太陽(yáng)能熱水器自動(dòng)上水系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)

(淮陰工學(xué)院 江蘇 淮安 223001)

一、研究背景

隨著太陽(yáng)能熱水器的發(fā)展，目前太陽(yáng)能熱水器主要分為平板型太陽(yáng)能熱水器和真管型太陽(yáng)能熱水器[3]。平板式太陽(yáng)能熱水器是專(zhuān)門(mén)為高層、小高層住宅配套設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)的太陽(yáng)能熱水器由于先天不足無(wú)法實(shí)現(xiàn)與建筑及環(huán)境完美結(jié)合的遺憾，這一開(kāi)發(fā)真正體現(xiàn)了太陽(yáng)能與建筑及環(huán)境一體化的完美結(jié)合。真空管式太陽(yáng)能熱水器主要由熱管、吸熱板、玻璃管、金屬端蓋和消氣劑等部件組成，使用不受安裝條件的限制，無(wú)論是在對(duì)于平房用戶還是高層樓房用戶，均可安裝使用。其二者的主要區(qū)別式受熱方式不同。與真空管式太陽(yáng)能熱水器使用熱管受熱不同，平板式太陽(yáng)能熱水器的受熱材質(zhì)被加工成版型，安裝起來(lái)更加方便。由于平板式熱水器出現(xiàn)的時(shí)間較晚。故本次實(shí)驗(yàn)重點(diǎn)在于熱管式太陽(yáng)能熱水器的改造。

二、太陽(yáng)能熱水器現(xiàn)狀

(一)太陽(yáng)能熱水器的安裝和維護(hù)

太陽(yáng)能熱水器在安裝過(guò)程中需要注意傾角問(wèn)題，經(jīng)研究證明5度～ 45度傾角太陽(yáng)能熱水器均具有較高的集熱性能， 60度～ 90度 集熱性能逐步減少。考慮到全年太陽(yáng)入射角及輻照的變化，選用太陽(yáng)能熱水器的適宜傾角為30度～45度，此角度范圍能夠使太陽(yáng)能熱水器在全年得到最大熱效率[4]。同時(shí)在維護(hù)保養(yǎng)方面應(yīng)注意如下要求;定期進(jìn)行系統(tǒng)排污，防止管路阻塞；并對(duì)水箱進(jìn)行清洗，保證水質(zhì)清潔；定期清除太陽(yáng)能熱水器透明蓋板上的塵埃、污垢，保持蓋板的清潔以保證較高的透光率；注意檢查透明蓋板是否損壞，如有破損應(yīng)及時(shí)更換。真空管太陽(yáng)能熱水器要經(jīng)常檢查真空管的真空度或內(nèi)玻璃管是否破碎真空管太陽(yáng)熱水器除了清洗真空管外，還應(yīng)同時(shí)清洗反射板。巡視檢查各管道、閥門(mén)、浮球閥、電磁閥、連接膠管等有無(wú)滲漏現(xiàn)象，如有則應(yīng)及時(shí)修復(fù)。太陽(yáng)能熱水器的吸熱涂層若有損壞或脫 落應(yīng)及時(shí)修復(fù)。所有支架、管路等每年涂刷一次保護(hù)漆，以防銹蝕；防止悶曬；安裝有輔助熱源的全天候太陽(yáng)能熱水器，應(yīng)定期檢查輔助熱源裝置及換熱器工作正常與否[5]。

(二)國(guó)內(nèi)外太陽(yáng)能熱水器現(xiàn)狀

由于太陽(yáng)能熱水器相較于其他熱水器存在諸多優(yōu)勢(shì)，所以各國(guó)都在大力發(fā)展太陽(yáng)能熱水器舉例來(lái)說(shuō)美國(guó)強(qiáng)制規(guī)定能源配額， 以提高其競(jìng)爭(zhēng)力 ，同時(shí)采取稅收和信貸優(yōu)惠政策， 加大資金投入 ，而在2009年奧巴馬政府也通過(guò)了包括一系列法案來(lái)大力推行太陽(yáng)能計(jì)劃。在德國(guó)，通過(guò)《可再生能源》法案使太陽(yáng)能熱水器得到了空前的發(fā)展，該法案于2004重新修訂通過(guò)了“光伏補(bǔ)貼削減法案 ”，同時(shí)德國(guó)還具有“十萬(wàn)太陽(yáng)能屋頂計(jì)劃 ”等一系列措施，推動(dòng)太陽(yáng)能熱水器的發(fā)展。日本也有新陽(yáng)光計(jì)劃來(lái)推動(dòng)太陽(yáng)能熱水器實(shí)施[6]。

在我國(guó)，國(guó)家發(fā)改委推出了名為“家電下鄉(xiāng)計(jì)劃”的惠民政策。并將太陽(yáng)能熱水器納入補(bǔ)貼計(jì)劃當(dāng)中，然而，就推行情況來(lái)說(shuō)，并不是十分理想，有以下幾點(diǎn)原因：首先審批手續(xù)過(guò)于繁瑣，對(duì)于申請(qǐng)“家電下行”的農(nóng)村居民來(lái)說(shuō)，他們需要提供包括身份證、家電下鄉(xiāng)補(bǔ)貼政明、戶口本、收入證明以及銀行存折等諸多材料。其次，農(nóng)村居民獲取信息的渠道有限，造成了對(duì)于產(chǎn)品是否達(dá)到補(bǔ)貼判斷力不足[7]。

(三)國(guó)內(nèi)知名太陽(yáng)能企業(yè)情況

目前，我國(guó)太陽(yáng)能熱水器發(fā)展迅速，越來(lái)越多的企業(yè)進(jìn)入這個(gè)市場(chǎng)，其中不乏一些著名企業(yè)[8]，以海爾為例，2016年，在行業(yè)逐年下滑的背景下，實(shí)現(xiàn)了逆勢(shì)增長(zhǎng)，年增長(zhǎng)率超過(guò)5%。在技術(shù)方面，海爾ALL-IN-ONE太陽(yáng)能最大的特點(diǎn)就是將水箱與集熱器集合為一體[9]。這意味著將制熱和儲(chǔ)熱合二為一，陽(yáng)光可以直接加熱鍍膜鋼管中的水，在同等條件下制熱速度較傳統(tǒng)產(chǎn)品提高2倍。同時(shí)，該產(chǎn)品還采用了顛覆性創(chuàng)新設(shè)計(jì)，將零件數(shù)量由傳統(tǒng)產(chǎn)28個(gè)減少為3個(gè)，整機(jī)組裝時(shí)間較傳統(tǒng)產(chǎn)品縮短 50%，更加省時(shí)省力[10]。

三、擬定的解決方案

(一)硬件解決方案

本次課程擬采用AT89C51單片機(jī)作為主要控制單元。其具有容量大、片內(nèi)外設(shè)豐富、應(yīng)用軟件配套資源豐富等特點(diǎn)。在檢測(cè)上水是否完成的過(guò)程中。擬采用在太陽(yáng)能熱水器溢水管處加裝霍爾水流傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)。對(duì)于自動(dòng)停止上水，擬采用電機(jī)通過(guò)機(jī)械傳動(dòng)帶動(dòng)閥門(mén)實(shí)現(xiàn)。并使用數(shù)碼二極管電路顯示上水時(shí)間。其基本結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示:

圖1 基本結(jié)構(gòu)框圖

(二)軟件流程方案

為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)所需功能該系統(tǒng)的基本流程為：首先按動(dòng)按鈕，或者當(dāng)滿足時(shí)間要求時(shí)單片機(jī)通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)電機(jī)從而打開(kāi)閥門(mén)使太陽(yáng)能熱水器開(kāi)始上水。當(dāng)水上滿時(shí)，多余得水通過(guò)溢水管流出，使霍爾傳感器開(kāi)始旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生脈沖信號(hào)，單片機(jī)接收到脈沖信號(hào)后，通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)電機(jī)關(guān)閉閥門(mén)。從而達(dá)到當(dāng)完成上水時(shí)，自動(dòng)停止上水的目的。其基本流程圖如圖2所示:

圖2 基本流程圖

【參考文獻(xiàn)】

[1]陳曉明. 南方住宅太陽(yáng)能熱水器的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性分析[D].南華大學(xué),2010.

[2]祁嬌.基于系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的太陽(yáng)能熱水器市場(chǎng)預(yù)測(cè)分析[J].太陽(yáng)能,2015(09):6-11.

[3]王磐. 太陽(yáng)能熱水器在既有住宅中的應(yīng)用研究[D].天津大學(xué),2003.

[4]趙海鷗,李旭光,趙娟,李本華,許晶,陳年庚.不同傾角太陽(yáng)能熱水器北京地區(qū)熱性能試驗(yàn)研究[J].太陽(yáng)能,2013(24):54-56+60.

[5]柳新.太陽(yáng)能熱水器的維護(hù)保養(yǎng)方法[J].大眾用電,2017,32(05):49.

[6]海山,欒春娟.全球太陽(yáng)能光伏產(chǎn)業(yè)法律政策分析及啟示[J].太陽(yáng)能,2012(23):6-13.

[7]胡潤(rùn)青,李俊峰.全球太陽(yáng)能熱利用行業(yè)激勵(lì)政策及對(duì)我國(guó)的啟示[J].中國(guó)能源,2007(09):27-31.

[8]我國(guó)太陽(yáng)能熱水器產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀及展望_劉文強(qiáng)[J].太陽(yáng)能，2012(24):5—14.

[9]基于單片機(jī)的太陽(yáng)能熱水器自動(dòng)上水系統(tǒng)設(shè)計(jì)_嚴(yán)冬[J].2013(27):5-6.

[10]于璇.海爾太陽(yáng)能:十年創(chuàng)新沉淀,發(fā)布五大黑科技[J].電器,2017(01):53.