智能控制裝置在太陽能熱水器的應用

鄭參

摘 要：現階段可持續發展已成為各行各業的基本準則，人們對清潔能源與可再生能源的關注度不斷提高。太陽能可以說永遠沒有枯竭的危險，使用干凈且不存在污染，因此鼓勵應用太陽能具有極其重要的現實意義。再加上熱水器幾乎每家都在使用，采用智能控制裝置提高太陽能熱水器對太陽能的利用效率，可以有效縮短加熱時間。本文中筆者結合具體案例，分析太陽能熱水器中智能控制裝置的應用。

關鍵詞：智能控制裝置；太陽能熱水器；應用要點

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.02.058

1 我國太陽能熱水器發展現狀

現階段我國太陽能熱水器技術發展迅速，已經成為全球最大的太陽能熱水器生產國家。但行業中缺乏統一的標準規范，各個太陽能熱水器控制器生產廠家各有一套生產標準，控制器研發處于起步階段。隨著市場規模的逐漸擴大，市場上出現越來越多的太陽能熱水器控制器，大部分控制器不夠完善，存在一些問題，這些問題主要表現為：系統可靠性不足、控制精度誤差較大、系統抗干擾能力差、系統運行時間長極易出現亂碼、功能設計不完善、存在嚴重浪費等。

隨著傳統能源逐漸顯露出枯竭的趨勢，人們愈來愈青睞清潔能源。太陽能利用技術最成熟的產品就是太陽能熱水器，其市場份額逐漸擴大，發展前景廣闊。但現階段生產行業較為混亂，投資力度不足，研發力量薄弱。大量企業涌入到行業中，卻沒有實現預期收益。加上部分企業規模較小，投資額度不滿足規模經濟的基本要求。

2 太陽能熱水器原理概述

本部分筆者主要介紹太陽能熱水器工作原理，為后期論述做好鋪墊。

2.1 工作原理

現階段我國市場上太陽能熱水器種類較多，本文中筆者主要分析平板強制式太陽能熱水器的工作原理，一般該種類型的太陽能熱水器選擇電加熱或空氣源熱泵為輔助熱源，其結構原理如圖1所示。

如上圖所示，太陽能熱水器系統構成相對簡單，主要包括水箱、控制器與平板集熱器。平板集熱器用戶選擇型號時依據自身情況進行。傳統太陽能熱水器通常選擇直接加熱的形式，集熱器中被水箱注入冷水，加熱完成后通過虹吸作用返回水箱。但集熱器內溫度會達到80℃，直接加熱的方式會造成集熱器內部出現結垢問題，影響集熱器的正常使用與壽命。

本設計中采用間接換熱方式，也就是集熱器內部裝滿一種不易導熱的具有較高熱傳導率的介質。集熱器吸收太陽能熱能后，介質不斷流過水箱，將熱量傳導給水箱內的冷水，完成換熱，實現提高溫度的目的。這樣不但不會產生結垢，還可以保證水質的清潔。

集熱器加熱過程中，介質循環道路與水箱都是一個密閉空間，一旦溫度升高，回路與水箱內部的壓力慢慢增大，為避免壓力過大出現循環回路與水箱爆炸，將膨脹罐安裝在循環回路上，當壓力超過一定范圍后會直接頂開膨脹罐的壓力閥，將壓力保持在合適的范圍；當水箱內部壓力過大超過安全閥的最大壓力，直接頂開安全閥，降低內部壓力，避免水箱被破壞。

2.2 太陽能熱水器控制裝置的作用

現階段社會經濟不斷發展，人們物質生活水平不斷提高，對家用電器提出更高的要求，其中最主要的就是智能化要求。太陽能熱水器作為典型的綠色環保家用電器，憑借能源利用、結構簡單及操作方便的特點得到用戶的廣泛認可。而本設計方案中本課題從家用太陽能的基本構造和功能特性出發，設計改造出一款新型的太陽能熱水器來提高對太陽能這種可再生能源的利用率，降低像煤炭、天然氣等這種非再生能源的使用。由于地球自轉，同一地點的太陽高度角每時每刻都在變化，若太陽能角度固定，則會導致太陽能的利用率降低。為了解決這個問題，設計出像向日葵那樣能隨太陽角度變化而變化的太陽能熱水器，提高太陽能熱水器對太陽能的利用率。

3 智能控制裝置在太陽能熱水器中的應用

通過對太陽能熱水器的設計，能夠讓太陽能熱水器隨著太陽高度角的變化而變化，始終能讓太陽能熱水管接受到最大化的太陽輻射，提高太陽能的利用率。在同樣的時間內，更加迅速的提高水溫。特別是在冬天，能夠更加穩定的提供人們家庭生活用水。利用我們所設計的新型高效太陽能熱水器可以更好地的達到人們的日常需求，減少人們電、天然氣、煤炭等能源的消耗，節約能源。從目前來看，還沒有任何一家國內外公司設計出一款能夠像向日葵那樣隨太陽角度變換而變化的太陽能熱水器，從而提高太陽能利用率。在太陽能設計人員和國家面積如此龐大的情況下，如果能夠提高太陽能的利用率，實現經濟化原則，將對人民生活產生巨大影響。具體研究方案如下所示。

3.1 技術路線

通過實驗和數據整理分析和揭示高效太陽能熱水器的可行性。采用現場調研、理論分析、室內試驗、數值模擬計算等相結合的綜合方法，在日常生活中，太陽高角度每時每刻都在發生著變化，由于早晨和晚上的太陽高度角小，光熱分散，熱水器集熱管獲得太陽輻射能量少，會使太陽能的利用率降低。如果當熱水器的集熱管像向日葵那樣根據太陽位置自動調節角度，始終讓太陽高度角為90度，則光熱集中，同面積下的熱水器集熱管獲得的太陽輻射能量多，提高熱水器的熱效率，提高了再生能源的利用率。

3.2 具體措施

為解決以上問題，我們在原式太陽能的基礎上加以改進，以提高能源利用率和經濟轉化為原則改進原式太陽能熱水器，如圖3：

本裝置的主要器件有：太陽能儲水器、熱水器集熱管、太陽能電池板、測光器、蓄電池、齒輪電動機、齒輪導軌、移動固定點

測光器（即光電器件）對電動機產生控制信號，就可實現裝置對太陽光的自動跟蹤。自動跟蹤的另一種方法則是利用簡單的時鐘控制技術，即當時鐘控制器走至某預定的時刻就使電動機的電源接通而將整個太陽能熱水器裝置旋轉一個角度，然后斷開電動機電源；到下一預定時刻又重復上述過程，這兩種方法都可實現熱水器的旋轉，保證熱水器集熱管能夠獲得最多的太陽輻射能量。

整個裝置的轉動是靠齒輪電動機和齒輪導軌的嚙合來完成的，齒輪導軌是一個360度的整圓，可全方位的調整太陽能熱水器的角度，以保證太陽高度角成90度。

齒輪電動機的轉動是靠蓄電池的電量來維持的，而蓄電池的電量則是由太陽能電池板把太陽能轉換為電能來獲得的。這樣整個裝置的熱能、電能、動能全部來自太陽能，一來提高了太陽能的利用率，二來實現清潔生產。

4 結語

總而言之，隨著人民經濟水平和生活質量的提高，人們對生活用品的要求也越來越高，現在是任何形式的居民用房，都會安裝太陽能熱水器。傳統的太陽能熱水器，由于角度固定，接受太陽輻射的能量會隨時間的變化而變化，降低了太陽能的利用率。本文中筆者以太陽能熱水器應用現狀為切入點，通過分析太陽能熱水器工作原理，給出如何控制太陽能熱水器旋轉的方法，希望為行業技術水平提高貢獻一份力量。

參考文獻：

[1]馬志燕.家用熱水器冷水自動節水裝置設計應用[J].機械與電子，2014（09）：11.