太陽能熱水器原理-真空管，平板太陽能熱水器工作原理（圖解）
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(diǎn)，迅速贏得了廣大消費(fèi)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。“向屋頂要能源”，太陽能熱水器就是吸收太陽的輻射熱能，加熱冷水提供給人們在生活、生產(chǎn)中使用的節(jié)能設(shè)備。
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)品中普及率最高的產(chǎn)品。普通太陽能熱水器主機(jī)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(xì)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)，使最熱的水循環(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?yàn)樘柲軣崴髦荒馨滋旃ぷ�，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(qiáng)度和耐腐蝕性至關(guān)重要，優(yōu)質(zhì)的選材應(yīng)是進(jìn)口SUS2B304板材，厚度在0。4mm--0。8mm之間不銹鋼板，氬氣保護(hù),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(diǎn)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(jìn)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(jī)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(jī)械設(shè)備、模具等有機(jī)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(fèi)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)最低（≤0.024）、熱阻值最高的保溫材料。太陽能熱水器的發(fā)泡層厚度一般在50mm-70mm之間，實(shí)際保溫性能則取決于生產(chǎn)廠家的發(fā)泡機(jī)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(jìn)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(jì)合理、連接正確，循環(huán)管道對太陽能系統(tǒng)是否能達(dá)到最 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(yùn)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(bǔ)充溫度較低的水，如此循環(huán)往復(fù)，最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(jì)，二是表面吸收涂層。設(shè)計(jì)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(jì)效益，往往肋片較薄。用于熱水器場合時，這類產(chǎn)品的實(shí)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(jì)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(yùn)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(dá)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(diǎn)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(jì)成頂水方式時，必須對水箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)，以保證出水均勻，避免形成水路“短路”或死角。使用管路最好設(shè)計(jì)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。
專家選購建議
□國家太陽能熱水器質(zhì)檢中心檢驗(yàn)部部長高級工程師 辛禮
▲關(guān)注“日有用得熱量”或“平均日效率”兩個熱性能指標(biāo) “日有用得熱量”或“平均日效率”越高越好，“平均熱損因數(shù)”或“平均熱損系數(shù)”越低越好。
▲真空管是產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵 家用太陽熱水器的關(guān)鍵部件就是全玻璃真空太陽集熱管（簡稱真空管），真空管質(zhì)量的好壞直接影響到整個家用太陽熱水器的性能。選購時應(yīng)仔細(xì)觀察真空管內(nèi)玻璃管上的涂層，這層涂層叫太陽選擇性吸收涂層，由于各廠家制作工藝不同，涂層顏色會有所區(qū)別，但一般都是黑色、深藍(lán)色或深灰色。質(zhì)量好的涂層顏色均勻，膜層無劃痕、無起皮或脫落現(xiàn)象，玻璃上也沒有結(jié)石或節(jié)瘤現(xiàn)象，支撐內(nèi)玻璃管的支撐件放置端正、不松動。
▲測量管間距 選購時還應(yīng)注意真空管之間的管間距，配置外徑為φ47mm全玻璃真空太陽集熱管時，通常兩管的中心距在70 mm左右為宜。配置外徑為φ58mm全玻璃真空太陽集熱管，通常兩管的中心距在80mm左右為宜。
▲支架設(shè)計(jì)應(yīng)合理 家用太陽熱水器的支架設(shè)計(jì)應(yīng)合理，足夠的強(qiáng)度和剛度才能確保有足夠的承重能力。在一些日常風(fēng)力較大的地區(qū)，尤其是沿海地區(qū)，在選購家用太陽熱水器時還應(yīng)注意該產(chǎn)品在設(shè)計(jì)上是否有抗風(fēng)能力。
▲放光板設(shè)計(jì)應(yīng)最大受光吸熱 目前市場上，家用太陽熱水器的反光板形式多種多樣，有平面反光板、曲面反光板、壓花鋁板等等，在選購時應(yīng)注意產(chǎn)品的反光板設(shè)計(jì)是否能充分利用到真空管的吸熱面，真空管能否最大程度受光。
▲根據(jù)家庭人口計(jì)算容量 在選購時還應(yīng)考慮到家中常住人口數(shù)量，以確定所購買家用太陽熱水器水容量的大小。一般以每人40升水的標(biāo)準(zhǔn)為宜。
▲具有電氣安全設(shè)計(jì)的產(chǎn)品更安全 如果夠買的家用太陽熱水器需要配置電加熱裝置，應(yīng)選擇具有電氣安全設(shè)計(jì)的產(chǎn)品。
▲明明白白選購配件 選購諸如自動上水裝置、水溫水位顯示儀、電磁閥等配件時一定要問清楚使用壽命和保修期限。
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