一种高聚光蓄热式太阳能热水器的制作方法

本发明属于太阳能技术领域，涉及一种高聚光蓄热式太阳能热水器。

背景技术：

太阳能热水器利用太阳的辐射收集热量，在日常生活中得到了广泛应用，传统的太阳能热水器由集热管、保温水箱和连接管道构成。保温水箱是储存热水的容器，通过管道将保温水箱内的冷水送入集热管，集热管内产生的热水再由管道送入保温水箱，保温水箱与连接管道形成一个闭合的环路。水箱不仅造成安装不便，而且出水质量也差，因此传统的太阳能热水器正逐渐被无水箱式热水器所替代。

现有的太阳能热水器采用外聚光和内聚光两种方式将光线汇聚至集热管上，其中外聚光用的反光板大多为采用不锈钢或者铝合金板材制成的平面形结构，并被置于集热管的下方，当太阳光线照射在反光板上时，反光板将光线反射至集热管背阳面。

现有的反光板只能起到相对的反射作用，不能够使集热管360°受光，存在反射死角，因此集热面积小，集热速度慢，热效率低，并且无法很好地适应太阳角度的变化，聚光效果差。

此外，无水箱式太阳能热水器是采用蓄热方式存储热能，能够存储的热量大，但是在用户端使用时过高的热水无法直接使用，需要混入较多的冷水降低热量，这造成了热量的浪费。

技术实现要素：

本发明的目的是针对现有的技术存在上述问题，提出了一种高聚光蓄热式太阳能热水器，该太阳能热水器接收汇聚的光线多产热效率高。

本发明的目的可通过下列技术方案来实现：

一种高聚光蓄热式太阳能热水器，包括聚光器、集热组件、连接管路、蓄热体以及基座，基座支撑聚光器，聚光器包括反光板和两侧板，两侧板延伸自反光板的两侧边缘，反光板和两侧板界定出具有开口的聚光腔，聚光腔以预设角度面向太阳；集热组件固设于聚光腔内，集热组件包括若干个横置的集热管；反光板的内表面具有能够反射太阳光线的反射面一和反射面二，反射面二自反射面一的边界向上弧形延伸，反射面二与反射面一平滑相连，反射面一和反射面二都为弧面状，反射面二的曲率半径大于反射面一的曲率半径，集热管的向阳面接收来自太阳的直射光线，集热管的背阳面接收来自反射面一和反射面二的反射光线；蓄热体设置在集热管内或者与集热管形成循环回路，集热管产生的热能储存于蓄热体中；连接管路包括通入冷水的进水管、排出热水的出水管以及将冷水加热成热水的换热管，换热管伸入蓄热体中，进水管的一端连接用户冷水管，进水管的另一端连接换热管的进水管，出水管的一端连接换热管的出水端，出水管的另一端连接用户热水管。

本发明的太阳能热水器为无水箱式结构，其中聚光器朝向于太阳设置，太阳光线从聚光器的开口射入至聚光腔，一部分光线是直接照射在集热管的向阳面上，另一部分光线是照射在反射面一和反射面二上，通过反射面一和反射面二将光线反射至集热管的背阳面上，从而集热管的向阳面和背阳面都能受到充足的光线照射，其中集热管的真空热管将太阳能转换为热能，并将热能储存在蓄热体中，用户需要使用热水时，开启用户冷水管，在水压的推动下，冷水从进水管进入到换热管中，蓄热体储存的热能将冷水加热成热水，热水从出水管排出至用户热水管，用户热水管的用户端连接混水阀，从而为用户提供恒温热水。

在上述的高聚光蓄热式太阳能热水器中，反射面二与反射面一的曲率半径比为87:50，反射面一和反射面二形成二次反射区域，集热管的背阳面接收的反射光线包括一次反射光线和二次反射光线。

在上述的高聚光蓄热式太阳能热水器中，反射面一和反射面二分别镀有反射膜层，反射膜层所镀材料为铝或银，反射面一的反射膜层的反射率和反射面二的反射膜层的反射率相同或者不同。

在上述的高聚光蓄热式太阳能热水器中，聚光器还包括可透光的玻璃，玻璃盖设在聚光腔的开口处，玻璃为布纹超白钢化玻璃，反光板为铝板或者不锈钢板；基座的两侧各设有一个支撑臂，支撑臂的上端固定在聚光器的侧板上，支撑臂的下端可转动连接于基座。

在上述的高聚光蓄热式太阳能热水器中，集热管包括套管和真空热管，真空热管包括玻璃外管和玻璃内管，玻璃内管同轴地内置于玻璃外管，玻璃内管和玻璃外管之间形成真空，玻璃内管的整个外壁镀有吸收太阳光线并将光能转换为热能的吸收膜层，吸收膜层所镀材料为铜、不锈钢和铝；套管的两端盖设有固定件，固定件开设有偏心通孔，真空热管的端部穿设偏心通孔，真空热管通过固定件与套管固定，真空热管的直径尺寸为套管的直径尺寸的1/2～2/3。

在上述的高聚光蓄热式太阳能热水器中，集热组件还包括联箱一和联箱二，联箱一固定在其中一个侧板的内壁上，联箱二固定在另一个侧板的内壁上，集热管的一端为用于内外连通的入口端，集热管的另一端为盲端，集热管的入口端与联箱一相连，集热管的盲端与联箱二相连。

在上述的高聚光蓄热式太阳能热水器中，蓄热体是填装在玻璃内管中的相变蓄热材料，进水管和出水管都设置于联箱一内；换热管的两端为直形部，两个直形部之间为螺旋弯曲部，集热管的入口端设有密封塞，密封塞开设有匹配直形部的两个通孔，换热管的螺旋弯曲部内置于玻璃内管中，换热管的直形部穿设密封塞通孔，多个集热管通过换热管相互串联或者并联。

在上述的高聚光蓄热式太阳能热水器中，进水管包括包括进水管一和进水管二，出水管包括出水管一和出水管二，热水管包括热水管一和热水管二，进水管一和进水管二分别连接冷水管，出水管一连接热水管一，出水管二连接热水管二，集热组件包括两组集热管，第一组集热管连接进水管一和出水管一，第二组集热管连接进水管二和出水管二，第一组集热管内填装的相变蓄热材料为混有碳纤维的膨胀石墨和石蜡复合相变材料或无机盐混合物相变材料，相变温度为100-200℃；第二组集热管内填装的相变蓄热材料为掺杂纳米铝石蜡相变材料，相变温度50-95℃。

在上述的高聚光蓄热式太阳能热水器中，蓄热体设置在基座内，蓄热体由若干个蓄热棒组成，蓄热棒包括棒体和相变蓄热材料，相变蓄热材料填装在棒体内，棒体内还设有换热管和传热管，集热管具有供传热介质进出的进口和出口，集热管的出口连接传热管的进口，传热管的出口连接集热管的进口；换热管呈螺旋弯曲状，多个蓄热棒通过换热管相互串联或者并联。

在上述的高聚光蓄热式太阳能热水器中，进水管包括包括进水管一和进水管二，出水管包括出水管一和出水管二，热水管包括热水管一和热水管二，进水管一和进水管二分别连接冷水管，出水管一连接热水管一，出水管二连接热水管二，蓄热体包括两组蓄热棒，第一组蓄热棒连接进水管一和出水管一，第二组蓄热棒连接进水管二和出水管二，第一组蓄热棒内填装的相变蓄热材料为混有碳纤维的膨胀石墨和石蜡复合相变材料或无机盐混合物相变材料，相变温度为100-200℃；第二组蓄热棒内填装的相变蓄热材料为掺杂纳米铝石蜡相变材料，相变温度50-95℃。

与现有技术相比，本技术方案具有的优势是：

1、聚光器的反光板采用非圆形结构，反光板的内表面由曲率不同的反射面一和反射面二组成，增大了开口程度，从而能够接收汇聚到更多的光线，即提高了该太阳能热水器的聚光效果，因此该太阳能热水器的产热效率高，且不需要设置太阳追踪机构，简化了结构；

2、套管与真空热管是偏心设置，在集热管的安装位置不变的情况下，只要轴向转动集热管，便能够改变真空热管所处的位置，使得每一个集热管的真空热管相对于反射面一和反射面二都是处于最佳的角度，减少了各个集热管互相之间的光线遮挡和干扰现象，使每个集热管都能接收到360°的光线照射；

3、聚光器和集热管是协同作用，由于聚光器的开口大，反光板的反射范围也大，通过调整每一个集热管的真空热管的位置，可以使得反光板反射的光线都能投射在真空热管上，减少了反射光线的损失，因此不仅接收汇聚的光线多，光线的实际利用率也高，光线损失少，产热效率高；

4、具有高温和中温两种蓄热温度，从而实现分级利用，做到了热量的合理利用，避免了需要使用温度较低的热水时，将高温热水与大量的冷水混合而造成了热量的浪费。

附图说明

图1是本发明的太阳能热水器的结构示意图。

图2是本发明的聚光器的结构示意图。

图3、4、5是本发明的聚光器的光路图。

图中，1、集热组件；2、基座；3、反光板；4、侧板；5、聚光腔；6、集热管；7、反射面一；8、反射面二；9、玻璃；10、支撑臂；11、联箱一；12、联箱二。

具体实施方式

以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。

如图1至图5所示，本发明提供了一种高聚光蓄热式太阳能热水器，包括聚光器、集热组件1、连接管路、蓄热体以及基座2，基座2支撑聚光器，聚光器包括反光板3和两侧板4，两侧板4延伸自反光板3的两侧边缘，反光板3和两侧板4界定出具有开口的聚光腔5，聚光腔5以预设角度面向太阳；集热组件1固设于聚光腔5内，集热组件1包括若干个横置的集热管6；反光板3的内表面具有能够反射太阳光线的反射面一7和反射面二8，反射面二8自反射面一7的边界向上弧形延伸，反射面二8与反射面一7平滑相连，反射面一7和反射面二8都为弧面状，反射面二8的曲率半径大于反射面一7的曲率半径，集热管6的向阳面接收来自太阳的直射光线，集热管6的背阳面接收来自反射面一7和反射面二8的反射光线；蓄热体设置在集热管6内或者与集热管6形成循环回路，集热管6产生的热能储存于蓄热体中；连接管路包括通入冷水的进水管、排出热水的出水管以及将冷水加热成热水的换热管，换热管伸入蓄热体中，进水管的一端连接用户冷水管，进水管的另一端连接换热管的进水管，出水管的一端连接换热管的出水端，出水管的另一端连接用户热水管。

本发明的太阳能热水器为无水箱式结构，其中聚光器朝向于太阳设置，太阳光线从聚光器的开口射入聚光腔5，一部分光线是直接照射在集热管6的向阳面上，另一部分光线是照射在反射面一7和反射面二8上，通过反射面一7和反射面二8将光线反射至集热管6的背阳面上，从而集热管6的向阳面和背阳面都能受到充足的光线照射，集热管6将太阳能转换为热能，并将热能储存在蓄热体中，用户需要使用热水时，开启用户冷水管，在水压的推动下，冷水从进水管进入到换热管中，蓄热体储存的热能将冷水加热成热水，热水从出水管排出至用户热水管，用户热水管的用户端连接混水阀，从而为用户提供恒温热水。

值得一提的是，聚光器的反光板3采用非圆形结构，反光板3的内表面由曲率不同的反射面一7和反射面二8组成，增大了开口程度，从而能够接收汇聚到更多的光线，即提高了该太阳能热水器的聚光效果，使得该太阳能热水器的产热效率高。

优选地，反射面二8与反射面一7的曲率半径比为87:50，具体地，反射面二8的曲率半径为435mm，反射面一7的曲率半径为250mm。反射面一7和反射面二8形成二次反射区域，集热管6的背阳面接收的反射光线包括一次反射光线和二次反射光线。光线投射在反射面一7或反射面二8上后能够直接反射到集热管6上的是一次反射光线，光线投射在反射面一7或反射面二8上后经过一次反射仍投射在反射面一7或反射面二8上，再次经过反射面一7或反射面二8的反射后最终投射在集热管6上的是二次反射光线，其中实现二次投射的区域是二次反射区域，因此该聚光器的反射效果好，如图3至5所示，随着太阳角度的改变，二次反射区域的范围也会随之改变，保证了集热管6的背阳面始终能够接收到光线。

进一步地，反射面一7和反射面二8分别镀有反射膜层，反射膜层所镀材料为铝或银，反射面一7的反射膜层的反射率和反射面二8的反射膜层的反射率相同或者不同。反射膜层提高了反射面一7和反射面二8对光线的反射效率。

此外，聚光器还包括可透光的玻璃9，玻璃9盖设在聚光腔5的开口处，玻璃9为布纹超白钢化玻璃，反光板3为铝板或者不锈钢板。玻璃9不影响到太阳光线的穿透，且能够对集热组件1起到保护作用。

具体地，集热组件1还包括联箱一11和联箱二12，联箱一11固定在其中一个侧板4的内壁上，联箱二12固定在另一个侧板4的内壁上，集热管6的一端为用于内外连通的入口端，集热管6的另一端为盲端，集热管6的入口端与联箱一11相连，集热管6的盲端与联箱二12相连。基座2的两侧各设有一个支撑臂10，支撑臂10的上端固定在聚光器的侧板4上，支撑臂10的下端可转动连接于基座2，通过支撑臂10的转动可调节聚光器的角度。本发明采用的聚光器的聚光效果好，因此不需要对太阳追踪，简化了结构，仅需通过支撑臂10进行一定调节，以适应太阳在夏至以及冬至时的高度变化。

可选择地，集热管6包括套管和真空热管，套管偏心地套设真空热管，真空热管包括玻璃外管和玻璃内管，玻璃内管同轴地内置于玻璃外管，玻璃内管和玻璃外管之间形成真空，玻璃内管的整个外壁镀有吸收太阳光线并将光能转换为热能的吸收膜层，吸收膜层所镀材料为铜、不锈钢和铝；套管的两端盖设有固定件，固定件开设有偏心通孔，真空热管的端部穿设偏心通孔，真空热管通过固定件与套管固定，真空热管的直径尺寸为套管的直径尺寸的1/2～2/3。

太阳直射光线和反射光线均先后穿过套管和玻璃外管，投射在玻璃内管上，被玻璃内管外壁上的吸收膜层吸收并转换为热能，热能储存在蓄热体中，以用于冷热水换热。

值得一提的是，由于套管与真空热管是偏心设置，在集热管6的安装位置不变的情况下，只要轴向转动集热管6，便能够改变真空热管所处的位置，即集热组件1位于光线接收的范围中，仍可进一步地调节真空热管的位置，使得每一个集热管6的真空热管相对于反射面一7和反射面二8都是处于最佳的角度，减少了各个集热管6互相之间的光线遮挡和干扰现象，使每个集热管6都能接收到360°的光线照射。

聚光器和集热管6是协同作用，由于聚光器的开口大，反光板3的反射范围也大，通过调整每一个集热管6的真空热管的位置，可以使得反光板3反射的光线都能投射在真空热管上，减少了反射光线的损失，从而使得该太阳能热水器不仅接收汇聚的光线多，光线的实际利用率也高，光线损失少，进一步提高了产热效率。

以下提供蓄热体的两种设置方式：

实施例一

蓄热体是填装在玻璃内管中的相变蓄热材料，通过物理状态变化实现吸热和放热。进水管和出水管都设置于联箱一11内。换热管的两端为直形部，两个直形部之间为螺旋弯曲部，增加换热路径长度，实现充分换热，集热管的入口端设有密封塞，密封塞开设有匹配直形部的两个通孔，换热管的螺旋弯曲部内置于玻璃内管中，换热管的直形部穿设密封塞通孔，换热管的其中一端直形部与进水管相连，作为进水端，换热管的另一端直形部与出水管相连，作为出水端。集热管6将太阳能转换为热能后，热能立即被相变蓄热材料吸收储存，提高了蓄热的效率，减少了热损失。

多个集热管6通过换热管相互串联或者并联。第一个集热管的换热管的进水端连接进水管，出水端连接第二个集热管6的换热管的进水端，换热管依次相连，最后一个集热管6的换热管的出水端连接出水管，这种方式为集热管6的串联，冷水逐个通过集热管6内进行换热，以实现充分换热。

每个集热管6的换热管的进水端分别连接进水管，出水端分别连接出水管的方式为集热管6的并联，以实现快速换热。

可选择地，进水管包括包括进水管一和进水管二，出水管包括出水管一和出水管二，热水管包括热水管一和热水管二，进水管一和进水管二分别连接冷水管，出水管一连接热水管一，出水管二连接热水管二，集热组件1包括两组集热管，第一组集热管连接进水管一和出水管一，第二组集热管连接进水管二和出水管二，第一组集热管内填装的相变蓄热材料为混有碳纤维的膨胀石墨和石蜡复合相变材料或无机盐混合物相变材料，相变温度为100-200℃；第二组集热管内填装的相变蓄热材料为掺杂纳米铝石蜡相变材料，相变温度50-95℃。第一组集热管和第二组集热管独立集热互不干扰，第一组集热管内填装的相变蓄热材料的相变温度高于第二组集热管内填装的相变蓄热材料的相变温度，第一组集热管实现高温换热，第二组集热管实现中温换热，当用户需要使用温度较高的热水时，开启热水管一的混水阀阀门，而需要使用中温的热水时，开启热水管二的混水阀阀门，从而实现分级利用，做到了热量的合理利用，避免了需要使用温度较低的热水时，将高温热水与大量的冷水混合而造成了热量的浪费。

实施例二

蓄热体设置在基座2内，蓄热体由若干个蓄热棒组成，蓄热棒包括棒体和相变蓄热材料，相变蓄热材料填装在棒体内，棒体内还设有换热管和传热管，集热管具有供传热介质进出的进口和出口，集热管6的出口连接传热管的进口，传热管的出口连接集热管6的进口，集热管6与蓄热棒形成循环回路，传热介质为蒸汽或者水，集热管6将太阳能转换为热能之后，传热介质被加热，传热介质经传热管通过蓄热棒后，相变蓄热材料吸收传热介质的温度，即热能被储存在蓄热棒中。用户端用水时，经换热管通过蓄热棒，相变蓄热材料中的热能用于加热冷水，实现换热。

换热管呈螺旋弯曲状，增加换热路径长度，实现充分换热，多个蓄热棒通过换热管相互串联或者并联。

第一个蓄热棒中的换热管的进水端连接进水管，出水端连接第二个蓄热棒中的换热管的进水端，换热管依次相连，最后一个蓄热棒中的换热管的出水端连接出水管，这种方式为蓄热棒的串联，冷水逐个通过蓄热棒进行换热，以实现充分换热。

每个蓄热棒的换热管的进水端分别连接进水管，出水端分别连接出水管的方式为蓄热棒的并联，以实现快速换热。

可选择地，进水管包括包括进水管一和进水管二，出水管包括出水管一和出水管二，热水管包括热水管一和热水管二，进水管一和进水管二分别连接冷水管，出水管一连接热水管一，出水管二连接热水管二，蓄热体包括两组蓄热棒，第一组蓄热棒连接进水管一和出水管一，第二组蓄热棒连接进水管二和出水管二，第一组蓄热棒内填装的相变蓄热材料为混有碳纤维的膨胀石墨和石蜡复合相变材料或无机盐混合物相变材料，相变温度为100-200℃；第二组蓄热棒内填装的相变蓄热材料为掺杂纳米铝石蜡相变材料，相变温度50-95℃。

第一组蓄热棒和第二组蓄热棒独立集热互不干扰，第一组蓄热棒的相变温度高于第二组蓄热棒的相变温度，第一组蓄热棒实现高温换热，第二组蓄热棒实现中温换热，当用户需要使用温度较高的热水时，开启热水管一的混水阀阀门，而需要使用中温的热水时，开启热水管二的混水阀阀门，从而实现分级利用，做到了热量的合理利用，避免了需要使用温度较低的热水时，将高温热水与大量的冷水混合而造成了热量的浪费。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

尽管本文较多地使用了集热组件1；基座2；反光板3；侧板4；聚光腔5；集热管6；反射面一7；反射面二8玻璃9；支撑臂10；联箱一11；联箱二12等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。