新型太阳能热水器工作原理、结构特点及热水工程系统简介
来源：浩通能官网 Www.HaoTongNeng.Com时间：2014-07-25
一、新型太阳能热水器简介
一种新型太阳能热水器，包括水箱，真空管，温度计，温度报警器，水箱的外部一侧设有温度计，水箱的内部一侧设有温度报警器，两个水箱右真空管相连接，其中一个水箱下部设有出水管，另一个水箱的下部设有进水管。本实用新型由于采用了上述技术结构，在安装本实用新型的太阳能热水器时，可随屋面特点而摆放，平屋面可平放，坡屋面可斜放，由于本实用新型太阳能热水器中至少有两个水箱，重力得到分散，重心下移，对房屋的荷载要求相应减少，并大大增加了其抗风能力。
二、新型太阳能热水器特点
一种新型太阳能热水器原理，理论上比现在的太阳能热水器的转换效率要大2-5倍之多。本文只是工作原理结构。其转化太阳能的原理请参见物质温度和辐射、吸收的关(上)——物体对辐射的吸收
太阳能热水器是采用太阳光对物体的作用来工作的。普通的太阳能热水器通常都是采用在传热性能好的水管表面涂上一层黑色的类似于黑体的黑色的对太阳光进行强烈吸收的物质，如煤烟。来吸收太阳能的能量的。
在传统的太阳能热水其中忽略了物质对太阳光吸收和辐射的规律，因此能源的利用率是较低的。本项技术根据物体对太阳能的吸收和辐射，以及太阳光和热能转化的的关系，对普通太阳能热水器进行原理改造而成，同面积的太阳光的利用率和转化率反映在能量的量值上，要比普通的太阳能热水器转化成的热量大2-5倍以上。(当然，这是理论上的数值)在冬天，这种太阳能热水器的转化出的热量要远大于普通太阳能热水器的5倍.
三、新型太阳能热水器相对传统太阳能热水器工作原理改进的两个地方
1、热水器对太阳能的辐射
为了加强太阳能热水器对太阳能的吸收，我们通常都是采用对太阳光进行强烈吸收的接近绝对黑体的物质材料作为吸收太阳光的物质。这样虽然可以大量的吸收太阳光，但是，它所辐射出去的能量也是非常可观的。我们拿普通热水器来说：
如果我们的太阳能热水器的工作物质的温度在90度左右，普通的室温在30度左右。以1平米的太阳光计算，那么太阳能热水器工作物质辐射出去的有效功率为516焦/秒，相当于0.516千瓦。
这样，如果要提高太阳能热水器的功率和能量利用率问题，就必须对太阳能的吸收材料和结构进行改造。
2、热水器对太阳能的热能转化率
我在物质和光作用的理论分析上得出，绝对黑体的工作物质的温度的平方同热能的转化率成正比。提高工作物质的温度是提高太阳能热水器功率和太阳能热水器对太阳能有效利用率的方法。如果以高沸点的液体代替水作为工作物质，比如油，渴望将太阳能的工作温度提高到摄氏200度左右。即：提高工作物质的温度2倍以上。普通的太阳能热水器在90度左右。太阳能对热能的转化率和普通太阳能热水器要大2.4倍左右。冬天以工作物质的温度摄氏30度计算，太阳能对热能的转化率可达到普通太阳能热水器的3-5倍左右。在物质条件许可的情况下，要尽量提高工作物质的温度。
经过如上改造过的太阳能热水器，相同面积的太阳光转化为热能的单位时间输出能量，要几倍于普通热水器输出的能量。以上两种改善方法只是理论计算结果，在实际应用上可能要偏低一些。
四、新型太阳能热水器的结构原理图
如图：
图1 图2
上图是原理结构图，图是草图。我尽量说明白。图1和图2是这种太阳能热水器分开的两个部分。图1是工作部分，图2则是存储热水的部分。
五、新型太阳能热水器工作原理详解
1、新型太阳能热水器工作结构
主要工作部分是由如下几部分：
凹面反光镜——蒋太阳光反射进空腔里。
工作物质内腔——工作物质涂在中空(带夹层)圆球的内表面上。
小孔——工作物质内腔上面留的小孔，用于进入太阳光。
工作物质——可采用接近绝对黑体的对太阳光腔吸收物质作为工作物质，如煤烟。
绝热层——阻止高沸点液体所在的圆球表面对热量的散发，用于将整个圆球的温度维持在较高的温度。图1和图2部分如果做到一起，高端循环管和低端循环管很短的话，两个循环管的外壁可以不用施加绝热物质，否则也要加上绝热层的。
高端循环管——用于导出经加热的高沸点液体，较热的液体。
低端循环管——用于导进温度较低的高沸点液体。未经加热的。(如上在图1中)
预热仓——散发太阳光转化成的热量到水箱里。内部是高沸点液体。它的另一个作用是维持高低端的循环管中的温度保持在确定的高温状态，以保证工作物质具有较高的温度。但不是主要的。(在图2中)
2、新型太阳能热水器工作过程
凹面反光镜将太阳光反射到工作物质内腔里，内腔内表面的高吸收太阳光的物质将太阳光转化为热能，并加热夹层中的高沸点液体，通过高端循环管将太阳能产生的热量输运到预热仓中，并通过预热仓将热量散发到水箱中的水里。
3、新型太阳能热水器对部件的要求
凹面反光镜：如果为了降低成本，凹面反光镜采用玻璃镀银或者渡铝方法，采用石英玻璃等紫外线可以穿过的玻璃会提高功率。
小孔：小孔的面积一定要尽量的小，因为小孔的面积决定空腔工作物质辐射出去的能量大小。
工作物质内腔：在形状和面积上没有什么特殊的要求，便于设计就行了。在材料上，要采用导热性能好的金属。便于将太阳光产生的热能传递给高沸点导热液体。
夹层体积的大小：工作物质内腔外层的存储高沸点液体的夹层要尽量的大一些，它直接决定了工作物质内腔工作物质的温度，理论上来说，它越大，工作物质的工作温度越高。
工作物质：在它产生的热量能快速传递到金属壁上的前提下，适当提高一点厚度。有利于提高工作的温度。
绝热层：要选用可以工作的200度以上的绝热物质。
高低端循环管：采用导热性能不好的材料。
预热仓：预热仓采用导热性能好的金属。预热仓和水接触的面积和温度决定这种热水器的功率。功率大的热水器，预热仓和水接触的表面积一定要做的大一些。当然，预热仓做的多大也无所谓，但关键是这样会使相同体积的水箱减少储水量，增加高沸点液体的量，成本要升高的，另一方面也必须使夹层的空间增大才能达到工作物质在高温状态工作。如果做的特别小，功率会很小。这一点需要注意。
六、新型太阳能热水器三点建议
新型太阳能热水器建议一、小孔的建议：小孔采用对光透射率高的透明材料封闭起来，如石英玻璃。在内部充入纯度较高的阻燃性的气体如二氧化碳。
1、可以保证高温工作物质在内腔中产生的较高温度的气体不会逃逾出来，在冬天较冷的空气不会降低工作物质的温度。
2、可以保证灰尘等脏物进入到空腔里，降低工作物质对太阳光的转化率。
新型太阳能热水器建议二、水箱的建议：在水箱外面用绝热性能好的物质给包裹起来。虽然水箱不采用绝热性能好的物质进行绝热处理有助于对水箱也同时吸收太阳光，但是，它同时还要向外辐射热能，另一方面和空气的接触也会形成热量的逃逾。夏天可以很好的使用，在冬天或者气温较低的地方则不能使用了。
新型太阳能热水器建议三、建议是容易散热的表面，要做成光滑的。这样可以减少辐射。
七、新型太阳能热水器需要注意的问题
本项技术虽然在工作原理上虽然更优于传统的太阳能热水器，但需要比传统太阳能热水器更复杂的结构和设计。成本自然要高一些。
本文没有谈到的一个技术问题是如何对凹面反光镜如何去追踪太阳光问题，如果不追踪太阳光，那么反光凹面镜就不能将太阳光反射进小孔里。由于这只是传统的技术问题，于新技术在原理上是无关的，这里不再探讨。
八、新型太阳能热水器热水工程系统简介
最新这款含有4项实用新型专利技术的太阳能热水器，是笔者几年来的心血成果，经实践验证，它具独有的优势和无法比拟的特点。 通过巧妙的设计该系统基本解决了太阳能热水器使用中遇到的难题，斩断了太阳能热水器系统中关键部件--集热器和控制器的寿命制约缆绳，同时解决了安装麻烦、容易遭受雷击、储水桶中易于滋生细菌及成本难以和性能统一等诸多困惑太阳能热水器发展瓶颈。欢迎太阳能热水器厂家联系探讨，真心希望这一最新科技成果能够尽快服务社会造福人民。
<一>、新型太阳能热水器热水工程系统——倒置储水桶安装法
太阳能热水器的最大特点就是房顶上那高高在上的储水桶。每次看它头重脚轻的样子，就免不了心中惴惴不安。现在让储水桶下降直接就安装在房顶，不用支架把它高高耸立在上，就不再存在安全问题，也降低了防雷避雷的难度。带来的结果是安装简单，成本降低，房顶的负重也变轻了。
储水桶为什么要放在上面呢?是因为要利用热水比重轻、冷水比重重的物理特点，使与它相连的集热器中的水自动进行置换，从而达到对水加热的目的。但是这种方式带来比较多问题：
1、集热器是玻璃管，夏天容易炸管，冬天容易冻管，很难侍候。
2、集热器里面容易生长水垢，要不了多久玻璃管壁上面就附着了一层水垢，它的集热效率就变低了，一般是一年到一年半就必须要进行清洗，这是一件专业活，普通人无法自己动手。
3、集热器里面一直有水，它白天吸收太阳热，晚上对外散发储水桶里面热。这种方式让辛辛苦苦收集来的热水如果当天不用，过一夜后热量就全没了。
4、它不能承受水压力，因为那会导致集热器玻管破裂。
5、还有其它方式的集热器方案，比如双层真空玻管，一来它的生产成本太高，或者是需要较多的贵重金属，用户难以接受市场推广困难。二来如果它里面仍然是流动的水其根本的矛盾问题就没有得到解决。
6、安装固定支架笨重，成本增加又给楼顶带来额外的负重压力。
<二>、新型太阳能热水器热水工程系统——真空玻璃储水桶
它就是一个放大了的热水瓶，只是在它的下腰部内嵌入铝板做为传递外部热量的加热器来加热内储水。它用彩钢做外套，包有一层泡沫做保护，成本低，隔热效果好，热水过夜绝无问题。
<三>、新型太阳能热水器热水工程系统——真空集热器
和其它真空集热器的双层结构不同，它仅是单管，外形呈长扁矩形，内装经特殊处理过的薄铝板，作为热传递器。它整管加工简单，不要贵金属所以成本低。它不需要二次传热所以传热效果好。它内部没有冷水热水流动，不存在炸管、冻管问题，不存在水垢问题，所以使用简单可靠，能够长期运行不用管它。由于真空的原因，它只能向储水桶传递热量，不能向外辐射传递热量。它利用伸出在外的铝板和
储水桶下腰部铝板相连，就可以向储水桶传递热量了。它的传热效率根据实际测试数据证明，高于真空集热器空气传热方式，但成本不到它的五分之一。
<四>、新型太阳能热水器热水工程系统——长寿命的水位水温探测器
太阳能热水器发展至今，一直受困于短命的水位水温探测器。不管其工作原理属于那一种，都因为要长期置于水里，免不了水垢及水温湿气的侵蚀使其失效。笔者曾在浙江某地考察一个控制器的专业生产厂家，已经投入6千多万元，3年时间里生产了一代又一代的控制器，就因为水位水温探测器只能工作半年多不到一年时间这一难题，至今还在苦苦挣扎寻觅。
让笔者无法理解的是：他们只把眼光紧盯美欧国家，希望发现一款更加高科技、高价位的传感探头，神奇的就能改变这一切。他们甚至开发出了计算机远程操控系统，利用计算机的强大计算控制功能，来实现热水器的远程调温、调水、定时等等多种复杂功能，但是这种控制能进入家庭吗?它的实用价值何在?正确的做法是：仔细分析控制器失效的原因和机理，提出几种解决方案并通过实验筛选出一种最为可行的再投入小批量试产。
1、探测器的采集原理
水温水位探测器主要用来检测太阳能热水器水箱的水温和水位。水温检测一般使用热敏电阻，其价格便宜、性能稳定、检测电路简单。而水位检测从检测方法原理上可分为机械式、电极式、压力式和感应式等。
①、电极式
电极式探测器是利用水的电阻率变化来检测水位，这种传感器一般以不锈金属作为导电体，但是无孔不入的水垢使它很快就失效。
②、压力式
压力式探测器是以美欧进口的传感头为主但使用的厂家不多。目前，市场上的水温水位探测器一般使用机械式和电极式。由于水温水位探测器工作环境十分恶劣，而且是放置在水箱内，早晚剧烈变化的温差容易在其表面结水垢，导致机械探测器的浮球被卡住或是电极式探测器的电极之间不能导电致使探测器失效，造成控制功能不能完成。目前市场上，所销售的水位探测器的寿命一般不到一年时间。
③、感应式
感应式探测器，又称电容式传感器。它主要通过检测两个完全绝缘的电极间地电容量，来检测水位，它有希望较好地解决探测器结水垢的问题。但由于其检测电路过于复杂，市场上至今还没有成熟的产品出现。
2、探测器普遍存在的问题
太阳能热水器探测器通常存在以下问题：
①、水温水位的检测易受水质、水垢等的干扰影响，采集的数据不精确，肯定就影响到控制器的控制精度，进而影响了太阳能热水器声誉，造成市场对太阳能热水器的认可度降低，人们对太阳能热水器有了使用难的偏见。
②、探测器需要长期工作在热水器水箱之中，因为玻管的热量大，传给热水器水箱很多热量，使水箱温度可能长时间达到100℃左右，这就给探测器传感头带来了耐高温问题.
③、对太阳能热水器水箱里的水温水位探测：一般将感温探头和水位探头都直接接触水源，漏水、漏电以及雷击等诸多原因可能导致传感器失效。
④、由于我国水质不一，很多地区的水质较差，水垢给传感器带来很多麻烦，水垢附着在电极和感温头上，造成传感器感知水位水温数值不准确。
⑤、各种电磁干扰都会对探测器的信号传输带来很大的影响，加之电路不完善需要改进的地方太多等等。
3、探测器失效现状分析
①、储水桶及其绝缘防护体有可能在短时间内漏水，易导致内部电路短路、检测功能失效;
②、探测电极的作用会加快水垢的形成，在电极表面形成绝缘带造成采集信号失真，电腐蚀严重;
③、水箱内的高低温度转换会使硅胶体，热缩管产生热胀冷缩现象，容易造成传感头变形，弯曲或开裂;
④、在水沸腾时接口处在高压气流作用下振动频率极高，易造成硅胶体和导电橡胶体粘合连结部位的损伤或开裂;
⑤、或者由于加热棒漏电造成传感头损坏造成故障;
⑥、雷击使探测器的传感头电路失效;
4、探测器前景
现在很多厂家已经意识到太阳能热水器的防雷避雷问题。由于太阳能热水器主要放置在楼顶，它极易遭受雷击,并会给太阳能热水器控制器带来致命伤害,因此如何更好的防雷击也是目前各个厂家的研究重点。
现在这款长寿命水温水位探测器，它能保证探测器可靠工作4年以上。它工作时与水垢的有无没有关系，与储水桶内的湿度没有关系，只与水位水温有关，实质上是利用的浮筒工作原理，但是它能够长期可靠运行，确保采集到的数据真实完整，整体工作原理非常简单：该水温水位探测器一端固定一端可上下动作，当水位下降时移动端靠自己的重力下垂，当水位上升时移动端靠浮子上升。
这点和其它所有机械式探测器的工作原理一样。不同的是关节部位，我们的关节永远不会被水垢堵塞，或者说如果生长了水垢，关节也具有自动清除水垢的功能。水温和水位探头都不和水体有任何接触，水位探头给出6个水位开关量供单片机处理。由于水位和水温探头不和水体有接触，所以加热棒可以直接安放在储水桶里面，它是否漏电与探测器没有关系，也就解决了长久来二者不能相处的困境。
<五>、新型太阳能热水器热水工程系统——控制器及其它附加功能
一些人嘲讽太阳能热水器储水桶是细菌的培养皿。确实，自然水放进去以后，储水桶里面是慢慢在加温，这种状况非常适合细菌的生长繁殖。新开发的这款热水器控制器可以定时启动消毒功能，能够全部杀灭储水桶里面的细菌，保证用户的身体建康。控制器还具有防雷避雷一体化功能，水位显示水温显示功能等等。
编辑：浩通节能
更多【太阳能热水器知识】>>
