一种集热管单元及集热控温相变增容太阳能热水系统的制作方法

[0001]
本实用新型属于太阳能系统领域，具体涉及一种集热管单元及集热控温相变增容太阳能热水系统。


背景技术：

[0002]
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。
[0003]
现有技术中的太阳能热水系统，主要包括热管集热器和储热水箱，所述热管集热器通过循环管路与所述储热水箱介质循环连通。热管集热器包括联箱和热管单元组，热管单元组包括若干根并排的集热管单元，每个集热管单元均包括直通式的不锈钢管和高硼硅玻璃管；所述高硼硅玻璃管套设在所述不锈钢管外部，所述不锈钢管的外表面镀有太阳能选择性吸收涂层，所述不锈钢管的轴心线位于所述高硼硅玻璃管的轴心线的正下方；所述不锈钢管和所述高硼硅玻璃管之间为真空；联箱包括外壳和不锈钢流道，所有不锈钢管的上端均垂直连通联箱的不锈钢流道。这样通过太阳能加热不锈钢管内的介质，加热后的介质通过循环管路进入储热水箱，在正常使用过程中，尤其是夏天光照充足的时候，储热水箱内的水温会在60℃-70℃之间，由于用户每天都会使用储热水箱的水，会有冷水循环进入储热水箱，水箱内水温会降低，夹套层及联箱中的介质会吸收热管单元的温度并给储热水箱供热，不会使热管单元温度超过80-100℃，如果用户长期外出，以至长时间没人使用储热水箱内的热水，储热水箱与介质的温度温差很小，加上太阳能吸收的作用，热管集热单元温度会超过110℃以上，从而使不锈钢管道内的介质温度达到90℃以上，储热水箱温度会达到90℃以上，从而导致热水系统内的压力增大，安全性能降低；介质长期处于高温状态，容易发生碳化反应，降低换热效率；同时会触发太阳能热水系统的限温器动作，导致整个系统停止供电，用户再次使用时只能报修，降低用户体验，也增加了售后的工作量。


技术实现要素：

[0004]
本实用新型要解决的问题是提供一种集热管单元及集热控温相变增容太阳能热水系统，能够有效的限制热管集热器内的介质温度，避免热水系统温度过高带来安全性问题。
[0005]
本实用新型是通过以下技术方案实现的：
[0006]
一种集热管单元，包括带有真空夹层的集热管体，所述集热管体内设有封闭的集热容腔，所述集热容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℃。
[0007]
进一步的，所述集热管体外部套设有真空玻璃管，所述真空玻璃管上涂设有太阳能选择性吸收涂层，所述集热管体通过螺旋分布的导热翅片固定在所述真空玻璃管内。
[0008]
进一步的，所述真空玻璃管的一端封堵、另一端为管口且封装有金属封头，所述集
热管体的一端贯穿所述金属封头延伸至外部形成延伸段，所述延伸段的直径大于所述集热管体的直径。
[0009]
进一步的，所述集热管体为铜材质或铝材质的金属管，所述导热翅片为铜材质制作而成；所述气液相变材料为乙醇、乙二醇和水调配而成。
[0010]
一种集热控温相变增容太阳能热水系统，包括热管集热器和储热水箱，所述热管集热器通过循环管路与所述储热水箱介质循环连通；所述热管集热器包括联集箱和热管单元组，所述联集箱内设有联集内腔，所述热管单元组由本申请所述的集热管单元并排组成，所述集热管体的一端延伸至所述联集内腔中。
[0011]
进一步的，所述储热水箱由外往内依次为外壳、聚氨酯保温层、夹套层和内胆，所述内胆中安装有电辅助加热棒和多个相变储热球，每个相变储热球的壳体内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℃；所述联集内腔的介质出口和介质进口分别通过介质管路连通所述夹套层的腔体，所述介质管路上设有循环泵。
[0012]
进一步的，所述固液相变材料为高密度聚乙烯材料。
[0013]
进一步的，所述储热水箱的容量为30-40l，所述相变储热球的体积为所述储热水箱容量的1/3-1/2。
[0014]
本实用新型与现有技术相比所取得的有益效果如下：
[0015]
1、本实用新型所述的集热管单元，其集热管体内的集热容腔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℃。集热管体吸收热量后，加热气液相变材料的温度，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，从而维持集热管体的温度保持不变，联集内腔的介质经过集热管体后吸收大量热量，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温度为80℃-85℃，介质的温度不会超过90℃以上，能够有效的限制热管集热器内的介质温度，避免热水系统温度过高带来安全性问题；
[0016]
2、集热管体为铜材质或铝材质的金属管，能有效防止因为体积增大，导致损坏，提高使用寿命；真空玻璃管的设计，有效保证集热管体的吸热效率；
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3、本实用新型所述的集热控温相变增容太阳能热水系统，其中热管集热器采用本实用新型所述的热管集热单元，同时，储热水箱内放有多个相变储热球，当储热水箱内温度到达相变储热球的相变温度（50~55℃）时，相变储热球中固液相变材料发生固液相变，固液相变材料吸收大量热量并保持温度不变。当热管集热器继续吸收太阳能的热量，集热管体内介质温度继续上升，储热水箱内相变材料吸热方式由潜热回到显热，储热水箱内的水及相变储热球温度继续上升。由于热管集热器的气液相变材料作用，介质的温度不会继续升高，储热水箱的温度升高到一定范围会相对稳定。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℃，不会出现限温器动作导致自动断电的情况；
[0018]
4、当太阳能辐照量不足且用户需要用水时，相变储热球释放潜热对储热水箱进行加热，保证用户生活用水的供应；在极限情况下，如连续的阴雨天，相变材料潜热释放完全，可利用储热水箱内电辅助加热进行加热，保证热水供应。总体来说，本申请可以实现集热控温与水箱相变增容，大大提高了太阳能利用效率；
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5、相变材料潜热量为水储热量的5~10倍，相同热水需要量的情况下，热管集热器和储热水箱体积更小，节约阳台空间；同时在太阳辐照量好时存储更多的热量，提高了太阳能的利用效率。
附图说明
[0020]
图1为本实用新型所述集热管单元结构示意图；
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图2为本实用新型所述集热控温相变增容太阳能热水系统结构示意图；
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图3为本实用新型所述储热水箱结构示意图；
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图中：1、热管集热器，2、储热水箱，21、夹套层，22、相变储热球，23、固液相变材料，3、集热管体，4、真空玻璃管，5、气液相变材料，6、导热翅片，7、联集箱，71、联集内腔。
具体实施方式
[0024]
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。
[0025]
如图1所示，本实施例公开一种集热管单元，包括集热管体3和真空玻璃管4，真空玻璃管4的一端封堵、另一端为管口且封装有金属封头，在真空玻璃管4上涂设有太阳能选择性吸收涂层。集热管体3为铜或铝或不锈钢材质的金属管，在集热管体3内设有封闭的集热容腔，在集热容腔内填充有气液相变材料5，所述气液相变材料5的相变温度为80℃，可采用乙醇、乙二醇和水调配而成。集热管体3通过螺旋分布的导热翅片6固定在所述真空玻璃管4内，使集热管体3与真空玻璃管4同轴分布，并抽空形成真空夹层，集热管体3的一端贯穿所述金属封头延伸至外部形成延伸段，所述延伸段的直径大于所述集热管体3的直径。导热翅片6采用铜材质制作而成，如此设计，保证吸收的热量充分传导在集热管体3上。
[0026]
如图2-3所示，本实施例公开的一种集热控温相变增容太阳能热水系统，包括热管集热器1和储热水箱2，其中，热管集热器1包括一个联集箱7和热管单元组，联集箱7内设有联集内腔71用于流通循环介质。热管单元组由本实施例公开的集热管单元并排组成，所述集热管体3的一端的延伸部横向设置在所述联集箱内腔71中。
[0027]
储热水箱2由外往内依次为外壳、聚氨酯保温层、夹套层21和内胆，所述内胆中安装有电辅助加热棒和多个相变储热球22，每个相变储热球22的壳体内填充有固液相变材料23，所述固液相变材料23为高密度聚乙烯材料。该固液相变材料23的相变温度为50℃-55℃之间。储热水箱2的容量为30-40l，所述相变储热球22的体积为所述储热水箱2容量的1/2。所述联集内腔71的介质出口和介质进口分别通过介质管路连通所述夹套层21的腔体，所述介质管路上设有循环泵。
[0028]
本实用新型所述集热管单元及集热控温相变增容太阳能热水系统工作原理如下：
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在夏季光照良好的天气时，真空玻璃管吸收太阳能辐射，在导热翅片作用下，集热管体吸收热量，从而加热气液相变材料的温度，起初状态是液体，以显热的方式吸热。集热管体的延伸部在联集内腔中，传热给循环介质。由于介质温度越高密度越小的特性以及循环泵工作，热管集热器中的介质循环经过储热水箱的夹套层，夹套层中的介质加热储热水
箱中的水及相变储热球。当储热水箱内温度到达相变储热球相变温度（50~55℃）时，相变储热球中相变材料发生固液相变，相变材料吸收大量热量并保持温度不变。
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当热管集热器继续吸收太阳能的热量，联集内腔中的介质温度继续上升，储热水箱内相变材料吸热方式由潜热回到显热，储热水箱内水及相变储热球温度继续上升。一般情况下，用户每天使用储热水箱内的水时，由于冷水的补充，储热水箱内的水温会相对稳定在60℃左右，热管集热器的集热管体温度不会达到气液相变材料的相变温度。
[0031]
当用户出门导致储热水箱的水长时间不使用时，热管集热器继续工作，集热管体吸收热量后，加热气液相变材料的温度，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，从而维持集热管体的温度保持不变，联集内腔的介质经过集热管体后吸收大量热量，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。从而能够有效的限制热管集热器内的介质温度，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，介质的温度不会超过90℃以上，储热水箱内温度也不会超过80℃，避免热水系统温度过高带来安全性问题，不会出现限温器动作导致自动断电的情况。
[0032]
当太阳能辐照量不足且用户需要用水时，相变储热球释放潜热对储热水箱进行加热，保证用户生活用水的供应；在极限情况下，如连续的阴雨天，相变材料潜热释放完全，可利用储热水箱内电辅助加热进行加热，保证热水供应。总体来说，本申请可以实现集热控温与水箱相变增容，大大提高了太阳能利用效率。