石墨烯泡沫/石蜡相变储能材料制作的太阳能热水器水箱的制作方法

本专利涉及太阳能热利用技术领域，具体涉及一种石墨烯泡沫/石蜡相变储能材料制作的太阳能热水器水箱（简称石墨烯泡沫/石蜡相变储能太阳能热水箱）。

背景技术：

我国太阳能热水器（包括家用太阳能热水器与公用的太阳能热水工程）产业是一个蓬勃发展的朝阳产业，2012年产业规模突破1000亿元，预测2020年将达到3000亿元规模，成为世界太阳能热水器的第一大生产与出口国；鉴于我国国情，无论是家用太阳能热水器，还是公用的太阳能热水工程，选择的技术路线，基本是清一色的成本低，而水利用质量差的单循环系统（即水作为储热与供热的工作介质），成为产业发展难以动摇的根基，尽管以相变储能材料为特征的双循环系统(水仅作为供水工作介质，储热工作介质一般是相变材料)的应用开发方兴未艾，但在产业化程度上，受成本、密封、腐蚀等因素制约，仍然难成气候，正如有专家预言：与任何一种伟大产品的诞生过程一样，辉煌的成功前都会经历重重考验；

因此，在我国太阳能热水利用技术的开发应用中，应该坚持两手抓，在大力推广应用双循环系统太阳能热水器的同时，也要对现有单循环太阳能热水器存在的缺陷进行改进与完善；

单循环太阳能热水器经长期研究开发的积累，已凑至完善，改进空间有限，但与双循环热水器相比，仍然存在缺陷与不足，从技术层面看，突出的问题是节能与健康不能同时兼顾，目前研发重点是节能，为充分利用太阳能，其热水器设计的热水箱，绝大多数选择年日平均辐射量作为计算热水箱容积的参数，也有采用逐日辐射量计算容积的，无论哪一种，为了多储能，其容积大多超设计容量，一般都超10%以上，而且作为经验推广，因此，剩余水的反复循环利用，虽然充分利用了自然资源，但水质污染而不能饮用，据“使用中的家用太阳能热水器储水箱出水水质卫生状况调查”的论文揭示：在对山东枣庄市城乡458台家用太阳能热水器出水质量，按照gb/t5750-2006（生活饮用水标准检验方法），对部分感官指标、毒理学、化学指标和细菌学指标进行检验评价，结论为“家用太阳能热水器储水箱出水的水质合格率较低，不能作为生活饮用水”，一旦饮用，会给健康带来危害，至今这一节能与环保卫生矛盾尚未引起足够重视；而是开发以双循环为方向的太阳能相变储能热水器，将相变材料作为储热介质，而水仅作为供水介质，从而解决了节能与环保卫生用水的矛盾，这是与现有巨大产业链的单循环太阳能热水器不同的全新产品，虽然有一系列的比较优势，但要占领市场，替代现有单循环太阳能热水器尚需时日，因此，研发双循环太阳能热水系统的同时，也需要进一步改进与完善单循环太阳能热水器，消解存在矛盾，变害为利，这正是申请人开发本专利的初衷；解决单循环太阳能热水器节能与环保卫生的关键，在于现有热水箱组件的改进与完善；本专利正是为解决这一矛盾，在单循环太阳能热水器中实现双循环太阳能热水器的全部或部分功能，而开发的一种兼具储热与供热功能的改进型单循环太阳能热水器。

技术实现要素：

本专利的基本思路是：与双循环太阳能热水器相比，单循环太阳能热水器因储热与供热是共用水作为工作介质，存在储热与供热的需求矛盾，为节能要求尽可能多储存太阳能热水，为环保卫生，要求供人使用的太阳能热水，尽可能洁净，够用就行，少用或不用反复循环的太阳能剩余水，这是一个典型的技术矛盾问题，从图1所示太阳能热水器技术系统各组件关联分析中可知，现有单循环太阳能热水器处于两个超系统中，一是由太阳通过集热器供给加热水温的能源，二是人使用太阳能或辅助加热装置提供的热水，太阳与人通过热水器中集热器、热水箱与辅助加热装置构成为储热与供热的太阳能热水器系统，在超系统中，太阳与人没有必然的直接联系，而是通过热水箱将太阳与人连接为一体；

太阳能热水器实质上是一个以水为介质转换能量，提供人用热水的装置，集热器将太阳能转换为热水，通过与热水箱的冷、热水温差循环，将热水储存在热水箱中，提供人使用，但太阳能是一种随机性间隙能源，受地域、季节、昼夜、晴雨制约，为节能少用辅助加热装置，要求尽可能在热水箱中多储存太阳能热水，而人使用太阳能热水也是一个随机变量，受用水量集中度与时段影响，为健康要求尽可能少用或不用反复循环使用的太阳能剩余水；在单循环太阳能热水器中，水即是太阳储热的工作介质，又是供人使用的工作介质，存在着储热需求与供水需求不同的技术矛盾，为解决这一技术矛盾，应用triz理论中物质-场分析方法，通过图1太阳能热水器系统各组件的关联性分析，表述出图2所示的太阳能热水器系统物-场模型，以此求解产生技术矛盾的原因及其解决途径与方法；

设集热器为s1，热水箱为s3，辅助加热装置为s2，三个功能体都作用于热水箱内的水温，设为f；由于s3的双重功能，组成为由x1和x1两个子模型（即图1的超系统）构建的复合物—场模型，其中s1、s2、s3、x1、x2、太阳和人都是f的功能作用体，可以分解为多个简易的物-场模型进行分析，从而揭示矛盾产生的原因；x1是通过s1转换光能为热能，并储存于s3中，而x2则是在辐射不足时，通过辅助加热装置s2将s3的水温提升，达到人用水要求；从热水器本身看，各组件都发挥各自的功能作用，但放在与太阳和人相处的超系统中，发现以下问题：

1、太阳与x1构建的物-场模型中，由于太阳能是一个因地域、季节、昼夜、晴雨不同而变的随机自变量，集热器产水量也是一个随之而变的随机因变量，为了充分利用无价能源，而节约有价能源，往往采取超额定容量设计热水箱容积，所以，剩余水是单循环太阳能热水器不可逾越的障碍，成为一个通病，再加上人使用水是一个与太阳能产水不同步的随机变量，更增大剩余水的难控性，剩余水的反复利用，在人参与的热水箱与太阳能集热器所处的物-场中系统，节约了辅助加热水的能源，但损害人的健康，因为无论是洗浴，还是清洗食物，都会或多或少的将不宜饮用的太阳能热水带入人体；因此，热水箱容积增大，对充分利用太阳能有效，但太阳能热水储存过多，对人健康有害；若热水箱容积缩小，减少剩余水，对人健康有效，但太阳能利用不充分，对节能不利；这是单循环太阳能热水器系统尚未解决的矛盾；

2、在人与x2组成的系统中，由于人使用热水具有随意性和间隙性，供水要求因人因环境因素而定，是一个随小时而变的随机变量，因此在给排水工程设计中，按小时变化系数来确定热水箱容积，甚至采用即时加热方式提供人所需要的热水。因此对人供水而言，不需要储存热水，但在与太阳能热水器配套使用的辅助加热装置，往往按热水箱容积加热1天水来设计，因此在人参与的热水箱和辅助加热装置的相互制约中，作用有效，但过度，甚至有害；

3、通过对多重组合的物-场系统分析，揭示了问题的实质，这就是热水箱不能同时兼顾和满足不同功能体需要的结症所在；

解决太阳能热水器系统中节能与健康的矛盾，有多种途径供选择，一是开发新的双循环太阳能热水器系统，储热介质用于集热器，而供水介质为水，通过换热器，将所需供水加热，从而有效解决这一矛盾，但这是与现有太阳能热水器系统完全不同的新系统、新装置，虽然是创新的方向，但对已形成巨大产业链的单循环太阳能热水器产业来说，如蚍蜉撼树，动摇现有产业的根基，难度很大；二是申请人提出的，在基本不改变现有产业链基础上，从热水箱单一组件结构入手，采用储热与传热效能最佳的石墨烯泡沫/石蜡相变储能材料，制作为太阳能热水器水箱（简称太阳能热水箱），将储热、传热、供水与保温集成为多功能体；实现单循环太阳能热水器系统也能达到双循环太阳能热水器系统的技术效果，用一种材料与最简单的制作与安装方法，解决长期困扰单循环太阳能热水器系统存在的节能与健康的技术矛盾问题；对现有太阳能热水器系统来说，不是动摇其产业根基，而是锦上添花，只须改变水箱壳体制作材料，就能在单循环太阳能热水器系统中，实现双循环太阳能热水器系统储热与供热统一的效果；

本专利为设计产品，所要实现的技术效果是：以现有市售供3-4人洗浴热水的150l、供5-6人洗浴热水的200l、供7-9人洗浴热水的300l、供10人以上洗浴热水的450l的家用真空管式太阳能热水器水箱（简称太阳能热水箱）为参照系，在不改变水箱与集热器功能连接口的基础上，选用一种石墨烯泡沫/石蜡相变储能材料制作水箱壳体，用一层壳体结构取代现有由内胆+保温层+外壳三种三层材料制作的壳体、在供热水人数与参照系相同前提下，实现水箱储水量减一半、并兼具供水、储热、传热、保温多功能于一体的家用太阳能热水箱；其技术效果体现并记述在说明书附图3的本专利太阳能热水器水箱结构示意图、说明书附图4的本专利与现有太阳能热水箱结构对比示意图以及表1所测算的本专利与现有市售家用太阳能热水箱技术参数测算对比表中：

表1本专利与现有市售家用太阳能热水箱技术参数测算对比表

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为实现上述说明书附图3、附图4与表1所对比的技术效果，采取的技术方案是：石墨烯泡沫/石蜡相变储能材料制作的太阳能热水器水箱，由壳体、水箱内容积、出水口、电加热接口、进水口、排污口、集热器接口、溢流口、排气口组成，其中所述出水口、电加热接口、进水口、排污口、集热器接口、溢流口、排气口按现有市售家用太阳能热水箱的结构设计制作；其中所述水箱内容积对应相同供洗浴人数的现有市售的太阳能热水箱内容积减少一倍设计制作；其中所述壳体选用石墨烯泡沫/石蜡相变储能材料，按表1所述型号及其技术参数制作为圆柱体水箱壳体，取代现有家用太阳能热水器水箱由外壳+保温层+内胆三层不同材料制作的壳体，实现在供洗浴人数相同的前提下，水箱净重减轻12~42%，水箱总重减轻42~48%，基本消除储存的剩余水，达到在单循环家用太阳能热水器中，实现双循环太阳能热水器储热与供热统一的技术效果。

其中所述石墨烯泡沫/石蜡相变储能材料是一种最新开发成功、能够实现传热与储热一体化的多功能相变储能材料，它以熔解热高、储能密度大、相变时蒸汽压低、结晶时自成核无析出无过冷现象、化学性质稳定、无毒、无味、疏水、价格低廉的石蜡相变材料作为水箱壳体的储能工作介质，以导热系数高、孔隙率高、比表面积大、强度高、稳固性好、耐水性好、密度低、成型易的三维多孔连通网络结构的石墨烯泡沫材料作为水箱壳体的支撑骨架，通过真空浸渍法或自然吸附法将液态石蜡充填吸附在石墨烯泡沫孔隙中，复合为水箱壳体用的石墨烯泡沫/石蜡相变储能材料，具体性能与规格指标依表1所述水箱技术参数要求选用或定制，一是石墨烯泡沫/石蜡相变储能材料体积比：石墨烯泡沫占10%，液态石蜡占90%；二是石墨烯泡沫性能：选用密度0.25g/cm³±、孔径在亚微米至数百微米范围可调、孔隙率≥90%且连通、支撑自身重量与储水重量以上的负载（据有关试验，石墨烯泡沫能够支撑自重3000倍以上负载）；三是石蜡性能：选用60号食品级石蜡、比热0.8kcal/kg•℃、熔解热60kcal/kg、液态密度0.77g/cm3、固态密度0.9g/cm3、液-固相变时体积收缩率≈15%、熔点61-62℃；四是石蜡与水的储热比，以本专利选用的60号石蜡为例，经测算，相同储热温度下，1m³体积的石蜡相变材料放在蓄水箱中，相当于蓄水体积的2.5倍的储热量；四是石墨烯泡沫/石蜡相变储能材料性能：选用导热系数4.0w/m·k±(为60号液态石蜡导热系数的10倍以上)、密度1.06g/cm³、热扩散系数>900mm²/s的微观固-液相、宏观固-固相的定形储能材料。

其中所述石墨烯泡沫/石蜡相变储能材料制作的太阳能热水器水箱壳体壁厚度与壁重量测算确定方法是：以表1所述水箱技术参数与石墨烯泡沫/石蜡相变储能材料的具体性能指标数值为基准，用空心圆柱体容积与容重的计算式，测算本专利太阳能热水箱的壳体壁厚度与重量，其结果示于表2：

表2石墨烯泡沫/石蜡相变储能太阳能热水箱壳体壁厚度与重量测算表

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其中所述石墨烯泡沫/石蜡相变储能材料制作的太阳能热水器水箱壳体壁储热量测算确定方法是：以表2所述本专利太阳能热水器水箱壳体壁技术参数与石墨烯泡沫/石蜡相变储能材料的具体性能指标数值为基准，测算不同型号水箱壳体壁储热量，结果示于表3：

表3石墨烯泡沫/石蜡相变储能太阳能热水箱壳体壁储热量测算表

从表3可知，无论从壳体壁储存的热能看，还是从壳体壁的传热面积看（未包括壳体内壁表面的孔隙面积），能够将不同型号太阳能水箱新增冷水后水温降低所需热能，通过相变储能快速补充，达到近似恒定的洗浴水温要求。

附图说明

图1为太阳能热水器系统各组件的关联性分析示意图，

图2为太阳能热水器系统物-场模型示意图，

图3为石墨烯泡沫/石蜡相变储能材料制作的家用太阳能热水器水箱结构示意图，

图4为本专利与现有市售家用太阳能热水器水箱结构对比示意图；

图3、图4中1是壳体，2是水箱内容积，3是出水口，4是电加热接口，5是进水口，6是排污口，7是集热器接口，8是溢流口，9是排气口，1-1是外壳。1-2是保温层，1-3是内胆。

具体实施方案

结合说明书发明内容与附图说明，具体的技术实施方案是：石墨烯泡沫/石蜡相变储能材料制作的太阳能热水器水箱，由壳体1、水箱内容积2、出水口3、电加热接口4、进水口5、排污口6、集热器接口7、溢流口8、排气口9组成，其中所述出水口3、电加热接口4、进水口5、排污口6、集热器接口7、溢流口8、排气口9按现有市售家用太阳能热水器水箱的结构设计制作；其中所述水箱内容积2对应相同供洗浴人数的现有市售太阳能热水器水箱内容积减少一倍设计制作；其中所述壳体1选用石墨烯泡沫/石蜡相变储能材料，按表1所述型号及其技术参数制作为圆柱体水箱壳体，取代现有家用太阳能热水箱由外壳1-1+保温层1+2+内胆1-3三层不同材料制作的壳体，实现在供洗浴人数相同的前提下，水箱净重减轻12~42%，水箱总重减轻42~48%，基本消除储存的剩余水，达到在单循环家用太阳能热水器中，实现双循环太阳能热水器储热与供热统一的技术效果；

表1本专利与现有市售家用太阳能热水箱技术参数测算对比表

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其中所述石墨烯泡沫/石蜡相变储能材料是一种能够实现传热与储热一体化的多功能材料，它以熔解热高、储能密度大、相变时蒸汽压低、结晶时自成核无析出无过冷现象、化学性质稳定、无毒、无味、疏水、价格低廉的石蜡相变材料作为水箱壳体1的储能工作介质，以导热系数高、孔隙率高、比表面积大、强度高、稳固性好、耐水性好、密度低、成型易的三维多孔连通网络结构的石墨烯泡沫材料作为水箱壳体2的支撑骨架，通过真空浸渍法或自然吸附法将液态石蜡充填吸附在石墨烯泡沫孔隙中，复合为水箱壳体1用的石墨烯泡沫/石蜡相变储能材料，具体性能与规格指标依表1所述水箱技术参数要求选用或定制，一是石墨烯泡沫/石蜡相变储能材料体积比：石墨烯泡沫占10%，液态石蜡占90%；二是石墨烯泡沫性能：选用密度0.25g/cm³±、孔径在亚微米至数百微米范围可调、孔隙率≥90%且连通、支撑自身重量与储水重量以上的负载；三是石蜡性能：选用60号食品级石蜡、比热0.8kcal/kg•℃、熔解热60kcal/kg、液态密度0.77g/cm3、固态密度0.9g/cm3、液-固相变时体积收缩率≈15%、熔点61-62℃；四是石蜡与水的储热比，以本专利选用的60号石蜡为例，经测算，相同储热温度下，1m³体积的石蜡相变材料放在储水箱中，相当于储水体积的2.5倍的储热量；四是石墨烯泡沫/石蜡相变储能材料性能：选用导热系数4.0w/m·k±(为60号液态石蜡导热系数的10倍以上)、密度1.06g/cm³、热扩散系数>900mm²/s的微观液-固、宏观固-固相的定形储能复材料。

其中所述石墨烯泡沫/石蜡相变储能材料制作的太阳能热水器水箱壳体壁厚度与壁重量测算确定方法是：以表1所述水箱技术参数与石墨烯泡沫/石蜡相变储能材料的具体性能指标数值为基准，用空心圆柱体容积与容重的计算式，测算本专利太阳能热水箱的壳体壁厚度与重量，其结果示于表2：

表2石墨烯泡沫/石蜡相变储能太阳能热水箱壳体壁厚度与重量测算表

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其中所述石墨烯泡沫/石蜡相变储能材料制作的太阳能热水器水箱壳体壁储热量测算确定方法是：以表2所述本专利太阳能热水器水箱壳体避技术参数与石墨烯泡沫/石蜡相变储能材料的具体性能指标数值为基准，测算不同型号水箱壳体壁储热量，结果示于表3：

表3石墨烯泡沫/石蜡相变储能太阳能热水箱壳体壁储热量测算表

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