一種真空管集熱式太陽(yáng)能熱水器及熱水存儲(chǔ)控制方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種真空管集熱式太陽(yáng)能熱水器及其熱水存儲(chǔ)控制控制方法，屬于光熱技術(shù)領(lǐng)域。該熱水器包括真空管集熱器陣列、保溫腔、固定支架、保溫水箱、熱水存儲(chǔ)控制器、溫度傳感器、電磁閥；同時(shí)，該熱水器是將蛇形銅管集成到真空管集熱器中，水經(jīng)蛇形銅管在真空管中被加熱，水在銅管中循環(huán)，避免在真空管底部形成死水區(qū)產(chǎn)生污染，有效解決了傳統(tǒng)真空管集熱器對(duì)水形成的二次污染問(wèn)題。另外，該熱水存儲(chǔ)控制方法將熱水控制存儲(chǔ)過(guò)程分為溫控起始狀態(tài)、升溫保持狀態(tài)和存儲(chǔ)控制狀態(tài)，通過(guò)設(shè)計(jì)熱水存儲(chǔ)控制器控制熱水的存儲(chǔ)過(guò)程，將集熱器輸出熱水溫度控制在適合的溫度范圍(45?50℃)，避免高溫導(dǎo)致熱損失增加，達(dá)到了提高系統(tǒng)熱效率和增強(qiáng)實(shí)用性的目的。本發(fā)明加工工藝簡(jiǎn)單，成本較低、安裝簡(jiǎn)易，具有使用方便等特點(diǎn)。
【專利說(shuō)明】
一種真空管集熱式太陽(yáng)能熱水器及熱水存儲(chǔ)控制方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及一種真空管集熱式太陽(yáng)能熱水器及熱水存儲(chǔ)控制方法，屬于光熱技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著世界能源危機(jī)及日益嚴(yán)峻的環(huán)境污染，可再生能源的開(kāi)發(fā)利用得到世界各國(guó)的高度重視和廣泛支持。太陽(yáng)能由于其無(wú)污染、分布廣、室外能量密度大及用之不竭等特點(diǎn)，在太陽(yáng)能光熱、光伏等領(lǐng)域得到了廣泛研究和利用。在太陽(yáng)能光熱利用中，平板太陽(yáng)能集熱器、真空管集熱器是太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)光熱轉(zhuǎn)換的核心部件。其中，平板太陽(yáng)能集熱器可分為管板式、翼管式、扁合式、蛇管式等，平板集熱器由于受其結(jié)構(gòu)的限制，熱損失較大，實(shí)際工作熱效率不足55%。真空管太陽(yáng)能集熱器按照其結(jié)構(gòu)不同，可分為全玻璃真空管集熱器和金屬吸熱體真空管集熱器。全玻璃真空管集熱器采用雙層玻璃管結(jié)構(gòu)，其利用內(nèi)管外表面鍍吸收層提高太陽(yáng)能吸收率和減小其熱發(fā)射率，達(dá)到提高光熱轉(zhuǎn)換效率的目的，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、熱效率高等特點(diǎn)。全玻璃真空管在使用中，真空管與保溫水箱直接連接，水在真空管內(nèi)靠熱對(duì)流、熱傳導(dǎo)方式被加熱，實(shí)現(xiàn)與保溫水箱中的水進(jìn)行熱交換。但是，靠水溫度變化帶來(lái)的對(duì)流傳熱并不充分，因此，真空管底部存在水循環(huán)的“死區(qū)”，導(dǎo)致底部存在“死水”，隨使用時(shí)間增加，底部“死水”變成污水，對(duì)真空集熱管集熱器內(nèi)熱水產(chǎn)生了二次污染。目前，水污染已成為全玻璃真空管的主要問(wèn)題。為減少真空集熱管對(duì)水的污染，金屬吸熱體玻璃真空管被設(shè)計(jì)和制備，金屬吸熱體玻璃真空管按結(jié)構(gòu)可分為熱管式、同心套管式、儲(chǔ)熱式、內(nèi)聚光式和直通式等多種形式，能有效緩解全玻璃真空管水污染的問(wèn)題，但由于其集熱管制備工藝復(fù)雜，成本高，實(shí)用性差，未得到廣泛應(yīng)用。
[0003]目前，在太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)中，制備工藝簡(jiǎn)單、低成本、無(wú)污染、使用安裝方便、實(shí)用性高的真空管太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)還沒(méi)有相關(guān)報(bào)道。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有真空管集熱器的技術(shù)缺陷，設(shè)計(jì)一種加工工藝簡(jiǎn)單、無(wú)污染、低成本、使用方便的一種真空管集熱太陽(yáng)能熱水器及熱水存儲(chǔ)控制方法，通過(guò)熱水存儲(chǔ)控制器，控制熱水存儲(chǔ)過(guò)程，提高太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)的集熱效率和實(shí)用性。
[0005]本發(fā)明的目的是靠以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的。
[0006]—種真空管集熱太陽(yáng)能熱水器及熱水存儲(chǔ)控制方法，包括:蛇形真空管集熱器陣列、保溫腔、固定支架、保溫水箱、熱水存儲(chǔ)控制器、溫度傳感器、電磁閥。
[0007]所述蛇形真空管集熱器陣列由玻璃真空管、蛇形銅管、彈片支架、保溫密封罩組成，用于將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為熱能；其中玻璃真空管為內(nèi)外管雙層結(jié)構(gòu)，內(nèi)管外表面鍍吸收膜層，有利于提高太陽(yáng)輻射吸收率和減小其發(fā)射率。玻璃真空管內(nèi)外管之間的空隙為真空層，用于減小因空氣對(duì)流、傳導(dǎo)導(dǎo)致的熱損失。蛇形銅管安裝在玻璃真空管的內(nèi)部，是水流通管，采用蛇形結(jié)構(gòu)的目的在于增加銅管在玻璃真空管中的受熱面積，延長(zhǎng)水在玻璃真空管中的流通距離，增加水在真空管中的加熱時(shí)間，提高水的升溫速度。彈片支架安裝在蛇形銅管底部，用于對(duì)蛇形銅管的固定。保溫密封罩為頂部開(kāi)有開(kāi)兩圓孔的聚丙烯塑料罩，用于對(duì)玻璃真空管開(kāi)口端的密封保溫，兩圓孔作為銅管的出口。各真空管之間由銅管連接，構(gòu)成蛇形真空管集熱器陣列。冷水由真空管集熱器陣列的左端冷水入口流入，加熱后由右端熱水出口端流出。
[0008]保溫腔由鋁合金外殼、橡膠管及玻璃棉組成，用于保溫和蛇形真空管集熱器陣列的固定;橡膠管為內(nèi)管，鋁合金為外殼，內(nèi)部填充玻璃棉用于保溫。保溫腔左端留有冷水管入口，右端留有熱水管出口。
[0009]固定支架由固定槽、右側(cè)固定桿和左側(cè)固定桿組成，用于固定真空管集熱器陣列；固定槽采用鋁合金材料，左、右側(cè)固定桿采用鋁合金方管，用于連接固定槽和上部保溫腔鋁合金外殼，實(shí)現(xiàn)對(duì)蛇形真空管集熱器陣列的固定。
[0010]保溫水箱用于存儲(chǔ)蛇形真空管集熱器陣列輸出熱水，其容積可根據(jù)真空管集熱器陣列面積來(lái)確定。
[0011]溫度傳感器由PT100鉑電阻和溫度變送器組成，利用鉑電阻溫度升高，電阻值增加的原理，通過(guò)PTlOO阻值的變化檢測(cè)真空管集熱器陣列中熱水溫度。溫度變送器，為電壓輸出型，溫度范圍為0-200°C，輸出電壓為1-5V，用于將鉑電阻阻值(水溫)的變化轉(zhuǎn)換為電壓，為熱水存儲(chǔ)控制器提供控制信號(hào)。
[0012]熱水存儲(chǔ)控制器由單片機(jī)ATMG89c51及其接口電路等構(gòu)成，其可根據(jù)熱水溫度電壓信號(hào)，進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換、運(yùn)算，輸出控制電磁閥開(kāi)、關(guān)的控制信號(hào)。
[0013]電磁閥是系統(tǒng)熱水存儲(chǔ)過(guò)程控制的執(zhí)行器，其可根據(jù)熱水存儲(chǔ)控制器輸出信號(hào)控制保溫水箱熱水的存儲(chǔ)過(guò)程。
[0014]上述組成部件之間的連接關(guān)系如下:
[0015]蛇形銅管安裝在玻璃真空管中，保溫密封罩安在玻璃真空管的頂端，蛇形銅管通過(guò)保溫密封罩兩圓孔由銅管串聯(lián)組成蛇形真空管集熱器陣列，連接銅管與玻璃真空管上端嵌入到保溫腔中，蛇形真空管集熱器陣列的下端嵌入到固定支架的固定槽中，左、右固定桿與保溫腔的鋁合金外殼和固定槽相連，穩(wěn)定蛇形真空管集熱器陣列，蛇形真空管集熱器陣列的冷水入水管通過(guò)保溫腔左側(cè)與自來(lái)水管相接，熱水出水管通過(guò)保溫腔分別與熱水閥和電磁閥的入口端相接，電磁閥出水端連接到保溫水箱的進(jìn)水口，保存蛇形真空管集熱器陣列輸出熱水，溫度傳感器安裝到蛇形真空管集熱器陣列的熱水出水管內(nèi)，溫度傳感器(5)的電壓輸出端接到熱水存儲(chǔ)控制器的信號(hào)輸入端，熱水存儲(chǔ)控制器(4)輸出端接到電磁閥的控制端，電磁閥的開(kāi)、關(guān)工作狀態(tài)由熱水出水管中熱水溫度決定。
[0016]—種真空管集熱式太陽(yáng)能熱水器的熱水存儲(chǔ)控制方法，過(guò)程為:
[0017](I)、熱水控制算法采用遲滯控制算法，控制過(guò)程包括三個(gè)狀態(tài):溫控起始狀態(tài)、升溫保持狀態(tài)和存儲(chǔ)控制狀態(tài)。
[0018]溫控起始狀態(tài):系統(tǒng)開(kāi)始工作或銅管中水溫未達(dá)到45°C時(shí)，熱水存儲(chǔ)控制器工作在溫控起始狀態(tài)，電磁閥關(guān)閉狀態(tài)標(biāo)志位為“I”，電磁閥處于關(guān)閉狀態(tài)，玻璃真空管為水加熱，水溫逐漸升高；
[0019]升溫保持狀態(tài):當(dāng)熱水出水管中水溫達(dá)到45°C時(shí)，且熱水存儲(chǔ)控制器中電磁閥關(guān)閉狀態(tài)標(biāo)志位為“I”的條件下，熱水存儲(chǔ)控制器工作在升溫保持狀態(tài)，電磁閥處于關(guān)閉狀態(tài)，銅管中水溫逐漸升高，當(dāng)熱水溫度達(dá)到50°C時(shí)，升溫保持狀態(tài)結(jié)束，熱水存儲(chǔ)控制器進(jìn)入存儲(chǔ)控制狀態(tài)，同時(shí)將電磁閥關(guān)閉狀態(tài)標(biāo)志位為“O”，電磁閥開(kāi)狀態(tài)標(biāo)志位置為“I” ；
[0020]存儲(chǔ)控制狀態(tài):熱水溫度達(dá)到50°C時(shí)，熱水存儲(chǔ)控制器工作在存儲(chǔ)控制狀態(tài)，控制器輸出電磁閥開(kāi)(高電平)驅(qū)動(dòng)信號(hào)，熱水存儲(chǔ)到保溫箱中，同時(shí)，水溫會(huì)逐漸降低，當(dāng)水溫降低到45°C時(shí)，熱水存儲(chǔ)控制器輸出電磁閥關(guān)斷(低電平)驅(qū)動(dòng)信號(hào)，熱水停止存儲(chǔ)，熱水存儲(chǔ)控制器進(jìn)入升溫狀態(tài)，并將電磁閥開(kāi)狀態(tài)標(biāo)志位置為“O”，電磁閥關(guān)閉狀態(tài)標(biāo)志位置為“I”，在太陽(yáng)光照條件下，熱水存儲(chǔ)控制器循環(huán)工作在升溫保持及存儲(chǔ)控制狀態(tài)；
[0021](2)、熱水存儲(chǔ)控制器的組成，包括熱水存儲(chǔ)控制器的硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)，其中，硬件系統(tǒng)包括:ADC0809，單片機(jī)AT89C51及其外圍驅(qū)動(dòng)電路等；軟件系統(tǒng)，采用查詢方式實(shí)現(xiàn)AD轉(zhuǎn)換控制，主要包括系統(tǒng)初始化、設(shè)置AD轉(zhuǎn)換控制信號(hào)、AD轉(zhuǎn)換查詢、系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)判斷及控制和控制信號(hào)輸出等，控制程序流程圖如圖5所示。
[0022](3)、存儲(chǔ)熱水溫度45-50 °C的設(shè)定，主要考慮平衡太陽(yáng)能系統(tǒng)的熱效率與實(shí)用性。在太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)中，系統(tǒng)中熱水溫度越高，系統(tǒng)熱損失越大，但是，系統(tǒng)熱水溫度越低，實(shí)用性變差?？紤]到人洗澡最佳生活用水溫度為39°C，將系統(tǒng)熱水溫度控制45-50°C之間，這樣既能保證保溫水箱3內(nèi)熱水溫度滿足生活用水的要求，又使系統(tǒng)工作在較低溫度下，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的熱效率與實(shí)用性之間的平衡。
[0023]所述電磁閥是系統(tǒng)熱水存儲(chǔ)過(guò)程控制的執(zhí)行器，根據(jù)熱水存儲(chǔ)控制器輸出信號(hào)控制保溫水箱熱水的存儲(chǔ)過(guò)程。
[0024]有益效果
[0025]本發(fā)明提出的真空管太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)及其熱水存儲(chǔ)控制法，將蛇形銅管集成到真空管集熱器中，水經(jīng)蛇形銅管在真空管中被加熱，一方面有效利用了真空管集熱器熱效率高的特點(diǎn)，另一方面，水在銅管中循環(huán)，避免在真空管底部形成死水區(qū)產(chǎn)生污染，有效解決了傳統(tǒng)真空管集熱器對(duì)水形成的二次污染問(wèn)題。另外，通過(guò)設(shè)計(jì)熱水存儲(chǔ)控制器控制熱水的存儲(chǔ)過(guò)程，將集熱器輸出熱水溫度控制在適合的溫度范圍(45_50°C)，避免高溫導(dǎo)致熱損失增加，達(dá)到了提高系統(tǒng)熱效率和增強(qiáng)實(shí)用性的目的。同時(shí)，系統(tǒng)加工工藝簡(jiǎn)單，成本較低、安裝簡(jiǎn)易，真空管集熱器陣列可安裝在陽(yáng)臺(tái)、墻壁等位置，保溫水箱可直接安放在室內(nèi)，具有使用方便等特點(diǎn)。
【附圖說(shuō)明】
[0026]圖1為本發(fā)明的真空管集熱器系統(tǒng)組成示意圖；
[0027]圖2為本發(fā)明的真空端口保溫罩剖面示意圖；
[0028]圖3為本發(fā)明的熱水存儲(chǔ)控制器熱水存儲(chǔ)控制；
[0029]圖4為本發(fā)明的熱水存儲(chǔ)控制器硬件組成示意圖；
[0030]圖5為本發(fā)明的熱水存儲(chǔ)控制器軟件流程圖。
[0031]圖中，1-蛇形真空管集熱器陣列、2-保溫腔、3-保溫水箱、4-熱水存儲(chǔ)控制器、5-溫度傳感器、6-電磁閥、7-左側(cè)固定桿、8-右側(cè)固定桿、9-固定槽、10-玻璃真空管、11-蛇形銅管、12-鋁合金殼、13-橡塑管、14-玻璃棉、15-冷水入水管、16-熱水出水管、17-熱水閥、18-彈片支架、19-保溫密封罩、20-保溫水箱出水閥、21 -固定支架。
【具體實(shí)施方式】
[0032]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】做進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。
[0033]如圖1所示，一種真空管集熱太陽(yáng)能熱水器及熱水存儲(chǔ)控制方法，包括:蛇形真空管集熱器陣列1、保溫腔2、固定支架21、保溫水箱3、熱水存儲(chǔ)控制器4、溫度傳感器5、電磁閥
6ο
[0034]所述蛇形真空管集熱器陣列用于將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為熱能，由玻璃真空管10、蛇形銅管11、彈片支架18、保溫密封罩19組成；
[0035]蛇形真空管集熱器陣列I的特征為:
[0036](I)、玻璃真空管10為內(nèi)外管雙層結(jié)構(gòu)，材料采用硼硅玻璃，內(nèi)管外表面鍍吸收膜層，提高太陽(yáng)輻射吸收率和減小其發(fā)射率，玻璃真空管10的內(nèi)外管之間的空隙為真空層，減小因空氣對(duì)流、傳導(dǎo)導(dǎo)致熱損失，其中，玻璃外管的透光率要求大于89%以上，內(nèi)管吸收層的吸收率應(yīng)大于93%，發(fā)射率應(yīng)小于5%，內(nèi)外管之間的真空度<5 X 10—2Pa，內(nèi)管直徑為4.8cm0
[0037](2)、蛇形銅管11安裝在玻璃真空管10的內(nèi)部，是水流通管，材料采用導(dǎo)熱率高、易于變形加工的銅管，采用蛇形結(jié)構(gòu)目的在于增加銅管在玻璃真空管10中的受熱面積，延長(zhǎng)水在玻璃真空管10中的流通距離，增加水在玻璃真空管10中的加熱時(shí)間，提高水的升溫速度，銅管的蛇形加工中，最大曲率半徑不能大于玻璃真空管10內(nèi)管直徑，彈片支架18安裝在蛇形銅管11底部，用于對(duì)蛇形銅管11的固定。
[0038](3)、玻璃真空管10端口保溫密封罩19選擇熱導(dǎo)率低(小于0.2W/m.k)、耐高溫(熔點(diǎn)大于180°C)和易于加工的聚丙烯塑料罩，結(jié)構(gòu)如圖2所示，頂部開(kāi)有開(kāi)兩圓孔用于安裝連接銅管，在圖2中，保溫密封罩19內(nèi)塞部分的直徑dn要求與玻璃真空管10的內(nèi)徑一致，內(nèi)塞厚度t2要求大于4cm，保溫密封罩19卡口寬tl要求與玻璃真空管10的端口玻璃厚度一致。
[0039](4)、各玻璃真空管10內(nèi)蛇形銅管11由銅管串連，串連玻璃真空管10的數(shù)量由用戶對(duì)熱水量及使用地區(qū)的太陽(yáng)輻照度等因素決定，蛇形真空管集熱器陣列I左側(cè)留有冷水如水管15，右側(cè)留有熱水出水管16。
[0040]所述固定支架21用于固定蛇形真空管集熱器陣列I，由固定槽9、左側(cè)固定桿7和右側(cè)固定桿8組成，固定槽9采用鋁合金，左側(cè)固定桿7、右側(cè)固定桿8用于連接底部的固定槽9和保溫腔2的鋁合金殼12，實(shí)現(xiàn)對(duì)蛇形真空管集熱器陣列I的固定。
[0041]所述保溫腔2用于蛇形真空管集熱器陣列I上端口和連接銅管的固定和保溫，保溫腔2的特征為:
[0042](I)、保溫腔2雙層結(jié)構(gòu)，里層要求選用易于加工、保溫性好和耐熱性好的材料，設(shè)計(jì)選用橡膠管13為里層，外層選用易于加工、強(qiáng)度高的鋁合金材料，設(shè)計(jì)鋁合金殼12。
[0043](2)、橡膠管13底部開(kāi)有圓形空和長(zhǎng)條形槽，用于安裝固定玻璃真空管的上端和連接銅管。鋁合金殼12加裝在橡膠管13的外部，起到加固保溫腔2、與固定支架21中的左側(cè)固定桿7、右側(cè)固定桿8連接的作用，在橡膠管13內(nèi)部填充玻璃棉14用于保溫。保溫腔2左側(cè)為冷水入口管15，右側(cè)為熱水出水管16。
[0044]所述保溫水箱3由于存放蛇形真空管集熱器陣列I輸出熱水，其容積可根據(jù)蛇形真空管集熱器陣列I面積確定。
[0045]所述溫度傳器5由PTlOO鉑電阻和溫度變送器組成，如圖4所示，利用其溫度升高，電阻值增大的特點(diǎn)，通過(guò)監(jiān)測(cè)其電阻值的不同，測(cè)量溫度。
[0046]其特征為:
[0047](1)、電阻溫度系數(shù)為3.9父10-3/°(:，0°(:時(shí)電阻值為100 0，電阻變化率為0.3851Ω/Γο
[0048](2)、鉑電阻安裝在保溫腔熱水輸出端銅管內(nèi)。
[0049](3)、溫度變送器，為電壓輸出型，其用于將鉑電阻阻值(水溫)的變化轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，為熱水存儲(chǔ)控制器4提供控制信號(hào)，其溫度范圍為0-200 °C，輸出電壓為1-5V，電壓溫度變化率為20mV/ °C，溫度為O °C時(shí)，鉑電阻阻值為100 Ω，輸出電壓為IV。
[0050]所述熱水存儲(chǔ)控制器4根據(jù)溫度傳感器5輸出溫度電壓信息，采用遲滯控制控制算法，由ADC0809、單片機(jī)AT89C51及其接口電路等完成對(duì)熱水溫度的A/D轉(zhuǎn)換和運(yùn)算，輸出電磁閥開(kāi)、關(guān)控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)熱水存儲(chǔ)過(guò)程的控制。其特征為:
[0051 ] (I)、熱水控制算法采用遲滯控制算法，控制過(guò)程包括三個(gè)狀態(tài):溫控起始狀態(tài)、升溫保持狀態(tài)和存儲(chǔ)控制狀態(tài)。
[0052]溫控起始狀態(tài):系統(tǒng)開(kāi)始工作或銅管中水溫未達(dá)到45°C時(shí)，熱水存儲(chǔ)控制器4工作在溫控起始狀態(tài)，電磁閥6關(guān)閉狀態(tài)標(biāo)志位為“I”，電磁閥6處于關(guān)閉狀態(tài)，玻璃真空管10為水加熱，水溫逐漸升高；
[0053]升溫保持狀態(tài):當(dāng)熱水出水管16中水溫達(dá)到45°C時(shí)，且熱水存儲(chǔ)控制器4中電磁閥6關(guān)閉狀態(tài)標(biāo)志位為“I”的條件下，熱水存儲(chǔ)控制器4工作在升溫保持狀態(tài)，電磁閥6處于關(guān)閉狀態(tài)，銅管中水溫逐漸升高，當(dāng)熱水溫度達(dá)到50°C時(shí)，升溫保持狀態(tài)結(jié)束，熱水存儲(chǔ)控制器4進(jìn)入存儲(chǔ)控制狀態(tài)，同時(shí)將電磁閥6關(guān)閉狀態(tài)標(biāo)志位為“O”，電磁閥6開(kāi)狀態(tài)標(biāo)志位置為丄；
[0054]存儲(chǔ)控制狀態(tài):熱水溫度達(dá)到50°C時(shí)，熱水存儲(chǔ)控制器4工作在存儲(chǔ)控制狀態(tài)，控制器輸出電磁閥6開(kāi)(高電平)驅(qū)動(dòng)信號(hào)，熱水存儲(chǔ)到保溫箱中，同時(shí)，水溫會(huì)逐漸降低，當(dāng)水溫降低到45°C時(shí)，熱水存儲(chǔ)控制器4輸出電磁閥6關(guān)斷(低電平)驅(qū)動(dòng)信號(hào)，熱水停止存儲(chǔ)，熱水存儲(chǔ)控制器4進(jìn)入升溫狀態(tài)，并將電磁閥6開(kāi)狀態(tài)標(biāo)志位置為“O”，電磁閥6關(guān)閉狀態(tài)標(biāo)志位置為“I”，在太陽(yáng)光照條件下，熱水存儲(chǔ)控制器4循環(huán)工作在升溫保持及存儲(chǔ)控制狀態(tài)，其控制過(guò)程如圖3所示。
[0055](2)、熱水存儲(chǔ)控制器4的組成，包括熱水存儲(chǔ)控制器4的硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)，其中，硬件系統(tǒng)包括:ADC0809，單片機(jī)AT89C51及其外圍驅(qū)動(dòng)電路等，組成原理如圖4所示。軟件系統(tǒng)，采用查詢方式實(shí)現(xiàn)AD轉(zhuǎn)換控制，主要包括系統(tǒng)初始化、設(shè)置AD轉(zhuǎn)換控制信號(hào)、AD轉(zhuǎn)換查詢、系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)判斷及控制和控制信號(hào)輸出等，控制程序流程圖如圖5所示。
[0056](3)、存儲(chǔ)熱水溫度45-50 °C的設(shè)定，主要考慮平衡太陽(yáng)能系統(tǒng)的熱效率與實(shí)用性。在太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)中，系統(tǒng)中熱水溫度越高，系統(tǒng)熱損失越大，但是，系統(tǒng)熱水溫度越低，實(shí)用性變差。考慮到人洗澡最佳生活用水溫度為39°C，將系統(tǒng)熱水溫度控制45-50°C之間，這樣既能保證保溫水箱3內(nèi)熱水溫度滿足生活用水的要求，又使系統(tǒng)工作在較低溫度下，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的熱效率與實(shí)用性之間的平衡。
[0057]所述電磁閥6是系統(tǒng)熱水存儲(chǔ)過(guò)程控制的執(zhí)行器，根據(jù)熱水存儲(chǔ)控制器4輸出信號(hào)控制保溫水箱3熱水的存儲(chǔ)過(guò)程。
[0058]上述組成部件之間的連接關(guān)系如下:
[0059]蛇形銅管11安裝在玻璃真空管10中，保溫密封罩19安在玻璃真空管10的頂端，蛇形銅管11通過(guò)保溫密封罩19兩圓孔由銅管串聯(lián)組成蛇形真空管集熱器陣列I，連接銅管與玻璃真空管10上端嵌入到保溫腔2中，蛇形真空管集熱器陣列I的下端嵌入到固定支架21的固定槽9中，固定支架21的左固定桿7、右固定桿8與保溫腔2的鋁合金外殼12和固定槽9相連，穩(wěn)定蛇形真空管集熱器陣列I，蛇形真空管集熱器陣列I的冷水入水管15通過(guò)保溫腔2左側(cè)與自來(lái)水管相接，熱水出水管16通過(guò)保溫腔2分別與熱水閥17和電磁閥6的入口端相接，電磁閥6出水端連接到保溫水箱3的進(jìn)水口，保存蛇形真空管集熱器陣列I輸出熱水，溫度傳感器5安裝到蛇形真空管集熱器陣列I的熱水出水管16內(nèi)，溫度傳感器5的電壓輸出端接到熱水存儲(chǔ)控制器4的信號(hào)輸入端，熱水存儲(chǔ)控制器4輸出端接到電磁閥6的控制端，電磁閥6的開(kāi)、關(guān)工作狀態(tài)由熱水出水管16中熱水溫度決定。
[0060]本系統(tǒng)的工作過(guò)程如下:
[0061]首先，太陽(yáng)能經(jīng)蛇形真空管集熱器陣列I轉(zhuǎn)換為熱能，為玻璃真空管I內(nèi)腔中的蛇形銅管11加熱，冷水由蛇形真空管集熱器陣列I左側(cè)冷水入水管15進(jìn)入，由左到右通過(guò)蛇形真空管集熱器陣列I中的蛇形銅管11加熱，由右側(cè)熱水出水管16流出。輸出熱水溫度高低由太陽(yáng)能輻照度、環(huán)境溫度、流量及水在蛇形銅管中停留時(shí)間等決定。為提高系統(tǒng)熱效率及增強(qiáng)系統(tǒng)的實(shí)用性，設(shè)計(jì)了熱水存儲(chǔ)控制器4，利用溫度傳感器5探測(cè)熱水出水管內(nèi)熱水溫度信息，由熱水存儲(chǔ)控制器4采用遲滯控制算法，通過(guò)控制電磁閥6將熱水控制在45-50°C，并存儲(chǔ)在保溫水箱中，這樣使系統(tǒng)工作在適合溫度，減小熱損失，同時(shí)滿足生活用水的需要，達(dá)到提高系統(tǒng)熱效率及增強(qiáng)系統(tǒng)實(shí)用性的目的。同時(shí)，系統(tǒng)熱水也可通過(guò)熱水閥17為用戶直接使用。另外，本發(fā)明的蛇形真空管集熱器陣列11可安裝在陽(yáng)臺(tái)、墻壁等位置，保溫水箱3直接安放在室內(nèi)，具有安裝使用方便等特點(diǎn)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種真空管集熱式太陽(yáng)能熱水器，其特征在于，包括:蛇形真空管集熱器陣列(1)、保溫腔(2)、固定支架(21)、保溫水箱(3)、熱水存儲(chǔ)控制器(4)、溫度傳感器(5)、電磁閥(6); 所述蛇形真空管集熱器陣列由玻璃真空管(10)、蛇形銅管(11)、彈片支架(18)、保溫密封罩(19)組成，用于將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為熱能;其中玻璃真空管為內(nèi)外管雙層結(jié)構(gòu)，內(nèi)管外表面鍍吸收膜層，有利于提高太陽(yáng)輻射吸收率和減小其發(fā)射率;玻璃真空管內(nèi)外管之間的空隙為真空層，用于減小因空氣對(duì)流、傳導(dǎo)導(dǎo)致的熱損失;蛇形銅管安裝在玻璃真空管的內(nèi)部，是水流通管，采用蛇形結(jié)構(gòu)的目的在于增加銅管在玻璃真空管中的受熱面積，延長(zhǎng)水在玻璃真空管中的流通距離，增加水在真空管中的加熱時(shí)間，提高水的升溫速度;彈片支架安裝在蛇形銅管底部，用于對(duì)蛇形銅管的固定;保溫密封罩為頂部開(kāi)有開(kāi)兩圓孔的聚丙烯塑料罩，用于對(duì)玻璃真空管開(kāi)口端的密封保溫，兩圓孔作為銅管的出口；各真空管之間由銅管連接，構(gòu)成蛇形真空管集熱器陣列;冷水由真空管集熱器陣列的左端冷水入口流入，加熱后由右端熱水出口端流出； 保溫腔(2)由鋁合金外殼(12)、橡膠管(13)及玻璃棉(14)組成，用于保溫和蛇形真空管集熱器陣列的固定;橡膠管為內(nèi)管，鋁合金為外殼，內(nèi)部填充玻璃棉用于保溫;保溫腔左端留有冷水管入口，右端留有熱水管出口 ； 固定支架(21)由固定槽(9)、右側(cè)固定桿(7)和左側(cè)固定桿(8)組成，用于固定真空管集熱器陣列；固定槽采用鋁合金材料，左、右側(cè)固定桿采用鋁合金方管，用于連接固定槽和上部保溫腔鋁合金外殼，實(shí)現(xiàn)對(duì)蛇形真空管集熱器陣列的固定； 保溫水箱(3)用于存儲(chǔ)蛇形真空管集熱器陣列輸出熱水，其容積可根據(jù)真空管集熱器陣列面積來(lái)確定； 溫度傳感器(5)由PT100鉑電阻和溫度變送器組成，利用鉑電阻溫度升高，電阻值增加的原理，通過(guò)PT100阻值的變化檢測(cè)真空管集熱器陣列中熱水溫度;溫度變送器，為電壓輸出型，溫度范圍為0-200°C，輸出電壓為1-5V，用于將鉑電阻阻值(水溫)的變化轉(zhuǎn)換為電壓，為熱水存儲(chǔ)控制器提供控制信號(hào)； 熱水存儲(chǔ)控制器(6)由單片機(jī)ATMG89c51及其接口電路等構(gòu)成，其可根據(jù)熱水溫度電壓信號(hào)，進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換、運(yùn)算，輸出控制電磁閥開(kāi)、關(guān)的控制信號(hào)； 電磁閥(7)是系統(tǒng)熱水存儲(chǔ)過(guò)程控制的執(zhí)行器，其可根據(jù)熱水存儲(chǔ)控制器輸出信號(hào)控制保溫水箱熱水的存儲(chǔ)過(guò)程。2.格局權(quán)利要求1所述的一種真空管集熱式太陽(yáng)能熱水器，其特征在于:各組成部件之間的連接關(guān)系如下: 蛇形銅管(11)安裝在玻璃真空管(10)中，保溫密封罩(19)安在玻璃真空管(10)的頂端，蛇形銅管(11)通過(guò)保溫密封罩(19)兩圓孔由銅管串聯(lián)組成蛇形真空管集熱器陣列(I)，連接銅管與玻璃真空管(10)上端嵌入到保溫腔(2)中，蛇形真空管集熱器陣列(I)的下端嵌入到固定支架(21)的固定槽(9)中，固定支架(21)的右側(cè)固定桿(7)和左側(cè)固定桿(8)與保溫腔(2)的鋁合金外殼(12)和固定槽(9)相連，穩(wěn)定蛇形真空管集熱器陣列(I)，蛇形真空管集熱器陣列(I)的冷水入水管(15)通過(guò)保溫腔(2)左側(cè)與自來(lái)水管相接，熱水出水管(16)通過(guò)保溫腔(2)分別與熱水閥(17)和電磁閥(6)的入口端相接，電磁閥(6)出水端連接到保溫水箱(3)的進(jìn)水口，保存蛇形真空管集熱器陣列(I)輸出熱水，溫度傳感器(5)安裝到蛇形真空管集熱器陣列(I)的熱水出水管(16)內(nèi)，溫度傳感器(5)的電壓輸出端接到熱水存儲(chǔ)控制器(4)的信號(hào)輸入端，熱水存儲(chǔ)控制器(4)輸出端接到電磁閥(6)的控制端，電磁閥(6)的開(kāi)、關(guān)工作狀態(tài)由熱水出水管(16)中熱水溫度決定。3.—種真空管集熱式太陽(yáng)能熱水器的熱水存儲(chǔ)控制方法，其特征在于: (1)、熱水控制算法采用遲滯控制算法，控制過(guò)程包括三個(gè)狀態(tài):溫控起始狀態(tài)、升溫保持狀態(tài)和存儲(chǔ)控制狀態(tài)； 溫控起始狀態(tài):系統(tǒng)開(kāi)始工作或銅管中水溫未達(dá)到45°C時(shí)，熱水存儲(chǔ)控制器工作在溫控起始狀態(tài)，電磁閥關(guān)閉狀態(tài)標(biāo)志位為“I”，電磁閥處于關(guān)閉狀態(tài)，玻璃真空管為水加熱，水溫逐漸升高； 升溫保持狀態(tài):當(dāng)熱水出水管中水溫達(dá)到45°C時(shí)，且熱水存儲(chǔ)控制器中電磁閥關(guān)閉狀態(tài)標(biāo)志位為“I”的條件下，熱水存儲(chǔ)控制器工作在升溫保持狀態(tài)，電磁閥處于關(guān)閉狀態(tài)，銅管中水溫逐漸升高，當(dāng)熱水溫度達(dá)到50°C時(shí)，升溫保持狀態(tài)結(jié)束，熱水存儲(chǔ)控制器進(jìn)入存儲(chǔ)控制狀態(tài)，同時(shí)將電磁閥關(guān)閉狀態(tài)標(biāo)志位為“O”，電磁閥開(kāi)狀態(tài)標(biāo)志位置為“I” ； 存儲(chǔ)控制狀態(tài):熱水溫度達(dá)到50 0C時(shí)，熱水存儲(chǔ)控制器工作在存儲(chǔ)控制狀態(tài)，控制器輸出電磁閥開(kāi)(高電平)驅(qū)動(dòng)信號(hào)，熱水存儲(chǔ)到保溫箱中，同時(shí)，水溫會(huì)逐漸降低，當(dāng)水溫降低到45 0C時(shí)，熱水存儲(chǔ)控制器輸出電磁閥關(guān)斷(低電平)驅(qū)動(dòng)信號(hào)，熱水停止存儲(chǔ)，熱水存儲(chǔ)控制器進(jìn)入升溫狀態(tài)，并將電磁閥開(kāi)狀態(tài)標(biāo)志位置為“O”，電磁閥關(guān)閉狀態(tài)標(biāo)志位置為“I”，在太陽(yáng)光照條件下，熱水存儲(chǔ)控制器循環(huán)工作在升溫保持及存儲(chǔ)控制狀態(tài)； (2)、熱水存儲(chǔ)控制器的組成，包括熱水存儲(chǔ)控制器的硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)，其中，硬件系統(tǒng)包括:ADC0809，單片機(jī)AT89C51及其外圍驅(qū)動(dòng)電路;軟件系統(tǒng)，采用查詢方式實(shí)現(xiàn)AD轉(zhuǎn)換控制，主要包括系統(tǒng)初始化、設(shè)置AD轉(zhuǎn)換控制信號(hào)、AD轉(zhuǎn)換查詢、系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)判斷及控制和控制信號(hào)輸出； 所述電磁閥是系統(tǒng)熱水存儲(chǔ)過(guò)程控制的執(zhí)行器，根據(jù)熱水存儲(chǔ)控制器輸出信號(hào)控制保溫水箱熱水的存儲(chǔ)過(guò)程。
【文檔編號(hào)】F24J2/52GK105953442SQ201610383344
【公開(kāi)日】2016年9月21日
【申請(qǐng)日】2016年6月3日
【發(fā)明人】何永泰, 張聰, 王紹輝, 孫帥
【申請(qǐng)人】楚雄師范學(xué)院