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太阳能热水器

  • 2018-12-25
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  • 太阳能热水器是将太阳光能转化为热能的加热装置,将水从低温加热到高温,以满足人们在生活、生产中的热水使用。太阳能热水器按结构形式分为真空管式太阳能热水器和平板式太阳能热水器,主要以真空管式太阳能热水器为主,占据国内95%的市场份额。真空管式家用太阳能热水器是由集热管、储水箱及支架等相关零配件组成,把太阳能转换成热能主要依靠真空集热管,真空集热管利用热水上浮冷水下沉的原理,使水产生微循环而得到所需热水。

    太阳能(Solar Energy),一般是指太阳光的辐射能量,太阳能是一种可再生能源,广义上的太阳能是地球上许多能量的来源,如风能生物质能潮汐能、水的势能等等。太阳能利用的基本方式可分为光—热利用、光—电利用、光—化学利用、光—生物利用四类。在四类太阳能利用方式中,光—热转换的技术最成熟,产品也最多,成本相对较低。如:太阳能热水器、开水器、干燥器、太阳灶、太阳能温室、太阳房、太阳能海水淡化装置以及太阳能采暖和制冷器等。太阳能光热发电比光伏发电的太阳能转化效率较高,但应用还不普遍。在光热转换中,当前应用范围最广、技术最成熟、经济性最好的是太阳能热水器的应用。

    光热利用:它是将太阳辐射能收集起来,通过与物质的相互作用转换成热能加以利用。目前使用最多的太阳能收集装置,主要有平板型集热器、真空管集热器和聚焦集热器等3种。太阳能发电:未来太阳能的大规模利用是用来发电。利用太阳能发电的方式主要有两种:

    ①光—热—电转换。即利用太阳辐射所产生的热能发电。一般是用太阳能集热器将所吸收的热能转换为工质的蒸汽,然后由蒸汽驱动气轮机带动发电机发电。前一过程为光—热转换,后一过程为热—电转换。

    ②光—电转换。其基本原理是利用光生K7娱乐效应将太阳辐射能直接转换为电能,它的基本装置是太阳能电池。

    光化利用:这是一种利用太阳辐射能直接分解水制氢的光—化学转换方式。

    光生物利用:通过植物的光合作用来实现将太阳能转换成为生物质的过程。主要有速生植物(如薪炭林)、油料作物和巨型海藻。

    工作原理

    阳光穿过吸热管的第一层玻璃照到第二层玻璃的黑色吸热层上,将太阳光能的热量吸收,由于两层玻璃之间是真空隔热的,传热将大大减小(辐射传热仍然存在,但没有了热传导和热对流),绝大部分热量只能传给玻璃管里面的水,使玻璃管内的水加热,加热的水便轻沿着玻璃管受热面往上进入保温储水桶,桶内温度相对较低的水沿着玻璃管背光面进入玻璃管补充,如此不断循环,使保温储水桶内的水不断加热,从而达到热水的目的。

    材料核心

    太阳能光热转换材料是最重要的太阳能材料。光热利用领域的材料按用途可分为蓄热材料、导热材料、热电材料、集热材料等

    蓄热材料

    蓄热材料主要包括相变储热材料、显热储热材料等。利用相变材料的固-液或固-固相变潜热来储存热能的潜热蓄热技术,因具有蓄热密度大、储热过程近似等温、过程易控制等优点而成为目前最具实际发展潜力、应用最多和最重要的蓄热方式。许多物质作为潜在的相变储热材料(PCM)已经被研究过,但只有部分物质实现了工业化生产,其中制冷与低温范围的技术与产品相对比较成熟,很多已实现商品化。法国Cristopia、澳大利亚TEAP、日本三菱化学(Mitsubishichemical)、瑞典Climator、美国陶氏化学(Dow chemical)、德国Rubitherm GmbH与MerckKgaA等公司生产的PCM产品类型主要是盐溶液、水合盐、石蜡类和脂肪酸类,其熔点为- 33~ 110℃。典型的有机类相变材料有石蜡、脂酸类、高分子化合物等。显热储能通过物质的温度变化来储存热能,储热介质必须具有较大的比热容。可作为储热介质的固态物质有岩石、砂、金属、水泥和砖等,液态物质则包括水、导热油以及融熔盐。与液态储热材料相比,固态储热材料具有两个特点:①更大的热能储存温度范围,可以从室温至1000℃以上的高温段;②不产生介质泄漏,对容器材料的要求低。这几年主要研究的热存储材料有二醇二硬脂酸盐(Diol-di-stearates)、十水合硫酸钠(Na2SO4·10H2O)、聚乙二醇4,4二苯基甲烷二异氰酸盐/季戊四醇共聚物(PEG/MDI/PE copolymer)、铝镁锌合金(Al-34%Mg-6%Zn)、高密度聚乙烯/石蜡混合物等。

    导热材料

    在太阳能热利用方面,大多数分散的集热器与蓄热器之间的距离相对较远,因此导热系统仍是不可或缺的。导热材料主要有导热流材料和导热流管道材料,另外蓄热材料在液相或气相状态下也可作为导热流材料。国际研究倾向于在蓄热和导热过程中采用相同的材料,以降低热交换系统的复杂程度,从而达到降低系统成本的目的。未来的重点是新型热传导媒质的研发如离子流体,以及新型热循环管道材料如金属化塑胶管等。

    热电材料

    热电材料(又称温差电材料)是一种利用固体内部载流子的运动实现热能和电能的直接相互转化的功能材料,其工作原理是固体在不同温度下具有不同的电子或空穴激发特征,当热电材料两端存在温差时,材料两端电子或空穴激发数量的差异将形成电势差(电压)。热电材料主要分为半导体金属合金型热电材料、方钴矿型热电材料、金属硅化物型热电材料、氧化物型热电材料4种。2007年日本在氧化物热电材料的研究中走在世界前列。目前,已经商业应用的热电材料有PbTe(工作温度为230~ 530℃,主要用于发电)、Bi2Te3/Sb2Te(工作温度为室温~ 130℃,主要用于小规模发电以及制冷)、SiGe(工作温度高于530℃,主要用于外太空发电)。

    集热材料

    太阳主要以电磁辐射的形式给地球带来光与热。太阳辐射波长主要分布在0.25~ 2.5μm范围内。从光热效应来讲,太阳光谱中的红外波段直接产生热效应,而绝大部分光不能直接产生热量。我们感觉在强烈的阳光下的温暖和炎热,主要是衣服和皮肤吸收太阳光线,从而产生光热转换的缘故。从物理角度来讲,黑色意味着光线几乎全部被吸收,吸收的光能即转化为热能。因此为了最大限度地实现太阳能的光热转换,似乎用黑色的涂层材料就可满足了,但实际情况并非如此。这主要是材料本身还有一个热辐射问题。从量子物理的理论可知,黑体辐射的波长范围在2~ 100μm之间,黑体辐射的强度分布只与温度和波长有关,辐射强度的峰值对应的波长在10μm附近[3]。由此可见,太阳光谱的波长分布范围基本上与热辐射不重叠,因此要实现最佳的太阳能热转换,所采用的材料必须满足以下两个条件:①在太阳光谱内吸收光线程度高,即有尽量高的吸收率α;②在热辐射波长范围内有尽可能低的辐射损失,即有尽可能低的发射率γ。一般来说,对同一波长而言,材料的吸收率和发射率有同样的数值,即吸收率高则相应的发射率也高。但吸收率α与反射率γ及透射率t满足如下关系:α+γ+ t= 1。对于不透明材料由于t= 0,则α+γ= 1。而对于黑色物体来说,γ= 0,则α= 1。根据以上讨论可知,最有效的太阳能光热转换材料是在太阳光谱范围内,即λ< 2.5μm,有α≈ 1(即γ≈ 0);而在λ> 2μm,即热辐射波长范围内,有ε= 0(即γ≈ 1或α≈ 0),一般将具备这一特性的涂层材料称为选择性吸收材料。如不完全满足以上条件,在热辐射波长范围内ε值较大,尽管太阳光谱α≈ 1,仍有很大的热辐射损失,这类材料通常称为非选择性涂层材料。所有选择性吸收涂层的构造基本上分为两个部分:红外反射底层(铜、铝等高红外反射比金属)和太阳光谱吸收层(金属化合物或金属复合材料)。吸收涂层在太阳光波峰值波长(0.5μm)附近产生强烈的吸收,在红外波段则自由透过,并借助于底层的高红外反射特性构成选择性涂层。在聚光方面,由于日光波长覆盖范围大,聚焦用的反射镜或折射镜的高反射率或高透射率波长应覆盖300~ 2500nm,因而镜面采用新型的纳米涂层,从室内保温涂层到太阳镜上的防反涂层等,这些技术将集热器的效率提高了近5%。从最近众多的纳米技术的研究成果来看,玻璃涂层将获得更加长足的发展。预计涂层未来的研发方向主要有以下几个方面:①超长的户外寿命(抗风、防灰尘吸附等);②高太阳光反射率(反射波长覆盖300~ 2500nm);③良好的抗机械应力特性,以适应对反射镜面的定期清洗;④耐腐蚀性(< 0.15%,与镀银镜面耐腐蚀性相当)。在吸热方面,太阳能一次吸热(指直接从阳光获取热能)材料主要有金属、塑料、玻璃等,但实际使用的几乎全是金属。按吸热板芯材料划分有钢板铁管、全铜、全铝、铜铝复合、不锈钢、塑料、溴化锂、氯化锂、硫化钠、硅胶、水等,国内外使用得比较普遍的是全铜集热器和铜铝复合集热器。 [2] 

    组成部件

    集热器

    系统中的集热元件。其功能相当于电热水器中的电热管。和电热水器、燃气热水器不同的是,太阳能集热器利用的是太阳的辐射热量,故而加热时间只能在太阳照射度达到一定值的时候。

    目前中国市场上最常见的是全玻璃太阳能真空集热管。结构分为外管、内管,在内管外壁镀有选择性吸收涂层。平板集热器的集热面板上镀有黑铬等吸热膜,金属管焊接在集热板上,平板集热器较真空管集热器成本稍高,近几年平板集热器呈现上升趋势,尤其在高层住宅的阳台式太阳能热水器方面有独特优势。全玻璃太阳能集热真空管一般为高硼硅3.3特硬玻璃制造,选择性吸热膜采用真空溅射选择性镀膜工艺。

    保温水箱

    储存热水的容器。通过集热管采集的热水必须通过保温水箱储存,防止热量损失。太阳能热水器的容量是指热水器中可以使用的水容量,不包括真空管中不能使用的容量。对承压式太阳能热水器,其容量指可发生热交换的介质容量。

    太阳能热水器保温水箱由内胆、保温层、水箱外壳三部分组成。

    水箱内胆是储存热水的重要部分,其用材料强度和耐腐蚀性至关重要。市场上有不锈钢、搪瓷等材质。保温层保温材料的好坏直接关系着保温效果,在寒冷季节尤其重要。较好的保温方式是聚氨脂整体发泡工艺保温。外壳一般为彩钢板、镀铝锌板或不锈钢板。

    保温水箱要求保温效果好,耐腐蚀,水质清洁。

    支架

    支撑集热器与保温水箱的架子。要求结构牢固,稳定性高,抗风雪,耐老化,不生锈。材质一般为不锈钢、铝合金或钢材喷塑。

    连接管道

    太阳能热水器是将冷水先进入蓄热水箱,然后通过集热器将热量输送到保温水箱。蓄热水箱与室内冷、热水管路相连,使整套系统形成一个闭合的环路。设计合理、连接正确的太阳能管道对太阳能系统是否能达到最佳工作状态至关重要。太阳能管道必须做保温处理,北方寒冷地区需要在管道外壁铺设伴热带,以保证用户在寒冷冬季也能用上太阳能热水。

    控制部件

    一般家用太阳能热水器需要自动或半自动运行,控制系统是不可少的,常用的控制器是自动上水、水满断水并显示水温和水位,带电辅助加热的太阳能热水器还有漏电保护、防干烧等功能。市场上有手机短信控制的智能化太阳能热水器,具有水温水位查询、故障报警、启动上水、关闭上水、启动电加热等功能,方便了用户。

    工作原理--集热原理

    太阳能热水器把太阳光能转化为热能,将水从低温度加热到高温度,以满足人们在生活、生产中的热水使用。太阳能热水器按结构形式分为真空管式太阳能热水器和平板式太阳能热水器,真空管式太阳能热水器为主,占据国内95%的市场份额。真空管式家用太阳能热水器是由集热管、储水箱及支架等相关附件组成,把太阳能转换成热能主要依靠集热管。集热管利用热水上浮冷水下沉的原理,使水产生微循环而达到所需热水。

    吸热过程

    真空管式热水器的吸热时,太阳辐射透过真空管的外管,被集热镀膜吸收后沿内管壁传递到管内的水。管内的水吸热后温度升高,比重减小而上升,形成一个向上的动力,构成一个热虹吸系统。随着热水的不断上移并储存在储水箱上部,同时温度较低的水沿管的另一侧不断补充如此循环往复,最终整箱水都升高至一定的温度。

    平板式热水器,一般为分体式热水器,介质则在集热板内因热虹吸自然循环,将太阳辐射在集热板的热量及时传送到水箱内,水箱内通过热交换(夹套或盘管)将热量传送给冷水。介质也可通过泵循环实现热量传递。

    循环管路

    家用太阳能热水器通常按自然循环方式工作,没有外在的动力。真空管式太阳能热水器为直插式结构,热水通过重力作用提供动力。平板式太阳能热水器通过自来水的压力(称为顶水)提供动力。而太阳能集中供热系统均采用泵循环。由于太阳能热水器集热面积不大,考虑到热能损失,一般不采用管道循环。

    使用过程

    平板式太阳能热水器为顶水方式工作,真空管太阳能热水器也可实行顶水工作的方式,水箱内可以采用夹套或盘管方式。顶水工作的优点是供水压力为自来水压力,比自然重力式压力大,尤其是安装高度不高时,其特点是使用过程中水温先高后低,容易掌握,使用者容易适应,但是要求自来水保持供水能力。顶水工作方式的太阳能热水器比重力式热水器成本大,价格高。

    1. 温差控制集热循环

    太阳能热水地暖系统中有集热器温测器和水温感应器,集热系统吸收太阳能辐射后,集热管温度上升,当集热器温度和水箱温度水温差△t设定值时,检测系统发出指令,循环泵将中央热水器中的冷水输入集热器中,水被加热后再回到水箱中,使水箱内的水达到设定的温度。

    2. 地暖管道循环系统

    增加一台热水循环泵,通过控制器控制地暖管道循环。当水温达到设定温度时,自动启动地暖循环泵,使高温水通过地暖盘管在室内循环,从而使室内温度不断提高。当水箱水温低于某一设定值时,自动停止地暖管道循环泵。

    分类

    就其结构来说,大体可分为以下几类:

    1. 从集热部分来分:

    1)玻璃真空管太阳能热水器

    可细分为全玻璃真空管式、热管真空管式、U型管真空管式/真空管集热、储热一体化闷晒式。常用的为全玻璃真空管式,其优点:安全、节能、环保、经济。尤其是带辅助电加热功能的太阳能热水器,它以太阳能为主,电能为辅的能源利用方式使太阳能热水器全年全天候正常运行,环境温度低时效率仍然比较高。其缺点在于体积比较庞大、玻璃管易碎、管中容易集结水垢、不能承压运行。


    2)平板型太阳能热水器

    平板型太阳能热水器 可分为管板式、翼管式、蛇管式、扁盒式、圆管式和热管式。其优点:具有整体性好、




    3)陶瓷中空平板型太阳能热水器

    陶瓷太阳能板是以普通陶瓷为基体,立体网状钒钛黑瓷为表面层的中空薄壁扁盒式太阳能集热体。陶瓷太阳能板整体为瓷质材料,不透水、不渗水、强度高、刚性好,不腐蚀、不老化、不退色,无毒、无害、无放射性,阳光吸收率不会衰减,具有长期较高的光热转换效率。

    经国家太阳能热水器质量监督检验中心检测,陶瓷太阳能板的阳光吸收比为0.95,混凝土结构陶瓷太阳能房顶的日得热量为8.6MJ,远高于国家标准。陶瓷太阳能板制造、使用成本低,阳光吸收比不衰减,与建筑同寿命,可以用于与原房顶共用结构层、保温层、防水层、结构简单、保温隔热效果好于原房顶、与建筑一体化的混凝土结构陶瓷太阳能房顶、向阳墙面、阳台护栏面,为建筑提供热水、取暖、空调;为工农业、养殖业提供热能;可用于荒漠大规模太阳能热水发电、风道发电、海水淡化、苦咸水淡化、变沙漠为农田。

    2. 从结构来分类:

    1)紧凑式太阳能热水器:就是将真空玻璃管直接插入水箱中,利用加热水的循环,使得水箱中的水温升高,这是市场最常规的太阳能热水器。

    2)分体式热水器:分体式热水器是将集热器与水箱分开,可大大增加太阳能热水器容量,不采用落水式工作方式,扩大了使用范围。

    3. 从水箱受压来分:

    1)承压式太阳能热水器:太阳能热水器的出水是有压力的。一般为顶水式工作,不一定采用承压式水箱。

    2)非承压式太阳能热水器:普通太阳能热水器都是属于非承压式热水器,它的水箱有一根管子与大气相通,是利用屋顶和家里的高度落差,使用水时产生压力。其安全性,成本,使用寿命都比承压式要显著得多。

    特点

    高科技产品,铜铝阳极化复合板芯或全紫铜板芯,表面处理工艺高,传热性能好,吸热能力强,产水量大。
      系统保温性能好,蓄热能量大,保温水箱有蓄水功能,可满足大批量人员集中使用热水,亦可作停水时应急水源之用。
      太阳能热水器系统全自动静态运行,无需专人看管、无噪音、无污染、无漏电、失火、中毒等危险,安全可靠,环保节能利国利民。
      具有排污净化功能 ,水源洁净无污染。
      真空管式太阳能热水器保温性能好,抗冻能力强。
      大面积安装对楼面有隔热作用


           

          

          阳台壁挂式太阳能热水器