CN201811455U - 双采光焖晒式太阳能热水器 - Google Patents

Abstract

一种新型的双采光焖晒式太阳能热水器，改善了现有太阳能热水器的集热性能，又提高了现有热水器防垢，承压，防冻，避雷的能力。该太阳能集热系统，主要包括太阳能集热器、保温水箱及循环系统。太阳能集热器利用了平板集热器和真空热管两种采光集热元件，使使集热效果一直处于最佳配置，真空盖板将其内封闭在空腔中，利用平板式和渐开线反光板获取最大聚光面积，空腔中产生高压热对流空气，由导热管吸热传递给水，形成一个焖晒式系统。整个集热器制成渐开线空腔管道后平放于地面上，避雷同时也降低了反光板产生的光污染。保温水箱内置电加热装置，适合阴雨天使用。渐开线循环系统，无死角，同时使集热管360°全方位受光。

Description

双采光焖晒式太阳能热水器 

一、技术领域

本实用新型涉及三种太阳能热水器集热技术，充分利用真空管聚光集热，平板集热器集热和传统焖晒式内封闭集热三种集热方式的不同优势，构造出一种新型的腔状集热系统，并设计出渐开线形状水循环管道，无死角，且使集热装置平放后能360°全方位聚光。因此，本实用新型既改善了现有太阳能热水器的集热性能，又提高了现有热水器防垢，承压，防冻，避雷的能力。 

二、背景技术

当今太阳能热水器主要包括三种，真空管太阳能热水器，平板太阳能热水器和焖晒式太阳能热水器，三种热水器各占一定市场份量，尤其以前两种为主，由于焖晒式太阳能热水器虽然效率不高，但价格低廉，在农村使用较为普遍。目前中国市场上普及的是全玻璃太阳能集热真空管，国外成熟的集热器都是平板集热器。 

三种太阳能集热器具体性能比较： 

(1)平板型太阳能集热器 

平板型太阳能集热器是金属管板式结构，热效率高，产热水量大，可承压，耐空晒，水在铜管内加热，质量稳定可靠，免维护，15年寿命。无抗冻能力，适合于广东、福建、云南、广西、海南等冬天不结冰地区使用，性价比高。规格：1×2平方米，无云晴天产55℃热水量：75-140kg/平方米。高吸收率：αs≥92％，低发射率：εh≤10％，日平均热效率ηd≥55％。 

(2)真空管太阳能集热器 

全玻璃真空管太阳能集热器和真空热管太阳能集热器是当今真空管集热技术的具体表现。 

其中全玻璃真空管太阳能集热器有一定的抗冻能力，适合在冬天气温为0℃至-20℃的地区使用。不承压，使用时不能缺水空晒，否则易爆裂玻璃管。规格：有多种规格可供选择，无云晴天产55℃热水量：70-130kg/平方米。高吸收率：αs≥90％，低发射率：εh≤8％，日平均热效率ηd≥50％。 

而真空热管太阳能集热器有很强的抗冻能力，适合在冬天气温为0℃至-40℃的地区使用。可承压，耐空晒，不易爆管。热容量小，启动快，可用于产高温热水、开水。规格：有多种规格可供选择，无云晴天产55℃热水量：70-130kg/平方米。高吸收率：αs≥90％，低发射率：εh≤8％，日平均热效率ηd≥50％。 

(3)焖晒式太阳能集热系统 

一种开孔玻管集热式太阳能热水器，属于供热设备。由开孔玻璃管、超导传热管、热水器壳体、保温层、余热导热管及支架等组成，其特点是利用了热管原理，提高了热水器的热转换效率，并能利用其他发热体的余热进行加热。它结构简单，经济实惠，无环境污染，能有效的利用太阳能和其它发热体的余热，提高了太阳能热水器的利用率。传统焖晒式太阳能热水器温度不会超过80摄氏度，当其吸热与散热速率相当时，温度将不再上升。 

三种集热系统都各存在不同的缺陷，特别是昼夜温差较大的使用区，前两种由于暴露在空气中，积累在集热系统中的水在白天吸热，晚上散热，早上再次吸热时要预晒很久才能达到进入晚上前的水温。而且整个系统由于安装时需要增加支架，才能达到最佳受光位置，置于屋顶时增加了装置遭雷击，遭风雨袭击倾斜甚至降落摔碎的危险，而且形成的反光也给城市带来了光污染。 

三、发明内容

由于平板集热器虽然集热效率高，但不具备抗冻能力，在全国难以推广；真空热管集热器性能较为全面，但实际效率热效率并非最高，而焖晒式集热系统则根本无法满足用户对产品性能的需求，具有很大的局限性。为了克服各种集热系统相互间存在的缺陷，并充分利用其不同的优点，本实用新型将三种集热系统组合于一体，解决了平板集热器抗冻缺陷，利用了平板集热器和真空热管太阳能集热器的高热吸收率和承压能力，构造了一个内封闭系统，利用了余热，形成焖晒式系统，最终提高了该太阳能热水器的整体性能。 

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是： 

构造新型的太阳能集热系统，主要包括太阳能集热器、保温水箱及循环系统。 

(1)太阳能集热器 

该装置由平板集热器、真空热管、渐开线反光板、余热导热输水管、保温层、真空盖板、平板反光板、铝制外壳框。其中由铝制外壳框固定装置，内壁增加一层保温层，并将两个渐开线反光板组合成弧形后形成一个外开接收面，经渐开线反光板反射之后可知从圆外任何方向射向圆的渐开线上的光线经反射后都投射到该圆上，因此它具有不用跟踪太阳也可接收会聚光线的功能，真空热管正好置于此基圆上。同时，将平板集热器置于渐开线上边缘倾斜放置，两平板反光板置于平板集热器边缘。反光板角度可由当地纬度计算出来，即：直射点的纬度(δ)和当地纬度(φ)是决定正午太阳高度H的两个参数：H＝90°-纬度差＝90°-(φ+δ)，而反光板的倾斜角度α′应略大于α，其中α＝90°-H。平板集热器倾斜角度为平板式反光板的一半。这样就保证了所有光线照射到反光板上后全部被反射到了腔体内部，最终被集热器集热材料所吸收。真空盖板置 于平板集热器和平板反光板接触处，与渐开线反观板一起将集热系统封闭起来，腔体内将形成对流热空气，盖板下装余热导热输水管，到达焖晒式吸热效果。 

该设计所具有的功能： 

①铝制外壳框架质量轻，将平板集热板、真空盖板、保温材料组成一个整体，并且能承受内部焖晒高压作用，因此它有一定的刚度和强度，并便于安装。 

②保温层置于铝制外壳框架内壁，保温层的作用是减少集热器向四周环境的散热，以提高集热器的热效率。保温层的要求是保温性能好，即材料的热导率小，要求不大于0.055W/(m*℃)，不易变形或挥发，不产生有毒气体、不吸收。本设计中采用的是酚醛泡沫，酚醛泡沫的导热系数一般为0.02～0.04w/m.k，酚醛泡沫在-196℃到180℃(允许瞬时温度250℃)范围内均可使用，且有较好的热稳定性。 

③反光板选用板材选用铝板板，其上表面涂反射太阳能涂料，通过涂层的吸收辐射比的调节来达到降温目的。本设计选用改性的丙烯酸酯树脂。有机硅树脂具有良好的耐热性、耐候性、保光性、抗颜料粉化性和耐紫外线降解性，正好用于丙烯酸树脂的改性。耐高温隔热保温涂料(1700℃)是一种水性、隔热保温、阻燃、环保涂料，热反射率为90％，导热系数为0.03W/m.K，能有效抑制太阳和红外线的辐射热，隔热抑制效率可达90％左右，可抑制纳米物体和低温物体的热辐射和热量的散失。 

反光板设计成两种，平板式反光板和渐开线反光板。其中平板式反光板与装置水平面倾斜角度略大于α(α＝90°-H)，将光线反射到腔内，扩大了装置吸收光线面积，并且该设计使整个装置能平放于水平地面上，省去了支架。渐开线反光板具有不用跟踪太阳也可接收会聚光线的功能，真空热管置于基圆上后，无序的不同方向的光线都将垂直照射到真空热管的集热材料上。 

平板反光板安装在整个装置的外部，易于擦拭或者更换，渐开线反光板安装在腔体内，没有灰尘，能够保持良好的反光性能。 

④真空盖板能透过可见光而不透过远红外线，这就使得进去的能量大于散失的能量，从而提高吸热板的温升，通常称盖板的这种作用为温室效应。同时北方严寒地区用户尽量不要使用太阳能热水器，因为太阳能热水器安装在户外，北方冬季的严寒会冻裂太阳能的集热管，造成太阳能热水器损坏。盖板恰好弥补了以前出现的问题，将真空管集热器和平板集热器放入腔内，增强了防冻效果。同时正是因为有了盖板的存在，使腔体内压强增大，内部余热没有散失，反而形成了对流热空气，盖板下的余热导热吸热管使得散失热量再次吸收，即焖晒式吸热系统。由于真空热管集热器和平板集热器都被密封，使得流经腔体内部的水得到二次封闭，一举解决了昼夜温差较大太阳能热水器使用区热启动问题。 

⑤平板集热器的日平均热效率ηd≥55％，真空热管日平均热效率ηd≥50％，实际上两种集热器的吸热效果在不同的光强照射下都存在一个峰值，过强的光虽然仍能够被吸收，但是散热也快。随着集热器聚光比和太阳光光照强度的增加，集热效率急剧增加，然后逐渐趋于平缓；随着的集热流体温升的增加，集热效率逐渐减小，聚光比和光照强度越大，减小的程度越缓慢。同时选用两种集热器，使集热效果一直处于最佳配置。(一般情况下两种集热器集热效果都不会超过峰值，只有在单独使用时并在特别强的光照下才有可能) 

(2)保温水箱 

保温水箱应包括内胆、保温层、水箱外壳三部分组成。不同于其他太阳能热水器水箱置于顶部，本装置的保温水箱将单独为一个水桶，直接置于地面上，只有四个开孔，主进水孔、主出水孔、集热系统内部连接的两个循环管孔。采 用进口聚氨脂整体自动化发泡工艺保温。外壳采用不锈钢板。内胆采用搪瓷内胆，镁棒防腐。水箱内同时安装电加热节能装置，以利于阴天正常供应热水。整个装置易于制造，安装，而且水容量可以根据用户需求定量设计水箱大小。 

(3)循环系统 

该太阳能热水器设计了渐开线水循环系统，由数根进水管，出水管组成。其中进水管连通水箱底部与渐开线循环系统正中心基点内导热管，出水管连接渐开线尾点真空热管和平板集热器导热管与出水箱水位中上部。由于虹吸效应，吸热管内的水吸热后温度升高，比重减小而上升，形成一个向上的动力，构成一个热虹吸系统。随着热水的不断上移并储存在储水箱上部，同时通过下循环管不断补充温度较低的水，如此循环往复，最终整箱水都升高至一定的温度。 

特制水循环系统，无死角，易于水的流动。组装时可以用采用截断的真空热管和平板集热器，拼凑起来，形成一个类渐开线装置，而导热管则可以单根连通，多根平行输水。并且特殊的反光板设计(反光板本身就有一个倾斜角度)使得整个装置可以平放于地面上即可利用导热管内的水吸热后温度升高，在循环水管中形成水位梯度，水温上升后，水比重减小而上升，形成一个向上的动力，构成一个热虹吸系统，避免了整个热水器装置太高，增强了装置的抗风，避雷作用。 

本实用新型的有益效果 

设计吸收了三种集热系统的优点，特别是充分利用了平板集热器和真空热管集热器的高吸收率，充分利用焖晒式太阳能热水器光热利用和热交换效率高的优点，对传统焖晒式太阳能热水器进行创新改进，使改进型焖晒式太阳能热水器达到如下目标：传统焖晒式太阳能热水器的价格；真空管式太阳能热水器的 70％～90％性能。采用渐开线反光板，扩大了采光面积，提高真空管的采光强度，并且最大限度的利用价格相对昂贵的平板集热器和真空管集热器，极大的减少了材料，降低了成本，提高了利用率。采用内密闭系统其特点是利用了热管原理，提高了热水器的热转换效率。并且，这样解决了平板集热器和真空管集热器被冻裂的可能，同时也利用了各集热器的余热，也增加了光线的多次吸收，提高了效率，这在很大的程度上一举多得。整个装置置于地面上，未形成大角度倾斜，增强了系统抗风，抗雷能力。 

四、附图说明

下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。 

图1是本实用新型双采光焖晒式太阳能热水器集热管道设计截面原理图。 

图2是本实用新型双采光焖晒式太阳能热水器水循环原理图。 

在图1中，①斜射光束，②平板式反光板，③导热管，④对流热空气，⑤渐开线反光板(下垫酚醛泡沫保温层)，⑥直射光束，⑦真空盖板，⑧平板集热器，⑨真空热管。 

在图2中，(1)主进水管，(2)循环水管1，(3)集热管道，(4)保温水箱，(5)主出水管，(6)循环水管2。 

五、具体实施方式

在图1所示实施实例中，将渐开线反光板⑤对称衔接在一起，中间交点处放真空热管⑨，真空热管应该恰好处于两渐开线的基圆位置，平板集热器⑨与渐开线反光板另一边缘衔接，对称各一块，斜放角度为图中α′角度的一半，平板式反光板②与平板集热器⑨的另一边缘衔接，对称各一块，斜放角度为α ′，真空盖板⑦与平板式反光板②与平板集热器⑨的两交界边缘衔接，与平板集热器，渐开线反光板构成一个腔体，使平板集热器和真空热管封闭起来。斜射光束①和直射光束⑥将经过反射被平板集热器和真空热管的吸光集热材料所吸收。腔体内形成对流热空气④，热量将被导热管③中的水所吸收。斜放角度α′略大于α，其中α＝90°-H＝90°-纬度差＝90°-(φ+δ)，δ为直射点的纬度和φ为当地纬度，H表示正午太阳高度。 

在图2所示实施实例中，主进水管(1)安装在保温水箱(4)的水箱4/5处，主出水管(5)安装在保温水箱(4)的水箱1/5处，循环水管1(2)安装在保温水箱(4)的底部，循环水管2(6)安装在保温水箱的水箱4/5处，集热管道(3)平放于地面上，保温水箱(4)也平放于地面上。 

Claims (4)

1.一种双采光焖晒式太阳能热水器，该太阳能集热系统，主要包括太阳能集热器、保温水箱及循环系统，其特征是利用了平板集热器和真空热管两种采光集热元件，真空盖板将其内封闭在空腔中，利用平板式和渐开线反光板获取最大聚光面积，空腔中产生高压热对流空气，导热管吸热传递给水，形成一个焖晒式系统，整个集热器制成渐开线空腔管道后平放于地面上，保温水箱内置电加热装置，循环系统由导热管和真空热管将水箱和集热系统连接，构成一个连通回路。

2.根据权利要求1所述的双采光焖晒式太阳能热水器，其特征是：铝制外壳框架将真空盖板、平板集热板、保温材料、渐开线反光板组成一个腔体，腔体外倾斜放两块平板反光板，倾斜角度α′略大于α，其中α＝90°-H＝90°-纬度差＝90°-(φ+δ)，δ为直射点的纬度和φ为当地纬度，H表示正午太阳高度。

3.根据权利要求1所述的双采光焖晒式太阳能热水器，其特征是：渐开线反光板(5)对称衔接在一起，中间交点处放真空热管(9)，真空热管应该恰好处于两渐开线的基圆位置，平板集热器(9)与渐开线反光板另一边缘衔接，对称各一块，倾角为平板式反光板(2)倾角α′角度的一半，且平板式反光板(2)与平板集热器(9)的另一边缘衔接，对称各一块，真空盖板(7)与平板式反光板(2)与平板集热器(9)的两交界边缘衔接，与平板集热器，渐开线反光板构成一个腔体，使平板集热器和真空热管封闭起来。

4.根据权利要求1所述的双采光焖晒式太阳能热水器，其特征是：外界主进水管安装在保温水箱的水箱4/5处，对外主出水管安装在保温水箱的水箱1/5处，循环水管进出水管分别连接保温水箱的底部水箱4/5处，连接集热管道，集热管道为渐开线形状，循环水管一端连接渐开线中心，另一端连接渐开线尾端，集热管道平放于地面上，保温水箱也平放于地面上。 

Images