專利名稱：一種適應(yīng)寒冬環(huán)境的風(fēng)、光互補熱水器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種能夠在寒冬季節(jié)，甚至是連續(xù)陰、雨、雪天氣中穩(wěn)定供應(yīng)熱水 的風(fēng)、光互補熱水器，無需額外能源供應(yīng)，解決普通太陽能熱水器冬季無法使用的問題。
背景技術(shù)：
太陽能熱水器結(jié)構(gòu)簡單，安裝使用方便，采用完全免費、取之不盡的太陽光作為能 源，倍受廣大群眾歡迎和各國政府的關(guān)注。但是，普通太陽能熱水器有兩段較長的上、下水 管暴露在室外環(huán)境中，在北方寒冷的冬季被動隔熱保溫的方法無法避免水管的結(jié)冰堵塞甚 至凍裂，夜晚，使用完熱水后水箱內(nèi)熱水很少熱容量有限，水箱也存在會結(jié)冰的問題，導(dǎo)致 現(xiàn)有絕大部分太陽能熱水器在冬季無法使用，極大的影響了它在北方的推廣應(yīng)用。如果要 解決冬季太陽能熱水器管道防凍的問題，做到在人們最需要熱水的寒冷冬季雪中送炭，就 必須有外來能量供給管道和水箱進行主動加熱保溫。風(fēng)電作為清潔可再生的能源，同樣具有廣闊的應(yīng)用前景，國家投入了大量資金支 持大規(guī)模并網(wǎng)風(fēng)電場的建設(shè)。但是，由于風(fēng)電的不可預(yù)測性的波動給電網(wǎng)的安全和供電品 質(zhì)帶來較大的影響，甚至被一些電網(wǎng)企業(yè)視為垃圾電，并網(wǎng)型風(fēng)力機需要機構(gòu)復(fù)雜的變速 箱造價昂貴，啟動風(fēng)速要求高、變速箱輸入轉(zhuǎn)速范圍窄等原因?qū)е嘛L(fēng)能利用效率不高，風(fēng)能 的就地利用問題已成為風(fēng)電行業(yè)重要的研究課題。太陽能熱水器管道和水箱都覆有隔熱 層，保溫防凍需求的加熱功率很小，小型風(fēng)力發(fā)電機是比較理想的保溫能量來源；風(fēng)能和光 能具有一定互補性，且風(fēng)能相比較太陽光能能量密度較大，應(yīng)該以風(fēng)能用于太陽能熱水器 保溫防凍為契機，逐步推動適應(yīng)寒冬環(huán)境使用的風(fēng)光互補熱水器、風(fēng)光互補住宅獨立供熱 系統(tǒng)、風(fēng)光互補住宅供熱和供電系統(tǒng)等風(fēng)能就地利用形式的產(chǎn)業(yè)化。

實用新型內(nèi)容本實用新型的目的在于克服現(xiàn)有太陽能熱水器由于上、下水管結(jié)冰在北方冬天無 法使用的缺點，提供一種能夠在寒冬季節(jié)甚至是連續(xù)陰、雨、雪天氣中穩(wěn)定供應(yīng)熱水的風(fēng)、 光互補熱水器。同時也為風(fēng)電的就地利用提供了一種可以快速產(chǎn)業(yè)化的全新形式。為實現(xiàn)上述目的，本實用新型采用如下技術(shù)方案一種適應(yīng)寒冬環(huán)境的風(fēng)、光互補熱水器由小型風(fēng)力發(fā)電機(1)，太陽能熱水器 (2)，上水管組件(3)，下水管組件(4)，控制和蓄電模塊(5)組成。其特征在于采用所述小 型風(fēng)力發(fā)電機⑴為能源，通過控制和蓄電模塊(5)給所述電加熱器和柔性電加熱帶供電； 所述的太陽能熱水器(2)水箱內(nèi)安裝有電加熱器，供外接電源保溫防凍和產(chǎn)生熱水，具體 安裝位置在靠近水箱底部，水箱側(cè)端面留有電接口和控制器輸出端連接；所述上、下水管組 件(3)、(4)的管道發(fā)泡隔熱層和管壁之間纏有柔性電加熱帶，所述下水管(4)為熱水出口， 安裝于水箱端面下側(cè)；所述控制和蓄電模塊(5)包括蓄電池、控制器，控制器通過CPU控制 繼電開關(guān)Kl、K2、K3、K4開合。采用小型風(fēng)力發(fā)電機給熱水器提供保溫防凍的能源，因而， 無需消耗市電和煤，即可實現(xiàn)熱水器的保溫防凍；除去保溫防凍的能量消耗，富余的風(fēng)電供給太陽能熱水器水箱中的電加熱器，可以在風(fēng)速較大的晴天增加熱水的供應(yīng)能力，在夜晚 和連續(xù)陰、雨、雪天氣也可以利用北方冬季較豐富的風(fēng)能產(chǎn)生充足的生活熱水。本實用新型有如下一些優(yōu)點1.可以在寒冷天氣使用，和普通單一能源的太陽能熱水器相比產(chǎn)生熱水的能力更 強，便于在北方地區(qū)的推廣，有望徹底改變普通太陽能熱水器只會錦上添花，不能雪中送炭 的現(xiàn)狀，在最需要供暖的冬天提供方便而廉價的熱水，切實改善群眾生活質(zhì)量。2.為清潔可再生的風(fēng)電的就地利用提供了一種可以快速產(chǎn)業(yè)化的載體?？梢酝ㄟ^ 這種適應(yīng)性更強的風(fēng)、光互補熱水器的推廣應(yīng)用和智能化改進等，提高小風(fēng)電的應(yīng)用范圍 和規(guī)模。逐步推動適應(yīng)寒冬環(huán)境使用的風(fēng)光互補熱水器、風(fēng)光互補住宅獨立供熱系統(tǒng)、風(fēng)光 互補住宅供熱和供電系統(tǒng)等風(fēng)能就地利用形式的產(chǎn)業(yè)化。3.采用小風(fēng)電作為保溫、加熱水箱、智能控制等的電源，熱水器自成一體無需消耗 市電和煤炭，全部能源都清潔可再生的，提高群眾生活質(zhì)量的同時也節(jié)約了取暖成本，是一 款集經(jīng)濟性、清潔環(huán)保和方便可靠于一身的產(chǎn)品。 4.小風(fēng)電和太陽能熱水器組合跟小風(fēng)電和光伏發(fā)電組合相比，具有更高的能量利 用效率和更低的成本，利于產(chǎn)業(yè)化推廣。太陽能熱水器是產(chǎn)業(yè)化程度最高的太陽能利用技 術(shù)，而光伏發(fā)電能量效率低、單位面積成本高，要達到一定的功率規(guī)模，需要占用很大的光 照面積和相應(yīng)巨額的成本，規(guī)?；l(fā)展阻力較大。

圖1是本實用新型組成結(jié)構(gòu)示意圖其中1_小型直流永磁風(fēng)力發(fā)電機，2-太陽能熱水器，3-上水管組件，4-下水管組 件，5-控制和蓄電模塊。圖2是控制和蓄電模塊能量管理實現(xiàn)方法示意圖CPU控制繼電開關(guān)ΚΙ、K2、K3、 K4開合實現(xiàn)管道溫度控制和能量智能管理。
具體實施方式
以下結(jié)合附圖對本實用新型作詳細介紹本實用新型由小型直流永磁風(fēng)力發(fā)電機 1，太陽能熱水器2，上水管組件3，下水管組件4，控制和蓄電模塊5組成。其特征在于采用所 述小型直流永磁風(fēng)力發(fā)電機1為能源，通過控制和蓄電模塊5給所述電加熱器和柔性電加 熱帶供電，小型風(fēng)力發(fā)電機采用永磁直流發(fā)電機，由于都是阻性負載對供電品質(zhì)要求很低， 因此風(fēng)力發(fā)電機輸出端可以直接給電加熱器和柔性加熱帶供電，無需復(fù)雜的電力變換和穩(wěn) 壓裝置；所述的太陽能熱水器2水箱內(nèi)安裝有電加熱器，供外接電源保溫防凍和產(chǎn)生熱水， 具體安裝位置在靠近水箱底部，水箱側(cè)端面留有電接口和控制器輸出端連接；所述上、下水 管組件3、4的管道發(fā)泡隔熱層和管壁之間纏有柔性電加熱帶，供冬季管道加熱保溫用，所 述下水管4為熱水出口，安裝于水箱端面下側(cè)減小熱水殘余量；所述控制和蓄電模塊5包括 蓄電池、控制器，蓄電池為夜晚無風(fēng)條件管路防凍提供能量儲備，控制器通過CPU控制繼電 開關(guān)Kl、K2、K3、K4開合實現(xiàn)管道溫度控制和能量分配管理。1.總體設(shè)計原則(1)小型風(fēng)力發(fā)電機1設(shè)計額定功率為lkW，額定風(fēng)速為8m/s時需要的風(fēng)輪直徑為3m左右，啟動風(fēng)速為3m/s，1-2級風(fēng)即可啟動供電，采用直流永磁發(fā)電機，額定風(fēng)速條件 下輸出電壓36V，具有制造成本低，結(jié)構(gòu)簡單，控制和使用方便等特點，通過增加風(fēng)力發(fā)電機 功率，即可將小風(fēng)電的應(yīng)用范圍拓寬至電暖氣供電等其他供暖和供電場合；(2)蓄電池額定電壓24V，允許工作電壓范圍為20 28V，設(shè)計容量可供上、下水管 道-300C條件下2天加熱保溫使用，可以通過適當(dāng)?shù)母魺岵牧虾穸瓤刂茻崃啃枨蟊苊庑铍?池容量要求過大，若兩天時間內(nèi)都沒有出現(xiàn)有風(fēng)天氣給蓄電池補充能量，則通過缺電信號 通知用戶采取緊急措施使用市電給蓄電池充電；(3)電加熱器和加熱帶允許工作電壓范圍較寬，直流永磁風(fēng)力發(fā)電機1工作在遠 離額定工作點的情況下，也可以直接給電加熱器供電產(chǎn)生熱水，利于提高風(fēng)電的熱利用效率。(4)太陽能熱水器2安裝應(yīng)盡可能減少直接暴露在室外環(huán)境的上、下水管的長度， 根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計規(guī)范允許暴露的最大長度和蓄電池的容量，分析確定管道隔熱層的材料及其 厚度，進而由保溫需求的熱流密度和蓄電池允許最低電壓確柔性加熱帶電阻參數(shù)；(5)太陽能熱水器2水箱內(nèi)安裝有電加熱器，電加熱器功率參數(shù)和風(fēng)力發(fā)電機1相 匹配，其允許的最大過流能力由風(fēng)力機安全風(fēng)速條件下的最大輸出電壓來確定。2.能量管理原則(1)普通模式，專注于最大限度利用太陽能和風(fēng)能產(chǎn)生熱水，控制邏輯簡單用于 室外環(huán)境溫度高于o°c條件，風(fēng)力發(fā)電機有輸出時，優(yōu)先給蓄電池充滿電，其余用來產(chǎn)生熱 水，若遇到晴天且風(fēng)速較大情況，熱水器水箱已滿且水溫達到100°c，將開水儲存入備用保 溫容器中供飲用或做飯等用途，然后補滿水箱繼續(xù)加熱；晚上用完熱水后，自動補滿水箱便 于夜里利用風(fēng)能產(chǎn)生熱水。結(jié)合圖2，其具體實現(xiàn)方法如下普通模式下，常態(tài)為繼電開關(guān)K2始終斷開，K3、K4常開，Kl長期閉合，實現(xiàn)風(fēng)力 發(fā)電機隨時給電加熱器供電的目的；當(dāng)U1 <24V，且風(fēng)力發(fā)電機有輸出功率時斷開Kl同時閉合K3、K4，風(fēng)力發(fā)電機通 過限壓電路給蓄電池充電，直到蓄電池輸出電壓升高到28V，閉合Kl恢復(fù)電加熱器供電，然 后斷開Κ3、Κ4結(jié)束充電，限壓電路具有防止風(fēng)大時發(fā)電機轉(zhuǎn)速高導(dǎo)致充電電壓過高損壞蓄 電池的功能，除了 CPU之外，補水、排水電磁閥的供電也由蓄電池實現(xiàn)，不是本文的重點這 里不再詳述。若出現(xiàn)蓄電池輸出電SU1 < 24V的情況發(fā)電機輸出功率為50-500W時，斷開Kl 同時閉合K4，風(fēng)力發(fā)電機通過限壓電路給蓄電池充電，直到蓄電池輸出電壓上升到28V，斷 開K4結(jié)束充電。若發(fā)電機輸出功率大于500W，則無需斷開K1，直接閉合K4，給蓄電池充電， 直到蓄電池輸出電壓上升到28V,斷開K4結(jié)束充電。發(fā)電機沒有輸出，蓄電池輸出電壓U1 <22V時由于風(fēng)力機無輸出，如果一直沒有出現(xiàn)有風(fēng)條件，長期缺電會影響蓄電池壽命， 此時通過控制器發(fā)出缺電信號，需要人工連接充電器給蓄電池充電。這種情況通過系統(tǒng)設(shè) 計可以避免，但可作為應(yīng)急措施也可以應(yīng)對可能出現(xiàn)的風(fēng)力機故障等情況。(2)冬季模式，優(yōu)先解決保溫防凍，具有更強的可靠性和適應(yīng)性用于室外環(huán)境最 低溫度低于0°C條件，上、下水管壁面溫度低于4°C時，給管道柔性加熱帶供電保溫，優(yōu)先采 用風(fēng)力發(fā)電機給加熱帶供電，只有在沒有風(fēng)的條件下才采用蓄電池供電；有風(fēng)并且供管路 保溫的電能富裕時，優(yōu)先給蓄電池充電，然后才用來供給電加熱器產(chǎn)生熱水；晚上用完熱水后，若剩余熱水液面在加熱器最高點之上，則先不必補水，反之則向水箱補水，以淹沒加熱 器最高點，防止電加熱器干燒損壞；若晚上風(fēng)速較大剩余熱水水溫上升到100°c，以1/10水 箱容量的自來水補充水箱；水箱裝滿條件下，若水溫升高到100°c，將1/3水箱容量的開水 存入備用保溫容器中供飲用或做飯等用途，然后補滿水箱繼續(xù)加熱，避免一次性放空熱水， 因風(fēng)力減小出現(xiàn)補充完冷水后水箱溫度過低的情況。結(jié)合圖2，冬季模式下常態(tài)為繼電開關(guān)Kl和K3長期閉合，保證只要風(fēng)力發(fā)電機有輸出就可以給電加熱 器供電，用來產(chǎn)生熱水，同時使得管路柔性加熱帶的供電處于待命狀態(tài)，K2和K4斷開。a.當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機輸出功率大于500W，管壁溫度最小值Tb < 4°C時，閉合K2給電加 熱帶供電保溫，管路溫度上升到Tb > 15°C時，斷開K2，實現(xiàn)管路溫度控制。此時，若出現(xiàn)蓄電池輸出電壓U1 <24V的情況閉合K4，風(fēng)力發(fā)電機通過限壓電路 給蓄電池充電，直到蓄電池輸出電壓上升到28V，斷開K4結(jié)束充電。b.當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機輸出功率介于200W-500W之間，管壁溫度最小值Tb<4°C時，閉合 K2給電加熱帶供電保溫，斷開Kl集中功率給管路保溫，管路溫度上升Tb > 15°C時，閉合Kl 恢復(fù)電加熱器供電產(chǎn)生熱水，斷開K2停止加熱帶供電；直到Tb < 40C，閉合K2斷開Kl集中 功率給管路加熱保溫，反復(fù)切換實現(xiàn)管路防凍的同時，利用間歇時間給加熱器供電產(chǎn)生熱 水。此時，若出現(xiàn)蓄電池輸出電壓U1 < 24V的情況上述需要閉合Kl的情況改成閉合 K4，風(fēng)力發(fā)電機利用保溫間歇時間給蓄電池充電，直到蓄電池輸出電壓上升到28V，斷開K4 結(jié)束充電，恢復(fù)為正常的保溫和加熱水間歇狀態(tài)控制策略。c.當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機輸出功率小于200W，風(fēng)力發(fā)電不能滿足管路保溫需求，則需要閉 合Kl恢復(fù)給電加熱器供電，斷開K3，閉合K4，采用蓄電池給電加熱帶供電保溫，Tb > 15°C， 斷開K2，Tb < 4°C時，閉合K2，采用K2反復(fù)開合的方法實現(xiàn)溫度控制。此時，若出現(xiàn)蓄電池輸出電壓U1 < 22V的情況由于風(fēng)力機無輸出，如果一直沒有 出現(xiàn)有風(fēng)條件，可能無法保證管道不結(jié)冰，可通過控制器發(fā)出缺電信號，需要人工連接充電 器給蓄電池充電，同時給加熱帶供電。通過以上具體實施方案，就可以實現(xiàn)利用小型風(fēng)力發(fā)電機1給柔性電加熱帶供電 實現(xiàn)室外上、下水管冬季防凍；在風(fēng)速較大的晴天，風(fēng)力發(fā)電機1給電加熱器供電和太陽能 熱水器2 —起工作，增強熱水供應(yīng)能力；在夜晚或連續(xù)陰、雨、雪天氣，利用風(fēng)能在更寬的時 間段保證穩(wěn)定熱水供應(yīng)的目的。
權(quán)利要求一種適應(yīng)寒冬環(huán)境的風(fēng)、光互補熱水器由小型風(fēng)力發(fā)電機(1)，太陽能熱水器(2)，上水管組件(3)，下水管組件(4)，控制和蓄電模塊(5)組成，其特征在于采用所述小型風(fēng)力發(fā)電機(1)為能源，通過控制和蓄電模塊(5)給所述電加熱器和柔性電加熱帶供電；所述的太陽能熱水器(2)水箱內(nèi)安裝有電加熱器，供外接電源保溫防凍和產(chǎn)生熱水，具體安裝位置在靠近水箱底部，水箱側(cè)端面留有電接口和控制器輸出端連接；所述上、下水管組件(3)、(4)的管道發(fā)泡隔熱層和管壁之間纏有柔性電加熱帶，所述下水管(4)為熱水出口，安裝于水箱端面下側(cè)；所述控制和蓄電模塊(5)包括蓄電池、控制器，控制器通過CPU控制繼電開關(guān)K1、K2、K3、K4開合。
2.按照權(quán)利要求1所述的風(fēng)、光互補熱水器，其特征在于小型風(fēng)力發(fā)電機(1)采用永 磁直流發(fā)電機。
3.按照權(quán)利要求1所述的風(fēng)、光互補熱水器，其特征在于采用所述柔性電加熱帶纏繞 在水管外壁，用發(fā)泡隔熱材料包裹在電加熱帶外面。
專利摘要本實用新型公開一種適應(yīng)寒冬環(huán)境的風(fēng)、光互補熱水器。采用所述小型風(fēng)力發(fā)電機(1)為能源，通過控制和蓄電模塊(5)給所述電加熱器和柔性電加熱帶供電；所述的太陽能熱水器(2)水箱內(nèi)安裝有電加熱器，供外接電源保溫防凍和產(chǎn)生熱水，具體安裝位置在靠近水箱底部，水箱側(cè)端面留有電接口和控制器輸出端連接；所述上、下水管組件(3)、(4)的管道發(fā)泡隔熱層和管壁之間纏有柔性電加熱帶，所述下水管(4)為熱水出口，安裝于水箱端面下側(cè)；所述控制和蓄電模塊(5)包括蓄電池、控制器，控制器通過CPU控制繼電開關(guān)K1、K2、K3、K4開合。其優(yōu)點在于，小型風(fēng)力發(fā)電機采用直流永磁發(fā)電機，無需對風(fēng)輪轉(zhuǎn)速進行控制和調(diào)節(jié)，只要保證安全風(fēng)速條件下風(fēng)輪轉(zhuǎn)速在發(fā)電機允許最大轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，結(jié)構(gòu)簡單，風(fēng)能利用效率高；阻性負載對供電品質(zhì)要求很低，發(fā)電機輸出端直接給電加熱器和柔性加熱帶供電，無需復(fù)雜的電力變換和穩(wěn)壓裝置，能夠在很寬的電壓范圍內(nèi)工作產(chǎn)生熱水，風(fēng)電的熱利用效率高。
文檔編號F24J2/46GK201731642SQ201020000388
公開日2011年2月2日 申請日期2010年1月12日 優(yōu)先權(quán)日2010年1月12日
發(fā)明者張亞 申請人:張亞