太阳能热水器的原理

太阳能热水器是太阳能成果应用中的一大产业，它以环保、安全、节能、卫生等优点，迅速赢得了广大消费者的青睐，中国，是一个能源消耗大国，每年全国能耗约占全世界能耗总量的1∕3，而全国总能耗中，有1∕3是来自建筑能耗。

一、太阳能热水器的结构示意图

太阳能热水器是迄今为止人类利用太阳能工业产品中普及率比较高的产品。普通太阳能热水器主机由三部分组成：真空集热管、保温水箱和支架(如图所示)。常用的配件有：上下水管、测控仪表、水阀开关等。

二、集热和循环原理

系统中的集热元件。其功能相当于电热水器中的电热管。和其它热水器不同的是，太阳能集热器是利用太阳的辐射热能加热冷水，故而加热时间只能在有太阳光照射的白天。

如图所示，真空集热管就像一个细长的暖瓶胆，内外层之间为真空，常用尺寸有：1800mm×58mm、1500 mm×47mm等。真空管内管的外表面是特种材料涂层，可以有效吸收太阳辐射能。当光子撞击膜层的时候，光能转化为热能，并传导给管内的水，水温便逐渐升高。

由于冷水比重大、热水比重小的原理，真空管和保温水箱便形成了冷水向下，热水向上的自然循环，使比较热的水循环到保温水箱中。

三、保温储存原理

和其它保温水箱一样，是储存热水的容器。 因为太阳能热水器只能白天工作，而人们一般在晚上才使用热水，为了使白天生产的热水在到晚上或隔天使用时保持一定的温度，所以必须通过保温水箱把热水储存起来。

1、水箱内胆水箱内是储存热水的重要部分，其用材料强度和耐腐蚀性至关重要，优质的选材应是进口SUS2B304板材，厚度在0。4mm--0。8mm之间不锈钢板，氩气保护,高频自动焊接,提高钢板在各种水质或各种环境耐腐蚀性能。

2、水箱保温材料性能特点及技术参数：保温材料的好坏直接关系着热效率和晚间清晨的使用，在寒冷的东北尤其重要。目前较好的保温方式是进口聚氨脂保温，若配料、工艺、环境、温度不适，也会造成发泡不均或泡孔过大、工质缓慢漏失保温性逐渐下降的后果，这就需要厂家有专门的发泡机械、标准化模具和较高的工艺技术水平。另外，馒头不仅要了解产品用材工艺、还要看厂家的机械设备、模具等有机成本的高低、质量监测的水准。产品质量直接关系消费者的利益。 聚氨酯保温层厚度：50mm闭孔率:65.69%导热数:19.83mw/m.k，并经过高温熟化处理。

保温水箱是如何让热水长时间保持高温、不随夜晚和寒冬等外界温度变化呢?如图所示，保温水箱有三部分组成：外胆、聚氨酯发泡层和不锈钢内胆，其中，聚氨酯发泡层负责太阳能热水器的保温。聚氨酯的保温性能卓越，是目前国内所有建材中导热系数比较低(≤0.024)、热阻值比较高的保温材料。太阳能热水器的发泡层厚度一般在50mm-70mm之间，实际保温性能则取决于生产厂家的发泡机械、标准化模具和工艺技术水平。

四、连接管道，上下水原理

将冷水输送到符水箱进入集热器，再从保温水箱内把热水输送到人们使用热水的通道。叫做连接管道，为使整套系统形成一个闭合的环路，必须设计合理、连接正确，循环管道对太阳能系统是否能达到比较 佳工作状态至关重要。热水管道必须做保温处理。管道必须有很高的质量，保证15年以上的使用寿命。安装时要求横平竖直。

给太阳能热水器向上打水时，依靠的是自来水的水压，没有自来水或者不能24小时供自来水的用户，就得依靠水泵或者增压罐来给太阳能热水器打水。

用水时，只要打开室内的任何一个水龙头，热水器水箱内的热水便依靠自然落差的原理流出。

节能环保

每平方米平板太阳能集热器或5只真空管(∮58㎜×1800㎜)在一个正常日照日内，可产生相当于2.5度电的热量，按这标准，每年可节约标准煤200公斤 左右，可以减少700多公斤二氧化碳的排放量。太阳能热水器的广泛运用，在省钱、方便馒头的同时，也大大地改善了地球的环境污染状况。

　太阳能热水器工作原理图：

平板式太阳能工作原理

一、 吸热过程

太阳辐射透过玻璃盖板，被集热板吸收后沿肋片和管壁传递到吸热管内的水。吸热管内的水吸热后温度升高，比重减小而上升，形成一个向上的动力，构成一个热虹吸系统。随着热水的不断上移并储存在储水箱上部，同时通过下循环管不断补充温度较低的水，如此循环往复，比较终整箱水都升高至一定的温度 。 现有的平板式集热器，基本上都采用结合良好的多管组合方式，如滚压或压延方法等，其中走水管子与吸热板之间的热阻几乎可以忽略。影响平板式集热器板芯性能的主要因素，一是结构设计，二是表面吸收涂层。设计良好的集热器的板芯肋片效率应该在93%以上。集热器的板芯肋片效率与板芯结构、表面处理以及集热器整体结构有关。集热器整体结构的影响可以用总传热系数来描述，其影响程度与自身的几何尺寸(肋片厚度、材质)是一样。也就是说，在同等效率的情况下，集热器热损小时板芯可以薄一些。选择性吸收表面可以提高集热效率，但是市面上这类产品为了提高经济效益，往往肋片较薄。用于热水器场合时，这类产品的实际集热效果与选择性差一些(甚至没有选择性)但肋片厚一些的集热器不会有太大的区别。

二、 循环管路

家用太阳能热水器通常按自然循环方式工作，没有外在的动力，设计良好的系统只要有5~6℃以上的温差就可以循环很好。水循环管路管径及管路分布的合理性直接影响到集热器的热交换效率。 多数情况下，自然循环家用热水器系统管路中的流态都可以视为层流。 集热器内管路系统的阻力主要来自沿程阻力，局部阻力的影响要小得多，其中支管的沿程阻力又比主管要大得多。当水温升高后，由于运动粘度减小，沿程阻力变小，局部阻力的影响变大。在一定范围内，当主管管径不变时，加大支管管径，不仅沿程阻力迅速减小，而且局部阻力也将跟着减小。一般地，支管的水力半径应在10mm以上。当主管管径达到一定值以后，增加主管管径对减小系统阻力意义不大。

三、 顶水式使用过程

家用太阳能热水器的用水方式分为落水式和顶水式。落水使用方式不受自来水供水影响，其缺点是使用过程中水温先低后高，掌握不好的话容易造成突然缺水的尴尬。顶水方式则是水温先高后低，容易掌握，使用者容易适应，但是要求自来水保持供水能力。在自来水有保证的情况下，推荐使用顶水方式。 家用太阳能热水器设计成顶水方式时，必须对水箱内部结构进行合理的设计，以保证出水均匀，避免形成水路“短路”或死角。使用管路比较好设计成可以转换成落水式的连接方式，在自来水压力不足或停水时应急用。