率，还保证机组在晚上也能正常工作，输出热水。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明的聚光集热器的A-A'横截面示意图。
图3为本发明的圆形隔板的结构示意图。
图4为本发明的上集管的结构示意图。
图5为本发明的上集管的B-B’的剖面示意图。
图中:聚光集热器1、外壳1-1、第一保温层1-2、扁形流体通道1-3、下层板1-4、上集管1-5、上层吸热板1-6、焊接线1-7、聚光器1-8、空腔1-9、下集管1-10、外管道2、进口智能控制阀门3-1、出口智能控制阀门3-2、纳米流体4、换热组件5、相变材料5-1、流体入口5-2、流体出口5-3、上层隔板5-4、下层隔板5-5、隔板空隙5-6、上腔室5-7、下腔室5-8、第二保温层5-9、换热组件箱体5-10、热泵组件6、压缩机6-1、冷凝器6-2、膨胀阀6-3、蒸发器6-4、水箱7、水箱箱体7-1、圆形隔板7-2、换热器7-3、热水出口7-4、冷水进口7-5、排污口7-6、热泵工质循环进口7-7、热泵工质循环出口7-8、纳米流体循环进口7-9、纳米流体循环出口7-10、循环泵8。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。
如附图1-5所示，一种太阳能热泵热水器，包括聚光集热器1、外管道2、进口智能控制阀门3-1、出口智能控制阀门3-2、纳米流体4、换热组件5、热泵组件6、水箱7以及循环泵8，
所述纳米流体4通过外管道2按顺序流经所述聚光集热器1、进口智能控制阀门3-1、换热组件5、出口智能控制阀门3-2和循环泵8，并形成循环回路，所述水箱7连接在进口智能控制阀门3-1和出口智能控制阀门3-2之间，且与换热组件5并联，所述纳米流体4通过进口智能控制阀门3-1经水箱7流向出口智能控制阀门3-2，所述热泵组件6设置在换热组件5和水箱7之间。
优选地，所述聚光集热器1包括外壳1-1、第一保温层1-2、扁形流体通道1-3、下层板1-4、上集管1-5、上层吸热板1-6、焊接线1-7、聚光器1-8、空腔1-9和下集管1-10，所述外壳1-1为无上盖长方形壳体，所述外壳1-1内部底板上设有第一保温层1-2，所述第一保温层1-2上覆有下层板1-4，所述下层板1-4上设有扁形流体通道1-3，所述扁形流体通道1-3的上方设有上层吸热板1-6，所述焊接线1-7焊接在扁形流体通道1-3之间，用于连接上层吸热板形成整体结构，所述聚光器1-8安装在所述外壳1-1的上方，所述聚光器1-8和上层吸热板1-6之间设有空腔1-9，且空腔1-9占聚光集热器1厚度的1/2，所述上集管1-5和下集管1-10连接在扁形流体通道1-3的两端，且所述上集管1-5和下集管1-10通过外管道2分别与进口智能控制阀门3-1和循环泵8连接。
优选地，所述换热组件5包括相变材料5-1、流体入口5-2、流体出口5-3、上层隔板5-4、下层隔板5-5、隔板空隙5-6、上腔室5-7、下腔室5-8、第二保温层5-9和换热组件箱体5-10，所述换热组件箱体5-10的内壁设有第二保温层5-9，所述上层隔板5-4设置在换热组件箱体5-10内2/3高度处，所述下层隔板5-5设置在换热组件箱体5-10内1/3高度处，所述相变材料5-1填充在上层隔板5-4和下层隔板5-5之间，所述上层隔板5-4与换热组件箱体5-10上部形成上腔室5-7，所述下层隔板5-5与换热组件箱体5-10下部形成下腔室5-8，所述上腔室5-7上设有流体入口5-2，且通过外管道2与进口智能控制阀门3-1连接，所述下腔室5-8上设有流体出口5-3，且通过外管道2与出口智能控制阀门3-2连接，所述上层隔板5-4和下层隔板5-5上设有隔板空隙5-6，且所述隔板空隙5-6的直径小于相变材料5-1直径。
优选地，所述水箱7包括水箱箱体7-1、圆形隔板7-2、换热器7-3、热水出口7-4、冷水进口7-5、排污口7-6、热泵工质循环进口7-7、热泵工质循环出口7-8、纳米流体循环进口7-9和纳米流体循环出口7-10，所述圆形隔板7-2设置在水箱箱体7-1中1/2处，且圆形隔板7-2两侧开有半弧形开口，所述热水出口7-4设置在圆形隔板7-2上方的水箱箱体7-1侧壁上，所述冷水进口设置在圆形隔板7-2下方的水箱箱体7-1侧壁上，所述排污口设置在水箱箱体7-1的底部侧壁上，所述热泵工质循环进口7-7和热泵工质循环出口7-8设置在水箱箱体7-1的侧壁上，用于连接热泵组件6，所述纳米流体循环进口7-9和纳米流体循环出口7-10设置在水箱箱体的另一侧壁上，所述换热器7-3安装在水箱箱体7-1的内部，且换热器7-3两端分别与纳米流体循环进口7-9和纳米流体循环出口7-10连接。
优选地，所述热泵组件6包括压缩机6-1、冷凝器6-2、膨胀阀6-3和蒸发器6-4，且所述压缩机6-1、冷凝器6-2、膨胀阀6-3和蒸发器6-4按顺序连接，形成回路，所述蒸发器6-4设在换热组件箱体5-10内，且与相变材料5-1充分接触；所述冷凝器6-2两端通过与热泵工质循环进口7-7和热泵工质循环出口7-8连接设置在水箱箱体7-1内。
优选地，所述聚光器1-8为一种平板线性菲涅尔聚光透镜。
优选地，所述外管道2为铝塑材质，且管道外部包有泡沫塑料或石棉保温材料。
优选地，所述纳米流体4为Fe3O4纳米流体或者是TiO2纳米流体。
优选地，所述第二保温层5-9由内至外依次设置有不锈钢、保温材料和防护层。
优选地，所述相变材料5-1为硫酸钠水合盐、磷酸氢二钠十二水合盐、氯化钙水合盐或石蜡中的一种。
本发明的工作原理如下：
本发明提供的一种太阳能热泵热水器，所述纳米流体4通过外管道2按顺序流经所述聚光集热器1、进口智能控制阀门3-1、换热组件5、出口智能控制阀门3-2和循环泵8，并形成循环回路，所述水箱7连接在进口智能控制阀门3-1和出口智能控制阀门3-2之间，且与换热组件5并联，所述纳米流体4通过进口智能控制阀门3-1流经水箱7流向出口智能控制阀门3-2，所述热泵组件6设置在换热组件5和水箱7之间。
所述聚光集热器1通过聚光器1-8吸收太阳能将其转化为热能，并汇聚在上层集热板1-6上，从而使扁形流体通道1-3中流动着的纳米流体4吸收上层集热板1-6的热量汇集至集管1-5。
当光照较弱时，进口智能控制阀门3-1连通外管道2，集管1-5中的纳米流体4经外管道2将热量带至换热组件5，纳米流体4在换热组件5中聚集，透过隔板孔隙5-6与相变材料5-1接触并将其热量传给相变材料5-1，从而使相变材料5-1储存能量。所述热泵组件6的蒸发器6-4设在换热组件5内与相变材料4充分接触。当相变材料5-1发生相变时，通过蒸发器6-4向热泵组件6中流动的工质传递热量，所述热泵组件6的冷凝器6-2设在水箱7内部，工质循环流动，通过冷凝器6-2将水箱7中的水加热。换热后的工质返回蒸发器6-4，再次吸收相变材料4所储存的热量，并将其传给水箱7，依次循环。
当光照过强时，纳米流体4温度较高，纳米流体4通过进口智能控制阀门3-1连通外管道2将热量带至水箱换热器7-3，此时热量传输相对较少，控制了热水的温度。
在不同光照条件下，纳米流体4可以流经不同的换热装置，对水箱中的水起不同的加热效果，据此根据环境适当控制水温。即使在夜晚无光情况下，相变材料也能将其白天储存的热量传给热泵组件，热泵组件中的工质再将热量传递给水箱中的生活用水，保证高品质热水输出。
在聚光集热器1中，所述空腔1-9高度为整个聚光集热器1厚度的1/2，能够使太阳光透过空腔1-9尽可能的汇聚在上层吸热板1-6上，能量利用更加充分；所述扁形流体通道1-3采用扁平结构，扩大了纳米流体4吸热的表面积，同时限制了纳米流体4的流动速率，使其充分地吸收上层集热板1-6的热量。
在换热组件5中，所述上层隔板5-4和下层隔板5-5上设有隔板空隙5-6，所述隔板空隙5-6直径小于相变材料5-1直径，却可使纳米流体通过，不易损失相变材料，且能有效的进行热传递。
在热泵组件6中,所述蒸发器6-4中的工质吸收相变材料5-1的热量，汽化后被吸入压缩机6-1，经压缩机6-1压缩后以高压气态排出，进入冷凝器6-4放热，放出的热量为水箱7供热。
所述智能控制阀门分为进口智能控制阀门3-1和出口智能控制阀门3-2，两阀门共同作用，当纳米流体的温度超过一定温度时，由进口智能控制阀门3-1控制纳米流体4沿外管道2流动进入换热器7-3，并通过出口智能控制阀门3-2经循环泵8回到集热器1；当那纳米流体4温度低于某一温度时，则由进口智能控制阀门3-1控制纳米流体4沿外管道2进入换热组件5，并向热泵组件6提供低温热源，且通过热泵组件6与水箱7中的水进行换热。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种太阳能热泵热水器，其特征在于，所述热水器包括聚光集热器（1）、外管道（2）、进口智能控制阀门（3-1）、出口智能控制阀门（3-2）、纳米流体（4）、换热组件（5）、热泵组件（6）、水箱（7）以及循环泵（8），
所述纳米流体（4）通过外管道（2）按顺序流经所述聚光集热器（1）、进口智能控制阀门（3-1）、换热组件（5）、出口智能控制阀门（3-2）和循环泵（8），并形成循环回路，所述水箱（7）连接在进口智能控制阀门（3-1）和出口智能控制阀门（3-2）之间，且与换热组件（5）并联，所述纳米流体（4）通过进口智能控制阀门（3-1）经水箱（7）流向出口智能控制阀门（3-2），所述热泵组件（6）设置在换热组件（5）和水箱（7）之间。
2.根据权利要求1所述的一种太阳能热泵热水器，其特征在于，所述聚光集热器（1）包括外壳（1-1）、第一保温层（1-2）、扁形流体通道（1-3）、下层板（1-4）、上集管（1-5）、上层吸热板（1-6）、焊接线（1-7）、聚光器（1-8）、空腔（1-9）和下集管（1-10），所述外壳（1-1）为无上盖长方形壳体，所述外壳（1-1）内部底板上设有第一保温层（1-2），所述第一保温层（1-2）上覆有下层板（1-4），所述下层板（1-4）上设有扁形流体通道（1-3），所述扁形流体通道（1-3）的上方设有上层吸热板（1-6），所述焊接线（1-7）焊接在扁形流体通道（1-3）之间，用于连接上层吸热板形成整体结构，所述聚光器（1-8）安装在所述外壳（1-1）的上方，所述聚光器（1-8）和上层吸热板（1-6）之间设有空腔（1-9），且空腔（1-9）占聚光集热器（1）厚度的1/2，所述上集管（1-5）和下集管（1-10）连接在扁形流体通道（1-3）的两端，且所述上集管（1-5）和下集管（1-10）通过外管道（2）分别与进口智能控制阀门（3-1）和循环泵（8）连接。
3.根据权利要求1所述的一种太阳能热泵热水器，其特征在于，所述换热组件（5）包括相变材料（5-1）、流体入口（5-2）、流体出口（5-3）、上层隔板（5-4）、下层隔板（5-5）、隔板空隙（5-6）、上腔室（5-7）、下腔室（5-8）、第二保温层（5-9）和换热组件箱体（5-10），所述换热组件箱体（5-10）的内壁设有第二保温层（5-9），所述上层隔板（5-4）设置在换热组件箱体（5-10）内2/3高度处，所述下层隔板（5-5）设置在换热组件箱体（5-10）内1/3高度处，所述相变材料（5-1）填充在上层隔板（5-4）和下层隔板（5-5）之间，所述上层隔板（5-4）与换热组件箱体（5-10）上部形成上腔室（5-7），所述下层隔板（5-5）与换热组件箱体（5-10）下部形成下腔室（5-8），所述上腔室（5-7）上设有流体入口（5-2），且通过外管道（2）与进口智能控制阀门（3-1）连接，所述下腔室（5-8）上设有流体出口（5-3），且通过外管道（2）与出口智能控制阀门（3-2）连接，所述上层隔板（5-4）和下层隔板（5-5）上设有隔板空隙（5-6），且所述隔板空隙（5-6）的直径小于相变材料（5-1）直径。
4.根据权利要求1、2或3所述的一种太阳能热泵热水器，其特征在于，所述水箱（7）包括水箱箱体（7-1）、圆形隔板（7-2）、换热器（7-3）、热水出口（7-4）、冷水进口（7-5）、排污口（7-6）、热泵工质循环进口（7-7）、热泵工质循环出口（7-8）、纳米流体循环进口（7-9）和纳米流体循环出口（7-10），所述圆形隔板（7-2）设置在水箱箱体（7-1）中1/2处，且圆形隔板（7-2）两侧开有半弧形开口，所述热水出口（7-4）设置在圆形隔板（7-2）上方的水箱箱体（7-1）侧壁上，所述冷水进口设置在圆形隔板（7-2）下方的水箱箱体（7-1）侧壁上，所述排污口设置在水箱箱体（7-1）的底部侧壁上，所述热泵工质循环进口（7-7）和热泵工质循环出口（7-8）设置在水箱箱体（7-1）的侧壁上，用于连接热泵组件（6），所述纳米流体循环进口（7-9）和纳米流体循环出口（7-10）设置在水箱箱体的另一侧壁上，所述换热器（7-3）安装在水箱箱体（7-1）的内部，且换热器（7-3）两端分别与纳米流体循环进口（7-9）和纳米流体循环出口（7-10）连接。
5.根据权利要求4所述的一种太阳能热泵热水器，其特征在于，所述热泵组件（6）包括压缩机（6-1）、冷凝器（6-2）、膨胀阀（6-3）和蒸发器（6-4），且所述压缩机（6-1）、冷凝器（6-2）、膨胀阀（6-3）和蒸发器（6-4）按顺序连接，形成回路，所述蒸发器（6-4）设在换热组件箱体（5-10）内，且与相变材料（5-1）充分接触；所述冷凝器（6-2）两端通过与热泵工质循环进口（7-7）和热泵工质循环出口（7-8）连接设置在水箱箱体（7-1）内。
6.根据权利要求2所述的一种太阳能热泵热水器，其特征在于，所述聚光器（1-8）为一种平板线性菲涅尔聚光透镜。
7.根据权利要求1所述的一种太阳能热泵热水器，其特征在于，所述外管道（2）为铝塑材质，且管道外部包有泡沫塑料或石棉保温材料。
8.根据权利要求1所述的一种太阳能热泵热水器，其特征在于，所述纳米流体（4）为Fe3O4纳米流体或者是TiO2纳米流体。
9.根据权利要求3所述的一种太阳能热泵热水器，其特征在于，所述第二保温层（5-9）由内至外依次设置有不锈钢、保温材料和防护层。
10.根据权利要求3所述的一种太阳能热泵热水器，其特征在于，所述相变材料（5-1）为硫酸钠水合盐、磷酸氢二钠十二水合盐、氯化钙水合盐或石蜡中的一种。
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