CN102072565A - 温差发电太阳能热水器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种温差发电太阳能热水器。它将太阳能热水器的集热储水箱内胆外侧与温差发电材料的一面热接触，温差发电材料的另一面与散热物体热接触，温差发电材料因两面的温差而发电。温差发电材料的输出端与存储输出电路的输入端相连，从存储输出电路的输出端子输出电能。解决了公知的太阳能热水器采集的热能常年绝大部分没被利用的缺陷，使太阳能热水器的闲置热能转化成电能，供给各种电器使用。带有自动开关机构的保温门，进一步兼顾和保证了洗浴和温差发电效果。本发明使太阳能热水器成为洗浴和绿色发电供电中心，大大提高了太阳能热水器的应用价值。本发明用于在各种太阳能热水器的基础上，生产洗浴和温差发电两用的太阳能热水器。
Description
技术领域
本发明涉及一种太阳能热水器，尤其指一种温差发电太阳能热水器。
背景技术
整个社会节能环保、绿色低碳已经成为当今世界人类共同追求的目标。太阳能热水器社会拥有量很多，但每家日常使用太阳能热水器的次数和总时间相对于闲置时间而言很少，每周的使用次数也就是1-2次左右，常年绝大多数时间热水器闲置，使太阳能热水器里面的热水的热能白白损失了。中国发明专利申请号为02110356.9的专利申请，就公开了一种太阳能热水器，里面是不带温差发电系统的。温差发电虽然是已有技术，但还没有人提出在太阳能热水器上进行温差发电的技术方案。
发明内容
本发明的目的是提供一种利用太阳能热水器的集热储水箱内的热水进行温差发电的太阳能热水器，它可以为各种电器提供绿色电源和洗浴用，充分利用太阳能热水器日常采集的太阳热能，使太阳能热水器一物多用，兼做家用绿色电源供电中心。
为了实现上述目的，本发明包含公知技术的太阳能热水器，集热储水箱的内胆与温差发电材料的内表面热接触，温差发电材料的外表面与散热物体热接触，触温差发电材料与二极管串联后与存储输出电路的输入端并联，存储输出电路的输出端与输出端子相连。
存储输出电路由可充电电池与逆变器输入端和开关串联的电路并联组成，不用电时通过开关断开其电流通道，逆变器不再耗电，使温差发电的电能无空载消耗，逆变器的输出端子与220V电源插座相连并安装在室内，方便各种电器用电。
为了高效地利用太阳能热水器内的热能，集热储水箱的带有温差发电材料的侧面安装了保温门，保温门上带有门保温层和自动开关机构，自动开关机构的控制电路安装在室内。
当用电磁铁作为自动开关机构时，自动开关机构由固定在集热储水箱外壳上的电磁铁和固定在保温门相吻合位置的恒磁体和弹簧以及开度限位组件组成，电磁铁的线圈与双刀双掷换向开关两侧接点并联，双刀双掷换向开关的中心接点与直流电源并联。
当用直流电动机作为自动开关机构时，自动开关机构由固定在集热储水箱外壳和保温门上的直流电动机和开关门组件构成，直流电动机与继电器线圈和电阻以及继电器常通触点开关串联后再与双刀双掷换向开关两侧接点并联，发光二极管与电阻串联后与另一电阻并联，继电器线圈与电阻并联，双刀双掷换向开关的中心接点与直流电源并联。
为了提高温差发电材料两个侧面的温差，提高发电能力，散热物体用铝制的散热片，内胆的裸露区域要安装保温材料。
为让用户及时了解集热储水箱内胆内的水温和温差发电现状，集热储水箱内带有温度传感器，温度传感器通过导线与置于室内的数字温度表并联，存储输出电路的输入端与置于室内的电压显示电路并联。
由于本发明在太阳能热水器的集热储水箱的内胆外侧安装了温差发电材料，温差发电材料与二极管串联后与存储输出电路的输入端并联，存储输出电路的输出端与输出端子和220V电源插座相连，这就使得在太阳能热水器的大部分闲置热能转化成电能，并且这种发电模式在阳光充足的白天是连续的，可连续供给各种中小功率家用电器(42寸以下的液晶电视、音响、电脑、电风扇、各种电动器具、随身带的视听设备等)使用。带有自动开关机构的保温门，进一步兼顾和保证了洗浴和温差发电效果。本发明使太阳能热水器成为一种洗浴和绿色发电供电中心，大大提高了太阳能热水器的使用价值，其太阳能温差发电的节能减排效益将会是巨大的。
图1是本发明的物理结构侧视图；
图2是本发明的温差发电电路图；
图3是本发明的自动开关机构的电磁铁控制电路图；
图4是本发明的第二个实施例的直流电动机开关门俯视图；
图5是本发明的直流电动机控制电路图；
具体实施方式
在图1中，太阳能热水器的集热储水箱外壳14与内胆2之间是保温层15，还有集热管6的上端与内胆2连通，公知技术中的太阳能热水器中的其它部分就在此省略不讲了。温差发电材料1与内胆2的侧面热接触，各个温差发电材料1之间的间隙和裸露的内胆区域要安装保温材料，以降低热量损失。温差发电材料1的外表面紧贴着安装铝制的散热片3，可用螺丝将散热片3(的四个角)固定在内胆2的侧面，各个温差发电材料1与内胆2及散热片3之间的接触面带有导热硅脂。电磁铁7固定在集热储水箱外壳14上，恒磁体12固定在保温门9上，其上带有一个压簧13(压力式弹簧)。集热储水箱外壳14与保温门9之间用合页8可转动式连接，集热储水箱外壳14与保温门9上还安装开度限位组件16左右各有一个，左边那个与连接杆17固定在外壳14上，连接杆17穿过右边那个的长条孔并带上螺母，调节螺母可调节和限制保温门9的最大开度，并且对保温门9有上托的支撑作用，与合页8一起使保温门8牢固。保温门9的内侧带有门保温层10，直径与内胆2侧面吻合。保温门9的内侧外环带有磁性门封11(类似于电冰箱门的材料和结构，但磁性要更强)，由于门保温层10的厚度2-5厘米，因此要求内胆2的侧面要凹陷进去大于6厘米，以保证关严门。实际保温门9无法也不需要打开图示的180角度，只需打开一点缝就行(夹角可小于15度)。其动作过程：当需要关保温门9时，正向接通电磁铁7的线圈电源，电磁铁7就吸引恒磁体12并克服压簧13的弹力，使保温门9以合页8为转轴与集热储水箱14外壳的侧面闭合，由于磁性门封11带有永磁材料，此时与集热储水箱14外壳的侧面(铁磁材料制作的)与磁性门封11因紧贴在一起而产生很大的吸引力，即便断开电磁铁7的线圈电源，仍可保持保温门9的关闭状态而不必再耗电，此时为保温非温差发电状态；当需要温差发电要打开保温门9时，可反向接通电磁铁7的线圈电源，此时电磁铁7对恒磁体12产生很强的排斥力，与压簧13向外的弹力形成的合力就会克服磁性门封11的吸力而打开保温门9，此时的压簧13推着保温门9保持打开状态，风刮也不会关闭的，此时为温差发电状态，打开的这点门的开度，因气流从外界自下而上自然流动(带走散热片3的热量)，类似于烟筒，很符合散热片3的散热需求，室外有风时散热会更好。
在图2中，多个温差发电材料1(即图中那些小扁方块)相互正串联(即两个温差发电单元的不同极性相互连接)后构成输出电压高的温差发电材料1。本人通过实验证明，一个长宽各为4厘米的普通的小半导体制冷片，温差50度时的温差发电电压高达0.5V以上(且内阻仅1欧姆左右)，用20多片总输出电压就够了(12V以上)。温差发电材料1的总输出端与二极管D串联后并联在存储输出电路4的输入端X、Y。二极管D可以防止温差发电材料1在温差发电电压过低的情况下，存储输出电路4内的可充电电池E对温差发电材料1的反向放电现象的发生。二极管D要用半导体锗材料的二极管，这样可以使它在充电时分得的电压最小(0.2V左右)，有利于提高温差发电的利用率。存储输出电路4由可充电电池E与逆变器5和开关KN构成的串联电路再并联构成，为了防止不用电时逆变器5对电能的消耗，可断开开关KN，用电时再接通开关KN。可充电电池E的电压要与温差发电材料1的总输出电压相匹配，以高效地充电，它可以用普通蓄电池串联构成(比如组合成12V等电压的各种组合)。
逆变器5内部由公知技术中的逆变器电路组成，各种类型的均可，例如可参照国防工业出版社2003年4月出版的《实用电子控制电路》书中的152-153页的：“一种家用、船用逆变电源”一文。逆变器5可将温差发电材料1以及可充电电池E提供给的直流电变换成220V交流电，其交流220V输出端子A和B为多个输出插位的220V电源插座的多个并联插口，以给其他中小功率电器(42寸以下的液晶电视、音响、电脑、电风扇、各种电动器具、随身带的视听设备等)提供220V电能，一物多用；输出端子C、F输出12V低压直流电，也可供小电器使用。这是一种绿色发电模式，为各种家用电器提供了绿色电能，符合低碳节能原则。
温度传感器17置于内胆2热水里面或贴装在内胆2外表面，通过导线与室内的数字温度表18相并联，数字温度表18的电源输入端与输出端子C、F并联，但由于液晶显示数字温度表18耗电极微小，用钮扣电池或干电池供电也可。数字温度表18用于观察内胆2里的水温，以方便用户的洗浴或温差发电操作。
发光二极管D8、电阻R4、稳压二极管D7串联后并联在存储输出电路4的输入端X、Y上，构成可充电电池E的电压显示电路。当可充电电池E的电压高于设定值时，稳压二极管D7击穿导通，使发光二极管D8发光；当可充电电池E的电压低于设定值时，稳压二极管D7截止，发光二极管D8不发光，表示电不足。由于发光二极管D8的发光电流只需要几个毫安，故耗电极小，不影响供电效率。可充电电池E的电压显示电路也可用高内阻、微耗电的机械或电子电压表代替。该电路的目的是让用户观察温差发电电压高低，以便进行相应操作。
在图3中，变压器BY的初级绕组与220V交流电源插头相连，次级绕组与二极管D1、D2、D3、D4连成的整流器输入端相并联，整流器的输出端与滤波电容C1并联构成直流电源，再与双刀双掷换向开关KD的中心接点并联。双刀双掷换向开关KD的两侧接点交叉连接成换向开关的接法，与电磁铁7的线圈并联。当双刀双掷换向开关KD拨向K位为负极性供电开保温门，拨向G位为正极性供电关保温门。该电路的220V电源可来自市电或温差自发电均可，因只是用一下就拔掉220V电源插头，耗电极少。
在图4中，直流电动机DZ(用常见的6-12V小型直流减速电动机，耗电和体积很小，但扭矩大且转速慢)固定在集热储水箱外壳14上，丝杠18的一端与直流电动机DZ的转轴用连轴件连接(横向可稍微活动式连接，以适应丝杠18的另一端可轻微左右活动)，丝杠18的另一端插入带螺母19(它与丝杠18上的螺纹配套宽松转动式咬合)的带水平活动空腔的牵引件20，螺母19可在其中水平活动但纵向出不来。螺母19为长方形的，它在牵引件20内只能平动不能转动，丝杠18转而配套螺母19不转，可使牵引螺母19沿着丝杠18转轴方向平动。牵引件20固定在保温门9上，开度限位组件16等部件安装与前述相同。直流电动机DZ正转时丝杆18带动螺母19和牵引件20来驱动保温门9关闭；直流电动机DZ反转时保温门9则打开。本发明把除直流电动机DZ之外的与开关保温门9相关的构件总称开关门组件。
在图5中，两个发光二极管D5、D6反向并联后与电阻R2串联，然后再与电阻R1并联构成开关门到位显示电路。继电器线圈J与电阻R3并联后与开关门到位显示电路以及直流电动机DZ和继电器常通触点开关KJ串联，该电路最后并联在双刀双掷换向开关KD的两侧接点上，其余部分电路与前述相同。该电路原理：将双刀双掷换向开关KD打在G位，按下常断按钮开关KO，电流流过直流电动机DZ使其正转而关闭保温门9。其关闭到位后导致直流电动机DZ阻力大而使电流远超过额定值，继电器线圈J上的电流也大增而使继电器吸合，与此同时，发光二极管D5上的电压也因此而上升，导致其导通而发光。此时，常通触点开关KJ断开，导致直流电动机DZ断电而停转。停转后马上因断电而使常通触点开关KJ自动接通，重复上述过程，如此反复下去，使发光二极管D5亮灭交替，提示用户已经关严了保温门9，应该松开常断按钮开关KO。可见，发光二极管D5为关门到位显示灯；如果将双刀双掷换向开关KD打在K位，按下常断按钮开关KO，将类似于上述过程，不过此情况下为直流电动机DZ反转和保温门9打开到位后的发光二极管D6(开门到位显示灯)亮灭交替。电阻R2为限流电阻，电阻R1为开关门到位发光取样电阻，增加电阻R1可降低两个发光二极管D5、D6的发光下限。电阻R3为继电器动作电流取样电阻，其电阻值越大，总起控电流越小。在直流电源输出端(电容C1两端)还可再加个公知技术的串联稳压电路给后续电路供电，这样可使直流电动机开关门电路工作更精确和稳定。因为图5的整个电路耗电很小，且短时间通电，该电路的220V电源可来自市电或温差自发电均可。
本发明的总体工作过程如下：太阳能热水器的内胆2中的水因吸收集热管6的热量而升温，导致温差发电材料1的内表面温度升高。插上220V电源插头，按上述操作在室内通过电开关操纵打开室外的太阳能热水器的保温门9，而温差发电材料1外表面与散热片3良好热接触而散热，使外表面温度降低，这样就在温差发电材料1的内外表面产生了较高的温差而发电，发出的电能送到室内的存储输出电路4，可同时给其内的可充电电池E充电并通过逆变器5等的电源输出端子给各种家用电器供电。由于在白天内胆2中的水吸收集热管6的热量充足且是源源不断的，供电能力强，可连续供电。当某一天需要洗浴，可提前半天左右关闭保温门9(阳光充足的夏春秋季节也可不关闭，温差发电和洗浴两不误)，此时不散热，相当于普通太阳能热水器，不发电(但仍可由可充电电池E维持对外供电)供洗浴用。这样，就使得太阳能热水器的大部分时间用于温差发电，充分地利用了太阳能热水器吸收的太阳能。
本发明实施例的各元器件参考值：可充电电池E采用额定电压12V、18V的蓄电池，容量要尽可能高。太阳能热水器可用市面上常见的各类真空管采热式的基础上改装，内胆2要用铝的或不锈钢的。温差发电材料1可用市面上普通的长宽各为4厘米的半导体制冷片25片以上再相互正串联组成，其总输出电压要与可充电电池E匹配。各处的保温材料用厚度2-5厘米左右的聚氨酯发泡塑料(各个温差发电材料1之间的间隙处用与温差发电材料1厚度相同的)。散热片3用铝材制作，最好其外侧带普通电子元件上用的散热器那种竖向的散热条。
电阻R1、R3要用功率足够的可调线绕电阻或固定电阻，其阻值要根据选用的直流电动机DZ和继电器的规格经试验选定。电阻R2、R4用阻值360欧姆的小碳膜电阻。发光二极管D5、D6、、D8用发光电压1.7-2V的(开关门到位显示电路分得的电压在3V左右为宜)。二极管D1、D2、D3、D4全用1N4007。二极管D用耐压20V以上、额定电流3A以上的锗材料的二极管。稳压二极管D7用稳压值9-12V的。继电器线圈J、直流电动机DZ电压规格的选用要与开关门到位显示电路串联后的总电压和直流电源提供的电压吻合。变压器BY用5W左右的单绕组输出的小功率变压器，初级绕组额定电压220V，次级绕组输出电压要与后续电路需求吻合。滤波电容C1为220微法。双刀双掷换向开关KD可用额定电流大于1A的普通小钮子开关连接而成。常断按钮开关KO用额定电流大于0.5A的小按钮开关。数字温度表18可用市场上常见的小型液晶显示、传感器与表头分离的那种。
本发明把由电磁铁7或直流电动机DZ控制的部件以及开度限位组件16等相关部件构成的开关保温门9的机构都称为自动开关机构，还把自动开关机构中除室外侧部件的所有部分都称自动开关机构的控制电路。
本发明的第三个实施例是去掉保温门9和相关的机械部件和电路，但要保留各个温差发电材料1之间的间隙以及裸露的内胆区域上安装的保温材料(如果整个内胆2的裸露面装满温差发电材料1并且安装的很紧密，也可去掉该面的所有保温材料)。其优点是结构大为简化，但此情况下太阳能热水器的保温能力有所下降，洗浴时热水的温度有所下降，但不会降低温差发电效果，也不会影响阳光充足的当天洗浴的。为了防止阳光照射到散热片3上而降低温差发电材料1内外表面的温差，此情况下最好在散热片3附近(也可机械脱离本发明各部件安装)安装遮阳罩，但不能影响其散热，遮阳罩与散热片3的平行安装距离不能小于3厘米。
本发明图1中的各个部件全部安装在室外，图2中的存储输出电路4和数字温度表18以及发光二极管D8、电阻R4、稳压二极管D7串联构成的电压显示电路、各个输出端子、图3或图5的绝大部分(电磁铁7或直流电动机DZ仍在室外)全安装在室内。也可把室内安装的各个部分装在一个铁壳内，各个开关、显示部件安装在铁壳的面板上，此情况下还要仿照图5在图3的变压器BY的初级绕组串联一个常断按钮开关。如果要缩小铁壳体积，也可把可充电电池E单独安装在另一个壳体内，将其置于室内或室外均可。
本发明不限于上述实施例，还可推广到集体供热水的大型太阳能热水器系统。内胆2的其他部位也可安装温差发电材料以及相应部件。也可将内胆2制成纵切面为正方形的正方长筒子形状，这种情况下增加温差发电区域和安装保温门9更方便。保温门9也可设置成其它方式的开关门机构，比如用不带合页的直流电动机驱动的平行运动保温门来开关门的机械结构。散热片3也可去掉，但此时由于温差发电材料1散热不良使温差发电能力降低，此时是靠着空气自然对流使温差发电材料1外表面散热的。本发明把温差发电材料裸露外表面的流动空气或散热片都称为散热物体。防止可充电电池E向温差发电材料1反向放电的二极管D也可用其他电路代替。温差发电数字温度表18和传感器17也可去掉。存储输出电路4也可用其他类型的电路结构代替，比如给可充电电池E再增加公知的太阳能给蓄电池充电用的充电控制器电路。也可在各个相关电路增加电子控制或单片机智能控制的电路等等。但上述这些变化都没有偏离本发明的实质和权利要求范围。
Claims (8)
1.一种温差发电太阳能热水器，包含太阳能热水器，其特征是集热储水箱的内胆与温差发电材料的内表面热接触，温差发电材料的外表面与散热物体热接触，触温差发电材料与二极管串联后与存储输出电路的输入端并联，存储输出电路的输出端与输出端子相连。
2.按权利要求1所述的温差发电太阳能热水器，其特征是存储输出电路由可充电电池与逆变器输入端和开关串联的电路并联组成，逆变器的输出端子与220V电源插座相连并安装在室内。
3.按权利要求1所述的温差发电太阳能热水器，其特征是集热储水箱的带有温差发电材料的侧面安装了保温门，保温门上带有门保温层和自动开关机构，自动开关机构的控制电路安装在室内。
4.按权利要求3所述的温差发电太阳能热水器，其特征是自动开关机构由固定在集热储水箱外壳上的电磁铁和固定在保温门相吻合位置的恒磁体和弹簧以及开度限位组件组成，电磁铁的线圈与双刀双掷换向开关两侧接点并联，双刀双掷换向开关的中心接点与直流电源并联。
5.按权利要求3所述的温差发电太阳能热水器，其特征是自动开关机构由固定在集热储水箱外壳和保温门上的直流电动机和开关门组件构成，直流电动机与继电器线圈和电阻以及继电器常通触点开关串联后再与双刀双掷换向开关两侧接点并联，发光二极管与电阻串联后与另一电阻并联，继电器线圈与电阻并联，双刀双掷换向开关的中心接点与直流电源并联。
6.按权利要求1所述的温差发电太阳能热水器，其特征是散热物体为散热片，内胆的裸露区域安装保温材料。
7.按权利要求1所述的温差发电太阳能热水器，其特征是集热储水箱内带有温度传感器，温度传感器通过导线与置于室内的数字温度表并联。
8.按权利要求1所述的温差发电太阳能热水器，其特征是存储输出电路的输入端与电压显示电路并联。
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