一种小户型智能太阳能取暖系统

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  摘要:利用太阳能提供能源,设计了一个可以全天为乡村家庭供暖的智能系统。本系统主要包括太阳能热水器、储热水箱、暖气管道、太阳能电池板储能装置和控制系统五部分。还包括循环水泵、单向阀、换向阀、温度传感器、控制器、电加热装置等。本文介绍了系统工作过程,储热水箱内部构造,太阳能热水器加热一次理论上功率计算过程,最后具体介绍了工作原理和控制方案。
  关键词:太阳能热水器;太阳能供暖;智能供暖系统
  目前,农村供暖主要有火炉供暖、电加热暖器片供暖、柴火烧水加热暖气片供暖等方式,这些方式有消耗电能、污染环境、不方便、需要人定时看守等缺点。也有仅利用太阳能热水器来加热暖气片的,但是这样只能在白天供暖,在夜里,室内的温度就没法保障了。而本系统纯粹利用太阳能,可以保障全天供暖,符合绿色环保要求,不会对环境造成任何污染,符合现代农村特别是偏远农村的实际使用需求,具有很好的社会效益和经济效益[1]。
  1 系统设计方案
  1.1 系统组成
  本系统主要包括太阳能热水器、储热水箱、暖气管道、太阳能电池板储能装置和控制系统五部分。还包括循环水泵、单向阀、换向阀、温度传感器、控制器、电加热装置等[2]。
  1.2 工作过程
  在太阳能热水器、储热水箱、暖气管道三者间布置水循环管道,使在换向阀和水泵的作用下,两两间可以进行水循环。通过水泵和换向阀的作用太阳能热水器向暖气管道注水,水流经过暖气片后再回流入太阳能热水器,经过水流在太阳能热水器和暖气片之间的循环流动来加热暖气片;太阳能热水器将热水注入储热水箱,储热水箱中冷水回流入太阳能热水器中,使二者间冷热水互换;储热水箱中热水注入暖气管道中,暖气管道中冷水回流入储热水箱内。将太阳能组件传来的电能输送给蓄电池进行储存,一部分用于控制系统用电,另一部分在室温下降到一定温度后用于加热暖气片中水。
  1.3 储热水箱结构特点
  在储热水箱与太阳能热水器和暖气管道冷热水交换过程中,为了达到良好的效果需要对储热水箱内部结构进行设计,储热水箱应具有保温功能,为防止流入水与水箱内水混合,在水箱内部划分了多层,层与层间设置单向装置,经过这样改造,就能实现冷热水互换。
  2 太阳能热水器的功率理论计算
  3 工作原理及控制方案
  冬季,在一定太阳光照条件下,太阳能热水器一般加热低温水效率比较高,当升到一定温度后,就很难再提升温度了。例如,以安装20支管,水箱内径为330,水容量为150升的热水器为考察对象,只要满水,阳光充足,晒二个小时以上,均可产生40℃以上热水。上午时段,太阳能热水器水被加热后,把这些热水与暖气管道中凉水互换,就可加热暖气片。一段时间过后,暖气管道中水再次变凉,而太阳能热水器中水再次被加热,这样再进行下一轮冷热水互换。中午时分,室内温度基本被升高,室外温度也相对没那么冷,这时就可以将太阳能热水器中热水注入到储热水箱中备用。下午时分再次将太阳能热水器中水与暖气管道中水互换。晚上,当检测到室内温度下降到一定温度时,可以启用储热水箱中热水。
  太阳能电池板全天都处于储能状态,其所储存电能一部分用于控制系统的供电;另一部分留作備用,待储水箱中热水没了,或在连阴天时,对暖气片进行电加热。这样就基本能保证系统的全天供暖。
  为了充分利用太阳能资源,最大程度保障室内温度,需要有较好的控制方案。由于天气情况多样,日照强度不同,本系统采用设定时间控制、温度控制、设定时间和温度联合控制等多种控制方案[3]。
  (1)设定时间控制:适用于白天光照条件较好的情况下,设定固定时间在太阳能热水器、储热水箱、暖氣管道三者之间进行冷热水互换。
  (2)温度控制:根据温度传感器检测到的太阳能热水器、储热水箱、暖气管道三者之间温差,来控制三者之间水流的循环。
  (3)设定时间和温度联合控制:这种方案是以时间控制为主,以温度控制为辅,来控制水循环。
  控制系统图如下所示:
  4 总结
  本设计纯粹利用太阳能,不会对环境造成任何污染,利用太阳能热水器、储热水箱和太阳能电池板储能装置联合对暖气管道供暖,可以充分利用太阳能资源,最大程度保障室内温度。太阳能电池板储能装置为整个控制系统提供电能,不会对家庭用电带来一点消耗。系统造价成本较低,可直接改造现有太阳能热水器,利于普及推广[4]。供暖过程全部自动控制,操作方便,无需专人值守。本设计符合绿色环保要求,符合现代农村特别是偏远农村的实际使用需求,起到节能减排的效果。
  参考文献:
  [1]张重继,刘继广,王海洋.家庭智能太阳能系统的研究.科技视界,2013(33):8.
  [2]华磊.太阳能热水器智能控制装置.广西大学工程硕士学位论文,2012,12.
  [3]张先臣.一种实用的太阳能热水器单片机控制器的设计.自动化与仪器仪表,2005(6),1921.
  [4]马本,宋国君,杜倩倩.中国太阳能热水器成本分析方法与应用研究.中国人口资源与环境,2012,22(11):150156.
  作者简介:刘明(1988),男,汉族,山东枣庄人,在读研究生,研究方向:机器人技术。
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