一种机械式半自动太阳能热水器上水装置

咸阳师范学院 物理与电子工程学院 ■ 吴磊 孟惠 周永军 宋晓伟

0 引言

我国的太阳能资源极其丰富，且太阳能具有绿色无污染的特性，是目前研究与开发的重要目标。太阳能热水器是一项重要的太阳能热利用方式，它是利用太阳光将水加热的装置，目前已走进千家万户，为人类的生活带来了实实在在的方便。日趋成熟的市场对太阳能热水器产品的要求越来越高，但其本身仍存在着许多需要改进的方面，本项目所研究的机械式半自动太阳能热水器上水装置旨在解决其上水装置所存在的问题。

目前市场上的太阳能热水器上水控制装置主要分为机械手动式和全自动电动式两种方式。

1)机械手动式上水装置在上水时需要手动打开上水阀门，只有当回水管有水溢出后才知道水箱已上满水，此时需要再一次手动操作来关闭上水阀门。此种上水装置的优点是结构简单、节省能源、故障率低；缺点是实际使用中以水溢出为水箱装满的信号，需要两次手动开、关操作，且易受到其他因素影响而产生严重后果。

2)全自动电动式上机装置由一系列电路系统组成，通过电路控制实现了自动上水、自动关闭、自动热水交换、自动定时报警等功能，并且具有上水溢流检测和控制等功能。此种方式的优点是免去人工操作，整个上水过程全自动进行，操作简单方便。缺点是该装置是利用液位传感器采集水位信号来判别是否需要上水，再经过电信号处理来驱动阀门控制上水的过程，但由于水箱常处于楼顶或其他裸露的外部环境中，因而水位传感器、电路板和信号线等元器件要经受暴晒、风化、浸泡等恶劣的环境，所以系统易发生故障且器件寿命严重缩短，频繁的维修和更换极大地增加了使用成本；同时，全自动电动式上水装置整日处于工作状态监测水箱水位及控制上水，连续的运行状态使得能耗较大且寿命缩短。

通过分析以上两种上水装置的优缺点之后，本文设计了一种机械式半自动太阳能热水器上水装置，解决了上水装置故障率高、能耗大、结构复杂等问题，并且适用于户外恶劣的自然环境中。

1 装置中回水管路的构造

图1为机械式半自动太阳能热水器上水装置的回水管路结构图。回水管路是该上水装置的核心组成部分，其紧密衔接着上水管路、太阳能水箱和供水水阀等。回水管路部分的正常运转，决定了该机械式半自动太阳能热水器上水装置的整个上水过程是否正常进行。回水管路部分相比于其他部分而言，器件多、结构严密，在上水过程中只有各器件紧密配合才能完成上水工作。

图1 机械式半自动太阳能热水器上水装置的回水管路结构图

回水管路部分由转轴、定位栓、压力圆片、卷曲弹簧、回水存储腔和各种管路等组成。

转轴连接着上水管路部分和回水管路部分，且与定位栓通过齿槽咬合固定。在上水管路部分和出水口下方凿有开孔，通过转轴的转动可以控制开孔的导通和关闭。当处于上水状态时，上水管路部分开孔转动到导通状态，出水孔处于关闭状态；上水完成时或未上水时，上水管路部分开孔处于闭合状态，出水孔导通。

可根据定位栓的位置判断是否在上水，定位栓处于初始位置时，整个装置处于静止状态；上水时需要手动打开上水开关，上水开关驱动转轴使定位栓的位置发生改变。

压力圆片处于回水存储腔中，其左端与卷曲弹簧固定连接，右端与定位栓连接，并且压力圆片上开设有滑槽供定位栓滑动，滑槽的终端凿有一个定位孔，上水时用以稳固定位栓的位置。

压力圆片左端的卷曲弹簧为性能优良的记忆弹簧，卷曲弹簧以平衡的状态固定在转轴上；压力圆片可压缩卷曲弹簧，卷曲弹簧亦可产生反作用力作用于压力圆片。

圆管与整个上水装置的壳体固定为一体并贯穿支持在整个上水装置的中央，圆管上开设有与压力圆片中心开孔相对应的槽轨，目的是让压力圆片在圆管上滑动而不能转动。

表1 各部件材质及性能

回水存储腔作为一个半密闭的容器，用来储存太阳能水箱蓄满之后由回水管路入口溢流回来的水。出水孔与回水管路出口通过转轴的转动控制，上水时处于关闭状态，上水完成后导通，以便排出太阳能水箱上水水满之后溢流回来暂存在回水存储腔中的水。排水孔一直处于导通状态，主要用于排出太阳能水箱平时受气温变化影响从外部水箱溢流回来的少量的水，虽然水箱上水时会从排水孔排出部分水量，但是因排水孔孔径较小，故对其影响不大。

2 装置的控制原理

该机械式半自动太阳能热水器上水装置未上水时，整个装置处于静止状态，定位栓、压力圆片均处于初始位置，卷曲弹簧处于稳定的伸缩状态。

当需要上水时，首先需要手动打开上水管路部分的开关，开关驱动转轴，使转轴发生转动，转轴转动的过程中固定在转轴上的卷曲弹簧发生了一定的形变，并且与转轴固定的定位栓开始在压力圆片上开设的滑槽表面沿着滑槽的轨迹滑动，直到定位栓嵌合在滑槽终端的定位孔内。与此同时，在定位栓嵌入到定位孔的过程中，压力圆片发生了小范围的左移，使压力圆片对卷曲弹簧产生了一定量的力，卷曲弹簧对压力圆片的反作用力恰好使定位栓紧扣于定位孔内，有效防止了定位栓的脱落。此时，出水口在转轴的限制下处于关闭状态，太阳能热水器上水管路部分开口接通，并且保持稳定的上水状态，直到太阳能水箱储满。水箱储满后，水箱开始通过回水管路入口产生溢流，溢流的水暂储于本装置的回水存储腔中。随着回水存储腔中的水量不断积累增多，水对压力圆片的作用力也不断增大。压力圆片继续压缩卷曲弹簧，当压力大于设定的弹力值时，卷曲弹簧发生一定量的形变，压力圆片随着卷曲弹簧的形变左移至设定的位置，定位栓被触动，然后脱离定位孔沿滑槽恢复至初始位置，卷曲弹簧产生复位作用，转轴也回转至未上水时的位置，这时上水管路部分开口关闭，上水结束。出水孔与回水管路出口接通，回水存储腔中储存的水经排水孔和出水孔排出，直至回水存储腔中的水排尽，卷曲弹簧逐渐恢复至初始平衡状态，压力圆片也恢复至初始位置，排水结束。至此，太阳能热水器半自动上水过程完成。

3 结果分析

在 陕西 省咸 阳市 (107°38′E～109°10′E，34°11′N～35°32N)对安装一段时间后的机械式半自动上水装置进行了状况测试。表2～表5中的数据是在Q-B-J-1-170/2.32/0.05-2、容量265 L的太阳能热水器支持下测得，测量时间避开夏季高温空晒的时间段和用水高峰期，统一在19:00进行测试；每两次测试的时间间隔为24 h，即第1次测试和第2次测试之间的时间间隔为24 h。

表2 上水装置安装完成后的测试状况（1月）

表3 上水装置运行3个月后的测试状况（4月）

表4 上水装置运行6个月后的测试状况（7月）

表5 上水装置运行1年后的测试状况（1月）

本机械式半自动太阳能热水器上水装置上水时需手动操作，从开始上水到上水结束自动关闭这一过程中，由于太阳能水箱大小不同、太阳能热水器容积不同，以及楼层高度不同，所以上水至水箱水满状态所需要的时间也不同。经过安装测试，通过本装置向水箱高度10 m、容量约265 L的太阳能热水器上水，完成整个上水周期所需要的时间为8～10 min，上水完成后由回水管路出口流出的水量在2 L左右，这2 L左右的排水完全可以回收再利用。在日常使用中，相较于其他方式的上水装置，该装置适用于狭小的空间，且省去了电子器件的使用，极大地节约了电能，解决了电动式上水装置难以在有限的环境下完成电路布局的问题，具有体积小、便于安装的特点。尤其是在一些温度、湿度变化较大的地方，本装置的稳定性比其他方式的上水装置高，比如在工厂、工地等，具有很强的实用性。

4 结论

本文所研究的机械式半自动太阳能热器上水装置完全免除了电力电源驱动控制，巧妙地运用了物理学知识；太阳能水箱水满后溢流至上水控制装置，对该装置内部结构产生压力，由卷曲弹簧通过机械复位的方式实现半自动控制。该上水装置免去了复杂的电路系统，如水位监测、驱动上水等电路；且极大地减少了电子元器件的使用和电子电路的分布，大幅提高了可靠性和稳定性。本设计安装方便、易于操作、控制稳定、成本低廉，适用于各种环境，具有很高的应用价值。

[1]姚伟.太阳能利用与可持续发展[J].中国能源, 2005, (2):50－51.

[2]霍振宇,马永强,杨珠.智能化太阳能热水器控制器设计[J].煤炭技术,2011, 30(7): 215－216.

[3]蔡朝刚,于天津.太阳能热水器用恒温阀的开发利用[J].太阳能, 2009(01): 36－37.

[4]王怀龙,许晓光.分体式太阳能热水器控制系统的优化设计[J].计算机测量与控制, 2010, 18(3): 586－588.

[5]曹越,刘超,冯进良.基于AVR单片机的精密温控系统设计[J].仪器仪表用户, 2008, (6): 21－22.