阅读说明：本技术 一种太阳能集热器及应用该太阳能集热器的太阳能*** (Solar heat collector and solar water purifier applying same ) 是由 王建友 陈青柏 于 2019-09-23 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种太阳能集热器,包括固定架和平板型太阳能集热板,固定架包括两个成直角三角形的框架,两个框架通过第一横杆、第二横杆和第三横杆连接固定,两个框架的斜边上通过轴承设置有转轴一和转轴二,转轴一和转轴二上设置有平板型太阳能集热板,转轴一的两端分别安装有皮带轮一和皮带轮二,转轴二的一端安装有皮带轮三,皮带轮一和皮带轮三通过皮带连接,皮带轮二通过皮带连接有电机的输出轴,电机固定安装于第一横杆上。该太阳能集热器构型简单、安装方便,其受热角度可调节,更大效率的利用太阳能；使用该太阳能集热器的太阳能净水器,其热能利用率高、产水水质高,可以直接作为纯净水饮用,在作为热水器的同时又可以作为净水器使用。(The invention provides a solar heat collector which comprises a fixing frame and a flat-plate type solar heat collecting plate, wherein the fixing frame comprises two frames which are in a right-angled triangle shape, the two frames are fixedly connected through a first cross rod, a second cross rod and a third cross rod, a first rotating shaft and a second rotating shaft are arranged on the inclined sides of the two frames through bearings, the flat-plate type solar heat collecting plate is arranged on the first rotating shaft and the second rotating shaft, a first belt pulley and a second belt pulley are respectively arranged at two ends of the first rotating shaft, a third belt pulley is arranged at one end of the second rotating shaft, the first belt pulley and the third belt pulley are connected through a belt, the second belt pulley is connected with. The solar heat collector has simple structure and convenient installation, the heated angle of the solar heat collector can be adjusted, and the solar energy is utilized more efficiently; the solar water purifier using the solar heat collector has high heat energy utilization rate and high water quality of produced water, can be directly drunk as purified water, and can be used as a water purifier while being used as a water heater.)

一种太阳能集热器及应用该太阳能集热器的太阳能***

技术领域

本发明属于热能利用和水处理领域，尤其是涉及一种太阳能集热器以及应用该集热器的太阳能***。

背景技术

中国专利(ZL200420089318.3)公布了一种太阳能家用热水纯净水装置，在太阳能热水器上面装了一个热交换器，用导管将其与内部相连，并穿过水箱，导管上部打孔使其与水箱相通，当水温升高产生蒸汽时，顺着通孔经导管上部进入换热器，冷凝后的水也顺导管流出，通过导管进入室内的容器使用；这种太阳能家用纯净水热水装置虽然结构简单，运行和维护都比较容易，但是由于其基于传统的蒸馏法制备纯净水，需要较高的温度，而太阳能热水器较难达到此温度，因此其产水量很小，此外，水蒸气的潜热无法实现内部回收，导致其热能利用效率偏低。

太阳能集热器是一种将太阳能的热辐射转化成热能的设备，由于太阳能是一种绿色能源，转换过程中不会造成污染，因此能够有效的取代传统采用电能或者化石燃料制热，我国民间使用的太阳能集热器主要是真空管式热水器，由于该类集热器需要占用较大的空间，而且不方便搬运和收纳，因此在高层小区中基本无法应用，从而居民只能采用电热水器或者是燃气型热水器制作热水，且现有的真空管式热水器只能够产生热水，不能够产生可直接供人饮用的纯净水，为此我们提供了一种太阳能集热器以及应用该太阳能集热器的太阳能***，该***在满足家用热水的同时，又可以产生纯净水，实现一机两用的功能。

发明内容

本发明要解决的问题是提供一种太阳能集热器及应用该太阳能集热器的太阳能***，该太阳能集热器构型简单、安装方便，不仅适用于坡房，也可以适用于高层建筑，其受热角度可调节，更大效率的利用太阳能；使用该太阳能集热器的太阳能***，其热能利用率高、产水水质高，可以直接作为纯净水饮用，在作为热水器的同时又可以作为***使用。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种太阳能集热器，包括固定架和平板型太阳能集热板，所述固定架包括两个成直角三角形的框架，两个所述框架通过第一横杆、第二横杆和第三横杆连接固定，两个所述框架的斜边上通过轴承设置有转轴一和转轴二，所述转轴一和转轴二上均设置有平板型太阳能集热板，所述转轴一的两端分别固定安装有皮带轮一和皮带轮二，所述转轴二的一端固定安装有皮带轮三，所述皮带轮一和皮带轮三通过皮带进行连接，所述皮带轮二通过皮带连接有电机的输出轴，所述电机固定安装于所述第一横杆上，所述第一横杆和第二横杆之间固定设置有两个第一安装杆，所述第一安装杆上开有安装固定孔，所述第二横杆和第三横杆之间固定设置有两个第二安装杆，所述第二安装杆上开有安装固定孔。

进一步地，所述框架的两个锐角分别为30°和60°。

进一步地，所述电机电性连接有控制柜，所述控制柜固定设置于室内，所述控制柜上设置有控制电机转动的正向转动按钮和反向转动按钮。

应用以上所述太阳能集热器的太阳能***，包括太阳能集热单元、膜蒸馏单元和控制系统；所述太阳能集热单元包括太阳能集热器，所述太阳能集热器通过膨胀箱连接有太阳能循环泵，所述太阳能循环泵的另一端连接有太阳能换热水箱；所述太阳能集热器、膨胀箱、太阳能循环泵和太阳能换热水箱属于分体式太阳能热水器部分。所述膜蒸馏单元包括膜蒸馏组件，所述膜蒸馏组件通过膜蒸馏循环泵与所述太阳能集热单元中的太阳能换热水箱连接，所述太阳能换热水箱与所述膜蒸馏循环泵之间设置有电磁阀，所述膜蒸馏组件还连接有纯净水箱和膜蒸馏换热水箱；所述控制系统包括控制柜，所述控制柜电性连接有第一温度传感器、第二温度传感器、第一液位传感器、第三温度传感器、第一单向阀、第二单向阀和第二液位传感器；所述膜蒸馏循环泵、电磁阀和太阳能循环泵均与所述控制柜电性连接。

进一步地，所述第一温度传感器、第二温度传感器和第三温度传感器分别设置于所述太阳能集热器的出口、太阳能换热水箱的下部和膜蒸馏换热水箱的下部，所述第一液位传感器和第二液位传感器分别设置于所述太阳能换热水箱的底部和膜蒸馏换热水箱的底部。

进一步地，所述太阳能换热水箱的底部和膜蒸馏换热水箱的底部分别连接有第一补水管路和第二补水管路，所述第一单向阀和第二单向阀分别设置在所述第一补水管路和第二补水管路上；且所述第一补水管路和第二补水管路连通同一进水管路。

进一步地，所述膜蒸馏组件的热侧进口、热侧出口分别与太阳能换热水箱的热水出口和膜蒸馏换热水箱的进口相连；膜蒸馏组件的冷侧进口、冷侧出口分别与膜蒸馏换热水箱的出口和太阳能换热水箱的冷水进口相连，所述太阳能循环泵连接太阳能换热水箱的热工质出口。

进一步地，所述膜蒸馏组件为中空纤维式、板框式和卷式中的-种，采用微孔疏水膜，微孔疏水膜由聚四氟乙烯、聚乙烯或聚丙烯制成。

进一步地，所述太阳能循环泵和膜蒸馏循环泵是能够耐热的泵，可以由电能或太阳能电池驱动。

进一步地，所述太阳能换热水箱和膜蒸馏换热水箱的外壳和内胆均由不锈钢制成，采用聚氨酯发泡来保温，所述太阳能换热水箱和膜蒸馏换热水箱内部的换热盘管由紫铜制成。

进一步地，所述太阳能集热单元和膜蒸馏单元分别独立间歇运行，只有达到设定的启动条件才运行。

进一步地，所述太阳能集热单元中的用到的管路为无缝钢管，其中的保温材料为岩棉。

进一步地，所述膜蒸馏单元中用到的管路为PPR管，保温材料为橡塑。

本发明具有的优点和积极效果是：

1、本发明的太阳能集热器，通过第一安装杆可以将太阳能集热器安装于高层的外墙壁上，在使用时，随着太阳的转动，按动正向转动按钮和反向转动按钮可以通过控制柜来控制电机转动，进而电机转动通过皮带、皮带轮一、皮带轮二和皮带轮三可以控制两个平板型太阳能集热板的角度，进而尽量使得太阳能集热板正对太阳光线，进而提高太阳能的利用率；

2、通过第二安装杆可以将太阳能集热器安装于坡房的屋顶上，及可以适用于坡房，又可以适用于高层建筑；

3、本发明的太阳能***，将膜蒸馏技术耦合到现在的分体式太阳能热水器中，整个装置的成本较小；太阳能集热单元将原水加热，加热的原水经过膜蒸馏单元获得纯净水，有效减轻家用桶装或瓶装纯净水的塑料带来的环境问题，具有节能和环保双重效益；

4、通过膜蒸馏组件的内部热回收和膜蒸馏换热水箱的外部热回收，太阳能集热水器获得的热能最终储存到膜蒸馏换热水箱的低温热水和太阳能换热水箱的高温热水中，膜蒸馏组件的引入并没有显著降低原有热水器的集热量，在产生纯净水的同时，又可以保证家庭热水，实现一机两用；

5、由于膜蒸馏技术的引入，设备可以在较低的温度下和差压下运行，对管路的要求较低，无需预处理设备；微孔疏水膜可以实现对不挥发组成的99％以上去除率，产水水质好，满足家庭的饮用纯净水要求；

6、由于分体式太阳能热水器的太阳能集热器和换热水箱单独分开，太阳能集热器可以安装在墙壁、坡形屋顶等地方。换热水箱可挂在室内的卫生间内，解决了高层住宅无法安装太阳能热水器的问题，因此本装置既可以在乡村的低层建筑使用，也可用于城市的高层建筑，大大提高了使用范围。

附图说明

图1是本发明中太阳能集热器的主视图；

图2是本发明中太阳能集热器的左视图；

图3是本发明中太阳能集热器的右视图；

图4是本发明中第一安装杆、第二安装杆与固定架的连接结构图；

图5是本发明中太阳能***实施例的工艺流程图；

图6是本发明中太阳能***实施例的电路控制框图；

图中：1-太阳能集热器、101-固定架，102-太阳能集热板，103-框架，104-第一横杆，105-第二横杆，106-第三横杆，107-转轴一，108-转轴二，109-皮带轮一，110-皮带轮二，111-皮带轮三，112-电机，113-第一安装杆，114-第二安装杆；2-第一温度传感器、3-膨胀箱，4-太阳能循环泵、5-第二温度传感器、6-太阳能换热水箱、7-电磁阀、8-膜蒸馏循环泵、9-第一液位传感器、10-膜蒸馏组件、11-纯净水箱、12-膜蒸馏换热水箱、13-第三温度传感器、14-第一单向阀、15-第二单向阀、16-混合阀、17-第二液位传感器、18-控制柜。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明。

如图1-图4所示，一种太阳能集热器，包括固定架101和平板型太阳能集热板102，其特征在于：所述固定架101包括两个成直角三角形的框架103，两个所述框架103通过第一横杆104、第二横杆105和第三横杆106连接固定，两个所述框架103的斜边上通过轴承设置有转轴一107和转轴二108，所述转轴一107和转轴二108上均设置有平板型太阳能集热板102，所述转轴一107的两端分别固定安装有皮带轮一109和皮带轮二110，所述转轴二108的一端固定安装有皮带轮三111，所述皮带轮一109和皮带轮三111通过皮带进行连接，所述皮带轮二110通过皮带连接有电机112的输出轴，所述电机112固定安装于所述第一横杆104上，所述第一横杆104和第二横杆105之间固定设置有两个第一安装杆113，所述第一安装杆113上开有安装固定孔，所述第二横杆105和第三横杆106之间固定设置有两个第二安装杆114，所述第二安装杆114上开有安装固定孔。

本实施例中，进一步地，所述框架103的两个锐角分别为30°和60°。

本实施例中，进一步地，所述电机112电性连接有控制柜18，所述控制柜18固定设置于室内，所述控制柜18上设置有控制电机112转动的正向转动按钮和反向转动按钮。

如图5-6所示，应用以上所述太阳能集热器的太阳能***，包括太阳能集热器1、第一温度传感器2、膨胀箱3、太阳能循环泵4、第二温度传感器5、太阳能换热水箱6、电磁阀7、膜蒸馏循环泵8、第一液位传感器9、膜蒸馏组件10、纯净水箱11、膜蒸馏换热水箱12、第三温度传感器13、第一单向阀14、第二单向阀15、混合阀16、第二液位传感器17和控制柜18。其中，集热器1、膨胀箱3、太阳能循环泵4和太阳能换热水箱6属于分体式太阳能热水器部分，构成太阳能集热单元；电磁阀7、膜蒸馏循环泵8、膜蒸馏组件10、纯净水箱11和膜蒸馏换热水箱12构成膜蒸馏单元；第一温度传感器2、第二温度传感器5、第一液位传感器9、第三温度传感器13、第一单向阀14、第二单向阀15和第二液位传感器17均与控制柜18电性连接，构成控制系统。第一温度传感器2、第二温度传感器5和第三温度传感器13分别设置于太阳能集热器1的出口、太阳能换热水箱6的下部和膜蒸馏换热水箱12的下部；膜蒸馏组件10的热侧进口、热侧出口分别与太阳能换热水箱6的热水出口和膜蒸馏换热水箱12的进口相连通；膜蒸馏组件10的冷侧进口、冷侧出口分别与膜蒸馏换热水箱12的出口和太阳能换热水箱6的冷水进口相连通；太阳能换热水箱6的热工质出口设置有太阳能循环泵4，混合阀16的出水为热水，第一单向阀14、第二单向阀15的进水分别设置在与太阳能换热水箱6和膜蒸馏换热水箱12相连通的补水管路上。

在本实施例中，所述膜蒸馏组件10为中空纤维式、板框式和卷式中的一种，采用微孔疏水膜，所述微孔疏水膜由聚四氟乙烯、聚乙烯或聚丙烯制成。

在本实施例中，所述太阳能循环泵4和膜蒸馏循环泵8是能够耐热的泵，可以由电能或太阳能电池驱动。

在本实施例中，所述太阳能换热水箱6和膜蒸馏换热水箱12的外壳和内胆均由不锈钢制成，采用聚氨酯发泡来保温，所述太阳能换热水箱6和膜蒸馏换热水箱12内部的换热盘管由紫铜制成。

在本实施例中，所述太阳能集热单元和膜蒸馏单元分别独立间歇运行，只有达到设定的启动条件才运行。其中，其启动条件为：膜蒸馏组件10的热侧进水为50-80℃，热侧出水为35-45℃，冷侧进水为25-40℃。由于热侧出水温度高于冷测进水温度，因此热侧出水不能直接作为冷侧进水返回膜蒸馏组件10。在传统的膜蒸馏技术应用中，热侧出水直接排掉或者通过冷却装置降温后作为冷水返回膜蒸馏组件10，显然这造成了极大的热能浪费。由于热侧出水的温度可以满足部分生活用水要求，可以通过膜蒸馏换热水箱12将该部分热量传递给冷水，膜蒸馏换热水箱12内的冷水温度升高后可以作为低温(35-40℃)热水，降温后的热侧出水作为冷侧进水返回膜蒸馏组件10。

太阳能集热单元加热原水，膜蒸馏单元产生纯净水，两个单元分别独立间歇运行，在获得热水的同时，产生纯净水。

1.太阳能集热单元加热原水

所述分体式太阳能热水器是一种将换热器和太阳能集热器分开的新型太阳能热水器。阳光辐射的能量通过太阳能循环泵4将太阳能集热器1的热量逐步收集到太阳能换热水箱6里，从而将原水加热。在寒冷地区，还利用防冻剂作为传热介质，彻底解决防冻问题。

2.膜蒸馏单元产生纯净水

所述空气隙膜蒸馏以微孔疏水膜作为汽-液两相分离介质，在膜两侧蒸汽压差推动下，水分以蒸汽形式透过膜孔，穿越空气隙，在冷凝膜或冷凝板的表面冷凝，产水靠重力作用流出膜蒸馏组件10。由于冷水和产水被冷凝膜或冷凝板隔开，冷水可以用待处理的原水，从而实现蒸汽潜热的内部回收，预热的冷水通过外部二次加热后返回膜蒸馏组件10。由于空气隙的存在，微孔疏水膜的直接热传导损失很小，因此，空气隙式膜蒸馏具有较高的热能利用率。

本发明的太阳能***的具体工作过程为：

(1)太阳能集热器1吸收太阳能，将热量传递给太阳能集热器1中的热工质，第一温度传感器2的温度值升高；当第一温度传感器2与第二温度传感器5的温度差值大于设定值(5-10℃)时，控制柜18自动控制太阳能循环泵4开始运转，通过太阳能换热水箱6将热工质吸收的热量传递给原水，太阳能换热水箱6中的原水温度升高；

(2)待第二温度传感器5的温度值达到膜蒸馏组件10设定的启动温度(50-80℃)时，控制柜18自动控制电磁阀7打开和膜蒸馏循环泵8启动；高温热水由膜蒸馏组件10的热侧进口进入到膜蒸馏组件10内部，在流经膜蒸馏组件10的过程中，热水由于失去蒸汽潜热，温度逐渐降低，低温热水最后从膜蒸馏组件10的热侧出口进入到膜蒸馏换热水箱12,，进一步将热量传递给膜蒸馏换热水箱12中的原水；

(3)经过换热的热侧热水作为冷侧进水返回膜蒸馏组件10，与高温热水呈逆流流经膜蒸馏组件10，高温热水产生的蒸汽透过微孔疏水膜，在冷凝板或冷凝膜的表面冷凝，冷凝液即为产水，在重力作用下流出膜蒸馏组件10，进入纯净水箱11；冷水由于吸收蒸汽潜热，温度逐渐升高，预热的冷水由膜蒸馏组件10的冷侧出口进入太阳能换热水箱6，进行二次加热，然后作为高温热水返回到膜蒸馏组件10，依此循环。

在上述工作过程中，膜蒸馏组件10的流量不宜过大，流程不宜过小，从而使热水在膜蒸馏组件10中有一定的停留时间，更多的蒸汽透过微孔疏水膜，将潜热传递给冷水，降低膜蒸馏组件10的热侧出水温度。膜蒸馏换热水箱12的温度需低于膜蒸馏组件10的热侧出水温度，经过膜蒸馏换热水箱12换热后，温度基本与膜蒸馏换热水箱12的温度相同，然后作为冷侧进水返回到膜蒸馏组件10。膜蒸馏组件10在运行时，太阳能换热水箱6中的高温热水温度即为膜蒸馏组件10的热侧进口水温，高温热水温度需大于50℃，为保证此温度，太阳能换热水箱6的容积不宜过大；膜蒸馏换热水箱12中的低温热水温度即为膜蒸馏组件的冷测进水口水温，需小于40℃，从而使膜蒸馏组件10的微孔疏水膜两侧有一定的温度，才能使蒸汽透过膜孔，为保证此温度，膜蒸馏换热水箱12的容积不宜过小。此外，为了减小散失到环境中的热量，整个装置需要进行保温。所述太阳能集热单元中的用到的管路为无缝钢管，其中的保温材料为岩棉。所述膜蒸馏单元中用到的管路为PPR管，保温材料为橡塑。

在全天的运行中，太阳能集热器1获得热量最终储存到太阳能换热水箱6的高温热水和膜蒸馏换热水箱12的低温热水中，使用热水时，通过混合阀16调节二者的比例来达到不同的生活热水温度。太阳能换热水箱6和膜蒸馏换热水箱12的补水分别通过第一单向阀14和第二单向阀15来控制完成，当太阳能换热水箱6或膜蒸馏换热水箱12的液位低于设置的低液位值时，控制柜18自动控制第一单向阀14或第二单向阀15打开；当太阳能换热水箱6或膜蒸馏换热水箱12的液位高于设置的高液位值时，控制柜18自动控制第一单向阀14或第二单向阀15关闭。太阳能集热器1可放置于楼顶或悬挂在阳台或者高层的外墙壁上，其它设备可放置于室内，由于太阳能循环泵4和膜蒸馏循环泵8的强制作用，各设备的空间布置相对自由。

本装置是将膜蒸馏单元耦合到分体式太阳能热水器中，分体式太阳能热水器提供热水，膜蒸馏单元产纯净水，二者可以实现很好的兼容。在全天运行中，由于太阳能循环泵4和膜蒸馏循环泵8均为间歇运行，只有达到设定的启动条件才运行，而并非全天运行，因此能耗相对较小，在电力缺乏的地区，这些泵可以通过太阳能驱动。整个装置在获得家用热水的同时，又可以得到纯净水，满足家庭饮用纯净水需求，实现一机两用，具有节能和环保双重效益。

在本发明的太阳能***中，使用了如下组件：

1、膜蒸馏组件：包括中空纤维膜和中空纤维冷凝管，其比例为1:3，均由聚四氟乙烯(PTFE)制成，以编织缠绕方式装填；中空纤维膜的外表面添加一层管状的绝热隔网来保持空气隙，空气隙厚度0.5mm。两个膜蒸馏组件串联，单个膜蒸馏组件长1.15m，总有效面积0.78m²，孔隙率60％，接触角12°，膜平均孔径0.4μm。

2、太阳能集热器：CPU+U型真空管式集热器，采光面积为3m2，正南放置，倾斜42°。

3、太阳能换热水箱和膜蒸馏换热水箱：其外壳和内胆均为不锈钢材质，采用聚氨酯发泡来保温，厚度50mm；期内部的换热盘管材质为紫铜，换热面积均为0.4m²。

4、原水：自来水，电导率412μS/cm，初始水温29.1℃，太阳能换热水箱40L，膜蒸馏换热水箱80L。

5、热工质：导热油320#。

以下为本实施例中用到的参数：

1、运行参数：膜蒸馏组件流量为40L/h，膜蒸馏启动温度设置为50℃，太阳能循环泵启动温差设置为5-10℃，整个系统通过PLC控制。

2、气象条件：晴天，平均辐照强度675W/m2，气温24℃-33℃。

3、运行时间：8:00-18:00。

通过本生产装置运行可以达到以下的运行结果：其中太阳能换热水箱内高温热水可达到31.2L，其水温为56.8℃；膜蒸馏换热水箱内的低温热水可达80L，其水温为37.4℃；可得纯净水8.4L，纯净水的电导率9.3μS/cm。

以上对本发明的一个实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。