CN105953447A - 具有温差发电功能的太阳能热水器系统和基于该系统的上水方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有温差发电功能的太阳能热水器系统和基于该系统的上水方法，其包括储水箱，储水箱内由上至下设置热水腔、隔板腔和冷水腔；隔板腔内间隔设置多个电连接的温差发电模块，隔板腔中引出有与温差发电模块电连接的电力引线；冷水腔与上水管连接，上水管与自来水系统连接，热水腔上连接主出水管，冷水腔和热水腔之间连接有中间管。基于上述系统，本发明提出了两种上水方法，两种上水方法通过间歇上水，在不影响热水器正常使用的前提下，能进一步提高系统的发电效果。本发明的系统通大幅提高了能源利用率并减少热能浪费，整个系统结构简单，实现方便，运行稳定可靠。本发明的上水方法进一步保证了发电效果，更高效的利用了能量。

Description

具有温差发电功能的太阳能热水器系统和基于该系统的上水方法

技术领域

本发明涉及太阳能应用领域，具体的说是一种具有温差发电功能的太阳能热水器系统和基于该系统的上水方法。

背景技术

太阳能热水器是目前应用最广泛的太阳能产品。太阳能热水器一般包括储水箱、太阳能集热器、进水管和出水管，进水管与自来水系统连接，利用进水管向储水箱内通入冷水，利用太阳能集热器将储水箱内的水加热，当需要使用热水时，通过出水管将热水引出，从而提供生活用热水。某些热水器进水和出水共用一根管路，进水和出水不能同时进行，其它原理与两根管路的热水器相同。

尽管太阳能热水器在清洁能源利用领域做出了突出的贡献，但是其在具体使用中仍存在不足之处；一天中人们真正使用热水的时间很少，对于其余的大部分时间，尽管人们并没有使用热水，但是热水器却一直在工作，当水温达到沸腾（或很高的温度）时，太阳能集热器收集到的太阳能热量被白白浪费；另外，在上水控制中，往往是直接将储水箱注满水，然后利用太阳能集热器对整箱水加热，达到一定温度时，由于水温过高，容易使得水转化成水蒸气从顶部的排气口或溢流口排出，从而造成水的浪费。对于水的浪费，会导致热水量减少或者需要重新开启上水阀加注，对于热量的浪费，目前没有措施解决。如果能将浪费的热量用于发电并储存到储能设备中供用户使用，这样不但能更有效利用太阳能，还能降低用户的用电量，是非常有应用前景的技术。

本发明是基于温差发电原理开发的，温差发电是基于热电材料的塞贝克效应发展起来的一种发电技术，将P型和N型两种不同类型的热电材料（P型是富余空穴材料，N型是富电子材料）的一端相连形成一个PN结并置于高温环境、另一端置入低温环境，则由于热激发作用，P（N）型材料高温端空穴（电子）浓度高于低温端，在这种浓度梯度的驱动下，空穴和电子就开始向低温端扩散，从而形成电动势，这样热电材料就完成了将高低温端间的温差直接转化成电能的过程。单独一个PN结模块产生的电动势很小，而如果将很多这样的温差发电模块串联起来，就可以得到足够高的电压，成为一个温差发电器。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种具有温差发电功能的太阳能热水器系统，该系统通过对热水器储水箱的结构进行改进，利用温差发电原理，将太阳能热水器的多余热量用于发电，从而大幅提高能源利用率，并减少热能浪费，整个系统结构简单，实现方便，运行稳定可靠。

为解决上述技术问题，本发明的具有温差发电功能的太阳能热水器系统包括太阳能热水器的储水箱，其结构特点是所述储水箱由靠近其下部的两块平行且间隔设置的隔板分隔为上部的热水腔、两隔板之间的隔板腔和下部的冷水腔；隔板由导热材料制成，隔板腔内间隔设置多个电连接的温差发电模块，温差发电模块的顶面和底面分别与两隔板的板面紧密贴合，隔板腔中引出有与温差发电模块电连接的电力引线，电力引线与电能存储装置电连接；冷水腔与上水管连接，上水管与自来水系统连接，热水腔上连接主出水管，冷水腔和热水腔之间连接有中间管。

上述结构中，将储水箱的底部专门隔出冷水腔，将储水箱的顶部隔出热水腔，冷水腔用于暂存自来水，太阳能集热器对热水腔内的水加热，两水腔的水路通过中间管连接，上水路径是：自来水-上水管-冷水腔-中间管-热水腔。冷、热水腔之间的隔板腔形成换热腔，将温差发电模块安装在隔板腔内且模块顶面和底面分别与冷、热水腔的腔壁贴合，从而利用两水腔的温差产生电动势，多个模块产生的电动势最终储存在蓄电池等电能存储装置中，从而供日常用电。可见，本发明通过十分简单的结构改造即实现了对太阳能热水器多余热量的利用，提高了能源利用率，避免了浪费。

所述上水管上安装有电控上水阀，储水箱上安装有用于感应冷水腔内水温的冷水温度传感器、用于感应热水腔内水温的热水温度传感器以及用于检测热水腔内水位的液位传感器，电控上水阀的控制端和各传感器的信号输出端均与一控制器电连接。上水阀采用电控阀，由控制器根据热水腔内的水位情况以及冷、热水腔的温度或温差情况，对上水进行灵活控制，结构简单，操控方便。

所述冷水腔中还引出有副出水管，副出水管上安装有电控副出水阀，主出水管上安装有电控主出水阀，两出水阀的控制端均与控制器电连接。由于冷水腔设置在热水腔底部，隔板腔以及温差发电模块会起到导热的作用，从而将冷水腔中的水加热，当冷水腔中水温达到一定程度时，可打开电控副出水阀而关闭电控主出水阀，从而能直接从冷水腔中引出热水使用，此时冷水腔内会再次注入温度较低的自来水，而热水腔内的水量和水温基本不变，从而能保证冷、热水腔的温度差，增强发电效果。

所述电控副出水阀为常闭式电磁阀，所述电控主出水阀为常开式电磁阀，两电磁阀由同一个线圈控制。利用电磁阀的常开和常闭触点对两个出水阀进行互锁控制，电路结构简单，操控方便。

所述主出水管和副出水管均连接到一混水阀的热水进口上，混水阀的冷水进口与自来水系统连接。利用混水阀将出水管的热水引出，其中，当导通主出水管时，热水温度较高，需要掺入较多的冷水，而当使用副出水管时，热水的温度相对不高，可仅使用热水或者掺入较少的冷水即可。

所述隔板腔中，在温差发电模块之间的间隙内填充隔热材料并形成隔热层。设置隔热层可避免温差发电模块之间因热量串扰而影响发电效果，同时，隔热层还用于隔离冷、热水腔之间的热量互换，避免热量直接从热水腔传向冷水腔，从而保证冷、热水腔的温差以及温差发电模块的发电效果。

所述中间管与热水腔的连接位置靠近热水腔的顶端部。中间管的作用是向热水腔注入冷水，将中间管与热水腔的接口位置抬高到顶部，从热水腔的上部注入冷水，该结构设置可避免中间管注入的冷水影响热水腔下部的水温，同时，接口位置可直接抬高到水面以上，避免热水腔内的热量向下传递，从而保证冷、热水腔的温差。

基于上述系统，本发明还提供了一种上水方法，该方法通过间断上水，保证了发电效果，提高了能源利用率，避免了热量浪费。

本发明的第一种基于具有温差发电功能的太阳能热水器系统的上水方法包括如下步骤：

步骤一）在热水腔内分别设置第一水位线和第二水位线，第一水位线低于第二水位线，对热水腔的水位进行实时监测；

步骤二）开始上水，直到热水腔内的水位到达第一水位线，关闭上水；

步骤三）检测冷水腔内的水温，当水温达到温度阈值T1时，重新开始上水，直到热水腔内的水位到达第二水位线，关闭上水，上水完成。

所述第二水位线为满水水位线，中间管与热水腔的接口位置高于第二水位线，主出水管与热水腔的接口位置低于第一水位线。

上述第一种方法中，在热水腔内设置两条水位线，先上水到低水位，有助于热水腔内水温的迅速升高，从而增大冷、热水腔的温差，使得温差发电模块第一时间进入发电状态，热水腔内的水量少，温度高，发电效果好。当检测到冷水腔内温度过高时，则继续上水，将冷水腔内的热水注入热水腔，冷水腔内重新注满温度较低的自来水，从而保证冷、热水腔的温差，进而保证发电效果。可见，本发明的方法是基于本发明太阳能热水器系统，通过间断上水，保证了发电效果，避免了热量浪费。

本发明的第二种基于具有温差发电功能的太阳能热水器系统的上水方法包括如下步骤：

步骤一）在热水腔内分别设置第一水位线和第二水位线，第一水位线低于第二水位线，对热水腔的水位进行实时监测；

步骤二）开始上水，直到热水腔内的水位到达第一水位线，关闭上水；

步骤三）检测冷水腔内的水温，检测热水腔内的水温，比较热水腔内的水温和冷水腔内的水温，当两者的温度差值小于T2时，重新开始上水，直到热水腔内的水位到达第二水位线，关闭上水，上水完成。

第二种方法与第一种方法的区别是步骤三）中重新上水的条件不同，第一种方法依据冷水腔的水温，第二中方法依据冷、热水腔的温度差，两种方式依据具体的使用环境以及热水器的规模型号，可灵活选用。

综上所述，本发明的系统通将太阳能热水器的多余热量用于发电，大幅提高了能源利用率并减少热能浪费，整个系统结构简单，实现方便，运行稳定可靠。本发明的两种上水方法进一步保证了发电效果，更高效的利用了能量。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明：

图1为本发明系统的结构示意图；

图2为本发明第一种方法的上水流程示意图；

图3为本发明第二种方法的上水流程示意图。

具体实施方式

参照附图，本发明的具有温差发电功能的太阳能热水器系统包括太阳能热水器的储水箱2，储水箱2由靠近其下部的两块平行且间隔设置的隔板1分隔为上部的热水腔21、两隔板1之间的隔板腔和下部的冷水腔22；隔板1由导热材料制成，隔板腔内间隔设置多个电连接的温差发电模块3，温差发电模块3的顶面和底面分别与两隔板1的板面紧密贴合，隔板腔中引出有与温差发电模块3电连接的电力引线4，电力引线4与电能存储装置5电连接；冷水腔22与上水管6连接，上水管6与自来水系统连接，热水腔21上连接主出水管7，冷水腔22和热水腔21之间连接有中间管8。其中，上水管6上安装有电控上水阀9，储水箱2上安装有用于感应冷水腔22内水温的冷水温度传感器10、用于感应热水腔21内水温的热水温度传感器11以及用于检测热水腔21内水位的液位传感器12，电控上水阀9的控制端和各传感器的信号输出端均与一控制器13电连接。上水阀采用电控阀，由控制器13根据热水腔21内的水位情况以及冷、热水腔的温度或温差情况，对上水进行灵活控制，结构简单，操控方便。

上述结构中，将储水箱2的底部专门隔出冷水腔22，将储水箱2的顶部隔出热水腔21，冷水腔22用于暂存自来水，太阳能集热器对热水腔21内的水加热，两水腔的水路通过中间管8连接，上水路径是：自来水-上水管6-冷水腔22-中间管8-热水腔21。冷、热水腔之间的隔板腔形成换热腔，将温差发电模块3安装在隔板腔内且模块顶面和底面分别与冷、热水腔的腔壁贴合，接触面可采用导热硅脂无缝接触，温差发电模块3利用两水腔的温差产生电动势，多个模块产生的电动势最终储存在蓄电池等电能存储装置中，从而供日常用电。电能存储装置一般为蓄电池，蓄电池的输出线路与用电器连接。本发明通过十分简单的结构改造即实现了对太阳能热水器多余热量的利用，提高了能源利用率，避免了浪费。

作为进一步的改进，冷水腔22中还引出有副出水管14，副出水管14上安装有电控副出水阀15，主出水管7上安装有电控主出水阀16，两出水阀的控制端均与控制器13电连接。由于冷水腔22设置在热水腔21底部，隔板腔以及温差发电模块3会起到导热的作用，从而将冷水腔22中的水加热，当冷水腔22中水温达到一定程度时，可打开电控副出水阀15而关闭电控主出水阀16，从而能直接从冷水腔22中引出热水使用，此时冷水腔22内会再次注入温度较低的自来水，而热水腔21内的水量和水温基本不变，从而能保证冷、热水腔的温度差，增强发电效果。电控副出水阀15为常闭式电磁阀，所述电控主出水阀16为常开式电磁阀，两电磁阀由同一个线圈控制。两个出水阀为互锁控制结构，即两个出水阀的其中一个打开，另一个需要关闭。本发明优选的利用电磁阀的常开和常闭触点对两个出水阀进行互锁控制，电路结构简单，操控方便。

参照附图，主出水管7和副出水管14均连接到一混水阀17的热水进口上，混水阀17的冷水进口与自来水系统连接。利用混水阀17将出水管的热水引出，其中，当导通主出水管7时，热水温度较高，需要掺入较多的冷水，而当使用副出水管14时，热水的温度相对不高，可仅使用热水或者掺入较少的冷水即可。

参照附图，隔板腔中，在温差发电模块3之间的间隙内填充隔热材料并形成隔热层18。设置隔热层18可避免温差发电模块3之间因热量串扰而影响发电效果，同时，隔热层18还用于隔离冷、热水腔之间的热量互换，避免热量直接从热水腔传向冷水腔，从而保证冷、热水腔的温差以及温差发电模块3的发电效果。

参照附图，中间管8与热水腔21的连接位置靠近热水腔21的顶端部。中间管8的作用是向热水腔21注入冷水，将中间管8与热水腔21的接口位置抬高到顶部，从热水腔21的上部注入冷水，该结构设置可避免中间管8注入的冷水影响热水腔21下部的水温，同时，接口位置可直接抬高到水面以上，避免热水腔21内的热量向下传递，从而保证冷、热水腔的温差。

基于上述系统，本发明提出了两种上水方法，在不影响热水器正常使用的前提下，两种上水方法的目的均是为了进一步提高系统的发电效果，同时也为了进一步提高热量利用率。

参照图2，本发明的第一种上水方法如下步骤：步骤一）在热水腔21内分别设置第一水位线A1和第二水位线A2，第一水位线A1低于第二水位线A2，对热水腔21的水位进行实时监测；步骤二）开始上水，直到热水腔21内的水位到达第一水位线A1，关闭上水；步骤三）检测冷水腔22内的水温，当水温达到温度阈值T1时，重新开始上水，直到热水腔21内的水位到达第二水位线A2，关闭上水，上水完成。

参照图3，本发明的第二种上水方法如下步骤：步骤一）在热水腔21内分别设置第一水位线A1和第二水位线A2，第一水位线A1低于第二水位线A2，对热水腔21的水位进行实时监测；步骤二）开始上水，直到热水腔21内的水位到达第一水位线A1，关闭上水；步骤三）检测冷水腔21内的水温，检测热水腔21内的水温，比较热水腔内的水温和冷水腔22内的水温，当两者的温度差值小于T2时，重新开始上水，直到热水腔21内的水位到达第二水位线A2，关闭上水，上水完成。

第一种方法中，在热水腔21内设置两条水位线，先上水到低水位，有助于热水腔内水温的迅速升高，从而增大冷、热水腔的温差，使得温差发电模块3第一时间进入发电状态，热水腔21内的水量少，温度高，发电效果好。当检测到冷水腔22内温度过高时，则说明热水腔21的热量已经过多的传到冷水腔22，冷、热水腔的温差减小，温差发电模块3的发电效果会降低，此时继续上水，将冷水腔22内的热水注入热水腔21，冷水腔22内重新注满温度较低的自来水，从而保证冷、热水腔的温差，进而保证发电效果。该方法是基于本发明太阳能热水器系统，通过间断上水，保证了发电效果，避免了热量浪费。

第二种方法与第一种方法的区别是步骤三）中重新上水的条件不同，第一种方法依据冷水腔的水温，第二中方法依据冷、热水腔的温度差，两种方式依据具体的使用环境以及热水器的规模型号，可灵活选用。

参照附图，第二水位线A2为满水水位线，中间管8与热水腔21的接口位置高于第二水位线A2，主出水管7与热水腔21的接口位置低于第一水位线A1。中间管8的出口高度高于满水水位，该结构设置可避免中间管8注入的冷水影响热水腔21下部的水温，同时，中间管8的接口位置可直接抬高到水面以上，避免热水腔21内的热量向下传递，从而保证冷、热水腔的温差。主出水管7与热水腔21的接口位置低于第一水位线A1，是为了保证在上水到低水位时仍不影响热水器的正常使用。

综上所述，本发明不限于上述具体实施方式。本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的前提下，可做若干的更改和修饰。本发明的保护范围应以本发明的权利要求为准。

Claims (10)

1.一种具有温差发电功能的太阳能热水器系统，包括太阳能热水器的储水箱（2），其特征是所述储水箱（2）由靠近其下部的两块平行且间隔设置的隔板（1）分隔为上部的热水腔（21）、两隔板（1）之间的隔板腔和下部的冷水腔（22）；隔板（1）由导热材料制成，隔板腔内间隔设置多个电连接的温差发电模块（3），温差发电模块（3）的顶面和底面分别与两隔板（1）的板面紧密贴合，隔板腔中引出有与温差发电模块（3）电连接的电力引线（4），电力引线（4）与电能存储装置（5）电连接；冷水腔（22）与上水管（6）连接，上水管（6）与自来水系统连接，热水腔（21）上连接主出水管（7），冷水腔（22）和热水腔（21）之间连接有中间管（8）。

2.如权利要求1所述的具有温差发电功能的太阳能热水器系统，其特征是所述上水管（6）上安装有电控上水阀（9），储水箱（2）上安装有用于感应冷水腔（22）内水温的冷水温度传感器（10）、用于感应热水腔（21）内水温的热水温度传感器（11）以及用于检测热水腔（21）内水位的液位传感器（12），电控上水阀（9）的控制端和各传感器的信号输出端均与一控制器（13）电连接。

3.如权利要求2所述的具有温差发电功能的太阳能热水器系统，其特征是所述冷水腔（22）中还引出有副出水管（14），副出水管（14）上安装有电控副出水阀（15），主出水管（7）上安装有电控主出水阀（16），两出水阀的控制端均与控制器（13）电连接。

4.如权利要求3所述的具有温差发电功能的太阳能热水器系统，其特征是所述电控副出水阀（15）为常闭式电磁阀，所述电控主出水阀（16）为常开式电磁阀，两电磁阀由同一个线圈控制。

5.如权利要求4所述的具有温差发电功能的太阳能热水器系统，其特征是所述主出水管（7）和副出水管（14）均连接到一混水阀（17）的热水进口上，混水阀（17）的冷水进口与自来水系统连接。

6.如权利要求1-5中任一项所述的具有温差发电功能的太阳能热水器系统，其特征是所述隔板腔中，在温差发电模块（3）之间的间隙内填充隔热材料并形成隔热层（18）。

7.如权利要求1-5中任一项所述的具有温差发电功能的太阳能热水器系统，其特征是所述中间管（8）与热水腔（21）的连接位置靠近热水腔（21）的顶端部。

8.一种基于权利要求1所述系统的上水方法，其特征是包括如下步骤：

步骤一）在热水腔（21）内分别设置第一水位线（A1）和第二水位线（A2），第一水位线（A1）低于第二水位线（A2），对热水腔（21）的水位进行实时监测；

步骤二）开始上水，直到热水腔（21）内的水位到达第一水位线（A1），关闭上水；

步骤三）检测冷水腔（22）内的水温，当水温达到温度阈值T1时，重新开始上水，直到热水腔（21）内的水位到达第二水位线（A2），关闭上水，上水完成。

9.如权利要求8所述的上水方法，其特征是所述第二水位线（A2）为满水水位线，中间管（8）与热水腔（21）的接口位置高于第二水位线（A2），主出水管（7）与热水腔（21）的接口位置低于第一水位线（A1）。

10.一种基于权利要求1所述系统的上水方法，其特征是包括如下步骤：

步骤一）在热水腔（21）内分别设置第一水位线（A1）和第二水位线（A2），第一水位线（A1）低于第二水位线（A2），对热水腔（21）的水位进行实时监测；

步骤二）开始上水，直到热水腔（21）内的水位到达第一水位线（A1），关闭上水；

步骤三）检测冷水腔（21）内的水温，检测热水腔（21）内的水温，比较热水腔内的水温和冷水腔（22）内的水温，当两者的温度差值小于T2时，重新开始上水，直到热水腔（21）内的水位到达第二水位线（A2），关闭上水，上水完成。