基于光伏水循环的一体化泵站防冻系统的制作方法

1.本实用新型涉及光伏水循环泵站及其防冻技术领域，特别涉及一种基于光伏水循环的一体化泵站防冻系统。


背景技术：

2.一体化泵站是一种将传统泵房与污水提升系统、通风系统、控制系统、管道系统相结合的集成泵站，是污水、雨水、废水的提升设备。相对于传统泵站相比，一体化泵站具有环境适应性强、规模较小、工期短等突出优点。
3.然而，冬季环境温度相对较低，特别是在我国北方地区，较低的环境温度使泵站内污水结冰，结冰使管道在冻胀载荷下变形，甚至出现阀门被冻坏造成泄漏等现象，对一体化泵站的运行产生很大影响。因此，必须采取有效的防冻措施以避免对一体化泵站造成损害，确保泵站安全有序地运行。
4.目前已有的防冻方法主要有被动式和主动式两种。其中最常用的被动式防冻方法是在泵站筒外包裹保温层，但这种方法在极端低温下性能较差，整体效率较低；还有一种方法是在低温时排空泵站中的水以避免冻结，即低温时不使用，该方法不能适用于需要持续运行的泵站。主动式方法一般是在泵站筒体设置加热装置，在极端天气下对筒进行主动电加热，加热即需要消耗能源，所以会增加能耗成本。同时，由于加热过程中最小能耗不确定，故使用恒定功率加热会造成一次能源的浪费，当然，也可以同时采用被动式和主动式方法。
5.本实用新型专利技术的目的是克服现有技术的不足，提供一种效果好、能耗低的基于光伏水循环的一体化泵站防冻系统。


技术实现要素：

6.为了科学节能地解决一体化泵站的防冻问题需要考虑两个方面：1)提供有效的热补偿避免一体化泵站被冻；2)采用可再生能源代替传统电加热回温方式消耗的高品位电能。
7.为了解决上述技术问题，本实用新型提供了一种基于光伏水循环的一体化泵站防冻系统，包括热补偿循环回路、光伏热源循环回路、光伏加热电路和控制子系统；
8.所述热补偿循环回路包括依次连接的一体化泵站筒体的缠绕管、二次侧循环水泵、热交换器的二次侧和二次侧阀门；
9.所述光伏热源循环回路包括依次连接的热交换器的一次侧、一次侧循环水泵、水箱、一次侧阀门和光伏热水模块；
10.所述加热电路包括依次串联的电加热器、第一热敏开关、电源柜和光伏热水模块，所述电源柜内置相互连接的蓄电池和逆变器，所述电加热器和第一热敏开关安装于水箱中；
11.所述控制子系统包括集成控制器，所述集成控制器分别与一次侧循环水泵、二次侧循环水泵、一次侧阀门、二次侧阀门、第一热敏开关、第二热敏开关和电源柜电连接，第二
热敏开关安装于筒体，所述集成控制器控制系统运行。
12.可选的，所述第二热敏开关检测到一体化泵站筒体的温度低于预设温度时，所述集成控制器控制一次侧阀门和二次侧阀门打开，同时启动一次侧循环水泵和二次侧循环水泵，所述光伏热水模块既将太阳能转化为电能并存储在蓄电池中，又将太阳能转化热能产生热水；若第一热敏开关检测到水箱中的水温低于温度阈值时，所述蓄电池通过逆变器转为交流电后向电加热器供电，所述电加热器使得水箱中的水温升高变成热水；所述热水在一次侧循环水泵驱动下在光伏热源循环回路中循环并通过热交换器将热量传递至热补偿循环回路，所述热补偿循环回路通过二次侧循环水泵将热量输送至一体化泵站筒体的缠绕管，所述缠绕管用于给一体化泵站筒体加热升温从而实现防冻。
13.可选的，所述热交换器采用板式热交换器或者管壳式热交换器。
14.可选的，所述一次侧阀门和二次侧阀门都采用电动开关阀门。
15.可选的，所述一次侧循环水泵和二次侧循环水泵都采用变频水泵。
16.可选的，所述一体化泵站筒体的缠绕管外侧设有保温层，所述保温层采用保温材料对一体化泵站筒体和缠绕管进行包裹保温。
17.可选的，所述集成控制器包括高温运行控制和低温运行控制两种控制模式：
18.当第二热敏开关检测到泵站筒内温度不低于预设值时，采用高温运行控制：所述一次侧阀门和二次侧阀门都关闭，光伏热水模块仅用于将太阳能转化为电能并存储在蓄电池中，所述蓄电池通过逆变器的转换为一体化泵站内的水泵供电；
19.当第二热敏开关检测到泵站筒内温度低于预设值时，采用低温运行控制：所述一次侧阀门和二次侧阀门都打开，所述一次侧循环水泵和二次侧循环水泵都启动，光伏热水模块既用于将太阳能转化为电能并存储在蓄电池中，又用于将太阳能转化热能产生热水；若第一热敏开关检测到水箱中的水温低于温度阈值时，所述蓄电池通过逆变器转为交流电后向电加热器供电，所述电加热器使得水箱中的水温升高变成热水；所述热水在一次侧循环水泵驱动下在光伏热源循环回路中循环并通过热交换器将热量传递至热补偿循环回路，所述热补偿循环回路通过二次侧循环水泵将热量输送至一体化泵站筒体的缠绕管，所述缠绕管用于给一体化泵站筒体加热升温从而实现防冻。
20.可选的，所述光伏热水模块设置清洁机构，所述清洁机构包括行走架、毛刷、伺服电机、传动链、两个螺杆和两个链轮；
21.两个所述螺杆平行设置于光伏热水模块的太阳能板两边，两个螺杆的相对端分别各固定一个链轮，两个所述链轮通过传动链连接，所述伺服电机与其中一个螺杆传动连接，所述伺服电机与集成控制器电连接；
22.所述行走架位于太阳能板的向阳面且两端与螺杆配合连接，所述毛刷固定在行走架与太阳能板相对侧，且毛刷与太阳能板表面接触。
23.可选的，所述保温层包括第一半包裹部分和第二半包裹部分，所述第一半包裹部分和第二半包裹部分设有能够将两者分开或者结合的开合机构；
24.所述第一半包裹部分和第二半包裹部分的两个结合处外侧都设有风扇，所述风扇与开合机构固定连接，所述风扇的吹风方向一致，所述风扇与集成控制器电连接；
25.当所述开合机构将第一半包裹部分和第二半包裹部分分开后，所述风扇正对第一半包裹部分和第二半包裹部分两者的开口位置。
26.可选的，所述开合机构包括支架、磁铁、驱动装置和旋转杆，所述驱动装置与集成控制器电连接，所述驱动装置和旋转杆的一端传动连接；
27.所述第一半包裹部分和第二半包裹部分都与支架滑动连接，所述第一半包裹部分和第二半包裹部分的两个结合部分别对应设有竖向凹槽；
28.所述竖向凹槽安装磁铁，所述第一半包裹部分和第二半包裹部分在磁铁的磁吸作用下结合；
29.所述旋转杆设置在竖向凹槽位置，所述驱动装置驱动旋转杆旋转90度，旋转杆旋转时使得第一半包裹部分和第二半包裹部分反向移动分开。
30.本实用新型的基于光伏水循环的一体化泵站防冻系统，将光伏热水循环系统和一体化水泵站结合在一起，在不同环境温度下切换不同的运行模式，在环境温度较低时，通过太阳能转化与两次循环的热量输送实现对一体化水泵站筒体的加热，有效防止筒体冻结；另一方面还可以将太阳能转化为电能用于供电，充分利用了太阳能这一清洁能源，达到节能的同时实现了对一体化水泵站防冻的目的。
31.本实用新型的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本实用新型而了解。本实用新型的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
32.下面通过附图和实施例，对本实用新型的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
33.附图用来提供对本实用新型的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本实用新型的实施例一起用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的限制。在附图中：
34.图1为本实用新型实施例中一种基于光伏水循环的一体化泵站防冻系统示意图；
35.图2为本实用新型的基于光伏水循环的一体化泵站防冻系统实施例的光伏热水模块采用的清洁机构示意图；
36.图3为本实用新型的基于光伏水循环的一体化泵站防冻系统实施例的一体化泵站筒体保温层采用的开合机构与散热用风扇示意图。
37.图中：缠绕管1、二次侧循环水泵2、热交换器3、二次侧阀门4、一体化泵站筒体5、一次侧循环水泵6、水箱7、一次侧阀门8、光伏热水模块9、电加热器10、第一热敏开关11、电源柜12、集成控制器13、第二热敏开关14、行走架15、毛刷16、螺杆17、链轮18、传动链19、伺服电机20、第一半包裹部分21、第二半包裹部分22、开合机构23、风扇24、支架25、驱动装置26、旋转杆27、竖向凹槽28。
具体实施方式
38.以下结合附图对本实用新型的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
39.如图1所示，本实用新型实施例提供了一种基于光伏水循环的一体化泵站防冻系统，包括热补偿循环回路、光伏热源循环回路、光伏加热电路和控制子系统；
40.所述热补偿循环回路包括依次连接的一体化泵站筒体5的缠绕管1、二次侧循环水泵2、热交换器3的二次侧和二次侧阀门4；
41.所述光伏热源循环回路包括依次连接的热交换器3的一次侧、一次侧循环水泵6、水箱7、一次侧阀门8和光伏热水模块9；
42.所述加热电路包括依次串联的电加热器10、第一热敏开关11、电源柜12和光伏热水模块9，所述电源柜12内置相互连接的蓄电池和逆变器，所述电加热器10和第一热敏开关11安装于水箱7中；
43.所述控制子系统包括集成控制器13，所述集成控制器13分别与一次侧循环水泵6、二次侧循环水泵2、一次侧阀门8、二次侧阀门4、第一热敏开关11、第二热敏开关14和电源柜12电连接，第二热敏开关14安装于筒体5，所述集成控制器13控制系统运行。
44.上述技术方案的工作原理和有益效果为：本方案将光伏热水循环系统和一体化水泵站结合在一起，在不同环境温度下切换不同的运行模式，在环境温度较低时，通过太阳能转化与两次循环的热量输送实现对一体化水泵站筒体的加热，有效防止筒体冻结；另一方面还可以将太阳能转化为电能用于供电，充分利用了太阳能这一清洁能源，达到节能的同时实现了对一体化水泵站防冻的目的。
45.在一个实施例中，所述第二热敏开关检测到一体化泵站筒体的温度低于预设温度时，所述集成控制器控制一次侧阀门和二次侧阀门打开，同时启动一次侧循环水泵和二次侧循环水泵，所述光伏热水模块既将太阳能转化为电能并存储在蓄电池中，又将太阳能转化热能产生热水；若第一热敏开关检测到水箱中的水温低于温度阈值时，所述蓄电池通过逆变器转为交流电后向电加热器供电，所述电加热器使得水箱中的水温升高变成热水；所述热水在一次侧循环水泵驱动下在光伏热源循环回路中循环并通过热交换器将热量传递至热补偿循环回路，所述热补偿循环回路通过二次侧循环水泵将热量输送至一体化泵站筒体的缠绕管，所述缠绕管用于给一体化泵站筒体加热升温从而实现防冻。
46.上述技术方案的工作原理和有益效果为：本方案提供了可选的对一体化水泵站防冻的系统运行控制模式，该运行控制模式可以充分利用太阳能，又可以通过能量存储方式兼顾太阳光照不足情况下的防冻需求，防止出现防冻不周情况，提高了设备运行的可靠性。
47.在一个实施例中，所述热交换器采用板式热交换器或者管壳式热交换器；所述一次侧阀门和二次侧阀门都采用电动开关阀门；所述一次侧循环水泵和二次侧循环水泵都采用变频水泵；所述一体化泵站筒体的缠绕管外侧设有保温层，所述保温层采用保温材料对一体化泵站筒体和缠绕管进行包裹保温。
48.上述技术方案的工作原理和有益效果为：本方案提供了热交换器、阀门和水泵的选用类型，采用电动开关阀门可以实现阀门自动控制，避免手动方式发生的人为操作失误；采用变频水泵可以根据温度的不同所反映的热量需求差异，调节水泵运行，从而在保障防冻情况下减少水泵能耗，进一步节能能源。
49.在一个实施例中，所述集成控制器包括高温运行控制和低温运行控制两种控制模式：
50.当第二热敏开关检测到泵站筒内温度不低于预设值时，采用高温运行控制：所述一次侧阀门和二次侧阀门都关闭，光伏热水模块仅用于将太阳能转化为电能并存储在蓄电池中，所述蓄电池通过逆变器的转换为一体化泵站内的水泵供电；
51.当第二热敏开关检测到泵站筒内温度低于预设值时，采用低温运行控制：所述一次侧阀门和二次侧阀门都打开，所述一次侧循环水泵和二次侧循环水泵都启动，光伏热水
模块既用于将太阳能转化为电能并存储在蓄电池中，又用于将太阳能转化热能产生热水；若第一热敏开关检测到水箱中的水温低于温度阈值时，所述蓄电池通过逆变器转为交流电后向电加热器供电，所述电加热器使得水箱中的水温升高变成热水；所述热水在一次侧循环水泵驱动下在光伏热源循环回路中循环并通过热交换器将热量传递至热补偿循环回路，所述热补偿循环回路通过二次侧循环水泵将热量输送至一体化泵站筒体的缠绕管，所述缠绕管用于给一体化泵站筒体加热升温从而实现防冻。
52.上述技术方案的工作原理和有益效果为：本方案通过在集成控制器中设置高温运行控制和低温运行控制两种控制模式，以适应不同环境温度情况下的运行要求，在高温不需要防冻时，将接收的太阳能都转化为电能用于一体化泵站内水泵的电力需求，实现了清洁能源的充分利用。
53.在一个实施例中，如图2所示，所述光伏热水模块设置清洁机构，所述清洁机构包括行走架15、毛刷16、伺服电机20、传动链19、两个螺杆17和两个链轮18；
54.两个所述螺杆17平行设置于光伏热水模块9的太阳能板两边，两个螺杆17的相对端分别各固定一个链轮18，两个所述链轮18通过传动链19连接，所述伺服电机20与其中一个螺杆17传动连接，所述伺服电机20与集成控制器13电连接；
55.所述行走架15位于太阳能板的向阳面且两端与螺杆17配合连接，所述毛刷16固定在行走架15与太阳能板相对侧，且毛刷16与太阳能板表面接触面。
56.上述技术方案的工作原理和有益效果为：本方案的清洁机构，螺杆的长度超过太阳能板的尺寸，即螺杆两端延伸出太阳能板的边沿，在不使用时，行走架停止在太阳能板的边沿外以防止挡太阳光，使用时，在伺服电机驱动下，以传动链使得两个平行螺杆同步放置，行走架与螺杆配合，螺杆的旋转使得行走架在光伏热水模块的太阳能板的向阳面沿螺杆进行移动，从而带动毛刷对太阳能板的向阳面进行清洁，去除表面积尘，以持久保障太阳能板的效率；伺服电机与集成控制器电连接，集成控制器可以按照设定时间周期启动伺服电机进行清洁工作，伺服电机能够正、反双向旋转；另外，集成控制器也可以通过检测数据评估计算太阳能板的效率衰减情况，若太阳能板的效率衰减达到设定阈值侧启动伺服电机，进行清洁工作。
57.在一个实施例中，如图3所示，所述保温层包括第一半包裹部分21和第二半包裹部分22，所述第一半包裹部分21和第二半包裹部分22设有能够将两者分开或者结合的开合机构23；
58.所述第一半包裹部分21和第二半包裹部分22的两个结合处外侧都设有风扇24，所述风扇24与开合机构23固定连接，所述风扇24的吹风方向一致，所述风扇24与集成控制器13电连接；
59.当所述开合机构23将第一半包裹部分21和第二半包裹部分22分开后，所述风扇24正对第一半包裹部分21和第二半包裹部分22两者的开口位置。
60.上述技术方案的工作原理和有益效果为：本方案通过将保温层分成两个半块部分，并设置开合机构用于将两个半块部分进行分开或者结合；当环境温度较低时，开合机构将两个半块部分结合对一体化泵站筒体形成整体包裹保温；当环境温度较高时，开合机构将两个半块部分打开，并启动设置在打开后开口位置的风扇，其中一个开口位置的风扇向一体化泵站筒体外表面吹风降温，另一个开口位置的风扇将给一体化泵站筒体外表面降低
后的热风排出，风扇只在保温层的两个半块部分打开时启动运行，当然，若两个半块部分打开后，一体化泵站通过自然散热就能满足其中的水泵运行温度要求时，风扇也可以不启动，只在通过自然散热不能满足其中的水泵运行温度要求时才启动风扇，从而节省能耗；本方案让一体化泵站可以适应高温环境和低温环境，在高温环境可以避免一体化泵站内的水泵因温度过高而发生故障或损坏，在低温环境可以避免冻裂。
61.在一个实施例中，如图3所示，所述开合机构23包括支架25、磁铁、驱动装置26和旋转杆27，所述驱动装置26与集成控制器13电连接，所述驱动装置26和旋转杆27的一端传动连接；
62.所述第一半包裹部分21和第二半包裹部分22都与支架25滑动连接，所述第一半包裹部分21和第二半包裹部分22的两个结合部分别对应设有竖向凹槽28；
63.所述竖向凹槽28安装磁铁(图中未示出)，所述第一半包裹部分21和第二半包裹部分22在磁铁的磁吸作用下结合；
64.所述旋转杆27设置在竖向凹槽28位置，所述驱动装置26驱动旋转杆27旋转90度，旋转杆27旋转时使得第一半包裹部分21和第二半包裹部分22反向移动分开。
65.上述技术方案的工作原理和有益效果为：本方案提供了开合机构的一种可选结构形式，通过在保温层分成两个半块部分的结合部设置磁铁方式让两者自动结合，以满足低温环境运行时的防冻需求；通过驱动装置和旋转杆，以旋转杆的旋转对两个半块部分形成相反的推力，让保温层分成两个半块部分打开，以适应高温环境运行；支架既为安装支撑体，又为保温层分成两个半块部分移动时的导向导轨，对于一体化泵站需要保温还是散热的判断与控制由集成控制器内置的控制模式与逻辑确定。
66.本实用新型的基于光伏水循环的一体化泵站防冻系统。该系统包括一体化泵站的筒体热补偿循环回路、光伏热源循环回路、光伏加热电路和控制子系统。所述筒体热补偿循环回路包括绕筒体的缠绕管、二次侧循环水泵、热交换器二次侧、二次侧阀门；光伏热源循环回路包括热交换器一次侧、一次侧循环水泵、水箱、一次侧阀门和光伏热水模块；所述光伏加热电路包括串联的电加热器、第一热敏开关、光伏热水模块、蓄电池和逆变器，电加热器和第一热敏开关安装于水中箱，用于能量的储存和转换；所述控制子系统包括集成控制器，集成控制器分别与一次侧循环水泵、二次侧循环水泵、一次侧阀门、二次侧阀门、第一热敏开关、第二热敏开关、蓄电池和逆变器连接，第二热敏开关安装于筒体内，集成控制器控制系统的整体运行。
67.使用时，整个系统由集成控制器控制。当一体化泵站筒内第二热敏开关检测到温度低于预设温度时，阀门全部打开，循环水泵全部开启。一方面，光伏热源循环回路中的水首先在一次侧循环水泵的作用下进入光伏热水模块，间接吸收太阳能，通过强制对流转化为热水。热水通过阀门进入热交换器一次侧，与热交换器二次侧的冷水进行逆流强制对流换热，然后返回水箱。
68.筒体热补偿循环回路中的冷水在热交换器二次侧被加热，变成热水。在二次侧循环水泵的作用下，热水进入绕筒体的缠绕管，与筒体交换热量，然后返回到热交换器二次侧再次吸收热量。实现了一体化泵站筒体的热补偿循环，避免了筒体结冰。
69.在光伏加热电路中，光伏热水模块吸收太阳能，将其转化为电能并存储在电池中，电池在夜间或日照不足时通过逆变器为水箱中的电加热器提供能量。保证一体化泵站筒体
获得稳定连续的热量，避免冻结。
70.本实用新型的系统可以设有两种工作模式：
71.1.高温工况
72.当第二热敏开关检测到泵站筒内温度不低于预设值时，系统所有阀门关闭。此时光伏热水模块仅用于产生电能并存储在蓄电池中，蓄电池通过逆变器的转换为一体化泵站内的水泵供电。
73.2.低温工况
74.当第二热敏开关检测到泵站筒内温度低于预设值时，所有阀门将被打开。此时，光伏热水模块将太阳能转化为电能并产生热水，电能储存在电池中，电池在夜间或光线不足时向水箱中的电加热器供电。热水用于一体化泵站筒体的热补偿循环。
75.该系统将光伏热水循环系统和一体化污水/雨水泵站结合在一起。一体化泵站可在不同环境温度下切换不同的运行模式，有效防止冻结，并常年供电(一方面为泵在高温工作模式下的运行提供动力支持；另一方面，光伏热水模块将太阳能转化为电能，产生热水，电能储存在电池中，电池在低温运行模式下为水箱中的电加热器提供电能)。本实用新型通过合理的管路规划和可再生能源的利用工艺设计实现节能，减少了市电的使用，具有良好的节能空间和更广泛的实用价值。
76.本实用新型与现有技术相比，本实用新型具有以下优点:
77.1.防冻效果更好，客户满意度更高。该系统充分利用太阳能，通过两个换热回路对低温一体化泵站进行充分换热，有效避免了一体化泵站内部冻结问题。
78.2.光伏利用效率越高，系统的节能潜力越大。光伏热水模块将太阳能转化为电和热，其管板结构使得铜管中的冷水在流动过程中带走模块表面大部分热量，进而使得光伏热水模块的温度降低，低温使光伏热水模块有更高的整体效率。在夜间或光照不足时，蓄电池中存储的电能为水箱中的电加热器提供电能，保证了一体化泵站能够获得稳定持续的热补偿。
79.3.该系统具有较高的整体经济效益。在可再生能源和节能减排领域，由于问题控制，存在节能潜力下降、成本增加的现状。单项技术的突破潜力不大，但是各类既有技术的系统集成创新示范具有重要价值。
80.本实用新型是将太阳能光伏应用于一体化泵站防冻系统中的技术应用，通过合理的管路规划与可再生能源利用工艺流程设计实现节能，减少额外高品位电能的使用，全程降低了能耗。对于一体化泵站的防冻问题，本实用新型具有很好的节能空间与更加广阔的实用价值。本系统具有较高的综合经济效益。
81.显然，本领域的技术人员可以对本实用新型进行各种改动和变型而不脱离本实用新型的精神和范围。这样，倘若本实用新型的这些修改和变型属于本实用新型权利要求及其等同技术的范围之内，则本实用新型也意图包含这些改动和变型在内。