专利名称：一种适应寒冬环境的风、光互补热水器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种能够在寒冬季节，甚至是连续阴、雨、雪天气中稳定供应热水 的风、光互补热水器，无需额外能源供应，解决普通太阳能热水器冬季无法使用的问题。
背景技术：
太阳能热水器结构简单，安装使用方便，采用完全免费、取之不尽的太阳光作为能 源，倍受广大群众欢迎和各国政府的关注。但是，普通太阳能热水器有两段较长的上、下水 管暴露在室外环境中，在北方寒冷的冬季被动隔热保温的方法无法避免水管的结冰堵塞甚 至冻裂，夜晚，使用完热水后水箱内热水很少热容量有限，水箱也存在会结冰的问题，导致 现有绝大部分太阳能热水器在冬季无法使用，极大的影响了它在北方的推广应用。如果要 解决冬季太阳能热水器管道防冻的问题，做到在人们最需要热水的寒冷冬季雪中送炭，就 必须有外来能量供给管道和水箱进行主动加热保温。风电作为清洁可再生的能源，同样具有广阔的应用前景，国家投入了大量资金支 持大规模并网风电场的建设。但是，由于风电的不可预测性的波动给电网的安全和供电品 质带来较大的影响，甚至被一些电网企业视为垃圾电，并网型风力机需要机构复杂的变速 箱造价昂贵，启动风速要求高、变速箱输入转速范围窄等原因导致风能利用效率不高，风能 的就地利用问题已成为风电行业重要的研究课题。太阳能热水器管道和水箱都覆有隔热 层，保温防冻需求的加热功率很小，小型风力发电机是比较理想的保温能量来源；风能和光 能具有一定互补性，且风能相比较太阳光能能量密度较大，应该以风能用于太阳能热水器 保温防冻为契机，逐步推动适应寒冬环境使用的风光互补热水器、风光互补住宅独立供热 系统、风光互补住宅供热和供电系统等风能就地利用形式的产业化。
实用新型内容本实用新型的目的在于克服现有太阳能热水器由于上、下水管结冰在北方冬天无 法使用的缺点，提供一种能够在寒冬季节甚至是连续阴、雨、雪天气中稳定供应热水的风、 光互补热水器。同时也为风电的就地利用提供了一种可以快速产业化的全新形式。为实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案一种适应寒冬环境的风、光互补热水器由小型风力发电机(1)，太阳能热水器 (2)，上水管组件(3)，下水管组件(4)，控制和蓄电模块(5)组成。其特征在于采用所述小 型风力发电机⑴为能源，通过控制和蓄电模块(5)给所述电加热器和柔性电加热带供电； 所述的太阳能热水器(2)水箱内安装有电加热器，供外接电源保温防冻和产生热水，具体 安装位置在靠近水箱底部，水箱侧端面留有电接口和控制器输出端连接；所述上、下水管组 件(3)、(4)的管道发泡隔热层和管壁之间缠有柔性电加热带，所述下水管(4)为热水出口， 安装于水箱端面下侧；所述控制和蓄电模块(5)包括蓄电池、控制器，控制器通过CPU控制 继电开关Kl、K2、K3、K4开合。采用小型风力发电机给热水器提供保温防冻的能源，因而， 无需消耗市电和煤，即可实现热水器的保温防冻；除去保温防冻的能量消耗，富余的风电供给太阳能热水器水箱中的电加热器，可以在风速较大的晴天增加热水的供应能力，在夜晚 和连续阴、雨、雪天气也可以利用北方冬季较丰富的风能产生充足的生活热水。本实用新型有如下一些优点1.可以在寒冷天气使用，和普通单一能源的太阳能热水器相比产生热水的能力更 强，便于在北方地区的推广，有望彻底改变普通太阳能热水器只会锦上添花，不能雪中送炭 的现状，在最需要供暖的冬天提供方便而廉价的热水，切实改善群众生活质量。2.为清洁可再生的风电的就地利用提供了一种可以快速产业化的载体。可以通过 这种适应性更强的风、光互补热水器的推广应用和智能化改进等，提高小风电的应用范围 和规模。逐步推动适应寒冬环境使用的风光互补热水器、风光互补住宅独立供热系统、风光 互补住宅供热和供电系统等风能就地利用形式的产业化。3.采用小风电作为保温、加热水箱、智能控制等的电源，热水器自成一体无需消耗 市电和煤炭，全部能源都清洁可再生的，提高群众生活质量的同时也节约了取暖成本，是一 款集经济性、清洁环保和方便可靠于一身的产品。 4.小风电和太阳能热水器组合跟小风电和光伏发电组合相比，具有更高的能量利 用效率和更低的成本，利于产业化推广。太阳能热水器是产业化程度最高的太阳能利用技 术，而光伏发电能量效率低、单位面积成本高，要达到一定的功率规模，需要占用很大的光 照面积和相应巨额的成本，规模化发展阻力较大。
图1是本实用新型组成结构示意图其中1_小型直流永磁风力发电机，2-太阳能热水器，3-上水管组件，4-下水管组 件，5-控制和蓄电模块。图2是控制和蓄电模块能量管理实现方法示意图CPU控制继电开关ΚΙ、K2、K3、 K4开合实现管道温度控制和能量智能管理。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型作详细介绍本实用新型由小型直流永磁风力发电机 1，太阳能热水器2，上水管组件3，下水管组件4，控制和蓄电模块5组成。其特征在于采用所 述小型直流永磁风力发电机1为能源，通过控制和蓄电模块5给所述电加热器和柔性电加 热带供电，小型风力发电机采用永磁直流发电机，由于都是阻性负载对供电品质要求很低， 因此风力发电机输出端可以直接给电加热器和柔性加热带供电，无需复杂的电力变换和稳 压装置；所述的太阳能热水器2水箱内安装有电加热器，供外接电源保温防冻和产生热水， 具体安装位置在靠近水箱底部，水箱侧端面留有电接口和控制器输出端连接；所述上、下水 管组件3、4的管道发泡隔热层和管壁之间缠有柔性电加热带，供冬季管道加热保温用，所 述下水管4为热水出口，安装于水箱端面下侧减小热水残余量；所述控制和蓄电模块5包括 蓄电池、控制器，蓄电池为夜晚无风条件管路防冻提供能量储备，控制器通过CPU控制继电 开关Kl、K2、K3、K4开合实现管道温度控制和能量分配管理。1.总体设计原则(1)小型风力发电机1设计额定功率为lkW，额定风速为8m/s时需要的风轮直径为3m左右，启动风速为3m/s，1-2级风即可启动供电，采用直流永磁发电机，额定风速条件 下输出电压36V，具有制造成本低，结构简单，控制和使用方便等特点，通过增加风力发电机 功率，即可将小风电的应用范围拓宽至电暖气供电等其他供暖和供电场合；(2)蓄电池额定电压24V，允许工作电压范围为20 28V，设计容量可供上、下水管 道-300C条件下2天加热保温使用，可以通过适当的隔热材料厚度控制热量需求避免蓄电 池容量要求过大，若两天时间内都没有出现有风天气给蓄电池补充能量，则通过缺电信号 通知用户采取紧急措施使用市电给蓄电池充电；(3)电加热器和加热带允许工作电压范围较宽，直流永磁风力发电机1工作在远 离额定工作点的情况下，也可以直接给电加热器供电产生热水，利于提高风电的热利用效率。(4)太阳能热水器2安装应尽可能减少直接暴露在室外环境的上、下水管的长度， 根据产品设计规范允许暴露的最大长度和蓄电池的容量，分析确定管道隔热层的材料及其 厚度，进而由保温需求的热流密度和蓄电池允许最低电压确柔性加热带电阻参数；(5)太阳能热水器2水箱内安装有电加热器，电加热器功率参数和风力发电机1相 匹配，其允许的最大过流能力由风力机安全风速条件下的最大输出电压来确定。2.能量管理原则(1)普通模式，专注于最大限度利用太阳能和风能产生热水，控制逻辑简单用于 室外环境温度高于o°c条件，风力发电机有输出时，优先给蓄电池充满电，其余用来产生热 水，若遇到晴天且风速较大情况，热水器水箱已满且水温达到100°c，将开水储存入备用保 温容器中供饮用或做饭等用途，然后补满水箱继续加热；晚上用完热水后，自动补满水箱便 于夜里利用风能产生热水。结合图2，其具体实现方法如下普通模式下，常态为继电开关K2始终断开，K3、K4常开，Kl长期闭合，实现风力 发电机随时给电加热器供电的目的；当U1 <24V，且风力发电机有输出功率时断开Kl同时闭合K3、K4，风力发电机通 过限压电路给蓄电池充电，直到蓄电池输出电压升高到28V，闭合Kl恢复电加热器供电，然 后断开Κ3、Κ4结束充电，限压电路具有防止风大时发电机转速高导致充电电压过高损坏蓄 电池的功能，除了 CPU之外，补水、排水电磁阀的供电也由蓄电池实现，不是本文的重点这 里不再详述。若出现蓄电池输出电SU1 < 24V的情况发电机输出功率为50-500W时，断开Kl 同时闭合K4，风力发电机通过限压电路给蓄电池充电，直到蓄电池输出电压上升到28V，断 开K4结束充电。若发电机输出功率大于500W，则无需断开K1，直接闭合K4，给蓄电池充电， 直到蓄电池输出电压上升到28V,断开K4结束充电。发电机没有输出，蓄电池输出电压U1 <22V时由于风力机无输出，如果一直没有出现有风条件，长期缺电会影响蓄电池寿命， 此时通过控制器发出缺电信号，需要人工连接充电器给蓄电池充电。这种情况通过系统设 计可以避免，但可作为应急措施也可以应对可能出现的风力机故障等情况。(2)冬季模式，优先解决保温防冻，具有更强的可靠性和适应性用于室外环境最 低温度低于0°C条件，上、下水管壁面温度低于4°C时，给管道柔性加热带供电保温，优先采 用风力发电机给加热带供电，只有在没有风的条件下才采用蓄电池供电；有风并且供管路 保温的电能富裕时，优先给蓄电池充电，然后才用来供给电加热器产生热水；晚上用完热水后，若剩余热水液面在加热器最高点之上，则先不必补水，反之则向水箱补水，以淹没加热 器最高点，防止电加热器干烧损坏；若晚上风速较大剩余热水水温上升到100°c，以1/10水 箱容量的自来水补充水箱；水箱装满条件下，若水温升高到100°c，将1/3水箱容量的开水 存入备用保温容器中供饮用或做饭等用途，然后补满水箱继续加热，避免一次性放空热水， 因风力减小出现补充完冷水后水箱温度过低的情况。结合图2，冬季模式下常态为继电开关Kl和K3长期闭合，保证只要风力发电机有输出就可以给电加热 器供电，用来产生热水，同时使得管路柔性加热带的供电处于待命状态，K2和K4断开。a.当风力发电机输出功率大于500W，管壁温度最小值Tb < 4°C时，闭合K2给电加 热带供电保温，管路温度上升到Tb > 15°C时，断开K2，实现管路温度控制。此时，若出现蓄电池输出电压U1 <24V的情况闭合K4，风力发电机通过限压电路 给蓄电池充电，直到蓄电池输出电压上升到28V，断开K4结束充电。b.当风力发电机输出功率介于200W-500W之间，管壁温度最小值Tb<4°C时，闭合 K2给电加热带供电保温，断开Kl集中功率给管路保温，管路温度上升Tb > 15°C时，闭合Kl 恢复电加热器供电产生热水，断开K2停止加热带供电；直到Tb < 40C，闭合K2断开Kl集中 功率给管路加热保温，反复切换实现管路防冻的同时，利用间歇时间给加热器供电产生热 水。此时，若出现蓄电池输出电压U1 < 24V的情况上述需要闭合Kl的情况改成闭合 K4，风力发电机利用保温间歇时间给蓄电池充电，直到蓄电池输出电压上升到28V，断开K4 结束充电，恢复为正常的保温和加热水间歇状态控制策略。c.当风力发电机输出功率小于200W，风力发电不能满足管路保温需求，则需要闭 合Kl恢复给电加热器供电，断开K3，闭合K4，采用蓄电池给电加热带供电保温，Tb > 15°C， 断开K2，Tb < 4°C时，闭合K2，采用K2反复开合的方法实现温度控制。此时，若出现蓄电池输出电压U1 < 22V的情况由于风力机无输出，如果一直没有 出现有风条件，可能无法保证管道不结冰，可通过控制器发出缺电信号，需要人工连接充电 器给蓄电池充电，同时给加热带供电。通过以上具体实施方案，就可以实现利用小型风力发电机1给柔性电加热带供电 实现室外上、下水管冬季防冻；在风速较大的晴天，风力发电机1给电加热器供电和太阳能 热水器2 —起工作，增强热水供应能力；在夜晚或连续阴、雨、雪天气，利用风能在更宽的时 间段保证稳定热水供应的目的。
权利要求一种适应寒冬环境的风、光互补热水器由小型风力发电机(1)，太阳能热水器(2)，上水管组件(3)，下水管组件(4)，控制和蓄电模块(5)组成，其特征在于采用所述小型风力发电机(1)为能源，通过控制和蓄电模块(5)给所述电加热器和柔性电加热带供电；所述的太阳能热水器(2)水箱内安装有电加热器，供外接电源保温防冻和产生热水，具体安装位置在靠近水箱底部，水箱侧端面留有电接口和控制器输出端连接；所述上、下水管组件(3)、(4)的管道发泡隔热层和管壁之间缠有柔性电加热带，所述下水管(4)为热水出口，安装于水箱端面下侧；所述控制和蓄电模块(5)包括蓄电池、控制器，控制器通过CPU控制继电开关K1、K2、K3、K4开合。
2.按照权利要求1所述的风、光互补热水器，其特征在于小型风力发电机(1)采用永 磁直流发电机。
3.按照权利要求1所述的风、光互补热水器，其特征在于采用所述柔性电加热带缠绕 在水管外壁，用发泡隔热材料包裹在电加热带外面。
专利摘要本实用新型公开一种适应寒冬环境的风、光互补热水器。采用所述小型风力发电机(1)为能源，通过控制和蓄电模块(5)给所述电加热器和柔性电加热带供电；所述的太阳能热水器(2)水箱内安装有电加热器，供外接电源保温防冻和产生热水，具体安装位置在靠近水箱底部，水箱侧端面留有电接口和控制器输出端连接；所述上、下水管组件(3)、(4)的管道发泡隔热层和管壁之间缠有柔性电加热带，所述下水管(4)为热水出口，安装于水箱端面下侧；所述控制和蓄电模块(5)包括蓄电池、控制器，控制器通过CPU控制继电开关K1、K2、K3、K4开合。其优点在于，小型风力发电机采用直流永磁发电机，无需对风轮转速进行控制和调节，只要保证安全风速条件下风轮转速在发电机允许最大转速范围内，结构简单，风能利用效率高；阻性负载对供电品质要求很低，发电机输出端直接给电加热器和柔性加热带供电，无需复杂的电力变换和稳压装置，能够在很宽的电压范围内工作产生热水，风电的热利用效率高。
文档编号F24J2/46GK201731642SQ201020000388
公开日2011年2月2日 申请日期2010年1月12日 优先权日2010年1月12日
发明者张亚 申请人:张亚