一種太陽能熱利用系統的製作方法

2023-05-30 19:06:11

一種太陽能熱利用系統的製作方法
【專利摘要】本發明提供了一種太陽能熱利用系統，包括太陽能熱水器和熱利用裝置，所述太陽能熱水器包括集熱器，所述集熱器用於吸收太陽能的熱量以加熱太陽能熱水器中的水，所述集熱器為金屬集熱管，金屬集熱管包括金屬基管，所述金屬基管的外表面依次覆蓋防腐層和吸熱層。本發明提供一種高吸熱率的基管，提高太陽能的吸熱能力。
【專利說明】一種太陽能熱利用系統

【技術領域】
[0001]本發明屬於太陽能領域，尤其涉及一種太陽能熱利用系統。

【背景技術】
[0002]隨著現代社會經濟的高速發展，人類對能源的需求量越來越大。然而煤、石油、天然氣等傳統能源儲備量不斷減少、日益緊缺，造成價格的不斷上漲，同時常規化石燃料造成的環境汙染問題也愈加嚴重，這些都大大限制著社會的發展和人類生活質量的提高。能源問題已經成為當代世界的最突出的問題之一。因而尋求新的能源，特別是無汙染的清潔能源已成為現在人們研究的熱點。太陽能是一種取之不盡用之不竭的清潔能源，而且資源量巨大，地球表面每年收的太陽輻射能總量為1X10 18 kW*h，為世界年耗總能量的一萬多倍。世界各國都已經把太陽能的利用作為新能源開發的重要一項，我國政府在《政府工作報告》也早已明確提出要積極發展新能源，其中太陽能的利用尤其佔據著突出地位。然而由於太陽輻射到達地球上的能量密度小(每平方米約一千瓦)，而且又是不連續的，這給大規模的開發利用帶來一定困難。因此，為了廣泛利用太陽能，不僅要解決技術上的問題，而且在經濟上必須能同常規能源相競爭。太陽能的利用主要有光熱轉化、光電轉化、光化學轉換這三種形式。相比於太陽能光伏產業和光化學轉換的高昂成本與低的能量轉換效率，太陽能熱轉化是一種能量轉換效率和利用率高而且成本低廉、可在全社會廣泛推廣的太陽能利用方式。在太陽能熱利用裝置中，關鍵是要將太陽輻射能轉換成熱能，實現這種轉換的器件稱為太陽能集熱器。
[0003]無論哪種形式和結構的太陽能集熱器，都要有一個用來吸收太陽輻射的吸收部件，該部件吸收表面的熱輻射性能對集熱器的熱性能起著重要的作用。表徵吸收表面熱輻射性能的物理量是吸收比和熱發射比，前者表徵吸收太陽輻射能的能力，後者表徵自身溫度下發射輻射能的能力。前者越高后者越低，表明吸熱效果最好。


【發明內容】

[0004]本發明旨在提供一種高吸收率太陽能系統，尤其是提供一種高吸收率的吸熱塗層，提聞太陽能的吸熱能力。
[0005]為了實現上述目的，本發明的技術方案如下:一種太陽能熱水器系統，包括太陽能熱水器和熱利用裝置，所述太陽能熱水器包括集熱器，所述集熱器用於吸收太陽能的熱量以加熱太陽能熱水器中的水，所述集熱器為金屬集熱管，金屬集熱管包括金屬基管，所述金屬基管的外表面依次覆蓋防腐層和吸熱層。
[0006]所述的防腐層塗覆防腐塗料形成，防腐塗料的成分如下:防腐塗料由如下成分組成:片狀鋅粉3.1%，片狀鋁粉2.8%、片狀鎂粉3.3%，氧化鋅為5.8%，鉻酐為4.3 %，二丙酮醇為0.4%，丙二醇為0.7%,潤溼分散劑為0.4%,增稠劑為0.15%，消泡劑為0.23%，餘量的水；
該種塗料通過噴塗、刷塗、浸塗施塗於基管表面，80±10°C烘乾10?60分鐘，280±40°C固化燒結30?60分鐘，形成良好防腐塗層。
[0007]所述吸熱層從內向外依次包括紅外反射塗層、吸熱塗層和減反射塗層，其中紅外反射塗層、吸熱塗層和減反射塗層的厚度的比例為1: 1.5:2;所述紅外反射塗層為Ag;吸熱塗層從內向外依次包括TiAl、Cr、Nb、Zr四層，其中TiAl、Cr、Nb、Zr四層的厚度比例為1:1.1:0.84:1.14 ;減反射塗層從內向外依次是AIN、Ti02、Ta2O5' 3102層，其中AIN、T12'Ta205、S12 層的厚度比例為 0.9:1:0.75:1。
[0008]基管的材料為鋁合金，所述鋁合金的組分的質量百分比如下:3.0% Cu ,1.9%Mg , 1.6% Ag ,0.6% Mn ,0.25% Zr ,0.3% Ce ,0.23% Ti,0.38% Si，其餘為 Al。
[0009]熱利用裝置為圓弧形封閉式結構的翅片管散熱器，所述散熱器包括上集管、下集管和連接上集管和下集管的翅片管，所述翅片管包括圓形基管和第一翅片、第二翅片，第一翅片和第二翅片設置在基管的外部並且第一翅片和第二翅片的延長線相交於基管的圓心所在的基管的中心軸線，第一翅片和第二翅片沿著通過基管中心軸線的第一平面鏡像對稱；所述翅片管包括第三翅片和第四翅片，所述第三翅片、第四翅片沿著第二平面分別與第一翅片和第二翅片鏡像對稱，所述第二平面與第一平面垂直而且經過基管的中心軸線；所述第一翅片和第二翅片之間設置第一連接片，所述第三翅片和第四翅片之間設置第二連接片，第一連接片和第二連接片為圓弧型金屬板；第一翅片、第二翅片與相鄰翅片管的第三翅片和第四翅片形成空間；所述圓弧形金屬板的圓心所在的中心軸線與基管的中心軸線重合；所述基管為直管，所述相鄰的基管的中心軸線互相平行；相鄰基管的第一翅片互相平行；
所述第一翅片和第二翅片之間的夾角為A，第一翅片和第二翅片的長度為L，基管的外半徑為R，沿著基管軸向上的翅片高度H，上述四者的關係滿足如下公式:
Sin (A/2) =a* (L/R) 2+b* (L/R) +c
H/(R*10)= e*Sin(A/2) 2-f*Sin(A/2)+h 其中，A 單位為角度，60。<A<110°，
L的尺寸為mm, 12臟<L〈8Ctam，
R 的單位為 mm, 10mm〈R〈80mm，
H 的單位為 mm, 800mm〈R〈1200mm，
a、b、c、e、f、h為係數，a的範圍為0.04-0.042，b的範圍為0.266-0.28，c的範圍為0.36-0.37，e 的範圍為 21-23，f 的範圍是 44-45，h 是 23-25。
[0010]另一個優選的實施例，熱利用裝置為直線型封閉式結構的翅片管散熱器，所述散熱器包括上集管、下集管和連接上集管和下集管的翅片管，所述翅片管包括圓形基管和第一翅片、第二翅片，第一翅片和第二翅片設置在基管的外部並且第一翅片和第二翅片的延長線相交於基管的圓心所在的基管的中心軸線，第一翅片和第二翅片沿著通過基管的中心軸線的第一平面鏡像對稱；所述翅片管包括第三翅片和第四翅片，所述第三翅片、第四翅片沿著第二平面分別與第一翅片和第二翅片鏡像對稱，所述第二平面與第一平面垂直而且經過基管的中心軸線；所述第一翅片和第二翅片之間設置第一連接片，所述第三翅片和第四翅片之間設置第二連接片，第一連接片和第二連接片為直線型金屬板；第一翅片、第二翅片與相鄰翅片管的第三翅片和第四翅片形成空間；所述基管為直管，所述相鄰的基管的中心軸線互相平行；
所述第一翅片和第二翅片之間的夾角為A，第一翅片和第二翅片的長度為L，基管的外半徑為R，沿著基管軸向上的翅片高度H，上述四者的關係滿足如下公式:
Sin(A/2)=aX (L/R) 2+b X (L/R) +c
H/R=10XeX (Sin (A/2) )f
其中，A單位為角度，60° <A<110°，
L的尺寸為臟，15臟〈L〈8Ctam,
R 的單位為 mm, 10mm〈R〈80mm，
H 的單位為 mm, 600mm〈H〈1200mm，
a、b、c、e、f為係數，a的範圍為0.038-0.04，b的範圍為0.26-0.27，c的範圍為0.34-0.35，e的範圍為0.72-0.78，f的範圍是-3.6至-3.5之間。
[0011]所述的熱利用裝置為向用戶提供熱水的熱水輸出設備，所述熱水輸出設備包括換熱器，所述換熱器連接自來水，來自太陽能熱水器的熱水進入換熱器中，與自來水進行換執.所述熱水輸出設備還包括電加熱棒，當熱水輸入設備輸出的熱水溫度低於第一溫度時，電加熱棒啟動加熱，並以第一功率進行加熱；當熱水輸入設備輸出的熱水溫度低於比第一溫度低的第二溫度時，電加熱棒以高於第一功率的第二功率進行加熱；當熱水輸入設備輸出的熱水溫度低於比第二溫度低的第三溫度時，電加熱棒以高於第二功率的第三功率進行加熱；當熱水輸入設備輸出的熱水溫度低於比第三溫度低的第四溫度時，電加熱棒以高於第三功率的第四功率進行加熱；當熱水輸入設備輸出的熱水溫度低於比第四溫度低的第五溫度時，電加熱棒以高於第四功率的第五功率進行加熱。
[0012]所述的系統中還包括輔助電加熱器和/或輔助熱水鍋爐，電加熱系統和熱水鍋爐系統根據進入電加熱器和熱水鍋爐的水的溫度自動啟動，對熱水進行加熱。
[0013]所述的系統包括電加熱器、熱水鍋爐，所述熱利用設備分別是散熱器和熱水輸出設備，所述的電加熱器和熱水輸出設備設置在一條管路上，散熱器和熱水鍋爐設置在另一條管路上，所述兩條管路為並聯設置。
[0014]所述熱利用設備設置在與太陽能熱水器系統的管路並聯設置，其中與太陽能熱水器系統的管路連通的熱利用設備的進水管路和出水管路上都設置閥門，位於進水管路和出水管路之間的與熱利用設備並聯的太陽能熱水器系統的管路上設置閥門。
[0015]與現有技術相比較，本發明太陽能熱水器具有如下的優點:
I)本發明提供的太陽能熱水器具有防腐層和吸熱層，可以減少對基管的腐蝕，同時能夠加大對太陽能的吸收。
[0016]2)本發明設計了新的防腐材料，加強防腐效果。
[0017]3)本發明對吸熱層的材料和厚度進行精心的選擇和實驗，已達到最好的吸熱的技術效果。
[0018]4)通過對鋁合金的組分的質量百分比的合理分配，提高基管的高耐熱性和高導熱性。
[0019]5)本發明提供了直板型和圓弧形兩種結構的封閉式翅片管散熱器，通過多次試驗，設計了不同管徑、不同高度、夾角的翅片進行試驗，從而得到一個最優的翅片優化結果，並且通過試驗進行了驗證，從而證明了結果的準確性。
[0020]6)通過設置熱輸出設備的電加熱棒，自動控制熱利用裝置的溫度。
[0021]7)輔助電加熱器和/或輔助熱水鍋爐，能夠起到輔助加熱作用，而且通過自動控制控制輔助加熱系統的啟動，節約能源。
[0022]8)通過電加熱器、熱水鍋爐與熱利用裝置的並聯連接，可以實現獨立控制熱利用
>J-U ρ?α裝直。
[0023]9)熱利用設備設置在與太陽能熱水器系統的管路並聯設置，可以實現在需要的時候連通熱利用設備，在不需要的時候關閉熱利用設備，以節約能源。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0024]圖1是本發明串聯結構的太陽能系統示意圖；
圖2是本發明並聯結構的太陽能系統示意圖；
圖3是本發明的熱利用裝置與管路並聯的太陽能系統示意圖；
圖4是本發明的防腐層和吸熱層的結構示意圖；
圖5是熱利用裝置散熱器的示意圖；
圖6是熱利用裝置散熱器的翅片管實施例一的示意圖；
圖7是熱利用裝置散熱器的翅片管實施例二的示意圖；
圖8是控制系統的示意圖；
圖9是圖6從左側看的不意圖；
圖10是圖7從左側看的不意圖。
[0025]附圖標記如下:
I上集管，2基管中沒有翅片的部分，3下集管，4翅片管，5基管，6第一翅片，7空隙部分，8第一連接片，9第二翅片，10第四翅片，11第三翅片，12第二連接片，13中央控制器，14太陽能系統輸水管，15溫度傳感器，16溫度傳感器，17散熱器，18太陽能熱水器，19電加熱器，20鍋爐，21熱水輸出設備，22散熱器，23泵，24閥門，25基管，26防腐層，27紅外反射塗層，28吸熱塗層，29減反射塗層。

【具體實施方式】
[0026]下面結合附圖對本發明的【具體實施方式】做詳細的說明。
[0027]如圖1-3所示的一種太陽能熱水器系統，包括太陽能熱水器18和熱利用裝置21和22，所述太陽能熱水器包括集熱器，所述集熱器用於吸收太陽能的熱量以加熱太陽能熱水器中的水，所述集熱器為金屬集熱管，金屬集熱管包括金屬基管25 (參見圖4)，所述金屬基管的外表面依次覆蓋防腐層26和吸熱層27 - 29。
[0028]優選的是，太陽能熱水器包括儲水容器，多個集熱管與儲水容器相連，加熱儲水容器中的水，然後加熱的水流出太陽能熱水器進行循環利用。
[0029]儲水容器分為三層，每相鄰的兩層緊密貼合，從內向外分別是內塗料層、不鏽鋼層和外塗料層，儲水容器由於採用了上述結構，第一層是內塗料層，可以避免出現腐蝕，第二層是不鏽鋼層，可以進一步增加防鏽效果，第四層是外塗料層，可以保護避免產生鏽蝕。
[0030]對於儲水容器中的三層材料不局限於上述描述的材料，本領域技術人員可以進行合理的選擇，但是對於三層結構的材料的選擇，要求是由內向外的三層結構的熱膨脹係數逐漸增大，也就是說，最內層的熱膨脹係數最低，第二層其次，第三層最大。之所以這樣的設置，因為在加熱的過程中，第一層先受熱，先膨脹，然後依次是第二層、第三層受熱膨脹，因此三層膨脹係數依次增大可以保證膨脹率基本保持一致，保證各層連接的緊密性和穩定性。
[0031]所述儲水容器包括保溫層，保溫層具有三層，從內向外保溫層的每層的熱膨脹係數逐漸升高。
[0032]更優選的是，儲水容器從內向外，從內膽到保溫層，每層的熱膨脹係數逐漸升高。從而實現保證膨脹率基本保持一致，保證各層連接的緊密性和穩定性。
[0033]如圖1所示，太陽能熱水器中的水經過集熱器加熱，依次通過輔助加熱裝置、熱利用裝置21、熱利用裝置22，然後回水在泵23的作用下再次循環到太陽能熱水器18，進行新的加熱。
[0034]優選的是，輔助加熱裝置可以是電加熱器19、熱水鍋爐20，電加熱器和熱水鍋爐的主要作用是起到輔助加熱的作用，例如當利用太陽能加熱的水沒有達到預定的溫度，這是可以啟動電加熱器和/或熱水鍋爐。
[0035]當然，雖然圖1展示了兩種熱利用裝置，但是實際並不局限於兩種，也可以3種或者以上，當然也可以僅僅設置一種。輔助加熱裝置同樣可以僅僅設置一種，例如僅設置電加熱器或熱水鍋爐。
[0036]圖2展示了熱利用裝置21和22並聯結構的示意圖。其中電加熱器19與熱利用裝置21設置在一條管路上，電加熱器19用於輔助加熱進入熱利用裝置21中的水，而熱水鍋爐和熱利用裝置22設置在另一條管路上，所述的這兩條管路並聯設置，兩端分別連接太陽能熱水器的熱水出口和泵23。
[0037]當然上述設置也是實例性的，本領域技術人員可以選擇增加多條並聯的管路，每條管路上設置熱利用裝置，使得熱利用裝置之間互相併聯設置，同時對於附加加熱裝置，例如熱水鍋爐和電加熱器，對本領域技術人員來說，可以根據需要選擇是否需要設置，或者只設置一種。
[0038]圖3中展示了熱利用裝置與太陽能系統的輸水管路並聯設置。其中與太陽能熱水器系統的管路連通的熱利用設備的進水管路和出水管路上都設置閥門24，位於進水管路和出水管路之間的與熱利用設備並聯的太陽能熱水器系統的管路上設置閥門24。通過設置閥門，可以使得在不需要使用熱利用設備的時候，可以通過打開太陽能熱水器系統的管路上的閥門和關閉熱利用設備的進水管路和出水管路上都設置閥門來控制管路上的水不與熱利用設備進行換熱。
[0039]當然，不僅僅是熱利用設備，附加加熱設備也與太陽能系統的輸水管路並聯設置，其中與太陽能熱水器系統的管路連通的附加加熱設備的進水管路和出水管路上都設置閥門，位於進水管路和出水管路之間的與附加加熱設備並聯的太陽能熱水器系統的管路上設置閥門。通過設置閥門，可以使得在不需要使用附加加熱設備的時候，可以通過打開太陽能熱水器系統的管路上的閥門和關閉附加加熱設備的進水管路和出水管路上都設置閥門來控制管路上的水不經過附加加熱設備。
[0040]雖然圖3中給出了所有的熱利用設備、附加加熱設備與太陽能系統的輸水管路並聯設置，但是並不局限於上述的設備，對於本領域技術人員來說，可以僅僅選擇一個或者多個與太陽能系統的輸水管路並聯設置。例如可以進設置其中一個或兩個熱利用設備與太陽能系統的輸水管路並聯設置，也可以僅僅設置一個或者兩個附加加熱設備與太陽能系統的輸水管路並聯設置。
[0041]雖然圖1-3中都設置了電加熱器19、熱水鍋爐20，對於本領域技術人員來說，太陽能熱水器系統可以選擇性的設置上述部件，例如可以僅僅設置電加熱器或者熱水鍋爐，也可以選擇兩者都不設置。
[0042]優選的是，所述的防腐層塗覆防腐塗料形成，防腐塗料的質量百分比成分如下:防腐塗料由如下成分組成:片狀鋅粉3.1%，片狀鋁粉2.8%、片狀鎂粉3.3%，氧化鋅為5.8%，鉻酐為4.3%，二丙酮醇為0.4%，丙二醇為0.7%，潤溼分散劑為0.3%，增稠劑為0.15%,消泡劑為0.25%，餘量的水；
該種塗料通過噴塗、刷塗、浸塗施塗於基管表面，80±10°C烘乾10?60分鐘，280±40°C固化燒結30?60分鐘，形成良好防腐塗層。
[0043]一種製備上述防腐塗料的方法，該方法按照以下步驟實施，
a、按塗料總質量百分比，分別稱取一定量的水、0.3%的潤溼分散劑和0.25%的消泡齊U，然後混合到一起，充分攪拌使之溶解製成塗料混合液Al，再向混合液Al中加入佔塗料總質量的片狀鋅粉3.1%，片狀鋁粉2.8%、片狀鎂粉3.3%，攪拌均勻製成塗料混合液A2 ；
b、按塗料總質量百分比,稱取4.3%鉻酐，組成混合液，加入到20%?40%的水中充分溶解製成無機酸混合液BI,再向混合液BI中加入5.8%的氧化鋅,攪拌至無沉澱製成無機酸混合液B2 ；
C、按塗料總質量百分比，稱取二丙酮醇為0.4%，丙二醇為0.7%，加入到5%?15%的水中，充分攪拌均勻製成還原劑混合液C ；
d、按塗料總質量百分比，稱取0.15%的增稠劑，加入到2.5%?15%的水中，攪拌至溶解呈半透明狀且無凝膠出現即停止攪拌製成增稠劑混合液D ；
e、將配製的無機酸混合液B2加入到塗料混合液A2中，然後加入還原劑混合液C配製量的1/5?1/2，邊攪拌邊加入增稠劑混合液D，再加入餘量的水，繼續攪拌30?90分鐘，直到塗料混合液均勻一致無團聚顆粒為止，最後再加入剩餘的還原劑混合液C，再攪拌10?40分鐘，即得。
[0044]該種塗料通過噴塗、刷塗、浸塗施塗於翅片管表面，80±10°C烘乾10?60分鐘，280±40°C固化燒結30?60分鐘，形成良好耐蝕塗層。
[0045]所述潤溼分散劑為平平加系列中的SA-20，所述的增稠劑選用羥乙基纖維素；所述的消泡劑選用磷酸三丁酯。
[0046]優選的是，所述吸熱層從內向外依次包括紅外反射塗層27、吸熱塗層28和減反射塗層29，其中紅外反射塗層27、吸熱塗層28和減反射塗層29的厚度的比例為1:1.5:2 ;所述紅外反射塗層為Ag;吸熱塗層從內向外依次包括TiAl、Cr、Nb、Zr四層，其中四層的厚度比例為1:1.1:0.84:1.14 ;減反射塗層從內向外依次是AIN、T12, Ta2O5, 3丨02層，其中四層的厚度比例為0.9:1:0.75:1。
[0047]優選的是，吸熱層的總厚度為1.8 μ m。
[0048]上述的尺寸比例是通過近百種不同的厚度比例試驗得來的最佳的結果。通過實驗，對於採用上述吸收塗層中各獨立層的成分及厚度，可以使製備的吸收塗層的吸收比大於0.94，並實現0.04的發射率。
[0049]對於上述塗層的製造方法，可以使用本領域經常採用的真空磁控濺射鍍膜工藝製備。
[0050]集熱器的基管25的材料為鋁合金，所述鋁合金的組分的質量百分比如下:3.0%Cu , 1.9% Mg , 1.6% Ag ,0.6% Mn ,0.25% Zr ,0.3% Ce ,0.23% Ti,0.38% Si，其餘為Al。
[0051]鋁合金的製造方法為:採用真空冶金熔煉，氬氣保護澆注成圓坯，經過600°C均勻化處理，在400°C，採用熱擠壓成棒材，然後再經過580°C固溶淬火後，在200°C進行人工時效處理。合金的抗拉強度。b:室溫彡550MPa，200°C彡440MPa，300°C彡_230MPa。
[0052]經測試，上述合金具有很高的導熱係數和耐熱性。
[0053]對於熱利用裝置，可以包括散熱器和熱水輸出設備，對於散熱器，主要有兩個具體的實施例，實施例1是圓弧形封閉式翅片管散熱器，如圖5、6所不,實施例2是直板型封閉式翅片管散熱器，如圖5、7所示。
[0054]實施例1的結構如下:
一種封閉式結構的翅片管散熱器17，包括上集管1、下集管3和連接上集管I和下集管3的翅片管4,所述翅片管4包括圓形基管5和第一翅片6、第二翅片9,第一翅片6和第二翅片9設置在基管5的外部並且第一翅片6和第二翅片9的延長線相交於基管5的圓心所在的基管的中心軸線，第一翅片6和第二翅片9沿著通過基管中心軸線的第一平面B鏡像對稱；所述翅片管包括第三翅片11和第四翅片10，所述第三翅片11、第四翅片10沿著第二平面C分別與第一翅片6和第二翅片9鏡像對稱，所述第二平面C與第一平面B垂直而且經過基管5的中心軸線；所述第一翅片6和第二翅片9之間設置第一連接片8，所述第三翅片11和第四翅片10之間設置第二連接片12，第一連接片8和第二連接片12為圓弧型金屬板；所述圓弧形金屬板的中心軸線與基管5的中心軸線重合；所述基管為直管，所述相鄰的基管的中心軸線互相平行。
[0055]優選的是，相鄰基管的第一翅片互相平行，表示相鄰基管的第二翅片也互相平行，同理，第三翅片、第四翅片也互相平行。此特徵表明翅片管是按照相同方向排列的。
[0056]需要解釋的是，如圖6所示，基管的中心軸線就是基管5的橫切面上的圓心點的集合形成的一條線，圓弧形金屬板的中心軸線就是橫切面上圓弧形金屬板的圓心點的集合形成的一條線。所述圓弧形金屬板的中心軸線與基管5的中心軸線重合就是指在橫切面上，圓弧形金屬板和基管是同心圓。
[0057]優選的是，所有翅片管的尺寸都相同。
[0058]通過上述的設置，使得翅片與連接片之間形成一個空隙部分7，在對流換熱的時候，空隙部分7就形成了一種煙筒效應，能夠增強換熱。
[0059]第一翅片、第二翅片與相鄰翅片管的第三翅片和第四翅片形成空間，該空間形成一定的空隙，能夠形成煙筒效應，加強對流，強化傳熱。
[0060]所述第一翅片6和第二翅片9之間的夾角為A，第一翅片6和第二翅片9的長度為L，基管的外半徑為R，當然，因為鏡像對稱，第三翅片11和第四翅片10的長度也自然是L。但是在實踐中發現，換熱過程中.如果翅片夾角過小，則會阻礙換熱，因為翅片夾角過小的話，導致第一翅片、第二翅片的距離太近，則溫度邊界層在封閉區域內隨著基管高度的方向上開始重合，氣體溫度接近管壁溫度而逐漸接近熱飽和，流動阻力增大，最終反而惡化換熱，外翅片的優勢發揮不出來，同樣的原因，隨著夾角的不斷地增大，使得連接片距離基管的距離原來越近，同樣使得溫度邊界層在封閉區域內隨著基管高度的方向上開始重合，氣體溫度接近管壁溫度而逐漸接近熱飽和，流動阻力增大，最終反而惡化換熱，因此夾角具有一個最佳值。
[0061]對於翅片長度，如果太長，則因為基管的熱量無法及時到達翅片的端部或者即使達到效果也不明顯，如果太短，則擴展換熱面積太小，無法達到一個好的換熱效果，因此翅片的高度也有一個最佳值。
[0062]對於兩個翅片管之間的距離，首先如果距離太近或者完全靠近，則兩個翅片管的連接片之間距離的空間(參見圖5)太小，則空氣無法通過翅片之間的間隙進入翅片管之間形成的空隙，此時的換熱只能依靠從散熱器底部進入空氣，無法達到很好的對流換熱效果，同樣的原因，如果距離太遠，則翅片管的第一第二第三第四翅片無法形成有效煙筒效果的空隙，從而導致換熱效果變差，因此對於兩個翅片管之間的距離也需要一個合適的數值。
[0063]如圖8所示，對於翅片沿著基管5軸向上的高度H，也需要具有一個合適的數值，如果翅片高度太高，則在翅片的上部，因為邊界層在封閉區域內隨著基管高度的方向上開始重合，導致換熱的惡化，同理，高度太低，則換熱沒有充分發揮，從而影響換熱效果。
[0064]因此，本發明是通過多個不同尺寸的散熱器的試驗數據總結出的最佳的散熱器的翅片管的尺寸關係。因為翅片管還有夾角A、翅片長度L、翅片高度H這三個變量，因此，引入兩個無量綱量sin (A/2)、L/R、H/R，這裡R是基管的半徑，從換熱效果中的散熱量最大出發，計算了近200種形式。所述的尺寸關係如下:
所述第一翅片和第二翅片之間的夾角為A，第一翅片和第二翅片的長度為L，基管的外半徑為R，沿著基管軸向上的翅片高度H，上述四者的關係滿足如下公式:
Sin(A/2)=aX (L/R)2+bX (L/R) +c
H/(RX 10) = eX Sin (A/2) 2-fX Sin (A/2)+h 其中，A 單位為角度，60° <A<110°，
L的尺寸為mm, 12臟<L〈8Ctam，
R 的單位為 mm, 10mm〈R〈80mm，
H 的單位為 mm, 800mm〈R〈1200mm，
a、b、c、e、f、h為係數，a的範圍為0.04-0.042，b的範圍為0.266-0.28，c的範圍為
0.36-0.37，e 的範圍為 21-23，f 的範圍是 44-45，h 是 23-25。
[0065]通過計算結果後再進行試驗，通過計算邊界以及中間值的數值，所得的結果基本上與公式相吻合，誤差基本上在4%以內，最大的相對誤差不超過6%，平均誤差是2%。；
係數優化的最佳結果是:a為0.0412，b為0.02715，c為0.03628，e為22，f為44.37，h 為 23.86。
[0066]優選的是，相鄰基管中心軸線之間的距離為S=dX (L+R) Xsin(A/2)，其中d為
1.1-1.2。
[0067]如圖6所示，相鄰基管中心軸線之間的距離就是橫切面上兩個基管圓心之間的距離。
[0068]d的優化結果是1.118。
[0069]實施例2的結構如下:
一種封閉式結構的翅片管散熱器17，包括上集管1、下集管3和連接上集管I和下集管3的翅片管4,所述翅片管4包括圓形基管5和第一翅片6、第二翅片9,第一翅片6和第二翅片9設置在基管5的外部並且第一翅片6和第二翅片9的延長線相交於基管5的圓心所在的基管中心軸線，第一翅片6和第二翅片9沿著通過基管中心軸線的第一平面B鏡像對稱；所述翅片管包括第三翅片11和第四翅片10，所述第三翅片11、第四翅片10沿著第二平面C分別與第一翅片6和第二翅片9鏡像對稱，所述第二平面C與第一平面B垂直而且經過基管5的中心軸線；所述第一翅片6和第二翅片9之間設置第一連接片8，所述第三翅片11和第四翅片10之間設置第二連接片12，第一連接片8和第二連接片12為直線型金屬板。所述基管為直管，所述相鄰的基管5的中心軸線互相平行。
[0070]需要解釋的是，如圖7所示，基管的中心軸線就是基管5的橫切面上的圓心點的集合形成的一條線。
[0071]通過上述的設置，使得翅片與連接片之間形成一個空隙部分7，在對流換熱的時候，空隙部分7就形成了一種煙筒效應，能夠增強換熱。
[0072]優選的是，所述相鄰基管5的第一連接片8在一個平面上，相鄰基管5的第二連接片12在一個平面上，第一連接片8和第二連接片12所在的平面互相平行。
[0073]優選的是，相鄰基管的第一翅片互相平行，表示相鄰基管的第二翅片也互相平行，同理，第三翅片、第四翅片也互相平行。此特徵表明翅片管是按照相同方向排列的。此特徵表明翅片管是按照相同方向排列的。
[0074]優選的是，所有翅片管的尺寸都相同。
[0075]第一翅片、第二翅片與相鄰翅片管的第三翅片和第四翅片形成空間，該空間形成一定的空隙，能夠形成煙筒效應，加強對流，強化傳熱。
[0076]所述第一翅片6和第二翅片9之間的夾角為A，第一翅片6和第二翅片9的長度為L，基管的外半徑為R，當然，因為鏡像對稱，第三翅片11和第四翅片10的長度也自然是L。
[0077]對於實施例2，也進行了優化，具體優化的結果如下:
所述第一翅片和第二翅片之間的夾角為A，第一翅片和第二翅片的長度為L，基管的外半徑為R，翅片沿著基管軸向上的翅片高度H，上述四者的關係滿足如下公式:Sin(A/2)=aX (L/R) 2+b X (L/R) +cH/R=10XeX (Sin (A/2) )f其中，A單位為角度，60° <A<110°，
L的尺寸為臟，15臟〈L〈8Ctam,
R 的單位為 mm, 10mm〈R〈80mm，
H 的單位為 mm, 600mm〈H〈1200mm，
a、b、c、e、f為係數，a的範圍為0.038-0.04，b的範圍為0.26-0.27，c的範圍為
0.34-0.35，e的範圍為0.72-0.78，f的範圍是-3.6至-3.5之間。
[0078]優選的是，相鄰基管中心軸線之間的距離為S=dX (L+R) Xsin(A/2)，其中d為
1.05-1.2。
[0079]其中d優選為1.13。
[0080]熱利用裝置的另一個實施例是向用戶提供熱水的熱水輸出設備，所述熱水輸出設備包括換熱器，所述換熱器連接自來水，來自太陽能熱水器的熱水進入換熱器中，與自來水進行換熱； 所述熱水輸出設備還包括電加熱棒，當熱水輸入設備輸出的熱水溫度低於第一溫度時，電加熱棒啟動加熱，並以第一功率進行加熱；當熱水輸入設備輸出的熱水溫度低於比第一溫度低的第二溫度時，電加熱棒以高於第一功率的第二功率進行加熱；當熱水輸入設備輸出的熱水溫度低於比第二溫度低的第三溫度時，電加熱棒以高於第二功率的第三功率進行加熱；當熱水輸入設備輸出的熱水溫度低於比第三溫度低的第四溫度時，電加熱棒以高於第三功率的第四功率進行加熱；當熱水輸入設備輸出的熱水溫度低於比第四溫度低的第五溫度時，電加熱棒以高於第四功率的第五功率進行加熱。
[0081]在換熱器中，自來水和來自太陽能熱水器中的水不直接混合的進行換熱，也就是通過間接地方式進行換熱。
[0082]如圖8所示，所述電加熱系統和/或熱水鍋爐系統還包括控制系統，電加熱系統和/或熱水鍋爐系統根據進入電加熱器和熱水鍋爐的水的溫度自動啟動，對熱水進行加熱。下面針對電加熱器進行說明。
[0083]所述控制系統包括測量溫度的溫度傳感器15和中央控制器13，溫度傳感器15用於測量進入電加熱器的水的溫度，中央控制器用於控制電加熱器的加熱功率。當測量的進水溫度低於溫度a時，電加熱器啟動加熱，並以功率A進行加熱；當熱測量的進水溫度低於比溫度a低的溫度b時，電加熱器以高於功率A的功率B進行加熱；當測量的進水溫度低於比溫度b低的溫度c時，電加熱器以高於功率B的功率C進行加熱；當測量的進水溫度低於比溫度c低的溫度d時，電加熱器以高於功率C的功率D進行加熱；當測量的進水溫度低於比溫度d低的溫度e時，電加熱器以高於功率D的功率E進行加熱。
[0084]當然，可以選擇的是，為了增加測量溫度的準確性，可以在電加熱器的出水口處設置另一個溫度傳感器16，通過兩個溫度傳感器的測量的溫度的平均值來計算電加熱器的啟動功率。
[0085]對於鍋爐來說，設置自動點火裝置。當測量的進入鍋爐的水的溫度低於一定的溫度的時候，鍋爐就啟動點火裝置進行加熱。當測量的水的溫度達到一定的溫度的時候，則就停止進行加熱。
[0086]當然，可以選擇的是，為了增加測量溫度的準確性，可以在鍋爐的出水口處設置另一個溫度傳感器，通過兩個溫度傳感器的測量的溫度的平均值來計算電加熱器的啟動功率。
[0087]優選的是，可以在太陽能熱水器中設置電加熱裝置，當太陽能熱水器的出水溫度低於一定的數值時，可以啟動電加熱裝置。例如可以在集熱器和/或水箱中設置電加熱裝置。
[0088]對於圖3所示的情況，可以通過設置控制系統，所述控制系統根據溫度來控制進入熱利用裝置和/或輔助加熱裝置中的流體流量。例如，對於散熱器來說，可以根據室內的溫度來確定進入散熱器中的流體的流量，當室內溫度高於一定的第一數值，則將進水管路和出水管路中的閥門完全關閉，將太陽能熱水器系統上的管路完全打開，流體不流入散熱器，當室內溫度低於一定的第二數值，則將進水管路和出水管路中的閥門完全打開，將太陽能熱水器系統上的管路完全關閉，保證太陽能熱水器系統上的管路上的水完全進入散熱器。當室內溫度介於第一數值和第二數值時，則將進水管路和出水管路中的閥門部分打開，將太陽能熱水器系統上的管路部分打開，保證只有一部分流體進入散熱器。
[0089]對於熱輸出設備來說，可以根據熱輸出設備輸出的水的溫度來確定進入熱輸出設備中的流體的流量，當熱輸出設備輸出的水的溫度高於一定的第一數值，則將進水管路和出水管路中的閥門完全關閉，將太陽能熱水器系統上的管路完全打開，流體不流入熱輸出設備，當熱輸出設備輸出的水的溫度低於一定的第二數值，則將進水管路和出水管路中的閥門完全打開，將太陽能熱水器系統上的管路完全關閉，保證太陽能熱水器系統上的管路上的水完全進入熱輸出設備。當輸出的水的溫度介於第一數值和第二數值時，則將進水管路和出水管路中的閥門部分打開，將太陽能熱水器系統上的管路部分打開，保證只有一部分流體進入熱輸出設備。
[0090]對於輔助加熱設備來說，可以根據進入輔助加熱設備的水的溫度來確定進入輔助加熱設備中的流體的流量，當進入輔助加熱設備的水的溫度高於一定的第一數值，則將進水管路和出水管路中的閥門完全關閉，將太陽能熱水器系統上的管路完全打開，流體不流入輔助加熱設備，當進入輔助加熱設備水的溫度低於一定的第二數值，則將進水管路和出水管路中的閥門完全打開，將太陽能熱水器系統上的管路完全關閉，保證太陽能熱水器系統上的管路上的水完全進入輔助加熱設備。當進入輔助加熱設備的水的溫度介於第一數值和第二數值時，則將進水管路和出水管路中的閥門部分打開，將太陽能熱水器系統上的管路部分打開，保證只有一部分流體進入輔助加熱設備。
[0091]雖然本發明已以較佳實施例披露如上，但本發明並非限定於此。任何本領域技術人員，在不脫離本發明的精神和範圍內，均可作各種更動與修改，因此本發明的保護範圍應當以權利要求所限定的範圍為準。
【權利要求】
1.一種太陽能熱利用系統，包括太陽能熱水器和熱利用裝置，所述太陽能熱水器包括集熱器，所述集熱器用於吸收太陽能的熱量以加熱太陽能熱水器中的水，所述集熱器為金屬集熱管，金屬集熱管包括金屬基管，所述金屬基管的外表面依次覆蓋防腐層和吸熱層，其特徵在於熱利用裝置為直線型封閉式結構的翅片管散熱器，所述散熱器包括上集管、下集管和連接上集管和下集管的翅片管，所述翅片管包括圓形基管和第一翅片、第二翅片，第一翅片和第二翅片設置在基管的外部並且第一翅片和第二翅片的延長線相交於基管的圓心所在的基管的中心軸線，第一翅片和第二翅片沿著通過基管的中心軸線的第一平面鏡像對稱；所述翅片管包括第三翅片和第四翅片，所述第三翅片、第四翅片沿著第二平面分別與第一翅片和第二翅片鏡像對稱，所述第二平面與第一平面垂直而且經過基管的中心軸線；所述第一翅片和第二翅片之間設置第一連接片，所述第三翅片和第四翅片之間設置第二連接片，第一連接片和第二連接片為直線型金屬板；第一翅片、第二翅片與相鄰翅片管的第三翅片和第四翅片形成空間；所述基管為直管，所述相鄰的基管的中心軸線互相平行； 所述第一翅片和第二翅片之間的夾角為A，第一翅片和第二翅片的長度為L，基管的外半徑為R，沿著基管軸向上的翅片高度H，上述四者的關係滿足如下公式:
Sin (A/2) = aX (L/R) 2+b X (L/R)+c
H/R = 1XeX (Sin(A/2))f
其中，A單位為角度，60° <A<110°， L的尺寸為臟，15臟〈L〈8Ctam, R 的單位為 mm, 10mm〈R〈80mm， H 的單位為 mm, 600mm〈H〈1200mm， a、b、c、e、f為係數，a的範圍為0.038-0.04，b的範圍為0.26-0.27，c的範圍為0.34-0.35，e的範圍為0.72-0.78，f的範圍是-3.6至-3.5之間。
2.根據權利要求1所述的太陽能熱水器系統，其特徵在於所述吸熱層從內向外依次包括紅外反射塗層、吸熱塗層和減反射塗層，其中紅外反射塗層、吸熱塗層和減反射塗層的厚度的比例為1:1.5:2 ;所述紅外反射塗層為Ag ;吸熱塗層從內向外依次包括TiAl、Cr、Nb、Zr四層，其中TiAl、Cr、Nb、Zr四層的厚度比例為1:1.1:0.84:1.14 ;減反射塗層從內向外依次是 AIN、T12' Ta2O5' S12 層，其中 AIN、Ti02、Ta2O5' S12 層的厚度比例為 0.9:1:0.75:1。
【文檔編號】F24J2/00GK104359231SQ201410572874
【公開日】2015年2月18日 申請日期:2013年10月22日 優先權日:2013年10月22日
【發明者】趙煒 申請人:王平