一种真空管集热式太阳能热水器的制作方法

本实用新型涉及一种真空管集热式太阳能热水器，属于光热技术领域。

背景技术：

随着世界能源危机及日益严峻的环境污染，可再生能源的开发利用得到世界各国的高度重视和广泛支持。太阳能由于其无污染、分布广、室外能量密度大及用之不竭等特点，在太阳能光热、光伏等领域得到了广泛研究和利用。在太阳能光热利用中，平板太阳能集热器、真空管集热器是太阳能热水系统光热转换的核心部件。其中，平板太阳能集热器可分为管板式、翼管式、扁合式、蛇管式等，平板集热器由于受其结构的限制，热损失较大，实际工作热效率不足55％。真空管太阳能集热器按照其结构不同，可分为全玻璃真空管集热器和金属吸热体真空管集热器。全玻璃真空管集热器采用双层玻璃管结构，其利用内管外表面镀吸收层提高太阳能吸收率和减小其热发射率，达到提高光热转换效率的目的，具有结构简单、成本低、热效率高等特点。全玻璃真空管在使用中，真空管与保温水箱直接连接，水在真空管内靠热对流、热传导方式被加热，实现与保温水箱中的水进行热交换。但是，靠水温度变化带来的对流传热并不充分，因此，真空管底部存在水循环的“死区”，导致底部存在“死水”，随使用时间增加，底部“死水”变成污水，对真空集热管集热器内热水产生了二次污染。目前，水污染已成为全玻璃真空管的主要问题。为减少真空集热管对水的污染，金属吸热体玻璃真空管被设计和制备，金属吸热体玻璃真空管按结构可分为热管式、同心套管式、储热式、内聚光式和直通式等多种形式，能有效缓解全玻璃真空管水污染的问题，但由于其集热管制备工艺复杂，成本高，实用性差，未得到广泛应用。

目前，在太阳能热水系统中，制备工艺简单、低成本、无污染、使用安装方便、实用性高的真空管太阳能热水系统还没有相关报道。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于克服现有真空管集热器的技术缺陷，设计一种加工工艺简单、无污染、低成本、使用方便的一种真空管集热太阳能热水器，通过热水存储控制器，控制热水存储过程，提高太阳能热水系统的集热效率和实用性。

本实用新型的目的是通过下述技术方案实现的。

一种真空管集热太阳能热水器，包括：蛇形真空管集热器阵列、保温腔、固定支架、保温水箱、热水存储控制器、温度传感器、电磁阀。

所述蛇形真空管集热器阵列由玻璃真空管、蛇形铜管、弹片支架、保温密封罩组成，用于将太阳能转换为热能；其中玻璃真空管为内外管双层结构，内管外表面镀吸收膜层，有利于提高太阳辐射吸收率和减小其发射率。玻璃真空管内外管之间的空隙为真空层，用于减小因空气对流、传导导致的热损失。蛇形铜管安装在玻璃真空管的内部，是水流通管，采用蛇形结构的目的在于增加铜管在玻璃真空管中的受热面积，延长水在玻璃真空管中的流通距离，增加水在真空管中的加热时间，提高水的升温速度。弹片支架安装在蛇形铜管底部，用于对蛇形铜管的固定。保温密封罩为顶部开有开两圆孔的聚丙烯塑料罩，用于对玻璃真空管开口端的密封保温，两圆孔作为铜管的出口。各真空管之间由铜管连接，构成蛇形真空管集热器阵列。冷水由真空管集热器阵列的左端冷水入口流入，加热后由右端热水出口端流出。

保温腔由铝合金外壳、橡胶管及玻璃棉组成，用于保温和蛇形真空管集热器阵列的固定；橡胶管为内管，铝合金为外壳，内部填充玻璃棉用于保温。保温腔左端留有冷水管入口，右端留有热水管出口。

固定支架由固定槽、右侧固定杆和左侧固定杆组成，用于固定真空管集热器阵列；固定槽采用铝合金材料，左、右侧固定杆采用铝合金方管，用于连接固定槽和上部保温腔铝合金外壳，实现对蛇形真空管集热器阵列的固定。

保温水箱用于存储蛇形真空管集热器阵列输出热水，其容积可根据真空管集热器阵列面积来确定。

温度传感器由PT100铂电阻和温度变送器组成，利用铂电阻温度升高，电阻值增加的原理，通过PT100阻值的变化检测真空管集热器阵列中热水温度。温度变送器，为电压输出型，温度范围为0-200℃，输出电压为1-5V，用于将铂电阻阻值(水温)的变化转换为电压，为热水存储控制器提供控制信号。

热水存储控制器由单片机ATMG89c51及其接口电路等构成，其可根据热水温度电压信号，进行AD转换、运算，输出控制电磁阀开、关的控制信号。

电磁阀是系统热水存储过程控制的执行器，其可根据热水存储控制器输出信号控制保温水箱热水的存储过程。

上述组成部件之间的连接关系如下：

蛇形铜管安装在玻璃真空管中，保温密封罩安在玻璃真空管的顶端，蛇形铜管通过保温密封罩两圆孔由铜管串联组成蛇形真空管集热器阵列，连接铜管与玻璃真空管上端嵌入到保温腔中，蛇形真空管集热器阵列的下端嵌入到固定支架的固定槽中，左、右固定杆与保温腔的铝合金外壳和固定槽相连，稳定蛇形真空管集热器阵列，蛇形真空管集热器阵列的冷水入水管通过保温腔左侧与自来水管相接，热水出水管通过保温腔分别与热水阀和电磁阀的入口端相接，电磁阀出水端连接到保温水箱的进水口，保存蛇形真空管集热器阵列输出热水，温度传感器安装到蛇形真空管集热器阵列的热水出水管内，温度传感器(5)的电压输出端接到热水存储控制器的信号输入端，热水存储控制器(4)输出端接到电磁阀的控制端，电磁阀的开、关工作状态由热水出水管中热水温度决定。有益效果

本实用新型提出的真空管太阳能热水系统及其热水存储控制法，将蛇形铜管集成到真空管集热器中，水经蛇形铜管在真空管中被加热，一方面有效利用了真空管集热器热效率高的特点，另一方面，水在铜管中循环，避免在真空管底部形成死水区产生污染，有效解决了传统真空管集热器对水形成的二次污染问题。另外，通过设计热水存储控制器控制热水的存储过程，将集热器输出热水温度控制在适合的温度范围(45-50℃)，避免高温导致热损失增加，达到了提高系统热效率和增强实用性的目的。同时，系统加工工艺简单，成本较低、安装简易，真空管集热器阵列可安装在阳台、墙壁等位置，保温水箱可直接安放在室内，具有使用方便等特点。

附图说明

图1为本实用新型的真空管集热器系统组成示意图；

图2为本实用新型的真空端口保温罩剖面示意图；

图3为本实用新型的热水存储控制器热水存储控制；

图4为本实用新型的热水存储控制器硬件组成示意图；

图5为本实用新型的热水存储控制器软件流程图。

图中，1-蛇形真空管集热器阵列、2-保温腔、3-保温水箱、4-热水存储控制器、5-温度传感器、6-电磁阀、7-左侧固定杆、8-右侧固定杆、9-固定槽、10-玻璃真空管、11-蛇形铜管、12-铝合金壳、13-橡塑管、14-玻璃棉、15-冷水入水管、16-热水出水管、17-热水阀、18-弹片支架、19-保温密封罩、20-保温水箱出水阀、21-固定支架。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的具体实施方式做进一步详细说明。

如图1所示，一种真空管集热太阳能热水器，包括：蛇形真空管集热器阵列1、保温腔2、固定支架21、保温水箱3、热水存储控制器4、温度传感器5、电磁阀6。

所述蛇形真空管集热器阵列用于将太阳能转换为热能，由玻璃真空管10、蛇形铜管11、弹片支架18、保温密封罩19组成；

蛇形真空管集热器阵列1的特征为：

(1)、玻璃真空管10为内外管双层结构，材料采用硼硅玻璃，内管外表面镀吸收膜层，提高太阳辐射吸收率和减小其发射率，玻璃真空管10的内外管之间的空隙为真空层，减小因空气对流、传导导致热损失，其中，玻璃外管的透光率要求大于89％以上，内管吸收层的吸收率应大于93％，发射率应小于5％，内外管之间的真空度≤5×10^-2Pa，内管直径为4.8cm。

(2)、蛇形铜管11安装在玻璃真空管10的内部，是水流通管，材料采用导热率高、易于变形加工的铜管，采用蛇形结构目的在于增加铜管在玻璃真空管10中的受热面积，延长水在玻璃真空管10中的流通距离，增加水在玻璃真空管10中的加热时间，提高水的升温速度，铜管的蛇形加工中，最大曲率半径不能大于玻璃真空管10内管直径，弹片支架18安装在蛇形铜管11底部，用于对蛇形铜管11的固定。

(3)、玻璃真空管10端口保温密封罩19选择热导率低(小于0.2W/m.k)、耐高温(熔点大于180℃)和易于加工的聚丙烯塑料罩，结构如图2所示，顶部开有开两圆孔用于安装连接铜管，在图2中，保温密封罩19内塞部分的直径dn要求与玻璃真空管10的内径一致，内塞厚度t₂要求大于4cm，保温密封罩19卡口宽t1要求与玻璃真空管10的端口玻璃厚度一致。

(4)、各玻璃真空管10内蛇形铜管11由铜管串连，串连玻璃真空管10的数量由用户对热水量及使用地区的太阳辐照度等因素决定，蛇形真空管集热器阵列1左侧留有冷水如水管15，右侧留有热水出水管16。

所述固定支架21用于固定蛇形真空管集热器阵列1，由固定槽9、左侧固定杆7和右侧固定杆8组成，固定槽9采用铝合金，左侧固定杆7、右侧固定杆8用于连接底部的固定槽9和保温腔2的铝合金壳12，实现对蛇形真空管集热器阵列1的固定。

所述保温腔2用于蛇形真空管集热器阵列1上端口和连接铜管的固定和保温，保温腔2的特征为：

(1)、保温腔2双层结构，里层要求选用易于加工、保温性好和耐热性好的材料，设计选用橡胶管13为里层，外层选用易于加工、强度高的铝合金材料，设计铝合金壳12。

(2)、橡胶管13底部开有圆形空和长条形槽，用于安装固定玻璃真空管的上端和连接铜管。铝合金壳12加装在橡胶管13的外部，起到加固保温腔2和连接固定支架21中左侧固定杆7、右侧固定杆8的作用，在橡胶管13内部填充玻璃棉14用于保温。保温腔2左侧为冷水入口管15，右侧为热水出水管16。

所述保温水箱3由于存放蛇形真空管集热器阵列1输出热水，其容积可根据蛇形真空管集热器阵列1面积确定。

所述温度传器5由PT100铂电阻和温度变送器组成，如图4所示，利用其温度升高，电阻值增大的特点，通过监测其电阻值的不同，测量温度。

其特征为：

(1)、电阻温度系数为3.9×10-3/℃，0℃时电阻值为100Ω，电阻变化率为0.3851Ω/℃。

(2)、铂电阻安装在保温腔热水输出端铜管内。

(3)、温度变送器，为电压输出型，其用于将铂电阻阻值(水温)的变化转换为电压信号，为热水存储控制器4提供控制信号，其温度范围为0-200℃，输出电压为1-5V，电压温度变化率为20mV/℃，温度为0℃时，铂电阻阻值为100Ω，输出电压为1V。

所述热水存储控制器4根据温度传感器5输出温度电压信息，采用迟滞控制控制算法，由ADC0809、单片机AT89C51及其接口电路等完成对热水温度的A/D转换和运算，输出电磁阀开、关控制信号，实现对热水存储过程的控制。其特征为：

(1)、热水控制算法采用迟滞控制算法，控制过程包括三个状态：温控起始状态、升温保持状态和存储控制状态。

温控起始状态：系统开始工作或铜管中水温未达到45℃时，热水存储控制器4工作在温控起始状态，电磁阀6关闭状态标志位为“1”，电磁阀6处于关闭状态，玻璃真空管10为水加热，水温逐渐升高；

升温保持状态：当热水出水管16中水温达到45℃时，且热水存储控制器4中电磁阀6关闭状态标志位为“1”的条件下，热水存储控制器4工作在升温保持状态，电磁阀6处于关闭状态，铜管中水温逐渐升高，当热水温度达到50℃时，升温保持状态结束，热水存储控制器4进入存储控制状态，同时将电磁阀6关闭状态标志位为“0”，电磁阀6开状态标志位置为“1”；

存储控制状态：热水温度达到50℃时，热水存储控制器4工作在存储控制状态，控制器输出电磁阀6开(高电平)驱动信号，热水存储到保温箱中，同时，水温会逐渐降低，当水温降低到45℃时，热水存储控制器4输出电磁阀6关断(低电平)驱动信号，热水停止存储，热水存储控制器4进入升温状态，并将电磁阀6开状态标志位置为“0”，电磁阀6关闭状态标志位置为“1”，在太阳光照条件下，热水存储控制器4循环工作在升温保持及存储控制状态，其控制过程如图3所示。

(2)、热水存储控制器4的组成，包括热水存储控制器4的硬件系统和软件系统，其中，硬件系统包括：ADC0809，单片机AT89C51及其外围驱动电路等，组成原理如图4所示。软件系统，采用查询方式实现AD转换控制，主要包括系统初始化、设置AD转换控制信号、AD转换查询、系统运行状态判断及控制和控制信号输出等，控制程序流程图如图5所示。

(3)、存储热水温度45-50℃的设定，主要考虑平衡太阳能系统的热效率与实用性。在太阳能热水系统中，系统中热水温度越高，系统热损失越大，但是，系统热水温度越低，实用性变差。考虑到人洗澡最佳生活用水温度为39℃，将系统热水温度控制45-50℃之间，这样既能保证保温水箱3内热水温度满足生活用水的要求，又使系统工作在较低温度下，实现了系统的热效率与实用性之间的平衡。

所述电磁阀6是系统热水存储过程控制的执行器，根据热水存储控制器4输出信号控制保温水箱3热水的存储过程。

上述组成部件之间的连接关系如下：

蛇形铜管11安装在玻璃真空管10中，保温密封罩19安在玻璃真空管10的顶端，蛇形铜管11通过保温密封罩19两圆孔由铜管串联组成蛇形真空管集热器阵列1，连接铜管与玻璃真空管10上端嵌入到保温腔2中，蛇形真空管集热器阵列1的下端嵌入到固定支架21的固定槽9中，左固定杆7、右固定杆8与保温腔2的铝合金外壳12和固定槽9相连，稳定蛇形真空管集热器阵列1，蛇形真空管集热器阵列1的冷水入水管15通过保温腔2左侧与自来水管相接，热水出水管16通过保温腔2分别与热水阀17和电磁阀6的入口端相接，电磁阀6出水端连接到保温水箱3的进水口，保存蛇形真空管集热器阵列1输出热水，温度传感器5安装到蛇形真空管集热器阵列1的热水出水管16内，温度传感器5的电压输出端接到热水存储控制器4的信号输入端，热水存储控制器4输出端接到电磁阀6的控制端，电磁阀6的开、关工作状态由热水出水管16中热水温度决定。

本系统的工作过程如下：

首先，太阳能经蛇形真空管集热器阵列1转换为热能，为玻璃真空管1内腔中的蛇形铜管11加热，冷水由蛇形真空管集热器阵列1左侧冷水入水管15进入，由左到右通过蛇形真空管集热器阵列1中的蛇形铜管11加热，由右侧热水出水管16流出。输出热水温度高低由太阳能辐照度、环境温度、流量及水在蛇形铜管中停留时间等决定。为提高系统热效率及增强系统的实用性，设计了热水存储控制器4，利用温度传感器5探测热水出水管内热水温度信息，由热水存储控制器4采用迟滞控制算法，通过控制电磁阀6将热水控制在45-50℃，并存储在保温水箱中，这样使系统工作在适合温度，减小热损失，同时满足生活用水的需要，达到提高系统热效率及增强系统实用性的目的。同时，系统热水也可通过热水阀17为用户直接使用。另外，本实用新型的蛇形真空管集热器阵列11可安装在阳台、墙壁等位置，保温水箱3直接安放在室内，具有安装使用方便等特点。