一种太阳能温差发电的热水器系统的研制

王思诚　庞振国　董旭

摘 要：为提高太阳能热水器能源利用效率，降低热量浪费，本文介绍了一种基于太阳能温差发电的热水器系统。该系统通过改造储水箱的结构，采用间歇式上水方式，利用温差发电原理，可将太阳能热水器的多余热量用于发电，从而大幅提高能源利用率，整个系统结构简单，实现方便，运行稳定可靠。

关键词：温差发电；间歇；热水器；太阳能

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

1 引言

太阳能热水器是节能无污染的绿色环保产品。尽管太阳能热水器在清洁能源利用领域做出了突出的贡献，但使用中仍存在不足之处：热水使用时间少，热水器水温达到一定温度后，热能无法充分利用，造成浪费；上水采用一次性注满水箱，利用太阳能对整箱水加热，达到一定温度时，由于水温过高，造成水蒸汽流失浪费。针对上述问题，目前没有有效措施解决。如果能将浪费的热量用于发电并储存到储能设备中供用户使用，这样不但能更有效利用太阳能，还能降低用户的用电量，是非常有应用前景的技术。

为了解决上述问题，本文介绍了一种基于太阳能温差发电的热水器系统。该系统通过对热水器储水箱的结构进行改进，采用间歇式上水方式，利用温差发电原理，将太阳能热水器的多余热量用于发电，整个系统结构简单，运行稳定可靠。

2 系统结构设计

该太阳能温差发电功能的热水器系统由包含冷热水腔的储水箱、上水结构、上水控制器、隔热板温差组件、蓄电池组等组成。

图1为系统结构图。

2.1 储水箱结构

该储水箱由靠近其下部的两块平行且间隔设置的隔板分隔为上部的热水腔、两隔板之间的隔板腔和下部的冷水腔组成。隔板由导热材料制成，隔板腔内间隔设置多个电连接的温差发电模块，温差发电模块的顶面和底面分别与两隔板的板面紧密贴合，隔板腔中引出有与温差发电模块电连接的电力引线，电力引线与电能存储装置电连接；冷水腔与上水管连接，上水管与自来水系统连接，热水腔上连接主出水管，冷水腔和热水腔之间连接有中间管。

冷、热水腔之间的隔板腔形成换热腔，将温差发电模块安装在隔板腔内且模块顶面和底面分别与冷、热水腔的腔壁贴合，从而利用两水腔的温差产生电动势，多个模块产生的电动势最终储存在蓄电池等电能存储装置中，从而供日常用电。

2.2 隔热板温差组件

在隔热板腔温差发电模块之间的间隙内填充隔热材料并形成隔热层。设置隔热层可避免温差发电模块之间因热量串扰而影响发电效果，同时，隔热层还用于隔离冷、热水腔之间的热量互换，避免热量直接从热水腔传向冷水腔，从而保证冷、热水腔的温差以及温差发电模块的发电效果。

2.3 上水控制系统

上水控制系统由控制器采集温度传感器及液位传感器信号通过逻辑判断来控制电控上水阀实现对上水的智能控制。其中，冷、热水温度传感器用于感应冷、热水腔内水温、液位传感器用于检测热水腔内水位。电控上水阀的控制端和各传感器的信号输出端均与控制器电连接，由控制器根据热水腔内的水位情况以及冷、热水腔的温度或温差情况，对上水进行灵活控制，结构简单，操控方便。

冷水腔中还引出有副出水管，副出水管上安装有电控副出水阀，主出水管上安装有电控主出水阀，两出水阀的控制端均與控制器电连接。电控副出水阀为常闭式电磁阀，所述电控主出水阀为常开式电磁阀，两电磁阀由同一个线圈控制。利用电磁阀的常开和常闭触点对两个出水阀进行互锁控制，电路结构简单，操控方便。

3 间歇式上水方式

基于上述系统，设计了一种间歇式上水方法，该方法通过设定冷水腔温度阈值及冷、热水腔温度差阈值，判断热水腔内的水位情况以及冷、热水腔的温度或温差情况对上水进行灵活控制。可保证发电效果，提高能源利用率，避免热量浪费。上水方法步骤如下：

（1）在热水腔内分别设置第一水位线和第二水位线，第一水位线低于第二水位线，对热水腔的水位进行实时监测；

（2）开始上水，直到热水腔内的水位到达第一水位线，关闭上水；

（3）检测冷水腔内的水温，检测热水腔内的水温，当冷水腔内水温达高于温度阈值T1时或当热水腔内的水温和冷水腔内的水温温度差值小于T2时，重新开始上水，直到热水腔内的水位到达第二水位线，关闭上水，上水完成。

4 性能影响因素

该系统设计的储水箱中的热水腔与冷水腔分别作为热源与冷源，通过优化设计隔热板及间歇式上水方式确保了温差发电组件两侧具有足够的温差，来弥补温差发热片热流密度高的缺点，以保证温差发电组件性能达到最优。同时，为了最大限度的减少接触热阻提高冷热面之间温差，增大电能的输出，在冷热两面涂抹高性能导热硅脂。

5 小结

太阳能为人类提供源源不断的热能，是一种取之不尽、用之不竭的清洁能源。本系统通过将太阳能热水器多余的热能转换为电能，大幅提高了能源利用率并减少热能浪费，整个系统结构简单，实现方便，运行稳定可靠。同时，太阳能热水器作为普及率很高的家用电器，被用作系统的热源，使本系统的实际应用能力大大提升。

作者简介：王思诚（1972-），男，山东潍坊人，本科，高级技师，从事变电二次检修工作。