太陽能熱水器的原理

太陽能熱水器是太陽能成果應(yīng)用中的一大產(chǎn)業(yè)，它以環(huán)保、安全、節(jié)能、衛(wèi)生等優(yōu)點，迅速贏得了廣大消費者的青睞，中國，是一個能源消耗大國，每年全國能耗約占全世界能耗總量的1∕3，而全國總能耗中，有1∕3是來自建筑能耗。

一、太陽能熱水器的結(jié)構(gòu)示意圖

太陽能熱水器是迄今為止人類利用太陽能工業(yè)產(chǎn)品中普及率比較高的產(chǎn)品。普通太陽能熱水器主機由三部分組成：真空集熱管、保溫水箱和支架(如圖所示)。常用的配件有：上下水管、測控儀表、水閥開關(guān)等。

二、集熱和循環(huán)原理

系統(tǒng)中的集熱元件。其功能相當(dāng)于電熱水器中的電熱管。和其它熱水器不同的是，太陽能集熱器是利用太陽的輻射熱能加熱冷水，故而加熱時間只能在有太陽光照射的白天。

如圖所示，真空集熱管就像一個細長的暖瓶膽，內(nèi)外層之間為真空，常用尺寸有：1800mm×58mm、1500 mm×47mm等。真空管內(nèi)管的外表面是特種材料涂層，可以有效吸收太陽輻射能。當(dāng)光子撞擊膜層的時候，光能轉(zhuǎn)化為熱能，并傳導(dǎo)給管內(nèi)的水，水溫便逐漸升高。

由于冷水比重大、熱水比重小的原理，真空管和保溫水箱便形成了冷水向下，熱水向上的自然循環(huán)，使比較熱的水循環(huán)到保溫水箱中。

三、保溫儲存原理

和其它保溫水箱一樣，是儲存熱水的容器。 因為太陽能熱水器只能白天工作，而人們一般在晚上才使用熱水，為了使白天生產(chǎn)的熱水在到晚上或隔天使用時保持一定的溫度，所以必須通過保溫水箱把熱水儲存起來。

1、水箱內(nèi)膽水箱內(nèi)是儲存熱水的重要部分，其用材料強度和耐腐蝕性至關(guān)重要，優(yōu)質(zhì)的選材應(yīng)是進口SUS2B304板材，厚度在0。4mm--0。8mm之間不銹鋼板，氬氣保護,高頻自動焊接,提高鋼板在各種水質(zhì)或各種環(huán)境耐腐蝕性能。

2、水箱保溫材料性能特點及技術(shù)參數(shù)：保溫材料的好壞直接關(guān)系著熱效率和晚間清晨的使用，在寒冷的東北尤其重要。目前較好的保溫方式是進口聚氨脂保溫，若配料、工藝、環(huán)境、溫度不適，也會造成發(fā)泡不均或泡孔過大、工質(zhì)緩慢漏失保溫性逐漸下降的后果，這就需要廠家有專門的發(fā)泡機械、標(biāo)準(zhǔn)化模具和較高的工藝技術(shù)水平。另外，我們不僅要了解產(chǎn)品用材工藝、還要看廠家的機械設(shè)備、模具等有機成本的高低、質(zhì)量監(jiān)測的水準(zhǔn)。產(chǎn)品質(zhì)量直接關(guān)系消費者的利益。 聚氨酯保溫層厚度：50mm閉孔率:65.69%導(dǎo)熱數(shù):19.83mw/m.k，并經(jīng)過高溫熟化處理。

保溫水箱是如何讓熱水長時間保持高溫、不隨夜晚和寒冬等外界溫度變化呢?如圖所示，保溫水箱有三部分組成：外膽、聚氨酯發(fā)泡層和不銹鋼內(nèi)膽，其中，聚氨酯發(fā)泡層負(fù)責(zé)太陽能熱水器的保溫。聚氨酯的保溫性能卓越，是目前國內(nèi)所有建材中導(dǎo)熱系數(shù)比較低(≤0.024)、熱阻值比較高的保溫材料。太陽能熱水器的發(fā)泡層厚度一般在50mm-70mm之間，實際保溫性能則取決于生產(chǎn)廠家的發(fā)泡機械、標(biāo)準(zhǔn)化模具和工藝技術(shù)水平。

四、連接管道，上下水原理

將冷水輸送到符水箱進入集熱器，再從保溫水箱內(nèi)把熱水輸送到人們使用熱水的通道。叫做連接管道，為使整套系統(tǒng)形成一個閉合的環(huán)路，必須設(shè)計合理、連接正確，循環(huán)管道對太陽能系統(tǒng)是否能達到比較 佳工作狀態(tài)至關(guān)重要。熱水管道必須做保溫處理。管道必須有很高的質(zhì)量，保證15年以上的使用壽命。安裝時要求橫平豎直。

給太陽能熱水器向上打水時，依靠的是自來水的水壓，沒有自來水或者不能24小時供自來水的用戶，就得依靠水泵或者增壓罐來給太陽能熱水器打水。

用水時，只要打開室內(nèi)的任何一個水龍頭，熱水器水箱內(nèi)的熱水便依靠自然落差的原理流出。

節(jié)能環(huán)保

每平方米平板太陽能集熱器或5只真空管(∮58㎜×1800㎜)在一個正常日照日內(nèi)，可產(chǎn)生相當(dāng)于2.5度電的熱量，按這標(biāo)準(zhǔn)，每年可節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤200公斤 左右，可以減少700多公斤二氧化碳的排放量。太陽能熱水器的廣泛運用，在省錢、方便我們的同時，也大大地改善了地球的環(huán)境污染狀況。

　太陽能熱水器工作原理圖：

平板式太陽能工作原理

一、 吸熱過程

太陽輻射透過玻璃蓋板，被集熱板吸收后沿肋片和管壁傳遞到吸熱管內(nèi)的水。吸熱管內(nèi)的水吸熱后溫度升高，比重減小而上升，形成一個向上的動力，構(gòu)成一個熱虹吸系統(tǒng)。隨著熱水的不斷上移并儲存在儲水箱上部，同時通過下循環(huán)管不斷補充溫度較低的水，如此循環(huán)往復(fù)，比較終整箱水都升高至一定的溫度 。 現(xiàn)有的平板式集熱器，基本上都采用結(jié)合良好的多管組合方式，如滾壓或壓延方法等，其中走水管子與吸熱板之間的熱阻幾乎可以忽略。影響平板式集熱器板芯性能的主要因素，一是結(jié)構(gòu)設(shè)計，二是表面吸收涂層。設(shè)計良好的集熱器的板芯肋片效率應(yīng)該在93%以上。集熱器的板芯肋片效率與板芯結(jié)構(gòu)、表面處理以及集熱器整體結(jié)構(gòu)有關(guān)。集熱器整體結(jié)構(gòu)的影響可以用總傳熱系數(shù)來描述，其影響程度與自身的幾何尺寸(肋片厚度、材質(zhì))是一樣。也就是說，在同等效率的情況下，集熱器熱損小時板芯可以薄一些。選擇性吸收表面可以提高集熱效率，但是市面上這類產(chǎn)品為了提高經(jīng)濟效益，往往肋片較薄。用于熱水器場合時，這類產(chǎn)品的實際集熱效果與選擇性差一些(甚至沒有選擇性)但肋片厚一些的集熱器不會有太大的區(qū)別。

二、 循環(huán)管路

家用太陽能熱水器通常按自然循環(huán)方式工作，沒有外在的動力，設(shè)計良好的系統(tǒng)只要有5~6℃以上的溫差就可以循環(huán)很好。水循環(huán)管路管徑及管路分布的合理性直接影響到集熱器的熱交換效率。 多數(shù)情況下，自然循環(huán)家用熱水器系統(tǒng)管路中的流態(tài)都可以視為層流。 集熱器內(nèi)管路系統(tǒng)的阻力主要來自沿程阻力，局部阻力的影響要小得多，其中支管的沿程阻力又比主管要大得多。當(dāng)水溫升高后，由于運動粘度減小，沿程阻力變小，局部阻力的影響變大。在一定范圍內(nèi)，當(dāng)主管管徑不變時，加大支管管徑，不僅沿程阻力迅速減小，而且局部阻力也將跟著減小。一般地，支管的水力半徑應(yīng)在10mm以上。當(dāng)主管管徑達到一定值以后，增加主管管徑對減小系統(tǒng)阻力意義不大。

三、 頂水式使用過程

家用太陽能熱水器的用水方式分為落水式和頂水式。落水使用方式不受自來水供水影響，其缺點是使用過程中水溫先低后高，掌握不好的話容易造成突然缺水的尷尬。頂水方式則是水溫先高后低，容易掌握，使用者容易適應(yīng)，但是要求自來水保持供水能力。在自來水有保證的情況下，推薦使用頂水方式。 家用太陽能熱水器設(shè)計成頂水方式時，必須對水箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行合理的設(shè)計，以保證出水均勻，避免形成水路“短路”或死角。使用管路比較好設(shè)計成可以轉(zhuǎn)換成落水式的連接方式，在自來水壓力不足或停水時應(yīng)急用。