太阳能热水器.docx

太阳能热水器.docx

《太阳能热水器.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《太阳能热水器.docx（11页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。

太阳能热水器

成绩评定：

传感器技术

课程设计

题目太阳能热水器

摘要

太阳能热水器以其诸多的优点受到人们的欢迎。

本文结合实际太阳能热水器的具体应用，在介绍太阳能、传感器、单片机的特点基础上，详细描述了太阳能热水器的工作原理和设计方案。

这里根据太阳能热水器对控制器的要求与特点，提出了一种基于DS12887的太阳能热水器智能控制器的设计方法，给出了系统硬

件设计及软件实现方法。

全文分三大部分。

第一部分包括第一章，描述太阳能的发展及其应用。

第二部分包括第二章，描述太阳能热水器的组成及其工作原理。

第三部分包括第三、四章硬件设计及电路原理和软件设计，分别介绍了传感器的特点及应用、一般的太阳能热水器及循环系统、单片机发展和原理，这也是此款太阳能热水器的理

论基础和必要前提。

关键词：

太阳能热水器;热敏传感器; 模糊控制; 实时时钟;单片机 

目录

一.设计目的1

1.1设计背景1

二.设计任务与要求2

2.1设计任务2

2.2设计要求2

三.设计步骤及原理分析3

3.1设计方法...........................................................................3

3.2设计步骤.............................................................................5

3.3设计原理分析........................................................................6

四.课程设计小结与体会9

五.参考文献11

一.设计目的

1.1设计背景

太阳能热水器是太阳能利用中最常见的一种装置，经济效益明显，正在迅速的推广应用，太阳能热水器能够将太阳辐射能转换热能，供生产和生活使用。

他主要由平板集热器、蓄水器和连接管道等部件组成，可分循环式、直流式和闷晒式。

我们国家追溯历史在1958年，天津大学有12.6平米的太阳能浴室。

到1973年世界能源危机，寻求可再生能源，我国在上世纪70年代末起，加大研发与生产太阳能集热器。

1979年前后我国有些单位迎头研发全玻璃真空管集热器。

清华大学运用电真空物理的背景，坚持了下来。

结构就是一个拉长的暖棚，只不过在内玻璃管上有一层选择性吸收涂层。

  清华大学的发明专利就是铝—氮/铝太阳选择性吸收涂层，在世界上开创用单个铝阴极通过磁控溅射制备红外低发射率低层、铝—氮化铝吸收太阳光的陶瓷薄膜和淡化铝减反膜三个部分。

使用真空管的集热器可在严寒、低太阳辐射下利用，很适合多种气候。

  这是一个选择性吸收涂层的结构，吸收层每层只有10到30个纳米，低发射层是到150纳米。

想要达到科研的水平产量要减一半。

  关于太阳光热发电，这部分我省略，它是将低密度太阳能集中，聚光方法产生高温介质，推动传统发电设备产生电能。

  太阳能热利用产业的发展。

在突破了太阳选择性吸收涂层的核心技术，通过产学研结合，生产性能价格比较好的介质。

 2001年到2006年太阳能热利用产业快速发展。

2006年销售额近300亿元，提供就业机会60多万个。

中国太阳热水器2005年安装量为世界的77%。

真空管型约占世界总产量的90%以上，硼硅玻璃3.3年产量约占世界70%，吸气剂约占世界95%以上，年约1.9亿支真空集热管用，年约0.9亿支显像管用。

大量显像管都在中国生产，吸气剂也在中国生产。

有三个方面我们已经走在前面。

二.设计任务与要求

2.1设计任务

众所周知，太阳能是取之不尽，用之不竭，没有污染的巨大能源。

随着世界上煤、油、气的储量日益减少，能源危机已日益增长，环境污染的危机已威胁着生态平衡，太阳能开发利用的课题已提到人类的面前。

有人预测：

二十一世纪太阳能将由辅助能源上升为主要能源。

但由于太阳能的分散性、季节性和地区性又给太阳能利用带来重重困难，有些技术难点尚未突破，产品造价偏高（如光电池）。

因而尚未被人们大规模的使用。

在太阳能热利用技术中，太阳能热水器是技术上比较成熟、造价比较低廉的产品，同时给人民提供不耗能源、保护环境、绝对安全的热水而受到人们的欢迎。

2.2设计要求

太阳能热水器是以太阳能光热转换，利用温室效应和虹吸原理使水加热的装置，此装置分为两个不同的概念：

1.太阳能热水工程系统，这种系统由太阳能集热器、储水箱管线、补水箱组成不同形式的热水系统，包括自然循环式、定温放水式等等，可构成提供热水10吨到100吨的装置，大多提供集体单位使用。

2.太阳能热水器是指将上述各种不见组装成一个小系统，提供家庭或需要产热水1吨以下的单位使用，此种装置算为太阳能热水器。

太阳能热水器（或系统）均以其采光面积作为计量单位，一般1平方米光面积可产热水100升，采光面积每种型号不同，一般在1.5～2.0平方米。

我国从“六五”计划期间开始推广太阳能热水器，到目前全国已有250万平方米采光面积的太阳能热水器，厂家又几家发展到全国约有180家左右，是目前世界上推广最大的国家之一，而且形成了规模，形成了中国特色的太阳能企业，有中国太阳能协会为中心的学术中心，以中国农村能源企业协会太阳能热利用专业委员会为中心，制定了产品标准、测试条件、产品合格证颁发等一系列措施。

三.设计步骤及原理分析

3.1设计方法

热水器主要由集热器、循环管道和水箱等组成，图中为典型的热水器装置图。

图中集热器1按最佳倾角放置，下降水管2的一端与循环水箱3的下部相连，另一端与集热器1的下集管接通。

上升水管5与循环水箱3上部相连，另一端与集热器1的上集管相接。

补给水箱4供给循环水箱3所需的冷水。

  当集热器吸收太阳辐射后，集热器内温度上升，水温也随之升高。

水温升高后，

【1】太阳能热水器原理图

2-3 热水器装置简图 

1-集热器   2-下降水管   3-循环水管 

4-补给水箱  5-上升水管  6-自来水管  7-热水出水管

水的比重减轻，便经上升水管进入循环水箱上部。

而循环水箱下部的冷水比重较大，就由水箱下流到集热器下方，在集热器内受热后又上升。

这样不断对流循环，水温逐渐提高，直到集热器吸收的热量与散失的热量相平衡时，水温不再升高。

这种热水利用循环加热的原理，因此又称循环热水器。

集热器是一种利用温室效应，将太阳能辐射转换为热能的装置，该装置与一般热水交换器不一样，热交换器通常只是液体到液体，或是液体到气体的热交换过程，而平板行集热器时直接将太阳辐射传给液体或气体，是一个复杂的传热过程。

平板型集热器结构形式很多，世界上已实用的集热器就有直管式、瓦楞式、扁管式、铝翼式等二十多种。

3.2设计步骤

用多少烧多少，省电省水，没有损耗；内置温控仪保证温度在30-50度之间，解决温度持续高温导致的结垢漏水问题。

也可能由于加热时间不能控制而产生过烧，从而浪费电能。

快热式电热水器与普通电热水器最大的区别在于它取消了储水罐，热水随开随用，无须预热，减少了电能浪费。

另外，它还具有体积小，使用安全，安装方便等特点。

热水器的种类很多，但快热式热水器也有很多种。

  要想设计出较好的快热式电热水器必须要以较强的单片机作为基础，而单片机的发展正好为热水器的开发奠定了前提条件。

本设计的快热式家用电热水器系统采用电源电路、单片机控制器、温度检测电路、加热控制电路还采用了热敏电阻、放大电路以及转换电路等。

并给出了信号流程图并介绍了快热式家用电热水器软件系统。

太阳能电热水器控制系统的设计方式很多。

本设计采用单片机为中央处理器，液晶显示模块，热电偶温度采集模块，水位采集模块，电加热模块，控制模块。

本课题设计的基于单片机的太阳能热水器在软件程序的控制下完成温度和水位的实时显示功能，并能完成温度设定等功能，具体实现的功能目标为：

（1） 显示水温和水位，电加热水温可任意设定； 

（2） 设置温度参数后，自动控制电辅助设备加热；

【2】太阳能热水器系统框图

采用筒式电容传感器采集液位的高度。

主要利用其两电极的覆盖面积随被测液体液位的变化而变化，从而引起对应电容量变化的关系进行液位测量。

由于从传感器得出的电压一般在0~30mv之间，太小不易测量，所以要通过放大电路进行放大。

从放大电路出来的是模拟量，因此送入ADC0809转换成数字量，ADC0809连接于单片机，把信号送入单片机。

显示电路连接于单片机用于显示水位被测物理量：

主要是指非电的物理量，在这里为水位。

传感器：

将输入的物理量转换成相应的电信号输出，实现非电量到电量的变换。

传感器的精度直接影响到整个系统的性能，所以是系统中一个重要的部件。

放大，整形，滤波：

传感器的输出信号一般不适合直接去转换数字量，通常要进行放大，滤波等环节的预处理来完成。

A/D转换器：

实现将模拟量转换成数字量，常用的是并行比较型、逐次逼近式、积分式等。

在此用到逐次逼近式。

单片机：

目前的数据采集系统功能和性能日趋完善，因此主控部分一般都采用单片机。

3.3设计原理分析

1、吸热过程  

  太阳辐射透过玻璃盖板，被集热板吸收后沿肋片和管壁传递到吸热管内的水。

吸热管内的水吸热后温度升高，比重减小而上升，形成一个向上的动力，构成一个热虹吸系统。

随着热水的不断上移并储存在储水箱上部，同时通过下循环管不断补充温度较低的水，如此循环往复，最终整箱水都升高至一定的温度 。

 现有的平板式集热器，基本上都采用结合良好的多管组合方式，如滚压或压延方法等，其中走水管子与吸热板之间的热阻几乎可以忽略。

影响平板式集热器板芯性能的主要因素，一是结构设计，二是表面吸收涂层。

设计良好的集热器的板芯肋片效率应该在93%以上。

集热器的板芯肋片效率与板芯结构、表面处理以及集热器整体结构有关。

集热器整体结构的影响可以用总传热系数来描述，其影响程度与自身的几何尺寸（肋片厚度、材质）是一样。

也就是说，在同等效率的情况下，集热器热损小时板芯可以薄一些。

选择性吸收表面可以提高集热效率，但是市面上这类产品为了提高经济效益，往往肋片较薄。

用于热水器场合时，这类产品的实际集热效果与选择性差一些（甚至没有选择性）但肋片厚一些的集热器不会有太大的区别。

 2、循环管路  

  家用太阳能热水器通常按自然循环方式工作，没有外在的动力，设计良好的系统只要有5~6℃以上的温差就可以循环很好。

水循环管路管径及管路分布的合理性直接影响到集热器的热交换效率。

 多数情况下，自然循环家用热水器系统管路中的流态都可以视为层流。

 集热器内管路系统的阻力主要来自沿程阻力，局部阻力的影响要小得多，其中支管的沿程阻力又比主管要大得多。

当水温升高后，由于运动粘度减小，沿程阻力变小，局部阻力的影响变大。

在一定范围内，当主管管径不变时，加大支管管径，不仅沿程阻力迅速减小，而且局部阻力也将跟着减小。

一般地，支管的水力半径应在10mm以上。

当主管管径达到一定值以后，增加主管管径对减小系统阻力意义不大。

 3、顶水式使用过程  

  家用太阳能热水器的用水方式分为落水式和顶水式。

落水使用方式不受自来水供水影响，其缺点是使用过程中水温先低后高，掌握不好的话容易造成突然缺水的尴尬。

顶水方式则是水温先高后低，容易掌握，使用者容易适应，但是要求自来水保持供水能力。

在自来水有保证的情况下，推荐使用顶水方式。

 家用太阳能热水器设计成顶水方式时，必须对水箱内部结构进行合理的设计，以保证出水均匀，避免形成水路“短路”或死角。

使用管路最好设计成可以转换成落水式的连接方式，在自来水压力不足或停水时应急用

【3】太阳能热水器原理图

【4】热电阻测温电路—电桥电路

热电阻与热电偶的测温原理不同的是，热电阻是基于电阻的热效应进行温度测量的，即电阻体的阻值随温度的变化而变化的特性。

因此，只要测量出感温热电阻的阻值变化，就可以测量出温度。

目前主要有金属热电阻和半导体热敏电阻两类。

金属热电阻的电阻值和温度一般可以用以下的近似关系式表示，即Rt=Rt0[1+α（t-t0）]

式中，Rt为温度t时的阻值；Rt0为温度t0（通常t0=0℃）时对应电阻值；α为温度系数。

半导体热敏电阻的阻值和温度关系为Rt=AeB/t

四.课程设计小结与体会

通过此次课程设计，使我更加扎实的掌握了有关传感器方面的知识，在设计过程中虽然遇到了一些问题，但经过一次又一次的思考，一遍又一遍的检查终于找出了原因所在，也暴露出了前期我在这方面的知识欠缺和经验不足。

过而能改，善莫大焉。

在课程设计过程中，我们不断发现错误，不断改正，不断领悟，不断获龋最终的检测调试环节，本身就是在践行“过而能改，善莫大焉”的知行观。

这次课程设计终于顺利完成了，在设计中遇到了很多问题，最后在老师的指导下，终于游逆而解。

在今后社会的发展和学习实践过程中，一定要不懈努力，不能遇到问题就想到要退缩，一定要不厌其烦的发现问题所在，然后一一进行解决，只有这样，才能成功的做成想做的事，才能在今后的道路上劈荆斩棘，而不是知难而退，那样永远不可能收获成功，收获喜悦，也永远不可能得到社会及他人对你的认可!

课程设计诚然是一门专业课，给我很多专业知识以及专业技能上的提升，同时又是一门讲道课，一门辩思课，给了我许多道，给了我很多思，给了我莫大的空间。

而这是日后最实用的，真的是受益匪浅。

要面对社会的挑战，只有不断的学习、实践，再学习、再实践。

这对于我们的将来也有很大的帮助。

以后，不管有多苦，我想我们都能变苦为乐，找寻有趣的事情，发现其中珍贵的事情。

就像中国提倡的艰苦奋斗一样，我们都可以在实验结束之后变的更加成熟，会面对需要面对的事情。

五.参考文献:

[ 1 ] 刘福才、 刘丰、刘立伟 AVR单片机在太阳能热水器智能控制器中的应用。

微计算机信息， 1999， 4。

[ 2 ] 王长胤、 文 军   单片单板机原理及应用[M ]。

[3]金伟正   单线数字温度传感器的原理及应用   电子技术应用，2000 

[4]王建萍   串行LED显示驱动器及应用        电子技术应用  1996