全天候光熱光伏一體化自動控制熱管熱水器的製作方法
2023-12-10 12:06:07
本發明涉及太陽能熱水器設備領域，特別是涉及一種全天候光熱光伏一體化自動控制熱管熱水器。
背景技術：
太陽能熱水器是一種光熱轉換器，一般是由真空玻璃集熱管、儲水箱、支架及相關附件組成，把太陽能轉換成熱能主要依靠真空玻璃集熱管。集熱管受陽光照射面溫度高，集熱管背陽面溫度低，而管內水便產生溫差反應，再利用管內熱水上浮冷水下沉的原理將水加熱，使水產生微循環而達到所需熱水。因其節能環保、方便且便宜等特點在廣大地區越來越普及。
但用戶用熱水只要達到40～50℃就可以，而太陽能熱水器可以將水加熱至70～90℃，甚至可以達到更高乃至沸騰，由於熱量過剩不僅浪費了水資源，而且持續加熱對太陽能熱水器的箱體及吸熱裝置也會造成損害。同時，吸熱裝置表面溫度升高也將導致能量轉換效率降低。當太陽光照比較弱(雨雪天或者夜晚)時，用戶用水往往比較困難，所以普通太陽能熱水器就很難滿足用戶的需求。
現階段為了解決太陽能熱水器無法全天候運行的問題，無非使用以下四種方式來提供生活熱水：1.太陽能熱水器和電熱水器結合；2.太陽能熱水器和燃氣熱水器結合；3.只使用電熱水器；4.只使用燃氣熱水器。以上四種方法都有缺點：電熱水器佔據衛生間上部很大一部分空間且耗電巨大；燃氣熱水器由於燃氣的不安全性(易燃易爆)，特別是衛生間空間狹小封閉，若發生燃氣洩漏，不易察覺，後果不堪設想。
日常生活中，人們除了對太陽能熱水器的熱能有需求外，對於電能的需求進一步增大。現在的太陽能熱水器功能單一，只能產生熱能，而不能產生電能。因此，太陽能的光熱利用和溫差發電綜合為一體，將是未來太陽能熱水器發展的趨勢。
技術實現要素：
針對現有技術的弊端，本發明的目的在於提供一種結構簡單，價格便宜，節能環保，安全高效的全天候光熱光伏一體化自動控制熱管熱水器，太陽能熱水不保證率為零，實現了太陽能光熱利用和發電一體化。
為實現上述目的，本發明採用的技術方案為提供一種全天候光熱光伏一體化自動控制熱管熱水器，其中：該熱管熱水器包括太陽能水箱、支架、熱管、熱電發電模塊、蓄電池、冷水循環系統、控制器，太陽能水箱置於支架的上方，太陽能水箱上方連接用戶熱水管、自動排氣閥和補水管；支架的斜面上平鋪熱電發電模塊，熱電發電模塊上平鋪熱管，所述的熱管上端插入太陽能水箱的下部；在太陽能熱水器旁邊設置有蓄水箱，蓄水箱上方連接有進水管，下方接有補水管、洩水管、冷水進水管、冷水出水管，蓄水箱下端通過補水管與太陽能水箱連接，蓄水箱與通過冷水進水管、冷水出水管熱電發電模塊連接，形成冷水循環系統；所述的補水管上設有電磁閥一，進水管上設有電磁閥二，冷水進水管上設有電磁閥三，冷水出水管上設有電磁閥四，洩水管上設有電磁閥五，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導線與位於室內的控制器連接。
開關組在控制器一旁，從開關組引出五組導線，一組導線連接控制器，另外四組分別連接家庭供電導線、家庭用電導線、太陽能水箱左側的電加熱器和蓄電池。
蓄電池置於室內，導線連接蓄電池和熱電發電模塊，形成閉合迴路；所述的蓄電池上設有電量檢測器，所述的電量檢測器通過導線與控制器相連。
所述太陽能水箱一側設有電加熱器、溫度感應器、水位感應器一和水位感應器二，電加熱器通過導線與開關組連接，水位感應器一位於太陽能水箱高度方向五分之一處；水位感應器二位於太陽能水箱高度方向五分之四處，
所述熱電發電模塊包括吸熱板、P型導體，N型導體、三塊金屬片和充水箱，P型導體和N型導體並排放置，之間的空隙填充有絕緣絕熱材料，P型導體和N型導體的上端先通過金屬片之一連接，再與吸熱板(熱源)貼合；P型導體和N型導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；金屬片之二設為正極，金屬片之三設為負極，金屬片之二、金屬片之三與蓄電池之間通過導線連接，形成閉合環路。
本發明的有益效果：
本發明雖然初投資較高，但具有以下明顯優點：運行費用低；節省了室內空間；無燃氣洩漏危險；太陽能熱水不保證率為零。
熱電發電模塊利用材料兩端的溫度差發電，與傳統發電技術相比，具有以下優點:1)無機械運動，不易發生故障；2)自動啟動和停止，有能量輸入時自動產生電；3)即使發電規模小也不會導致效率降低；4)無需周邊設備，所需要的空間小。因此，熱電發電技術在太陽能發電、餘熱再利用領域有著不可替代的優勢。
本發明實現了熱電發電模塊與太陽能熱水器的完美結合，本裝置不僅能給用戶提供熱水，還能充分的利用冷水和熱水之間的溫差來發電，節能環保，安全高效。
吸熱板的加入不僅提高了太陽能熱水器的陽光利用率，熱管本身的熱量通過吸熱板傳遞給了熱電發電模塊用來發電，用於蓄電或者提供生活用電，同時還降低了熱管本身的壁溫，達到了散熱冷卻的效果，使得熱管的熱效率提高5％～10％。因為壁溫過高會損壞熱管，而且壁溫越高，表面發射率越高，散熱就越大，整體熱管的能量利用率變低。而且熱管中多餘的熱量得到利用，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、蒸發造成的能量浪費問題。蓄水箱通過冷水進水管和冷水出水管與冷卻熱電發電模塊冷端進行換熱，可以提高蓄水箱內的溫度10～20℃，相當於從蓄水箱給太陽能補水的水進行了一次預熱，使熱量得到充分利用。
附圖說明
圖1為本發明的系統圖；
圖2為本發明的熱電發電的原理圖；
圖3為本發明的方案一熱電發電模塊結構圖；
圖4為本發明的方案二熱電發電模塊結構圖；
圖5為本發明的生活用水流程圖。
圖中：
1.太陽能水箱 2.控制器 3.熱管 4.中空玻璃 5.吸熱板 6.P型導體
7.N型導體 8.充水箱 9.散熱肋片 10.蓄電池 11.蓄水箱 12.冷水進水管
13.冷水出水管 14.導線 15.補水管 16.進水管 17.洩水管 18熱水管
19.自動排氣閥 20.電加熱器 21.溫度感應器 22.水位感應器一
23.開關一 24.開關二 25.開關三 26.電磁閥一 27.電磁閥二
28.熱電發電模塊 29.開關組 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.電量檢測器
36.水位感應器二 37.金屬片二 38.金屬片三 39.絕熱絕緣塊
40.水位感應器三 41.開關四 42.開關組
具體實施方式
結合附圖對本發明的全天候光熱光伏一體化自動控制熱管熱水器結構進一步說明。
本發明的全天候光熱光伏一體化自動控制熱管熱水器設計思想是通過熱電發電模塊因溫度差產生熱電勢，在閉合迴路中產生電流，來進行電能的存儲和利用，使用控制器來控制各個感應元器件、開關以及閥門的運作，協同工作來提高系統的總體能量利用率。本發明實現了熱電發電模塊與太陽能熱水器的完美結合。
如圖1所示，本發明的全天候光熱光伏一體化自動控制熱管熱水器，包括太陽能水箱1、支架、熱管3、熱電發電模塊28、蓄電池10、冷水循環系統、控制器2，太陽能水箱1置於支架的上方，太陽能水箱1上方連接用戶熱水管18、自動排氣閥19和補水管15；支架的斜面上平鋪熱電發電模塊，熱電發電模塊上平鋪熱管，所述的熱管3上端插入太陽能水箱1的下部；在太陽能熱水器1旁邊設置有蓄水箱11，蓄水箱11上方連接有進水管16，下方接有補水管15、洩水管17、冷水進水管12、冷水出水管13，蓄水箱11下端通過補水管15與太陽能水箱1連接，蓄水箱11與通過冷水進水管12、冷水出水管13熱電發電模塊28連接，形成冷水循環系統；所述的補水管15上設有電磁閥一26，進水管16上設有電磁閥二27，冷水進水管12上設有電磁閥三32，冷水出水管13上設有電磁閥四26，洩水管17上設有電磁閥五34。所述的電磁閥一26、電磁閥二27、電磁閥三32、電磁閥四26和電磁閥五34均通過導線與位於室內的控制器2連接。所述蓄水箱11放置的位置高度大於太陽能水箱1高度，且蓄水箱11內部的蓄水量大於太陽能水箱內1的蓄水量。度感應器36用於檢測水溫。
開關組42在控制器一旁，從開關組42引出五組導線，一組導線連接控制器2，另外四組分別連接家庭供電導線、家庭用電導線、太陽能水箱左側的電加熱器20和蓄電池10。蓄電池10置於室內，導線14連接蓄電池10和熱電發電模塊28，形成閉合迴路。
所述太陽能水箱1一側設有電加熱器20、溫度感應器21、水位感應器一22和水位感應器二36，電加熱器20通過導線與開關組42連接，水位感應器一22位於太陽能水箱1高度方向五分之一處；水位感應器二36位於太陽能水箱1高度方向五分之四處；溫度感應器21用於檢測水溫。
如圖2、3所示，所述熱電發電模塊28包括吸熱板5、P型導體6，N型導體7、三塊金屬片和充水箱8，P型導體6和N型導體7並排放置，之間的空隙填充有絕緣絕熱材料39，P型導體6和N型導體7的上端先通過金屬片之一30連接，再與熱源連接，即吸熱板5；P型導體6和N型導體7的下端先分別與金屬片之二37、金屬片三38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設為正極，金屬片之三38設為負極，金屬片之二37、金屬片之三38與蓄電池10之間通過導線連接，形成閉合環路。
冷源也可選為散熱肋片9，如圖4所示，P型導體6和N型導體7的下端先分別與金屬片之二37、金屬片三38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表面塗有太陽光譜選擇性塗層和防腐塗層，為不鏽鋼蛇形脈動熱管。脈動熱管由一定數量的細直管道和一定數量的彎頭所組成，當管道內徑足夠小時，對管道抽取真空後，管內的工質將在管內形成相間液、汽柱塞。汽液柱塞呈交錯分布狀，當外界熱源加熱後，汽柱會膨脹，推動液柱的運動，當汽、液柱塞在管內往復振蕩運動時，熱管就可以實現高效、快速熱傳遞過程。1.脈動熱管結構簡單，體積小，製作維護成本低。脈動熱管不需要吸液芯，無需外部輔助設備，降低了使用和運行成本。2.傳熱性能好、導熱性能好。脈動熱管除通過工質相變傳熱外，脈動熱管還通過汽液柱的振蕩，傳遞工質顯熱；在合理的運行參數下，脈動熱管的熱流密度可以很大而不會出現傳統熱管的蒸乾現象，熱管的傳熱極限要顯著高於普通熱管。3.熱管的適應性好。脈動熱管的外形可以隨意彎曲，並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性。熱管3材質為不鏽鋼。不鏽鋼材料價格便宜且抗磨損，抗壓能力高，脈動熱管內部因為汽、液柱塞的往復運動，不鏽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表面有太陽光譜選擇性塗層和防腐塗層。
如圖3和圖4所示，熱管3外面蓋了一塊中空玻璃4。考慮了中空玻璃4對太陽輻射的吸收、透過等因素，中空玻璃4會吸收更多的太陽輻射，透過的玻璃太陽輻射也會更少。中空玻璃4與熱管3有一定的距離。對流損失隨著吸熱板5和熱管3溫度的升高相應的會增大，自然對流換熱損失隨中空玻璃4至吸熱轉置熱管3和吸熱板5的距離的變化而改變，當間距在40mm左右時，不同溫度狀況下的自然對流換熱係數都達到一個相對少值，雖然繼續增加夾層間距，會進一步降低自然對流換熱係數，但對整體熱損失差別影響不大。綜合考慮吸熱轉置的使用狀況及集熱器的外形結構尺寸，確定把空氣夾層間距選取為40mm。
如圖1和圖3所示，本發明的工作原理為陽光照射到太陽能熱水器上，一部分熱量被熱管3吸收，利用脈動熱管3吸熱相變傳熱的原理，將管內的冷水加熱，內部工質與太陽能水箱1內的水快速換熱，使水加熱；另一部分陽光照射到吸熱板5表面，同時熱管3散發的熱量也有部分散發到吸熱板5上，吸熱板5吸收的熱量是熱電發電模塊28的熱源，利用熱電發電模塊28在熱電材料兩端存在溫差，閉路情況下產生電流的原理，利用熱電勢是外部連接的閉合迴路產生電流，來為蓄電池10儲存電能。熱電發電模塊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內的冷水進行換熱，使得熱量不斷傳遞給冷水。充水箱8、蓄水箱11、冷水進水管16和冷水出水管13共同構成一個冷水循環系統。被加熱的冷水通過管道與蓄水箱11內的水進行換熱，讓熱量得到釋放。釋放到蓄水箱11內的熱量相當於給蓄水箱11內的水進行預熱了。當太陽能水箱1需要補水時，通過蓄水箱11給太陽能水箱1補水。不僅進入太陽能水箱1內的水溫升高了，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，散發到空氣中，使得冷源的熱量得到及時釋放。兩種方案都可以使熱電發電模塊28正常運行，並驅動外接負載，本發明中的負載為蓄電池10。
以上兩種方法，方法一，結構簡單；方法二，較為複雜，但能量利用率高，熱電發電模塊28的效率更高。存儲到蓄電池10中的電能可通過導線14給室內家用電器如手機，電熱水器，充電寶等供電，在陽光不足的時候，可以通過安裝在太陽能水箱1裡面的電加熱器20給裡面的水加熱，提高水溫，使其滿足使用要求。當然，在蓄電池10中的電量不足以使太陽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，可以通過家庭供電，通過電加熱器20給裡面的水加熱。
具體操作流程如圖5所示，當水位感應器檢測到太陽能水箱1內水不足時，控制器2會打開補水管15上的電磁閥一26，關閉進水閥，通過蓄水箱11內的水來給太陽能水箱1補充水，待太陽能水箱1內的水位感應器二36檢測到水量已到達要求後，會反饋給控制器2；然後補水管15上的電磁閥一26關閉，進水管16上的電磁閥二27自動打開，待水箱內水位感應器三40檢測到水加滿後，電磁閥二27自動關閉。當太陽能水箱1內溫度感應器21檢測到的水溫不夠時，控制器2會先從蓄電池10上的電量檢測器35獲取數據，查看蓄電池10內電量是否還有剩餘，若有剩餘，打開開關組42上的開關一23，開關二24、開關三25、開關四41關閉若此時家庭需要蓄電池10內的電能，可通過控制器2打開開關二24，通過蓄電池10內的電量補給，太陽能水箱1內的電加熱器20投入工作，當溫度感應器21檢測到溫度滿足要求後，開關組42上的開關一23關閉；若無電量剩餘，通過控制器2打開開關三25、開關四41，給蓄電池10和電加熱器20同時供電，待蓄電池10內的電量滿後，開關三25關閉，待太陽能水箱1內的溫度達到使用要求後，開關四41關閉。