【正文】 的一種新型太陽能集熱裝置。全玻璃真空管太陽集熱器的核心元件是玻璃真空集熱管，它采用了真空技術(shù)，消除了氣體的對流與傳導(dǎo)熱損，并應(yīng)用選擇性吸收涂層，使真空集熱管的輻射熱損降到最低，這樣真空管太陽集熱器可以在中高溫下運(yùn)行，也能在寒冷地區(qū)的冬季及低日照與天氣多變地區(qū)運(yùn)行，擴(kuò)大了應(yīng)用領(lǐng)域。全玻璃真空太陽集熱管通常采用單端開口的形式，在一端將內(nèi)、罩玻璃管環(huán)形熔封在一起。真空集熱器內(nèi)裝有吸氣劑[3]。這種集熱器的優(yōu)點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)簡單、制造方便、可靠性強(qiáng)。集熱效率高，保溫性能好。可以在中高溫下運(yùn)行，也能在寒冷地區(qū)的冬季運(yùn)行。使用壽命長，一年四季都可使用。缺點(diǎn)：管內(nèi)存水過多，管內(nèi)水溫上升緩慢，而且對于真空管南北放置的熱水裝置，管中的熱水無法全部取出，致使系統(tǒng)熱水利用率降低。不能承壓，易在玻璃管內(nèi)結(jié)垢，管子易炸裂，而且在嚴(yán)寒地區(qū)使用會凍結(jié)。價格昂貴。 熱管—真空管式太陽能熱水器熱管—真空管式集熱器是一種新型的太陽能集熱裝置，集中熱管式和真空管式集熱器二者的優(yōu)點(diǎn)，克服彼此的缺點(diǎn)。例如，利用熱管起動快，一通過不同工質(zhì)可以控制熱水器的工作溫度，而真空管集熱器在無負(fù)荷悶曬時，往往會出現(xiàn)超過200℃的高溫，使水的壓力增大，造成使用中的不便等。但真空管集熱器的優(yōu)點(diǎn)在于絕熱性好，熱效率高。其原理是太陽輻射穿過真空管玻璃外殼，投射在金屬吸熱板上，吸熱板將太陽輻射能轉(zhuǎn)化為熱能，使熱管蒸發(fā)段內(nèi)的傳熱介質(zhì)汽化。蒸汽上升到熱管冷凝段后，通過導(dǎo)熱塊將熱量傳遞給集熱管內(nèi)的工質(zhì)，而自身又凝結(jié)成液體，依靠重力流回蒸發(fā)段。上述過程重復(fù)循環(huán)，使集熱管內(nèi)的工質(zhì)不斷升溫。由于運(yùn)用了真空技術(shù)，大幅度降低了集熱器的熱損失，因而使其在高工質(zhì)溫度或低環(huán)境溫度的運(yùn)行條件下仍具有良好的熱性能，同時運(yùn)用了熱管技術(shù)，被加熱工質(zhì)不直接流經(jīng)真空管，因而跟普通平板式集熱器和真空管集熱器比較，熱管式真空集熱器除了工作溫度高，承壓能力大和耐熱沖擊性能好等優(yōu)點(diǎn)，還有其顯著特點(diǎn)[4]。這種集熱器的優(yōu)點(diǎn)： 耐冰凍。熱管由特殊的材料和工藝保證，即使在冬季長時間無晴天及夜間的嚴(yán)寒條件下，真空管也不會凍裂。啟動快。熱管的熱容量很小，受熱后立即啟動，因而在瞬變的太陽輻射條件下能提高集熱器的輸出能量，而且在多云間晴的低日照天氣也能將水加熱。保溫好。熱管具有單向傳熱的特點(diǎn)，即白天由太陽能轉(zhuǎn)換的熱量可沿?zé)峁芟蛏蟼鬏斎ゼ訜崴?，而夜間被加熱的水的熱量不會沿?zé)峁芟蛳律l(fā)到周圍環(huán)境。安裝維修方便。安裝方便，操作簡單，易于固定，運(yùn)行可靠。缺點(diǎn):生產(chǎn)成本。 技術(shù)要求高。 研究的內(nèi)容本課題研究的內(nèi)容是用PLC控制太陽能熱水器系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)太陽能熱水器系統(tǒng)自動化控制及手工控制，使其滿足實(shí)際各種控制需要、使更多的工作免于人參與、使系統(tǒng)更加穩(wěn)定可靠。具體研究工作從以下方面展開：1）確定系統(tǒng)的各種工序，繪制系統(tǒng)的工藝流程圖。2）PLC選型及I/O分配。3）設(shè)計、繪制梯形圖，滿足各控制要求。4）繪制電氣原理圖、外部接線圖等。5）依據(jù)設(shè)計要求調(diào)試系統(tǒng)成功。第二章 全玻璃真空管式太陽能熱水器的論述 太陽能熱水器系統(tǒng)功能簡介圖2—2 系統(tǒng)控制原理圖注釋: Tl，熱水箱的溫度傳感器 T2，循環(huán)水管中的溫度傳感器 T3，集熱器中的溫度傳感器 F1，循環(huán)水閥門 F2，冷水閥門 F3，熱水閥門此款熱水器利用微機(jī)控制主要有以下兩種控制功能:水溫控制、水箱加熱控制。水溫控制為了提供溫度不低于37攝氏度的水，具體控制過程如下：首先，關(guān)閉冷水閥門F2和循環(huán)水閥門F1，然后微機(jī)開始進(jìn)行水箱的溫度采集，同時進(jìn)行溫度的比較，當(dāng)水箱中的溫度小于370C時，電熱器D接通進(jìn)行加熱，同時微機(jī)繼續(xù)對熱水箱的水溫進(jìn)行采集。當(dāng)溫度加熱到大于370C時電熱器D斷開，如此反復(fù)循環(huán)保證了溫度的穩(wěn)定。水箱加熱控制如果沒有日照或者日照很弱時，到了晚上我們是否還能洗上熱水澡呢?答案是肯定的，不要忘了這款熱水器還有一個從系統(tǒng)。這時它就要發(fā)揮作用了。熱水箱溫度為T1，將它和設(shè)定值N相比較，從而控制是否打開電加熱?？刂茣r段為6點(diǎn)一18點(diǎn)，具體過程如下: 若TlN，電加熱接通。否則，電加熱斷開。最終熱水箱的溫度加熱到設(shè)定值N。由此可見，即使沒有日照我們照樣可以洗上熱水澡了。 太陽能熱水器組成、原理和工作過程在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和日常生活中，需要大量的熱水。這類熱水的特點(diǎn)是用水量較大而水溫不高，一般為400C ~600C。熱水器組成及原理熱水器主要由集熱器、循環(huán)管道和水箱等組成。下圖為典型的熱水器裝置簡圖。圖中集熱器1按最佳傾角放置，下降水管2的一端與循環(huán)水箱3的下部相連，另一端與集熱器1的下集管接通。上升水管5與循環(huán)水箱3的上部相連，另一端與集熱器1的上集管相接。補(bǔ)給水箱4供給循環(huán)水箱3所需的冷水。當(dāng)集熱器吸收太陽輻射后，集熱器內(nèi)溫度上升，水溫也隨之升高。水溫升高后，水的比重減輕，經(jīng)上升水管進(jìn)入循環(huán)水箱上部。而循環(huán)水箱下部的冷水，比重較大，就由水箱下部流到集熱器下方，在集熱器內(nèi)受熱后又上升。這樣不斷對流循環(huán)，水溫逐漸提高，直到集熱器吸收的熱量與散失的熱量相平衡時，水溫不再升高。這種熱水器利用循環(huán)加熱的原理，因此又稱為循環(huán)式熱水器[5][6]。熱水器裝置簡圖1一集熱器 2一下降水管 3一循環(huán)水管4一補(bǔ)給水箱 5一上升水管 6一自來水管7一熱水出水管　熱水器的基本工作過程1） 吸熱過程。太陽輻射透過玻璃蓋板，被集熱板吸收后沿肋片和管壁傳遞到吸熱管內(nèi)的水。吸熱管內(nèi)的水吸熱后溫度升高，比重減小而上升，形成一個向上的動力，構(gòu)成一個熱虹吸系統(tǒng)。隨著熱水的不斷上移并儲存在儲水箱上部，同時通過下循環(huán)管不斷補(bǔ)充溫度較低的水，如此循環(huán)往復(fù)，最終整箱水都升高至一定的溫度。2） 水循環(huán)管路。家用太陽能熱水器通常按自然循環(huán)方式工作，沒有外在的動力，設(shè)計良好的系統(tǒng)只要有5℃~6℃以上的溫差就可以循環(huán)很好。水循環(huán)管路、管徑及管路分布的合理性直接影響到集熱器的熱交換效率。 多數(shù)情況下，自然循環(huán)家用熱水器系統(tǒng)管路中的流態(tài)都可以視為層流。 集熱器內(nèi)管路系統(tǒng)的阻力主要來自沿程阻力，局部阻力的影響要小得多，其中支管的沿程阻力又比主管要大得多。當(dāng)水溫升高后，由于運(yùn)動粘度減小，沿程阻力變小，局部阻力的影響變大。在一定范圍內(nèi)，當(dāng)主管管徑不變時，加大支管管徑，不僅沿程阻力迅速減小，而且局部阻力也將跟著減小。一般地，支管的半徑應(yīng)在10mm以上。當(dāng)主管管徑達(dá)到一定值以后，增加主管管徑對減小系統(tǒng)阻力意義不大[7]。 太陽能熱水器各單元介紹熱水器水箱及水箱配置水箱是熱水器重要組成部分。它包括循環(huán)水箱和補(bǔ)給水箱；循環(huán)水箱與集熱器上下水管相連，供熱水循環(huán)之用。補(bǔ)給水箱只與循環(huán)水箱相通，當(dāng)循環(huán)水箱水位低時，以補(bǔ)給冷水之用。1）循環(huán)水箱它的作用是保持最高水位平面，同時讓水中空氣由此處排出，避免帶入管道系統(tǒng)，以致造成氣阻損失。 循環(huán)水箱的下部均裝有冷水進(jìn)水擋板。這樣冷水進(jìn)入循環(huán)水箱時，通過擋板使之?dāng)U散流入不致將箱內(nèi)上部熱水?dāng)嚮臁?）補(bǔ)給水箱補(bǔ)給水箱是供給冷水的水箱。自來水不是直接進(jìn)入循環(huán)。而是通過補(bǔ)給水箱來補(bǔ)給。這樣做的優(yōu)點(diǎn)是使冷水和熱水隔開，保持循環(huán)水箱中的熱水水溫穩(wěn)定。3）水箱配管水箱配管是指進(jìn)出水管、排放熱水管等在水箱中的高度位置，它對排放水溫起著主要作用。因此，熱水出水管位置愈高，其熱水排放溫度亦愈高；為此，采用定溫自動放水時，它的熱水出水口位置較高。而采用人工放水時，熱水出水口位置應(yīng)較低。循環(huán)水箱內(nèi)的水溫達(dá)到一定溫度時，將箱內(nèi)熱水幾乎全部放掉，然后放入冷水再重新循環(huán)加熱。一般人工放水一天中 12次。循環(huán)管道在熱水器平面布置方案確定后，集熱器與循環(huán)水箱已基本確定。但要熱水器運(yùn)行起來，還得配置適當(dāng)?shù)墓艿溃瑢⒓療崞髋c水箱有機(jī)的連接起來，才能形成一個完整的循環(huán)系統(tǒng)。熱水器管道系統(tǒng)連接正確與否，對熱水器循環(huán)系統(tǒng)的效率也有很大影響。集熱器平板式太陽能集熱器是平板式太陽能熱水器的主要部件，它由透明玻璃、吸熱體、保溫層等組成。當(dāng)涂有黑色的金屬片置于陽光下，即可吸收太陽輻射能而升高溫度，同時也向四周散發(fā)熱量。若它吸收的能量與散發(fā)的能量相等，此時金屬片就不再升溫，這就叫“平衡溫度”。如果在金屬片內(nèi)有流道，流體把熱量不斷帶走，為了達(dá)到平衡溫度，金屬片便要不斷吸收太陽的輻射能。利用這種原理，把帶有流道的金屬板封裝在一個保溫盒體中，上面蓋以玻璃，使太陽的輻射能可以進(jìn)入盒體，集熱器由于吸熱體溫度較低，其發(fā)射出的大部分輻射能波長較長(位于遠(yuǎn)紅外區(qū)域)，這些輻射不能穿透玻璃而被阻隔在集熱器的空腔內(nèi)，從而產(chǎn)生了所謂的溫室效應(yīng)，提高了集熱器的集熱效率。 系統(tǒng)的要求根據(jù)人們對熱水器的使用習(xí)慣和人性化設(shè)計要求 , 設(shè)計的控制系統(tǒng)具有以下功能：自動控制功能。系統(tǒng)在自動工作方式時 能自動控制供水水泵的運(yùn)行與停止和各電磁閥的開關(guān)。定時控制器在斷電時正常計時 ,故采用其作為 PLC 的電源控制。在定時控制時間內(nèi) ,由定時器接通 PLC 的電源 ,PLC 按預(yù)先編制的程序依次打開各控制設(shè)備電源 ,并根據(jù)輸入信號的變化隨時調(diào)整程序的執(zhí)行。在非系統(tǒng)工作時間里 定時器自動斷開 PLC 的電源。工作為 6～18 h。可利用定時控制器和 PLC 自身具有的定時命令加以解決。除塵功能。利用溫度開關(guān)檢測環(huán)境溫度是否適合除塵 ,溫度開關(guān)為 4 ℃。除塵用一個電磁閥連續(xù)工作2 min。水箱液位控制功能。水箱 200 L ,液位控制在 180 L 。水箱應(yīng)具備供熱水、保溫的基本功能。 報警功能。當(dāng)出現(xiàn)故障時，故障指示燈閃爍且報警電鈴響起,操作人員可以按下“消音”按鈕以解除鈴響，但故障指示燈仍在閃爍；直到故障消除；故障指示燈才停止閃爍。節(jié)水功能。供水閥供水 5 min，停 2 min?？蓪?shí)現(xiàn)手動/自動控制切換。 可編程控制器（PLC）簡介可編程控制器（PragrammableLogicController,簡稱 PLC，是一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，是在20世紀(jì)60 年代末面向工業(yè)環(huán)境由美國科學(xué)家首先研制成功的。它采用可編程序的存儲器，其內(nèi)部存貯執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時、計數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作指令，并通過數(shù)字的、模擬的輸入和輸出，控制各