CN115682078A - 一种利用光伏效应的家居供能系统 - Google Patents

Abstract

本发明揭示了一种利用光伏效应的家居供能系统，系统设有光伏组件、储能装置、保温水箱和地暖装置，所述地暖装置包括一层地暖水管和电热层，所述光伏组件包括太阳能电池板和太阳能集热器，所述太阳能电池板连接储能装置，所述储能装置连接供电端和电热层，所述太阳能集热器连接设有过滤器的管道连接保温水箱，所述水箱的出水口连接家用热水管和地暖水管。本发明集成多种太阳能应用使用的镍氢蓄电池和折叠太阳板对于太阳能的储存能效有了很大的提高，本装置在环保智能家居系统上都有着很大的应用前景。

Description

一种利用光伏效应的家居供能系统

技术领域

本发明涉及光伏供电技术领域。

背景技术

随着人类无止境的开发地球能源，人类所面临的资源枯竭危机不断加深，加上地球生态环境的不断恶化，进入新世纪以来，人类已经.遭遇了前所未有的生存危机。人类只有一个地球，其生态系统是不可能再造的。早在17世纪初，人类就已经意识到这一问题，并在新能源探索上不断做出努力，特别是太阳能利用领域取得辉煌成就。太阳能利用包括太阳能光伏发电、太阳能热发电，以及太阳能热水器和太阳房、太阳能空调等利用方式。

当前环境的改善，日照强度大大提高，太阳能热水器收集能量，但水温达到一定高温后，太阳能热水器就不再储能，并且由于工业的发展，水质在逐渐下降。太阳能热水器的体积较大不便安装，并且对安装条件有一定的限制，并且体积较大物件复杂，维护麻烦。根据众多缺点，研发本产品，减少占地面积并且实现能量利用率最大化。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是实现一种将太阳能热水器、光热光伏发电、储能设备融合在一起的系统。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种利用光伏效应的家居供能系统，系统设有光伏组件、储能装置、保温水箱和地暖装置，所述地暖装置包括一层地暖水管和电热层，所述光伏组件包括太阳能电池板和太阳能集热器，所述太阳能电池板连接储能装置，所述储能装置连接供电端和电热层，所述太阳能集热器连接保温水箱，所述水箱的出水口连接家用热水管和地暖水管。

所述保温水箱内设有保温加热模块，所述储能装置的输出端连接保温加热模块。

所述保温水箱设置有一个入水口及两个出水口，所述入水口通过设有过滤器的管路连接太阳能集热器，所述过滤器为超级反渗透薄膜构成的净水装置。

所述保温水箱内设有温度传感器和水位传感器，所述温度传感器和水位传感器连接并输出感应信号至控制系统，所述控制系统输出控制信号至水阀和保温加热模块，所述水阀安装在向保温水箱内注水的自来水管道上，当保温水箱内水温高于设定上限值时关闭保温加热模块，低于设定下限值时打开保温加热模块，当水位低于设定上限值时关闭水阀，当水位低于设定下限值时打开水阀。

所述保温水箱连接地暖水管的管路上设有循环泵，当启动地暖时开启循环泵，若保温水箱内水温低于设定值，则开启电热层。

当启动地暖时，若保温水箱内水温低于设定下限值时，关闭循环泵。

所述太阳能集热器固定在支架上，所述支架的两侧设滑轨，所述太阳能电池板固定在滑轨上，所述滑轨使太阳能电池板能够完全覆盖在太阳能集热器上，或者使太阳能电池板和太阳能集热器相互错开，所述太阳能电池板的边缘与太阳能集热器的尺寸相同。

当室外光线强度低于设定值同时温度低于设定值时，则驱动所述太阳能电池板覆盖在太阳能集热器，否则维持太阳能电池板的边缘与太阳能集热器为打开状态。

本发明集成多种太阳能应用使用的镍氢蓄电池和折叠太阳板对于太阳能的储存能效有了很大的提高，本装置在环保智能家居系统上都有着很大的应用前景。

附图说明

下面对本发明说明书中每幅附图表达的内容作简要说明：

图1为利用光伏效应的家居供能系统原理图；

图2为供能系统折叠系统工作原理；

图3为控制模块流程图；

图4为管路原理图；

具体实施方式

下面对照附图，通过对实施例的描述，本发明的具体实施方式如所涉及的各构件的形状、构造、各部分之间的相互位置及连接关系、各部分的作用及工作原理、制造工艺及操作使用方法等，作进一步详细的说明，以帮助本领域技术人员对本发明的发明构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解。

本发明的智能家居供能系统是一种安装在房顶的太阳能发电储能供能设备，通过搭建可折叠伸缩的太阳能组件于楼顶，根据太阳的方位及情况进行太阳能板的收缩和位置调整，最大化的收集太阳能，并且将其转换为电能，用于加热水和蓄电池储能。在水箱入水口加入超级反渗透薄膜进行水质的改善，并且在出水口进行多个管道对接，可完成家庭的地暖、洗浴、用水等方面的需求。区别于传统利用光热技术的平板太阳能集热器，本装置在暗光环境下的发电量更稳定，热能损耗更低，使用寿命更长，从而使能量利用率最大化。且发电量基本可以满足一家生活所需用电，并可将剩余电量上缴国家电网。

如图1所示，基于光伏效应的智能家居供能系统包含四个模块，分别是折叠系统、控制系统、供暖系统及水质改善系统。

现在市面上大多是利用光热技术的平板太阳能集热器，太阳能热供暖的基本原理是将阳光转化为热量，然后以空间供暖或热水的形式传输到企业或家庭供暖系统中。但在冬天阴天等的寒冷季节，除了热力板外，太阳能热的效率会大大降低。因此我们加装的光热-光伏集成折叠板装置在保证了太阳能辐射利用高效率的同时，在阴雨天、冬天等暗光环境下光伏电能组件还可以保证一定水平的发电量。同时也减小了热能损耗，从而使能量利用率最大化。设备由箱体与光热-光伏集成折叠板构成，箱体内部含控制电路和保温储水箱，控制电路中包含光感器，在有太阳时光伏电板展开，没有时自动折叠。对比普通平板太阳能集热器不适合在结冰的地区使用，其在低温地区，平板式太阳能因温度过低，设备易上冻造成损坏；同时保温隔热效果不好，散热快。而折叠式太阳能集成板可利用其内部光感原件，在动态无阳光光感刺激时，无法触动原件，则会折叠收缩，减小热损耗。

折叠模块是由四块太阳能组件、轨道滑轮及组件箱中的电机和电路构成。根据家庭用水量进行太阳能组件的选择，由三块太阳能电池板和一块太阳能集热板及轨道滑轮构成太阳能组件。太阳能组件位于楼顶处，可通过天气的变换进行折叠和调整方位，进行最大化的太阳能的吸收。当天气晴朗，紫外线达到一定强度时，触发控制电路中光感器，电机运转通过轨道及滑轮打开太阳能电池板，并且根据一天中太阳的方位控制电路可进行太阳能电池板的角度调整。根据每日太阳的辐射角度和光照强度，刺激控制电路中的光感器。光感器受到不同程度的光照强度和角度的刺激后，控制电路工作将收缩在光热太阳能板下的光伏太阳能板沿滑轨往下延伸，进而打开太阳能电池组。根据每日日照角度的不同通过太阳能板中央的柱状支撑杆由电机控制进而调整太阳能板角度。

储能装置是由多个电池单体组成的电池组，电池单体的工作电压约为0.5V.工作电流约为20-25mA/cm²，一般不能单独作为电源使用。将太阳能电池单体进行串并联封装后，就成为太阳能电池组件，其功率一般为几瓦至几十瓦，是可以单独作为电源使用的最小单元。太阳能电池组件再经过串并联组合安装在支梁上，构成了太阳能电池方阵，可以满足负载所要求的输出功率。但是其耗能大，利用率低。储能装置优选新型镍氢蓄电池，由镍镉电池改良而来的，其以能吸收氢的金属代替镉。它以相同的价格提供比镍镉电池更高的电容量、比较不明显的记忆效应、以及比较低的环境污染(不含有毒的镉)。其回收再用的效率比锂离子电池好，被称为是最环保的电池。但是与锂离子电池比较时，却有比较高的记忆效应。旧款的镍氢电池有较高的自我放电反应，新款的镍氢电池已俱有相当低的自我放电(与碱电相约)，而且可于低温下工作(-20℃)。镍氢电池比碳锌或碱性电池有更大的输出电流，相对地更适合用于高耗电产品，某些特别型号甚至比镍镉电池有更大输出电流。与镍镉蓄电池相似，它们的电压是1.2V.但跟镍镉电池相比，它们的能效高达80％～90％。并且受记忆效应影响更少。反转电压对镍氢电池影响显著，因此必须保证避免这种连接，特别是在多个电池串联的时候更需注意。但是根据社会进步，它正在迅速地替代镍镉电池，成为便携式设备的第一选择。

本发明储能装置采用80000毫安的新型镍氢蓄电池组成的电池组组成，新型镍氢蓄电池能量密度高，电池容量大、对环境基本没有污染，使用寿命长等优势。

保温加热模块是由组件箱中的保温水箱和加热控制电路构成。保温水箱设置有一个入水口及两个出水口；在入水口处连接由超级反渗透薄膜构成的净水装置；两个出水口分别连接家中地暖及家中日常用水。当太阳能板吸收到太阳能后转换为电能，在保温水箱中的水温降低到一定阈值时开启加热，当保温水箱中水的温度加热到70℃时，控制电路将会跳转至储能模块，将太阳能转换为电能储存在新型镍氢蓄电池中。当水量低于60L时系统自动进水，控制系统调节至储能模块，蓄电池中的供电加热，当温度达到70℃时停止加热。并且在水箱中置于一个循环水装置，此装置由循环泵，温控器，控制系统组成；循环泵有2种工作方式，一种是水流感应工作，一种是启动电源工作，根据需要来设定工作方式。给泵一个启动信号，循环泵开始工作，将管道里的冷水往热水器里加压，加热水器开始工作，热水进入热水管道，当循环水装置上的温控器感知到管道中的热水已达到循环水装置预先设定的温度时，循环水装置将停止工作。

超级反渗透薄膜过滤精度达到0.5～10nm纳米，能够有效地去除水中的溶解盐类、胶体、微生物、有机物等。并且他的过滤更加彻底，经过反渗透和纳滤制出来的水，干净、安全，可直接饮用。彻底的去除了水碱和水垢，对于北方和西部使用地下水的地区来说，净水效果非常明显。能够有效去除无机盐和重金属类物质的同时，还能保留部分的矿物质，例如一价的钾、钠等。经过三次反渗透除盐后，减少了管道结垢，提高了热交换率，降低了热损耗和加热电耗量。水质改善系统是由超级反渗透薄膜组成。在一定的温度下，用一张易透水而难透盐的半透膜将淡水和盐水隔开，用于隔离淡水与盐水的半透膜称为反渗透膜，淡水即透过半透膜向盐水方向移动，随着右室盐水侧液位升高，产生一定的压力，阻止左室淡水向盐水侧移动，最后达到平衡，此时的平衡压力称为溶液的渗透压，这种现象称为渗透现象。若在右室盐水侧施加一个超过渗透压的外压，右室盐溶液中的水便透过半透膜向左室淡水中移动，使淡水从盐水中分离出来，此现象与渗透现象相反，称反渗透现象。当渗透达到平衡时，浓溶液一侧的液面会比稀溶液的液面高出一定高度，即形成一个压差，此压差即为渗透压。反渗透膜反渗透是渗透的一种反向迁移运动，是一种在压力驱动下借助于半透膜的选择截留作用将溶剂中的溶质与溶剂分开的分离方法，它已广泛应用于各种溶液的提纯与浓缩，其中最普通的应用实例便是在水处理工艺中，用反渗透技术将原水中的无机离子、细菌、病毒、有机物及胶体等杂质去除，以获得高质量的纯净水。

供暖系统与太阳能组件箱中的保温加热模块相连接。通过控制器控制地暖管道循环。当水温达到设定温度时，自动启动地暖循环泵，使高温水通过地暖盘管在室内循环，从而使室内温度不断提高。当水箱水温低于某一设定值时，自动停止地暖管道循环泵。它的主要热源来自太阳能，再加上燃气壁挂炉或者热泵辅助供热，就可以实现稳定的地暖采暖。

地暖主要是靠辐射传暖，将太阳光转换的热能传到物体和人体表面，若室外温度相同，要想达到相同的舒适度，它的周围空气温度比对流采暖条件要求低3℃左右。从原理上来看，主要有两个，第一是温差控制集热循环。这种太阳能地暖系统当中，要有集热器温测器和水温感应器，集热系统吸收太阳能辐射后，集热管温度上升，当集热器温度和水箱温度水温差△t设定值时，检测系统发出指令，循环泵将中央热水器中的冷水输入集热器中，水被加热后再回到水箱中，使水箱内的水达到设定的温度。如此反复，就能长时间的得到热源。第二种是地暖管道循环系统：地暖管道中有热水循环泵，当水的温度达到人为设定的温度时，就会自动启动热水循环泵，使水温通过太阳能地暖在地下的盘管中循环。这样就能达到使室内温度升高的效果。

一般的平板太阳能集热器是一种吸收太阳辐射能量并将热能转换为电能储存装置。集热器中的工质与远距离的太阳进行热交换。但是这会有大量的热能损耗。而在太阳能内部设计一个小电路，电路中包含光感器，在有太阳时就展开，没有时自动折叠。为巧妙的解决这个问题，首先采用光感器的折叠太阳能板，可在低温地区避免因温度过低而使设备易上冻损坏的情况，同时也减小了散热和热损耗。而采用太阳能控制器控制整个系统的工作状态，对蓄电池起到过充电、过放电的保护作用。本系统无论在蓄能还是平时使用时的热损耗都得到了解决，可以提高太阳能的效率，减少废气排放，从而达到节能减排的目的。

折叠模块是由四块太阳能组件、轨道滑轮及组件箱中的电机和电路构成。根据家庭用水量进行太阳能组件的选择，由三块太阳能电池板和一块太阳能集热板及轨道滑轮构成太阳能组件。滑动导轨有两个，所述滑动导轨宽度方向的两侧设置有导向槽；所述滑动导轨上表面设置有滑动槽，所述滑动槽内部滑动安装有滑动块，两个所述滑动块之间安装有底板，所述底板上端安装有长度调节杆，所述长度调节杆上端安装有固定板；所述滑动导轨上表面贯穿设置有固定槽，所述滑动槽内部安装有锁紧组件。有益效果在于：能够对滑动导轨的安装距离进行调节，适合不同高度的安装距离；能够将两个滑动导轨展开，从而能够将对滑动导轨的整体长度调节，并通过滑动块进行连接。即内部导轨通过机械装置连接。

我们的温度控制系统是由组件箱中的保温水箱和加热控制电路组成。就相当于系统内部有控温器。控器根据工作环境的温度变化，在开关内部发生物理形变，从而产生某些特殊效应，产生导通或者断开动作的一系列自动控制元件，或者电子原件在不同温度下，工作状态的不同原理来给电路提供温度数据，以供电路采集温度数据。普通的温控器都是通地感温包内的压力来控制的，温度低时，压力低，当压力低于某一值时，温控器里的触点就会断开，压缩机停止工作。它是以压力作用原理来推动触点的通与断。具体运用于我们的系统中就相当于当太阳能板吸收到太阳能后转换为电能，在保温水箱中的水温降低到一定阈值时开启加热，当保温水箱中水的温度加热到70℃时，控制电路将会跳转至储能模块，将太阳能转换为电能储存在新型镍氢蓄电池中。而我们的内部温控器采用的是机械式。机械式的温控器采用两层热膨胀系数不同金属压在一起，温度改变时，他的弯曲度会发生改变，当弯曲到某个程度时，接通(或断开)回路，使得制冷(或加热)设备工作。而我们的系统中还包括地暖系统，将地暖与保温系统连接，地暖管道中有热水循环泵，当水的温度达到人为设定的温度时，就会自动启动热水循环泵，使水温通过太阳能地暖在地下的盘管中循环。这样就能达到使室内温度升高的效果。

由太阳能集热装置、多项控制阀、水泵、温度控制器、热水箱、辅助热源、过滤器、循环泵、温度计、分水器、加热器组成。当太阳能集热装置出水温度大于50℃时，温度控制器就启动水泵，水进入太阳能集热装置进行加热，并将太阳能集热装置的热水压入水箱，水箱上部温度高，下部温度低，冷水再进入太阳能集热装置加热，构成一个循环。当太阳能集热装置出水温度小于40℃，水泵停止工作。当蓄热水箱水温大于50℃时，循环泵进行采暖循环。在雨雪或夜间太阳能供给不足时，辅助热源开始工作，此时，系统自动切断与太阳能集热装置的连接，保证热水不会回流。

从原理上来看，主要有两个，第一是温差控制集热循环。这种太阳能地暖系统当中，要有集热器温测器和水温感应器，集热系统吸收太阳能辐射后，集热管温度上升，当集热器温度和水箱温度水温差△t设定值时，检测系统发出指令，循环泵将中央热水器中的冷水输入集热器中，水被加热后再回到水箱中，使水箱内的水达到设定的温度。如此反复，就能长时间的得到热源。第二种是地暖管道循环系统：地暖管道中有热水循环泵，当水的温度达到人为设定的温度时，就会自动启动热水循环泵，使水温通过太阳能地暖在地下的盘管中循环。这样就能达到使室内温度升高的效果。

上面结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种利用光伏效应的家居供能系统，其特征在于：系统设有光伏组件、储能装置、保温水箱和地暖装置，所述地暖装置包括一层地暖水管和电热层，所述光伏组件包括太阳能电池板和太阳能集热器，所述太阳能电池板连接储能装置，所述储能装置连接供电端和电热层，所述太阳能集热器连接保温水箱，所述水箱的出水口连接家用热水管和地暖水管。

2.根据权利要求1所述的利用光伏效应的家居供能系统，其特征在于：所述保温水箱内设有保温加热模块，所述储能装置的输出端连接保温加热模块。

3.根据权利要求2所述的利用光伏效应的家居供能系统，其特征在于：所述保温水箱设置有一个入水口及两个出水口，所述入水口通过设有过滤器的管路连接太阳能集热器，所述过滤器为超级反渗透薄膜构成的净水装置。

4.根据权利要求3所述的利用光伏效应的家居供能系统，其特征在于：所述保温水箱内设有温度传感器和水位传感器，所述温度传感器和水位传感器连接并输出感应信号至控制系统，所述控制系统输出控制信号至水阀和保温加热模块，所述水阀安装在向保温水箱内注水的自来水管道上，当保温水箱内水温高于设定上限值时关闭保温加热模块，低于设定下限值时打开保温加热模块，当水位低于设定上限值时关闭水阀，当水位低于设定下限值时打开水阀。

5.根据权利要求4所述的利用光伏效应的家居供能系统，其特征在于：所述保温水箱连接地暖水管的管路上设有循环泵，当启动地暖时开启循环泵，若保温水箱内水温低于设定值，则开启电热层。

6.根据权利要求5所述的利用光伏效应的家居供能系统，其特征在于：当启动地暖时，若保温水箱内水温低于设定下限值时，关闭循环泵。

7.根据权利要求1-6中任一所述的利用光伏效应的家居供能系统，其特征在于：所述太阳能集热器固定在支架上，所述支架的两侧设滑轨，所述太阳能电池板固定在滑轨上，所述滑轨使太阳能电池板能够完全覆盖在太阳能集热器上，或者使太阳能电池板和太阳能集热器相互错开，所述太阳能电池板的边缘与太阳能集热器的尺寸相同。

8.根据权利要求7所述的利用光伏效应的家居供能系统，其特征在于：当室外光线强度低于设定值同时温度低于设定值时，则驱动所述太阳能电池板覆盖在太阳能集热器，否则维持太阳能电池板的边缘与太阳能集热器为打开状态。

9.根据权利要求1所述的利用光伏效应的家居供能系统，其特征在于：所述储能装置为镍氢蓄电池。

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