CN101769604A - 利用能量传输中介将太阳能导向储水箱的太阳能热水器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及的利用能量传输中介将太阳能导向储水箱的太阳能热水器，其包括：一储水箱；一用于吸收太阳光或太阳光热量的太阳能集光板；一端与所述太阳能集光板相接触而末端置于储水箱内的用于吸收太阳能并将太阳能传导给储水箱内冷水的一能量传输装置；该能量传输装置吸收太阳能后直接对储水箱内的冷水进行升温，待加热冷水无须沿管道传输到储水箱体外界，该能量传输装置为液体金属传热装置、光波导光纤传热装置或热管传热装置；易于设置于任意楼层窗户、墙体等部位；其运行维护不受所住楼层限制，使用范围较宽；冷水升温速率快，可靠性高，无冻裂问题，安装及维护方便，具有大规模推广普及应用价值。

Description

利用能量传输中介将太阳能导向储水箱的太阳能热水器

技术领域

本发明涉及一种太阳能热水器，特别涉及一种利用如液体金属传热***、光波导光纤传光***乃至热管传热***等外部能量传输中介，将所吸收太阳能迅速传输到储水箱内从而对其中的水进行高效加热以迅速提升水温的利用能量传输中介将太阳能导向储水箱的太阳能热水器。

背景技术

太阳光是最基本的可再生能源。太阳光透过大气层到达地球表面的能量是一个巨大而且洁净的自然能源。每年以太阳光辐射到达地球的总能量大约相当于30万亿吨标准煤。正因如此，围绕太阳能利用的研究，在科技界和产业界就一直没有停歇过，特别是在当前随着地球上可开采化石能源资源的日益枯竭，这种探索显得更加紧迫。

太阳能利用中的一种十分重要的方式是热利用。由于太阳能是一种辐射能，具有即时性，必须适时贮存起来才能加以利用。此方面的一种重要途径是通过集热器吸收太阳光后对所流经的冷水进行升温后加以利用的热水器。传统的太阳能热水器主要由集热器、保温水箱、连接管道以及相应的控制***组成。其中，集热元件用于吸收太阳的辐射热量，保温水箱一般采用搪瓷内胆，有承压功能，耐腐蚀；连接管道则旨在将吸热后的水从集热器输送到保温水箱。目前，市面上常见的太阳能热水器使用中一般搁置于房屋顶层，以便由连接管道输送而至的冷水尽可能在此处被太阳能加热后，再回流到储水箱内与原有的水进行混合，直至箱内全部冷水温度被提升到相应极限。

传统的太阳能热水器装置普遍存在体积较大，使用范围大多仅限于屋顶，***各部件的固定方式比较僵化，不便维护，而冬季使用中还由于管道传输路径较长，沿途暴露于寒冷天气下的管道内的水容易被冻结继而引起管道冻裂；而且，被加热的水由于导热率较低，在流经集热管时，虽经太阳光照射加热，其温度提升幅度十分有限。低楼层住户使用热水器时，由于冷水输送路径太长，沿途热量易散失，使用起来极不方便，效率尤其低下。总之，为更大范围地普及太阳能热水器，必须确保此类装置的使用不受楼层的限制，且维护使用应相对方便。

发明内容

本发明目的在于：一改传统太阳能热水器中依靠待加温冷水的输运来达到逐步升温的原理，而通供一种用能量传输中介将太阳能导向储水箱的太阳能热水器，该太阳能热水器采用外部能量传输中介吸收太阳能后直接传输到储水箱后对其中的冷水进行加热，由此实现高效快速的升温；该太阳能热水器中被加热的冷水无须沿管道传输到集热器，充当能量传输中介的对象如液体金属传热***、光波导光纤传光***乃至热管等易于设置于窗户；因此整套太阳能热水器的运行维护不受所住楼层的限制，使用十分简便，且成本更低。

本发明的技术方案如下：

本发明提供的利用能量传输中介将太阳能导向储水箱的太阳能热水器，包括：

一储水箱77，水箱内可设便于散热的搅拌装置；

一用于吸收阳光或其热量的太阳能集光板4；

一与所述太阳能集光板4相接触而末端置于储水箱内的用于吸收太阳能并将其传导给储水箱77内冷水的能量传输装置99；

所述的能量传输装置99为液体金属传热装置、光波导光纤传热装置或热管传热装置。

所述液体金属传热装置包括：

一直接与太阳能集热板4相接触的内设第一空心流道的导热平片1，所述太阳能集热板4的材质可为不锈钢、铝、铜、玻璃或有机聚合物等；

一对装有微型泵14的导热通道33

一置于储水箱77内的肋片式散热器22；所述肋片式散热器22由一内设第二空心流道的散热底座2和装于所述散热底座2表面上的散热肋片5组成，所述散热底座2可为表面涂有黑色的导热性良好(如铝或铜)的材料制成；

所述一对传输管道33一端分别与所述导热平片1的第一空心流道相连通；所述一对传输管道33另一端分别与所述散热底座2内的第二空心流道相连通；相互连通的流道内装有流动的液体金属；

所述传输管道33为塑料、不锈钢、铝、铜、玻璃或有机聚合物材质的传输管道；所述微型泵14为电磁泵或机械泵。

所述光波导光纤传热装置包括：

一用于吸收阳光或其热量的太阳能集光板4

一与所述太阳能集光板4相接触的集光板32；

一用于传输太阳光的光导纤维31；所述光导纤维31光学入口端置于所述集光板32上，所述光导纤维31光学出出口端置于储水箱77内。

所述的光导纤维31为玻璃光纤、石英光纤、塑料光纤、光纤传像束、液芯光纤或侧发光光纤。

所述太阳能集热板4为传统的太阳灶；该太阳灶为有机材料材质透镜或可变焦的液体透镜。

这里，之所以采用光纤作为能量传输中介，目的在于通过聚光镜及集光板，将太阳光能量注入光纤进行传输、分配，最终对冷水进行加热。所述光导纤维可分节段连接，可呈柔性方式，便于在窗户和房间内布置，其末端置于储水箱内，并正对储水箱内设置的表面涂覆成黑色的吸热块，由此可将光纤所吸收的太阳光直接传给吸热块继而快速加热冷水，达到高效供热的目的。所述的光纤可为玻璃光纤、石英光纤、塑料光纤、光纤传像束、液芯光纤及侧发光光纤等中的一种，此类产品在市场上已比较常见，直接选购即可。

所述热管传热装置包括：

一直接与太阳能集光板4相接触的导热平片1；

一安装在导热平片1上的热管阵列36；

一内置有肋片式散热器22的储水箱77；所述肋片式散热器22由一内设第二空心流道的散热底座2和装于所述散热底座2表面上的散热肋片5组成；

所述热管阵列36的末端与所述散热底座2内的第二空心流道相连通；相互连通的流道内装有流动的液体金属。

所述热管阵列36由多根热管组成。

所述热管为毛细抽吸两相循环热管或多根脉冲热管。

所述太阳能集光板4为不锈钢、铝、铜、玻璃、有机聚合物材质的集光板。

所述的液体金属为镓、钠、钾、水银、镓铟锡合金或钠钾合金。

本发明的独特性在于采用了有别于传统太阳能热水器的热量传输方式。这里，执行热量传输任务的并非待加热冷水，而是特定的传热或传光***，因此储水箱内的冷水无须流动到外界，因而运行更为灵活，达到了简化机构、节省能量、安装更为方便的目的。由于新的能量传输***如液体金属传热***、光波导光纤传光***乃至热管等中任何一种方式在吸热和传热性能上均明显优于水，因而整套装置的太阳能利用效率将得以大大提升。这是因为，液体金属具有远高于非金属流体如水、空气乃至其他混合液体的热导率，因而将其作为传热流体时，可以实现极为优异的集热性能；而且，由于液体金属具有导电性，因而可以采用电磁泵驱动，且功耗极低，这样就可利用光电池或半导体温差电池产生的微弱电流来驱动其运行。这就为利用太阳能驱动液体金属提供了可能。此外，光波导光纤传光***的采用则将太阳能的输运任务大大简化，全部的能量通过设计并布置好的光纤即可导向储水箱内，能量利用起来十分简捷、灵活；至于热管，也有着与液体金属传热***类似的功能，而且，柔性热管的布置也比较灵活，毕竟，驱动待加热冷水与直接采用自驱动的热管传输热量相比，热管效率显然高出许多。

本发明正是充分考虑到传统太阳能热水器在推向大规模应用中会严重受限于使用场合的难题提出的，突破了传统真空集热式太阳能热水器的概念，由此可确保实现高效的热水供应；由此建立的太阳能热水器既具备高效的吸热特色，又充分依靠了高效的能量传输过程自维持运行，整套装置中储水箱内的冷水无须流动，因而热量不易散失，是一种理想的高效太阳能集热器。以往，太阳能集热器主要依赖于真空管吸热后将热量传给水，再借助水的流动将热量传到储水箱内，逐步将全部冷水的温度提升上去。但由于水的导热率较低，这种升温速率实际上是很受限制的；本发明引入的新型能量传输方案灵活地解决了传统技术的困难。

本发明所提供的利用能量传输中介将太阳能导向储水箱的太阳能热水器的工作原理是这样实现的，采用集光板吸收太阳能(热能或光能)，继而借助能量传输中介如液体金属传热***、光波导光纤传光***乃至热管等中介，将所吸收太阳能迅速传输到储水箱内，从而对其中的水进行高效加热以迅速提升储水箱内的水温。

附图说明

附图1为本发明的利用液体金属传热***将太阳能导向储水箱进而直接加热冷水的太阳能集热器原理图；

附图2为本发明的液体金属传热装置的横截面示意图；

附图3为本发明的光波导光纤传热装置的结构示意图；

附图4为本发明的热管传热装置的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例进一步描述本发明专利：

本发明提供的利用能量传输中介将太阳能导向储水箱的太阳能热水器尺寸、体积及形状等可根据具体要求加以设计。作为示例，这里仅以最基本的结构加以说明。

实施例1：

附图1为本发明的利用液体金属传热***将太阳能导向储水箱进而直接加热冷水的太阳能集热器结构示意图；附图2为图1的横截面示意图；由图可知，本实施例的利用能量传输中介将太阳能导向储水箱的太阳能热水器，包括：

一储水箱77，可直接从市场购买或按自行加工；

一用于吸收太阳光或太阳光热量的太阳能集光板4，该太阳能集热板4可采用不锈钢、铝、铜、玻璃或有机聚合物等材料制成；也可直接从市场购买或自行加工；

一端与所述太阳能集光板4相接触而末端置于储水箱77内的用于吸收太阳能并将太阳能传导给储水箱77内冷水的一能量传输装置99；

所述的能量传输装置99为液体金属传热装置，该液体金属传热装置包括：

一直接与太阳能集热板4相接触的内设第一空心流道的导热平片1；

一对装有微型泵14的导热通道33，所述的微型泵14可为电磁泵或机械泵，可由市场上购买或自行加工制作；所述的导热通道33可由塑料、不锈钢、铝、铜、玻璃或有机聚合物等材料制成，尽可能保持柔性，以方便整套***在房间及窗户之间的布置；

一置于储水箱77内的肋片式散热器22；所述肋片式散热器22由一内设第二空心流道的散热底座2和装于所述散热底座2表面上的散热肋片5组成；

所述的一对导热通道33一端分别与所述导热平片1的第一空心流道出口3相连通；所述的一对传输管道33另一端分别与所述散热底座2内的第二空心流道相连通；相互连通的流道内装有流动的液体金属；所述第一空心流道、第二空心流道和导热通道33的横截面形状均为圆形；其外径在10纳米到10厘米之间。

所述微型泵14为电磁泵或机械泵；

本实施例中的相互连通的流道内装有流动的液体金属，其具体操作为导热平片1内的第一空心流道可通过机加工或其他成熟技术作出，之后与导热通道33连接，但在一端留有开口，以便将熔化后的液体金属8沿此开口注入管道和循环通路中，待整个流道内充好液体金属8后，将上述开口予以封装，即形成内部循环通道为密闭的高效散热机构。根据需要，导热通道33可由金属或塑料等制成，其长短可根据需要加以调整，整个散热结构的尺寸可根据需要制作。

本实施例的独特性在于，首次结合了太阳能集热及引入超强的液体金属传热，从而可将所吸收的太阳热能灵活迅速传给储水箱，由此实现了高效率的热水器；该方案一改传统集热器技术方案，整套结构是一种高效集热装置。这种装置在太阳能热利用的大规模推广普及方面具有重要意义。

实施例2：

图3为本发明提供的基于光导纤维将太阳光直接导向储水箱内进而直接加热冷水的太阳能热水器的结构示意图。与实施例1不同的是，本实施例中用于将太阳能传输到储水箱的装置为光波导光纤传热装置，其余结构与实施例1完全相同。

由图3可知，本实施例的利用能量传输中介将太阳能导向储水箱的太阳能热水器，包括；

一储水箱77；

一用于吸收太阳光或太阳光热量的太阳能集光板4(可为一用于聚焦太阳光的聚光镜；如传统的太阳灶；该太阳灶为有机材料材质透镜或可变焦的液体透镜。技术相对成熟，可直接从市场购置或按相应原理自行制作)；

一端与所述太阳能集光板4相接触而末端置于储水箱77内的用于吸收太阳能并将太阳能传导给储水箱77内冷水的一能量传输装置99；

所述的能量传输装置99为光波导光纤传热装置，其包括：

一与所述太阳能集光板(4)相接触的集光板32；

一组用于传输太阳光的光导纤维31(也是成熟技术，直接从市场购买即可)；所述光导纤维31的光学入口端连接于所述集光板32，所述光导纤维31光学出出口端置于装有冷水的储水箱77内。

所述的光导纤维(31)为玻璃光纤、石英光纤、塑料光纤、光纤传像束、液芯光纤或侧发光光纤；该光导纤维可分节段连接，可呈柔性方式，便于在窗户和房间内布置，其末端置于储水箱内；光导纤维31光学入口端置于集光板32上表面，用于接受来自太阳能集光板4的太阳光，这样，通过太阳能集光板4及集光板32，将太阳光能量注入光导纤维31并进行传输、分配，光导纤维31末端正对储水箱77内设置的表面涂覆成黑色的散热底座2，由此可将光导纤维31所吸收的太阳光直接传给吸热块(即散热底座2)继而快速加热周边的冷水，达到高效供热的目的；所述的光导纤维可为玻璃光纤、石英光纤、塑料光纤、光纤传像束、液芯光纤及侧发光光纤等中的一种，此类产品在市场上已比较常见，直接选购即可。这里，储水箱77等其他部件及连接均与实施例1无差别，因此不再重复描述。

所述太阳能集热板4为太阳灶；可以采用任何一种有效的聚光方法，如传统的太阳灶，也可采用有机材料制成，甚至采用可变焦的液体透镜制作，以降低成本。太阳能集光板4厚度可在10nm-100cm，宽度和长度可在1nm到100cm；材料可由玻璃或一些有机聚合物材料做成，也可以采用液体透镜实现。为满足尽可能多吸收、少反射阳光的要求，太阳能集光板4的表面形状和结构可采用多样化设计，甚至是柔性或折叠结构。

实施例3：

图4为本发明提供的基于热管将太阳热能导向储水箱内进而直接加热冷水的太阳能集热器结构示意图；与实施例1不同的是，本实施例是用于热管传热装置将太阳热能传输到储水箱的，其余部件结构与实施例1完全相同。

由图4可知，本发明的利用能量传输中介将太阳能导向储水箱的太阳能热水器，包括：

一储水箱77；

一用于吸收太阳光或太阳光热量的太阳能集光板4；

一端与所述太阳能集光板4相接触而末端置于储水箱77内的用于吸收太阳能并将太阳能传导给储水箱77内冷水的一能量传输装置99；

所述的能量传输装置99为热管传热装置，其包括：

一直接与太阳能集光板4相接触的导热平片1；

一安装在导热平片1上的热管阵列36；

一内置有肋片式散热器22的储水箱77；所述肋片式散热器22由一内设第二空心流道的散热底座2和装于所述散热底座2表面上的散热肋片5组成；

所述热管阵列36的末端与所述散热底座2内的第二空心流道相连通；相互连通的流道内装有流动的液体金属8。

所述热管阵列36由并联的多根热管组成。所述热管为毛细抽吸两相循环热管或脉冲热管。

所述太阳能集光板4为不锈钢、铝、铜、玻璃、有机聚合物材质的集光板。

所述的液体金属8为镓、钠、钾、水银、镓铟锡合金或钠钾合金。

所述的热管传热装置可为现有方案的中任何一种，如常规市售热管、毛细抽吸两相循环热管、脉冲热管等，可组成柔性传热装置，便于根据窗台或墙壁走向、楼层及房间布置等具体情形安排热水器。

本发明的可灵活地实现高效的太阳能吸热，以实施例1为例，使用本发明的方式如下：储水器可预先固定于室内，太阳能集热板则置于窗户外朝向阳光的位置；使用时，若阳光充足，只需将该太阳能集热板置于光照度较好的空间，即可实现热量输出，从而满足热水器的热量需求；一般有阳光的情况下，根据用户使用当地的太阳能特点，调整好太阳能集热板的位置；于是，随着液体金属8的流动，便将在太阳能集热板处所吸收的热量由导热平片1内的第一空心流道传输到能量传输装置99中的肋片式散热器22，并与储水箱中的冷水进行热交换；从而持续稳定地为储水箱输出热量。对于实施例2，此时传输到储水箱内的能量来自光纤的光能；而对实施例3，则充当传输热量的中介为热管。这两类热水器的使用方案与实施例1类似，此处不再赘述。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的采用能量传输装置将太阳光产生的热能传输到储水箱中的技术方案而非限制。本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种利用能量传输中介将太阳能导向储水箱的太阳能热水器，包括：

一储水箱(77)；

一用于吸收太阳光或太阳光热量的太阳能集光板(4)；

一端与所述太阳能集光板(4)相接触而末端置于储水箱(77)内的用于吸收太阳能并将太阳能传导给储水箱(77)内冷水的一能量传输装置(99)；

所述的能量传输装置(99)为液体金属传热装置、光波导光纤传热装置或热管传热装置。

2.按权利要求1所述的利用能量传输中介将太阳能导向储水箱的太阳能热水器，其特征在于，所述液体金属传热装置包括：

一直接与太阳能集热板(4)相接触的内设第一空心流道的导热平片(1)；

一对装有微型泵(14)的导热通道(33)

一置于储水箱(77)内的肋片式散热器(22)；所述肋片式散热器(22)由一内设第二空心流道的散热底座(2)和装于所述散热底座(2)表面上的散热肋片(5)组成；

所述的一对导热通道(33)一端分别与所述导热平片(1)的第一空心流道相连通；所述的一对传输管道(33)另一端分别与所述散热底座(2)内的第二空心流道相连通；相互连通的流道内装有流动的液体金属；

所述导热通道(33)为塑料、不锈钢、铝、铜、玻璃或有机聚合物材质的传输管道；所述微型泵(14)为电磁泵或机械泵。

3.按权利要求1所述的利用能量传输中介将太阳能导向储水箱的太阳能热水器，其特征在于，所述光波导光纤传热装置包括：

一用于吸收太阳光或太阳光热量的太阳能集光板(4)；

一与所述太阳能集光板(4)相接触的集光板(32)；

一组用于传输太阳光的光导纤维(31)；所述光导纤维(31)的光学入口端连接于所述集光板(32)，所述光导纤维(31)光学出出口端置于装有冷水的储水箱(77)内。

4.按权利要求3所述的利用能量传输中介将太阳能导向储水箱的太阳能热水器，其特征在于，所述的光导纤维(31)为玻璃光纤、石英光纤、塑料光纤、光纤传像束、液芯光纤或侧发光光纤。

5.按权利要求3所述的利用能量传输中介将太阳能导向储水箱的太阳能热水器，其特征在于，所述太阳能集热板(4)为太阳灶；该太阳灶为有机材料材质透镜或可变焦的液体透镜。

6.按权利要求1所述的利用能量传输中介将太阳能导向储水箱的太阳能热水器，其特征在于，所述热管传热装置包括：

一直接与太阳能集光板(4)相接触的导热平片(1)；

一安装在导热平片(1)上的热管阵列(36)；

一内置有肋片式散热器(22)的储水箱(77)；所述肋片式散热器(22)由一内设第二空心流道的散热底座(2)和装于所述散热底座(2)表面上的散热肋片(5)组成；

所述热管阵列(36)的末端与所述散热底座(2)内的第二空心流道相连通；相互连通的流道内装有流动的液体金属。

7.按权利要求6所述的利用能量传输中介将太阳能导向储水箱的太阳能热水器，其特征在于，所述热管阵列(36)由并联的多根热管组成。

8.按权利要求6所述的利用能量传输中介将太阳能导向储水箱的太阳能热水器，其特征在于，所述热管为毛细抽吸两相循环热管或脉冲热管。

9.按权利要求1、2、3或6所述的利用能量传输中介将太阳能导向储水箱的太阳能热水器，其特征在于，所述太阳能集光板(4)为不锈钢、铝、铜、玻璃或有机聚合物材质的集光板。

10.按权利要求2或6所述的利用能量传输中介将太阳能导向储水箱的太阳能热水器，其特征在于，所述的液体金属为镓、钠、钾、水银、镓铟锡合金或钠钾合金。

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