[发明专利]太阳热水器、太阳集热器及太阳跟踪系统和储水箱

说明书

技术领域

本发明涉及到太阳热能利用领域，包括太阳热水器。

背景技术

在现有的太阳能热能利用技术中，特别是家用太阳热水器、及供热、供冷和热转换发电系统，它们都存在着下列多种不足及问题：1、集热效率与制造成本的比例的问题，即太阳热能获得的单位成本问题。如集热效果较好的各种真空管及热管真空管型、或各种聚光型太阳集热器，其存在着结构及生产工艺复杂、用料多体积大、重量重、生产成本高，同时还存在着其热能是通过间接交换，即是将集热管收集到的太阳热能，先通过传热导体与水等工质进行间接式热能交换，不但有压力及其热阻大，也使热损耗率高和真空管等元器件易损坏和使用寿命短等，热能直接转换式易造成工质泄漏等问题。上述存在的问题它包括主要的集热器之部分，也包括太阳跟踪系统及储水箱之部分；而特别是各种集热器为平板型热水器，其生产成本虽比各种真空管型低，但同样存在着吸热板之热能需间接交换，即热转换工质不是直接与吸热板全接触，而是热能先传导给热交换管由管璧与工质接触交换。吸热板与热交换管间及热管与联管之间的结点加工复杂、吸热板及热交换管热阻大、热传导率低效果差、热量损耗大、热交换管内有内压即工质所产生的压力等，特别是强制热工质交换型内压更大。而集热率及热传导效率低，则意味着总体占用空间大、所能达到的温度也低，热能获得的单位成本高、及用途也受到局限，一般仅应用于卫生沐浴热水器。同时，其在阳光较弱或不足时，可能达不到所预想或预设的热水温度，影响了使用等问题。上述所述各种平板型或真空管或热管真空管型、或聚光型太阳集热器，由于是采用间接热交换方式，其吸热板或集热管与热交换管的接触面积远小于非接触面积，造成热阻大、传热慢，而非接触面积大，会大量向外壳内空间即吸热板的各个方向散热，造成很大的热损失，为了减少热损失，就必须在吸热板的各个方向设置防止热散发隔阻层及保温层，不但增加了成本和增加重量，也使支架或太阳跟踪系统承担更重的重量等诸多不利因素的不良循环。同时也对吸热板的导热性能要求更高及其结构强度更高，即增加了对材料的强度或不同材料的厚度的要求，既增加了成本又反过来增加了其热阻等系列不利的因素等问题；2、增加太阳跟踪系统结构强度及能量消耗的问题：正如上面所述，现有的各种集热器，因其用料多重量重，给支架或太阳跟踪系统的压力大，使支撑机构的结构所需强度增加，增加了用料，增加了生产成本。如果由于集热器的重量增大，会增加动力机构转动时的能量消耗，即增加了使用成本，或说是增加了太阳热能获得的单位成本。所以，正因上述原因，现有的太阳热水器，一般没设置太阳跟踪系统，但反过来又降低了集热器的集热效果及使用效果等不利因素的不良循环，影响到了太阳能技术推广应用与发展；3、在寒冷地区使用的防冻问题：由于是采用热交换工质即水是浸泡式或自然循环式或强迫循环式，暴露于寒冷的室外的集热器中或管路中还储存或残留有水，特别在阴冷天及夜晚时会将构件冻裂，须采取防冻或保温措施，增加了投入成本和影响了元部件的使用寿命等；4、储水箱中的热水利用方式所存在的问题：现有太阳热水器，也包括慢热式电热水器中的储水箱，大多都是采用等量水进水出的进排水方式，在沐浴时或说在利用热水时，进水口须同步有等量的冷水进入水箱，才能有等量的热水排出否则无法排水。采用这样的排水方式或说这样的技术，其所存在的问题是：假设一个储水量为120升，可供5人使用的热水器，如拟设定热水温度为50度或当天的集热温度仅能达到该温度，假设适宜最低沐浴温度为35度，那本可供5人沐浴使用的热水，就会因前面沐浴的人沐浴时，因储水箱内补进的冷水，而造成箱内的热水温度降低到低于适宜的35度以下，使后面的人无法使用。虽说热水会上浮并处于水箱上方，但进水时不可能不混合使水温下降，也即相当于浪费了一半或更多的热水或能量。如果当天的热水能达到60度以上时，会比更低的温度所造成的热能损失小些，即热能利用率会更高些。反过来说，要达到5人都有适宜温度的热水用，就须加大太阳集热器面积和储水箱的容量及体积，即增加集热能量，也就增加了上面第1、2点所述的问题。本问题特别是较大型的各种热水系统，问题更为严重。而如慢热式电热水器因而会增加耗电量，同样存在该问题。本问题当在冬天或阳光不足的阴冷天，如是作为生活用水，正好又是所需温度较高的时候，而则刚好集热量又不足，所造成的影响就会更大。还有，上述的进排水方式还存在着因自来水系统的水压较大，如果让其全压进入储水箱，会使水箱体承压过大，须增加箱体的结构强度，大大地增加了制造成本，所以，一般都设置有进水减压阀进行限压保护，但不但会增加成本，还会使花洒喷头的出水量及水压降低，即俗称的毛毛雨现象，失去沐浴时的可利用水压进行水疗保健的效果，及沐浴时如去除身上的沐浴液所需增加的用水量等问题；5、使用寿命的问题：不论是平板型或真空管等型集热器，在热能转换时都会对其元器件造成较大或很大的压力，该压力包括热交换工质的压力及介质受热时体积膨胀所产生的压力。主动强迫热交换型比自然热能交换型压力会更大，所以对其各元器件的强度要求也更高，重量也更重，造成其本身的生产成本增加，或容易造成工质泄漏等，同时也增加安装支架或太阳跟踪系统的承重，增加结构强度及转动所需动力能量的消耗，也使使用寿命相应地相对降低，特别是双真空管型容易造成炸管及造成集热器报废等问题；6、太阳集热器还存在的问题；现有集热器特别是平板型平面式集热器，其集热面积即接受太阳光的光照面积或称辐射的面积及热能转换面积，相对于弧型面或聚光型或真空管型的面积小，如其如果是非太阳跟踪型即固定安装型，会存在集热板的正面光照时间短，侧面照射比例大、反射率高等问题，降低了太阳能利用率及影响了集热效果。同样，平板波浪型、或聚光型或真空管型因东西两侧的弧度等高，在上午时东侧会挡住西侧的光线，到下午则西侧挡住东侧的光线，影响到集热效率效果即太阳能热利用率，反过来说须增加集热器的面积，增加了制造成本；7、现有太阳跟踪系统所存在的问题：由于现有集热器的体积大而笨重等原因及现有太阳踪迹跟踪技术本身之不足等问题，其存在着结构较为复杂、造价高、转动能耗大，即其设备的投资大及转动所消耗的能量大，跟踪精确度也不够高，与设置该太阳跟踪系统所带来的成本效益比的成本过高，影响到其推广应用。反过来由于不设置太阳跟踪系统，而又影响到集热器的集热效率及效果，即需增加集热器的集热面积，增加了成本，也就影响了太阳能清洁能源技术的应用推广与发展。