太阳能热水器智能保护装置的设计.docx
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太阳能热水器智能保护装置的设计.docx
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太阳能热水器智能保护装置的设计
密级:
NANCHANGUNIVERSITY
学士学位论文
THESISOFBACHELOR
(2010—2011年)
题目太阳能热水器集热管智能保护装置的设计
学院:
机电工程系机制
专业班级:
机制075班
学生姓名:
林博君学号:
5901107218
指导教师:
朱洪涛职称:
教授
起讫日期:
2011年2月21日——2011年5月27日
太阳能热水器集热管智能保护装置的设计
专业:
机械设计制造及其自动化学号:
5901107218
学生姓名:
林博君指导教师:
朱洪涛
摘要
随着资源和环境问题的不断加重,使用清洁而又不会枯竭的能源的太阳能热水器得到了很大的发展,然而现在的太阳能热水器由于其核心部件集热管缺乏保护,在使用中存在水温过热时易使得水箱部件老化,积水垢,空晒易爆管,易累积灰尘降低集热效率等问题。
本文设计了一种集热管智能保护装置来解决这些问题。
该保护装置使用套装于集热管且能绕其旋转的半圆形保护罩对集热管进行保护,保护罩半圆部分内外表面均有反光涂层。
开保护时保护罩旋转至集热管上方,防止坠落物砸坏集热管,同时由外表面反射阳光防止水温过热;关保护时保护罩旋转至下方,由内表面反射阳光增加集热效率。
保护罩内表面设置除尘刷,在状态切换中可以清扫灰尘。
保护罩状态切换是正反旋转180°,动力由一直流电机提供,转动角度由固定的限位开关确定。
除了机械结构的设计,本文还完成了该装置的智能控制系统的电路和软件的设计。
其智能控制系统主要包括使用温度传感器和光线传感器作为敏感器件的实现水温过热自动保护和光线过低自动保护的自动控制部分,以及给予用户更多控制自由和可在家中长期无人状态下手动开启保护以防止集热管空晒爆管的手动控制部分。
本装置总体来说具有低成本,实用和智能化程度高的特点。
关键词:
太阳能热水器;集热管;保护罩;防尘
Thedesignofanintellegentprotectivedeviceforthecollectorofsolarwaterheater
Abstract
Withthedeteriorationofresourcesandenvironment,thesolarwaterheaterswhichusecleanandunlimitedresourcegainagreatdevelopment.However,duetothefrangibilityoftheimportantunitofthesolarwaterheater,thecollector,thesolarwaterheaterhasproblemssuchasahightemperatureofthewaterwillmakethepartsofthewatertankagingandaccumulatingscale,thecollectingprocesswillbreakthecollectorwhenitislackofwater,andtheefficiencyofcollectingheatwilldecreasewhenthecollectoriscoveredwithdust.Thispaperdesignedaprotectiondeviceforsolarwaterheater'scollectortosolvetheproblemsmentionedabove.Theprotectiondeviceusedakindofsemicircularprotectioncoverwhichhasacoatthatcanreflectthelightinbothsidesofit,andthecoverissetonthecollectorandcanrotatearoundit.Whentheprotectionison,thecoverliesoverthecollectorandusestheoutsidefacetoprotectthecollector,andalsoreflectlighttopreventthetemperatureofthewaterfromgettingtoohigh;Whentheprotectionisoff,thecoverliesunderthecollectorandusesitsinsidefacetoreflectlightinordertocollecttheunutilizedlightfromthecollectorandincreasetheefficientofcollectingheat.Therearetwobrusheswhichcancleanthecollectorduringthechangingofprotectionphaseontheinsidefaceofthecover.Thechangingofprotectionphaseisdonebyreversiblerotationwhichhasananglelimitof180°.Amotorpowerstherotationandtwofixedlimitswitcheswillworkforlimitingtherotationangle.
Despitethedesignofthemechanicalstructureoftheprotectiondevice,thispaperalsofinishedtheintelligentcontrolsystembydevisingthecircuitandwritingtheprogram.Thecontrolsystemincludesanautomaticcontrolmodewhichhaveatemperaturesensorandalightsensortodetectthetemperatureofthewaterandtheilluminationoftheenvironmentthustocontroltherotationoftheprotectioncoverautomaticallyandanartificialcontrolmodethatgivestheusermorefreedomincontrollingandtheusercanusethismodetoforcetheprotectiononthustopreventthecollectorfrombreakingdownduetothehightemperaturegeneratedintheemptycollectorwhentheuserisleavinghomeforalongperiod.Allinall,thedesignhasalowcost,highintelligence,andisveryapplicable.
Keywords:
Solarwaterheater;collector;protectioncover;anti-dust
第1章 绪论
1.1太阳能热水器应用现状
随着科技的进步和能源的逐渐枯竭,全球工业对新能源的需求变得越来越高,可持续发展战略的不断被强调,新能源得到了越来越多的关注。
新能源主要包括太阳能,核能,风能,潮汐能,地热能等,而其中资源最丰富,最安全又最环保的能源无疑就是太阳能了。
太阳能的应用主要有三种:
第一,间接利用太阳能:
化石能源(光能转化学能)生物质能(光能转化学能);第二,直接利用太阳能:
集热器(有平板型集热器、聚光式集热器)(光能转内能);第三,太阳能电池:
(光能转电能)一般应用在人造卫星、宇宙飞船、打火机、手表等方面。
而在这其中,又以直接利用太阳能的太阳能热水器发展规模最大,而且是离人们的生活最近的,是最常用的。
市面上的家用太阳能热水器主要有真空管式,热管式,U型管式和平板式,其中平板式集热效率最高(但国内的平板式集热器受限于技术并不是最好的),但是不能承受低温,只能应用于冬天温度不会低至-20℃的南方地区;在黄河以北地区温度可能低至-20℃,则要求使用真空管式集热管;在更北的黑龙江地区则必须使用热管式。
热管式太阳能热水器虽然能够承受低温,管内无水不容易炸管,但是热效率低,造价高昂。
太阳能热水器具有绿色环保,节约后期投资(纯太阳能型只需付水费)等优点,但同时也存在不少的缺点。
第一,大多数太阳能热水器出水温度不恒定,而且很容易出现忽冷忽热的情况;第二,由于上冷水时会在屋顶的太阳能热水器和家中的喷头间的水管中留下一部分水无法进入集热管进行加热,在使用热水前必须要放掉这一段冷水,而若住户离楼顶距离很远,则会浪费较大量的水;第三,集热管中的水在加热到足够温度后还会继续被加热,时常会被加热到沸腾。
而长时间的过高温度会使水箱内内元件,比如密封圈,老化,会严重影响热水器的寿命。
[]
正是以上几点严重影响了太阳能热水器的应用以及和其他热水器,如燃气热水器,电热水器,空气能热水器的竞争力。
因此我和其余两位同学,欧阳鑫和詹来丰组成了一个课题组专门研究太阳能热水器的改进。
欧阳鑫主要解决出水不恒温的问题,詹来丰解决水管中冷水浪费的问题,而我则是集中于解决集热管的保护。
1.2选题意义
太阳能热水器是由集热器、储水箱及相关附件组成,把太阳能转换成热能主要依靠集热管,集热管的优劣决定了热水器的集热效率高低,故是非常核心的部件。
集热器受阳光照射面温度高,集热管背阳面温度低,而管内水便产生温差反应,利用热水上浮冷水下沉的原理,使水产生微循环,热水进入水箱存储起来,以供用户使用[]。
原理图见图1-1:
图1-1真空管式太阳能热水器工作原理
在中国使用最广的太阳能热水器是全玻璃真空管式太阳能热水器。
真空管集热管是在玻璃壁与吸热体之间抽成一定的真空度,以抑制空气的对流和传导热损。
吸热体表面镀上一种特殊的涂层代替黑色的吸热板,还可抑制吸热体的辐射热损。
因此,真空管集热器具有比普通平板型集热器更优良的热性能。
在高温和低温环境下均有较高的集热效率。
真空管集热器按其材料结构可分为全玻璃型和金属吸热体型两大类。
其中全玻璃真空太阳能集热管具有透过率和吸收率高、热反射率低、对流热损小以及全年使用时间长等优良特性,同时制造工艺简便,技术成熟可靠,成本较低,全玻璃真空管热水器的使用日益广泛。
如图1-2所示为真空管太阳能集热器结构。
[]
图1-2真空管式集热管结构
集热管是太阳能热水器的集热部件,也是核心的部件。
集热管的优劣决定了转化效率的高低,而集热管能否正常工作也决定了热水器的工作稳定程度。
虽然如今集热管的制造工艺成熟,集热效率高,但是集热管本身比较脆弱,在恶劣的天气下,比如冰雹,沙尘暴等,会造成集热管的损坏。
同时若集热管长时间暴晒会造成爆裂,而且吸热过多导致水温过热,会使水箱内的非金属元件加速老化,水箱焊缝裂开、结水垢,降低其使用寿命。
此外由于集热管表面会积累灰尘,长时间后会降低集热管的集热效率。
再次,光线不足时集热管又会吸热不足。
因此,该课题主要集中于研究如何设计保护其核心部件集热管的装置。
一旦集热管得到更好的保护,真空管热水器的应用必将更加广泛,并且一定能够超越其他类型的热水器。
这也是本课题的意义所在。
1.3国内外研究
国内外对于集热管的保护方面涉及并不是很多。
国外对此方面鲜有描述,主要是集中于改进水箱,比如采用双水箱代替单水箱[][],将集热管和水箱集成[],以及电子控制的保护装置[]。
而国内总体上来说有三种形式的保护装置,一是拉帘式保护装置,如国内的一项发明专利“太阳能热水器集热管自动保护装置”(专利号:
CN201407839Y)[]和“太阳能热水器集热控效安全保护装置”(专利号:
CN2893554Y)[],主要是在热水器集热管两侧设置导轨,用电动拉帘的形式进行保护。
这样的装置虽然可以起到过晒和家中长期无人情况的保护,也可以防冰雹爆竹等坠落物,但是并不能解决除尘的问题,而且密不透风,在大风天气中挡风面积较大,可能加速其紧固螺钉的变松,影响装置寿命。
最后,该装置仅仅有保护功能,无法提高集光效率。
二是全封闭式保护装置,如专利号为CN201621867的“分体式太阳能热水器保护装置”[],则是在集热管上方设置一块玻璃板起保护集热管的作用,但是并不能防过晒,也不能自动清理灰尘。
三则是采用半圆形保护罩的保护装置,如专利号为CN201662257的“太阳能集热器调节保护装置”[],则是采用设置于每根集热管上的半圆形板的保护罩,这样的设计虽然比上述两种方案都更优秀,但是其保护形保护罩的设计本身不够优秀,使用了大量轴承,齿轮使得制造成本偏高。
另外其智能化控制方案有缺陷,且没有增加集热效率,另外其传动齿轮缺乏保护,极易被落叶或其他坠落物卡住。
另外有类似设计,如专利号为CN101749877A的“齿轮传动翻转式太阳能热水器防过热装置”[],则在功能上更为简陋,且机构过于复杂,制造成本高,难以应用。
综上所述,国内外对于太阳能集热管的保护研究并非空白,但是其解决方案并没有得到广泛应用,主要是其制造成本控制不当,加上机构本身各有缺点,使其实际效果不如预期。
1.4总结
由以上几节可知,如今的太阳能热水器应用前景非常广泛。
但是市面上的太阳能热水器的核心部件集热管普遍存在缺乏保护的问题。
这导致了太阳能热水器在与其他种类的热水器竞争时的不力。
而同时,国内外对于集热管的保护虽非空白,但却缺乏低成本而高效率的设计方案,因此本课题主要研究的就是如何设计出一种最理想的太阳能热水器集热管保护装置。
第2章 方案论述
虽然课题确定为要研究太阳能热水器集热管的保护,但是在思考具体方案的过程中也遇到了不少的问题。
首先存在的问题就是:
如何使得整个保护装置对原有的热水器系统结构影响最小?
最初设想的是只要在集热管上方设置一个帘子,需要时拉上,不需要时拉开即可,但是这样一来,帘子拉上时挡风面积太大,在大风天气中如同给热水器加设了一面帆,风力太大时不仅可能把挡光的帘子刮跑,甚至可能刮动热水器本身,因此该设计方案是不行的。
继而又设想把整块的帘子改为一条一条的,中间留有缝隙透风。
但是这种方案也有不足,那就是帘子的材料如何选择?
若是硬质的,那么收起时存在困难;若是软质的,又不够强度保护集热管。
经过更长久的思考才最终采用了硬质半圆形保护罩的设计:
每一个保护罩与其他保护罩都是分开的,分别套装于每一根集热管上,可绕集热管转动。
所有的保护罩可以同时联动。
这样一来,不仅结构简单,整体性强,还不用担心挡风的问题。
保护罩只有两个状态:
保护开与保护关。
半圆形保护罩转动到集热管上方时为保护开,可以遮挡阳光与保护集热管,起到防过热,防砸的功能;而当保护罩转动到集热管下方时为保护关,又可以将漏下的阳光利用保护罩内凹面反射回集热管,起到增加集热的作用。
同时,通过在保护罩内凹表面增设除尘刷,可以在旋转过程中自然地清理灰尘,防止因灰尘累积造成的集热管集热效率降低。
为了方便与控制保护罩的开启与关闭,特设计了一套控制系统。
控制系统则利用单片机作为控制核心,通过温度和光线传感器分别判断水温和环境的光线来进行控制。
控制的原则是,在水温达到足够温度后开启保护防止水温过热,而水温不足时则关闭保护。
光线过低时也启动保护,以便在夜间防止烟花等坠落物砸坏集热管。
而为了使得控制更加人性化,又设计了一个手动控制档,可以切换到手动控制保护罩的保护开闭,这样可以在家中长期无人时手动启动保护,防止集热管空晒造成的爆管。
以下是本文设计的太阳能集热管保护装置的几大特点:
1、结构节约,一体性强
2、防水温过热
3、防破坏
4、防集热管空晒造成的爆管问题
5、关保护时增加集热效率
6、能够及时除尘防止灰尘累积降低集热效率
7、智能化程度高
在接下来的章节中主要从机械结构,电路,和软件三个方面来对我的方案进行详细描述。
本文所设计的保护装置是基于皇明HM-18TT21/58-50(W)D型太阳能热水器设计的,主要参数为:
管长2.1m,管数18支,管径58mm。
其他尺寸则是估计值。
图2-1所参照的太阳能热水器
第3章 机械结构设计
3.1保护罩方案设计
3.1.1保护结构的选择
在设计集热管的保护罩时,主要有以下三种方案。
方案一:
图3-1纵向拉帘式
如同“太阳能热水器集热管自动保护装置”中一般使用拉帘式的设计,拉帘的轨道与集热管轴线平行,如图3-1所示。
但是该设计最大的问题是整块拉帘在且安全拉上后没有透风的间隙,在大风天气中很容易产生巨大阻力,严重时可能直接被风吹得松脱。
方案二:
图3-2横向拉帘式
与方案一类似,但将轨道改为横向,保护板间留出间隙,如图3-2所示。
这样的设计的最大好处是整个拉帘有处于集热管上和下两种状态,在上方时可以反光防过热,而在下方时又能将漏下的阳光向上反射再次进入集热管,达到增大集热效率的目的。
而且反光板间留有间隙,受风的影响较小。
不过该设计也有不足,那就是在运行挡光功能(保护开启)时,只对直射的阳光有效遮挡,阳光斜射时则有所不足。
而且也无法解决因集热管积灰尘而导致的效率下降的问题。
再者,板与带之间的连接只能是点接触(在中点固定,否则绕不过带轮),装置稳定性不好。
方案三:
图3-3半圆形集热管保护罩
该方案为最终方案。
该方案是以套装在集热管上的若干块保护罩联动的方式实现对集热管的保护。
保护罩为半圆形罩,通过两端嵌入其中的罩堵减小两端处的内径从而套插在集热管上,以集热管本身作为支撑进行旋转,保护罩与罩堵间用螺钉连接。
各保护罩间由联动装置联动,可以在电机的带动下在集热管上旋转。
旋转到集热管上方时,为“保护开启”,此时可以遮挡阳光防止管内水晒得过热。
而当旋转到集热管下方时为“保护关闭”,又可以将集热管未吸收的阳光反射回去,起到增加集热效率的目的。
保护罩的安装如图3-3所示。
该方案整体性强,不会挡风,挡光效果好,同时在保护罩上加装刷子可以起到除尘的功能(见3.1.3)。
3.1.2保护罩材料的选择
材料初选为普通的ABS塑料[]。
该材料强度足够,成本低,同时较轻便,安装在集热管上不会对集热管产生负担。
在其半圆面的凸,凹两面都涂上反光涂层即可实现保护开启(保护罩位于集热管正上方)则防过热,保护关闭则增加集热的效果。
3.1.3除尘刷
由于半圆形保护罩是独立设置在每一根集热管上的,因此只要在保护罩内表面上加设沿保护罩轴向分布的刷子,即可实现在每一次旋转的过程中清除灰尘的效果。
由于保护装置每一天至少会开闭一次(对光线的自动感应功能要求在照度过低时开启保护,而照度足够时关闭保护开始集热),这样便使得除尘频率很高,不用担心灰尘积累的问题。
而刷子上积累的灰尘则可以在下雨时被自动清洗。
刷子是软性材料,图3-4中未绘制出形变的结果。
图3-4除尘刷的设置
3.1.4减摩擦凹槽
由于保护罩两端处的罩堵是直接与集热管表面接触的,为了减小摩擦,特在罩堵处设计了八个减摩擦凹槽,这样可以使接触面积大大减小。
之所以不像1.3节提到的专利“太阳能集热器调节保护装置”[11]中那样使用轴承,一是为了节约成本(以18支管的太阳能热水器而言,每支装两个6203轴承,则须多花180元,零件的加工会更加复杂),二是因为该装置设计为仅仅只是每次转180°,一天最多旋转3、4次,频率很低,不需要用到轴承。
凹槽设计如图3-5所示:
图3-5罩堵上的的减摩擦凹槽
3.2传动方案设计
保护罩的旋转动力来自于一台直流电机,但各保护罩间的联动方式则有许多,下面是我考虑过的几种方案:
方案一:
齿轮啮合
图3-6全齿轮传动
该方案传动方式简单易懂,也是较多类似专利所采用的方案,比如“太阳能热水器保护装置”(专利号:
CN201715760U)[]。
方法是在保护罩两端加设齿轮,保护罩间两两啮合。
但是这种传动方式有几个的缺点:
其一,数目众多的齿轮增加了加工难度,增加了成本,同时也就降低了易用性;其二,齿轮啮合处必须加设保护板,防止沙石,树叶等坠落物掉入齿轮之间将其卡住(家用单体式太阳能热水器多用于城郊,农村地区的平房之上),而由于齿轮数目众多,必须要有大面积的保护板方可实现目的,无形中又增加了成本。
方案二:
齿轮齿条
图3-7齿轮齿条传动
该方案为专利“一种太阳能热水器过热保护装置”(专利号:
CN201443913U)[]所使用的方案。
该传动方式与上一种类似,特点是齿轮间并不互相啮合,而是和齿条啮合电机带动齿条从而带动所有保护罩。
优点是啮合处不暴露在外,没有设置额外保护板的必要。
但是其齿轮数目一样多,还要多加一个齿条,依然不够简单。
方案三:
钢丝绳传动
图3-8钢丝绳传动
该方案为我最终选定的方案。
方法为使用一根软性钢丝绳,在每一根保护罩端凹槽处绕一圈,每一个保护罩的一端的上方都有一颗螺钉将该点固定,螺钉是保护罩的主要受力元件。
动力由电机传递给传动轴,传动轴上的两个主动轮则通过软性钢丝绳将其余的保护罩带动(具体安装方式见3.4节图3.10)。
由于在我的设计中,保护开启是保护罩正转180°,而关闭则是反转180°,保护罩需要转过的角度只是来回的180°,故采用这种钢丝绳传动的方式只需要在每个保护罩上绕一圈即可。
该方式的优点是非常节省材料,没有齿轮加工的环节,大大降低了加工成本,同时传动机构不会被卡住。
3.3传动轴定位
传动轴一端通过自制套筒(联轴器)与电机轴相连,一端通过一个角接触球轴承支撑,另一端则通过键带动主动轮。
主动轮直径与保护罩相同,带动其余的保护罩旋转。
保护罩仅一端有钢丝绳传动,另一端自由转动。
轴承固定在轴承座内,轴承座通过一个垫块固定在太阳能热水器支架上。
轴承的定位方式是一端弹性挡圈,另一端轴肩定位。
而主动轮的定位方式则是一端轴肩定位,另一端采用双圆螺母定位。
图3-9传动轴定位方式
3.4保护罩180°旋转限制机构设计
对于一个低成本高效率的保护装置来说,只需要保护罩在阳光过大时旋转至集热管正上方进行遮挡,而在集热状态下转至正下方反射漏下的光线。
故只需要控制电机使得电机带动保护罩正,反转180°。
因此,我使用了固定于太阳能热水器支架上的上下两个限位开关来限制直径与保护罩端相同的带动保护罩旋转的主动轮的旋转位置。
在限位开关附近的主动轮上有凸起的触条,用来接触限位开关的触点。
每当旋转至规定位置时使得限位开关断开电机的电路,使得电机停转。
限位开关选择的是RV-162-1C25型微动开关。
选择理由见4.2.3节。
图3-10为限位原理图。
其实际安装方式见图3-13。
图3-10限位开关限位原理图
3.5最终效果
由于齿轮传动部分,电机,限位开关等重要部件需要保护,甚至在一定程度上防水,故设计了一个保护盒,将这些关键部件保护起来。
在下面的图中为了方便看清楚盒内结构,特将盒子改为透明玻璃材
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