CN202900517U - 一种基于太阳能热水器中水单向流的发电装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种基于太阳能热水器中水单向流的发电装置，包括冷水箱以及连接于冷水箱与太阳能热水器的保温水箱之间的循环管路，所述循环管路上设置有水轮机，本实用新型将循环管路、冷水箱与太阳能热水器的保温水箱构成一个单向流循环，并通过循环管路上的水轮机将单向流的动能进行转换以用于发电，该发电装置采用外置结构，结构简单，可以方便的安装于太阳能热水器上；不仅不会影响太阳能热水器的保温水箱与集热器之间的单向流循环，而且可以充分利用太阳能热水器对太阳能的采集、转化功能，提高了太阳能热水器的总效率；另外，本实用新型所述发电装置利用对流传热实现发电功能，与现有辐射传热的发电装置相比，可以利用更多的能源。

Description

一种基于太阳能热水器中水单向流的发电装置

技术领域

本实用新型属于利用太阳能热水器中水动能的发电装置，具体涉及一种基于太阳能热水器中水单向流的发电装置。 

背景技术

现有太阳能热水器包括以下结构： 

（1）集热器 

集热元件。和电热水器、燃气暖水器不同的是，太阳能集热器利用的是太阳的辐射暖量。市面上最常用的集热器有两种，分别是平板式集热器和真空管式集热器，同样条件真空管的产能效率高于平板。 

（2）保温水箱 

储存暖水的容器。因为太阳能热水器只能白天工作，而人们一般在晚上才使用热水，所以必须通过保温水箱把集热器在白天产出的暖水储存起来。 

（3）连接管道 

将热水从集热器输送到保温水箱、将冷水从保温水箱输送到集暖器的通道，使整套系统形成一个闭合的环路。 

现有太阳能热水器的原理为： 

（1）水循环原理 

水自动流动，利用冷水比热水密度大，冷水下沉，热水上升，形成自然对流循环，使保温水箱中的水逐渐变热，达到设定的水温为止。 当太阳强度不足以满足循环需要的时候，可以在水循环闭路加一水泵，实现强制循环。如果加热后的热水不及时应用，则保温水箱内的冷热水会温度接近热平衡，降低加热效率。 

（2）集热器吸热原理 

太阳能热水器的集热器表面，有一特殊的涂层，此涂层对太阳能可见光范围具有很大的吸收率，吸收为热以后，集热器的散热热辐射波长在长波范围，该涂层对长波的发射率很低，这样就有效的保留了太阳能的热量。再通过这种热量将冷水逐渐加热为热水。 

现有基于太阳能热水器的发电技术集中在利用半导体发电元件发电。即从太阳能热水器的保温水箱中引出热水循环，使热水循环在外部的冷、热温区间换热，同时利用半导体温差发电元件发电。例如，昆明理工大学张云伟、姜涛申请的太阳能热水器温差发电装置专利，公开号为CN201422088。 

现有基于太阳能热水器的发电装置存在以下缺点： 

1.需要对现有太阳能热水器进行结构改造，影响集热器与保温 

水箱间的单向流循环； 

2.发电过程中存在能量损耗问题。 

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种基于太阳能热水器中水单向流的发电装置，该发电装置结构简单，提高了热水器的总效率，并将多余能量有效地转化为电能。 

为达到上述目的，本实用新型采用了以下技术方案。 

包括冷水箱以及连接于冷水箱与太阳能热水器的保温水箱之间的循环管路，所述循环管路上设置有用于驱动发电机的水轮机。 

所述冷水箱设置于支架上。 

所述循环管路上设置有阀门。 

所述阀门为自力式温控阀。 

所述循环管路包括将保温水箱内的水引入冷水箱的单向流流出管路以及将冷水箱内的水引入保温水箱的单向流回流管路，水轮机设置于单向流回流管路上。 

所述水轮机包括箱体以及设置于箱体内的叶轮，箱体的一侧连接有进口流道，另一侧连接有出口流道，进口流道以及出口流道分别与循环管路相连，叶轮与设置于箱体内的转轴相连。 

所述进口流道以及出口流道分别与转轴异面垂直。 

所述进口流道以及出口流道错开设置。 

所述进口流道与循环管路间连接有速度喷管。 

本实用新型的有益效果体现在：本实用新型所述基于太阳能热水器中水单向流的发电装置将循环管路、冷水箱与太阳能热水器的保温水箱构成一个单向流循环，并通过循环管路上的水轮机将单向流的动能进行转换以用于发电，该发电装置采用外置结构，结构简单，可以方便的安装于太阳能热水器上，不仅不会影响太阳能热水器的保温水箱与集热器之间的单向流循环，而且可以充分利用太阳能热水器对太阳能的采集、转化功能，提高了太阳能热水器的总效率；另外，本实用新型所述发电装置利用对流传热实现发电功能，与现有辐射传热的 发电装置相比，能量损耗更低。 

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图； 

图2是本实用新型所述水轮机的装配图； 

图3是能量分配模式图； 

图中：1冷水箱，2保温水箱，3水轮机，4阀门，5单向流流出管路，6单向流回流管路，7箱体，8叶轮，9转轴，10进口流道，11出口流道，12热水，13冷水，14热水器总功率，15电能。 

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明。 

参见图1，本实用新型包括冷水箱1以及连接于冷水箱1与太阳能热水器的保温水箱2之间的循环管路，所述循环管路上设置有用于驱动发电机的水轮机3，所述冷水箱1设置于支架上，所述循环管路上设置有阀门4，所述阀门4为自力式温控阀，其利用液体受热膨胀及液体不可压缩的原理实现自动调节，即被控介质温度变化时，传感器内的感温液体体积随着膨胀或收缩。被控介质温度高于设定值时，感温液体膨胀，推动阀芯向下关闭阀门，减少热媒的流量；被控介质的温度低于设定值时，感温液体收缩，复位弹簧推动阀芯开启，增加热媒的流量； 

所述循环管路包括将保温水箱2内的水引入冷水箱1的单向流流出管路5以及将冷水箱1内的水引入保温水箱2的单向流回流管路6，水轮机3设置于单向流回流管路6上。 

参见图2，所述水轮机3包括箱体7以及设置于箱体7内的叶轮8，箱体7的一侧连接有进口流道10，另一侧连接有出口流道11，进口流道10以及出口流道11分别与循环管路相连，叶轮8与设置于箱体7内的转轴9相连，所述进口流道10以及出口流道11分别与转轴9异面垂直，形成切向径流结构，使流经水轮机内的水流与转轴垂直，所述进口流道10以及出口流道11错开设置，使进口流道与出口流道不共线，防止水流在箱体内形成涡流。 

所述进口流道10与循环管路间连接有速度喷管，使进入箱体的水流加速。 

本实用新型的工作模式包括： 

a)当太阳能热水器的保温水箱水温低于50℃时，循环管路上的阀门关闭，单纯进行太阳能热水器的水温加热，满足热水器供应热水的需要。 

b)当太阳能热水器的保温水箱水温超过50℃时，循环管路上的阀门打开，此时保温水箱水温变化减慢，保温水箱与冷水箱之间的热水-冷水形成单向流，进行循环，推动水轮机的叶轮转动，并带动发电机产生电能。 

产生的电能可以供应夜明灯、应急灯等设备使用，也可以收集起来。本实用新型利用“热水—冷水”产生的压差流动循环，提高了热水器总效率，将多余能量转化为电能，同时增大了系统中热水用水量，参见图3。 

实施例 

A．组成构件 

太阳能热水器主机、水箱、水轮机总成、控制系统、控制阀门及管路。 

B．水轮机总成设计（简要） 

第一步，首先确定了水轮机在太阳能循环中的位置为水箱下方，根据其与整个装置的装配关系，总体尺寸长≤120mm、宽≤200mm、高≤150mm； 

第二步，设计传动形式，具体为水流推动叶轮旋转、叶轮通过键与轴相连，动力由轴通过联轴器传至发电机； 

第三步，进入细节设计，首先分配尺寸，确定轴与叶轮的径向尺寸（轴为15mm，叶轮外径为68mm），然后根据轴选择轴承为圆柱滚子轴承NH202E[GB／T283-94]，之后完成轴的轴向尺寸，添加轴环、衬套。 

第四步，设计叶轮，由于水流速度不快，采用切向进流的结构； 

第五步，完成箱体设计，包括轴承载台、进出口流道与内腔设计； 

第六步，轴承盖设计，由于考虑到联轴器的转矩，采用突缘式轴承盖，内部密封采用毛毡圈。 

第七步，结合铸造、装配工艺进一步优化设计，完成3D建模与二维工程图。 

C．水轮机安装位置的选择 

利用Fluent软件分析管路速度，得到这样一个结论：上方管路 的水流速度较高，然而其速度梯度过大且不稳定，这样不利于水轮机的安装（安装设备后要扩大截面积，无疑使本就不稳定速度场更加不稳定）；下方管路的水流更稳定，且速度适中，因此水轮机安装至此是比较理想的位置。 

D．发电量计算 

具体发电量的计算如下： 

d=300mm=3dm 

$A=\frac{\mathrm{\π}}{4}{d}^2=7.07{\mathrm{dm}}^2$

v_出=1.6dm/s 

Q_v=Av_出=11.31L/s=6.78.85L/min=0.0113m³/s 

则所产生的电能为： 

这样的电能如果持续一天可以带动5个LED连续工作三十多个小时，发电量是可观的、也是可行的。 

水轮机前还安装了速度喷管（前后截面相差9倍），这样流过叶轮截面的速度也大致增大8至9倍，按9倍速算。由上式可以看出，发电量与截面速度成正比，那么发电量也为过去9倍，大约为5.184kwh，这大大提高了此装置的可用性。 

Claims (9)

1.一种基于太阳能热水器中水单向流的发电装置，其特征在于：包括冷水箱（1）以及连接于冷水箱（1）与太阳能热水器的保温水箱（2）之间的循环管路，所述循环管路上设置有用于驱动发电机的水轮机（3）。

2.根据权利要求1所述一种基于太阳能热水器中水单向流的发电装置，其特征在于：所述冷水箱（1）设置于支架上。

3.根据权利要求1所述一种基于太阳能热水器中水单向流的发电装置，其特征在于：所述循环管路上设置有阀门（4）。

4.根据权利要求3所述一种基于太阳能热水器中水单向流的发电装置，其特征在于：所述阀门（4）为自力式温控阀。

5.根据权利要求1所述一种基于太阳能热水器中水单向流的发电装置，其特征在于：所述循环管路包括将保温水箱（2）内的水引入冷水箱（1）的单向流流出管路（5）以及将冷水箱（1）内的水引入保温水箱（5）的单向流回流管路（6），水轮机（3）设置于单向流回流管路（6）上。

6.根据权利要求1所述一种基于太阳能热水器中水单向流的发电装置，其特征在于：所述水轮机（3）包括箱体（7）以及设置于箱体（7）内的叶轮（8），箱体（7）的一侧连接有进口流道（10），另一侧连接有出口流道（11），进口流道（10）以及出口流道（11）分别与循环管路相连，叶轮（8）与设置于箱体（7）内的转轴（9）相连。

7.根据权利要求6所述一种基于太阳能热水器中水单向流的发电装置，其特征在于：所述进口流道（10）以及出口流道（11）分别与转轴（9）异面垂直。

8.根据权利要求6所述一种基于太阳能热水器中水单向流的发电装置，其特征在于：所述进口流道（10）以及出口流道（11）错开设置。

9.根据权利要求6所述一种基于太阳能热水器中水单向流的发电装置，其特征在于：所述进口流道（10）与循环管路间连接有速度喷管。 

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