一种具有控温相变储热功能的太阳能热水系统的制作方法

本发明属于太阳能技术领域，具体涉及一种具有控温相变储热功能的太阳能热水系统。

背景技术：

太阳能是一种绿色清洁可再生能源，是人类能应用的最丰富的能源，在全球均得到了广泛的应用，在提供热水供应、提高人民的生活水平、减少常规能源消耗等方面发挥了巨大的作用。但太阳能具有能流密度低、能量在时间和空间上分布不均等特点。

在已知技术中，现有的太阳能热水系统主要结构包括集热器、水箱、泵站、循环管道、控制系统组成；将设置在室内的水箱通过进出循环管道与泵站连接在一起，设置在室外的集热器通过进出循环管道与泵站连接在一起，集热器与泵站之间的进出循环管上设置有球阀，膨胀水箱通过管道与泵站相接，这样便有效的解决了装置中循环液的热胀冷缩的问题；集热器、泵站、膨胀水箱以及水箱内的热交换器通过进出循环管道构成独立的密闭循环，这样使得加热介质与被加热的水分离，保证了加热水的卫生质量；同时系统采用带控制逻辑的泵站，系统热性能较高，使用舒适性较高。

但系统在经过多年的实际安装使用后发现，如果用户长期外出长时间无人使用储热水箱内的热水，储热水箱与循环介质的温度温差会越来越小，但是集热器仍然工作吸收太阳能热量，集热单元温度会超过100℃以上甚至会高达235℃及以上，从而使循环管道内的介质温度达到120℃以上，储热水箱温度会达到100℃以上，从而导致热水系统内的压力增大，达到系统安全装置的要求（95℃、0.8mpa）造成安全装置开启泄压喷液，不仅仅存在循环介质难闻的味道，同时因为多次开启泄压喷液也会造成系统内介质越来越少，大大降低了系统及管路的安全性能及寿命；同时介质长期处于120℃高温状态，容易发生碳化反应，堵塞集热单元，降低换热效率；同时循环介质达到120℃会触发太阳能热水系统的高温保护功能，造成泵站及系统停机，用户再次使用时无法得到所需要的热水只能报修，降低用户体验，也增加了售后的工作量；同时普通的承压水箱均为水在水箱内，长时间不用易产生细菌和异味等问题导致水质较差、不卫生。

技术实现要素：

为解决上述问题，本发明提供一种具有控温相变储热功能的太阳能热水系统，能够有效的限制热管集热器内的介质温度，避免太阳能热水系统温度过高带来安全性问题。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种具有控温相变储热功能的太阳能热水系统，包括热管集热器和储热水箱，所述热管集热器包括集热管组和联箱，所述联箱内设有流道管，所述集热管组的前端固定安装在所述联箱侧壁上；

所述集热管组包括若干根并排的金属热管单元，每根金属热管单元的管腔内填充有气液相变材料，所述气液相变材料的相变温度为80℃-85℃，每根金属热管单元的前端延伸至所述流道管内并形成延伸段；

所述储热水箱由外往内依次为外壳、聚氨酯保温层和内胆，所述内胆设置有介质换热管和用水换热管，所述内胆中填充有固液相变材料，所述固液相变材料的相变温度为50℃-55℃；

所述介质换热管的介质进口和介质出口延伸至所述储热水箱外部通过介质循环管路与所述流道管的进、出口循环连通；所述用水换热管的用水进口和用处出口延伸至所述储热水箱外部通过用水循环管路与用水端连通。

进一步的，所述介质换热管和用水换热管均为螺旋分布的金属管，所述用水换热管的长度为介质换热管长度的2-4倍。

进一步的，所述金属热管单元外部套设有真空玻璃管并形成真空夹层腔，所述真空玻璃管上涂设有太阳能选择性吸收涂层，所述金属热管单元通过螺旋分布的导热翅片固定在所述真空玻璃管内，所述集热管组的下方设有cpc反光板，所述联箱与流道管之间采用保温岩棉填充固定。

进一步的，所述介质循环管路上设置有膨胀水箱和泵站。

进一步的，所述金属热管单元为铝材质，所述气液相变材料为乙醇、乙二醇和水调配而成；所述固液相变材料为高密度聚乙烯材料。

进一步的，所述固液相变材料占所述内胆容积的4/5-5/6。

本发明与现有技术相比所取得的有益效果如下：

1、金属热管单元内填充气液相变材料，该气液相变材料的相变温度为80℃-85℃，吸热后相变为气态的最高温度为95℃。金属热管单元吸收热量后，加热气液相变材料，起初状态是液体，以显热的方式吸热，当气液相变材料温度到达相变温度时，吸热方式从显热变成潜热，流道管内的循环介质经过金属热管单元的眼神段后吸收大量热量，使气液相变材料温度快速下降，重新进入液体显热吸热状态；由于气液相变材料的相变气态的最高温度为95℃，因为热传导散热损失等因素，循环介质的温度不会超过90℃，循环介质通过介质循环管道传递到储热水箱内的固液相变材料中进行存储；固液相变材料的相变温度为50℃-55℃，吸热后相变为液态的最高温度为75℃，介质换热管吸收热量后，加热固液相变材料，起初状态是固体，以显热的方式吸热，当固液相变材料温度到达相变温度时，吸热方式从显热变成潜热，能量存储在固液相变材料中；生活用水经过用水换热管后吸收大量热量，使固液相变材料温度下降，重新进入液体显热吸热状态；由于固液相变材料的相变气态的最高温度为75℃；这样能够有效的避免热水系统温度过高带来安全性问题；

以上两种相变材料在达到最高温度后会相对稳定。两种相变材料相配合，实现了大量储热及控温的效果。由于两种相变材料潜热密度都为显热的5~10倍甚至更高，因此，即使在太阳辐照量最高的夏天，储热水箱内温度也不会超过80℃，不会出现系统停机自动泄压喷液保护的情况。这样能够有效的避免热水系统温度过高带来的过热、泄压、喷液以及系统停机等安全性问题；

2、储热水箱内填充固液相变材料，来代替现有技术中的水，既能存储大量的热量，也能避免长时间不用导致水箱内水变质污染滋生细菌，使太阳能热水系统更加健康；

3、介质换热管和用水换热管均为螺旋分布的金属管，保证固液相变材料能与之充分接触换热，提高换热效率；

4、本发明结构紧凑，使用安全，值得在太阳能热水系统领域大力推广。

附图说明

图1为本发明所述太阳能热水系统结构示意图；

图2为本发明所述热管集热器内部结构示意图；

图3为本发明所述储热水箱内部结构示意图；

图中;1、热管集热器，11、联箱，12、金属热管单元，13气液相变材料，14、延伸段，15、真空玻璃管，2、储热水箱，21、内胆，22、固液相变材料，23、介质换热管，24、用水换热管，3、介质循环管路，4、膨胀水箱，5、泵站。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

如图1所示，本实施例公开一种具有控温相变储热功能的太阳能热水系统，主要包括热管集热器1、储热水箱2、介质循环管路3、膨胀水箱4和泵站5。

其中，如图2所示，热管集热器1包括集热管组和联箱11，在联箱11内设有金属材质的流道管，集热管组的前端固定安装在联箱11侧壁上。集热管组包括若干根并排的金属热管单元12，每根金属热管单元12的管腔内填充有气液相变材料13，气液相变材料13的相变温度为80℃-85℃，每根金属热管单元12的前端延伸至流道管内并形成延伸段14。金属热管单元12外部套设有真空玻璃管15并形成真空夹层腔，在真空玻璃管15上涂设有太阳能选择性吸收涂层，金属热管单元12通过螺旋分布的导热翅片固定在所述真空玻璃管15内，集热管组的下方设有cpc反光板，在联箱11与流道管之间采用保温岩棉填充固定。如此设计，保证热管集热器1能充分吸热和保温，保证对太阳能的充分吸收利用。

如图3所示，储热水箱2由外往内依次为外壳、聚氨酯保温层和搪瓷材质的内胆21，内胆21设置有介质换热管23和用水换热管24，在内胆21中填充有固液相变材料22，固液相变材料22的相变温度为50℃-55℃。质换热管和用水换热管24均为螺旋分布的金属管，所述用水换热管24的长度为介质换热管23长度的3倍，介质换热管23的介质进口和介质出口延伸至储热水箱2外部通过介质循环管路3与流道管的进、出口循环连通。在介质循环管路3上设置膨胀水箱4和泵站5，保证介质能在储热水箱2和热管集热器1之间循环。用水换热管24的用水进口和用处出口延伸至储热水箱2外部通过用水循环管路与用水端连通。

本实施例中，气液相变材料选择为乙醇、乙二醇和水调配而成，固液相变材料为高密度聚乙烯材料，这些都是常规的相变材料，也可以根据选择采用其他已知的相变材料。

本发明所述太阳能热水系统具体工作原理如下：

热管集热器1的金属热管单元12吸收热量后，加热气液相变材料13，起初状态是液体，以显热的方式吸热，当气液相变材料13温度到达相变温度时，吸热方式从显热变成潜热，流道管内的循环介质经过金属热管单元12的眼神段后吸收大量热量，使气液相变材料13温度快速下降，重新进入液体显热吸热状态；由于气液相变材料13的相变气态的最高温度为95℃，因为热传导散热损失等因素，循环介质的温度不会超过90℃。循环介质通过介质循环管路3进入介质换热管23，介质换热管23内的介质热量传递到储热水箱2内的固液相变材料22中进行存储；固液相变材料22的相变温度为50℃-55℃，吸热后相变为液态的最高温度为75℃，介质换热管23吸收热量后，加热固液相变材料22，起初状态是固体，以显热的方式吸热，当固液相变材料22温度到达相变温度时，吸热方式从显热变成潜热，能量存储在固液相变材料22中；生活用水经过用水换热管24后吸收大量热量，使固液相变材料22温度下降，重新进入液体显热吸热状态；由于固液相变材料22的相变气态的最高温度为75℃。若用户长期外出，两种相变材料在达到最高温度后会相对稳定。两种相变材料相配合，实现了大量储热及控温的效果。由于两种相变材料潜热密度都为显热的5~10倍甚至更高，因此，即使在太阳辐照量最高的夏天，储热水箱2内温度也不会超过80℃，不会出现系统停机自动泄压喷液保护的情况。这样能够有效的避免热水系统温度过高带来的过热、泄压、喷液以及系统停机等安全性问题。