可产出不同温度热水的高效太阳能集热系统及调控方法

技术领域

本发明属于太阳能集热技术领域，尤其涉及一种可产出不同温度热水的高效太阳能集热系统。

背景技术

太阳能热水器是一种直接利用太阳能的重要装置，它通过吸收太阳辐射加热热水，为用户提供生活热水。

目前，常用的太阳能热水器主要分为玻璃真空管热水器和平板热水器，因其结构简单，便于安装，被广泛应用。但以上两种太阳能热水器加热水温在夏季时最高只能达到70℃，冬季时热水温度会有所下降，无法获得可饮用的温开水。此外，常规热水器内的水温单一，出水温度不可调，极大限制了热水的应用范围。

另一方面，目前市面上的太阳能热水器效率普遍只能达到33%左右，远低于国家标准要求的41%。集热与换热是影响太阳能热水器效率的两个重要环节。

为此，我们提出一种可产出不同温度热水的高效太阳能集热系统，从集热与换热环节提高太阳能热水器效率。

发明内容

本发明解决的技术问题：本发明的目的是针对上述背景技术中的问题，提出一种可产出不同温度热水，实现对太阳能集热系统集热温度进行动态调节的高效太阳能集热系统及调控方法。

技术方案：本发明公开了一种可产出不同温度热水的高效太阳能集热系统，包括若干组由外到内依次设置的热水单元、储水箱和纳米流体储罐；所述热水单元长度方向为透明材质，可透过太阳光；

所述热水单元包括设有纳米流体的纳米流体夹层和设有待加热水体的水夹层；

所述储水箱为所述水夹层提供或储蓄水源；

所述纳米流体储罐为所述纳米流体层提供或储蓄纳米流体；

设置在外层的所述热水单元的水夹层连接储水箱的高温储水腔；

设置在内层的所述热水单元的水夹层连接储水箱的次高温储水腔；

所述纳米流体储罐的储液箱与所述储水箱的储水腔一一对应，数量相同。

进一步的，所述纳米流体层可通过调节所述纳米流体层内纳米流体的数量调节所述纳米流体层厚度；

所述水夹层可通过调节所述水夹层内待加热水体的数量调节所述水夹层厚度。

进一步的，包括由外到内，同轴线依次设置的固定层，两相邻固定层间设有浮动层；

在一组相邻的两固定层间，外侧所述固定层与浮动层间的间隙为纳米流体层；

所述浮动层与内侧所述固定层间的间隙为水夹层；

所述浮动层可在所述两固定层间往复运动。

进一步的，圆柱形固定边框和PET薄膜；所述固定边框包括平行设置在所述热水单元两侧的侧边框和连接两所述侧边框的支撑连杆；所述PET薄膜沿所述支撑连杆长度方向包裹所述固定边框；

所述浮动层包括若干组韧性边框和沿长度方向连接两相邻所述韧性边框的波褶状硅胶条；若干组所述韧性边框与所述波褶状硅胶条组成圆柱形边框；

所述韧性边框组件包括平行设置在所述热水单元两侧的韧性侧边框和连接两所述韧性侧边框的支撑连杆；所述PET薄膜沿所述支撑连杆长度方向包裹所述韧性侧边框。

进一步的，所述环形固定边框及环形韧性边框两侧均设有用于支撑所述热水单元的支架；所述浮动层两端部通过直线轴承与支撑杆连接，所述浮动层相邻固定层间采用U型硅胶密封套连接。

进一步的，包括分别连接储水箱及纳米流体储罐的双向蠕动泵；所述双向蠕动泵在向所述纳米流体层输出纳米流体时，将所述水夹层内水体输送至所述储水箱；

所述双向蠕动泵在向所述储水箱输出水体时，将所述纳米流体层内的纳米流体输送至所述纳米流体储罐。

进一步的，包括由外到内，同轴线依次设置的第一纳米流体夹层、第一水夹层、第二纳米流体夹层、第二水夹层、第三纳米流体夹层和第三水夹层；

所述储水箱使用隔热板分成第一储水腔、第二储水腔、第三储水腔；

所述纳米流体储罐包含第一储液腔、第二储液腔和第三储液腔；

所述第一储液腔、第二储液腔、第三储液腔分别装有高、中、低浓度的半透明纳米流体；

所述第一储液腔连通第一纳米流体夹层；所述第一储水腔连通第一水夹层；

所述第二储液腔连通第二纳米流体夹层；所述第二储水腔连通第二水夹层；

所述第三储液腔连通第三纳米流体夹层；所述第三储水腔连通第三水夹层。

进一步的，所述热水单元下设有抛物线槽式聚光器；所述纳米流体储罐中纳米流体的体积不超过纳米流体储罐体积的2/3；所述纳米流体为半透明石墨烯或碳黑或碳纳米管或氮化碳纳米流体。

本发明还公开了一种可产出不同温度热水的高效太阳能集热系统调控方法，包括用温度传感器测量储水箱内的热水温度，并将温度传递给单片机；

当储水箱中储水腔的水温低于设定值时，温度传感器将温度信号转换为电信号传输给单片机，向纳米流体层增加纳米流体，增加纳米流体层内纳米流体量以及纳米流体层的厚度；同步将水夹层内液体部分排出至储水箱，减小水夹层内液体量以及水夹层厚度；提高纳米流体对太阳辐射的吸收率；

当储水箱中储水腔的水温高于设定值时，温度传感器将温度信号转换为电信号传输给单片机，向水夹层增加液体，增加水夹层内液体量以及水夹层的厚度；同步将纳米流体层内流体抽出，减小纳米流体层内纳米流体量以及纳米流体层的厚度；降低纳米流体对太阳辐射的吸收率。

进一步的，所述储水箱内第一储水腔、第二储水腔、第三储水腔的设定温度分别为100℃，60-80℃，40-60℃。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1、解决现有热水器内的水温单一的技术问题，设有多组温度不同的热水单元并一一匹配对应的储水箱及纳米流体储罐，利用协同控制不同水夹层及纳米流体层的溶液数量，对不同浓度纳米流体进行泵送与抽吸，从而调节纳米流体夹层的厚度，实现对集热温度的动态调节，产出不同温度的热水，满足用户对不同温度热水的需求；同时，通过不同浓度与厚度纳米流体夹层对太阳辐射的多级吸收，提高了太阳能的利用程度。

2、浮动层由韧性边框和可拉伸的波褶状硅胶条组成，结合直线轴承在支撑杆上的滑动结构，可实现浮动层的变径调节，同时，固定层与浮动层之间采用U型硅胶密封套连接，避免了浮动层在变径调节时水和纳米流体的混合，保证饮水的安全。

3. 调节纳米流体夹层和水夹层厚度来控制纳米流体对太阳辐射的吸收率，调控集热温度，解决现有热水器不可控温、调温的技术问题。储水箱内设置不同储水腔、纳米流体储罐中设置不同储液腔，且与纳米流体夹层和水夹层逐一对应，细化了热水器的控温、调温能力。

4. 固定层与浮动层之间使用厚度仅为0.2mm的PET薄膜，有效降低纳米流体与水的换热热阻，且热水器采用圆柱结构设计，相比平板太阳能热水器，换热面积增大，大大提高了纳米流体与水的换热效率；

5.采用对太阳辐射具有优异吸收特性的纳米流体作为集热工质，并使用

附图说明

图1为本发明的系统示意图；

图2为本发明中太阳能热水器的固定层与浮动层连接示意图；

图3为本发明中太阳能热水器的固定层与浮动层结构示意图；

图4为本发明中太阳能热水器的密封结构图；

图5为本发明中太阳能热水器的圆柱形固定边框的结构图；

图6为本发明中太阳能热水器的圆柱形韧性边框的结构图；

图7为本发明中太阳能热水器的浮动层结构示意图。

具体实施方式

以下结合具体实施例对本发明进一步说明，这些实施例不能理解为是对技术方案的限制。对本发明所做的任何形式上的变通和/或改变都将落入本发明保护范围。

一种可产出不同温度热水的高效太阳能集热系统，如图1-4所示，该集热系统包括太阳能热水器1、支架2、抛物线槽式聚光器3、出水管4、储水箱5、进水管6、温度传感器7、浮球阀8、净水滤芯9、自来水管10、单片机11、双向蠕动泵12、电磁阀13、纳米流体储罐14、热水出水管15、热水出水闸阀16、第一补水管17、第二补水管18、第三补水管19、第一不锈钢管20、第二不锈钢管21；

太阳能热水器1与抛物线槽式聚光器3通过支架2连接固定，储水箱5中的冷水通过进水管6通入太阳能热水器1，经出水管4流回储水箱5，储水箱5底部分别安装有热水出水管15，热水出水管15上分别安装一个热水出水闸阀16，储水箱5顶部分别连接第一补水管17、第二补水管18、第三补水管19，第一补水管17、第二补水管18、第三补水管19与自来水管10连接，自来水管10上设有净水滤芯9，第一补水管17、第二补水管18、第三补水管19上安装有浮球阀8，纳米流体储液罐14通过底部的第一不锈钢管18与太阳能热水器1连接，储水箱5中安装温度传感器7，温度传感器7与单片机11进行电连接，纳米流体储罐14通过顶部的第二不锈钢管20与双向蠕动泵12连接，第二不锈钢管21上分别设有电磁阀13，电磁阀13分别与单片机11进行电连接；

其中，太阳能热水器1为圆柱形多层结构，包括固定层101、浮动层102、支撑杆103、直线轴承104、固定卡扣105、U型硅胶密封套106、第一纳米流体夹层111、第二纳米流体夹层113、第三纳米流体夹层115、第一水夹层112、第二水夹层114、第三水夹层116，固定层101与浮动层102构成的夹层由外至内分别为第一纳米流体夹层111、第二纳米流体夹层113、第三纳米流体夹层115、第一水夹层112、第二水夹层114、第三水夹层116，第一纳米流体夹层111、第二纳米流体夹层113、第三纳米流体夹层115位于浮动层102外侧，第一水夹层112、第二水夹层114、第三水夹层116位于浮动层102内侧，支撑杆103之间的夹角为50°，支撑杆103端部焊接在支架2上，固定层101端部通过固定卡扣105与支撑杆103连接，浮动层102端部通过直线轴承104与支撑杆103连接，浮动层102与固定层101采用U型硅胶密封套106连接；

其中，如图3、图5及图6所示，固定层101由圆柱形固定边框107和PET薄膜108；固定边框107包括平行设置在热水单元两侧的侧边框1071和连接两侧边框1071的支撑连杆1012；PET薄膜108沿支撑连杆1072长度方向包裹固定边框107；

浮动层102包括若干组韧性边框109和沿长度方向连接两相邻韧性边框109的波褶状硅胶条110；若干组韧性边框109与波褶状硅胶条110组成圆柱形边框；

韧性边框109包括平行设置在热水单元两侧的韧性侧边框1091和连接两韧性侧边框1091的支撑连杆1012；PET薄膜108沿支撑连杆1012长度方向包裹韧性侧边框1091。

波褶状硅胶条110可有多个，分布连接在PET薄膜上，组成完整的环形组合PET薄膜1081上。

其中，固定层101与浮动层102之间使用厚度为0.2mm热阻较小的PET薄膜108隔开；

其中，储水箱5使用隔热板501分成第一储水腔502、第二储水腔503、第三储水腔504，第一储水腔502、第二储水腔503、第三储水腔504中热水温度分别为100℃，60-80℃，40-60℃，第一储水腔502、第二储水腔503、第三储水腔504分别与太阳能热水器1的第一水夹层112、第二水夹层114、第三水夹层116连接；

其中，浮球阀8的浮球分别位于第一储水腔502、第二储水腔503、第三储水腔504内；

其中，纳米流体储罐14包含第一储液腔1401、第二储液腔1402、第三储液腔1403，第一储液腔1401、第二储液腔1402、第三储液腔1403通过第二不锈钢管20分别与太阳能热水器1的第一纳米流体夹层111、第二纳米流体夹层113、第三纳米流体夹层115连接，第一储液腔1401、第二储液腔1402、第三储液腔1403分别装有高、中、低浓度的半透明纳米流体；

其中，纳米流体储罐14中纳米流体的体积不超过纳米流体储罐14体积的2/3；

其中，太阳能热水器1与进水管6连接的进水口低于与出水管4连接的出水口，太阳能热水器1的出水口低于储水箱5下表面；

本发明公开了一种可产出不同温度热水的高效太阳能集热系统调控方法，包括温度传感器7测量储水箱5内的热水温度，并将温度传递给单片机11，单片机11根据温度信号控制电磁阀13与双向循环泵12的启闭，通过双向蠕动泵12对第一储液腔1401、第二储液腔1402、第三储液腔1403增压与减压调节纳米流体层和水层的厚度；

其中，纳米流体为石墨烯或碳黑或碳纳米管或氮化碳纳米流体；

其中，储水箱5、出水管4、热水出水管15均采用保温材料包覆。

储水箱5与自来水管10接通，自来水经过净水滤芯9净化后进入第一储水腔502、第二储水腔503;其中第一储水腔502设定温度为100℃、第二储水腔503设定温度为60-80℃。

由于40-60℃的热水多用于淋浴、洗漱等，对水质要求不高，因此第三储水腔的进水不经过净化过滤；

储水箱5中的冷水在重力的作用下通过进水管6流入太阳能热水器的水夹层，纳米流体夹层中的纳米流体吸收太阳辐射，温度升高，热量通过PET薄膜传递与水夹层进行热交换，加热水夹层内的冷水。水夹层内冷水被加热后，密度变小，在浮升力的作用下，经出水管流回储水箱5，经不断循环往复后，储水箱5的水温不断升高，最终达到设定温度。

储水箱5中的温度传感器7用于测量热水温度，并将所测得的温度转变为电信号传输给单片机11；

固定层101的铝合金边框通过固定卡扣105固定在支撑杆103上，浮动层102由韧性优异的聚丙烯材质的环形韧性边框109和可拉伸的波褶状硅胶条110组成，结合直线轴承104在支撑杆103上的滑动结构，可实现浮动层102的变径调节。通过浮动层102的变径调节，可调节纳米流体夹层和水夹层厚度，满足热水器对不同聚光温度的要求。

因为纳米流体对太阳辐射的吸收率与纳米流体的浓度和流体层的厚度有关，太阳辐射的吸收率与流体层的厚度、浓度成正比，所以通过双向蠕动泵12控制不同浓度纳米流体夹层和水夹层的厚度，调节纳米流体对太阳辐射的吸收率，实现对集热温度的调节，产出不同温度的热水，满足用户对不同温度热水的需求。

以第二储水腔503为例，当第二储水腔503水温小于设定值60℃时，温度传感器7将温度信号转换为电信号传输给单片机11，利用单片机11控制双向蠕动泵12正转，并开启第二储液腔1402上方的电磁阀13，双向蠕动泵12正转向第二储液腔1402内加压，在压力的作用下，纳米流体被冲入太阳能热水器的纳米流体层，纳米流体内纳米流体增多，推动浮动层沿着直线轴承向内变径收缩，当直线轴承到达浮动最小位置b位置时，单片机11控制双向蠕动泵12和电磁阀13关闭，随着纳米流体的流入，第二纳米流体层113厚度增加，第二水夹层114厚度减小，纳米流体对太阳辐射的吸收率增加，集热温度升高；

相反地，当第二储水腔503中水温超过设定值80℃时，需要降低集热温度，利用单片机11控制双向蠕动泵12反转，并开启第二储液腔1402上方的电磁阀13，第二储液腔1402中压力降低，纳米流体层中的纳米流体被抽回，浮动层102沿着直线轴承104向外扩张，当直线轴承到达浮动最大位置a位置时，单片机11控制双向蠕动泵12和电磁阀13关闭，第二纳米流体层113厚度减小，第二水夹层114厚度增加，纳米流体对太阳辐射的吸收率降低，集热温度降低；

当用户需要使用热水时，打开储水箱5下方的热水出水闸阀16，储水箱5中的热水从热水出水管15中流出；热水流出，引起储水箱5中的水位下降，当水位下降至储水箱5中的储水箱低水位d位置时，储水箱5上方的浮球阀8打开，自来水经过净化后进入储水箱5，当储水箱5中水位上升至储水箱高水位c位置时，储水箱5上方的浮球阀关闭，停止补水。

在光照不足的情况下，储水箱5、热水出水管15外部的保温层可以起到对热水的保温作用。

以上所示仅为本发明的优选实例，并不用于限制本发明。热水单元、储水箱、纳米流体储罐的数量，对于本领域的技术人员来说，可以有各种更改和变化，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等均应包含在本发明的保护范围之内。