本實(shí)用新型涉及太陽(yáng)能熱水器設(shè)備領(lǐng)域,特別是涉及一種全天候光熱光伏一體化自動(dòng)控制熱管熱水器。
背景技術(shù):
太陽(yáng)能熱水器是一種光熱轉(zhuǎn)換器,一般是由真空玻璃集熱管、儲(chǔ)水箱、支架及相關(guān)附件組成,把太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換成熱能主要依靠真空玻璃集熱管。集熱管受陽(yáng)光照射面溫度高,集熱管背陽(yáng)面溫度低,而管內(nèi)水便產(chǎn)生溫差反應(yīng),再利用管內(nèi)熱水上浮冷水下沉的原理將水加熱,使水產(chǎn)生微循環(huán)而達(dá)到所需熱水。因其節(jié)能環(huán)保、方便且便宜等特點(diǎn)在廣大地區(qū)越來(lái)越普及。
但用戶(hù)用熱水只要達(dá)到40~50℃就可以,而太陽(yáng)能熱水器可以將水加熱至70~90℃,甚至可以達(dá)到更高乃至沸騰,由于熱量過(guò)剩不僅浪費(fèi)了水資源,而且持續(xù)加熱對(duì)太陽(yáng)能熱水器的箱體及吸熱裝置也會(huì)造成損害。同時(shí),吸熱裝置表面溫度升高也將導(dǎo)致能量轉(zhuǎn)換效率降低。當(dāng)太陽(yáng)光照比較弱(雨雪天或者夜晚)時(shí),用戶(hù)用水往往比較困難,所以普通太陽(yáng)能熱水器就很難滿(mǎn)足用戶(hù)的需求。
現(xiàn)階段為了解決太陽(yáng)能熱水器無(wú)法全天候運(yùn)行的問(wèn)題,無(wú)非使用以下四種方式來(lái)提供生活熱水:1.太陽(yáng)能熱水器和電熱水器結(jié)合;2.太陽(yáng)能熱水器和燃?xì)鉄崴鹘Y(jié)合;3.只使用電熱水器;4.只使用燃?xì)鉄崴?。以上四種方法都有缺點(diǎn):電熱水器占據(jù)衛(wèi)生間上部很大一部分空間且耗電巨大;燃?xì)鉄崴饔捎谌細(xì)獾牟话踩?易燃易爆),特別是衛(wèi)生間空間狹小封閉,若發(fā)生燃?xì)庑孤灰撞煊X(jué),后果不堪設(shè)想。
日常生活中,人們除了對(duì)太陽(yáng)能熱水器的熱能有需求外,對(duì)于電能的需求進(jìn)一步增大。現(xiàn)在的太陽(yáng)能熱水器功能單一,只能產(chǎn)生熱能,而不能產(chǎn)生電能。因此,太陽(yáng)能的光熱利用和溫差發(fā)電綜合為一體,將是未來(lái)太陽(yáng)能熱水器發(fā)展的趨勢(shì)。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:
針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的弊端,本實(shí)用新型的目的在于提供一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,價(jià)格便宜,節(jié)能環(huán)保,安全高效的全天候光熱光伏一體化自動(dòng)控制熱管熱水器,太陽(yáng)能熱水不保證率為零,實(shí)現(xiàn)了太陽(yáng)能光熱利用和發(fā)電一體化。
為實(shí)現(xiàn)上述目的,本實(shí)用新型采用的技術(shù)方案為提供一種全天候光熱光伏一體化自動(dòng)控制熱管熱水器,其特征是:該熱管熱水器包括太陽(yáng)能水箱、支架、熱管、熱電發(fā)電模塊、蓄電池、冷水循環(huán)系統(tǒng)、控制器,太陽(yáng)能水箱置于支架的上方,太陽(yáng)能水箱上方連接用戶(hù)熱水管、自動(dòng)排氣閥和補(bǔ)水管;支架的斜面上平鋪熱電發(fā)電模塊,熱電發(fā)電模塊上平鋪熱管,所述的熱管上端插入太陽(yáng)能水箱的下部;在太陽(yáng)能熱水器旁邊設(shè)置有蓄水箱,蓄水箱上方連接有進(jìn)水管,下方接有補(bǔ)水管、泄水管、冷水進(jìn)水管、冷水出水管,蓄水箱下端通過(guò)補(bǔ)水管與太陽(yáng)能水箱連接,蓄水箱與通過(guò)冷水進(jìn)水管、冷水出水管熱電發(fā)電模塊連接,形成冷水循環(huán)系統(tǒng);所述的補(bǔ)水管上設(shè)有電磁閥一,進(jìn)水管上設(shè)有電磁閥二,冷水進(jìn)水管上設(shè)有電磁閥三,冷水出水管上設(shè)有電磁閥四,泄水管上設(shè)有電磁閥五,所述的電磁閥一、電磁閥二、電磁閥三、電磁閥四和電磁閥五均通過(guò)導(dǎo)線(xiàn)與位于室內(nèi)的控制器連接。
開(kāi)關(guān)組在控制器一旁,從開(kāi)關(guān)組引出五組導(dǎo)線(xiàn),一組導(dǎo)線(xiàn)連接控制器,另外四組分別連接家庭供電導(dǎo)線(xiàn)、家庭用電導(dǎo)線(xiàn)、太陽(yáng)能水箱左側(cè)的電加熱器和蓄電池。
蓄電池置于室內(nèi),導(dǎo)線(xiàn)連接蓄電池和熱電發(fā)電模塊,形成閉合回路;所述的蓄電池上設(shè)有電量檢測(cè)器,所述的電量檢測(cè)器通過(guò)導(dǎo)線(xiàn)與控制器相連。
所述太陽(yáng)能水箱一側(cè)設(shè)有電加熱器、溫度感應(yīng)器、水位感應(yīng)器一和水位感應(yīng)器二,電加熱器通過(guò)導(dǎo)線(xiàn)與開(kāi)關(guān)組連接,水位感應(yīng)器一位于太陽(yáng)能水箱高度方向五分之一處;水位感應(yīng)器二位于太陽(yáng)能水箱高度方向五分之四處,
所述熱電發(fā)電模塊包括吸熱板、P型導(dǎo)體,N型導(dǎo)體、三塊金屬片和充水箱,P型導(dǎo)體和N型導(dǎo)體并排放置,之間的空隙填充有絕緣絕熱材料,P 型導(dǎo)體和N型導(dǎo)體的上端先通過(guò)金屬片之一連接,再與吸熱板(熱源)貼合; P型導(dǎo)體和N型導(dǎo)體的下端先分別與金屬片之二、金屬片三連接,再與充水箱有絕緣層的那一面連接,充水箱另一面接觸支架;金屬片之二設(shè)為正極,金屬片之三設(shè)為負(fù)極,金屬片之二、金屬片之三與蓄電池之間通過(guò)導(dǎo)線(xiàn)連接,形成閉合環(huán)路。
本實(shí)用新型的有益效果:
本實(shí)用新型雖然初投資較高,但具有以下明顯優(yōu)點(diǎn):運(yùn)行費(fèi)用低;節(jié)省了室內(nèi)空間;無(wú)燃?xì)庑孤┪kU(xiǎn);太陽(yáng)能熱水不保證率為零。
熱電發(fā)電模塊利用材料兩端的溫度差發(fā)電,與傳統(tǒng)發(fā)電技術(shù)相比,具有以下優(yōu)點(diǎn):1)無(wú)機(jī)械運(yùn)動(dòng),不易發(fā)生故障;2)自動(dòng)啟動(dòng)和停止,有能量輸入時(shí)自動(dòng)產(chǎn)生電;3)即使發(fā)電規(guī)模小也不會(huì)導(dǎo)致效率降低;4)無(wú)需周邊設(shè)備,所需要的空間小。因此,熱電發(fā)電技術(shù)在太陽(yáng)能發(fā)電、余熱再利用領(lǐng)域有著不可替代的優(yōu)勢(shì)。
本實(shí)用新型實(shí)現(xiàn)了熱電發(fā)電模塊與太陽(yáng)能熱水器的完美結(jié)合,本裝置不僅能給用戶(hù)提供熱水,還能充分的利用冷水和熱水之間的溫差來(lái)發(fā)電,節(jié)能環(huán)保,安全高效。
吸熱板的加入不僅提高了太陽(yáng)能熱水器的陽(yáng)光利用率,熱管本身的熱量通過(guò)吸熱板傳遞給了熱電發(fā)電模塊用來(lái)發(fā)電,用于蓄電或者提供生活用電,同時(shí)還降低了熱管本身的壁溫,達(dá)到了散熱冷卻的效果,使得熱管的熱效率提高5%~10%。因?yàn)楸跍剡^(guò)高會(huì)損壞熱管,而且壁溫越高,表面發(fā)射率越高,散熱就越大,整體熱管的能量利用率變低。而且熱管中多余的熱量得到利用,使熱量得到最大程度的利用,有效地解決了熱水箱中熱水沸騰、蒸發(fā)造成的能量浪費(fèi)問(wèn)題。蓄水箱通過(guò)冷水進(jìn)水管和冷水出水管與冷卻熱電發(fā)電模塊冷端進(jìn)行換熱,可以提高蓄水箱內(nèi)的溫度10~20℃,相當(dāng)于從蓄水箱給太陽(yáng)能補(bǔ)水的水進(jìn)行了一次預(yù)熱,使熱量得到充分利用。
附圖說(shuō)明
圖1為本實(shí)用新型的系統(tǒng)圖;
圖2為本實(shí)用新型的熱電發(fā)電的原理圖;
圖3為本實(shí)用新型的方案一熱電發(fā)電模塊結(jié)構(gòu)圖;
圖4為本實(shí)用新型的方案二熱電發(fā)電模塊結(jié)構(gòu)圖;
圖5為本實(shí)用新型的生活用水流程圖。
圖中:
1.太陽(yáng)能水箱 2.控制器 3.熱管 4.中空玻璃 5.吸熱板 6.P型導(dǎo)體
7.N型導(dǎo)體 8.充水箱 9.散熱肋片 10.蓄電池 11.蓄水箱 12.冷水進(jìn)水管
13.冷水出水管 14.導(dǎo)線(xiàn) 15.補(bǔ)水管 16.進(jìn)水管 17.泄水管 18熱水管
19.自動(dòng)排氣閥 20.電加熱器 21.溫度感應(yīng)器 22.水位感應(yīng)器一
23.開(kāi)關(guān)一 24.開(kāi)關(guān)二 25.開(kāi)關(guān)三 26.電磁閥一 27.電磁閥二
28.熱電發(fā)電模塊 29.開(kāi)關(guān)組 30.金屬片一 31.絕緣層
32.電磁閥三 33.電磁閥四 34.電磁閥五 35.電量檢測(cè)器
36.水位感應(yīng)器二 37.金屬片之二 38.金屬片之三 39.絕熱絕緣塊
40.水位感應(yīng)器三 41.開(kāi)關(guān)四 42.開(kāi)關(guān)組
具體實(shí)施方式
結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型的全天候光熱光伏一體化自動(dòng)控制熱管熱水器結(jié)構(gòu)進(jìn)一步說(shuō)明。
本實(shí)用新型的全天候光熱光伏一體化自動(dòng)控制熱管熱水器設(shè)計(jì)思想是通過(guò)熱電發(fā)電模塊因溫度差產(chǎn)生熱電勢(shì),在閉合回路中產(chǎn)生電流,來(lái)進(jìn)行電能的存儲(chǔ)和利用,使用控制器來(lái)控制各個(gè)感應(yīng)元器件、開(kāi)關(guān)以及閥門(mén)的運(yùn)作,協(xié)同工作來(lái)提高系統(tǒng)的總體能量利用率。本實(shí)用新型實(shí)現(xiàn)了熱電發(fā)電模塊與太陽(yáng)能熱水器的完美結(jié)合。
如圖1所示,本實(shí)用新型的全天候光熱光伏一體化自動(dòng)控制熱管熱水器,包括太陽(yáng)能水箱1、支架、熱管3、熱電發(fā)電模塊28、蓄電池10、冷水循環(huán)系統(tǒng)、控制器2,太陽(yáng)能水箱1置于支架的上方,太陽(yáng)能水箱1上方連接用戶(hù)熱水管18、自動(dòng)排氣閥19和補(bǔ)水管15;支架的斜面上平鋪熱電發(fā)電模塊,熱電發(fā)電模塊上平鋪熱管,所述的熱管3上端插入太陽(yáng)能水箱1的下部;在太陽(yáng)能熱水箱1旁邊設(shè)置有蓄水箱11,蓄水箱11上方連接有進(jìn)水管 16,下方接有補(bǔ)水管15、泄水管17、冷水進(jìn)水管12、冷水出水管13,蓄水箱11下端通過(guò)補(bǔ)水管15與太陽(yáng)能水箱1連接,蓄水箱11與通過(guò)冷水進(jìn)水管12、冷水出水管13熱電發(fā)電模塊28連接,形成冷水循環(huán)系統(tǒng);所述的補(bǔ)水管15上設(shè)有電磁閥一26,進(jìn)水管16上設(shè)有電磁閥二27,冷水進(jìn)水管 12上設(shè)有電磁閥三32,冷水出水管13上設(shè)有電磁閥四33,泄水管17上設(shè)有電磁閥五34。所述的電磁閥一26、電磁閥二27、電磁閥三32、電磁閥四 33和電磁閥五34均通過(guò)導(dǎo)線(xiàn)與位于室內(nèi)的控制器2連接。所述蓄水箱11 放置的位置高度大于太陽(yáng)能水箱1高度,且蓄水箱11內(nèi)部的蓄水量大于太陽(yáng)能水箱內(nèi)1的蓄水量。度感應(yīng)器36用于檢測(cè)水溫。
開(kāi)關(guān)組42在控制器一旁,從開(kāi)關(guān)組42引出五組導(dǎo)線(xiàn),一組導(dǎo)線(xiàn)連接控制器2,另外四組分別連接家庭供電導(dǎo)線(xiàn)、家庭用電導(dǎo)線(xiàn)、太陽(yáng)能水箱左側(cè)的電加熱器20和蓄電池10。蓄電池10置于室內(nèi),導(dǎo)線(xiàn)14連接蓄電池10 和熱電發(fā)電模塊28,形成閉合回路。
所述太陽(yáng)能水箱1一側(cè)設(shè)有電加熱器20、溫度感應(yīng)器21、水位感應(yīng)器一22和水位感應(yīng)器二36,電加熱器20通過(guò)導(dǎo)線(xiàn)與開(kāi)關(guān)組42連接,水位感應(yīng)器一22位于太陽(yáng)能水箱1高度方向五分之一處;水位感應(yīng)器二36位于太陽(yáng)能水箱1高度方向五分之四處;溫度感應(yīng)器21用于檢測(cè)水溫。
如圖2、3所示,所述熱電發(fā)電模塊28包括吸熱板5、P型導(dǎo)體6,N 型導(dǎo)體7、三塊金屬片和充水箱8,P型導(dǎo)體6和N型導(dǎo)體7并排放置,之間的空隙填充有絕緣絕熱材料39,P型導(dǎo)體6和N型導(dǎo)體7的上端先通過(guò)金屬片之一30連接,再與熱源連接,即吸熱板5;P型導(dǎo)體6和N型導(dǎo)體7 的下端先分別與金屬片之二37、金屬片之三38連接,再與冷源連接,即充水箱8,與充水箱8接觸的那一面有絕緣層31,充水箱另一面接觸支架;金屬片之二37設(shè)為正極,金屬片之三38設(shè)為負(fù)極,金屬片之二37、金屬片之三38與蓄電池10之間通過(guò)導(dǎo)線(xiàn)連接,形成閉合環(huán)路。
冷源也可選為散熱肋片9,如圖4所示,P型導(dǎo)體6和N型導(dǎo)體7的下端先分別與金屬片之二37、金屬片之三38連接,再與冷源即散熱肋片9連接。
如圖1所示,所述的熱管3表面涂有太陽(yáng)光譜選擇性涂層和防腐涂層,為不銹鋼蛇形脈動(dòng)熱管。脈動(dòng)熱管由一定數(shù)量的細(xì)直管道和一定數(shù)量的彎頭所組成,當(dāng)管道內(nèi)徑足夠小時(shí),對(duì)管道抽取真空后,管內(nèi)的工質(zhì)將在管內(nèi)形成相間液、汽柱塞。汽液柱塞呈交錯(cuò)分布狀,當(dāng)外界熱源加熱后,汽柱會(huì)膨脹,推動(dòng)液柱的運(yùn)動(dòng),當(dāng)汽、液柱塞在管內(nèi)往復(fù)振蕩運(yùn)動(dòng)時(shí),熱管就可以實(shí)現(xiàn)高效、快速熱傳遞過(guò)程。1.脈動(dòng)熱管結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,體積小,制作維護(hù)成本低。脈動(dòng)熱管不需要吸液芯,無(wú)需外部輔助設(shè)備,降低了使用和運(yùn)行成本。2. 傳熱性能好、導(dǎo)熱性能好。脈動(dòng)熱管除通過(guò)工質(zhì)相變傳熱外,脈動(dòng)熱管還通過(guò)汽液柱的振蕩,傳遞工質(zhì)顯熱;在合理的運(yùn)行參數(shù)下,脈動(dòng)熱管的熱流密度可以很大而不會(huì)出現(xiàn)傳統(tǒng)熱管的蒸干現(xiàn)象,熱管的傳熱極限要顯著高于普通熱管。3.熱管的適應(yīng)性好。脈動(dòng)熱管的外形可以隨意彎曲,并且加熱段和冷卻段可以隨意選取,熱管能在任意傾角和不同的加熱方式下工作,這就大大增大了它的適應(yīng)性。熱管3材質(zhì)為不銹鋼。不銹鋼材料價(jià)格便宜且抗磨損,抗壓能力高,脈動(dòng)熱管內(nèi)部因?yàn)槠?、液柱塞的往?fù)運(yùn)動(dòng),不銹鋼熱管可以承受比較大的疲勞損壞。熱管3冷卻段全部浸在太陽(yáng)能水箱1中,增大了冷凝段的面積,加速了換熱。熱管3表面有太陽(yáng)光譜選擇性涂層和防腐涂層。
如圖3和圖4所示,熱管3外面蓋了一塊中空玻璃4??紤]了中空玻璃 4對(duì)太陽(yáng)輻射的吸收、透過(guò)等因素,中空玻璃4會(huì)吸收更多的太陽(yáng)輻射,透過(guò)的玻璃太陽(yáng)輻射也會(huì)更少。中空玻璃4與熱管3有一定的距離。對(duì)流損失隨著吸熱板5和熱管3溫度的升高相應(yīng)的會(huì)增大,自然對(duì)流換熱損失隨中空玻璃4至吸熱轉(zhuǎn)置熱管3和吸熱板5的距離的變化而改變,當(dāng)間距在40mm 左右時(shí),不同溫度狀況下的自然對(duì)流換熱系數(shù)都達(dá)到一個(gè)相對(duì)少值,雖然繼續(xù)增加夾層間距,會(huì)進(jìn)一步降低自然對(duì)流換熱系數(shù),但對(duì)整體熱損失差別影響不大。綜合考慮吸熱轉(zhuǎn)置的使用狀況及集熱器的外形結(jié)構(gòu)尺寸,確定把空氣夾層間距選取為40mm。
如圖1和圖3所示,本發(fā)明的工作原理為陽(yáng)光照射到太陽(yáng)能熱水器上,一部分熱量被熱管3吸收,利用脈動(dòng)熱管3吸熱相變傳熱的原理,將管內(nèi)的冷水加熱,內(nèi)部工質(zhì)與太陽(yáng)能水箱1內(nèi)的水快速換熱,使水加熱;另一部分陽(yáng)光照射到吸熱板5表面,同時(shí)熱管3散發(fā)的熱量也有部分散發(fā)到吸熱板5 上,吸熱板5吸收的熱量是熱電發(fā)電模塊28的熱源,利用熱電發(fā)電模塊28 在熱電材料兩端存在溫差,閉路情況下產(chǎn)生電流的原理,利用熱電勢(shì)是外部連接的閉合回路產(chǎn)生電流,來(lái)為蓄電池10儲(chǔ)存電能。熱電發(fā)電模塊28冷源有兩種解決方案。方案一,冷源為充水箱8,與充水箱8內(nèi)的冷水進(jìn)行換熱,使得熱量不斷傳遞給冷水。充水箱8、蓄水箱11、冷水進(jìn)水管16和冷水出水管13共同構(gòu)成一個(gè)冷水循環(huán)系統(tǒng)。被加熱的冷水通過(guò)管道與蓄水箱11內(nèi)的水進(jìn)行換熱,讓熱量得到釋放。釋放到蓄水箱11內(nèi)的熱量相當(dāng)于給蓄水箱11內(nèi)的水進(jìn)行預(yù)熱了。當(dāng)太陽(yáng)能水箱1需要補(bǔ)水時(shí),通過(guò)蓄水箱11給太陽(yáng)能水箱1補(bǔ)水。不僅進(jìn)入太陽(yáng)能水箱1內(nèi)的水溫升高了,提高了能量利用效率,而且在寒冷的冬天,給水預(yù)熱還可以防凍。方案二中,冷源為散熱肋片9,傳遞到散熱肋片9上的熱量,散發(fā)到空氣中,使得冷源的熱量得到及時(shí)釋放。兩種方案都可以使熱電發(fā)電模塊28正常運(yùn)行,并驅(qū)動(dòng)外接負(fù)載,本發(fā)明中的負(fù)載為蓄電池10。
以上兩種方法,方法一,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單;方法二,較為復(fù)雜,但能量利用率高,熱電發(fā)電模塊28的效率更高。存儲(chǔ)到蓄電池10中的電能可通過(guò)導(dǎo)線(xiàn) 14給室內(nèi)家用電器如手機(jī),電熱水器,充電寶等供電,在陽(yáng)光不足的時(shí)候,可以通過(guò)安裝在太陽(yáng)能水箱1里面的電加熱器20給里面的水加熱,提高水溫,使其滿(mǎn)足使用要求。當(dāng)然,在蓄電池10中的電量不足以使太陽(yáng)能熱水器中的水加熱到需要的溫度的情況下,可將電源改為家用供電,可以通過(guò)家庭供電,通過(guò)電加熱器20給里面的水加熱。
具體操作流程如圖5所示,當(dāng)水位感應(yīng)器檢測(cè)到太陽(yáng)能水箱1內(nèi)水不足時(shí),控制器2會(huì)打開(kāi)補(bǔ)水管15上的電磁閥一26,關(guān)閉進(jìn)水閥,通過(guò)蓄水箱 11內(nèi)的水來(lái)給太陽(yáng)能水箱1補(bǔ)充水,待太陽(yáng)能水箱1內(nèi)的水位感應(yīng)器二36 檢測(cè)到水量已到達(dá)要求后,會(huì)反饋給控制器2;然后補(bǔ)水管15上的電磁閥一26關(guān)閉,進(jìn)水管16上的電磁閥二27自動(dòng)打開(kāi),待水箱內(nèi)水位感應(yīng)器三 40檢測(cè)到水加滿(mǎn)后,電磁閥二27自動(dòng)關(guān)閉。當(dāng)太陽(yáng)能水箱1內(nèi)溫度感應(yīng)器 21檢測(cè)到的水溫不夠時(shí),控制器2會(huì)先從蓄電池10上的電量檢測(cè)器35獲取數(shù)據(jù),查看蓄電池10內(nèi)電量是否還有剩余,若有剩余,打開(kāi)開(kāi)關(guān)組42上的開(kāi)關(guān)一23,開(kāi)關(guān)二24、開(kāi)關(guān)三25、開(kāi)關(guān)四41關(guān)閉若此時(shí)家庭需要蓄電池10內(nèi)的電能,可通過(guò)控制器2打開(kāi)開(kāi)關(guān)二24,通過(guò)蓄電池10內(nèi)的電量補(bǔ)給,太陽(yáng)能水箱1內(nèi)的電加熱器20投入工作,當(dāng)溫度感應(yīng)器21檢測(cè)到溫度滿(mǎn)足要求后,開(kāi)關(guān)組42上的開(kāi)關(guān)一23關(guān)閉;若無(wú)電量剩余,通過(guò)控制器 2打開(kāi)開(kāi)關(guān)三25、開(kāi)關(guān)四41,給蓄電池10和電加熱器20同時(shí)供電,待蓄電池10內(nèi)的電量滿(mǎn)后,開(kāi)關(guān)三25關(guān)閉,待太陽(yáng)能水箱1內(nèi)的溫度達(dá)到使用要求后,開(kāi)關(guān)四41關(guān)閉。