全天候光热光伏一体化自动控制热管热水器的制作方法

本实用新型涉及太阳能热水器设备领域，特别是涉及一种全天候光热光伏一体化自动控制热管热水器。

背景技术：

太阳能热水器是一种光热转换器，一般是由真空玻璃集热管、储水箱、支架及相关附件组成，把太阳能转换成热能主要依靠真空玻璃集热管。集热管受阳光照射面温度高，集热管背阳面温度低，而管内水便产生温差反应，再利用管内热水上浮冷水下沉的原理将水加热，使水产生微循环而达到所需热水。因其节能环保、方便且便宜等特点在广大地区越来越普及。

但用户用热水只要达到40～50℃就可以，而太阳能热水器可以将水加热至70～90℃，甚至可以达到更高乃至沸腾，由于热量过剩不仅浪费了水资源，而且持续加热对太阳能热水器的箱体及吸热装置也会造成损害。同时，吸热装置表面温度升高也将导致能量转换效率降低。当太阳光照比较弱(雨雪天或者夜晚)时，用户用水往往比较困难，所以普通太阳能热水器就很难满足用户的需求。

现阶段为了解决太阳能热水器无法全天候运行的问题，无非使用以下四种方式来提供生活热水：1.太阳能热水器和电热水器结合；2.太阳能热水器和燃气热水器结合；3.只使用电热水器；4.只使用燃气热水器。以上四种方法都有缺点：电热水器占据卫生间上部很大一部分空间且耗电巨大；燃气热水器由于燃气的不安全性(易燃易爆)，特别是卫生间空间狭小封闭，若发生燃气泄漏，不易察觉，后果不堪设想。

日常生活中，人们除了对太阳能热水器的热能有需求外，对于电能的需求进一步增大。现在的太阳能热水器功能单一，只能产生热能，而不能产生电能。因此，太阳能的光热利用和温差发电综合为一体，将是未来太阳能热水器发展的趋势。

技术实现要素：

针对现有技术的弊端，本实用新型的目的在于提供一种结构简单，价格便宜，节能环保，安全高效的全天候光热光伏一体化自动控制热管热水器，太阳能热水不保证率为零，实现了太阳能光热利用和发电一体化。

为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案为提供一种全天候光热光伏一体化自动控制热管热水器，其特征是：该热管热水器包括太阳能水箱、支架、热管、热电发电模块、蓄电池、冷水循环系统、控制器，太阳能水箱置于支架的上方，太阳能水箱上方连接用户热水管、自动排气阀和补水管；支架的斜面上平铺热电发电模块，热电发电模块上平铺热管，所述的热管上端插入太阳能水箱的下部；在太阳能热水器旁边设置有蓄水箱，蓄水箱上方连接有进水管，下方接有补水管、泄水管、冷水进水管、冷水出水管，蓄水箱下端通过补水管与太阳能水箱连接，蓄水箱与通过冷水进水管、冷水出水管热电发电模块连接，形成冷水循环系统；所述的补水管上设有电磁阀一，进水管上设有电磁阀二，冷水进水管上设有电磁阀三，冷水出水管上设有电磁阀四，泄水管上设有电磁阀五，所述的电磁阀一、电磁阀二、电磁阀三、电磁阀四和电磁阀五均通过导线与位于室内的控制器连接。

开关组在控制器一旁，从开关组引出五组导线，一组导线连接控制器，另外四组分别连接家庭供电导线、家庭用电导线、太阳能水箱左侧的电加热器和蓄电池。

蓄电池置于室内，导线连接蓄电池和热电发电模块，形成闭合回路；所述的蓄电池上设有电量检测器，所述的电量检测器通过导线与控制器相连。

所述太阳能水箱一侧设有电加热器、温度感应器、水位感应器一和水位感应器二，电加热器通过导线与开关组连接，水位感应器一位于太阳能水箱高度方向五分之一处；水位感应器二位于太阳能水箱高度方向五分之四处，

所述热电发电模块包括吸热板、P型导体，N型导体、三块金属片和充水箱，P型导体和N型导体并排放置，之间的空隙填充有绝缘绝热材料，P 型导体和N型导体的上端先通过金属片之一连接，再与吸热板(热源)贴合； P型导体和N型导体的下端先分别与金属片之二、金属片三连接，再与充水箱有绝缘层的那一面连接，充水箱另一面接触支架；金属片之二设为正极，金属片之三设为负极，金属片之二、金属片之三与蓄电池之间通过导线连接，形成闭合环路。

本实用新型的有益效果：

本实用新型虽然初投资较高，但具有以下明显优点：运行费用低；节省了室内空间；无燃气泄漏危险；太阳能热水不保证率为零。

热电发电模块利用材料两端的温度差发电，与传统发电技术相比，具有以下优点:1)无机械运动，不易发生故障；2)自动启动和停止，有能量输入时自动产生电；3)即使发电规模小也不会导致效率降低；4)无需周边设备，所需要的空间小。因此，热电发电技术在太阳能发电、余热再利用领域有着不可替代的优势。

本实用新型实现了热电发电模块与太阳能热水器的完美结合，本装置不仅能给用户提供热水，还能充分的利用冷水和热水之间的温差来发电，节能环保，安全高效。

吸热板的加入不仅提高了太阳能热水器的阳光利用率，热管本身的热量通过吸热板传递给了热电发电模块用来发电，用于蓄电或者提供生活用电，同时还降低了热管本身的壁温，达到了散热冷却的效果，使得热管的热效率提高5％～10％。因为壁温过高会损坏热管，而且壁温越高，表面发射率越高，散热就越大，整体热管的能量利用率变低。而且热管中多余的热量得到利用，使热量得到最大程度的利用，有效地解决了热水箱中热水沸腾、蒸发造成的能量浪费问题。蓄水箱通过冷水进水管和冷水出水管与冷却热电发电模块冷端进行换热，可以提高蓄水箱内的温度10～20℃，相当于从蓄水箱给太阳能补水的水进行了一次预热，使热量得到充分利用。

附图说明

图1为本实用新型的系统图；

图2为本实用新型的热电发电的原理图；

图3为本实用新型的方案一热电发电模块结构图；

图4为本实用新型的方案二热电发电模块结构图；

图5为本实用新型的生活用水流程图。

图中：

1.太阳能水箱 2.控制器 3.热管 4.中空玻璃 5.吸热板 6.P型导体

7.N型导体 8.充水箱 9.散热肋片 10.蓄电池 11.蓄水箱 12.冷水进水管

13.冷水出水管 14.导线 15.补水管 16.进水管 17.泄水管 18热水管

19.自动排气阀 20.电加热器 21.温度感应器 22.水位感应器一

23.开关一 24.开关二 25.开关三 26.电磁阀一 27.电磁阀二

28.热电发电模块 29.开关组 30.金属片一 31.绝缘层

32.电磁阀三 33.电磁阀四 34.电磁阀五 35.电量检测器

36.水位感应器二 37.金属片之二 38.金属片之三 39.绝热绝缘块

40.水位感应器三 41.开关四 42.开关组

具体实施方式

结合附图对本实用新型的全天候光热光伏一体化自动控制热管热水器结构进一步说明。

本实用新型的全天候光热光伏一体化自动控制热管热水器设计思想是通过热电发电模块因温度差产生热电势，在闭合回路中产生电流，来进行电能的存储和利用，使用控制器来控制各个感应元器件、开关以及阀门的运作，协同工作来提高系统的总体能量利用率。本实用新型实现了热电发电模块与太阳能热水器的完美结合。

如图1所示，本实用新型的全天候光热光伏一体化自动控制热管热水器，包括太阳能水箱1、支架、热管3、热电发电模块28、蓄电池10、冷水循环系统、控制器2，太阳能水箱1置于支架的上方，太阳能水箱1上方连接用户热水管18、自动排气阀19和补水管15；支架的斜面上平铺热电发电模块，热电发电模块上平铺热管，所述的热管3上端插入太阳能水箱1的下部；在太阳能热水箱1旁边设置有蓄水箱11，蓄水箱11上方连接有进水管 16，下方接有补水管15、泄水管17、冷水进水管12、冷水出水管13，蓄水箱11下端通过补水管15与太阳能水箱1连接，蓄水箱11与通过冷水进水管12、冷水出水管13热电发电模块28连接，形成冷水循环系统；所述的补水管15上设有电磁阀一26，进水管16上设有电磁阀二27，冷水进水管 12上设有电磁阀三32，冷水出水管13上设有电磁阀四33，泄水管17上设有电磁阀五34。所述的电磁阀一26、电磁阀二27、电磁阀三32、电磁阀四 33和电磁阀五34均通过导线与位于室内的控制器2连接。所述蓄水箱11 放置的位置高度大于太阳能水箱1高度，且蓄水箱11内部的蓄水量大于太阳能水箱内1的蓄水量。度感应器36用于检测水温。

开关组42在控制器一旁，从开关组42引出五组导线，一组导线连接控制器2，另外四组分别连接家庭供电导线、家庭用电导线、太阳能水箱左侧的电加热器20和蓄电池10。蓄电池10置于室内，导线14连接蓄电池10 和热电发电模块28，形成闭合回路。

所述太阳能水箱1一侧设有电加热器20、温度感应器21、水位感应器一22和水位感应器二36，电加热器20通过导线与开关组42连接，水位感应器一22位于太阳能水箱1高度方向五分之一处；水位感应器二36位于太阳能水箱1高度方向五分之四处；温度感应器21用于检测水温。

如图2、3所示，所述热电发电模块28包括吸热板5、P型导体6，N 型导体7、三块金属片和充水箱8，P型导体6和N型导体7并排放置，之间的空隙填充有绝缘绝热材料39，P型导体6和N型导体7的上端先通过金属片之一30连接，再与热源连接，即吸热板5；P型导体6和N型导体7 的下端先分别与金属片之二37、金属片之三38连接，再与冷源连接，即充水箱8，与充水箱8接触的那一面有绝缘层31，充水箱另一面接触支架；金属片之二37设为正极，金属片之三38设为负极，金属片之二37、金属片之三38与蓄电池10之间通过导线连接，形成闭合环路。

冷源也可选为散热肋片9，如图4所示，P型导体6和N型导体7的下端先分别与金属片之二37、金属片之三38连接，再与冷源即散热肋片9连接。

如图1所示，所述的热管3表面涂有太阳光谱选择性涂层和防腐涂层，为不锈钢蛇形脉动热管。脉动热管由一定数量的细直管道和一定数量的弯头所组成，当管道内径足够小时，对管道抽取真空后，管内的工质将在管内形成相间液、汽柱塞。汽液柱塞呈交错分布状，当外界热源加热后，汽柱会膨胀，推动液柱的运动，当汽、液柱塞在管内往复振荡运动时，热管就可以实现高效、快速热传递过程。1.脉动热管结构简单，体积小，制作维护成本低。脉动热管不需要吸液芯，无需外部辅助设备，降低了使用和运行成本。2. 传热性能好、导热性能好。脉动热管除通过工质相变传热外，脉动热管还通过汽液柱的振荡，传递工质显热；在合理的运行参数下，脉动热管的热流密度可以很大而不会出现传统热管的蒸干现象，热管的传热极限要显著高于普通热管。3.热管的适应性好。脉动热管的外形可以随意弯曲，并且加热段和冷却段可以随意选取，热管能在任意倾角和不同的加热方式下工作，这就大大增大了它的适应性。热管3材质为不锈钢。不锈钢材料价格便宜且抗磨损，抗压能力高，脉动热管内部因为汽、液柱塞的往复运动，不锈钢热管可以承受比较大的疲劳损坏。热管3冷却段全部浸在太阳能水箱1中，增大了冷凝段的面积，加速了换热。热管3表面有太阳光谱选择性涂层和防腐涂层。

如图3和图4所示，热管3外面盖了一块中空玻璃4。考虑了中空玻璃 4对太阳辐射的吸收、透过等因素，中空玻璃4会吸收更多的太阳辐射，透过的玻璃太阳辐射也会更少。中空玻璃4与热管3有一定的距离。对流损失随着吸热板5和热管3温度的升高相应的会增大，自然对流换热损失随中空玻璃4至吸热转置热管3和吸热板5的距离的变化而改变，当间距在40mm 左右时，不同温度状况下的自然对流换热系数都达到一个相对少值，虽然继续增加夹层间距，会进一步降低自然对流换热系数，但对整体热损失差别影响不大。综合考虑吸热转置的使用状况及集热器的外形结构尺寸，确定把空气夹层间距选取为40mm。

如图1和图3所示，本发明的工作原理为阳光照射到太阳能热水器上，一部分热量被热管3吸收，利用脉动热管3吸热相变传热的原理，将管内的冷水加热，内部工质与太阳能水箱1内的水快速换热，使水加热；另一部分阳光照射到吸热板5表面，同时热管3散发的热量也有部分散发到吸热板5 上，吸热板5吸收的热量是热电发电模块28的热源，利用热电发电模块28 在热电材料两端存在温差，闭路情况下产生电流的原理，利用热电势是外部连接的闭合回路产生电流，来为蓄电池10储存电能。热电发电模块28冷源有两种解决方案。方案一，冷源为充水箱8，与充水箱8内的冷水进行换热，使得热量不断传递给冷水。充水箱8、蓄水箱11、冷水进水管16和冷水出水管13共同构成一个冷水循环系统。被加热的冷水通过管道与蓄水箱11内的水进行换热，让热量得到释放。释放到蓄水箱11内的热量相当于给蓄水箱11内的水进行预热了。当太阳能水箱1需要补水时，通过蓄水箱11给太阳能水箱1补水。不仅进入太阳能水箱1内的水温升高了，提高了能量利用效率，而且在寒冷的冬天，给水预热还可以防冻。方案二中，冷源为散热肋片9，传递到散热肋片9上的热量，散发到空气中，使得冷源的热量得到及时释放。两种方案都可以使热电发电模块28正常运行，并驱动外接负载，本发明中的负载为蓄电池10。

以上两种方法，方法一，结构简单；方法二，较为复杂，但能量利用率高，热电发电模块28的效率更高。存储到蓄电池10中的电能可通过导线 14给室内家用电器如手机，电热水器，充电宝等供电，在阳光不足的时候，可以通过安装在太阳能水箱1里面的电加热器20给里面的水加热，提高水温，使其满足使用要求。当然，在蓄电池10中的电量不足以使太阳能热水器中的水加热到需要的温度的情况下，可将电源改为家用供电，可以通过家庭供电，通过电加热器20给里面的水加热。

具体操作流程如图5所示，当水位感应器检测到太阳能水箱1内水不足时，控制器2会打开补水管15上的电磁阀一26，关闭进水阀，通过蓄水箱 11内的水来给太阳能水箱1补充水，待太阳能水箱1内的水位感应器二36 检测到水量已到达要求后，会反馈给控制器2；然后补水管15上的电磁阀一26关闭，进水管16上的电磁阀二27自动打开，待水箱内水位感应器三 40检测到水加满后，电磁阀二27自动关闭。当太阳能水箱1内温度感应器 21检测到的水温不够时，控制器2会先从蓄电池10上的电量检测器35获取数据，查看蓄电池10内电量是否还有剩余，若有剩余，打开开关组42上的开关一23，开关二24、开关三25、开关四41关闭若此时家庭需要蓄电池10内的电能，可通过控制器2打开开关二24，通过蓄电池10内的电量补给，太阳能水箱1内的电加热器20投入工作，当温度感应器21检测到温度满足要求后，开关组42上的开关一23关闭；若无电量剩余，通过控制器 2打开开关三25、开关四41，给蓄电池10和电加热器20同时供电，待蓄电池10内的电量满后，开关三25关闭，待太阳能水箱1内的温度达到使用要求后，开关四41关闭。