CN102734928B - 新型太阳能热水器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种新的太阳能热水器，属于太阳能利用技术和热水器技术领域。该太阳能热水器具有太阳能光伏电池组、超级电容器组、空气能热泵系统、电源适配器、储存热水的保温罐，以及控制该太阳能热水器运行的控制器。太阳能光伏电池把太阳能转换成电能；超级电容器将电能储存起来并驱动热泵电机制热；控制器根据设定的水温和超级电容器充电电压的上下限值，适时地启动或停止热泵；并且可以接通或断开太阳能光伏电池，控制器还可以人工切换到使用市电制热的模式；电源适配器用于将电能转换成合适热泵电机工作的电流。本发明实际应用后既节能环保，又方便安装和维护，特别适合住楼房(非顶层)的住户。

Description

新型太阳能热水器

技术领域

本发明涉及一种新型节能环保，又方便安装和维护的太阳能热水器，属于太阳能利用技术领域。

背景技术

应用各种太阳能集热器的太阳能热水器和空气能热水器各具特点，都已经普遍应用。为了能取长补短，在保证使用需求的前提下，达到尽量节能的目的，将太阳能与空气能二者相结合的专利技术已经有所发表。但在这些技术中，空气能热泵系统仅能取代普通太阳能热水器中附加的电热器，在太阳能不足时或无太阳能可利用时作为一种补充热源来使用。系统的复杂化没有带来提高太阳能转化效率的好处。

另外，一般太阳能热水器还有体积庞大，自重沉重，不便灵活安装等问题，因此往往只能安装在房顶。对于非顶层住户来说，除了管道冗长，维护困难，用水不便的问题以外，更存在以下问题：一方面是没有足够的房顶空间供安装；另一方面是安装时有可能破坏房顶结构造成漏水而遭到顶层住户的反对。

用太阳能光伏发电技术和空气能热泵技术相结合是一种新思路。在常温的情况下，空气能热泵在相同电力输入的情况下比电热器可以多得到2倍以上的热量，正好弥补太阳能电池光电转换效率较低的缺点。按照目前太阳能光伏发电技术光电转换效率可以达到18%，联合空气能热泵技术可有望得到54%以上的热量；而且太阳能电池比较轻便，易于灵活安装，可以安装在房顶、阳台、外墙、地面等处，甚至可以以遮阳挡雨棚或建筑外装饰的形式安装，使用寿命长，平时只需清扫受光表面，没有难于维护的管道，无需煞费苦心地保温防冻。寒冷的天气并不能影响太阳能光伏电池组发电，只会使空气能热泵系统的制热效率有所降低。但太阳能电池也有以下缺点：太阳能转换效率较低，供电很不稳定不能直接驱动用电器。通常太阳能电池是与蓄电池配合来储存电能驱动用电器。但受目前蓄电池技术所限，蓄电池寿命太短（多数只有几百次充电循环）、充电效率低、充电时间长等缺点，又会带来环保、经济、效能等方面的多种问题。因此用太阳能光伏发电技术和空气能热泵技术相结合的例子尚未见报道。

发明内容

本发明的目的在于：提出一种新型太阳能热水器，解决上述技术难题，达到方便安装维护，提高效率，实现在保证使用需求的前提下更加节能的目的。

本发明采用以下技术方案来实现：

新型太阳能热水器包括一套太阳能光伏电池组、一套超级电容器组、一套空气能热泵系统、电源适配器、储存热水的保温罐，以及控制该太阳能热水器运行的控制器。所述太阳能光伏电池组的输出端串联有防止电流回流的二极管。所述太阳能光伏电池组通过导线和所述控制器控制的A开关组件与所述超级电容器组连接，组成充电回路。所述超级电容器组通过导线和所述控制器控制的B开关组件与所述空气能热泵系统连接，与所述太阳能光伏电池组一起组成太阳能驱动回路。所述空气能热泵系统包括一个压缩机和驱动压缩机的电动机、一个水箱热交换器、一个节流阀、一个蒸发器，所述压缩机、水箱热交换器、节流阀、蒸发器通过管路连接成一闭合回路内设有制冷剂。利用超级电容器的快速、大电流充放电的特性和长寿命的特点（充放电循环次数＞1万），把太阳能光伏电池组产生的电能由超级电容器组储存起来并用储存的电能驱动空气能热泵系统制热，利用空气能热泵系统的节电性能提高太阳能转换效率。通过热交换得到的热水储存在所述保温罐中。

所述空气能热泵系统还可以通过所述控制器控制的C开关组件与市电连接成市电驱动回路。当有需要时，以人工方式切换到使用市电驱动所述空气能热泵系统制热的模式。

所述驱动压缩机的电动机和所述蒸发器配套的风机电动机适用于同一种供电电源。也就是说它们都是直流电动机或者都是交流电动机，而且它们的工作电压范围都相同。

应用所述电源适配器可以使所述空气能热泵系统分别在太阳能（直流）供电和市电（交流）供电时都正常工作。当所述空气能热泵系统采用直流电动机时应选用交流输入直流输出的电源适配器，所述电源适配器通过所述C开关组件，输出端与所述空气能热泵系统连接，输入端与市电连接；当所述空气能热泵系统采用交流电动机时应选用直流输入交流输出的电源适配器，所述电源适配器通过所述B开关组件，输出端与所述空气能热泵系统连接，输入端与所述超级电容器组连接。

所述B开关组件、C开关组件是常开开关，两个开关组件之间具有互锁电路，两个开关组件不能同时接通。

所述控制器包括：一微处理器控制系统、一控制面板、一显示器、一传感器系统，所述控制面板、显示器、传感器系统分别连接所述微处理器控制系统；所述传感器系统包括：设置在所述保温罐中的水温传感器、并联到所述超级电容器组的两端的电压传感器，所述水温传感器、电压传感器分别连接到所述微处理器控制系统；所述各开关组件的控制端分别连接到所述微处理器控制系统。

所述超级电容器组内部每个超级电容器都连接有防止过电压的保护电路。另外所述控制器能根据所述超级电容器组的充电电压是否超过最高值，来自动控制所述A开关组件，断开或接通充电回路，以防止超级电容器过电压损坏。

所述控制器能根据所述电压传感器所测得的充电电压的高低自动适时地控制所述B开关组件，接通或断开太阳能驱动回路。当电压达到设定的最高值时启动所述空气能热泵系统制热；当电压降到设定的最低值时停止。

本发明进一步完善的是：所述空气能热泵系统从停机到再启动需要一段“保护时间”以卸掉管路中的压力。当所述超级电容器组充电电压达到设定的最高电压而所述空气能热泵系统的“保护时间”还没到时，所述控制器暂时断开所述A开关组件，切断充电回路，以防止所述超级电容器组过电压损坏。当“保护时间”到达时，再接通所述空气能热泵系统制热，同时恢复所述太阳能光伏电池组的输出电路。

本发明进更一步完善的是：在使用市电驱动所述空气能热泵系统制热的模式时，当水温到达设定值后，所述控制器能断开所述C开关组件，自动回复到使用太阳能的模式。

本发明进更一步完善的是：所述电动机可选配调速部件，使所述电动机具有低速和高速运转的能力，其调速控制端连接到所述微处理器控制系统。当阳光强烈时，所述超级电容器组的充电电压上升，所述控制器能自动调高所述电动机的转速，以加快制热速度；当阳光减弱时，所述超级电容器组的充电电压下降，所述控制器能自动调低所述电动机的转速，以提高制热效率。

有益效果：由于采用上述技术方案，本发明利用太阳能和空气能联合制热，能大幅度地提升热能输出，即使在冬季、多云、阴天时也能获得较好的制热效果，具有明显的节能性。同时具有较好的可安装性和易维护性，能够促进太阳能热水器的普及，进而促进相关技术的发展。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步说明。

图1是本发明实施例一的示意图。图中：1——太阳能光伏电池组，3——超级电容器组，6——储存热水的保温罐 ，7——空气能热泵系统（图1所示该系统采用直流电动机驱动），8——电源适配器（交流输入直流输出）；

以下是受控制器控制的部件或者是与控制器连接的部件：2——A开关组件，4——电压传感器，5——B开关组件，9——C开关组件。

图2是本发明实施例二的示意图。图中：1——太阳能光伏电池组，3——超级电容器组，6——储存热水的保温罐，7——空气能热泵系统（图2所示该系统采用单相交流电动机驱动），8——电源适配器（直流输入交流输出）；

以下是受控制器控制的部件或者是与控制器连接的部件：2——A开关组件，4——电压传感器，5——B开关组件，9——C开关组件。

具体实施方式

为了具体说明本发明，下面结合图1进一步阐述本发明。

参照图1，新型太阳能热水器包括：太阳能光伏电池组1、超级电容器组3、储存热水的保温罐6、空气能热泵系统7（图1所示该系统采用直流电动机驱动）、电源适配器8（交流输入直流输出）。

太阳能光伏电池组1通过A开关组件2与超级电容器组3连接，构成一个充电回路。当有光照时太阳能光伏电池开始有输出，超级电容器充电，电压渐渐上升。当控制器通过电压传感器4测得超级电容器组3充电电压超过设定的最高值时，A开关组件2断开，充电停止。

超级电容器组3通过B开关组件5与空气能热泵系统中的直流电动机连接。构成一个驱动回路。当控制器通过电压传感器4测得超级电容器组3的电压达到设定的最高值时，B开关组件5接通，此时超级电容器组3放电，太阳能光伏电池组1的输出电流也参与驱动空气能热泵系统7制热。当超级电容器组3的电压降到设定的最低值时，B开关组件5断开，空气能热泵系统7停止工作，超级电容器组3又处于充电状态，电压再次上升。阳光较弱时，太阳能光伏电池组1输出电流减小，空气能热泵系统7就以上述方式间断工作。空气能热泵系统7中驱动压缩机的电动机是可调速电动机，具有在低速和高速时驱动压缩机制热的能力。当阳光强烈时，超级电容器组3的充电电压上升，控制器自动调高电动机的转速，空气能热泵系统7进入强力制热模式；当阳光减弱时，超级电容器组3的充电电压下降，控制器自动调低电动机的转速，空气能热泵系统7进入节能模式。

空气能热泵系统7通过控制器控制的C开关组件9与市电连接，中间有电源适配器8。当有需要时可以人工切换到使用市电驱动的模式。在市电驱动模式时，B开关组件5断开，C开关组件9闭合，市电通过电源适配器8转换成直流电流，驱动空气能热泵系统7制热。当控制器测得保温罐6内的水温到达设定值后，C开关组件9断开，自动回到使用太阳能的模式。

与图1相比，图2显示的实例二其基本原理与图1相同。图2不同的是：空气能热泵系统7采用单相交流电动机驱动，因此在市电驱动模式时不需要电源适配器，而在太阳能驱动模式时需要一个直流输入交流输出的电源适配器8。不过考虑到直流电动机的电特性较好，因此还是实例一的性能比较优良。

以上说明表述了本发明的基本原理和主要特征以及本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实例的限制，上述实例和说明书中的描述，只是说明本发明的原理。在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (6)

1.新型太阳能热水器包括太阳能光伏电池组、超级电容器组、空气能热泵系统、电源适配器、储存热水的保温罐，以及控制该太阳能热水器运行的控制器，其特征在于：所述太阳能光伏电池组通过导线和所述控制器控制的A开关组件与所述超级电容器组连接，组成充电回路；所述空气能热泵系统通过导线和所述控制器控制的B开关组件与所述超级电容器组连接，与所述太阳能光伏电池组一起，组成太阳能驱动回路；所述空气能热泵系统包括一个压缩机和驱动压缩机的电动机、一个水箱热交换器、一个节流阀、一个蒸发器，所述压缩机、水箱热交换器、节流阀、蒸发器通过管路连接成一闭合回路内设有制冷剂；在所述控制器的控制下，所述太阳能光伏电池组产生的电能由所述超级电容器组储存起来并用此电能来驱动所述空气能热泵系统制热，通过热交换得到的热水储存在所述保温罐中；

所述空气能热泵系统还通过所述控制器控制的C开关组件与市电连接成市电驱动回路，当有需要时，以人工方式切换到使用市电驱动制热的模式。

2.根据权利要求1所述新型太阳能热水器，其特征在于：所述驱动压缩机的电动机和所述蒸发器配套的风机电动机都是直流电动机或者都是交流电动机，而且它们的工作电压范围都相同，接入所述电源适配器使所述空气能热泵系统分别在太阳能供电和市电供电时都正常工作。

3.根据权利要求1或2所述新型太阳能热水器，其特征在于：所述控制器包括：一微处理器控制系统、一控制面板、一显示器、一传感器系统，所述控制面板、显示器、传感器系统分别连接所述微处理器控制系统；所述传感器系统包括：设置在所述保温罐中的水温传感器、并联到所述超级电容器组的两端的电压传感器，所述水温传感器、电压传感器分别连接到所述微处理器控制系统；所述A开关组件、B开关组件、C开关组件的控制端分别连接到所述微处理器控制系统。

4.根据权利要求3所述新型太阳能热水器，其特征在于：所述超级电容器组内部每个超级电容器都连接有防止过电压的保护电路。

5.根据权利要求4所述新型太阳能热水器，其特征在于：所述B开关组件、C开关组件是常开开关，两个开关组件之间具有互锁电路，两个开关组件不能同时接通。

6.根据权利要求5所述新型太阳能热水器，其特征在于：当所述空气能热泵系统处于使用市电驱动制热的模式且水温上升到设定值时，所述控制器能断开所述C开关组件并自动回复到使用太阳能驱动制热的模式。