CN1882448A - 太阳能热水器 - Google Patents

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Abstract

一种整体式储蓄－收集器太阳能热水系统包括储箱(10)和两个吸收器(15，16)。水从储箱的底部开始循环，经过翅管吸收器板(15)，该板位于暴露在太阳下的透明盖和绝热板之间。加热后的水经过第二吸收器(16)，该第二吸收器将水加热到使用温度并且使其流入储箱空间。第二吸收器在暴露的储箱外壁之间由在绝热层中开槽形成的通道格栅形成，其中绝热层(12)安装在储箱的内壁上。

Description

太阳能热水器
技术领域
本发明涉及一种太阳能系统。更具体地，本发明涉及一种利用太阳能加热水的系统。
背景技术
太阳能热水器众所周知并且已经使用了很多年。这些热水器分为几种类型。其中一种是整体式太阳能热水器。这些系统的特征在于储箱的表面或者部分表面用于作为太阳能吸收器。
整体式SWH系统与标准的SWH系统相比具有很多优点：更便宜、容易安装，减小安装面积、富有美感和有吸引力的外形。
整体式SWH系统的缺点在于：它们具有非常高的热损耗、热水和冷水在储箱中高度混合，并且只能在白天结束时能使用热水。
开发本发明，通过使用整体式储蓄-收集器的结构来作为解决前面提出的问题的解决方案，以减少普通SWH系统的问题和缺点。本发明是一种包括所有部件都需要正确运行的系统。具有三条供给线(冷水入口、热水出口和供电电缆)容易安装，更可靠、更高效、更富有美感和更好的性能。为了实现这些目的，系统中引入了很多的技术改进。
本发明的系统友好、轻便、灵活、简单和易于安装。
这种简单性能够：
●简化系统的安装。
●缩短系统的安装时间。
●降低运输难度。
●减少安装成本。
●减少故障检修的问题。
●具有更少的部件以及更少的制造和装配时间的紧凑结构—本发明比标准的SWH系统设置更少的部件和需要更少的装配时间，这将导致制造本发明的产品需要的时间减少。
●简化的生产过程能够降低系统的成本。
本发明非常富有美感。系统的形状可以使其以简单的方式整体结合到倾斜的屋顶或将其放到平屋顶上。
与其他的整体式太阳能系统相比，本发明的优点在于：
●低热损耗(可以由开发人员控制)。
●缩短太阳能加热时间以达到准备使用的水温。
●开放环路，热-虹吸系统。
●防冻。
●作为热加速器运行并且将任意数量的水加热到使用温度的电加热元件。
●当水温低于需要使用的温度，电加热元件作为水流加热器运行并且将离开储箱的水温升高。
与标准的太阳能系统相比，本发明的优点在于：
●新的整体式SWH系统中使用的材料数量和部件数量更少。
●新的整体式SWH系统中使用的生产过程的步骤数更少。
●运输体积更小(有可能在同一辆车中运输更多的装置)。
●本发明是一种轻型系统并且装配了特殊的装置，该特殊的装置可以以容易和简单的方式运送。
●本发明中所有的配件装配成一个整体的部件。
●本发明系统在某个位置的安装比标准系统更快捷和更简单。安装人员所有需要做的是：
○连接冷水入口。
○连接热水出口。
○连接供电电缆。
●本发明的系统，能够更有效地使用屋顶和在同样的屋顶区域尺寸(倾斜屋顶或平屋顶)内安装更多的新系统。
Kleinwachter等的美国专利US5462047公开了一种整体式太阳能热水系统，该系统是一种不加压的系统并且包括单个吸收器。而且，这个系统不能防冻。Salazar的美国专利US6009906公开了一种使用可以压缩的柔性芯以防止管道冻住的方法，当结冰发生时该芯会收缩。在本发明中，一种可收缩的扰流子(turbolator)用于这一目的。扰流子是螺旋形的芯，通常由金属制造，位于热交换器管内部用于提高传热效率。
在本发明中，使用一种“热-虹吸阀”。该热-虹吸阀是一种众所周知的单向阀，该阀允许热水向上流动并且防止水向下回流。
发明内容
本发明是一种加压的开放环路的防冻的整体式储蓄-收集器太阳能热水系统。
根据本发明的主旨，提供一种加压的开放环路的防冻的整体式储蓄-收集器太阳能热水系统，该系统包括：
■储箱，它具有用于自来水入口的入口—位于所述储箱的下侧，用于供水的第一出口—位于所述储箱的上侧—和用于将水供到翅管吸收器的第二出口—位于所述储箱的下侧；
■绝热层，它安装在储箱的内壁上；和
■上侧的太阳能储箱吸收器和下侧的太阳能翅管吸收器，其中每个吸收器用于使吸收器收集的太阳能热量能够传递给流经其中的水流，
其中：
○上侧太阳能储箱吸收器设置在储箱的暴露壁内，具有通入储箱的入口和出口；和
○下侧太阳能翅管吸收器具有入口和出口，其中入口连接到储箱的第二出口，出口连接到上侧太阳能储箱吸收器的入口。
根据本发明优选的实施例，提供一种整体式储蓄-收集器太阳能热水系统，其中上侧太阳能储箱吸收器的水流装置在绝热层和储箱的暴露壁之间由在绝热层中开槽的通道格栅构成。
根据本发明另一个优选的实施例，提供一种整体式储蓄-收集器太阳能热水系统，其中该系统是一种低外形的太阳能系统，储箱的底部设置得比这些太阳能收集器的中部高。
根据本发明另一个优选的实施例，提供一种整体式储蓄-收集器太阳能热水系统，其中绝热层由两个部分即上部和下部构成，其中这两个部分由柔性材料隔开，其目的是为了当太阳能储箱吸收器内部的水受冻时收缩。
根据本发明另一个优选的实施例，提供一种整体式储蓄-收集器太阳能热水系统，其中该系统还包括：至少一个柔性装置，它设置在绝热层和与储箱的暴露壁相对的壁之间，其目的是为了当太阳能储箱吸收器内部的水受冻时收缩。
根据本发明另一个优选的实施例，提供一种整体式储蓄-收集器太阳能热水系统，还包括：
■供水管，它连接到储箱的出口，能够从储箱供水；
■电加热元件，所述元件安装在供水管周围，用于加热—当元件通电时—流过其中的水；和
■热-虹吸阀，它连接在供水管的端部和位于储箱下部的第二出口或者自来水入口之间，以防止供水时自来水的水流—直接地或通过储箱—经过水的出口，其中，当水被电元件加热时，热-虹吸能够使水通过供水管从储箱的下侧循环到上侧。
根据本发明另一个优选的实施例，提供一种整体式储蓄-收集器太阳能热水系统，其中储箱还包括多个水平隔板，将储箱分隔成多个室，以增加储箱中的分层，其中每个隔板具有一个小的开口使水能够通过，开口位于与相邻隔板的开口相反的位置。
根据本发明另一个优选的实施例，提供一种整体式储蓄-收集器太阳能热水系统，其中下侧太阳能翅管吸收器还包括在水流装置内纵向设置的扰流子，以提高热交换效率，扰流子由柔性材料制成，当水流装置内的水受冻时，扰流子能够收缩。
根据本发明另一个优选的实施例，提供一种整体式储蓄-收集器太阳能热水系统，该系统还包括连接到储箱出口的供水管使储箱能供水，供水管的端部和储箱的入口在同一水平面上，从而可以串联连接多个系统。
根据本发明另一个优选的实施例，提供一种整体式储蓄-收集器太阳能热水系统，该系统还包括枢轴地与系统连接的至少一个支柱，能够使系统以多个角度安装。
根据本发明再一个优选的实施例，提供一种整体式储蓄-收集器太阳能热水系统，该系统还包括量角器和罗盘，能够根据给定的指令在多个位置安装系统。
根据本发明的另一个方面，提供一种整体式储蓄-收集器太阳能热水系统，该系统包括：
■储箱，它具有用于自来水入口的入口—位于储箱的下侧—和用于供水的出口—位于储箱的上侧，用于将水供到翅管吸收器的第二出口—位于储箱的下侧；
■绝热层，它安装在储箱的内壁上，其中绝热层由两个部分即上部和下部构成，其中，两个部分由柔性材料隔开；
■太阳能储箱吸收器和太阳能翅管吸收器，其中，每个吸收器用于使由吸收器收集的太阳能热量能够传递给流经其中的水流，其中：
○太阳能储箱吸收器在绝热层和储箱的暴露壁之间通过在绝热层中开槽的通道格栅形成，该通道格栅具有进入所述储箱的入口和出口；和
○太阳能翅管吸收器具有入口和出口，其中，入口连接到储箱的第二出口或者连接到自来水入口管，出口连接到上侧太阳能储箱吸收器的入口。
■多个水平隔板，将储箱分隔成多个室，其中每个隔板具有小的开口使水能够通过，开口位于与相邻隔板的开口相反的位置；
■至少一个柔性装置，位于绝热层的下部和储箱底部之间，用于当太阳能储箱吸收器的通道内的水受冻时收缩；
■连接到储箱出口的供水管，能够从储箱供水；
■电加热元件，所述元件安装在供水管周围，用于加热—当元件通电时—流经供水管的水；
■热-虹吸阀，它连接在与供水管的水出口平行的供水管的端部和储箱的下部或自来水之间，以防止供水时自来水的水流—直接地或通过储箱—经过水的出口，其中，当水被电元件加热时，热-虹吸使水能够通过供水管从储箱的下侧循环到上侧；和
■扰流子，它纵向位于太阳能翅管吸收器的水流装置内部，其中，扰流子由柔性材料制成，当水流装置内部的水受冻时，扰流子能够收缩。
根据本发明另一个优选的实施例，提供一种整体式储蓄-收集器太阳能热水系统，该系统还包括循环泵，以使水从储箱经过吸收器循环。
根据本发明另一个优选的实施例，提供一种整体式储蓄-收集器太阳能热水系统，其中，循环泵具有传感器，该传感器根据预定的温度和/或辐射水平起动循环泵。
根据本发明另一个优选的实施例，提供一种整体式储蓄-收集器太阳能热水系统，其中，翅管吸收器设置得比所述储箱高，并且当循环泵没有起动时，翅管吸收器是空的。
根据本发明的另一个方面，提供一种储蓄-收集器太阳能加热水的方法，包括下面的步骤：
■通过在绝热层内开通道格栅的槽，并且将绝热层的开槽侧安装在储箱的暴露壁内侧，从而在储箱内安装水流格栅，其中水流格栅具有入口和出口；
■在储箱的内部空间和水流格栅的出口之间安装热-虹吸阀或循环泵；并且
■在储箱的底部和水流格栅的入口之间连接外部收集器。
附图说明
这里将参照附图通过只是一个示例描述本发明。现在详细参见附图，要强调的是，所示特征是通过实施例的方式和仅仅为了本发明优选实施例说明性的讨论而示出的，并且所示特征是为了提供被认为是最有用的内容以及为了容易理解本发明的原理和构思方面的描述。在这点上，并不是要比为了基本理解本发明所需的更详细地示出发明结构上的细节，通过参照附图来进行描述使本发明的几种形式对于所属领域的普通技术人员来说在实践中如何实施是显而易见的。
在图中：
图1表示本发明的基本图。
图2表示具有防冻保护元件的储箱横截面。
图3表示本发明的储箱内的隔板的位置。
图4表示本发明系统优选实施例的横截面。
图5表示多个本发明系统的串联连接。
具体实施方式
本发明是一种整体式储蓄-收集器太阳能热水系统。该系统包括一个储箱和两个吸收器，其中整个系统充满水。水循环从储箱的底部开始经过翅管吸收器板，该板位于暴露在太阳下的透明盖和绝缘板之间。加热后的水经过第二吸收器，该第二吸收器将水加热到使用温度并且使其流入储箱空间内。第二吸收器在暴露的储箱壁之间形成有在绝热层内开槽形成的通道格栅，该绝热层安装在储箱的内壁上。第二吸收器也由透明盖覆盖。水流入储箱的上部并且热-虹吸阀防止水回流。在二次加热后，水被储存在储箱中以备使用。
系统还可以有电加热选项，在翅管吸收器内的柔性的扰流子收缩以防冻并且储箱内的柔性部件也用于相同的目的。
参照附图和后面的描述可以更好地理解本发明整体式储蓄-收集器太阳能热水系统的原理和操作。
现在参见附图，图1表示本发明的基本图。系统10由储箱11形成，该储箱11具有安装在储箱11内壁上的绝热层12。储箱11有用于连接到自来水的入口13和用于供应热水的出口14。系统有两个吸收器，翅管吸收器15和储箱吸收器16，其中储箱吸收器16在位于储箱11暴露壁内的绝热层12中有槽式通道。自来水通过入口13进入储箱11并且通过管道20流到翅管吸收器15的底部。太阳能加热水。吸收器入口管20的水和吸收器15内部的水之间的温差产生的压力使水向上移动-通过吸收器连接器17-到储箱吸收器16，其中，水温升高并且水流过热-虹吸阀22和通过储箱吸收器出口18流入储箱11。对于电加热选项，电加热元件19安装在出口管14周围。当电元件19通电时并且水温低于温度调节装置设定点时，供应的水被电元件19加热，同时不使用水。热-虹吸阀21允许冷水从储箱11的底部通过管20和出口管14，进入储箱11，同时水被电元件19加热。
图2表示具有防冻保护元件的储箱横截面。绝热层的两个部分安装在储箱11的内壁上，第一部件12a和第二部件12b都通过柔性的连接器23连接。另一种柔性材料24安装在第二层部件12b和没有暴露的储箱壁11之间。为了防止槽式通道25或储箱内的水受冻，第一层部件12a和/或第二层部件12b向下挤，柔性的连接器23和/或柔性材料24收缩，这样可以腾出用于冷冻水的空间。
图3表示本发明储箱内隔板的位置。多个隔板26将储箱11分隔成多个水平室，以增加储箱11内的分层。每个板具有开口27，其中每个隔板的开口位于与相邻隔板的开口相反的位置，以延长流线30。延长流线的长度，使得热层和冷层之间的接触面积减小。这种减小导致层间的热传递减少并且提高太阳能系数。因此，板26之间的温差很明显。室28和29形成有不同的温度；较高的室具有较高的温度。由于热水进入最高的室28，因此在这个室的温度就比较低室29的温度高，如此类推。使用的水从最高的室28提供，因此使用者使用具有较高温度的水。
图4表示本发明系统优选实施例的横截面。基本上，系统包括一个储箱11和两个吸收器——储箱吸收器16和翅管吸收器15。
储箱11的底部比两个吸收器15和16总高度的一半高一点并且比两个吸收器15和16的高度低。将储箱11的高度减小到低于吸收器的高度使热虹吸力减小并且因此导致流量降低从而水温升高。整天储箱11充满热水。降低热和冷的接触层，减小热虹吸力，降低水流并且提高水温。根据新发明，通过保持储箱底部的高度，离开吸收器的水温足够高以便使用。室之间的温差是明显的。隔板27之间的各室具有不同的温度，较高的室具有较高的水温。由于热水进入最高的室，因此在该室内的温度就比较低室的水温高，以此类推。使用的水从最高的室提供，因此使用者使用具有使用温度的水。
透明板33覆盖两个吸收器15和16，翅管吸收器15具有由绝热板31形成的绝热背面。系统由另外的元件组装，这些另外的元件将在下面进行描述。
储箱吸收器16由储箱11的暴露壁11a和绝热层12的层部件12a形成，该层部件12a通过在层部件12a中开槽的通道25安装在暴露壁11a上。
自来水通过储箱入口13进入储箱11，经过管道20流到翅管吸收器15的底部，在该吸收器15内太阳能被收集并且将其传给水。热水向上通过连接器17流到储箱吸收器16的通道25，水温升高并且水通过热-虹吸阀22流入储箱11。为了保持水温，将绝热层12安装在储箱11的内壁上。多层隔板26安装在储箱11内部将其分隔成多个室，其中每个隔板26具有开口27，该开口位于与相邻隔板开口相反的位置。制造这种结构是为了增加储箱内的分层。
为了保护系统不被冻住，绝热层12通过柔性的连接器23分隔和连接并且柔性材料24安装在储箱壁和层12之间。万一槽式通道25或储箱内的水冷冻，第一层部件12a和/或第二层部件12b向下挤并且柔性的连接器23和/或柔性材料24收缩，以腾出用于冷冻水的空间。
为了防止翅管吸收器15内部的冷冻损伤，有可能将翅管吸收器15安装得比储箱吸收器16高。在这种情况下，安装循环泵以代替热-虹吸阀22，根据辐射和/或温度起动泵。在低辐射的情况下，温度降低；泵停止并且将翅管吸收器15中的水排出。这种模式称为自动排水。
对电加热选项，电加热元件19安装在供水管14周围，当被通电并且温度调节装置的设定点比水温高时，用来加热流过的水。
在不供水的时候，供水管14内的水被电元件19加热并且流到储箱11，同时经过管20通过热-虹吸阀21从储箱底部吸入冷水，从而防止热水回流。
系统包括至少一个支座32，以使系统以多个角度安装。
为了获得最大的太阳能热效率，推荐从系统底部到储箱底部的高度应该比系统总高度的一半高一点。
图5表示多个本发明系统的串联连接。在优选的实施例中，系统的入口13和出口14位于同一高度上，能够将系统A的出口14连接到系统B的入口13并且同样将系统B连接到系统C，将三个系统串联连接。
尽管结合特定的实施例描述本发明，但是对于所属领域的技术人员来说很多选择、修改和变化都是显而易见的。因此，所有的这些选择、修改和变化都落在所附的权利要求的精神和范围内。

Claims (16)

1、一种整体式储蓄-收集器太阳能热水系统，包括：
■储箱，它具有用于自来水入口的入口-位于所述储箱的下侧，用于供水的第一出口-位于所述储箱的上侧-和用于将水供到翅管吸收器的第二出口-位于所述储箱的下侧；
■绝热层，它安装在所述储箱的内壁上；和
■上侧的太阳能储箱吸收器和下侧的太阳能翅管吸收器，其中每个吸收器用于使吸收器收集的太阳能热量能够传递给流经其中的水流，
其中：
○所述上侧太阳能储箱吸收器通过在所述绝热层中开槽的通道格栅形成在所述储箱的暴露壁的内侧，该通道格栅具有进入所述储箱的入口和出口；和
○所述下侧太阳能翅管吸收器具有入口和出口，其中，所述入口连接到所述储箱的所述第二出口，所述出口连接到所述上侧太阳能储箱吸收器的所述入口。
2、如权利要求1所述的系统，其中所述上侧太阳能储箱吸收器的水流装置在所述绝热层和所述储箱的暴露壁之间，由在所述绝热层中开槽的通道格栅构成。
3、如权利要求1所述的系统，其中所述的系统是一种低外形的太阳能系统，其中所述储箱的底部设置得比所述太阳能吸收器的中部高。
4、如权利要求1所述的系统，其中所述绝热层由两个部分即上部和下部构成，其中所述的两个部分由柔性材料隔开，其目的是为了当所述储箱吸收器内的水受冻时收缩。
5、如权利要求1所述的系统，其中所述系统还包括至少一个柔性装置，它设置在所述绝热层和与所述储箱的所述暴露壁相对的壁之间，其目的是为了当所述太阳能储箱吸收器内部的水受冻时收缩。
6、如权利要求1所述的系统，还包括：
■供水管，它连接到所述储箱的所述出口，能够从所述储箱供水；
■电加热元件，所述元件安装在所述供水管周围，用于加热-当所述元件通电时-流过其中的水；
■热-虹吸阀，它连接在所述供水管的端部和位于所述储箱下部的第二出口或者自来水入口之间，以防止供水时自来水的水流-直接地或通过所述储箱-经过所述水的出口，其中，当所述水被所述电元件加热时，所述热-虹吸能够使水通过所述供水管从所述储箱的下侧循环到上侧。
7、如权利要求1所述的系统，其中所述储箱还包括多个水平隔板，将所述储箱分隔成多个室，以增加储箱中的分层，其中每个所述隔板具有一个小的开口能够使水通过，所述开口位于与相邻隔板的开口相反的位置。
8、如权利要求1所述的系统，其中所述下侧太阳能翅管吸收器还包括在水流装置内纵向设置的扰流子，以提高热交换效率，所述扰流子由柔性材料制成，当所述水流装置内的水受冻时，所述扰流子能够收缩。
9、如权利要求1所述的系统，还包括连接到所述储箱出口的供水管，使所述储箱能够供水，所述供水管的端部和所述储箱的入口在同一水平面上，从而可以串联连接多个所述系统。
10、如权利要求1所述的系统，还包括枢轴地与所述系统连接的至少一个支柱，使所述系统能够以多个角度安装。
11、如权利要求10所述的系统，还包括量角器和罗盘，能够根据给定的指令在多个位置安装所述系统。
12、一种整体式储蓄-收集器太阳能热水系统，包括：
■储箱，它具有用于自来水入口的入口-位于所述储箱的下侧-和用于供水的出口-位于所述储箱的上侧，用于为翅管吸收器供水的第二出口-位于所述储箱的下侧；
■绝热层，它安装在所述储箱的内壁上，其中所述绝热层由两个部分即上部和下部构成，其中，所述两个部分由柔性材料隔开；
■太阳能储箱吸收器和太阳能翅管吸收器，其中每个吸收器用于使由吸收器收集的太阳能的热量能够传递给流经其中的水流，其中：
○所述太阳能储箱吸收器在所述绝热层和所述储箱的暴露壁之间通过在所述绝热层中开槽的通道格栅构成，该通道格栅具有进入所述储箱的入口和出口；和
○所述太阳能翅管吸收器具有入口和出口，其中，所述入口连接到所述储箱的所述第二出口或者连接到自来水入口管，所述出口连接到所述上侧太阳能储箱吸收器的所述入口；
■多个水平隔板，将所述储箱分隔成多个室，其中每个所述隔板具有小的开口使水能够通过，所述开口位于与相邻隔板的开口相反的位置；
■至少一个柔性装置，位于所述绝热层的所述下部和所述储箱底部之间，用于当所述太阳能储箱吸收器内的水受冻时收缩；
■供水管，它连接到所述储箱的所述出口，从而能够从所述储箱供水；
■电加热元件，所述元件安装在所述供水管周围，用于加热-当所述元件通电时-流经供水管的水；
■热-虹吸阀，它连接在与所述供水管的水出口平行的所述供水管的端部和所述储箱的下部或自来水之间，以防止供水时自来水的水流-直接地或通过所述储箱-经过所述水的出口，其中，当所述水被所述电元件加热时，所述热-虹吸能够使水通过所述供水管从所述储箱的下侧循环到上侧；和
■扰流子，它纵向位于所述太阳能翅管吸收器的水流装置内部，其中，所述扰流子由柔性材料制成，当所述水流装置内部的水受冻时，扰流子能够收缩。
13、如权利要求12所述的系统，还包括循环泵，以使水从所述储箱经过所述吸收器循环。
14、如权利要求13所述的系统，其中所述循环泵具有传感器，该传感器根据预定的温度和/或辐射水平起动所述循环泵。
15、如权利要求14所述的系统，其中，所述翅管吸收器设置得比所述储箱高，并且当所述循环泵没有起动时，所述翅管吸收器是空的。
16、一种储蓄-收集器太阳能加热水的方法，包括：
■通过在绝热层内开通道格栅的槽，并且将所述绝热层的开槽侧安装在所述储箱的暴露壁内侧，从而在储箱内安装水流格栅，其中所述水流格栅具有入口和出口；
■在所述储箱的所述内部空间和所述水流格栅的出口之间安装热-虹吸阀或循环泵；并且
■在所述储箱的底部和所述水流格栅的入口之间连接外部吸收器。
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