太阳能热水器

将太阳光能转化为热能的加热装置太阳能热水器01我国的太阳能资源材料核心工作原理太阳能的利用组成部件分类目录030502040607特点标准技术政策目录0908010011发展科学应用建议应用方案目录013012基本信息太阳能热水器是将太阳光能转化为热能的加热装置，将水从低温加热到高温，以满足人们在生活、生产中的热水使用。太阳能热水器按结构形式分为真空管式太阳能热水器和平板式太阳能热水器，主要以真空管式太阳能热水器为主，占据国内95%的市场份额。真空管式家用太阳能热水器是由集热管、储水箱及支架等相关零配件组成，把太阳能转换成热能主要依靠真空集热管，真空集热管利用热水上浮冷水下沉的原理，使水产生微循环而得到所需热水。我国的太阳能资源我国的太阳能资源我国幅员广大，有着十分丰富的太阳能资源，除了局部地区（如四川、贵州等地）不适合太阳能利用外，我国大部分地区都适合利用太阳能。据估算，每年中国陆地接收的太阳能辐射总量相当于亿吨标准煤，年均辐射量约为5900兆焦耳/平方米。我国太阳能资源分布的主要特点有：太阳能的高值中心和低值中心都处在北纬22°～35°这一带，青藏高原是高值中心，四川盆地是低值中心。青藏高原平均海拔高度在4000m以上，大气层稀薄而清洁，透明度好，纬度低，日照时间长。例如被人们称为“日光城”的拉萨市，1961年至1970年的平均值，年平均日照时间为3005.7h，相对日照为68%，太阳总辐射为8160MJ/m2·a，比全国其它省区和同纬度的地区都高。四川盆地雨多、雾多，晴天较少。例如成都市年平均日照时数仅为1152.2h，相对日照为26%。太阳年辐射总量，西部地区高于东部地区，而且除西藏和新疆两个自治区外，基本上是南部低于北部；由于南方多数地区云雾雨多，在北纬30°～40°地区，太阳能的分布情况与一般的太阳能随纬度而变化的规律相反，太阳能不是随着纬度的增加而减少，而是随着纬度的增加而增长。“八五”期间，我国有关的研究将我国的太阳能资源划分为五类地区（表1-3）。一、二、三类地区，年日照时数大于2000h，辐射总5000MJ/m2·a，是我国太阳能资源丰富或较丰富的地区，面积较大，约占全国总面积的2/3以上，具有利用太阳能的良好条件。四、五类地区虽然太阳能资源条件较差，但仍有一定的利用价值。表1-4显示了世界部分城市的年辐射总量。从以下两表可见，即使我国太阳能资源较差的地区，年辐射总量也接近东京，高于伦敦、汉堡这些世界上太阳能利用较好的城市，由此可见，我国具有良好的利用太阳能的条件，应大力开发太阳能资源。太阳能的利用太阳能的利用太阳能（SolarEnergy），一般是指太阳光的辐射能量，太阳能是一种可再生能源，广义上的太阳能是地球不同品牌的太阳能热水器(4张)上许多能量的来源，如风能，生物质能，潮汐能、水的势能等等。太阳能利用的基本方式可分为光—热利用、光—电利用、光—化学利用、光—生物利用四类。在四类太阳能利用方式中，光—热转换的技术最成熟，产品也最多，成本相对较低。如：太阳能热水器、开水器、干燥器、太阳灶、太阳能温室、太阳房、太阳能海水淡化装置以及太阳能采暖和制冷器等。太阳能光热发电比光伏发电的太阳能转化效率较高，但应用还不普遍。在光热转换中，当前应用范围最广、技术最成熟、经济性最好的是太阳能热水器的应用。光热利用：它是将太阳辐射能收集起来，通过与物质的相互作用转换成热能加以利用。目前使用最多的太阳能收集装置，主要有平板型集热器、真空管集热器和聚焦集热器等3种。太阳能发电：未来太阳能的大规模利用是用来发电。利用太阳能发电的方式主要有两种：①光—热—电转换。即利用太阳辐射所产生的热能发电。一般是用太阳能集热器将所吸收的热能转换为工质的蒸汽，然后由蒸汽驱动气轮机带动发电机发电。前一过程为光—热转换，后一过程为热—电转换。②光—电转换。其基本原理是利用光生伏特效应将太阳辐射能直接转换为电能，它的基本装置是太阳能电池。光化利用：这是一种利用太阳辐射能直接分解水制氢的光—化学转换方式。材料核心蓄热材料导热材料热电材料集热材料材料核心蓄热材料蓄热材料主要包括相变储热材料、显热储热材料等。利用相变材料的固-液或固-固相变潜热来储存热能的潜热蓄热技术,因具有蓄热密度大、储热过程近似等温、过程易控制等优点而成为目前最具实际发展潜力、应用最多和最重要的蓄热方式。许多物质作为潜在的相变储热材料(PCM)已经被研究过,但只有部分物质实现了工业化生产,其中制冷与低温范围的技术与产品相对比较成熟,很多已实现商品化。法国Cristopia、澳大利亚TEAP、日本三菱化学(Mitsubishichemical)、瑞典Climator、美国陶氏化学(Dowchemical)、德国RubithermGmbH与MerckKgaA等公司生产的PCM产品类型主要是盐溶液、水合盐、石蜡类和脂肪酸类,其熔点为-33～110℃。典型的有机类相变材料有石蜡、脂酸类、高分子化合物等。显热储能通过物质的温度变化来储存热能,储热介质必须具有较大的比热容。可作为储热介质的固态物质有岩石、砂、金属、水泥和砖等,液态物质则包括水、导热油以及融熔盐。与液态储热材料相比,固态储热材料具有两个特点:①更大的热能储存温度范围,可以从室温至1000℃以上的高温段;②不产生介质泄漏,对容器材料的要求低。这几年主要研究的热存储材料有二醇二硬脂酸盐(Diol-di-stearates)、十水合硫酸钠(Na2SO4·10H2O)、聚乙二醇4,4二苯基甲烷二异氰酸盐/季戊四醇共聚物(PEG/MDI/PEcopolymer)、铝镁锌合金(Al-34%Mg-6%Zn)、高密度聚乙烯/石蜡混合物等。导热材料在太阳能热利用方面,大多数分散的集热器与蓄热器之间的距离相对较远,因此导热系统仍是不可或缺的。导热材料主要有导热流材料和导热流管道材料,另外蓄热材料在液相或气相状态下也可作为导热流材料。国际研究倾向于在蓄热和导热过程中采用相同的材料,以降低热交换系统的复杂程度,从而达到降低系统成本的目的。未来的重点是新型热传导媒质的研发如离子流体,以及新型热循环管道材料如金属化塑胶管等。热电材料热电材料(又称温差电材料)是一种利用固体内部载流子的运动实现热能和电能的直接相互转化的功能材料,其工作原理是固体在不同温度下具有不同的电子或空穴激发特征,当热电材料两端存在温差时,材料两端电子或空穴激发数量的差异将形成电势差(电压)。热电材料主要分为半导体金属合金型热电材料、方钴矿型热电材料、金属硅化物型热电材料、氧化物型热电材料4种。2007年日本在氧化物热电材料的研究中走在世界前列。目前,已经商业应用的热电材料有PbTe(工作温度为230～530℃,主要用于发电)、Bi2Te3/Sb2Te(工作温度为室温～130℃,主要用于小规模发电以及制冷)、SiGe(工作温度高于530℃,主要用于外太空发电)。集热材料太阳主要以电磁辐射的形式给地球带来光与热。太阳辐射波长主要分布在0.25～2.5μm范围内。从光热效应来讲,太阳光谱中的红外波段直接产生热效应,而绝大部分光不能直接产生热量。我们感觉在强烈的阳光下的温暖和炎热,主要是衣服和皮肤吸收太阳光线,从而产生光热转换的缘故。从物理角度来讲,黑色意味着光线几乎全部被吸收,吸收的光能即转化为热能。因此为了最大限度地实现太阳能的光热转换,似乎用黑色的涂层材料就可满足了,但实际情况并非如此。这主要是材料本身还有一个热辐射问题。从量子物理的理论可知,黑体辐射的波长范围在2～100μm之间,黑体辐射的强度分布只与温度和波长有关,辐射强度的峰值对应的波长在10μm附近。由此可见,太阳光谱的波长分布范围基本上与热辐射不重叠,因此要实现最佳的太阳能热转换,所采用的材料必须满足以下两个条件:①在太阳光谱内吸收光线程度高,即有尽量高的吸收率α;②在热辐射波长范围内有尽可能低的辐射损失,即有尽可能低的发射率γ。一般来说,对同一波长而言,材料的吸收率和发射率有同样的数值,即吸收率高则相应的发射率也高。但吸收率α与反射率γ及透射率t满足如下关系:α+γ+t=1。对于不透明材料由于t=0,则α+γ=1。而对于黑色物体来说,γ=0,则α=1。根据以上讨论可知,最有效的太阳能光热转换材料是在太阳光谱范围内,即λ<2.5μm,有α≈1(即γ≈0);而在λ>2μm,即热辐射波长范围内,有ε=0(即γ≈1或α≈0),一般将具备这一特性的涂层材料称为选择性吸收材料。如不完全满足以上条件,在热辐射波长范围内ε值较大,尽管太阳光谱α≈1,仍有很大的热辐射损失,这类材料通常称为非选择性涂层材料。所有选择性吸收涂层的构造基本上分为两个部分:红外反射底层(铜、铝等高红外反射比金属)和太阳光谱吸收层(金属化合物或金属复合材料)。吸收涂层在太阳光波峰值波长(0.5μm)附近产生强烈的吸收,在红外波段则自由透过,并借助于底层的高红外反射特性构成选择性涂层。组成部件集热器保温水箱支架连接管道控制部件12345组成部件集热器系统中的集热元件。其功能相当于电热水器中的电热管。和电热水器、燃气热水器不同的是，太阳能集热器利用的是太阳的辐射热量，故而加热时间只能在太阳照射度达到一定值的时候。目前中国市场上最常见的是全玻璃太阳能真空集热管。结构分为外管、内管，在内管外壁镀有选择性吸收涂层。平板集热器的集热面板上镀有黑铬等吸热膜，金属管焊接在集热板上，平板集热器较真空管集热器成本稍高，近几年平板集热器呈现上升趋势，尤其在高层住宅的阳台式太阳能热水器方面有独特优势。全玻璃太阳能集热真空管一般为高硼硅3.3特硬玻璃制造，选择性吸热膜采用真空溅射选择性镀膜工艺。保温水箱储存热水的容器。通过集热管采集的热水必须通过保温水箱储存，防止热量损失。太阳能热水器的容量是指热水器中可以使用的水容量，不包括真空管中不能使用的容量。对承压式太阳能热水器，其容量指可发生热交换的介质容量。太阳能热水器保温水箱由内胆、保温层、水箱外壳三部分组成。水箱内胆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。市场上有不锈钢、搪瓷等材质。保温层保温材料的好坏直接关系着保温效果，在寒冷季节尤其重要。较好的保温方式是聚氨脂整体发泡工艺保温。外壳一般为彩钢板、镀铝锌板或不锈钢板。保温水箱要求保温效果好，耐腐蚀，水质清洁。支架支撑集热器与保温水箱的架子。要求结构牢固，稳定性高，抗风雪，耐老化，不生锈。材质一般为不锈钢、铝合金或钢材喷塑。连接管道太阳能热水器是将冷水先进入蓄热水箱，然后通过集热器将热量输送到保温水箱。蓄热水箱与室内冷、热水管路相连，使整套系统形成一个闭合的环路。设计合理、连接正确的太阳能管道对太阳能系统是否能达到最佳工作状态至关重要。太阳能管道必须做保温处理，北方寒冷地区需要在管道外壁铺设伴热带，以保证用户在寒冷冬季也能用上太阳能热水。控制部件一般家用太阳能热水器需要自动或半自动运行，控制系统是不可少的，常用的控制器是自动上水、水满断水并显示水温和水位，带电辅助加热的太阳能热水器还有漏电保护、防干烧等功能。市场上有手机短信控制的智能化太阳能热水器，具有水温水位查询、故障报警、启动上水、关闭上水、启动电加热等功能，方便了用户。工作原理吸热过程使用过程循环管路工作原理吸热过程真空管式热水器的吸热时，太阳辐射透过真空管的外管，被集热镀膜吸收后沿内管壁传递到管内的水。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，同时温度较低的水沿管的另一侧不断补充如此循环往复，最终整箱水都升高至一定的温度。平板式热水器，一般为分体式热水器，介质则在集热板内因热虹吸自然循环，将太阳辐射在集热板的热量及时传送到水箱内，水箱内通过热交换（夹套或盘管）将热量传送给冷水。介质也可通过泵循环实现热量传递。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。真空管式太阳能热水器为直插式结构，热水通过重力作用提供动力。平板式太阳能热水器通过自来水的压力（称为顶水）提供动力。而太阳能集中供热系统均采用泵循环。由于太阳能热水器集热面积不大，考虑到热能损失，一般不采用管道循环。使用过程平板式太阳能热水器为顶水方式工作，真空管太阳能热水器也可实行顶水工作的方式，水箱内可以采用夹套或盘管方式。顶水工作的优点是供水压力为自来水压力，比自然重力式压力大，尤其是安装高度不高时，其特点是使用过程中水温先高后低，容易掌握，使用者容易适应，但是要求自来水保持供水能力。顶水工作方式的太阳能热水器比重力式热水器成本大，价格高。1.温差控制集热循环太阳能热水地暖系统中有集热器温测器和水温感应器，集热系统吸收太阳能辐射后，集热管温度上升，当集热器温度和水箱温度水温差△t设定值时，检测系统发出指令，循环泵将中央热水器中的冷水输入集热器中，水被加热后再回到水箱中，使水箱内的水达到设定的温度。2.地暖管道循环系统增加一台热水循环泵，通过控制器控制地暖管道循环。当水温达到设定温度时，自动启动地暖循环泵，使高温水通过地暖盘管在室内循环，从而使室内温度不断提高。当水箱水温低于某一设定值时，自动停止地暖管道循环泵。分类分类就其结构来说，大体可分为以下几类：1.从集热部分来分：太阳能1）玻璃真空管太阳能热水器可细分为全玻璃真空管式、热管真空管式、U型管真空管式/真空管集热、储热一体化闷晒式。常用的为全玻璃真空管式，其优点：安全、节能、环保、经济。尤其是带辅助电加热功能的太阳能热水器，它以太阳能为主，电能为辅的能源利用方式使太阳能热水器全年全天候正常运行，环境温度低时效率仍然比较高。其缺点在于体积比较庞大、玻璃管易碎、管中容易集结水垢、不能承压运行。2）平板型太阳能热水器热水器展览会平板型太阳能热水器可分为管板式、翼管式、蛇管式、扁盒式、圆管式和热管式。其优点：具有整体性好、寿命长、故障少、安全隐患低、能承压运行，安全可靠，吸热体面积大，易于与建筑相结合，耐无水空晒性强等优点，其热性能也很稳定。其缺点由于盖板内为非真空，保温性能差，故环境温度较低时集热性能较差，采用辅助加热时相对耗电。环境温度低或要求出水温度高时热效率较低。如冻坏需更换整个集热板，适合冬天不结冰的南方地区选用。特点特点高科技产品，铜铝阳极化复合板芯或全紫铜板芯，表面处理工艺高，传热性能好，吸热能力强，产水量大。系统保温性能好，蓄热能量大，保温水箱有蓄水功能，可满足大批量人员集中使用热水，亦可作停水时应急水源之用。太阳能热水器系统全自动静态运行，无需专人看管、无噪音、无污染、无漏电、失火、中毒等危险，安全可靠，环保节能利国利民。具有排污净化功能，水源洁净无污染。真空管式太阳能热水器保温性能好，抗冻能力强。大面积安装对楼面有隔热作用技术技术太阳能热水器理论上是一次投资，使用不花钱。实际上不可能。原因是无论任何地方，每年都有阴云雨雪天气以及冬季日照不足天气。在此气候下主要靠电加热制热水（也有一些产品是靠燃气加热），每年平均有25%~50%以上的热水需要完全靠电加热（地区之间不尽相同，阴天多的地区实际耗电量还要大。上海地区近三年的统计数据表明，平均每年阴雨天高达67%，满负荷利用太阳能热水器其70%的热能来自电或者燃气）。这样一来太阳能热水器实际耗电量比热泵热水器大。此外，敷设在太阳能热水器室外管路上的“电热防冻带（只在北方地区有）”，也要消耗大量电能。除此以外，太阳能热水器在结构上还存在多种难以解决的技术缺陷。1.热水管路长达十几米，每次使用都要浪费很多水。以典型的Φ12毫米水管计算，每1米长度存水为0.113公斤。若太阳能热水管长度平均为15米，则每次使用都要浪费大约1.7公斤水。若平均每天使用6次，则每天浪费10.2公斤水；每月浪费360公斤水；每年浪费4320公斤水；十年浪费公斤水！以浪费水为代价节省一些电,恐怕无论是政府还是老百姓若知道这些都不会认可。中国的660多个城市中，一半以上城市不同程度缺水，其中严重缺水的有111个，每年因缺水影响工业产值就达到2000多亿元。2.需要一整天的日照才能把水晒热，天气好的时候也只能保证晚上有热水，白天和夜间很少有热水可用。不能保证使用者24小时热水供应，舒适性差。标准设计产品工程标准设计《太阳热水系统设计、安装及工程验收技术规范》GB/T—2002《太阳能热水器选用与安装》06J908―6工程《太阳热水系统设计、安装及工程验收技术规范》GB/T—2002《家用太阳热水系统安装、运行维护技术规范》NY/T651—2002《太阳能家用热水系统的现场检查和操作验证》ASTME1160—1987《一家和两家住房用太阳能家用热水设备的安装和维护》ASTME1056—1985产品《太阳能集热器热性能试验方法》GB/T4271—2007《平板型太阳能集热器》GB/T6424—2007《太阳能热利用术语》GB/T—2007《工作直接日射表的校准方法》GB/T—1994《被动式太阳房热工技术条件和测试方法》GB/T—2006《全玻璃真空太阳集热管》GB/T—2005《真空管型太阳能集热器》GB/T—2007政策政策2010年10月国务院发布了《国务院关于加快培育和发展战略性新兴产业的决定》（国发32号），把加快太阳能热利用技术推广应用，作为新能源产业的发展重点，宏观政策和消费趋势为太阳能热利用行业的发展创造了良好的宏观环境和市场条件。建筑能耗占社会总能耗是三分之一，是节能减排的重点领域，为此建设部于2005年4月15日发出了《关于新建居住建筑严格执行节能设计标准的通知》强调建筑节能设计规范，从源头控制建筑能耗。从2006年1月1日起施行的建设部《民用建筑节能管理规定》，将建筑节能标准从节能50%提高到75%。2007年4月，国家发改委下发了《推进全国太阳能热利用工作实施方案》，其中明确提出中国即将制定太阳能热水器的强制安装政策。2007年5月18日国家发展改革委、建设部联合发出《关于加快太阳能热水系统推广应用工作的通知》（发改能源1031号）提出“有条件的医院、学校、饭店、游泳池、公共浴室等热水消耗大户，要优先采用太阳能集中热水系统；新建建筑在设计时，要预设按照太阳能热水系统的位置和管道等构件，尽可能按照太阳能热水系统；对于既有建筑，如具备条件也要支持按照太阳能热水系统；政府机构的建筑和政府投资建设的建筑要带头使用太阳能热水系统；在有条件的农村地区也要积极推广太阳能热水系统及太阳灶等其它经济实用的太阳能热利用技术，把推广应用太阳能热利用技术作为社会主义新农村建设的重要措施予以重视。”据不完全统计，全国有二十个省市区和八十多座城市纷纷出台规定，要求新建12层及以下住宅，以及新建、改建和扩建的宾馆、酒店、商住楼等有热水需求的公共建筑，具备条件的应统一设计、安装太阳能热水系统。发展发展目前我国是全球太阳能热水器生产量和使用量最大的国家。2011年我国太阳能热水器产量约为5800万平米，预计到2015年产量达1.2亿平方米，约2300亿元的市场规模。庞大的市场容量为整个产业的发展提供了逻辑支撑，但中国太阳能热水器行业却存在着市场主体参差不齐、行业技术标准不完善、企业技术研发实力弱等诸多问题，这成为中国太阳能家电行业发展过程中的不确定性因素。中国太阳能热水器的年生产量是欧洲的2倍，北美的4倍，现已成为世界上最大的太阳能热水器生产国和最大的太阳能热水器市场。中国的太阳能热水器市场经过几年的培育，已经步入快速发展期。2009年太阳能热水器“下乡”，标志着太阳能热水器得到国家认可，中国太阳能热水器行业已迈入新的时代。未来5-10年中国太阳能热水器市场保有量仍将保持20%以上的增长率。伴随着行业的发展，太阳能热水器行业的竞争不断加剧，国内优秀的太阳能热水器生产企业越来越重视对行业市场的研究，特别是对行业发展环境和产品消费者的深入研究。也正因为如此，一大批国内优秀的太阳能热水器品牌迅速崛起，逐渐成为中国乃至世界太阳能热水器行业中的翘楚!应用方案应用场景解决方案方案特点日常维护防止损坏12345应用方案应用场景随着传统能源成本的不断上升及环境的持续恶化，太阳能热水工程解决方案越来越多地被应用于居民住宅、别墅、酒店、旅游风景区、科技园区、医院、学校、工业厂区、农业种植养殖区等众多领域，针对不同领域热水使用情况进行合理设计与配置，达到能源的综合利用，降低成本投入。解决方案太阳能热水工程主要由太阳能集热器、储热系统、控制系统、换热系统、辅助能源系统、保温材料、管路系统及配件等部分组成。太阳能集热器吸取太阳的热量，加热管道中的水，加热后的水靠循环泵通过管路输送至储热装置，通过整体能源系统的设计可为锅炉、热泵等提供基础热水，通过管路输送至各热点使用。系统组成：太阳能集热器：1.适合安装在屋顶及其他可固定安装位置（钢结构支架上等）安装；2.集热器美观大气，可任意角度安装，维护方便；3.集热器型号多样，可满足任何空间安装，客户选择多样化。储热系统：1.专利工程水箱，防腐性能强，水嘴设计规范合理，连接管路方便；2.保温层为聚氨酯发泡一次成型，发泡均匀，保温效果好；3.方案特点热水效果保证：全年全天24小时充足水量供应，即开即热；热水品质保证：压力恒定，水温稳定，水质干净；系统集成设计：系统整体考虑，搭配辅助热源，专业软件分析，系统高效可靠，人性化设计；系统质量保证：对集热器、水箱、循环泵、管路等各个环节给予全面保障，确保系统安全稳定运行20年以上；系统智能控制：全数据显示、智能化控制、分户计量、信息准确。日常维护1.安装太阳能热水器时，输水管内可能沾有尘埃或油味，首次使用时可打开水龙头先排除杂物。2.太阳能热水器内的存水，应根据当地的水质状况作定期的排放，排水时间可选于早上集热器较低温时。3.太阳能热水器表面，依地区落尘量而作定期的擦试，下雨时能起到自行清洗，保持热水器的表面清洁可得到较高的集热效率。4.连续晴天多日不使用热水时，其热水温度很高，在使用太阳能热水器时请先开冷水，后开热水，以免烫伤。5.水龙头出口端一般都有滤装置，水管内的水垢杂物会聚集于此，应定期自行拆下清洗，可加大水量流出顺畅。6.冬季，管道被冻住是很常见的事，如发现管道内已结冰但管道尚未开裂，气温回升后一般即可自动疏通。也可用电吹风烘吹，或拿毛巾裹住水管，然后用温水慢慢浇淋，切不可用火烘烤、敲击管道或用开水急烫，那样会使管道爆裂。多次冻堵容易使管道冻裂，因此需要因此加强管道保温措施。7.太阳能热水器平均每二年到三年