【文章內容簡介】 起來，價格適中的太陽能熱水器完全可以成為大多數居民的家用耐用品之一。 2020 年太陽能熱水器的銷售額近 300 億元，為社會提供就業(yè)機會近 60 多萬個。尤其在 2020 年 5 月，太陽能熱水器進入家電下鄉(xiāng)產品行列，享受政府補貼 13%。所以太陽熱水器在未來將有 6 更大的發(fā)展空間。 (4)太陽能熱水器發(fā)展的技術環(huán)境 上世紀 70 年代末起，我國開始研發(fā)與生產太陽能集熱器。 1979 年，第一個全玻璃真空管集熱器在我國研發(fā)成功。太陽能熱水器發(fā)展至今，產品類型主要有真空管型、平板型和悶曬型 3 大類型技術板塊。 2020 年到 2020 年太陽能熱水器產業(yè)快速發(fā)展。當今真空管型型太陽能熱水器約占世界總產量的 90%，用于真空管集熱器生產的硼硅玻璃 年產量約占世界總生產量的 70%。其中在 30 萬噸的 的玻璃中大約有 28 萬噸用于真空管的生產。我國當前真空管鍍膜生產線，年生產能力為 2 億支，配套設備齊全，年生產的真空管可裝配約 2020 萬平方米太陽能熱水器。隨著太陽能熱水器發(fā)展，分體式太陽熱水器技術、壁掛式太陽熱水器技術、承壓式太陽熱水器技術、太陽能熱泵熱水器等新型的太陽能熱水器技術不斷被推向市場。目前，一種新型真空鋸齒式自動跟蹤太陽集熱器已經獲得專利。這些都為太陽能熱水器的發(fā)展提供了必備的技術環(huán)境。 太陽能熱水器及其控制系統發(fā)展現狀 隨著全球能源供應的日趨緊張，以清潔、環(huán)保節(jié)能著稱的太陽能受到各國和各級政府的高度重視。以中國為例，據太陽能協會公布的數據表明，全國太陽能的生產量以每年 30%的速度增長， 2020 年，我國太陽能熱水器的生產量占全世界生產量的 50%，產品保有量占世界總量的 70%。在世界范圍內，太陽能熱水器技術已很成熟，并已形成行業(yè)，正在以優(yōu)良的性能不斷地沖擊電熱水器市場和燃氣熱水器市場。許多國家都對太陽能產業(yè)給予了高度重視， 比如德國就提出了太陽能市場激勵計劃，以色列更是明文規(guī)定，所有新建房屋必須配備太陽能熱水器。而西班牙則自 2020 年 9 月之后，所有新建建筑和游泳池以及既有建筑必須安裝太陽能熱水器。目前，中國已經成為世界上最大的太陽能熱水器生產國，年產量約為世界各國之和，擁有太陽能熱水器研制、生產、銷售和安裝的企業(yè)達到 1000 余家，年產值 20 億元，從業(yè)人數 萬人。太陽能熱水器發(fā)展迅速，與之形成偏差的是與太陽能熱水器相配套的太陽能熱水器控制器卻一直處在研究與開發(fā)階段。目前市場上太陽能熱水器的控制系統大多存在功能單一、操作復雜、 控制不方便等問題 ,很多控制器只具有溫度和水位顯示功能 ,且誤差較大。主要存在的問題有以下兩個方面： (1）不具備溫度控制功能。當由于天氣或氣候原因而光強不足時，太陽能熱水器就會溫度達不到洗浴要求，給熱水器熱水器用戶帶來不便。即使部分太陽能熱水器具有輔 7 助加熱功能 ,通常采用的是電加熱方式。而傳統電加熱溫度控制具有升溫單向性、大慣性、大滯后性和時變性的特點，應用傳統的模擬電路控制方法，很難達到理想的控制效果。也可能由于加熱時間不能控制而產生過燒，從而浪費電能。 (2）上水控制通常采用手動控制，水滿不容易發(fā)覺，造成水 資源的浪費?；蛘哂兴^水位控制 ,是通過設定來實現太陽能熱水器水箱里缺水時自動補水、水滿時自動停水的功能?，F有的控制方案多由水位傳感器根據缺水或滿水時發(fā)出的不同信號控制半導體器件的通斷 ,從而進一步控制繼電器、電磁閥的開合狀態(tài) ,來進行補水與否。這種方案容易造成用戶在使用過程中水位下降進行補水，出現混水問題。對于家庭用戶來說，一天熱水的使用量相差不會很大，若使用時隨時補水，混水后又需要電輔熱進行加 。因此針對手動控制等中低端太陽能熱水器，我們旨在 利用水位傳感器 開發(fā)一種控制更加智能，而且更加經濟的太陽能熱水器自動上水 系統。 8 第一章 硬件及結構 第一節(jié) 框圖體系及結構 一、 太陽能熱水器工作原理及總體結構 太陽能熱水器的基本原理主要是利用溫室原理將自然界的太陽光能轉化為供人類使用的熱能，通過把水從低溫度加熱到高溫度，以滿足人們在生活、生產中的熱水使用。當相對密閉的環(huán)境中熱對流減小、熱輻射損失減少，熱量不斷聚積，聚集的能量轉化為熱能，密閉環(huán)境的溫度逐漸升高這樣的一種自然現象稱之為溫室原理。太陽能熱水器是由進行太陽能和熱能轉化的集熱器、用于儲存熱水的儲水箱及其他配套部件組成。把太陽能轉換成熱能主要 依靠集熱管，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的水。集熱器正面在陽光照射下溫度升高，集熱管背陽面沒有太陽光輻射溫度就會低，而集熱器管內水便有了溫度差異，由于熱水比重較小上浮，冷水比重較大就會下沉，吸熱管內的水吸熱后溫度升高，比重減小而上升，構成一個熱虹吸系統，產生向上的力促進水流的運動。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)管不斷補充溫度較低的水，如此循環(huán)往復，最終整箱水都升高至一定的溫度。太陽能熱水器系統是由太陽能熱水器和太陽能熱水器控制系統組成。而太陽熱水器由集 熱器、蓄熱水箱、上水連接管道、太陽能集熱器支架及其它輔助部件組成。太陽能集熱器和蓄熱水箱可以分開安裝 ,集熱器可以安裝在房頂 ,容易采光的地方 ,且可以與房屋外形外形相結合。蓄熱水箱和控制裝置可以安裝在室內方便的地方，只需布設相應的管道與 線路即可。其組成框圖如圖 11 所示。 9 圖 11 二、 太陽能熱水器控制系統 框圖 本系統設計的太陽能熱水器控制系統將檢測到的一系列環(huán)境數據，通過主控芯片處理后，可以實現定時控制上水，水滿自動停止。智能輔助加熱，溫度合適即停止加熱。還可以讓用戶手動控制，進行定時等操作，滿足用戶的 特殊要求。通過 LED 顯示屏用戶可以了解系統地實時工作狀態(tài)，即水溫多少、水位多高等。使用戶在入浴前可以了解熱水器的工作狀態(tài)。通過對太陽能熱水器控制系統功能分析可以設計出太陽能熱水器控制系統框圖，如圖 所示。下面對具體功能進行說明。 （ 1）上水控制 定時上水設置有六個上水時間點 ,每天在所設定的定時時間自動進行上水操作，水上滿自動停止。智能上水當水位低于可容許最低水位時自動上水，水上滿自動停止。避免出現無水可用及干燒等情況。手動上水設置有手動上水按鍵，滿足特殊情況的需要。用戶可以根據實際需要定量上水。 （ 2） 溫度顯示 即時顯示水箱中水的溫度，溫度測量范圍為 0100 攝氏度。 （ 3）水位顯示 設置 10(滿檔 )、 08（ 80%）、 06（ 60%）、 04（ 40%）、 02（ 20%）、 01（ 10）、 00（空） 10 七個檔 ,顯示水箱水位。 （ 4）智能輔助加熱 智能輔助加熱，當用戶對水溫不滿意時，開啟智能輔助加熱，設置三檔加熱溫度，滿足個性化需求、用電加熱器作為輔助加熱源，當溫度加熱至設定溫度時，自動停止加熱。 （ 5）水流循環(huán) 太陽能集熱器和太陽能蓄熱水箱內分別安裝溫度傳感器，通過兩個溫度傳感器采集水溫信號。通過溫度檢測電路進行信號轉 換，將溫度值轉換成電壓值。 A/D 轉換可以將輸出電壓值轉換為數字信號，送至控制電路。在控制電路模塊將對兩者溫度進行比較，當兩者的溫度差值達到預先給定的設定值時，控 制器發(fā)出啟動信號，啟動循環(huán)水泵一段時間。在循環(huán)水泵的作用下熱水進入太陽能蓄水箱，冷水進入太陽能集熱器。循環(huán)一段時間后，循環(huán)時間可以預先設定，可由太陽能熱水器集熱管數量決定，循環(huán)泵停止工作，太陽能集熱器的水進入加熱過程。 11 第二節(jié) 各原件的作用及工作原理 太陽能熱水器智能控制系統主要由外圍硬件電路和主控芯片組成，根據太陽能熱水器控制系統框圖可以得 到太陽能熱水器智能控制系統總體設計框圖，如圖 所示。詳細的功能設計將在下面的部分詳細介紹。 溫度檢測電路將溫度信號轉變?yōu)閷碾妷盒盘?，再通過 A/D 轉換電路將模擬量轉化為主控芯片處理用的數字量，主控芯片根據檢測到的數據進行溫度顯示和數據處理，驅動輔助加熱裝置進行水加熱操作。水位檢測電路將水位信息轉化為數字量，主控芯片根據檢測到的數據進行水位顯示和數據處理，通過水位控制電路，驅動電磁閥進行自動上水操作。上水循環(huán)電路通過主控芯片控制，根據檢測到的集熱器與蓄水箱中的溫差情況進行數據處理，通過上水循環(huán)電路， 驅動水泵進行自動上水循環(huán)操作。顯示模塊主要是溫度，水位，時間顯示。按鍵模塊用來進行自動上水時間點的設定，加熱溫度設定， 以及上水量的設定， 還設置有手動上水開關，滿足特殊需要。 一、 溫度傳感器的選型 溫度傳感器可以用來測量小目標，熱容量小或溫度變化較快的物體。目前的溫度傳感器種類比較多，常見的溫度傳感器主要有熱電偶、熱敏電阻、以及模擬集成溫度傳感器，邏輯輸出型溫度傳感器。每種傳感器有各自的特點與適用的場合。 熱電偶是由兩種 不同導體或半導體的組合而成。熱電偶的熱電勢 EAB(T， T0)是由接觸電勢和溫差電勢合成的。接