CN220083354U - 一种光热转换的太阳能蓄热水箱 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种光热转换的太阳能蓄热水箱，涉及可再生能源热储能技术领域，解决了现有太阳能热水相变蓄能水箱结构复杂，依靠水体向相变材料传热，储能速度缓慢，且消耗水体热量，降低热水温度的技术问题。本实用新型包括蓄热水箱，所述蓄热水箱上端面设置有所述光热转换相变层，所述光热转换相变层外密封覆盖有透明保温防护罩。本实用新型可以通过光热转换相变层在太阳辐射下进行光热转换，将太阳能转化为热能，相变材料发生相变储存热量，透明保温防护罩具有透过可见光及热量阻隔的作用，防止转换热量流失，增加了蓄热量，延长了系统对用户端的供热时长。

Description

一种光热转换的太阳能蓄热水箱

技术领域

本实用新型属于可再生能源热储能技术领域，具体涉及一种光热转换的太阳能蓄热水箱。

背景技术

近年来由于全球不可再生资源短缺，化石燃料日趋减少，可再生资源的发展逐渐引起人们的重视。其中太阳能是储量丰富、分布广的优质清洁可再生资源，利用太阳能代替化石燃料还能够大大减少碳排放量，减缓温室效应导致的全球气候变暖。现今，太阳能热水系统产业高度景气，但在太阳能的收集和光热转化过程中存在效率低、成本高的缺点，且在应用过程中受到昼夜变化的影响，热能输出不稳定，因此，构建高效低成本的稳定太阳能热水系统是十分有必要的。

目前，太阳能热水系统的构成包括太阳能集热器，换热循环系统和保温水箱。太阳能集热器收集能量并进行光热转换，换热循环系统将集热器产生的热量传递到保温水箱加热所需热水。然而当昼夜交替，太阳能集热器停止工作后，对保温水箱内水体不再加热，对用户端供应有限，且保温箱内水温逐渐降低，水箱内水体很快达不到用户所需水温。用相变储能材料可以提高蓄能水箱整体的储能密度，而光热转换相变材料更是可以在增加储能的基础上自发进行光热转换产生并储存热量，提高太阳能热水系统整体的运行效率，同时拥有稳定的形状，避免因相变产生形变和相变材料泄漏。

据检索，目前已有相关的相变材料蓄能水箱，如中国专利申请号为：CN201700020764849名称为“一种相变蓄能水箱”的中国发明专利，该装置包括水箱本体，水箱本体包括蓄能球、外壳和内胆。在蓄热时，内胆内的热流体沿着挡板流动并从挡板的流通通道流动到下一层挡板，并与蓄能球发生热量交换，蓄能球内的相变材料在吸热后发生相变储存热量，该蓄能装置增加了水箱的储能密度，但结构复杂，导致存储容器体积大水容量相对较小，而且存在相变材料泄漏风险。

又如中国专利申请号为：CN202021119002.X名称为“相变蓄能水箱”的中国发明专利，该装置水箱外壳内放置内胆，内胆内灌注相变材料，内部有螺旋盘管换热装置。该装置克服传统储水热水器热水容量小，使用不便的缺点，但仅依靠水体向相变材料传热，储能速度缓慢，且消耗水体热量，降低热水温度。

实用新型内容

本实用新型公开了一种光热转换的太阳能蓄热水箱，拟解决现有太阳能热水相变蓄能水箱结构复杂，依靠水体向相变材料传热，储能速度缓慢，且消耗水体热量，降低热水温度的技术问题。

为解决上述存在的技术问题，本实用新型结合太阳能热水系统特点研制了一种可扩大储热量、耦合光热转换相变材料自发储热的太阳能蓄热水箱，其目的在于实现太阳能热水系统对水体的高效加热，增加蓄热量，延长系统对用户端的供热时长。

本实用新型采用的技术方案如下：

一种光热转换的太阳能蓄热水箱，包括蓄热水箱，所述蓄热水箱上端面设置有所述光热转换相变层，所述光热转换相变层外密封覆盖有透明保温防护罩。

采用本技术方案，可以通过光热转换相变层在太阳辐射下进行光热转换，将太阳能转化为热能，相变材料发生相变储存热量，透明保温防护罩具有透过可见光及热量阻隔的作用，防止转换热量流失，增加了蓄热量，延长了系统对用户端的供热时长。

优选的，所述蓄热水箱内部上端面设置有若干组强化传热肋片，且所述强化传热肋片设置在外部光热转换相变层的背面，光热转换相变层在蓄热水箱上端面，水箱非完全充盈状态时，可能存在间隙，光热转换相变层可能通过部分空气传热，传热效率不高，强化传热肋片可以将相变材料相变释放的热量直接传递给蓄热水箱内水体，传热效率更高，且热量损失更小。

优选的，所述蓄热水箱顶部倾斜设置，所述光热转换相变层贴合所述蓄热水箱的倾斜面设置，蓄热水箱倾斜角度根据安装实际环境和纬度调整，角度计算方法同太阳能板的倾斜角度。再将所在地纬度增加15°，以获得大部分冬季太阳能，接受更多太阳辐射。水箱内部水体产生温度梯度，沿倾斜角度自发对流，同时从顶部光热转换相变层吸收热量。光热转换相变层贴合设置，可以扩大光热转换相变层与蓄热水箱的接触面积，以提高传热效率。

优选的，所述蓄热水箱还设置有给水口、出水口和水位传感器，所述给水口和出水口均设置在所述蓄热水箱底部，所述水位传感器设置在蓄热水箱内顶部倾斜面的顶端，给水口与出水口分别对应蓄热水箱的出水与补水，水位传感器可以监测蓄热水箱内水位情况，设置在内部顶端，提高了蓄热水箱设定水位，保证蓄热水箱蓄满至指定水位时，可以尽可能填满水箱顶部倾斜缝隙，以扩大水体与蓄热水箱顶部的接触面积。

优选的，所述给水口连接有给水电动阀，所述水位传感器电连接给水电动阀，以保证容器给水达到设定水位，扩大水体与蓄热水箱顶部的接触面积，提高传热效率。

优选的，所述强化传热肋片设置为高导热系数的矩形板，且所在平面垂直于所述蓄热水箱顶部倾斜面，原理同散热器散热片，以增加传热面积，除了空气热辐射传热，还可通过强化传热肋片直接将光热转换相变层转化的热量传递给水体，减小热量损失。

优选的，所述透明保温防护罩设置为双层Low-E中空玻璃保温防护罩，双层Low-E中空玻璃保温防护罩镀膜层有对可见光高透过及对中远红外线高反射的特性，下方的光热转换相变层吸收太阳长波辐射升温，Low-E阻挡相变材料向外短波辐射。双侧中空玻璃利用空气层的高热阻降低防护罩与外界的对流散热，因此双层Low-E中空玻璃保温防护罩可以在保证高透过可见光的情况下，尽可能减少向外热辐射及对流传热损失的热量。

优选的，所述光热转换相变层包括容纳腔，所述容纳腔由相变材料、定形材料和光热转换材料物理共混填充，且厚度设置在80—100mm范围，光热转换相变材料能自发进行光热转换，且在融化过程中无形变和相变材料泄漏，可以高效地将太阳能转化为热能储存在相变材料中。

优选的，所述蓄热水箱四周和底侧均设置为隔热材料，顶部设置为不锈钢隔板，减小蓄热水箱向外散热，顶部不锈钢增强光热转换相变层，且顶部通过箱体之外的透明保温防护罩减小向外散热。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本实用新型的有益效果是：

1.本新型充分利用光热转换相变材料，将太阳能清洁资源转换为热量并储存同时加热水体，强化热水系统的加热与保温效果，增加了水箱的储能密度，延长可再生资源的利用时间。

2.本新型为被动式加热辅助结构，由太阳辐射直接驱动，自发完成储热、放热循环。无需控制系统和额外操作步骤，使用方式简单便捷，同时在光照条件良好的条件下可应用在其他热水系统上，具有普遍适用性。

3.本新型上保温面使用双层Low-E中空玻璃保温防护罩，与顶部相变转换材料耦合，与市场上普遍的保温水箱相比可以大大减少对流和辐射损失的热量。

4.本新型强化传热肋片可以将相变材料相变释放的热量直接传递给蓄热水箱内水体，传热效率更高，且热量损失更小。

5.本新型水位传感器保证容器给水达到设定水位，扩大水体与蓄热水箱顶部的接触面积，提高传热效率。

附图说明

本实用新型将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1是本实用新型中光热转换的太阳能蓄热水箱的结构示意图；

图2是本实用新型中太阳能蓄热水箱的顶部转换相变材料层和双层中空玻璃保温防护罩结构示意图；

图3是本实用新型中光热转换的太阳能蓄热水箱的侧面剖面图；

图4是本实用新型中太阳能蓄热水箱的强化传热肋片分布俯视示意图。

附图标记

1-光热转换相变层、2-透明保温防护罩、3-蓄热水箱、4-强化传热肋片、5-出水口、6-给水口、7-水位传感器、8-给水电动阀。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例及附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和标示出的本申请实施例的组件可以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

在本申请实施例的描述中，需要说明的是，术语“顶部”、“内部”、“外部”、“上端面”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是实用新型产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

下面结合图1-图4对本实用新型作详细说明。

实施例1：

一种光热转换的太阳能蓄热水箱3，包括蓄热水箱3，所述蓄热水箱3上端面设置有所述光热转换相变层1，中间用导热硅脂填充，所述光热转换相变层1外密封覆盖有透明保温防护罩2。

采用本技术方案，可以通过光热转换相变层1在太阳辐射下进行光热转换，将太阳能转化为热能，相变材料发生相变储存热量，透明保温防护罩2具有透过可见光及热量阻隔的作用，防止转换热量流失，增加了蓄热量，延长了系统对用户端的供热时长。

在本实施例中，所述蓄热水箱3内部上端面设置有若干组强化传热肋片4，且所述强化传热肋片4设置在外部光热转换相变层1的背面，光热转换相变层1在蓄热水箱3上端面，水箱非完全充盈状态时，可能存在间隙，光热转换相变层1可能通过部分空气传热，传热效率不高，强化传热肋片4可以将相变材料相变释放的热量直接传递给蓄热水箱3内水体，传热效率更高，且热量损失更小。

在本实施例中，所述蓄热水箱3顶部倾斜设置，所述光热转换相变层1贴合所述蓄热水箱3的倾斜面设置，蓄热水箱3倾斜角度根据安装实际环境和纬度调整，角度计算方法同太阳能板的倾斜角度。再将所在地纬度增加15°，以获得大部分冬季太阳能，接受更多太阳辐射。水箱内部水体产生温度梯度，沿倾斜角度自发对流，同时从顶部光热转换相变层1吸收热量。光热转换相变层1贴合设置，可以扩大光热转换相变层1与蓄热水箱3的接触面积，以提高传热效率。

在本实施例中，所述蓄热水箱3还设置有给水口6、出水口5和水位传感器7，所述给水口6和出水口5均设置在所述蓄热水箱3底部，所述水位传感器7设置在蓄热水箱3内顶部倾斜面的顶端，给水口6与出水口5分别对应蓄热水箱3的出水与补水，水位传感器7可以监测蓄热水箱3内水位情况，设置在内部顶端，提高了蓄热水箱3设定水位，保证蓄热水箱3蓄满至指定水位时，可以尽可能填满水箱顶部倾斜缝隙，以扩大水体与蓄热水箱3顶部的接触面积。

在本实施例中，所述给水口6连接有给水电动阀8，所述水位传感器7电连接给水电动阀8，以保证容器给水达到设定水位，扩大水体与蓄热水箱3顶部的接触面积，提高传热效率。

在本实施例中，所述强化传热肋片4设置为高导热系数的矩形板，且所在平面垂直于所述蓄热水箱3顶部倾斜面，原理同散热器散热片，以增加传热面积，除了空气热辐射传热，还可通过强化传热肋片4直接将光热转换相变层1转化的热量传递给水体，减小热量损失。

在本实施例中，所述透明保温防护罩2设置为双层Low-E中空玻璃保温防护罩，双层Low-E中空玻璃保温防护罩镀膜层有对可见光高透过及对中远红外线高反射的特性，下方的光热转换相变层1吸收太阳长波辐射升温，Low-E阻挡相变材料向外短波辐射。双侧中空玻璃利用空气层的高热阻降低防护罩与外界的对流散热，因此双层Low-E中空玻璃保温防护罩可以在保证高透过可见光的情况下，尽可能减少向外热辐射及对流传热损失的热量。

在本实施例中，所述光热转换相变层1包括容纳腔，所述容纳腔由相变材料光热转换材料物理共混填充，增加复合相变材料的黏度或用多孔定形材料吸附定形，将相变材料封装防止其在相变融化时泄露，相变材料采用高焓值储能材料(相变焓≥160KJ/kg)石蜡；光热转换材料采用具有良好光热效应的材料硫化铜，定形材料采用二氧化硅，控制填料比例使导热系数低于0.4W/(m·K)，且厚度设置为100mm，光热转换相变材料能自发进行光热转换，且在融化过程中无形变和相变材料泄漏，可以高效地将太阳能转化为热能储存在相变材料中。

在本实施例中，所述蓄热水箱3四周和底侧均设置为隔热材料，顶部设置为不锈钢隔板，减小蓄热水箱3向外散热，顶部不锈钢增强光热转换相变层1，且顶部通过箱体之外的透明保温防护罩2减小向外散热。

工作原理及使用过程：

设备正常运行时，当水位线低于最低设定值，水位传感器7向给水电动阀8发出“开”的指令，热水进入蓄热水箱3，当水位线达到最高设定值时，水位传感器7向给水电动阀8发出“关”的指令，热水停止进入水箱。出水口5连接用户端。蓄热水箱3上方的光热转换相变层1经过长时间太阳光照射储存大量热量，双层Low-E中空玻璃保温防护罩减少向外热辐射及对流传热损失的热量。在夜晚或阴天光热转换相变层1对热水进行长时间保温或二次升温。

当光热转换相变层1通过倾斜顶部和强化传热肋片4向水体传热时，水体由于顶部倾斜，沿倾斜角度产生温度梯度，温度较高时水的密度较小并沿肋片向上方流动，发生自然对流，增加蓄热水箱3内扰动且加速升温。

实施例2：

本实施例与实施例1的区别仅在于，光热转换材料采用膨胀石墨；相变材料采用石蜡；定形材料采用OBC/SEBS。

采用本技术方案，石蜡/OBC/SEBS/膨胀石墨相较于石蜡表现出极低的泄漏率和极快的光热响应速率，进一步减小了相变材料泄漏的可能性，增强了蓄热水箱稳定性。

本实用新型涉及到的光热转换材料、定形材料和相变材料的物理共混为现有技术，本领域技术人员完全可以实现，无需赘言。

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实用新型。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实用新型的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本实用新型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 (9)

1.一种光热转换的太阳能蓄热水箱，包括蓄热水箱（3），其特征在于：所述蓄热水箱（3）上端面设置有光热转换相变层（1），所述光热转换相变层（1）外密封覆盖有透明保温防护罩（2）。

2.根据权利要求1所述的光热转换的太阳能蓄热水箱，其特征在于：所述蓄热水箱（3）内部上端面设置有若干组强化传热肋片（4），且所述强化传热肋片（4）设置在外部光热转换相变层（1）的背面。

3.根据权利要求1或2所述的光热转换的太阳能蓄热水箱，其特征在于：所述蓄热水箱（3）顶部倾斜设置，所述光热转换相变层（1）贴合所述蓄热水箱（3）的倾斜面设置。

4.根据权利要求1或2所述的光热转换的太阳能蓄热水箱，其特征在于：所述蓄热水箱（3）还设置有给水口（6）、出水口（5）和水位传感器（7），所述给水口（6）和出水口（5）均设置在所述蓄热水箱（3）底部，所述水位传感器（7）设置在蓄热水箱（3）内顶部倾斜面的顶端。

5.根据权利要求4所述的光热转换的太阳能蓄热水箱，其特征在于：所述给水口（6）连接有给水电动阀（8），所述水位传感器（7）电连接给水电动阀（8）。

6.根据权利要求2所述的光热转换的太阳能蓄热水箱，其特征在于：所述强化传热肋片（4）设置为高导热系数的矩形板，且所在平面垂直于所述蓄热水箱（3）顶部倾斜面。

7.根据权利要求1、2、5和6任一项所述的光热转换的太阳能蓄热水箱，其特征在于：所述透明保温防护罩（2）设置为双层Low-E中空玻璃保温防护罩。

8.根据权利要求1、2、5和6任一项所述的光热转换的太阳能蓄热水箱，其特征在于：所述光热转换相变层（1）包括容纳腔，且厚度设置在80—100mm范围。

9.根据权利要求1、2、5和6任一项所述的光热转换的太阳能蓄热水箱，其特征在于：所述蓄热水箱（3）四周和底侧均设置为隔热材料，顶部设置为不锈钢隔板。