测控-01-06-苏喆-文献综述3

1、信息与控制工程学院毕业设计(论文)文献综述 成绩： 西安建筑科技大学毕业设计 (论文)文献综述 院 （系）： 信息与控制工程学院 专业班级： 测控111班 毕 业 设 计论 文 方 向 ： 单片机设计 综述题目： 太阳能热水器 学生姓名： 苏喆 学 号： 110650106 指导教师： 嵇启春 2015 年 4 月 1 日太阳能热水器摘要:太阳能热水器作为三大热水器，因其安全性好、节能、绿色环保等优点，近几年呈现出爆发式的发展趋势。近几年，人们对能源问题越来越重视， 开发和利用太阳能这样的绿色能源也成为人们关注的焦点。然而，太阳能热水器控制器却一直处在研究与开发阶段。目前市场上太阳能热水器的控

2、制系统大多存在功能单一、操作复杂、控制不方便等问题，很多控制器具有温度和水位显示功能，却不具有温度控制功能，致使热水器阴天的时候不能方便使用。本文主要介绍一些太阳能热水器的检测装置以及一些检测方法。从而实现对太阳能热水器的控制。关键字：太阳能热水器 ; 控制器 ; 检测装置 ;1 前言太阳能热水器是将太阳光能转化为热能的装置，将水从低温度加热到高温度，以满足人们在生活、生产中的热水使用。在能源形势紧张的今天，太阳能以其清洁、源源不断、安全等优势成为人们关注的热点。 随着人口的继续增长，能源问题将更为突出：从长远来看，全球已探明的石油储量只能用到2020年，天然气也只能延续到2040年左右，即使

3、储量丰富的煤炭资源也只能持续二三百年。环境污染温室效应引起全球气候变化。因此，人类在解决上述能源问题，实现可持续发展，只能依靠科技进步，大规模地开发利用可再生洁净能源。太阳能具有：储量的“无限性”太阳能每秒钟放射的能量大约是1.6*1023 KW，一年内到达地球表面的太阳能总量折合标准煤共约1.892*1013千亿吨。太阳能对于地球上的绝大多数地区具有存在的普遍性，可就地取用。开发利用时几乎不产生任何污染。鉴于此，太阳能必将在世界能源结构转换中担纲重任，成为理想的替代能源1 。在世界范围内，太阳能热水器技术已经很成熟，并已形成行业，正在以优良的性能不断的冲击电热水器市场和燃气热水器市场。200

4、0年太阳能热水器取代47000套家用电热水器；2000年日本太阳能热水器的拥有量将翻一番；以色列更是明文规定，所有新建房屋必须配备太阳能热水器。目前，我国是世界上太阳能热水器生产量和销售量最大的国家。2 太阳能热水器的发展现状及发展方向2.1太阳能热水器发展现状2.1.1 国外发展现状 世界各国对太阳能热水器的开发十分重视。各国纷纷制定太阳能热水器技术产业的发展规划，大大地加速了该行业的发展。美国的“百万太阳能屋顶计划”实施将带动大批相关工业的发展。欧共体提出了“太阳能热水系统热能供给保证体制”，以合同的形式对用户实现供热水的承诺。以色列是一个化石能源资源较少而太阳能资源十分丰富的国家。政府对

5、太阳能热水器的开发利用进行了直接干预。韩国，东南亚各国也制定了支持开发利用太阳能热水器的优惠政策，纷纷吸收外资到本国开办太阳能企业。以色列农民在政府的支持下85%的住宅都安装了太阳能热水器。美国有130 多万个游泳池都装上了太阳能集热器，成为环保型的太阳能游泳池。太阳能热水器在国外的应用：其一、针对城市住宅的安装使用，集体组装、分户使用的、全天候运行的、具有自动控制的、每户装有热水表的太阳能热水系统。其二、适用不同用户需要的、满足各种建筑物结构和外观要求具有个性化的产品。2.1.2 国内发展现状 我国幅员辽阔，有着十分丰富的太阳能资源，这是太阳能热水器有效应用的基础条件。我国地处北半球，位于欧

6、亚大陆的东部，处于温带和亚热带的地域较广，具有比较丰富的太阳能资源。根据全国700多个气象台站长期观测积累的资料表明，中国各地的太阳辐射年总量大致在 3.35x103一 8.40x103MJ/m2之间，其平均值约为 5.86X103MJ/mZ。年太阳辐照时数超过2200小时的太阳能利用条件较好的地区占国土的2/3，故开发太阳能利用是实现中国可持续发展战略的有效措施之一。经初步预测，到2010年太阳能利用可达 4.67Mtce。我国不仅拥有优越的地理优势来充分利用太阳能热水器，而且太阳能热水器的技术和产量也是不可忽视的优势。我国的太阳能热水器技术在世界上处于领先地位。我国70年代后期开始开发家用

7、热水器。目前全国有500多个热水器生产厂家，1998年的产量约400万平方米，总安装量约1400万平方米，产量占世界第一位。我国太阳能热水器平均每平方米每年可节约100一150公斤标准煤。80年代后期，我国开始研制高性能的真空管集热器。80年代后期至90年代初，北京市太阳能研究所相继在我国政府、UNDP支持下，并与德国合作研制成功热管式真空管集热器。根据行业估算，我国约有上千家太阳热水器生产和组装企业。我国太阳能热水器生产量和累计拥有量均居世界第一。其年产量为欧洲的2倍，北美的4倍。据相关部门统计，目前中国城市家庭中，57.4%拥有燃气热水器，31.3%拥有电热水器，拥有太阳能热水器的只有7.

8、6%，但在城市家庭的购买预期调查中，三者的比例将演变为35.8%、30.2%、23.2%，太阳能热水器的比例将大幅度增长，开始成为燃气、电热产品的重要竞争对手。随着人们经济和环保意识的增强，太阳能热水器越来越受到城区和边远地区的青睐，太阳能热水器将迎来高速发展的黄金时期。根据我国国家发改委能源所在最近的一份研究报告中指出:到2008年底，我国太阳能热水器总集热面积运行保有量约 1.35亿平方米，年生产能力超过2500万平方米，目前太阳能热水器使用量和年产量均占到了世界总量的一半以上。很明显，我国太阳能热水器产业的发展己经走在了世界的前列。发改委所公布的可再生能源十一五规划明确提出了太阳能热利用

9、的目标是:到2010年，全国太阳能热水器总集热面积达到1.5亿平方米，折标煤2700万吨/年。2 .2 太阳能热水器发展方向现在太阳能热水器技术成熟，对于太阳能的利用率较高，节省能源损耗，并且以其绿色环保，安全等优异性能，受到了人们的欢迎，尤其是带辅助电加热功能的太阳能热水器，它以太阳能为主，电能为辅的能源利用方式，使太阳能热水器能全年全天候使用，更是被越来越多的人所接受。3 太阳能热水器的组成及原理3.1 太阳能热水器的组成 太阳能热水器系统是由太阳能热水器和控制器组成。而太阳能热水器主要是由集热器、蓄热水箱、循环连接管道、支架及其辅助部件（加热等）组成。而控制器是由输入、显示、检测、控制电

10、路组成。3.2 太阳能热水器的原理 太阳能热水器把太阳能转变为热能，并向水传递热量，从而获得热水的一种装置。所谓温室原理就是指由于对流、辐射损失减少，使热量聚积，温度逐渐升高的一种自然现象。具体来说，太阳光透过玻璃进人密封的集热器内，大部分能量被集热器内的黑色吸收体吸收，然后将热量传给冷水，冷水加热后重量变轻，自动流入水箱上部，水箱下部的冷水由于密度大而自动流入吸热体继续获得热量，周而复始，水箱内的全部冷水将被加热2 。4 太阳能热水器的检测装置 生活中太阳能热水器为了充分有效地利用太阳光，一般都将其安置在户外来充分利用光照， 在使用中人们很难直接观察到水箱中水位的变化情况和水箱内温度变化因此

11、，水箱水位和温度检测就成为使用中的重要问题。太阳能热水器中主要的检测装置有水位检测装置和温度检测装置。4.1 水位检测4.1.1 水位检测方案 目前， 太阳能热水器的水箱水位检测有多种不同的检测方法， 包括液位电极法、磁浮法、RC 阻容法、传感器检测法等， 其工作原理是通过液面高度、温度、压力、电阻值的变化获取信息， 从而实现水位监控3。这些方法都有其优点， 从研发角度看， 以上几种方法都有一个共性， 即检测点都是围绕水箱里、外设置， 但由于太阳能热水器的工作环境和工作介质比较特殊， 在使用中残酷的温变考验和频繁的介质更换容易使整个系统结垢加速、探头失灵、磁浮装置失控4。水箱在上水前和上水后，

12、 箱内气、水温度参数变化呈倒置状态等现象， 这样使用RC 阻容、温度置换等技术处理方法也很难适应这一环境工作， 至于重力法、磁浮法等检测方法对结垢也很敏感， 且成本高， 技术上尚待改善5。 综合考虑太阳能热水器工作环境、使用与安装距离、水位检测点不适宜设置在水箱和受热管位置等因素。目前使用较为广泛的液位检测方案就是利用传感器来检测。4.1.2 目前常用的水位检测传感器 目前市场上的太阳能热水器水位传感器各式各样,品种非常的多,但真正商品化的有以下几种。 1.涡流计量式传感器:涡流计量式传感器是利用水流推动叶轮转动而产生脉冲信号,从而计算出水箱中还存有多少水量。但这种传感器由于受到启动水流大小、

13、叶轮的惰性等因素的影响,走向市场后不久就被淘汰。 2.内置浮子式传感器:内置浮子式传感器是利用磁性浮子随水面的上升或下降使测量管中的干簧管通断从而产生信号,显示出水箱中水量的多少。这种传感器在开放式液位测量与控制中应用较多,但在热水器中应用不理想。首先这种传感器需垂直安装,由于太阳能热水器水箱是全封闭机构,使传感器安装难度较大。其次由于热水器水箱温度较高析出的水垢使浮子卡死,使测量失效,所以用作太阳能传感器也不太理想。 3.外置浮子式传感器：外置浮子式传感器的应用成功解决了水垢吸附表面及安装难的缺点,但在测量筒中出现了黏性的潮湿物质,极易粘住浮子而使测量失效。从实际使用效果来看,也不理想。 4

14、.内置电极接触式传感器：电极接触式传感器是利用水的导电性原理制作而成。在传感器上安装多个金属导电电极,两个金属电极用水短路即产生信号,从而显示出水箱中水量的多少。此种传感器在多年实际使用中性能较稳定,在正常情况下一般寿命能达到一年以上。 5.压力传感器：压力传感器是根据压力的大小来反映水位的高低，方法是利用单片机内部一路转换，其测量到的压力信号转换成电信号，通过软件实现计算从而转换成液位的高低6。4.2 温度检测 目前常用到的温度传感器有：数字温度传感器，注塑型温度传感器, PN结型及集成电路式温度传感器，辐射式温度传感器，热电阻温度传感器，热敏电阻温度传感，热电偶温度传感等7。应用于太阳能热

15、水器测温的主要是热电偶温度传感器，热电阻温度传感器以及热敏电阻温度传感器，其测温原理为： 1.热电偶温度传感器：热电偶是工业上最常用的温度检测元件之一，它是将两种不同材料的导体或半导体A和B焊接起来，构成一个闭合回路。当导体A和B的两个执着点1和2之间存在温差时，两者之间便产生电动势，因而在回路中形成一个大小的电流。其优点是：测量精度高。因热电偶直接与被测对象接触，不受中间介质的影响；测量范围广。常用的热电偶从-50+1600均可边续测量，某些特殊热电偶最低可测到-269（如金铁镍铬），最高可达+2800（如钨-铼）；构造简单，使用方便。 2.热电阻温度传感器：它是基于金属导体的电阻值随温度的

16、增加而增加这一特性来进行温度测量的。它的主要特点是测量精度高，性能稳定。其中铂热是阻的测量精确度是最高的，它不仅广泛应用于工业测温，而且被制成标准的基准仪。热电阻大都由纯金属材料制成，目前应用最多的是铂和铜，此外，现在已开始采用甸、镍、锰和铑等材料制造热电。 3热敏电阻温度传感器：热敏电阻其原理就是把热敏电阻作为温度传感器，利用热敏电阻具有的负温度系数把相应的阻值变化转换成相应的电压变化值，然后通过A/D转换，输出温度值8 。5 太阳能热水器控制器5.1 太阳能热水器控制器的主要功能太阳能热水器控制器可通过按键设定温度、水量值;可显示设定值,并能实时显示温度、水量值;通过对电磁阀的控制,在水位

17、低时,可实现自动上水,在水温高时,也可自动上水,以降低水温;水温低时,根据水温值,自动控制继电器的通断,调节加热电功率,保证温度达到设定值9 。5.2 太阳能热水器控制器的硬件组成太阳能热水器控制器以单片机微控制器为核心,由水温水位检测及传送电路、电辅助加热器、液晶屏显示模块、电磁阀及电子继电器等执行部件、按键及电源部分等组成。10 。6 结论 从以上材料的分析可以知道在资源问题成为热点的今天，太阳能热水器控制系统的设计是很有意义的。虽然太阳能热水器在我国已经广泛应用，但其还有很多弊端。目前市场上太阳能热水器的控制系统大多存在功能单一、操作复杂、控制不方便等问题，很多控制器具有温度和水位显示功

18、能，却不具有温度控制功能，致使热水器阴天的时候不能方便使用。在太阳能热水器控制系统的设计中，水箱水位和温度的自动检测控制是十分重要的。从以上分析可以看到在现实生活种太阳能热水器的检测主要是通过各种传感器来实现，水位检测主要用到的就是涡流计量式传感器，内置浮子式传感器，外置浮子式传感器，内置电极接触式传感器以及压力传感器。温度检测主要通过温度传感器，现在主要用到的有三种：热电偶温度传感器，.热电阻温度传感器和热敏电阻温度传感器。最后通过传感器检测到的信息来指导控制器来进行控制。参考文献1 焦青太当今世界太阳能热水器的发展状况. 建筑节能，2007(8):5962.2 蒙沛南太阳能与太阳能热水器 . 广西土木建筑，1998，23，(4):196200.3 赵博 能自动上水的太阳能热水器 创新与发明， 2009（08）： 35364 谢亮 基于Atme