一种基于太阳能驱动的主被动恒温水箱的制作方法

1.本发明涉及水箱技术领域，尤其涉及一种基于太阳能驱动的主被动恒温 水箱。


背景技术：

2.能源问题在现在愈来愈受到人们的关注，节能环保是现阶段新型设备装 置首要考虑的问题。在一些大型的公共场所，水箱是必不可少的。但是传统 的储水箱单一采用“主动保温”或“被动保温”的功能，这样难免会造成不 必要的能源损耗。对于能源损耗的设计欠缺考虑，对于热水储存的节能控温 也没有考虑，仅仅是依赖于储存水箱的保温性实现被动控温。若是想提高用 水体验感，则需要加热设备长时间高负荷工作，甚至是24小时的工作。
3.传统的供应热水手段多采用“现加热现用”的方法来运输热水至使用者。 这样的热水运输方式就会大大增加不必要的能源损失，常常会造成“供不应 求”“供大于求”的尴尬情形。所以本方案提出了一种利用绿色能源的可实 现主动加热的储能水箱，用于配合各类的热水加热装置(空气能热泵热水器、 太阳能真空管、普通锅炉等)来减小能源的损失，实现环保，绿色，经济， 高效的目的。
4.目前传统的热水加热方式主要为三种：普通供热锅炉、空气能热泵热水 器和太阳能真空管热水器。其中，主流的太阳能热水器是采用真空管太阳能 进行加热，安装位置受到很大局限(通常要放在顶楼，影响建筑的美观，另 外对屋顶的设计有一定要求)。更重要的是在太阳充分的时候可以得到充足 的热水，但阴雨天气尤其是冬天，水箱中的水没有获得充分的太阳能甚至在 一些相对较冷的地区，室外管路长冷水多，易冻堵。即使采用了太阳能电加 热混合式的电热水器进行加热可能也无法获得热水。而对于电加热热水器、 燃气热水器，热泵热水器等尽管气候环境等对工作性能没有严格的要求，但 是仍然需要配备水箱储存热水，而尽管水箱会设置在低温环境下仍然会有大 量能耗损失，直接造成加热主机连续工作，造成能耗提高，并影响供水质量。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种基于太阳能驱动的主被动恒温水箱，解决背 景技术中提到的技术问题。克服上面所说的储水箱易受到环境影响，但同时 也要兼顾节能的目的来保证供水。
6.同时本方案不止在热水器上考虑了节能问题，寒冷气候下，被动水温维 持水箱会有大量热量耗散，因此考虑了一种新型的储能水箱来主动进行水温 维持。这样的话供应热水的效率会大大提高从而让用户获得随时可以使用热 水的良好体验。最后水在空气能热水器热的温度可以适当降低，辅助储能水 箱有一定的加热能力，形成联合加热系统更加节能。本方案水箱采用光伏智 能储能温控水箱。
7.为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
8.一种基于太阳能驱动的主被动恒温水箱，包括保温壳体、太阳能装置、 控制电路、
进水出口装置、箱体内部环境传感器、管口传感器、电热丝和卷 帘装置，太阳能装置设置在保温壳体的顶部，进水出口装置设置在保温壳体 的侧边，箱体内部环境传感器设置在保温壳体的内部，管口传感器设置在进 水出口装置上，电热丝设置在保温壳体内部的底部，卷帘装置设置在保温壳 体的外侧壁上，太阳能装置、箱体内部环境传感器、管口传感器、电热丝和 卷帘装置均与控制电路连接。
9.进一步地，太阳能装置包括光伏控制器、充放电保护板、铝电池和光伏 板，光伏控制器、充放电保护板和铝电池设置在保温壳体的顶部，光伏板设 置在光伏控制器、充放电保护板和铝电池的顶部，光伏板经光伏控制器和充 放电保护板与铝电池连接。
10.进一步地，进水出口装置包括热泵进水口、回水管口、供水口、热泵出 水口和排污口，热泵进水口和热泵出水口设置在保温壳体的一侧，回水管口、 供水口和排污口设置在保温壳的另一侧，排污口设置在保温壳体的底部。
11.进一步地，保温壳体的外侧涂设有黑色铬膜层，保温壳体包括外层不锈 钢层、苯板和内层不锈钢层，苯板设置在外层不锈钢层和内层不锈钢层之间。
12.进一步地，电热丝的外侧套设有不锈钢管，不锈钢管的内部填充有氧化 镁填充物。
13.进一步地，卷帘装置包括电滚动轴装置、卷帘、卷帘温度传感器和卷帘 光能传感器，电滚动轴装置、卷帘温度传感器和卷帘光能传感器与控制电路 连接，卷帘温度传感器和卷帘光能传感器设置在电滚动轴装置的两端，卷帘 与电滚动轴装置连接。
14.进一步地，箱体内部环境传感器包括压力传感器、内部水温传感器和水 中溶解性固体总量(tds)的水质传感器，用于检测检测水箱内部的压力、温度 和水质的参数。
15.进一步地，管口传感器包括水流量传感器和管口水温传感器，实时检测 水管口的水流量与水温。
16.本发明由于采用了上述技术方案，具有以下有益效果：
17.(1)本发明四周设置太阳能吸热保温层，可以实现外部温度高时热能吸 收，外部温度低时阻隔内部向外部传热，构成单向保温装置，具体是实现方 式是箱体表面涂上吸热涂层，可以保证白天太阳充足的情况下，主动的吸收 太阳能或其他外部能量，而夜间、外部温度过低或者阳光不充足的情况下， 热反射膜的会自动覆盖整个箱体，防止内部能量的流失。
18.(2)光伏水箱可以实现自主主动加热能力，实现主动保温的功能，水是 通过热泵加热储存在水箱中，而水箱四周和底部设置加热装置，而加热装置 的能源主要是由光伏板提供从而实现主动保温或者提升水温的功能。
19.(3)安置了智能温控调节系统，包括感知系统和处理单元，感知系统由 内外部温度传感器及与主机相连的温度传感器来感知环境温度、水箱内水温、 及主机的出水温度，处理单元为嵌入式系统，算法内嵌于芯片中有助于快速 反应，在感知系统和处理单元的无缝工作下，来保证其水箱内部水温可以维 持在热水供应的要求范围。
附图说明
20.图1是本发明主视剖面图；
21.图2是本发明左视图；
22.图3是本发明电热丝结构示意图；
23.图4是本发明保温壳体结构示意图。
24.附图中，1-保温壳体，2-热泵进水口，3-光伏控制器，4-充放电保护板， 5-铝电池，6-光伏板，7-控制电路，8-回水管口，9-黑色铬膜层，10-供水口， 11-箱体内部环境传感器，12-管口传感器，13-热泵出水口，14-排污口，15
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电热丝，16-卷帘装置，17-水，18-氧化镁填充物，19-不锈钢管，20-外层不锈 钢层，21-苯板，22-内层不锈钢层。
具体实施方式
25.为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举 出优选实施例，对本发明进一步详细说明。然而，需要说明的是，说明书中 列出的许多细节仅仅是为了使读者对本发明的一个或多个方面有一个透彻的 理解，即便没有这些特定的细节也可以实现本发明的这些方面。
26.如图1-4所示，一种基于太阳能驱动的主被动恒温水箱，包括保温壳体1、 太阳能装置、控制电路7、进水出口装置、箱体内部环境传感器11、管口传 感器12、电热丝15和卷帘装置16，太阳能装置设置在保温壳体1的顶部， 进水出口装置设置在保温壳体1的侧边，箱体内部环境传感器11设置在保温 壳体1的内部，管口传感器12设置在进水出口装置上，电热丝15设置在保 温壳体1内部的底部，卷帘装置16设置在保温壳体1的外侧壁上，太阳能装 置、箱体内部环境传感器11、管口传感器12、电热丝15和卷帘装置16均与 控制电路7连接。本产品安置了智能温控调节系统，包括感知系统(传感器) 和处理单元(单片机最小系统)，感知系统由内外部温度传感器及与主机相 连的温度传感器来感知环境温度、水箱内水温、及主机的出水温度，处理单 元为嵌入式系统，算法内嵌于芯片中有助于快速反应，在感知系统和处理单 元的无缝工作下，来保证其水箱内部水温可以维持在热水供应的要求范围。
27.光伏智能温控水箱主要运用于大型公共场所，可以实现储水系统的温度 精确控制和主动保持，并和加热主机联动，能够解决供热设备长时间的设备 损耗速度。有效的提高能耗比，保证设备的安全，减少人力物力的消耗。此 外，采用本发明所提出的设计方案，不需要考虑安装位置，可以将加热系统 任意安放，进一步提升设备的适应性。现在提出一种光伏智能储能温控水箱， 不仅可以提升水箱的保温性能来储存这些加热好的热水，还可以实现与加热 主机的联动工作，降低主机的工作功率，而光伏能源的加入有效的降低能源 的消耗，节约成本。有了水箱的过渡缓冲，热水泵以及锅炉可以安置在更安 全的地方进行工作。从社会认可度来看，光伏发电，高效利用太阳能在近几 年明显得到社会以及大众的广泛关注与认可。人们更加支持这种经济实用、 绿色的供能设备。而从经济利益角度，全国还未对这种设备广泛投入研发， 仅处于起步的阶段。同时空气能热泵热水器也更加经济节能。
28.实现隔热材料选取单向保温装置，水箱的智能温控调节系统，保证在 50-70摄氏度，采用新型的绿色供能方案，光伏板+电阻丝更好的进行加热， 节能，将传统热泵与光伏水箱相结合，将水箱最为储能设备而不是供能设备， 也解决了阴雨天没有热水的问题。
29.本发明实施例中，如图1所示，太阳能装置包括光伏控制器3、充放电保 护板4、铝电池5和光伏板6，光伏控制器3、充放电保护板4和铝电池5设 置在保温壳体1的顶部，光伏板6设置在光伏控制器3、充放电保护板4和铝 电池5的顶部，光伏板6经光伏控制器3和充放
电保护板4与铝电池5连接。 光伏水箱可以实现自主主动加热能力，实现主动保温的功能，水是通过热泵 加热储存在水箱中，而水箱四周和底部设置加热装置，而加热装置的能源主 要是由光伏板提供从而实现主动保温或者提升水温的功能。
30.本发明实施例中，如图1所示，进水出口装置包括热泵进水口2、回水管 口8、供水口10、热泵出水口13和排污口14，热泵进水口2和热泵出水口 13设置在保温壳体1的一侧，回水管口8、供水口10和排污口14设置在保 温壳体(1)的另一侧，排污口14设置在保温壳体1的底部。
31.本发明实施例中，如图4所示，保温壳体1的外侧涂设有黑色铬膜层9， 保温壳体1包括外层不锈钢层20、苯板21和内层不锈钢层22，苯板21设置 在外层不锈钢层20和内层不锈钢层22之间。
32.本发明实施例中，如图3所示，电热丝15的外侧套设有不锈钢管19，不 锈钢管19的内部填充有氧化镁填充物18。
33.本发明实施例中，卷帘装置16包括电滚动轴装置、卷帘、卷帘温度传感 器和卷帘光能传感器，电滚动轴装置、卷帘温度传感器和卷帘光能传感器与 控制电路7连接，卷帘温度传感器和卷帘光能传感器设置在电滚动轴装置的 两端，卷帘与电滚动轴装置连接。四周设置太阳能吸热保温层，可以实现外 部温度高时热能吸收，外部温度低时阻隔内部向外部传热，构成单向保温装 置，具体是实现方式是箱体表面涂上吸热涂层，可以保证白天太阳充足的情 况下，主动的吸收太阳能或其他外部能量，而夜间、外部温度过低或者阳光 不充足的情况下，热反射膜的会自动覆盖整个箱体，防止内部能量的流失。
34.本发明实施例中，箱体内部环境传感器11包括压力传感器、内部水温传 感器和水质传感器，用于检测检测水箱内部的压力、温度和水质的参数。管 口传感器12包括水流量传感器和管口水温传感器，实时检测水管口的水流量 与水温。
35.主要是将热泵加热好的热水存储于水箱，利用水箱实现“主动控温”与
ꢀ“
被动控温”相结合的方式来达到节能的目的。通过光伏板传递给电阻丝的 能量来传递给储存水，实现“光能
→
电能
→
热能的转化”。水箱的顶面铺设光 伏板，在采光充足的条件下将光能转化为电能储存于锂电池中。为了防止光 照过于强烈在两者之间加设了光伏控制器与充放电保护板，以此来延长锂电 池的寿命，同时保证电流在合理安全的范围之内。为了提升校园的供水量， 现采用gf-100l光伏板，水箱的容积为100l。水箱整体材料使用复合板，采 用苯板来做芯层，然后使用不锈钢水箱来作为内表层，外层则使用普通的不 锈钢板材。这三种材料结合起来构成水箱的保温层，来防止内部能量的损失。 最外层钢板上涂有黑色铬膜，在白天或者阳光充足时具有很好的吸热性能以 此来达到被动控温的目的。到了夜晚没有光照、或者遇到阴雨天气时，采用 一种防水防火隔热保温材料，彩钢房顶隔热层铝箔隔热卷材。通过电控系统 控制卷帘装置旋转，实现自动覆盖整个水箱体。在不用的时候收到最边上。 此时可以防止水箱内部的能量与外界环境交互，同时可以使用锂电池储存的 能量通过加热电阻丝加热水源实现主动控温。在两者交互运作过程中来实现 单向保温的功能。箱体的四周分别设置了热泵的进出水口来连接热泵，回水 管口，供水口以及排污口。每一个管口都安置了水管口传感器，通过与智能 芯片的连接，由soc来读取传感器的参数实时检测水管口的水流量与水温。 箱体内壁内嵌环境传感器，来检测水箱内部的压力、温度、水质等环境。在 水箱的底部设置加热电阻丝，外部设置不锈钢钢管来防止锈蚀，内部采用
氧 化镁粉为填充物，在两端设置封头与接线柱。连接埋藏在水箱上的导线，同 时接入soc控制电阻丝的功率。感知系统由内外部温度传感器及与主机相连 的温度传感器来感知环境温度、水箱内水温、及主机的出水温度，处理单元 为stc89c52系列单片机最小系统或者stm32嵌入式系统，在感知系统和处 理单元的无缝工作下，来保证其水箱内部水温可以维持在50-70摄氏度。当水 温度低于50摄氏度时，在温度传感器的反馈下，卷帘装置自动启动，加热系 统启动以达到主动控温的效果。同时在卷帘装置电滚动轴上设置温度、光能 传感器，在两者的交互作用下取一值，高于此值便将反射膜收起，低于此值 自动覆盖水箱四壁。整个水箱的设计功能如图1所示。而且可以通过复杂的 管道接多个水箱实现“一泵多箱”的功能，这样设计可以大大减少加热热水 的水泵，因为水泵内部温度高，环境复杂压力可能会不均匀，这样就大大提 高了安全性。水箱又可以实现“一箱多户”的功能，来满足大量用户的需求。
36.以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普 通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润 饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。