一種太陽能溫差發電的熱水器系統的研制

王思誠　龐振國　董旭

摘 要：為提高太陽能熱水器能源利用效率，降低熱量浪費，本文介紹了一種基于太陽能溫差發電的熱水器系統。該系統通過改造儲水箱的結構，采用間歇式上水方式，利用溫差發電原理，可將太陽能熱水器的多余熱量用于發電，從而大幅提高能源利用率，整個系統結構簡單，實現方便，運行穩定可靠。

關鍵詞：溫差發電；間歇；熱水器；太陽能

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.19.038

1 引言

太陽能熱水器是節能無污染的綠色環保產品。盡管太陽能熱水器在清潔能源利用領域做出了突出的貢獻，但使用中仍存在不足之處：熱水使用時間少，熱水器水溫達到一定溫度后，熱能無法充分利用，造成浪費；上水采用一次性注滿水箱，利用太陽能對整箱水加熱，達到一定溫度時，由于水溫過高，造成水蒸汽流失浪費。針對上述問題，目前沒有有效措施解決。如果能將浪費的熱量用于發電并儲存到儲能設備中供用戶使用，這樣不但能更有效利用太陽能，還能降低用戶的用電量，是非常有應用前景的技術。

為了解決上述問題，本文介紹了一種基于太陽能溫差發電的熱水器系統。該系統通過對熱水器儲水箱的結構進行改進，采用間歇式上水方式，利用溫差發電原理，將太陽能熱水器的多余熱量用于發電，整個系統結構簡單，運行穩定可靠。

2 系統結構設計

該太陽能溫差發電功能的熱水器系統由包含冷熱水腔的儲水箱、上水結構、上水控制器、隔熱板溫差組件、蓄電池組等組成。

圖1為系統結構圖。

2.1 儲水箱結構

該儲水箱由靠近其下部的兩塊平行且間隔設置的隔板分隔為上部的熱水腔、兩隔板之間的隔板腔和下部的冷水腔組成。隔板由導熱材料制成，隔板腔內間隔設置多個電連接的溫差發電模塊，溫差發電模塊的頂面和底面分別與兩隔板的板面緊密貼合，隔板腔中引出有與溫差發電模塊電連接的電力引線，電力引線與電能存儲裝置電連接；冷水腔與上水管連接，上水管與自來水系統連接，熱水腔上連接主出水管，冷水腔和熱水腔之間連接有中間管。

冷、熱水腔之間的隔板腔形成換熱腔，將溫差發電模塊安裝在隔板腔內且模塊頂面和底面分別與冷、熱水腔的腔壁貼合，從而利用兩水腔的溫差產生電動勢，多個模塊產生的電動勢最終儲存在蓄電池等電能存儲裝置中，從而供日常用電。

2.2 隔熱板溫差組件

在隔熱板腔溫差發電模塊之間的間隙內填充隔熱材料并形成隔熱層。設置隔熱層可避免溫差發電模塊之間因熱量串擾而影響發電效果，同時，隔熱層還用于隔離冷、熱水腔之間的熱量互換，避免熱量直接從熱水腔傳向冷水腔，從而保證冷、熱水腔的溫差以及溫差發電模塊的發電效果。

2.3 上水控制系統

上水控制系統由控制器采集溫度傳感器及液位傳感器信號通過邏輯判斷來控制電控上水閥實現對上水的智能控制。其中，冷、熱水溫度傳感器用于感應冷、熱水腔內水溫、液位傳感器用于檢測熱水腔內水位。電控上水閥的控制端和各傳感器的信號輸出端均與控制器電連接，由控制器根據熱水腔內的水位情況以及冷、熱水腔的溫度或溫差情況，對上水進行靈活控制，結構簡單，操控方便。

冷水腔中還引出有副出水管，副出水管上安裝有電控副出水閥，主出水管上安裝有電控主出水閥，兩出水閥的控制端均與控制器電連接。電控副出水閥為常閉式電磁閥，所述電控主出水閥為常開式電磁閥，兩電磁閥由同一個線圈控制。利用電磁閥的常開和常閉觸點對兩個出水閥進行互鎖控制，電路結構簡單，操控方便。

3 間歇式上水方式

基于上述系統，設計了一種間歇式上水方法，該方法通過設定冷水腔溫度閾值及冷、熱水腔溫度差閾值，判斷熱水腔內的水位情況以及冷、熱水腔的溫度或溫差情況對上水進行靈活控制。可保證發電效果，提高能源利用率，避免熱量浪費。上水方法步驟如下：

（1）在熱水腔內分別設置第一水位線和第二水位線，第一水位線低于第二水位線，對熱水腔的水位進行實時監測；

（2）開始上水，直到熱水腔內的水位到達第一水位線，關閉上水；

（3）檢測冷水腔內的水溫，檢測熱水腔內的水溫，當冷水腔內水溫達高于溫度閾值T1時或當熱水腔內的水溫和冷水腔內的水溫溫度差值小于T2時，重新開始上水，直到熱水腔內的水位到達第二水位線，關閉上水，上水完成。

4 性能影響因素

該系統設計的儲水箱中的熱水腔與冷水腔分別作為熱源與冷源，通過優化設計隔熱板及間歇式上水方式確保了溫差發電組件兩側具有足夠的溫差，來彌補溫差發熱片熱流密度高的缺點，以保證溫差發電組件性能達到最優。同時，為了最大限度的減少接觸熱阻提高冷熱面之間溫差，增大電能的輸出，在冷熱兩面涂抹高性能導熱硅脂。

5 小結

太陽能為人類提供源源不斷的熱能，是一種取之不盡、用之不竭的清潔能源。本系統通過將太陽能熱水器多余的熱能轉換為電能，大幅提高了能源利用率并減少熱能浪費，整個系統結構簡單，實現方便，運行穩定可靠。同時，太陽能熱水器作為普及率很高的家用電器，被用作系統的熱源，使本系統的實際應用能力大大提升。

作者簡介：王思誠（1972-），男，山東濰坊人，本科，高級技師，從事變電二次檢修工作。