专利名称：一种太阳能开水器的制作方法
技术领域：
本发明属于太阳能热应用技术领域，具体涉及ー种太阳能开水器，采用复合抛物曲面反射式聚光器同时照射加热管背面，以达到将水加热到沸腾目的的太阳能开水器。
背景技术：
开发利用以太阳能为代表的新能源已经成为人类解决能源危机的有效途径，也是我国可持续发展战略的基本能源决策。太阳能作为ー种緑色可再生能源，取之不尽用之不竭。所以太阳能无论是用于大规模发电， 还是用于一般単位或者家用太阳能热水器加热，都可以带来明显的节能效果和社会效益。目前，常用的家用太阳能热水器的结构包括有热水箱、加热管、进水管和出水管组成，自来水经进水管进入热水箱，在加热管内加热后经出水管输出，其缺点在于常用的家用太阳能热水器的加热温度一般达不到将水煮沸的程度，所以从热水器出来的水只能用来洗澡而不能饮用，故家用太阳能热水器的性能是不能满足用户更高的使用需求的，特别是对于广大的农村学校以及企事业单位，因为太阳能热水器不能提供饮用水，所以単位一般不得不设计安装锅炉房来一次性满足上述需要；从而给太阳能推广应用带来很大困难。如果我们能够设计制作出太阳能开水器，当然同时通过混水阀很容易实现洗澡等生活所需要的热水，那么一定是有着广阔的市场前景的。这就是本设计需要解决的技术问题。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种太阳能开水器，解决了家用太阳能热水器集热温度不能达到将水加热到沸腾的技术缺陷，具有结构简单、热利用效果好和可提供开水的特点。为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是一种太阳能开水器，热水箱，热水箱一端与进水管相连，另一端通过出水管与开水箱相连通，热水箱下部设有加热管，加热管下方设有反射曲面。所述的加热管的直径为110 120mm。所述的加热管之间的距离为300 400mm。所述的加热管外表面涂黑。所述的加热管可以采用真空玻璃管。所述的热水箱上设有水位传感器，水位传感器与进水管上的进水电动阀相连；热水箱上还设有温度传感器，温度传感器分别与加热管上的排水电动阀和出水管上的开水电动阀相连。所述的开水箱分别连接有开水管与热水管可同时提供开水和热水，开水管上设有开水阀，热水管与自来水管通过混水阀相连通。所述的开水箱整体高度低于热水箱I。所述的加热管下端相互连通。
所述的反射曲面为复合抛物曲面反射式聚光器，反射曲面由具有相同焦点和不同对称轴的六个抛物面ab、bc、cd、de、ef和fg组成复合抛物曲面反射式聚光器，其中，ab段抛物曲面以加热管的中心为焦点，以竖直方向直线L3为对称轴，用于汇聚中午十二点左右的太阳光；bc段抛物曲面以加热管的中心为焦点，以和竖直方向夹角为-15°的直线L2为对称轴，用于汇聚十一点左右的太阳光；Cd段抛物曲面以加热管的中心为焦点，以和竖直方向夹角为-30°的直线LI为对称轴，用于汇聚十点左右的太阳光；de段抛物曲面以加热管的中心为焦点，以和竖直方向夹角为+30°的直线L5为对称轴，用于汇聚两点左右的太阳光；ef段抛物曲面以加热管的中心为焦点，以和竖直方向夹角为+15°的直线L4为对称轴，用于汇聚一点左右的太阳光；fg段抛物曲面以加热管的中心为焦点，以竖直方向的直线L3为对称轴，用于汇聚十二点左右的太阳光。所述的开水箱的内壁与外壁的夹层中设有绝热保温材料，其内壁、外壁为不锈钢材料制成。所述的加热管、反射曲面组成集热系统。本发明的有益效果是
与现有技术相比，本发明在现有太阳能热水器的基础上提出了ー种反射式聚光型太阳能开水器，通过增大加热管之间的间距并在加热管背面设置反射式聚光器的方式，把加热管之间的太阳光汇聚后照射在加热管的背面和侧面，从而通过汇聚太阳光增强光照強度和照射面积ニ个措施来提高加热管的温度，以达到将水加热到沸腾的目的。由于在其背面的复合抛物曲面反射式聚光器对加热管之间的阳光进行汇聚，并照射在加热管背面和侧面，与正面太阳光的直接照射一起构成对加热管进行正反面及侧面的加热，所以既增加了加热管的相对聚光面积，同时又增加了照射在加热管上的太阳能的密度，由于采用了更大直径(如D=125mm)的真空玻璃管作为受光体加热管，相比原来普通47mm或者53mm集热管来说，接收太阳光效果更好，太阳能开水器中的水就可到达饮用标准，从而满足人们生活中的饮用开水需要，同时通过混合自来水还可实现生活、生产中的温水需求。其中，集热系统由加热管和相应的反射式聚光器组成。而反射式聚光器由高反射系数材料形成的若干复合抛物曲面形成，保持一定距离的每ー个加热管都处于其焦线位置；热水箱的上部位置安装自来水上水管与回水管，自来水上水管路上安装的电动阀与水位传感器15 —起组成自动上水控制系统；出水管上的开水电动阀与设于热水箱上部位置的温度传感器组成开水自动放水控制系统；开水箱整体设置高度低于热水箱，以保证工作过程中依靠水位差完成开水从热水箱向开水箱的流动，从而节省能量并避免在该管路上安装逆止阀门；开水箱的底部或者侧面底部设有开水阀和混水阀，所以可同时提供开水和温水。
图I为本发明的结构示意图。图2为本发明集热系统A-A的反射曲面截图。图3为图2的局部放大示意图。图4为本发明的工作流程图。具体实施例方式下面结合附图对本发明的结构原理和工作原理作简要说明。參照附图1，一种太阳能开水器，在设计的太阳能开水器装置中，主要包括集热系统、热水箱、开水箱、连接管和相应的控制装置。其具体包括有热水箱1，热水箱I 一端与进水管2相连，另一端通过出水管3与开水箱4相连通，热水箱I下部设有加热管5，加热管下方设有反射曲面6。所述的开水箱4整体高度低于热水箱I。 所述的开水箱4分别连接有开水管11与热水管12，开水管11上设有开水阀13，热水管12与自来水管通过混水阀14相连通。所述的集热系统由加热管和复合抛物曲面反射式聚光器构成。复合抛物曲面反射式聚光器采用高反射系数材料形成，复合抛物曲面反射式聚光器汇聚太阳光照射加热管的背面，与正面太阳光的直接照射一起对加热管进行加热，并通过热水上浮，冷水下沉原理实现加热管5内水的微循环。位于加热管5上方的热水箱I连接自来水上水管和开水出水管，同时设有水位传感器15和温度传感器8。当温度传感器8检测到热水箱的水温达到100°C吋，开水控制系统对信号进行处理，打开连接热水箱I和开水箱4之间水管上的电动阀2，热水箱I内的开水依靠重力作用流入开水箱4内，由于开水箱4所处位置高度低于集热器，所以输出的开水不会回流至热水箱1，这样就可以不用安装回流阀来防止热水回流，从而达到減少成本、降低故障率的目的。当开水全部输出到开水箱4后，热水箱I内的水位传感器15检测到相应的水位信号的最低下限值，开水控制系统对水位信号进行处理后，发出指令关闭开水电动阀10，并打开连接自来水管和热水箱I连接管路上的进水电动阀7，以实现在自来水压カ下自动上水功能；当水上满后，水位传感器15检测到相应的水位信号的最高上限值，经控制系统处理后，关闭进水电动阀7，实现水满后停止上水的功能。所述的开水箱4的内壁与外壁的夹层中设有绝热材料，其内壁、外壁为不锈钢材料制成。将集热系统加热之后的开水进行存储和保温，以方便饮用或洗浴等应用。參见图1，与现有的普通太阳能热水器中热水管安装不同之处在于，所有的加热管5下端相互连通，并在管路上设有排水电动阀9。进水电动阀7和设于热水箱I中的水位传感器15、排水电动阀9组成自动上水控制系统，以实现自动上水和水满后自动停止上水功能。当毎次(如早晨)根据水位信号发出指令打开进水电动阀7后，利用自来水自身水压进行上水,热水箱I水满后，自动上水控制系统根据水位传感器15采集到的相应信号对进水电动阀7发出关断指令。当热水箱I的水全部加热成开水并且被温度传感器8检测后提供给开水控制系统，温度传感器8与开水电动阀10组成开水控制系统，控制系统发出指令驱动开水电动阀10打开，热水箱I中的开水在水位差别情况下自动全部流入开水箱4后，信号处理电路根据水位传感器15检测到的信号水位最低下限而发出指令，关闭开水电动阀10，并驱动进水电动阀7打开，再利用自来水管本身压カ把水充满热水箱I后，再根据水位传感器6采集的信号发出指令，驱动进水电动阀7关断而停止上水。然后继续通过正反面的太阳光给加热管内的水加热。当水位传感器6检测到热水箱内的水位下降到一定程度，即热水箱内的水全部被加热到沸腾并输入到开水箱后，自动上水控制系统又会自动打开进水电动阀7，对热水箱重新进行上水。
另外，考虑到实际应用中在冬天气温低时为了防止冻裂玻璃集热管，特别设定当温度传感器6的检测值低于某ー个数据值，如5°C吋，则自动上水控制系统发出指令打开排水电动阀9，使得热水箱I内及加热管5中的水自动流出，以保护整个系统安全性；而且执行这个程序期间与热水箱放完水后的上水操作(进水电动阀7打开)为相互否定的关系，即当开排水电动阀9打开时，进水电动阀7关闭。连接于热水箱下部的加热管和复合抛物曲面反射式聚光器组成集热系统。复合抛物曲面反射式聚光器汇聚太阳光照射加热管的背面，和太阳光直接照射加热管正面组合在一起，提高加热管的温度，加热管对其内的自来水进行加热，并通过水被加热后自身比重减小的原理实现冷热水的微循环对流，同样，热水箱内的自来水也是利用热水上浮，冷水下沉的原理和加热管内的热水实现交换，形成源源不断的循环流动直到热水箱中全部水被加热到沸腾温度。
当热水箱的全部水被加热到沸腾后，温度传感器将检测到的信号提供给处理电路，进而发出指令，驱动开水电动阀10打开后，由于两个水箱之间的水位差，开水在重力作用下流入开水箱中保温待用。开水箱下部位置连接装有开水阀13和混水阀14，同时提供生活用开水和温水。參见图2、3，图2所示为集热系统的A-A反射曲面截图。集热系统括加热管5和反射曲面6组成，反射曲面6为复合抛物曲面反射式聚光器，具体是由若干复合抛物曲面构成的非成像聚光器，其采用高反射系数材料制成，由保持一定距离的每ー个加热管处于反射曲面6的焦点位置；加热管5的直径大于现有技术加热管的直径，其直径为现有技术加热管直径的I. 5 2. 5倍，其直径或为110 120mm，相邻加热管5之间的间距也为现有技术中加热管间距的2. 5 3. 5倍，或者其间距L为340 360mm。这样，加热管5背面的复合抛物曲面反射式聚光器就能够把汇聚的太阳光照射在加热管的背面和侧面，和正面太阳光的直接照射一起对加热管内的水进行加热。从而使得同样一段加热管接收的太阳光能量比普通正面照射的太阳光能量增大为2 3倍，从而达到把水加热到沸腾的目标。复合抛物曲面反射式聚光器是ー种非成像聚光器，在实际应用中也仅需要将太阳光聚集到加热管所在的一定区域，而非一条几何光线。本发明采用了具有相同焦点不同对称轴的抛物曲面组成复合抛物曲面反射式聚光器，具体如图3所示。具有相同焦点不同对称轴的抛物曲面ab、bc、cd、de、ef和fg组成复合抛物曲面反射式聚光器，对应于一个加热管5。其中ab段抛物曲面以加热管中心为焦点以竖直方向直线L3为对称轴，用于汇聚中午十二点左右的太阳光；bc段抛物曲面以加热管中心为焦点以和竖直方向夹角为-15°的直线L2为对称轴，用于汇聚十一点左右的太阳光；Cd段抛物曲面以加热管中心为焦点以和竖直方向夹角为-30°的直线LI为对称轴，用于汇聚十点左右的太阳光；de段抛物曲面以加热管中心为焦点以和竖直方向夹角为+30°的直线L5为对称轴，用于汇聚两点左右的太阳光；ef段抛物曲面以加热管中心为焦点以和竖直方向夹角为+15°的直线L4为对称轴，用于汇聚一点左右的太阳光；fg段抛物曲面以加热管中心为焦点以竖直方向直线L3为对称轴，用于汇聚十二点左右的太阳光。这样，在太阳时角为-30°、-15°、0°、15°、30°吋，太阳光平行入射于相应的抛物曲面，使得对应抛物曲面把入射太阳光反射至受热管的背面和侧面。而在和这些个特殊角度不同时，会存在入射太阳光和抛物曲面的对称轴存在ー个不等于0°的入射角，这时聚焦后的光线会偏离焦点，但是采用更大直径的加热管后，根据模拟光路图，反射的大部分太阳光仍然汇聚于热水管上。通过增加聚光体面积的方法保证了太阳光在有效采集时间内都能够被聚光体中的某一部分反射到受热管，达到免跟踪情况下自动跟踪太阳光聚光的功能。实现在太阳能的有效利用时间段内实现对太阳能的聚光和热利用。对于加热管，可以把表面涂黑，使其易于吸收热量。因为此处太阳光强度为I 3倍范围的低倍太阳能聚光，所以一般家用热水器的受热体采用的是真空玻璃是可以承受其热的不均匀性，所以太阳能开水器可直接采用真空玻璃热水管作为受热器，这样，加热得到的开水也更适合人们饮用，但是为了增大受光面积，拟选择直径更大(如直接为120mm)的热水管效果更好。參见图4，图4为本发明的工作流程图，系统启动自检，手动打开进水电动阀7，利用自来水自身水压进行上水，热水箱I水满后，自动上水控制系统根据水位传感器15采集到的相应信号对进水电动阀7发出关断指令，实现水满断水功能。上水后集热系统对加热管5内的水进行加热，并通过水被加热后自身比重减小的原理实现冷热水的微循环对流，直至将热水箱内的水全部加热至沸腾。这时控制系统根据温度传感器8采集得相应温度信号，当检测到水温大于等于100°C吋，开水电动阀10打开，使热水流入开水箱，水满后自动关闭开水电动阀10。这时水位传感器15检测得水位下降，温度传感器测得热水箱及加热管 内的水温大于5°C，小于100°C时，控制系统据此打开进水电动阀7，对热水箱实现自动上水功能。水满后，控制系统根据水位传感器15采集到的相应信号对进水电动阀7发出关断指令，实现水满断水功能。同时在低温下，即水箱及加热管内的水温低于5°C时，控制系统还可以实现自动泄水功能。
权利要求
1.一种太阳能开水器，包括有热水箱(1)，热水箱(I)一端与进水管(2)相连，另一端通过出水管(3)与开水箱(4)相连通，热水箱(I)下部设有加热管(5)，其特征在于，加热管下方设有反射曲面(6)。
2.根据权利要求I所述的一种太阳能开水器，其特征在于，所述的反射曲面(6)为复合抛物曲面反射式聚光器，反射曲面￠)由具有相同焦点和不同对称轴的六个抛物面ab、bc、cd、de、ef和fg组成复合抛物曲面反射式聚光器，其中，ab段抛物曲面以加热管(5)的中心为焦点，以竖直方向直线L3为对称轴；bc段抛物曲面以加热管(5)的中心为焦点，以和竖直方向夹角为-15°的直线L2为对称轴；cd段抛物曲面以加热管(5)的中心为焦点，以和竖直方向夹角为-30°的直线LI为对称轴；de段抛物曲面以加热管(5)的中心为焦点，以和竖直方向夹角为+30°的直线L5为对称轴；ef段抛物曲面以加热管(5)的中心为焦点，以和竖直方向夹角为+15°的直线L4为对称轴；fg段抛物曲面以加热管(5)的中心为焦点，以竖直方向的直线L3为对称轴。
3.根据权利要求I所述的一种太阳能开水器，其特征在于，所述的加热管(5)的直径为110 120mm ;加热管(5)之间的距离为300 400mm ;加热管(5)外表面涂黑；加热管(5)米用真空玻璃管。
4.根据权利要求I所述的一种太阳能开水器，其特征在于，所述的热水箱(I)上设有水位传感器(15)，水位传感器(15)与进水管(2)上的进水电动阀(7)相连；热水箱(I)上还设有温度传感器(8)，温度传感器(8)分别与加热管(5)上的排水电动阀(9)和出水管(3)上的开水电动阀(10)相连。
5.根据权利要求I所述的一种太阳能开水器，其特征在于，所述的开水箱(4)分别连接有开水管(11)与热水管(12)，开水管(11)上设有开水阀(13)，热水管(12)与自来水管通过混水阀(14)相连通；所述的开水箱(4)整体高度低于热水箱(I)，所述的开水箱(4)的内壁与外壁的夹层中设有绝热材料，其内壁、外壁为不锈钢材料制成。
6.根据权利要求I所述的一种太阳能开水器，其特征在于，所述的加热管(5)下端相互连通。
全文摘要
一种太阳能开水器，包括有热水箱，热水箱一端与进水管相连，另一端通过出水管与开水箱相连通，热水箱下部设有加热管，加热管下方设有反射曲面，通过增大加热管之间的间距并在加热管背面设置反射式聚光器的方式，把加热管之间的太阳光汇聚后照射在加热管的背面，从而提高加热管的温度，以达到将水加热到沸腾的目的，具有结构简单、热利用效果好和可提供开水的特点。
文档编号F24J2/12GK102628616SQ201210137550
公开日2012年8月8日 申请日期2012年5月7日 优先权日2012年5月7日
发明者亢洁, 冯晓姗, 刘天虎, 吴艳锐, 宁铎, 张剑莉, 罗万志 申请人:陕西科技大学