智能控制装置在太阳能热水器的应用

郑参

摘 要：现阶段可持续发展已成为各行各业的基本准则，人们对清洁能源与可再生能源的关注度不断提高。太阳能可以说永远没有枯竭的危险，使用干净且不存在污染，因此鼓励应用太阳能具有极其重要的现实意义。再加上热水器几乎每家都在使用，采用智能控制装置提高太阳能热水器对太阳能的利用效率，可以有效缩短加热时间。本文中笔者结合具体案例，分析太阳能热水器中智能控制装置的应用。

关键词：智能控制装置；太阳能热水器；应用要点

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

1 我国太阳能热水器发展现状

现阶段我国太阳能热水器技术发展迅速，已经成为全球最大的太阳能热水器生产国家。但行业中缺乏统一的标准规范，各个太阳能热水器控制器生产厂家各有一套生产标准，控制器研发处于起步阶段。随着市场规模的逐渐扩大，市场上出现越来越多的太阳能热水器控制器，大部分控制器不够完善，存在一些问题，这些问题主要表现为：系统可靠性不足、控制精度误差较大、系统抗干扰能力差、系统运行时间长极易出现乱码、功能设计不完善、存在严重浪费等。

随着传统能源逐渐显露出枯竭的趋势，人们愈来愈青睐清洁能源。太阳能利用技术最成熟的产品就是太阳能热水器，其市场份额逐渐扩大，发展前景广阔。但现阶段生产行业较为混乱，投资力度不足，研发力量薄弱。大量企业涌入到行业中，却没有实现预期收益。加上部分企业规模较小，投资额度不满足规模经济的基本要求。

2 太阳能热水器原理概述

本部分笔者主要介绍太阳能热水器工作原理，为后期论述做好铺垫。

2.1 工作原理

现阶段我国市场上太阳能热水器种类较多，本文中笔者主要分析平板强制式太阳能热水器的工作原理，一般该种类型的太阳能热水器选择电加热或空气源热泵为辅助热源，其结构原理如图1所示。

如上图所示，太阳能热水器系统构成相对简单，主要包括水箱、控制器与平板集热器。平板集热器用户选择型号时依据自身情况进行。传统太阳能热水器通常选择直接加热的形式，集热器中被水箱注入冷水，加热完成后通过虹吸作用返回水箱。但集热器内温度会达到80℃，直接加热的方式会造成集热器内部出现结垢问题，影响集热器的正常使用与寿命。

本设计中采用间接换热方式，也就是集热器内部装满一种不易导热的具有较高热传导率的介质。集热器吸收太阳能热能后，介质不断流过水箱，将热量传导给水箱内的冷水，完成换热，实现提高温度的目的。这样不但不会产生结垢，还可以保证水质的清洁。

集热器加热过程中，介质循环道路与水箱都是一个密闭空间，一旦温度升高，回路与水箱内部的压力慢慢增大，为避免压力过大出现循环回路与水箱爆炸，将膨胀罐安装在循环回路上，当压力超过一定范围后会直接顶开膨胀罐的压力阀，将压力保持在合适的范围；当水箱内部压力过大超过安全阀的最大压力，直接顶开安全阀，降低内部压力，避免水箱被破坏。

2.2 太阳能热水器控制装置的作用

现阶段社会经济不断发展，人们物质生活水平不断提高，对家用电器提出更高的要求，其中最主要的就是智能化要求。太阳能热水器作为典型的绿色环保家用电器，凭借能源利用、结构简单及操作方便的特点得到用户的广泛认可。而本设计方案中本课题从家用太阳能的基本构造和功能特性出发，设计改造出一款新型的太阳能热水器来提高对太阳能这种可再生能源的利用率，降低像煤炭、天然气等这种非再生能源的使用。由于地球自转，同一地点的太阳高度角每时每刻都在变化，若太阳能角度固定，则会导致太阳能的利用率降低。为了解决这个问题，设计出像向日葵那样能随太陽角度变化而变化的太阳能热水器，提高太阳能热水器对太阳能的利用率。

3 智能控制装置在太阳能热水器中的应用

通过对太阳能热水器的设计，能够让太阳能热水器随着太阳高度角的变化而变化，始终能让太阳能热水管接受到最大化的太阳辐射，提高太阳能的利用率。在同样的时间内，更加迅速的提高水温。特别是在冬天，能够更加稳定的提供人们家庭生活用水。利用我们所设计的新型高效太阳能热水器可以更好地的达到人们的日常需求，减少人们电、天然气、煤炭等能源的消耗，节约能源。从目前来看，还没有任何一家国内外公司设计出一款能够像向日葵那样随太阳角度变换而变化的太阳能热水器，从而提高太阳能利用率。在太阳能设计人员和国家面积如此庞大的情况下，如果能够提高太阳能的利用率，实现经济化原则，将对人民生活产生巨大影响。具体研究方案如下所示。

3.1 技术路线

通过实验和数据整理分析和揭示高效太阳能热水器的可行性。采用现场调研、理论分析、室内试验、数值模拟计算等相结合的综合方法，在日常生活中，太阳高角度每时每刻都在发生着变化，由于早晨和晚上的太阳高度角小，光热分散，热水器集热管获得太阳辐射能量少，会使太阳能的利用率降低。如果当热水器的集热管像向日葵那样根据太阳位置自动调节角度，始终让太阳高度角为90度，则光热集中，同面积下的热水器集热管获得的太阳辐射能量多，提高热水器的热效率，提高了再生能源的利用率。

3.2 具体措施

为解决以上问题，我们在原式太阳能的基础上加以改进，以提高能源利用率和经济转化为原则改进原式太阳能热水器，如图3：

本装置的主要器件有：太阳能储水器、热水器集热管、太阳能电池板、测光器、蓄电池、齿轮电动机、齿轮导轨、移动固定点

测光器（即光电器件）对电动机产生控制信号，就可实现装置对太阳光的自动跟踪。自动跟踪的另一种方法则是利用简单的时钟控制技术，即当时钟控制器走至某预定的时刻就使电动机的电源接通而将整个太阳能热水器装置旋转一个角度，然后断开电动机电源；到下一预定时刻又重复上述过程，这两种方法都可实现热水器的旋转，保证热水器集热管能够获得最多的太阳辐射能量。

整个装置的转动是靠齿轮电动机和齿轮导轨的啮合来完成的，齿轮导轨是一个360度的整圆，可全方位的调整太阳能热水器的角度，以保证太阳高度角成90度。

齿轮电动机的转动是靠蓄电池的电量来维持的，而蓄电池的电量则是由太阳能电池板把太阳能转换为电能来获得的。这样整个装置的热能、电能、动能全部来自太阳能，一来提高了太阳能的利用率，二来实现清洁生产。

4 结语

总而言之，随着人民经济水平和生活质量的提高，人们对生活用品的要求也越来越高，现在是任何形式的居民用房，都会安装太阳能热水器。传统的太阳能热水器，由于角度固定，接受太阳辐射的能量会随时间的变化而变化，降低了太阳能的利用率。本文中笔者以太阳能热水器应用现状为切入点，通过分析太阳能热水器工作原理，给出如何控制太阳能热水器旋转的方法，希望为行业技术水平提高贡献一份力量。

参考文献：

[1]马志燕.家用热水器冷水自动节水装置设计应用[J].机械与电子，2014（09）：11.