CN217816999U - 带凸透镜阵列聚能装置的太阳能热水与采暖二联供系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了带凸透镜阵列聚能装置的太阳能热水与采暖二联供系统，属于太阳能光热利用技术领域。针对太阳能热水与采暖二联供系统的热量不足问题，本实用新型包括凸透镜阵列聚能装置，凸透镜阵列聚能装置用于通过凸透镜阵列聚焦太阳光，并加热流通于凸透镜阵列聚能装置中的水；保温水箱；热水管；取暖装置；和辅助电加热装置。本实用新型通过凸透镜阵列聚能装置采用凸透镜阵列聚焦太阳光，使得折射聚焦入射的太阳平行光在金属集热板的上表面形成多个温度高达450～1500℃高温焦点光斑，聚光比高，使得换热工质，即水的工作运行温度更高，提高了光热利用效率，从而满足热水与采暖二联供系统所需较高能流密度的要求。

Description

带凸透镜阵列聚能装置的太阳能热水与采暖二联供系统

技术领域

本实用新型涉及太阳能光热利用技术领域，尤其涉及带凸透镜阵列聚能装置的太阳能热水与采暖二联供系统。

背景技术

太阳能热水与采暖二联供系统实际上是太阳能电热水器与太阳能供暖结合而成的一种系统，此系统匹配大容量的保温水箱，末端连接供水设施和采暖设施。此系统通过集热器将太阳能转换为热能，将水加热，并储存在保温水箱中，在夏季用来满足日常生活生产需要；在冬季，保温水箱与采暖末端相连接，将热水输送到采暖末端，可以实现冬季采暖。

当前的太阳能热水与采暖二联供系统主要有如下几种技术路线：

一、真空管式集热器：真空管为圆形，能有效吸收各个角度的阳光照射，故在方位较差或者日照较差时仍能使用，在不同的温差条件下，集热能力较平板式优势更加明显，但其有效采光面较小，光热利用的效率低，且易发生爆管、真空度降低等问题，同时，其与建筑结合的过程也存在困难；

二、平板式集热器：结构简单，抗压、抗冲击较强，适合承压运行，从整体外观、结构强度、安装运行等方面都非常适合与建筑结构相结合，但其热量易散失，在热性能方面，集热温度不超过100℃，光热利用的效率较低、投入与产出的性价比不高。

针对上述问题现有技术中也有相应改进，如公开日为2015-9-23，公开号为CN104930584A的中国专利申请公开了并联式超导太阳能热泵热水洗浴采暖系统由超导平板太阳能集热循环、储能器、热泵热水机组制热循环、取暖器、自动控制器五部分组成，其特征是高效超导平板太阳能集热循环与热泵热水机组制热循环并联，各自独立、相互补充，进行集热，储能器以显热与潜热储热方式储热，在自动控制器控制下以高效换热器换热形式进行供暖和提供生活热水。该系统结构简单，热转换效率高，年运行时间长，无污染，不受气象与使用条件限制，节能显著，较好地解决了太阳能洗浴、采暖和制冷问题。该方案的不足之处在于：超导平板太阳能集热循环还是属于平板式集热器，其光热利用效率还是较低，热量不足。

又例如公开日为2017-8-8，公开号为CN107024004A的中国专利申请公开了一种电加热水储能取暖与太阳能水储能取暖互补系统。它包括PLC控制系统、太阳能热水器和电加热取暖器，所述太阳能热水器设有带水位水温探头的储热水箱和第一上水管、第一下水管、第二上水管和带单向止回阀的第二下水管，电加热取暖器与电动三通阀、出水管、散热片、回水管、循环泵依次连接，电动三通阀连接第二上水管，第二上水管上连接补水管；第二下水管与出水管连接。本发明将太阳能热水器和电加热取暖器相结合，实现互补，充分利用白天太阳能集热水取暖，晚上充分利用煤改电政策的低谷电价进行采暖，采暖成本极低，并且能够达到洗浴、取暖、生活用水等效果，节能高效。该方案的不足之处在于：未提高太阳能热水器的光热利用效率，白天可能因热量不足导致供暖不足。

因此，针对上述问题，有必要提出进一步地解决方案，以至少解决其中一个问题。

实用新型内容

为了解决相关的太阳能热水与采暖二联供系统的热量不足问题，本实用新型提供带凸透镜阵列聚能装置的太阳能热水与采暖二联供系统。所述技术方案是：

带凸透镜阵列聚能装置的太阳能热水与采暖二联供系统，包括：

凸透镜阵列聚能装置，所述凸透镜阵列聚能装置用于通过凸透镜阵列聚焦太阳光，并加热流通于所述凸透镜阵列聚能装置中的水；

保温水箱，所述保温水箱与所述凸透镜阵列聚能装置的两端连通；

热水管，所述热水管与所述保温水箱连通；

取暖装置，所述取暖装置与所述保温水箱连通；和，

辅助电加热装置，所述辅助电加热装置用于对保温水箱内的水进行加热。

本实用新型的一个较佳实施例中，所述凸透镜阵列聚能装置包括凸透镜阵列板、设置于所述凸透镜阵列板下方的金属集热板和设置于所述金属集热板下方的蛇形集热管，所述凸透镜阵列板包括多个串联或并联在一起的凸透镜，多个串联或并联在一起的所述凸透镜形成矩阵结构，多个串联或并联在一起的所述凸透镜的焦点位于同一平面上，且该平面与金属集热板的上表面重合，所述金属集热板用于对所述凸透镜阵列板聚焦收集的太阳光热能量进行吸收并传导至所述蛇形集热管，所述蛇形集热管的两端与所述保温水箱连通，且所述蛇形集热管内流通有水。

本实用新型的一个较佳实施例中，所述金属集热板的上表面设置有多个固定块，所述凸透镜阵列板通过变径螺丝与所述固定块连接。

本实用新型的一个较佳实施例中，所述凸透镜阵列板穿过所述变径螺丝的小直径段并坐于其大直径段上，所述变径螺丝的大直径段与所述固定块螺纹连接。

本实用新型的一个较佳实施例中，多个所述凸透镜之间通过玻璃基板串联或并联在一起。

本实用新型的一个较佳实施例中，所述金属集热板的边缘向上弯折延伸有侧板。

本实用新型的一个较佳实施例中，所述凸透镜阵列板的上方设置有玻璃盖板。

本实用新型的一个较佳实施例中，所述保温水箱通过管路Ⅰ与自来水网连通，且所述管路Ⅰ上设置有电磁阀。

本实用新型的一个较佳实施例中，所述凸透镜阵列聚能装置通过管路Ⅱ与所述保温水箱连通，且所述管路Ⅱ上连接有循环泵。

本实用新型的一个较佳实施例中，所述取暖装置通过管路Ⅲ与所述保温水箱连通，且所述管路Ⅲ上连接有供暖循环泵。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

(1)本实用新型通过凸透镜阵列聚能装置采用凸透镜阵列聚焦太阳光，即将低温、低能流密度的太阳光热能量聚焦为高温、高能流密度的热能，使得折射聚焦入射的太阳平行光在金属集热板的上表面形成多个温度高达450～1500℃高温焦点光斑，聚光比高，使得换热工质，即水的工作运行温度更高，提高了光热利用效率，从而满足热水与采暖二联供系统所需较高能流密度的要求。

(2)本实用新型通过采用固定块和变径螺丝进行凸透镜阵列板和金属集热板的连接，使得凸透镜阵列板与金属集热板的间距可通过变径螺丝旋入固定块的深度进行调节，从而调整安装、运输或使用过程中造成的间距误差，确保凸透镜阵列焦点所在平面与金属集热板的上表面重合，进而确保较高的光热利用效率，满足热水与采暖二联供系统所需较高能流密度的要求。

(3)本实用新型通过将金属集热板的边缘向上弯折延伸有侧板，使得凸透镜阵列板被容置在金属集热板和侧板所围设的腔室内，从而减少热量散失；通过在凸透镜阵列板的上方设置玻璃盖板，玻璃盖板的边缘与侧板贴合，实现对凸透镜阵列板的密封保护且进一步减少热量散失。

(4)本实用新型通过设置辅助电加热装置，实现阴雨天气或晚间等当生活热水、供暖介质的温度不达标时，启动电辅热对生活热水和地暖介质进行电加热，从而确保生活热水和供暖介质的温度符合相关标准要求，保证人员的正常生活。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图；

图2为本实用新型中的凸透镜阵列聚能装置的结构示意图；

图3为图2中1-1处的剖面图；

图4为图3中A处放大示意图。

具体地，1、凸透镜阵列聚能装置；10、金属集热板；20、蛇形集热管；21、蛇形集热管入口；22、蛇形集热管出口；30、固定块；40、护角；50、导热翅片；60、短向侧板；70、长向侧板；80、抽真空管；90、变径螺丝；100、凸透镜阵列板；110、玻璃盖板；2、循环泵；3、保温水箱；4、辅助电加热装置；5、电磁阀；6、淋浴管；7、生活热水管；8、供暖循环泵；9-1、暖气片；9-2、地暖设备。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型保护范围的限制。在本实用新型创造的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

实施例1：

如图1所示，带凸透镜阵列聚能装置的太阳能热水与采暖二联供系统，包括凸透镜阵列聚能装置1、保温水箱3、取暖装置和热水管。本系统通过凸透镜阵列聚能装置1将太阳能转换为热能，将水加热，并储存在保温水箱3内，热水管和取暖装置与保温水箱3连通，从而实现生活热水供应和采暖供应，并且热能不依赖于燃烧天然气或电阻发热，有效减少和降低生活热水和采暖供热对电能、燃气的依赖，为碳减排发挥有益的作用。

本系统还包括辅助电加热装置4，辅助电加热装置4用于对保温水箱3内的水进行加热。通过辅助电加热装置4实现阴雨天气或晚间等当生活热水、供暖介质的温度不达标时，启动电辅热对生活热水和地暖介质进行电加热，从而确保生活热水和供暖介质的温度符合相关标准要求，保证人员的正常生活。

凸透镜阵列聚能装置1用于通过凸透镜阵列聚焦太阳光，即将低温、低能流密度的太阳光热能量聚焦为高温、高能流密度的热能，并加热流通于凸透镜阵列聚能装置1中的水。凸透镜阵列使得折射聚焦入射的太阳平行光在金属集热板10的上表面形成多个温度高达450～1500℃高温焦点光斑，聚光比高，使得换热工质，即水的工作运行温度更高，提高了光热利用效率，从而满足热水与采暖二联供系统所需较高能流密度的要求。

保温水箱3通过管路Ⅰ与自来水网连通，从而实现持续供水，同时将白天通过凸透镜阵列聚能装置1太阳能光热产生的热水进行存储，从而供夜间使用。管路Ⅰ上设置有电磁阀5，以实现水流控制。保温水箱3与凸透镜阵列聚能装置1的两端连通，从而为凸透镜阵列聚能装置1提供流通水。两者可通过管路Ⅱ连通，且管路Ⅱ上连接有循环泵2，例如在凸透镜阵列聚能装置1入水口附近设置循环泵2，以实现凸透镜阵列聚能装置1中水循环。

热水管与保温水箱3连通，即生活热水供水管与保温水箱3连通，例如淋浴管6和生活热水管7，从而提供生活热水。

取暖装置通过管路Ⅲ与保温水箱3连通，可以理解的是，取暖装置为水暖取暖装置，且其两端，也即管路Ⅲ的两端均与保温水箱3连通，从而形成循环路径，且管路Ⅲ上连接有供暖循环泵8，例如在管路Ⅲ入水口附近设置供暖循环泵8，从而实现水流循环。日常家庭一般采用暖气片9-1和地暖设备9-2进行取暖，暖气片9-1和地暖设备9-2可并联在管路Ⅲ中，从而实现可选择性开启暖气片9-1和地暖设备9-2。

本系统还可以设置有控制装置，通过控制装置对生活热水、暖气片9-1或地暖设备9-2内的水温进行监测，根据需要启动供暖循环泵8实现供暖水与保温水箱3中的热水进行换热。具体地，本系统在凸透镜阵列聚能装置1出口处和保温水箱3内设置水温检测设备，凸透镜阵列聚能装置1吸收太阳辐射能量，加热蛇形集热管20内的水，当凸透镜阵列聚能装置1出口处的水温检测设备检测到凸透镜阵列聚能装置1内温度与保温水箱3内温差达到一定程度后，循环泵2启动，将保温水箱3内的水送入凸透镜阵列聚能装置1中进行加热，随后再蓄入保温水箱3中，不断将凸透镜阵列聚能装置1吸收的热能存入保温水箱3中。保温水箱3内的水达到使用要求后，启动供暖循环泵8，将热水送至暖气片9-1或地暖设备9-2，经辐射散热后，再回到保温水箱3中，完成供暖循环。

如图2和图3所示，凸透镜阵列聚能装置1包括由上到下依次设置的凸透镜阵列板100、金属集热板10和蛇形集热管20。凸透镜阵列板100包括多个串联或并联在一起的凸透镜，多个串联或并联在一起的凸透镜形成矩阵结构，多个凸透镜之间通过玻璃基板串联或并联在一起，从而形成板状，便于安装。多个串联或并联在一起的凸透镜的焦点位于同一平面上，且该平面与金属集热板10的上表面重合，从而使得折射聚焦入射的太阳平行光在金属集热板10的上表面形成多个温度高达450～1500℃高温焦点光斑，金属集热板10吸收光斑热能并传递位于其下方的蛇形集热管20。蛇形集热管20的两端与保温水箱3连通，即蛇形集热管入口21和蛇形集热管出口22均与保温水箱3连通，从而实现蛇形集热管20内流通有水，进行太阳能加热水。凸透镜阵列板100聚光比高，使得换热工质，即水的工作运行温度更高，提高了光热利用效率，从而满足热水与采暖二联供系统所需较高能流密度的要求。

本系统的关键点之一在于多个凸透镜的焦点平面与金属集热板10的上表面重合，从而能够在金属集热板10的上表面形成多个温度高达450～1500℃高温焦点光斑，但是由于安装、运输或者长时间使用，会造成凸透镜阵列板100和金属集热板10的间距变化，导致焦点平面与金属集热板10的上表面偏离，因此，本系统中的凸透镜阵列聚能装置1采用固定块30和变径螺丝90进行凸透镜阵列板100和金属集热板10的连接，使得凸透镜阵列板100与金属集热板10的间距可通过变径螺丝90旋入固定块30的深度进行调节，从而调整安装、运输或使用过程中造成的间距误差，确保凸透镜阵列焦点所在平面与金属集热板10的上表面重合，进而确保较高的光热利用效率，满足热水与采暖二联供系统所需较高能流密度的要求。具体地，如图3和图4所示，金属集热板10的上表面设置有多个固定块30，凸透镜阵列板100通过变径螺丝90与固定块30连接。变径螺丝90又称变截面螺丝，包括上下两段直径不同的螺杆段，以下简称小直径段和大直径段，大小仅指两段的直径相对大小。凸透镜阵列板100穿过变径螺丝90的小直径段并坐于其大直径段上，变径螺丝90的大直径段与固定块30螺纹连接，从而通过大直径段旋入固定块30的深度而改变凸透镜阵列板100和金属集热板10的间距。为避免旋转变径螺丝90时带动凸透镜阵列板100移动，凸透镜阵列板100穿过小直径段优选为凸透镜阵列板100上开设有通孔，该通孔直径在小直径段和大直径段的直径之间，从而使得凸透镜阵列板100可直径穿过小直径段，且无法穿过大直径段，进而坐于大直径段上。为提高凸透镜阵列板100坐于大直径段上的稳定性，优选在小直径段和大直径段之间设置垫片，凸透镜阵列板100坐于垫片上。为防止凸透镜阵列板100与变径螺丝90脱离，变径螺丝90的上端可螺纹连接有螺母。

金属集热板10的边缘向上弯折延伸有侧板，如图2所示，金属集热板10呈长方形，其短边向上弯折延伸形成有短向侧板60，其长边向上弯折延伸形成有长向侧板70。此时，凸透镜阵列板100被容置在金属集热板10和侧板所围设的腔室内，从而能够减少热量向侧边散失。凸透镜阵列板100的上方还可以设置有玻璃盖板110，玻璃盖板110的边缘与侧板贴合，从而实现腔室封闭，实现对凸透镜阵列板100的密封保护且进一步减少热量散失，进而提高加热水效率。为避免封闭腔室内产生水蒸气，水蒸气影响玻璃盖板110、凸透镜阵列板100的透光率，优选对该封闭腔室进行抽真空处理，即该封闭腔室连通有抽真空管80，从而根据需求进行抽真空处理。同时抽真空处理又可以提高腔室保温效果，降低热传导、反射等造成的热损失。在金属集热板10的四个侧板接缝处可焊接护角40，从而提高腔室的密封性，进一步减少热量散失。

蛇形集热管20设置于金属集热板10的下方，为增大蛇形集热管20与金属集热板10的接触面积，从而提高热量利用率，金属集热板10的下方可设置有导热翅片50，导热翅片50垂直于金属集热板10，若干个导热翅片50并排设置于金属集热板10的下方，导热翅片50跨过蛇形集热管20并与金属集热板10相固定。

综上所述，本实用新型通过凸透镜阵列聚能装置采用凸透镜阵列聚焦太阳光，使得折射聚焦入射的太阳平行光在金属集热板的上表面形成多个温度高达450～1500℃高温焦点光斑，聚光比高，使得换热工质，即水的工作运行温度更高，提高了光热利用效率，从而满足热水与采暖二联供系统所需较高能流密度的要求。

此外，应当理解，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

Claims (10)

1.带凸透镜阵列聚能装置的太阳能热水与采暖二联供系统，其特征在于，包括：

凸透镜阵列聚能装置，所述凸透镜阵列聚能装置用于通过凸透镜阵列聚焦太阳光，并加热流通于所述凸透镜阵列聚能装置中的水；

保温水箱，所述保温水箱与所述凸透镜阵列聚能装置的两端连通；

热水管，所述热水管与所述保温水箱连通；

取暖装置，所述取暖装置与所述保温水箱连通；和，

辅助电加热装置，所述辅助电加热装置用于对保温水箱内的水进行加热。

2.根据权利要求1所述的带凸透镜阵列聚能装置的太阳能热水与采暖二联供系统，其特征在于，所述凸透镜阵列聚能装置包括由上到下依次设置的凸透镜阵列板、金属集热板和蛇形集热管，所述凸透镜阵列板包括多个串联或并联在一起的凸透镜，多个串联或并联在一起的所述凸透镜形成矩阵结构，多个串联或并联在一起的所述凸透镜的焦点位于同一平面上，且该平面与所述金属集热板的上表面重合，所述金属集热板用于对所述凸透镜阵列板聚焦收集的太阳光热能量进行吸收并传递至所述蛇形集热管，所述蛇形集热管的两端与所述保温水箱连通，且所述蛇形集热管内流通有水。

3.根据权利要求2所述的带凸透镜阵列聚能装置的太阳能热水与采暖二联供系统，其特征在于，所述金属集热板的上表面设置有多个固定块，所述凸透镜阵列板通过变径螺丝与所述固定块连接。

4.根据权利要求3所述的带凸透镜阵列聚能装置的太阳能热水与采暖二联供系统，其特征在于，所述凸透镜阵列板穿过所述变径螺丝的小直径段并坐于其大直径段上，所述变径螺丝的大直径段与所述固定块螺纹连接。

5.根据权利要求2所述的带凸透镜阵列聚能装置的太阳能热水与采暖二联供系统，其特征在于，多个所述凸透镜之间通过玻璃基板串联或并联在一起。

6.根据权利要求2所述的带凸透镜阵列聚能装置的太阳能热水与采暖二联供系统，其特征在于，所述金属集热板的边缘向上弯折延伸有侧板。

7.根据权利要求6所述的带凸透镜阵列聚能装置的太阳能热水与采暖二联供系统，其特征在于，所述凸透镜阵列板的上方设置有玻璃盖板，所述玻璃盖板的边缘与所述侧板贴合。

8.根据权利要求1所述的带凸透镜阵列聚能装置的太阳能热水与采暖二联供系统，其特征在于，所述保温水箱通过管路Ⅰ与自来水网连通，且所述管路Ⅰ上设置有电磁阀。

9.根据权利要求1所述的带凸透镜阵列聚能装置的太阳能热水与采暖二联供系统，其特征在于，所述凸透镜阵列聚能装置通过管路Ⅱ与所述保温水箱连通，且所述管路Ⅱ上连接有循环泵。

10.根据权利要求1所述的带凸透镜阵列聚能装置的太阳能热水与采暖二联供系统，其特征在于，所述取暖装置通过管路Ⅲ与所述保温水箱连通，且所述管路Ⅲ上连接有供暖循环泵。

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