TW201619562A - 無水箱真空管太陽能熱水器 - Google Patents

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Abstract

本發明一般關於太陽能熱水器，特別是用玻璃真空管兼作太陽能收集器和熱能儲存裝置、不需要熱水箱的太陽能熱水器。首先，公開了一種新的、基於硫酸鋁溶液的溶解熱的儲能介質，其中含有40%到47%的Al2(SO4)3，其餘是水。上述熱能存儲介質密封於塑膠膠囊中，塑膠膠囊浸沒在充滿於玻璃真空管的水中。第二，公開了一個水處理裝置，用於把玻璃真空管中儲存的熱能傳遞給自來水，並調節輸出水的溫度。系統根據自然力自動工作，不需要電泵和電氣控制單元。

Description

無水箱真空管太陽能熱水器
本發明總體上關於太陽能熱水器，特別是使用硫酸鋁的溶解熱儲存能量的無水箱真空管太陽能熱水器，以及一種把在真空管中儲存的能量轉移到流水的水處理裝置。該系統可以不用熱水儲能罐而正常運作。
迄今為止，絕大多數的太陽能熱水器，無論是用平板集熱器，還是用真空管集熱器，熱水貯存箱是一個基本組成部分，因為陽光是間歇性的。為了在沒有陽光的夜間和陰天保持水的溫度，熱水箱容量必須足夠大，一般是100升至250升。在對流式太陽能熱水器系統中，熱水箱必須放在太陽輻射收集器的上端。熱水箱的重量集中的作用於屋頂的小塊面積上。如果熱水箱不高於太陽輻射收集器，就必須有電動泵。電動泵，控制單元，連接太陽熱能收集器和熱水箱之間的管道和閥是昂貴的，並且需要頻繁的維修和保養。
作為太陽能輻射收集器的玻璃真空管本身是優異的熱能存放裝置。對於熟悉太陽能熱水器的人員，很明顯，真空管可用於存儲能量。因此，只用一組真空管，不用熱水箱，就可能形成一個完整的太陽能熱水器。這樣的設計是很有利的：與具有熱水箱的對流驅動的一體式太陽能熱水器相比較，總的結構簡化了，屋頂上的機械壓力降低了，而且均勻分佈。與分體的太陽能熱水器相比較，電動泵和控制單元可以取消；因此，該系統可以不需要維護。然而，通過使用水的顯熱儲存熱能，體積必須非常大， 必須使用直徑非常大的真空管。因此，為了形成無水箱的太陽能熱水器，有兩個問題必須解決。首先，要找到一種具有以下性質的熱能量存儲介質：(1)在水溫度的上段，熱容量比水大得多；(2)在熱迴圈下沒有遲滯或不一致的現象；(3)價格便宜；和(4)無毒性。第二，要設計一個具有以下性質的自動把對存儲在真空管內的熱能轉移到流水中的水處理裝置：(1)不需要電；(2)依靠物質本身的性質自動控制；(3)確保盡可能高的效率；(4)儘量減少熱損失；(5)生產成本低廉；(6)安裝方便。本發明的目的就是為了為解決上述問題，來形成無水箱的真空管太陽能熱水器。
首先，本發明公開了一種新穎的熱能儲存介質：利用硫酸鋁的溶解熱儲能。直接實驗表明，在70℃至90℃的溫度範圍內，在適當濃度範圍內的硫酸鋁溶液每單位元體積的熱容量是水的熱容量的2倍以上。因此，儲存的熱能所需要的體積減少到二分之一以下。然後，本發明公開了滿足前面的段落中所有的要求的水處理裝置的設計。
101、102、103、104、105、106‧‧‧項目
201、202、203、204、205‧‧‧資料點
301、302、303、304、305‧‧‧曲線
401、402、403、404‧‧‧曲線
501‧‧‧管子
502‧‧‧蓋子
503‧‧‧介質
504‧‧‧蓋子
505、506、507、508‧‧‧橫截面
509‧‧‧外玻璃管
510‧‧‧真空
511‧‧‧內玻璃管
512‧‧‧塑膠膠囊與儲熱的介質
513‧‧‧中央水管
514‧‧‧水
515‧‧‧機械支撐板
601‧‧‧油浴
602‧‧‧油
603‧‧‧恒溫電加熱器
604‧‧‧容器
605‧‧‧電磁閥
606‧‧‧塑膠膠囊
607‧‧‧液體量
608‧‧‧膠囊
609‧‧‧蓋子
610‧‧‧膠囊
701‧‧‧熱水腔室
702‧‧‧隔熱籠
703‧‧‧垂直管
704‧‧‧密封膠圈
705‧‧‧冷水管
706‧‧‧分支
707‧‧‧垂直管
708‧‧‧出口管
709‧‧‧熱水流出管
801‧‧‧冷水管線
802‧‧‧冷水供應腔室
803‧‧‧上水閥
804‧‧‧通氣口
805‧‧‧水位
806‧‧‧配管
807‧‧‧支管
808‧‧‧水管
809‧‧‧玻璃真空管
810‧‧‧垂直管
811‧‧‧密封膠圈
812‧‧‧熱能存儲膠囊
813‧‧‧熱水腔室
814‧‧‧蒸汽出口
815‧‧‧水位
816‧‧‧熱水出水管
817‧‧‧恒溫混水閥
818‧‧‧溫水
901‧‧‧屋頂
902‧‧‧安裝架
903‧‧‧檔板
904‧‧‧玻璃真空管
905‧‧‧水處理裝置
906‧‧‧蒸汽出口
907‧‧‧冷水供應腔室
908‧‧‧空氣出口
909‧‧‧管道
910‧‧‧管道
911‧‧‧恒溫混水閥
912‧‧‧溫水
圖1示出硫酸鋁的溶解度數據。
圖2示出硫酸鋁的溶解度的曲線圖。
圖3示出硫酸鋁溶液的理論熱容量。
圖4示出硫酸鋁溶液的實驗冷卻曲線。
圖5A至5E示出含硫酸鋁溶液的塑膠膠囊，和如何放置在玻璃真空管中。
圖6示出熱能存儲膠囊的生產過程。
圖7示出了水處理裝置。
圖8示出了整個的太陽能熱水器系統。
圖9示出一個安裝在屋頂上的無水箱真空管太陽能熱水器。
目前，最流行的太陽熱能收集器是玻璃真空管集熱器。每年有兩億多支玻璃真空管被生產和安裝。每個玻璃真空管由外玻璃管和內玻璃管構成。兩個玻璃管之間是真空。在內玻璃管的外壁上塗有選擇性吸收層，以儘量多的吸收太陽輻射和儘量減少從內玻璃管內的物質的熱輻射。因為太陽輻射是間歇性的，太陽能熱水器需要大的熱水箱來儲存熱能，容量從100升到250升。玻璃真空管是優越的保溫設備。對於熟悉太陽能熱水器域的人員，很明顯，玻璃真空管可用於存儲能量。因此，只用一組玻璃真空管，不用熱水箱，就可能形成一個完整的太陽能熱水器。然而，通過使用水的顯熱儲存熱能，所需的體積是非常大的。因此，使用熱容量比水更大的材料是有利的。
作為能量存儲介質，相變材料(PCM)在20世紀60年代就已開始研究，例如美國專利2677664。有許多有關PCM的書籍和文章。例如A.Sharma,V.V.Tyagi,C.R.Chen,and D.Buddhi,"Review on thermal energy storage with phase change materials and applications",Renewable and Sustainable Energy Reviews,13(2009)318-345。相變材料指的是在一個確定的溫度進行相變，並吸收或釋放熱能的材料。一個例子是石蠟，其熔點為約60℃。硫酸鈉或芒硝，在32℃下改變水合物的狀態。然而，在太陽能熱水器的溫度範圍內，只有極少數有用的PCM材料。許多鹽水合物有熔化不一致，過冷或過熱的毛病。石蠟熔化時體積發生巨大變化，使封裝變得困難。
相變材料的優點是保持一個確定的溫度的能力。然而，對於 太陽能熱水器，如果在一個合適的溫度範圍內具有高的熱容量，例如70℃至90℃，就足夠了。這裡我們公開了用硫酸鋁溶解熱作為太陽能熱水器的熱能存儲介質的方法。
硫酸鋁被廣泛應用於廢水處理，造紙工業，食品工業。硫酸鋁的特性是眾所周知的。硫酸鋁的溶解度數據，載於"Solubilities of Inorganic and Organic Substances",Atherton Seidel,D.Van Norstrand Co.,New York 1919，一書中的29頁，如圖1所示。圖2是基於圖1的資料繪製的。資料點201到205是從圖1的項目101至105獲得。圖的左側是硫酸鋁在溶液中的重量百分比。圖的右側標度是Al2(SO4)3．18H2O在溶液中的重量百分比。Al2(SO4)3．18H2O的摩爾重量約是無水的Al2(SO4)3的兩倍。
如圖2所示，含有40%至47%硫酸鋁的水溶液系統具有合適的工作溫度範圍。例如，含有44.7%硫酸鋁的系統，在溫度高於90℃時，是純液體。當溫度低於90℃時，根據圖1中的項目106，硫酸鋁開始結晶成Al2(SO4)3．18H2O。當分子的動能被凍結時，它釋放出溶解熱。在接近其熔點時，Al2(SO4)3．18H2O的轉變焓為117.7千焦耳/摩爾，或176.7千焦耳/公斤，請參見"Thermodynamic Properties and Phase Transitions of Salt Hydrates between 270 and 400 K",F.Gronvold and K.K.Meisingset,Journal of Chemical Thermodynamics,1982,pages 1083-1098。在不同溫度下Al2(SO4)3．18H2O的溶解熱可以從它的溶解度數據進行計算，見圖3中所示的曲線301至305。
實驗資料證實了上述的分析，如圖4所示。在相同的試管中灌裝各種不同濃度的硫酸鋁溶液，然後讓它在相同條件下冷卻下來。從自動溫度記錄器的溫度資料清楚地表明瞭熱能存儲的效果。為了進行比較，曲線401是純水。曲線402、403和404是用於各種濃度的硫酸鋁溶液。在70 ℃至90℃的溫度範圍內，硫酸鋁溶液的熱容量是水的2倍以上。通過實驗，人們還發現，硫酸鋁溶液性能良好：沒有不一致融化的現象，無過熱和過冷。與石蠟相比，硫酸鋁溶液在溫度變化時的體積變化是非常小的。因此，封裝是容易的。此外，在國際市場上Al2(SO4)3．14H2O的價格是每噸160美元，而石蠟的價格是每噸1400美元。
硫酸鋁不易燃，無毒，但會腐蝕金屬。儲能膠囊的合適材料是高熔點塑膠，較佳地，塑膠膠囊是由工作溫度高於100℃的塑膠製成，包括但不限於聚丙烯和高密度聚乙烯。因為固相硫酸鋁具有低的熱導率，為了加速熱傳導，封裝在小直徑的管中是有利的，如圖5A所示，其中管子501是具有蓋子502的管子。填滿介質503以後，管子501被蓋子504密封。為了更好地將熱量從管中傳輸到水中，管的橫截面應該精心地設計，見圖5B。較佳地，塑膠膠囊是不同類型橫截面的兩端封閉的管，橫截面包括但不限於圓形橫截面505；圓角矩形橫截面506；有兩個凹槽的圓角矩形橫截面507；有多個凹槽的圓角矩形橫截面508。圖5C展示如何將這些膠囊堆在一起。膠囊的角和凹槽是水通過的路徑。為快速熱傳遞，膠囊中的介質的每個點與最近的水的距離應該足夠小，比如說小於10毫米。這些膠囊被裝在玻璃真空管中。玻璃真空管的內壁與膠囊之間充滿了水。圖5D是玻璃真空管的橫截面圖，圖5E是玻璃真空管的垂直剖面圖。此處509是外玻璃管，510是真空，511是內玻璃管，512是塑膠膠囊與儲熱的介質，513是中央水管，514是水。圖5E中的515是一個機械支撐板。
Al2(SO4)3和水的混合物在高溫下注入到塑膠膠囊中，在此溫度下該混合物是純液體。Al2(SO4)3和水的混合物用自動充填機注入到每一個塑膠膠囊中，裝滿以後，塑膠膠囊的蓋子被密封。圖6示出把儲熱介質填充到塑膠膠囊中的連續過程。601是油浴，裝有油602，例如菜籽油。恒溫 電加熱器603保持油溫在110℃和120℃之間。604是放置在油浴中的裝著硫酸鋁和水的容器，溫度保持在約100℃至110℃。因此，該介質處於液相。電磁閥605控制液體流入塑膠膠囊606。膠囊安裝在一個自動裝配線中，如圖所示。當膠囊走到電磁閥605下注液口下方時，一個預先確定的液體量607填充入膠囊608，然後，把蓋子609自動安放在膠囊610口上，並通過加熱密封。
作為能量存儲介質的硫酸鋁水溶液，在70℃至90℃之間效果最好。為了以最高的效率收集太陽輻射，減少熱損失，防止過熱，以及不使用電泵就把存儲的熱能轉移到水，本專利並公佈了水處理裝置的設計，其功能是將玻璃真空管內存儲的熱能轉移到流水，見圖7。
本專利公佈的水處理裝置的中心部件是截面尺寸為50到100毫米的矩形截面的橫向腔室：熱水腔室701。其長度由玻璃真空管的數目和外徑來確定。熱水腔室701是由工作溫度高於100℃的塑膠製成，包括但不限於聚丙烯。熱水腔室701由泡沫塑料熱絕緣層包圍，例如被包在由泡沫聚氨酯或具有類似特性的材料製成的隔熱籠702中。熱水腔室701外部的泡沫塑料絕緣層的材料包括但不限於聚氨基甲酸乙酯。熱水腔室701的下側連接到一組垂直管703，其數目與玻璃真空管的數目相同。該熱水腔室701有多個垂直管703，每個垂直管的外側至少裝有一個密封膠圈704。密封膠圈704是由矽膠，丁腈橡膠，或類似彈性材料，如彈性有機矽製成。密封膠圈的外側與玻璃真空管的內側密封。相鄰垂直管的軸線之間的距離比玻璃真空管的外徑大2至10毫米(1/8至3/8吋)。當玻璃真空管套在垂直管上之後，相鄰的玻璃真空管之間的距離只有2至10毫米(1/8至3/8吋)。
熱水腔室701的內部有一根冷水管705，直徑10至25毫米。冷水管705具有多個分支706，各自連接到垂直管707並延伸到玻璃真空管的底 部(與圖5E的中央水管513相同)。
熱水腔室701的上端有一個或多個通大氣的出口管708。在運行條件下，熱水腔室701是半滿的。由於有通大氣的出口管708，熱水腔室701內的水面的壓力等於大氣壓力。如果熱水腔室701中的水達到沸點100℃，蒸汽從出口管708逸出，帶走熱量，來避免過熱。
熱水腔室701的底部有一個熱水流出管709，與圖8的熱水出水管816相同。
圖8示出了完整的太陽能熱水器。自來水經冷水管線801流進冷水供應腔室802，由上水閥803和通氣口804保持水位805恒定。上述的上水閥與馬桶的上水閥相同，例如Fluidmaster萬用上水閥，和Kohler的K-1068030上水閥。冷水流過配管806(與圖7中的冷水管705相同)和支管807和水管808(與圖7中的分支706和垂直管707相同)流到每一個玻璃真空管809的底部。
熱水腔室的每一個垂直管810(與圖7中的垂直管703相同)插到一個玻璃真空管809中，由密封膠圈811(與圖7中的密封膠圈704相同)密封。現有的玻璃真空管太陽能熱水器，都在玻璃真空管的外側用密封膠圈與水箱或水管密封。例如美國專利5163821，和期刊文章"Water-in-glass evacuated tube solar water heaters",by G.L.Morrison,I.Budihardjo,and M.Behnia,Solar Energy,76(2004)135-140。根據已有的設計，相鄰的玻璃真空管之間的距離，與玻璃真空管的直徑相當。相同日照面積之下的集熱效率降低了一倍左右。本發明把密封膠圈放在玻璃真空管內部，相鄰玻璃真空管之間的距離減少到幾毫米。因此，相同日照面積之下的集熱效率大大提高。本發明的設計還具有以下優點：首先，熱水腔室的總長度降低了，熱水腔室的表面面積降低了。因此，熱損失降低了。第二，它有利於組裝和 防止洩漏。因為系統是在室溫下裝配，而在較高的溫度下工作。硼矽玻璃的熱膨脹係數幾乎為零。塑膠或金屬的熱膨脹係數為每度℃0.01%至0.02%。如果塑膠或金屬結構是在玻璃管的外側，在工作溫度下，由於塑膠或金屬的熱膨脹係數大，密封膠圈的密封就會變松。本發明中的塑膠管是在玻璃管的內側；在工作溫度下，由於塑膠的熱膨脹係數大，密封膠圈的密封變得更緊。
冷水供應腔室802，其入口端連接到自來水供應管道，其出口端連接到該熱水腔室813。因為冷水供應腔室802與熱水腔室813是相連接的，熱水腔室813的水位815與受上水閥803控制的冷水供應腔室802的水位805是相等的。上水閥803為調整至保持熱水腔室813為半充滿的。蒸汽出口814因此做為一種過熱保護裝置。如果水溫到達水的沸點1達到100℃，多餘的熱量就通過蒸汽出口814耗散。
在工作時，冷水從水管808的底部流出，通過熱能存儲膠囊812而被加熱。因為熱水比冷水輕，熱水總是保持在頂部，特別是在熱水腔室813中。
在熱水腔室813的下端，有一個熱水出水管816(與圖7中的熱水流出管709相同)，連接到一恒溫混水閥817的熱水入口，恒溫混水閥817的冷水入口連接到冷水供應腔室802的下端，通過調整恒溫混水閥817的溫度旋鈕，恒溫混水閥817的輸出水溫保持恆定。因為從熱水腔室813輸出的水可能是非常熱的，為了防止燙傷，熱水首先進入恒溫混水閥817。通過與冷水管線801中的冷水混合，具有事先設定的溫度的溫水818就產生了。恒溫混水閥是一種常見的商業產品，其參數由美國衛生工程協會ASSE-1016號標準規定，常用的有Honeywell AM101R-US-1，Watts LF 1170，Zum．Wilkins ZW1070等。
圖9示出一台安裝在屋頂上的無水箱真空管太陽能熱水器。屋頂901要傾斜到正確的方向：在北半球向南，在南半球向北。如果屋頂的角度大體合適，一個基本上平的安裝架902可以直接放在屋頂上。安裝架902的下端，是支撐玻璃真空管端部的檔板903。裝著儲熱膠囊的玻璃真空管904，頂端固定到水處理裝置905，底端由檔板903支持。蒸汽出口906是在水處理裝置905的最高點。工作時，自來水流經管道909進入冷水供應腔室907。冷水供應腔室907中有一個上水閥和一個空氣出口908，把水位固定的冷水輸送到水處理裝置907，以保持熱水腔室中的水是半滿的。如果陽光太強，時間太長，玻璃真空管904中的水溫達到100℃，多餘的熱量就通過蒸汽出口906耗散。熱水由管道910進入恒溫混水閥911。通過與冷水混合，生成具有設定溫度的溫水912。因此，在屋頂上的平均機械壓力小，而且均勻分佈。整個系統根據自然規律自動運行，不需要電泵和控制系統，從而可以免於維護。
下面是無水箱真空管太陽能熱水器的大小的估計。較佳地，玻璃真空管的內徑的在80毫米與120毫米之間。如果玻璃真空管的內徑是102毫米，長度是1500毫米，每個管的體積約為12升。由於硫酸鋁溶液的熱容量是水的兩倍，它相當於24升水。10個玻璃真空管的系統大約合240升水，足以支援一個4人的家庭。150千克硫酸鋁在國際市場上的價格約為30美元，因此儲能原料的成本是微不足道的。
雖然本發明已經經由示例性實施例進行了描述，但是對熟練的技術人員，許多替換，修改和變化是顯而易見的。因此，本發明的示例性實施例中，都是說明性的，不是限制性的。在不脫離本發明的精神和範圍內，各種改變都可以包括在內。
901‧‧‧屋頂
902‧‧‧安裝架
903‧‧‧檔板
904‧‧‧玻璃真空管
905‧‧‧水處理裝置
906‧‧‧蒸汽出口
907‧‧‧冷水供應腔室
908‧‧‧空氣出口
909‧‧‧管道
910‧‧‧管道
911‧‧‧恒溫混水閥
912‧‧‧溫水

Claims (11)

  1. 一種用玻璃真空管收集太陽輻射並存儲熱能的無水箱真空管太陽能熱水器，其中存儲熱能的介質含有40%至47%重量的Al2(SO4)3，其餘是水；該存儲熱能的介質密封在塑膠膠囊中；該塑膠膠囊放置在該玻璃真空管中；該玻璃真空管的內壁與該塑膠膠囊之間以水填充。
  2. 如請求項1所述的無水箱真空管太陽能熱水器，其特徵在於：其中該玻璃真空管的內徑的在80毫米與120毫米之間。
  3. 如請求項1所述的無水箱真空管太陽能熱水器，其特徵在於：其中該塑膠膠囊是由工作溫度高於100℃的塑膠製成，包括但不限於聚丙烯或高密度聚乙烯。
  4. 如請求項1所述的無水箱真空管太陽能熱水器，其特徵在於：其中該塑膠膠囊是不同類型橫截面的兩端封閉的管，該塑膠膠囊內部的介質的任何一點與最接近的膠囊表面的距離小於10毫米。
  5. 如請求項1所述的無水箱真空管太陽能熱水器，其特徵在於：其中Al2(SO4)3和水的混合物在高溫下注入到該塑膠膠囊中，在此溫度下該混合物是純液體。
  6. 如請求項1所述的無水箱真空管太陽能熱水器，其特徵在於：其中Al2(SO4)3和水的混合物用自動充填機注入到每一個該塑膠膠囊中，裝滿以後，該塑膠膠囊的蓋子被密封。
  7. 一種無水箱真空管太陽能熱水器的水處理裝置，其功能是將玻璃真空管內存儲的熱能轉移到流水，該水處理裝置包括：一個方形橫截面的水平的熱水腔室，其中方形橫截面的邊長為50毫米至100毫米，該熱水腔室長度由該玻璃真空管的數量乘以該玻璃真空管軸線之間的距離來確定；其中該玻璃真空管軸線之間的距離等於該玻璃真空管的外徑與該玻璃真空管外壁之間的間隔之和，該間隔為3毫米至10毫米；該熱水腔室的下側連接到一組垂直管，其數目與該玻璃真空管的數目相同，每個該垂直管的外部鑲有一個或多個密封膠圈，每個該密封膠圈與每個該玻璃真空集熱管內表面進行密封；該熱水腔室由泡沫塑料熱絕緣層包圍； 該熱水腔室內部裝有一根水平的冷水管，其直徑為10毫米至25毫米；該水平的冷水管連接到一組垂直管，其數目與該玻璃真空管的數目相同，其直徑為10毫米至25毫米，每個該垂直管延伸到每個該玻璃真空管的底部；在該熱水腔室的上端，裝有一個或多個出口管以釋放水蒸汽；一冷水供應腔室，其入口端連接到自來水供應管道，其出口端連接到該熱水腔室，該冷水供應腔室中裝有一個上水閥以控制水位，使該熱水腔室中的水位保持半滿；在該熱水腔室的下端，設有一根熱水出水管，連接到一個恒溫混水閥的熱水入口，該恒溫混水閥的冷水入口連接到該冷水供應腔室的下端，通過調整該恒溫混水閥的溫度旋鈕，該恒溫混水閥的輸出水溫保持恆定。
  8. 如請求項7所述的裝置，其特徵在於：其中該熱水腔室是由工作溫度高於100℃的塑膠製成，包括但不限於聚丙烯。
  9. 如請求項7所述的裝置，其特徵在於：其中該熱水腔室外部的泡沫塑料絕緣層的材料包括但不限於聚氨基甲酸乙酯。
  10. 如請求項7所述的裝置，其特徵在於：其中該密封膠圈的材料包括彈性有機矽。
  11. 如請求項7所述的裝置，其特徵在於：其中該密封膠圈的材料包括丁腈橡膠。
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