专利名称：采用三个储能箱和多上循环管的太阳能集热系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及太阳能集热系统，特别涉及充分利用太阳能量的太阳能集热系统和在 不同季节、不同天气状态下得到温度比较高的流体的太阳能集热系统，尤其是黑瓷复合陶 瓷太阳能集热系统及其操作方法。
背景技术：
太阳能利用包括光电利用和光热利用，光电利用主要指太阳能电池，光热利用主 要指聚光太阳能发电装置和太阳能集热系统，应用最广泛的太阳能集热系统是太阳能热水 系统。我国主要采用真空玻璃管太阳能集热(器)系统和平板式太阳能集热(器)系统， 欧、美、日、澳大利亚等国主要采用平板式太阳能集热(器)系统中的铜管板式太阳能集热 (器)系统。太阳能是面能源，理论和实践都已经证明效率最高的太阳能集热体是金属材料制 造的通孔扁盒式太阳能集热体，在这种集热体中，阳光吸收面下面布满待加热的介质，热交 换最直接、迅速，热传导距离最短，但是目前能够长期承受热水腐蚀的金属材料是铜材，这 种结构需要使用大量铜材，铜材非常昂贵，焊缝很长，制造工艺复杂，制造成本很高，难以大 规模生产和使用。真空玻璃管的主要缺点是真空玻璃管由同轴内外玻璃管组成，一端封闭，内外管 之间抽真空，外管透明，内管外表面覆盖黑色阳光吸收涂层。由于必须采用真空层、密封圈、 防尘圈、尾托等，使黑色阳光吸收面只占采光投影面积约60%，部分阳光穿过黑色面之间的 空隙，未得到利用，在阳光最强烈的中午时段降低了集热效率；真空度在使用中不断下降， 降低保温效果；一头封闭的盲管结构容易沉淀水碱和水中的杂质，减少热交换面积，盲管结 构使玻璃管中占总量约20%已加热的水不能放出来使用，而进一步严重降低了热效率；低 温形成的阳光吸收涂层的内部结合力是分子间力，结构不稳定，阳光吸收率容易衰减，这是 目前太阳能热水器阳光吸收涂层的共同缺点；玻璃管用硼硅玻璃制造，熔制温度1650°C， 制造能耗高，氧化硼价格高；这些缺点导致真空玻璃管制造成本高、耗能比较高，寿命比较 短，热效率不高，而且随时间衰减，一般有效使用寿命10年左右。铜管板式太阳能集热体的主要缺点是阳光吸收涂层的阳光吸收率容易衰减；铜 材十分昂贵，需要电解提纯，制造成本、耗能很高；集热铜管横向间隔大，导热距离远，影响 效率；焊缝容易腐蚀；集热铜管直径比较小，集热器中全部热量通过直径比较小的集热铜 管传递，集热铜管温度比较高，容易产生水垢，少量水垢也会明显减小通道，影响集热效率； 采用双循环方式需要增加热交换器，会提高制造和使用成本，热交换器与水接触一侧容易 结垢；一般有效使用寿命10-25年。太阳能集热器可以提供热水、热风，热水、热风可用于洗涤、冬季取暖、夏季空调， 另外参照地下热水发电的方式，大量廉价的高温热水还可以进行低成本发电，取代常规能 源、保护环境。但是现有的太阳能集热器制造成本高、有效使用寿命短，使太阳能的使用成 本远远高于常规能源，严重制约了太阳能集热器的发展，太阳能集热器必须实现与建筑一体化，才能获得更大的发展空间，现有太阳能集热器受其太阳能集热体的成本、材料和结构 的制约，难以实现与建筑一体化。太阳能集热器的核心部件是太阳能集热体，为此，必须研 究和寻找一种全新的低成本、长寿命、高效率的太阳能集热体。—吨硼硅玻璃或金属材料，成本数千元至数万元，材料成为制品还需要经过复杂 的加工过程。一吨陶瓷制品如一吨低装饰要求的陶瓷墙地砖通常成本数百元，陶瓷材料成 本低廉是由于原料来源广泛，一般就地取材，运费低；蕴藏量大，价格低；一般不需要选矿、 富集；成型后一次烧结，即为制品；烧结时有所收缩，但不改变形状，烧结后无加工过程；烧 结温度低、时间短，一般压制成型陶瓷制品烧结成瓷温度约1200°C，历时10分钟左右，而玻 璃的熔制或金属材料的冶炼，通常温度1500-1650°C，历时数小时，原材料须经过熔化、流 动、均化、反应、澄清等过程，一般来说，温度每提高100°C，能耗增加1倍，同时设备和耐火 材料的价格、消耗量也成倍提高，电解的能耗更远大于冶炼。所以，陶瓷烧结与玻璃的熔制 或金属材料的冶炼、电解有本质区别，能耗与成本均相差几倍至几十倍。陶瓷是目前已知的 成本最低、使用寿命最长、性能最稳定的工程材料之一。一般普通陶瓷主要由氧化硅和氧化 铝组成，氧化硅约占50-70 %，氧化铝约占10-30 %，这也是普通土壤和普通岩石的主要成 分组成，地球地壳中占比例最高的物质是氧化硅，在无机、有机、金属各种材料中，普通陶瓷 材料的原料蕴藏量最大。陶瓷材料强度大、硬度高、不腐蚀、不老化、理化性能非常稳定，使用寿命很长，可 达数百年以上。黑色瓷质材料具有陶瓷通性，阳光吸收率高，阳光吸收率不会衰减。黑瓷包 括以传统黑色陶瓷着色剂与普通陶瓷原料制造的传统黑瓷和钒钛黑瓷，钒钛黑瓷是以工业 废弃物-提钒尾渣为主要原料制造的，成本更为低廉。钒钛黑瓷是指钒钛磁铁矿经熔炼得到铁水和钒渣，钒渣焙烧后提钒，提钒后的弃 渣即为提钒尾渣，以提钒尾渣为全部原料或原料之一制造的黑色陶瓷称作钒钛黑瓷。地球上最多的元素是硅、铝、钙、镁、钾、钠、钛、氧等，普通陶瓷主要原料也可以由 这些元素构成，陶瓷材料对化学成分有广泛的适应性，提钒尾渣化学成分十分复杂，其中过 渡金属化合物占百分之八十左右，原料中提钒尾渣占一半左右时可以制造性能十分优良的 黑瓷，以百分之百的提钒尾渣也可以制造黑色陶瓷，除提钒尾渣以外的工业废渣也多为灰、 褐、棕等深颜色，甚至是接近黑色的灰黑、棕黑等颜色，也可以制造深颜色表面的陶瓷太阳 能集热板。陶瓷材料对化学成分广泛的适应性和成型方法简单、低温快烧即为制品的特点 是陶瓷制品成本低廉的重要原因，而性能稳定、使用寿命长则是陶瓷材料的通性。陶瓷材料性能稳定、寿命长是由于其结合键是高键能的原子键或离子键，其结构 与火成岩如花岗岩相同，其成分主要是十分稳定的氧化物，是地球诞生时物质的原始形态， 是与自然界长期和谐的物质，其他材料多数是人类破坏物质原始形态后的产物，自然界的 力量始终是要使其回归大自然，花岗岩具有上万年寿命、陶瓷具有上千年寿命，已被考古学 所证实，为常识所接受。国家标准GB50364-2005 “民用建筑太阳能热水系统应用技术规范”2005_12_05发 布，2006-01-01实施，要求太阳能热水系统与建筑一体化。现有玻璃真空管、金属平板太阳 能热水(器)系统使用寿命不足15年，建筑物的使用寿命50年至数百年。现有太阳能热水(器)系统要符合上述要求，需要实现重大技术进步。黑瓷复合 陶瓷太阳能热水系统成本低、寿命长、效率高，与普通房顶共用结构层、保温层、防水层，可以符合上述要求，可以实现与建筑一体化、与建筑物同寿命。2008年我国太阳能热水器销售额约380亿元，生产量约0. 28亿平方米，而我国现 有建筑物房顶及南墙面各约100亿平方米，每年新增各约5亿平方米。我国拥有规模很大的传统陶瓷工业，陶瓷墙地砖年产量约60亿平方米，占世界总 产量50%以上，陶瓷卫生洁具占世界总产量30%以上，日用陶瓷占世界总产量60%以上， 我国提钒尾渣占世界总产量40%以上，可供年产黑瓷复合陶瓷太阳板数十亿平方米。因此，采用黑瓷复合陶瓷太阳能集热系统是大规模建造、改造太阳能房顶、太阳能 墙面、建设太阳能建筑一种新的方法。现有平板式太阳能集热(器)系统主要是金属平板式太阳能集热(器)系统，其 中绝大部分是铜管板式和铜铝复合管板式太阳能集热(器)系统。本发明人近期发明中空的黑瓷复合陶瓷太阳板和以黑瓷复合陶瓷太阳板为太阳 能集热体的平板式太阳能集热(器)系统，简称陶瓷平板式太阳能集热(器)系统。为与 建筑一体化，使陶瓷平板式太阳能集热(器)系统与原房顶共用结构层、保温层、防水层，形 成黑瓷复合陶瓷太阳能房顶，黑瓷复合陶瓷太阳能房顶仍然属于平板式太阳能集热(器) 系统。现有平板式太阳能集热(器)系统通常由集热器、一个储水箱(储热水箱、储热能 箱、储能箱)、上下循环管各一根组成；集热器由集热体、保温材料、玻璃板(透明盖板)、外 壳(结构框、结构层)组成。现有太阳能集热系统工作过程是这样的，为便于说明，假设太阳能集热系统是平 板式太阳能热水系统，假设当日为晴天，早晨太阳升起阳光照射集热器直至太阳下山，阳光 照射在集热器上，使集热器中的水升高温度，水的体积膨胀、比重变小，顺着上汇集管、上循 环管上升，进入储水箱上层，储水箱下层温度较低、较重的水顺着下循环管、下汇集管，从下 面进入集热器，被加热后上升，依次循环，储水箱中的水被逐步加热至最高温度，此时太阳 已过正午，逐步向西倾斜，对集热器的阳光辐射量开始减少，集热器中水温低于储水箱中水 温，集热器中的水与储水箱之间停止循环，并且水温开始下降，集热器变成散热器，集热器 中的水逐步冷却，通常用户集中在晚间使用储水箱中温度较高的水，如洗浴等。经过一晚上 的散热，第二天早晨集热器中水的温度已接近当时的气温。上述平板式太阳能集热系统工作过程中有两处明显的能量损失，一是太阳过正午 后到太阳下山之前储水箱中的水不再升温，这段时间内的阳光辐射量可以占全日阳光辐射 量的三分之一左右，二是集热器中的热水自然冷却，这部分能量根据不同集热器的容水量 可以占全日阳光辐射能量的八分之一至五分之一。改进平板式太阳能集热系统的结构和操作过程，能够避免或大幅度减少上述两部 分能量的损失。集热器中的水全部在集热体中，真空玻璃管太阳能集热系统中真空玻璃管是集热 体，每平方米采光面中的真空玻璃管中水量约20公斤，由于真空玻璃管是开口向上的盲 管，真空玻璃管中的水放不出来，每平方米黑瓷复合陶瓷太阳板中水量约12公斤，每平方 米金属平板集热器中水量约几公斤。
发明内容
本发明的目的是充分利用上述两部分能量，使同一台太阳能集热系统比传统太阳 能集热系统取得更多的太阳能的能量。本发明是这样实现的，其结构和操作如下在太阳能集热系统中设置三个保温储能箱，第一个、第二个储能箱和太阳能集热 器中有流体，第三个储能箱是空的，太阳能集热器与储能箱之间流体的运动是热力自然流 动(循环)或动力强制流动(循环)或依靠重力流动，太阳能集热器通过上下循环管与第 一个储能箱连接，关闭与其他两个储能箱的连接，在阳光照射下，依靠流体的流动，太阳能 集热器将阳光照射产生的热能输送给第一个储能箱，当阳光的能量不能使第一个储能箱中 流体的温度继续升高时，关闭与第一个储能箱的连接，打开相应上下循环管上的开关，开通 与第二个储能箱连接，当阳光的能量不能使第二个储能箱中流体的温度继续升高时，关闭 与第二个储能箱的连接，将太阳能集热器中的流体放入第三个储能箱(真空玻璃管中的流 体放不出来)，晚上使用第一个储能箱中温度较高的流体，并在其后注满常温流体，第二天 将第三个储能箱中的流体打入太阳能集热器中，将太阳能集热器与第二个储能箱连接，重 复前一天的过程。设置两层或多于两层的上循环管，称作多上循环管，采用下层循环管时， 总水量少，水温较高，采用上层循环管时，总水量多，水温较低，从而可以根据季节或天气得 到所需的水温、水量。在黑瓷复合陶瓷太阳能集热系统中设置三个保温储能箱，第一个、第二个储能箱 和黑瓷复合陶瓷太阳能集热器中有流体，第三个储能箱是空的，黑瓷复合陶瓷太阳能集热 器与储能箱之间流体的运动是热力自然流动(循环)或动力强制流动(循环)或依靠重 力流动，黑瓷复合陶瓷太阳能集热器通过上下循环管与第一个储能箱连接，关闭与其他两 个储能箱的连接，在阳光照射下，依靠流体的流动，黑瓷复合陶瓷太阳能集热器将阳光照射 产生的热能输送给第一个储能箱，当阳光的能量不能使第一个储能箱中流体的温度继续升 高时，关闭与第一个储能箱的连接，打开相应上下循环管上的开关，开通与第二个储能箱连 接，当阳光的能量不能使第二个储能箱中流体的温度继续升高时，关闭与第二个储能箱的 连接，将黑瓷复合陶瓷太阳能集热器中的流体放入第三个储能箱，晚上使用第一个储能箱 中温度较高的流体，并在其后注满常温流体，第二天将第三个储能箱中的流体打入黑瓷复 合陶瓷太阳能集热器中，将黑瓷复合陶瓷太阳能集热器与第二个储能箱连接，重复前一天 的过程。设置两层或多于两层的上循环管，称作多上循环管，采用下层循环管时，总水量少， 水温较高，采用上层循环管时，总水量多，水温较低，从而可以根据季节或天气得到所需的 水温、水量。本发明的主要优点在于采用三个储能箱和多层上循环管的太阳能集热系统比传 统太阳能集热系统取得更多的太阳能的能量，并可以根据季节或天气得到所需的水温、水量。
图1表示三个储能箱和双层上循环管的太阳能集热系统，三个储能箱都是保温储 能箱，都可以称作储热能箱、储热水箱、储水箱，箱中可以盛装各种流体，一般情况下是水， 一般情况下是指太阳能热水系统，双层上循环管和双层溢流口可以使上面的两个储水箱具 有不同的容量，太阳能集热器是平板太阳能集热器，图中表示的是黑瓷复合陶瓷平板太阳能集热器。图2是图1的右侧视图。图中标记的说明1、左上储能箱下循环管阀门 2、左上储能箱下层溢流口阀门 3、左上储能箱上 层溢流口 4、左上储能箱 5、左上储能箱下层上循环管阀门6、左上储能箱上层上循环管 阀门7、集热器进、出空气通道8、右上储能箱上层上循环管阀门9、右上储能箱下层上循 环管阀门10、右上储能箱11、集热器上汇集管12、右上储能箱上层溢流口 13、右上 储能箱下层溢流口阀门14、右上储能箱下循环管阀门15、右上储能箱下循环管16、集热 器下汇集管17、太阳能集热器18、下储能箱溢流口 19、下储能箱20、水泵21、下储能 箱进、出流体管阀门22、左上储能箱下循环管
具体实施例方式1、假设当日是冬天的某一个晴天，白天最低气温3°C，夜间最低气温零下15°C，自 来水温度7V。上午8点是初始状态，三个保温储能箱都是空的，关闭阀门21，打开其余阀 门。向系统内注水，直至上储能箱下层溢流口 2、13向外淌水时停止注水，关闭阀门6、8、9、 13、14，此时上面两个储能箱各储水1000公斤，集热器中水量500公斤，集热器是黑瓷复合 陶瓷太阳能集热器，采光面积50平方米。阳光加热集热器17中的水，热水沿左上储能箱下 层上循环管上升进入储能箱4的上层，储能箱4的下层冷水沿左上储能箱下循环管22从下 面进入集热器17，如此不断循环，至下午2点水温达到60°C，水温不再上升。关闭阀门1、5， 打开阀门9、13、14，此时右上储能箱10与集热器17中的水进行循环，至下午5点右上储能 箱10的水温达到41°C，关闭阀门9、13、14，打开阀门21将集热器中的水放入下储能箱19 中。晚上用户用掉左上储能箱中60°C的水，重新注入自来水。第二天上午8点左上储能箱 中水温5°C，右上储能箱中水温37°C，下储能箱中水温32°C，将下储能箱中水打入集热器， 再关闭阀门21，打开阀门9、13、14首先加热右上储能箱中的水，至下午2点水温达到70°C， 水温不再上升，关闭阀门9、14，打开阀门1、5，加热左上储能箱中的水，如此周而复始。2、假设当日是夏天的某一个晴天，白天最低气温25°C，夜间最低气温20°C，自来 水温度18°C。上午8点是初始状态，三个保温储能箱都是空的，关闭阀门2、5、9、13、21，打 开其余阀门。向系统内注水，直至上储能箱上层溢流口 3、12向外淌水时停止注水，关闭阀 门8、14，此时上面两个储能箱各储水2000公斤，集热器中水量500公斤，集热器是黑瓷复合 陶瓷太阳能集热器，采光面积50平方米。阳光加热集热器17中的水，热水沿左上储能箱上 层上循环管上升进入储能箱4的上层，储能箱4的下层冷水沿左上储能箱下循环管22从下 面进入集热器17，如此不断循环，至下午2点水温达到90°C，水温不再上升。关闭阀门1、6， 打开阀门8、14，此时右上储能箱10与集热器17中的水进行循环，至下午5点右上储能箱 10的水温达到55°C，关闭阀门8、14，打开阀门21将集热器中的水放入下储能箱19中。晚 上用户用掉左上储能箱中90°C的水，重新注入自来水。第二天上午8点左上储能箱中水温 19°C，右上储能箱中水温53°C，下储能箱中水温48°C，将下储能箱中水打入集热器，再关闭 阀门21，打开阀门8、14首先加热右上储能箱中的水，至下午2点水温达到100°C，水温不再 上升，关闭阀门8、14，打开阀门1、6，加热左上储能箱中的水，如此周而复始。
权利要求
1.采用三个储能箱和多上循环管的太阳能集热系统，其特征在于，在太阳能集热系统 中设置三个保温储能箱，第一个、第二个储能箱和太阳能集热器中有流体，第三个储能箱是 空的，太阳能集热器与储能箱之间流体的运动是热力自然流动(循环)或动力强制流动 (循环)或依靠重力流动，太阳能集热器通过上下循环管与第一个储能箱连接，关闭与其他 两个储能箱的连接，在阳光照射下，依靠流体的流动，太阳能集热器将阳光照射产生的热能 输送给第一个储能箱，当阳光的能量不能使第一个储能箱中流体的温度继续升高时，关闭 与第一个储能箱的连接，打开相应上下循环管上的开关，开通与第二个储能箱连接，当阳光 的能量不能使第二个储能箱中流体的温度继续升高时，关闭与第二个储能箱的连接，将太 阳能集热器中的流体放入第三个储能箱(真空玻璃管中的流体放不出来)，晚上使用第一 个储能箱中温度较高的流体，并在其后注满常温流体，第二天将第三个储能箱中的流体打 入太阳能集热器中，将太阳能集热器与第二个储能箱连接，重复前一天的过程。设置两层或 多于两层的上循环管，称作多上循环管，采用下层循环管时，总水量少，水温较高，采用上层 循环管时，总水量多，水温较低，从而可以根据季节或天气得到所需的水温、水量。
2.根据权利要求1所述的采用三个储能箱和多上循环管的太阳能集热系统，其特征在 于，黑瓷复合陶瓷太阳能集热系统具有三个保温储能箱，第一个、第二个储能箱和黑瓷复合 陶瓷太阳能集热器中有流体，第三个储能箱是空的，黑瓷复合陶瓷太阳能集热器与储能箱 之间流体的运动是热力自然流动(循环)或动力强制流动(循环)或依靠重力流动，黑瓷 复合陶瓷太阳能集热器通过上下循环管与第一个储能箱连接，关闭与其他两个储能箱的连 接，在阳光照射下，依靠流体的流动，黑瓷复合陶瓷太阳能集热器将阳光照射产生的热能输 送给第一个储能箱，当阳光的能量不能使第一个储能箱中流体的温度继续升高时，关闭与 第一个储能箱的连接，打开相应上下循环管上的开关，开通与第二个储能箱连接，当阳光的 能量不能使第二个储能箱中流体的温度继续升高时，关闭与第二个储能箱的连接，将黑瓷 复合陶瓷太阳能集热器中的流体放入第三个储能箱，晚上使用第一个储能箱中温度较高的 流体，并在其后注满常温流体，第二天将第三个储能箱中的流体打入黑瓷复合陶瓷太阳能 集热器中，将黑瓷复合陶瓷太阳能集热器与第二个储能箱连接，重复前一天的过程。设置两 层或多于两层的上循环管，称作多上循环管，采用下层循环管时，总水量少，水温较高，采用 上层循环管时，总水量多，水温较低，从而可以根据季节或天气得到所需的水温、水量。
全文摘要
本发明属于太阳能利用领域，阳光照射集热器直至太阳下山，储水箱中的水被逐步加热至最高温度，太阳过正午后，逐步向西倾斜，对集热器的阳光辐射量开始减少，集热器中水温低于储水箱中水温，集热器中的水与储水箱之间停止循环，集热器变成散热器，集热器中的水逐步冷却。采用三个储能箱和多上循环管的太阳能集热系统可以利用正午后到太阳下山之前这段时间内的阳光辐射量，可以根据季节或天气得到所需的水温、水量。
文档编号F24J2/34GK102042697SQ200910229438
公开日2011年5月4日 申请日期2009年10月26日 优先权日2009年10月26日
发明者修大鹏, 曹树梁, 杨玉国, 王启春, 石延岭, 蔡滨, 许建丽, 许建华, 谷胜利 申请人:曹树梁