1、信息與控制工程學院畢業設計(論文)文獻綜述 成績： 西安建筑科技大學畢業設計 (論文)文獻綜述 院 （系）： 信息與控制工程學院 專業班級： 測控111班 畢 業 設 計論 文 方 向 ： 單片機設計 綜述題目： 太陽能熱水器 學生姓名： 蘇喆 學 號： 110650106 指導教師： 嵇啟春 2015 年 4 月 1 日太陽能熱水器摘要:太陽能熱水器作為三大熱水器，因其安全性好、節能、綠色環保等優點，近幾年呈現出爆發式的發展趨勢。近幾年，人們對能源問題越來越重視， 開發和利用太陽能這樣的綠色能源也成為人們關注的焦點。然而，太陽能熱水器控制器卻一直處在研究與開發階段。目前市場上太陽能熱水器的控

2、制系統大多存在功能單一、操作復雜、控制不方便等問題，很多控制器具有溫度和水位顯示功能，卻不具有溫度控制功能，致使熱水器陰天的時候不能方便使用。本文主要介紹一些太陽能熱水器的檢測裝置以及一些檢測方法。從而實現對太陽能熱水器的控制。關鍵字：太陽能熱水器 ; 控制器 ; 檢測裝置 ;1 前言太陽能熱水器是將太陽光能轉化為熱能的裝置，將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。在能源形勢緊張的今天，太陽能以其清潔、源源不斷、安全等優勢成為人們關注的熱點。 隨著人口的繼續增長，能源問題將更為突出：從長遠來看，全球已探明的石油儲量只能用到2020年，天然氣也只能延續到2040年左右，即使

3、儲量豐富的煤炭資源也只能持續二三百年。環境污染溫室效應引起全球氣候變化。因此，人類在解決上述能源問題，實現可持續發展，只能依靠科技進步，大規模地開發利用可再生潔凈能源。太陽能具有：儲量的“無限性”太陽能每秒鐘放射的能量大約是1.6*1023 KW，一年內到達地球表面的太陽能總量折合標準煤共約1.892*1013千億噸。太陽能對于地球上的絕大多數地區具有存在的普遍性，可就地取用。開發利用時幾乎不產生任何污染。鑒于此，太陽能必將在世界能源結構轉換中擔綱重任，成為理想的替代能源1 。在世界范圍內，太陽能熱水器技術已經很成熟，并已形成行業，正在以優良的性能不斷的沖擊電熱水器市場和燃氣熱水器市場。200

4、0年太陽能熱水器取代47000套家用電熱水器；2000年日本太陽能熱水器的擁有量將翻一番；以色列更是明文規定，所有新建房屋必須配備太陽能熱水器。目前，我國是世界上太陽能熱水器生產量和銷售量最大的國家。2 太陽能熱水器的發展現狀及發展方向2.1太陽能熱水器發展現狀2.1.1 國外發展現狀 世界各國對太陽能熱水器的開發十分重視。各國紛紛制定太陽能熱水器技術產業的發展規劃，大大地加速了該行業的發展。美國的“百萬太陽能屋頂計劃”實施將帶動大批相關工業的發展。歐共體提出了“太陽能熱水系統熱能供給保證體制”，以合同的形式對用戶實現供熱水的承諾。以色列是一個化石能源資源較少而太陽能資源十分豐富的國家。政府對

5、太陽能熱水器的開發利用進行了直接干預。韓國，東南亞各國也制定了支持開發利用太陽能熱水器的優惠政策，紛紛吸收外資到本國開辦太陽能企業。以色列農民在政府的支持下85%的住宅都安裝了太陽能熱水器。美國有130 多萬個游泳池都裝上了太陽能集熱器，成為環保型的太陽能游泳池。太陽能熱水器在國外的應用：其一、針對城市住宅的安裝使用，集體組裝、分戶使用的、全天候運行的、具有自動控制的、每戶裝有熱水表的太陽能熱水系統。其二、適用不同用戶需要的、滿足各種建筑物結構和外觀要求具有個性化的產品。2.1.2 國內發展現狀 我國幅員遼闊，有著十分豐富的太陽能資源，這是太陽能熱水器有效應用的基礎條件。我國地處北半球，位于歐

6、亞大陸的東部，處于溫帶和亞熱帶的地域較廣，具有比較豐富的太陽能資源。根據全國700多個氣象臺站長期觀測積累的資料表明，中國各地的太陽輻射年總量大致在 3.35x103一 8.40x103MJ/m2之間，其平均值約為 5.86X103MJ/mZ。年太陽輻照時數超過2200小時的太陽能利用條件較好的地區占國土的2/3，故開發太陽能利用是實現中國可持續發展戰略的有效措施之一。經初步預測，到2010年太陽能利用可達 4.67Mtce。我國不僅擁有優越的地理優勢來充分利用太陽能熱水器，而且太陽能熱水器的技術和產量也是不可忽視的優勢。我國的太陽能熱水器技術在世界上處于領先地位。我國70年代后期開始開發家用

7、熱水器。目前全國有500多個熱水器生產廠家，1998年的產量約400萬平方米，總安裝量約1400萬平方米，產量占世界第一位。我國太陽能熱水器平均每平方米每年可節約100一150公斤標準煤。80年代后期，我國開始研制高性能的真空管集熱器。80年代后期至90年代初，北京市太陽能研究所相繼在我國政府、UNDP支持下，并與德國合作研制成功熱管式真空管集熱器。根據行業估算，我國約有上千家太陽熱水器生產和組裝企業。我國太陽能熱水器生產量和累計擁有量均居世界第一。其年產量為歐洲的2倍，北美的4倍。據相關部門統計，目前中國城市家庭中，57.4%擁有燃氣熱水器，31.3%擁有電熱水器，擁有太陽能熱水器的只有7.

8、6%，但在城市家庭的購買預期調查中，三者的比例將演變為35.8%、30.2%、23.2%，太陽能熱水器的比例將大幅度增長，開始成為燃氣、電熱產品的重要競爭對手。隨著人們經濟和環保意識的增強，太陽能熱水器越來越受到城區和邊遠地區的青睞，太陽能熱水器將迎來高速發展的黃金時期。根據我國國家發改委能源所在最近的一份研究報告中指出:到2008年底，我國太陽能熱水器總集熱面積運行保有量約 1.35億平方米，年生產能力超過2500萬平方米，目前太陽能熱水器使用量和年產量均占到了世界總量的一半以上。很明顯，我國太陽能熱水器產業的發展己經走在了世界的前列。發改委所公布的可再生能源十一五規劃明確提出了太陽能熱利用

9、的目標是:到2010年，全國太陽能熱水器總集熱面積達到1.5億平方米，折標煤2700萬噸/年。2 .2 太陽能熱水器發展方向現在太陽能熱水器技術成熟，對于太陽能的利用率較高，節省能源損耗，并且以其綠色環保，安全等優異性能，受到了人們的歡迎，尤其是帶輔助電加熱功能的太陽能熱水器，它以太陽能為主，電能為輔的能源利用方式，使太陽能熱水器能全年全天候使用，更是被越來越多的人所接受。3 太陽能熱水器的組成及原理3.1 太陽能熱水器的組成 太陽能熱水器系統是由太陽能熱水器和控制器組成。而太陽能熱水器主要是由集熱器、蓄熱水箱、循環連接管道、支架及其輔助部件（加熱等）組成。而控制器是由輸入、顯示、檢測、控制電

10、路組成。3.2 太陽能熱水器的原理 太陽能熱水器把太陽能轉變為熱能，并向水傳遞熱量，從而獲得熱水的一種裝置。所謂溫室原理就是指由于對流、輻射損失減少，使熱量聚積，溫度逐漸升高的一種自然現象。具體來說，太陽光透過玻璃進人密封的集熱器內，大部分能量被集熱器內的黑色吸收體吸收，然后將熱量傳給冷水，冷水加熱后重量變輕，自動流入水箱上部，水箱下部的冷水由于密度大而自動流入吸熱體繼續獲得熱量，周而復始，水箱內的全部冷水將被加熱2 。4 太陽能熱水器的檢測裝置 生活中太陽能熱水器為了充分有效地利用太陽光，一般都將其安置在戶外來充分利用光照， 在使用中人們很難直接觀察到水箱中水位的變化情況和水箱內溫度變化因此

11、，水箱水位和溫度檢測就成為使用中的重要問題。太陽能熱水器中主要的檢測裝置有水位檢測裝置和溫度檢測裝置。4.1 水位檢測4.1.1 水位檢測方案 目前， 太陽能熱水器的水箱水位檢測有多種不同的檢測方法， 包括液位電極法、磁浮法、RC 阻容法、傳感器檢測法等， 其工作原理是通過液面高度、溫度、壓力、電阻值的變化獲取信息， 從而實現水位監控3。這些方法都有其優點， 從研發角度看， 以上幾種方法都有一個共性， 即檢測點都是圍繞水箱里、外設置， 但由于太陽能熱水器的工作環境和工作介質比較特殊， 在使用中殘酷的溫變考驗和頻繁的介質更換容易使整個系統結垢加速、探頭失靈、磁浮裝置失控4。水箱在上水前和上水后，

12、 箱內氣、水溫度參數變化呈倒置狀態等現象， 這樣使用RC 阻容、溫度置換等技術處理方法也很難適應這一環境工作， 至于重力法、磁浮法等檢測方法對結垢也很敏感， 且成本高， 技術上尚待改善5。 綜合考慮太陽能熱水器工作環境、使用與安裝距離、水位檢測點不適宜設置在水箱和受熱管位置等因素。目前使用較為廣泛的液位檢測方案就是利用傳感器來檢測。4.1.2 目前常用的水位檢測傳感器 目前市場上的太陽能熱水器水位傳感器各式各樣,品種非常的多,但真正商品化的有以下幾種。 1.渦流計量式傳感器:渦流計量式傳感器是利用水流推動葉輪轉動而產生脈沖信號,從而計算出水箱中還存有多少水量。但這種傳感器由于受到啟動水流大小、

13、葉輪的惰性等因素的影響,走向市場后不久就被淘汰。 2.內置浮子式傳感器:內置浮子式傳感器是利用磁性浮子隨水面的上升或下降使測量管中的干簧管通斷從而產生信號,顯示出水箱中水量的多少。這種傳感器在開放式液位測量與控制中應用較多,但在熱水器中應用不理想。首先這種傳感器需垂直安裝,由于太陽能熱水器水箱是全封閉機構,使傳感器安裝難度較大。其次由于熱水器水箱溫度較高析出的水垢使浮子卡死,使測量失效,所以用作太陽能傳感器也不太理想。 3.外置浮子式傳感器：外置浮子式傳感器的應用成功解決了水垢吸附表面及安裝難的缺點,但在測量筒中出現了黏性的潮濕物質,極易粘住浮子而使測量失效。從實際使用效果來看,也不理想。 4

14、.內置電極接觸式傳感器：電極接觸式傳感器是利用水的導電性原理制作而成。在傳感器上安裝多個金屬導電電極,兩個金屬電極用水短路即產生信號,從而顯示出水箱中水量的多少。此種傳感器在多年實際使用中性能較穩定,在正常情況下一般壽命能達到一年以上。 5.壓力傳感器：壓力傳感器是根據壓力的大小來反映水位的高低，方法是利用單片機內部一路轉換，其測量到的壓力信號轉換成電信號，通過軟件實現計算從而轉換成液位的高低6。4.2 溫度檢測 目前常用到的溫度傳感器有：數字溫度傳感器，注塑型溫度傳感器, PN結型及集成電路式溫度傳感器，輻射式溫度傳感器，熱電阻溫度傳感器，熱敏電阻溫度傳感，熱電偶溫度傳感等7。應用于太陽能熱

15、水器測溫的主要是熱電偶溫度傳感器，熱電阻溫度傳感器以及熱敏電阻溫度傳感器，其測溫原理為： 1.熱電偶溫度傳感器：熱電偶是工業上最常用的溫度檢測元件之一，它是將兩種不同材料的導體或半導體A和B焊接起來，構成一個閉合回路。當導體A和B的兩個執著點1和2之間存在溫差時，兩者之間便產生電動勢，因而在回路中形成一個大小的電流。其優點是：測量精度高。因熱電偶直接與被測對象接觸，不受中間介質的影響；測量范圍廣。常用的熱電偶從-50+1600均可邊續測量，某些特殊熱電偶最低可測到-269（如金鐵鎳鉻），最高可達+2800（如鎢-錸）；構造簡單，使用方便。 2.熱電阻溫度傳感器：它是基于金屬導體的電阻值隨溫度的

16、增加而增加這一特性來進行溫度測量的。它的主要特點是測量精度高，性能穩定。其中鉑熱是阻的測量精確度是最高的，它不僅廣泛應用于工業測溫，而且被制成標準的基準儀。熱電阻大都由純金屬材料制成，目前應用最多的是鉑和銅，此外，現在已開始采用甸、鎳、錳和銠等材料制造熱電。 3熱敏電阻溫度傳感器：熱敏電阻其原理就是把熱敏電阻作為溫度傳感器，利用熱敏電阻具有的負溫度系數把相應的阻值變化轉換成相應的電壓變化值，然后通過A/D轉換，輸出溫度值8 。5 太陽能熱水器控制器5.1 太陽能熱水器控制器的主要功能太陽能熱水器控制器可通過按鍵設定溫度、水量值;可顯示設定值,并能實時顯示溫度、水量值;通過對電磁閥的控制,在水位

17、低時,可實現自動上水,在水溫高時,也可自動上水,以降低水溫;水溫低時,根據水溫值,自動控制繼電器的通斷,調節加熱電功率,保證溫度達到設定值9 。5.2 太陽能熱水器控制器的硬件組成太陽能熱水器控制器以單片機微控制器為核心,由水溫水位檢測及傳送電路、電輔助加熱器、液晶屏顯示模塊、電磁閥及電子繼電器等執行部件、按鍵及電源部分等組成。10 。6 結論 從以上材料的分析可以知道在資源問題成為熱點的今天，太陽能熱水器控制系統的設計是很有意義的。雖然太陽能熱水器在我國已經廣泛應用，但其還有很多弊端。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，很多控制器具有溫度和水位顯示功

18、能，卻不具有溫度控制功能，致使熱水器陰天的時候不能方便使用。在太陽能熱水器控制系統的設計中，水箱水位和溫度的自動檢測控制是十分重要的。從以上分析可以看到在現實生活種太陽能熱水器的檢測主要是通過各種傳感器來實現，水位檢測主要用到的就是渦流計量式傳感器，內置浮子式傳感器，外置浮子式傳感器，內置電極接觸式傳感器以及壓力傳感器。溫度檢測主要通過溫度傳感器，現在主要用到的有三種：熱電偶溫度傳感器，.熱電阻溫度傳感器和熱敏電阻溫度傳感器。最后通過傳感器檢測到的信息來指導控制器來進行控制。參考文獻1 焦青太當今世界太陽能熱水器的發展狀況. 建筑節能，2007(8):5962.2 蒙沛南太陽能與太陽能熱水器 . 廣西土木建筑，1998，23，(4):196200.3 趙博 能自動上水的太陽能熱水器 創新與發明， 2009（08）： 35364 謝亮 基于Atme