CN102401478B

CN102401478B - 一种基于太阳能和风能的太阳能热水器余水管补热系统

Info

Publication number: CN102401478B
Application number: CN201110298281.XA
Authority: CN
Inventors: 罗小林; 陈华山; 罗雅楠; 邓艳
Original assignee: Kunming University of Science and Technology
Current assignee: Kunming University of Science and Technology
Priority date: 2011-10-08
Filing date: 2011-10-08
Publication date: 2015-08-26
Anticipated expiration: 2031-10-08
Also published as: CN102401478A

Abstract

本发明涉及一种基于太阳能和风能的热水器余水管补热系统，属太阳能供热技术领域。包括风能与太阳能混合供电系统，保温余水管及装于其上端的热水闸阀，通过三通装于余水管与各分户热水管之间的分户球阀，以及装于保温余水管上的分户闸阀和分户法兰式电加热器；保温余水管的上端经总闸阀与楼顶储热水箱的出水口相连，各分户法兰式电加热器装于各分户三通下面的保温余水管上，闸阀装于各分户三通与法兰式电加热器之间的保温余水管上，风能与太阳能混合供电系统的输出端与各分户法兰式电加热器相连。通过风力和太阳能发电，为法兰式电加热器提供电能，加热余水管中的冷水。具有节水、节能、可增加热水供给量和增强太阳能供热系统气候适应性等优点。

Description

一种基于太阳能和风能的太阳能热水器余水管补热系统

技术领域

本发明涉及太阳能热水器余水管加热系统，特别是一种基于太阳能和风能的热水器余水管补热系统，属于太阳能供热技术领域。

背景技术

目前市面上对于太阳能热水器余水管更多只是对余水管进行各种保温隔热措施，以减少余水管的热量损失。但对余水管进行加热还很少，几乎是空白。目前，高层建筑在城市建设发展中的比例日益增大，楼顶的储热水箱出水口到用户之间的余水管长达几十甚至上百米，每当用户使用热水时，总要放走余水管中大量的冷水，造成水资源的大量浪费，给用户带来了非常多的麻烦和不便，也给用户带来了一定的经济损失。另外，特别是在北方寒冷地区，冬天太阳能热水器户外管线常常会被冻结。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于太阳能和风能的热水器余水管补热系统，使其投资少，安装维护方便，节能节水。

本发明的技术方案是：包括风能与太阳能混合供电系统，保温余水管6及装于其上端的热水闸阀5，通过三通装于保温余水管6与各分户热水管之间的分户球阀9，以及装于保温余水管6上的分户闸阀7和分户法兰式电加热器8；保温余水管6的上端经热水闸阀5与楼顶储热水箱3的出水口相连，各分户法兰式电加热器8装于各分户三通下面的保温余水管6上，闸阀7装于各分户三通与法兰式电加热器8之间的保温余水管6上，风能与太阳能混合供电系统的输出端与各分户法兰式电加热器8相连。

所述保温余水管6是由表面包裹有聚氨酯硬质泡沫保温层11和高密度聚乙烯外套管10的钢管13，聚氨酯硬质泡沫保温层11内设置有用于检测管道渗漏位置的检测线12（检测管道渗漏时使用）。法兰式电加热器8由法兰盘、以及焊于法兰盘上端面的多支电加热管组14和装于法兰盘下端面的接线盒组成，法兰式电加热器8通过法兰盘和余水管6外侧面上的法兰与保温余水管6固定连接（由法兰衬垫和螺栓，经法兰、从侧面与余水管固定连接），其加热管组14从侧面插入保温余水管6中；电加热器法兰上设置接地装置，保障使用的安全。

所述风能与太阳能混合供电系统包括太阳能电池列阵24、阻塞二极管23、风轮22、传动装置21、风力发电机20、变压器19、控制中心单元18、蓄电池组17、逆变器16和漏电断路器15；蓄电池组17 包括蓄电池Ⅰ36和蓄电池Ⅱ37，风轮22经传动装置21与风力发电机20的转轴相连，风力发电机20经变压器24与控制中心单元18输入端相连，太阳能电池列阵24经阻塞二极管23与控制中心单元18输入端相连，控制中心单元18输出端经蓄电池组17、逆变器16和漏电断路器15、与法兰式电加热器8相连。阻塞二极管23的工作电流大于太阳能列阵24的最大输出电流、反向耐压高于蓄电池组17的电压，以防止无光照时蓄电池组17通过太阳能电池列阵24放电。

所述控制中心单元18由单片机25，太阳能电池电压传感器26，风力发电机电压传感器27，蓄电池电压传感器Ⅰ28，蓄电池电压传感器Ⅱ29，以及6个MOS晶体管K1～K6（30～35）组成；太阳能电池电压传感器26、风力发电机电压传感器27、蓄电池电压传感器Ⅰ28、蓄电池电压传感器Ⅱ29的输入端分别与太阳能电池列阵、风力发电机20和蓄电池Ⅰ36、蓄电池Ⅱ37并联，太阳能电池电压传感器26、风力发电机电压传感器27、蓄电池电压传感器Ⅰ28、蓄电池电压传感器Ⅱ29的输出端接单片机25的输入端；6个MOS晶体管K1～K6（30～35）的栅极分别接单片机25的输出端，MOS晶体管K1、K2的源极分别接太阳能发电系统的阻塞二极管23、风能发电系统的变压器19，MOS晶体管K3、K4的源极均接蓄电池Ⅰ36的正极，MOS晶体管K5、K6的源极均接蓄电池Ⅱ37的正极，MOS晶体管K3、K4的漏极并联连接蓄电池Ⅰ36，MOS晶体管K5、K6的漏极并联连接蓄电池Ⅱ37，MOS晶体管K3、K5的漏极分别经过蓄电池Ⅰ36、蓄电池Ⅱ37与MOS晶体管K1、K2的漏极并联后与蓄电池负极一并输出再接逆变器16的输入端。风能与太阳能混合供电系统和蓄电池Ⅰ36、蓄电池Ⅱ37的供电与充电，由控制中心单元18的6个MOS晶体管（K1～K6）30、31、32、33、34、35的导通和关断直接进行控制。

本发明各设备和元器件均采用普通市售产品，单片机25可选用PIC16F877A型单片机，风力发电机20可采用功率为5KW～10KW的普通小型直流风力发电机，蓄电池组17可采用额定电压为4V～24V的铅酸蓄电池，法兰式电加热器8使用普通电加热管。实施本发明时，风轮、风力发电机和太阳能电池方阵安置在高层建筑屋顶，控制中心单元可安置在室内或屋顶避雨处，保温余水管6可采用钢管与聚氨酯硬质泡沫和高密度聚乙烯材料进行预制。

本发明工作时，风轮22旋转产生的能量通过传动装置21到达风力发电机20，风力发电机20的输出经变压器19与控制中心单元18连接，太阳能电池方阵24经阻塞二极管23与控制中心单元18连接。控制中心单元18通过太阳能电池电压传感器26和风力发电机电压传感器27，对太阳能电池列阵和风力发电机20的输出电压进行检测；通过蓄电池电压传感器Ⅰ28和蓄电池电压传感器Ⅱ29，对充电电池容量进行监测；通过MOS晶体管K1～K6，对蓄电池Ⅰ36和蓄电池Ⅱ37的充电和供电状态进行切换。控制中心单元18对电池采用冗余模式，当一块电池充电时，另一块电池处于供电状态。当单片机25由电压传感器检测电路检测到太阳能电池列阵24输出功率大于风力发电机20输出功率、蓄电池Ⅰ36电压低于蓄电池Ⅱ37电压时，K1、K3和K6导通，K2、K4和K5关断，蓄电池Ⅰ36太阳能充电，蓄电池Ⅱ37向负载法兰式电加热器8供电；当单片机25由电压传感器检测电路检测到太阳能电池方阵24输出功率小于风力发电机20输出功率，蓄电池Ⅰ36电压高于蓄电池Ⅱ37电压时，K1、K3和K6关断，K2、K4和K5导通，蓄电池Ⅰ36向负载供电，蓄电池Ⅱ37风能充电，以此类推。法兰式电加热器8安装在余水管与每个用户热水进水管之间的三通接管下面，三通接管与电加热器间设置有闸阀，便于维护检修。

本发明利用太阳能和风能发电来对太阳能热水器余水管进行补热，不仅可使得用户用热水时不需放掉余水管中残存的冷水而节水，而且可对带余热的余水更快加热到所需温度而节能，采用分户法兰式电加热器加热可使加热更充分，能保证整个余水管道的水温度均匀。在北方寒冷地区的冬天，余水管补热还可防止太阳能热水器户外余水管线被冷冻。具有节水、节能、可增加热水供给量和增强太阳能供热系统气候适应性等优点。

附图说明

图1为本发明余水管补热系统示意图；

图2为本发明保温余水管结构示意图；

图3为本发明太阳能与风能混合供电加热系统示意图；

图4为本发明控制中心单元电路示意图；

图5为本发明蓄电池组充电与供电控制电路图。

图中各标号依次表示：1、避雷针，2、排气口，3、储热水箱，4、接地装置，5、热水闸阀，6、保温余水管，7、闸阀，8、法兰式电加热器，9、热水球阀，10、聚乙烯外套管，11、聚氨酯硬质泡沫保温层，12、报警线，13、钢管，14、电加热器加热管，15、漏电断路器，16、逆变器，17、蓄电池组，18、控制中心单元，19、变压器，20、风力发电机，21、传动装置，22、风轮，23、阻塞二极管，24、太阳能电池方阵，25、单片机，26、太阳能电池电压传感器，27、风力发电机电压传感器，28、蓄电池电压传感器Ⅰ，29、蓄电池电压传感器Ⅱ，30、MOS晶体管K1，31、MOS晶体管K2，32、MOS晶体管K3，33、MOS晶体管K4，34、MOS晶体管K5，35、MOS晶体管K6，36、蓄电池Ⅰ，37、蓄电池Ⅱ。

具体实施方式

以下结合附图和实施例，对本发明作进一步阐述，但本发明的保护范围不限于所述内容。

实施例1：参见图1，本基于太阳能和风能的热水器余水管补热系统，包括风能与太阳能混合供电系统，保温余水管6及装于其上端的热水闸阀5，通过三通装于保温余水管6与各分户热水管之间的分户球阀9，以及装于保温余水管6上的分户闸阀7和分户法兰式电加热器8。保温余水管6的上端经热水闸阀5与楼顶储热水箱3的出水口相连，各分户法兰式电加热器8装于各分户三通下面的保温余水管6上，闸阀7装于各分户三通与法兰式电加热器8之间的保温余水管6上，风能与太阳能混合供电系统的输出端与各分户法兰式电加热器8相连。

参见图2，保温余水管6是由表面包裹有聚氨酯硬质泡沫保温层11和高密度聚乙烯外套管10的钢管13，聚氨酯硬质泡沫保温层11内设置有用于检测管道渗漏位置的检测线12。在安装保温余水管6前，先用钢管和聚氨酯硬质泡沫保温及高密度聚乙烯材料，预制保温余水管，然后进行安装。

参见图3，法兰式电加热器8由法兰盘、以及焊于法兰盘上端面的3支额定电压24V的电加热管组14和装于法兰盘下端面的接线盒组成，法兰式电加热器8通过法兰盘和余水管6侧面上的法兰与保温余水管6固定连接（通过法兰衬垫和螺栓，经法兰、从管体侧面安装于余水管6上，呈“L”型），其加热管组14从侧面插入保温余水管6中。法兰式电加热器的法兰上设置接地装置，保障使用的安全。

参见图3，风能与太阳能混合供电系统包括太阳能电池列阵24、阻塞二极管23、风轮22、传动装置21、风力发电机20、变压器19、控制中心单元18、24V铅酸蓄电池组17、逆变器16和漏电断路器15。蓄电池组17 包括蓄电池Ⅰ36和蓄电池Ⅱ37，风轮22经传动装置21与风力发电机20的转轴相连，风力发电机20经变压器24与控制中心单元18输入端相连，太阳能电池列阵24经阻塞二极管23与控制中心单元18输入端相连，控制中心单元18输出端经蓄电池组17、逆变器16和漏电断路器15、与法兰式电加热器8相连。阻塞二极管23的工作电流大于太阳能列阵24的最大输出电流、反向耐压高于蓄电池组17的电压。风力发电机20采用功率为5KW的小型直流风力发电机，风轮叶片要做好防雷接地保护。

参见图4、5，控制中心单元18由PIC16F877A型单片机25，太阳能电池电压传感器26，风力发电机电压传感器27，蓄电池电压传感器Ⅰ28，蓄电池电压传感器Ⅱ29，以及6个MOS晶体管K1～K6（30～35）组成；太阳能电池电压传感器26、风力发电机电压传感器27、蓄电池电压传感器Ⅰ28、蓄电池电压传感器Ⅱ29的输入端分别与太阳能电池列阵24、风力发电机20和蓄电池Ⅰ36、蓄电池Ⅱ37并联，太阳能电池电压传感器26、风力发电机电压传感器27、蓄电池电压传感器Ⅰ28、蓄电池电压传感器Ⅱ29的输出端接单片机25的输入端；6个MOS晶体管K1～K6（30～35）的栅极分别接单片机25的输出端，MOS晶体管K1、K2的源极分别接太阳能发电系统的阻塞二极管23、风能发电系统的变压器19，MOS晶体管K3、K4的源极均接蓄电池Ⅰ36的正极，MOS晶体管K5、K6的源极均接蓄电池Ⅱ37的正极，MOS晶体管K3、K4的漏极并联连接蓄电池Ⅰ36，MOS晶体管K5、K6的漏极并联连接蓄电池Ⅱ37，MOS晶体管K3、K5的漏极分别经过蓄电池Ⅰ36、蓄电池Ⅱ37与MOS晶体管K1、K2的漏极并联后与蓄电池负极一并输出再接逆变器16的输入端。风能与太阳能混合供电系统和蓄电池Ⅰ36、蓄电池Ⅱ37的供电与充电，由控制中心单元18的6个MOS晶体管K1～K6（30～35）的导通和关断直接进行控制。

本系统用于昆明地区的25层建筑，每单元50户太阳能热水用户，使用余水管的内径为50mm。在屋顶安置风力发电机和太阳能电池方阵24，太阳能电池方阵离地面一定高度安装，以免冬天积雪掩埋。储热水箱3装在各单元的电梯井上，在储热水箱3上装有避雷针1，下面接有保护接地装置4，余水管6安装在专门的管道井中，安全隐蔽、又便于维护和检修。储热水箱3通过余水管6、50个闸阀5及余水管6上的50个三通接管，由各分户球阀9将热水输送到本单元各用户家中。每个单元余水管6上设置有50个法兰式电加热器8，各电加热器8分别安装在余水管6与每个用户热水进水管之间的三通接管下面，三通接管与电加热器8间设置有闸阀7，闸阀7安装在电加热器8的多支管状电加热元件的上方，便于维护检修。

本系统余水管中水的体积V=余水管的管内截面积（S）×楼层的高度（H），每层楼按3米计算，计算得体积V=0.147吨，昆明水价4.5元一吨，假设每天只放走一个余水管体积的水，那么这样一年至少可节省水费241.4元。

实施例2：参见图1、2、3，本基于太阳能和风能的热水器余水管补热系统的构成部分及连接关系与实施例1相同。系统用于40层建筑，每单元80户太阳能热水用户，使用余水管的内径为100mm。每个单元余水管6上设置有80个法兰式电加热器8、80个闸阀7，分别使用80个三通和分户球阀9。法兰式电加热器8的法兰盘上端面焊有6支额定电压12V的电加热管组14，铅酸蓄电池组17的电压为12V，风力发电机20采用功率为10KW的小型直流风力发电机。

实施例3：参见图1、2、3，本基于太阳能和风能的热水器余水管补热系统的构成部分及连接关系与实施例1相同。系统用于15层建筑，每单元30户太阳能热水用户，使用余水管的内径为30mm。每个单元余水管6上设置有30个法兰式电加热器8、30个闸阀7，分别使用30个三通和分户球阀9。法兰式电加热器8的法兰盘上端面焊有5支额定电压4V的电加热管组14，铅酸蓄电池组17的电压为4V，风力发电机20采用功率为8KW的小型直流风力发电机。

Claims

1.一种基于太阳能和风能的热水器余水管补热系统，其特征是：包括风能与太阳能混合供电系统，保温余水管（6）及装于其上端的热水闸阀（5），通过三通装于保温余水管（6）与各分户热水管之间的分户球阀（9），以及装于保温余水管（6）上的闸阀（7）和分户法兰式电加热器（8）；保温余水管（6）的上端经热水闸阀（5）与楼顶储热水箱（3）的出水口相连，各分户法兰式电加热器（8）装于各分户三通下面的保温余水管（6）上，闸阀（7）装于各分户三通与法兰式电加热器（8）之间，风能与太阳能混合供电系统的输出端与各分户法兰式电加热器（8）相连，法兰式电加热器（8）由法兰盘、以及焊于法兰盘上端面的多支电加热管组（14）和装于法兰盘下端面的接线盒组成。

2.根据权利要求1所述的基于太阳能和风能的热水器余水管补热系统，其特征是：保温余水管（6）是由表面包裹有聚氨酯硬质泡沫保温层（11）和高密度聚乙烯外套管（10）的钢管（13），聚氨酯硬质泡沫保温层（11）内设置有用于检测管道渗漏位置的检测线（12）。

3.根据权利要求1所述的基于太阳能和风能的热水器余水管补热系统，其特征是：法兰式电加热器（8）通过法兰盘和余水管外侧的法兰与保温余水管（6）固定连接，其加热管组（14）插入保温余水管（6）中。

4.根据权利要求1、2或3所述的基于太阳能和风能的热水器余水管补热系统，其特征是：风能与太阳能混合供电系统包括太阳能电池列阵（24）、阻塞二极管（23）、风轮（22）、传动装置（21）、风力发电机（20）、变压器（19）、控制中心单元（18）、蓄电池组（17）、逆变器（16）和漏电断路器（15）；蓄电池组（17）包括蓄电池Ⅰ（36）和蓄电池Ⅱ（37），风轮（22）经传动装置（21）与风力发电机（20）的转轴相连，风力发电机（20）经变压器（24）与控制中心单元（18）输入端相连，太阳能电池列阵（24）经阻塞二极管（23）与控制中心单元（18）输入端相连，控制中心单元（18）输出端经蓄电池组（17）、逆变器（16）和漏电断路器（15）、与法兰式电加热器（8）相连。

5.根据权利要求4所述的基于太阳能和风能的热水器余水管补热系统，其特征是：阻塞二极管（23）的工作电流大于太阳能电池列阵（24）的最大输出电流，反向耐压高于蓄电池组（17）的输出电压。

6.根据权利要求4所述的基于太阳能和风能的热水器余水管补热系统，其特征是：控制中心单元（18）由单片机（25），太阳能电池电压传感器（26），风力发电机电压传感器（27），蓄电池电压传感器Ⅰ（28），蓄电池电压传感器Ⅱ（29），以及6个MOS晶体管K1～K6（30～35）组成；太阳能电池电压传感器（26）、风力发电机电压传感器（27）、蓄电池电压传感器Ⅰ（28）、蓄电池电压传感器Ⅱ（29）的输入端分别与太阳能电池列阵、风力发电机（20）和蓄电池Ⅰ（36）、蓄电池Ⅱ（37）并联，太阳能电池电压传感器（26）、风力发电机电压传感器（27）、蓄电池电压传感器Ⅰ（28）、蓄电池电压传感器Ⅱ（29）的输出端接单片机（25）的输入端；6个MOS晶体管K1～K6（30～35）的栅极分别接单片机（25）的输出端，MOS晶体管K1、K2的源极分别接太阳能发电系统的阻塞二极管（23）、风能发电系统的变压器（19），MOS晶体管K3、K4的源极均接蓄电池Ⅰ（36）的正极，MOS晶体管K5、K6的源极均接蓄电池Ⅱ（37）的正极，MOS晶体管K3、K4的漏极并联连接蓄电池Ⅰ（36），MOS晶体管K5、K6的漏极并联连接蓄电池Ⅱ（37），MOS晶体管K3、K5的漏极分别经过蓄电池Ⅰ（36）、蓄电池Ⅱ（37）与MOS晶体管K1、K2的漏极并联后与蓄电池负极一并输出再接逆变器（16）的输入端。

7.根据权利要求6所述的基于太阳能和风能的热水器余水管补热系统，其特征是：风能与太阳能混合供电系统和蓄电池Ⅰ（36）、蓄电池Ⅱ（37）的供电与充电，由控制中心单元（18）的6个MOS晶体管K1～K6（30～35）的导通和关断直接进行控制。