專利名稱：一種具有輔助加熱功能的智能控制太陽能熱水器的制作方法
一種具有輔助加熱功能的智能控制太陽能熱水器技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明屬于計(jì)算機(jī)控制領(lǐng)域，尤其涉及一種具有輔助加熱功能的智能控制太陽能熱水器。
背景技術(shù)：
太陽能作為一種潔凈的可再生能源，具有其它能源無可比擬的無環(huán)境污染、無安全隱患等優(yōu)點(diǎn)。隨著全國各地用電、用氣的日益緊張，太陽能熱水器越來越受到人們的青睞。傳統(tǒng)的太陽能熱水器將集熱管和水箱安裝在建筑物的樓頂，集熱管吸收太陽的熱量使水溫升高，熱水儲(chǔ)備于水箱中，當(dāng)需要的時(shí)候，熱水由戶外的熱水管引入室內(nèi)，供人們使用。在夏季，由于光照時(shí)間長、強(qiáng)度高，造成水箱內(nèi)水溫過高，熱水不能直接使用，需依靠熱水管與自來水管連接，由混合閥來調(diào)節(jié)水溫的高低，這樣出水溫度波動(dòng)大，在使用時(shí)常常需要反復(fù)調(diào)節(jié)，不僅麻煩，而且大大降低了洗浴的舒適性。在冬季，尤其是在北方，因光照時(shí)間短、強(qiáng)度小，水箱內(nèi)的熱水往往達(dá)不到人們需要的溫度，此時(shí)水箱內(nèi)的加熱器工作，先將熱水加熱到所需的溫度，由此人們?cè)诙臼褂脮r(shí)很不方便，易發(fā)生感冒，不但洗浴的舒適性較差，而且還造成了水資源的浪費(fèi)。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于提供一種能夠恒溫出水的太陽能熱水器溫度控制系統(tǒng)。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下:一種具有輔助加熱功能的智能控制太陽能熱水器，包括中央控制器、集熱器和與集熱器連接的水箱，集熱器的進(jìn)水口通過管道與外部水源連通，所述集熱器包括:溫度傳感器、光照傳感器、流量計(jì)、流量控制器；所述溫度傳感器為兩個(gè)，分別設(shè)置在集熱器的進(jìn)水口和出水口，用于測(cè)量集熱器的進(jìn)水口和出水口的水的溫度；光照傳感器設(shè)置在集熱器的吸熱部，用于檢測(cè)太陽光的強(qiáng)度；流量計(jì)設(shè)置在進(jìn)水口與外部水源的連接管道上，用于測(cè)量進(jìn)入集熱器的水的流量；流量控制器設(shè)置在進(jìn)水口與外部水源的連接管道上，用于控制進(jìn)入集熱器的水的流量；所述溫度傳感器、光照傳感器、流量計(jì)、流量控制器與所述中央控制器之間通訊連接；所述中央控制器包括第一調(diào)節(jié)單元，所述第一調(diào)節(jié)單元根據(jù)溫度傳感器、光照傳感器和流量計(jì)的測(cè)量值，產(chǎn)生控制所述流量控制器的調(diào)節(jié)信號(hào)，以改變流入所述集熱器的水的流量，使得所述集熱器內(nèi)的流體溫度保持不變；
所述水箱包括:水箱 內(nèi)膽、電加熱器、水入口管、熱水出口管、溫度傳感器、水位控制器、流量控制器、流量傳感器；所述內(nèi)膽包括有四層結(jié)構(gòu)，每相鄰的兩層緊密貼合，由內(nèi)至外的第一層是內(nèi)涂料層，第二層是合金層，第三層是不銹鋼層，第四層是外涂料層；所述水箱內(nèi)膽從內(nèi)向外，每層的熱膨脹系系數(shù)逐漸升高；熱水出口管和水入口管的一端與水箱內(nèi)膽連接，水入口管的另一端與集熱器的出水口連接，所述的溫度傳感器、水位控制器、流量控制器、流量傳感器、電加熱器與所述中央控制器之間通訊連接，所述內(nèi)膽包括四個(gè)側(cè)壁和一個(gè)底壁，在底壁和每個(gè)側(cè)壁上分別設(shè)置有四個(gè)電加熱器，分別是第一電加熱器、第二電加熱器、第三電加熱器和第四電加熱器，用于對(duì)熱水器中的水進(jìn)行加熱；當(dāng)開始加熱時(shí)，底壁和每個(gè)側(cè)壁上的所述的第一電加熱器啟動(dòng)加熱，第二電加熱器、第三電加熱器和第四電加熱器不啟動(dòng)加熱；當(dāng)水的溫度達(dá)到第一溫度時(shí)，底壁和每個(gè)側(cè)壁上的所述的第二電加熱器開始啟動(dòng)加熱，底壁和每個(gè)側(cè)壁上的所述的第一電加熱器、第二電加熱器一起加熱，底壁和每個(gè)側(cè)壁上的第三電加熱器和第四電加熱器不啟動(dòng)加熱；當(dāng)溫度達(dá)到第二溫度時(shí)，底壁和每個(gè)側(cè)壁上的所述的第三電加熱器開始啟動(dòng)，底壁和每個(gè)側(cè)壁上的所述的第一電加熱器、第二電加熱器、第三電加熱器一起對(duì)水進(jìn)行加熱，底壁和每個(gè)側(cè)壁上的第四電加熱器不啟動(dòng)加熱；當(dāng)溫度達(dá)到第四溫度時(shí)，底壁和每個(gè)側(cè)壁上的所述的第四電加熱器開始啟動(dòng)，底壁和每個(gè)側(cè)壁上的所述的所有電加熱器一起對(duì)水進(jìn)行加熱；所述溫度傳感器設(shè)置在內(nèi)膽內(nèi)，用于測(cè)量水的溫度，所述流量傳感器和流量控制器設(shè)置在熱水器入口管上，所述流量傳感器用于測(cè)量流入水箱內(nèi)膽的水的流量；所述的流量控制器用來控制水入口管上的水的流速，所述水位控制器用于測(cè)量水箱內(nèi)膽的水位，所述中央控制器包括第二調(diào)節(jié)單元，所述第二調(diào)節(jié)單元根據(jù)所述溫度傳感器測(cè)量的水的溫度，產(chǎn)生控制所述電加熱器的調(diào)節(jié)信號(hào)；為了保證內(nèi)膽的水位保持一定的高度，中央控制器根據(jù)測(cè)量的水位和流量來控制流量控制器的流速；為了保證內(nèi)膽的水的溫度達(dá)到預(yù)定溫度，中央控制器能夠根據(jù)內(nèi)膽水溫、集熱器出水口的水溫和流入內(nèi)膽的流量控制第二流量控制器的流速；所述水箱進(jìn)一步包括保溫層，保溫層具有三層，從內(nèi)向外保溫層的每層的熱膨脹系數(shù)逐漸升高。所述水箱內(nèi)的溫度傳感器為多個(gè)，其中至少一個(gè)溫度傳感器設(shè)置在內(nèi)膽的熱水出口位置，用來測(cè)量出口熱水的溫度，至少一個(gè)溫度傳感器設(shè)置在內(nèi)膽的水入口位置，用來測(cè)量入口水的水溫，其中至少一個(gè)溫度傳感器設(shè)置在水箱內(nèi)膽的其他位置，用來測(cè)量水箱內(nèi)膽內(nèi)水的溫度，所述調(diào)節(jié)單元通過多個(gè)溫度傳感器測(cè)量的溫度的平均值來產(chǎn)生控制所述水箱的調(diào)節(jié)信號(hào)。所述水箱的每個(gè)側(cè)壁和/或底壁上的第四電加熱器的功率大于第三電加熱器的功率，第三電加 熱器的功率大于第二電加熱器的功率，第二電加熱器的功率大于第一電加熱器的功率。所述的水箱每個(gè)側(cè)壁上的電加熱器沿水箱內(nèi)膽的高度方向分布，其中從水箱內(nèi)膽下部往上依次是第四電加熱器、第二電加熱器、第一電加熱器、第三電加熱器；所述的每個(gè)側(cè)壁和/或底壁上的電加熱器沿水箱內(nèi)膽的高度錯(cuò)列分布。所述的水箱的每個(gè)側(cè)壁上的電加熱器沿水箱內(nèi)膽的高度呈直線分布，在高度方向上，第二電加熱器與第一電加熱器是第一電加熱器與第三電加熱器距離的0.8-0.9倍，第四電加熱器與第二電加熱器的距離是第二電加熱器與第一電加熱器距離的0.7-0.75倍。水箱的第二層為鋁合金層，所述鋁合金層的鋁合金的組分的質(zhì)量百分比如下:
6.0% Cu,0.9% Mg,0.6% Ag,0.8% Mn,0.13% Zr,0.1% Ce,0.10% Ti,0.15% Si，其余為Al。電加熱器由電熱合金組成，所述電熱合金的質(zhì)量百分比如下Ni34% ；Crl8% ；A15% ；C0.05% ；B0.006% ；Co2% ；W4% ；Mo4% ；Ti2% ；Nb0.1% ；La0.2% ；Ce0.2% ;Fe 余量。
進(jìn)入集熱器的水的單位時(shí)間的流量值的公式為；AV = (RXAX η)/(P XCLX (Τ3-Τ))，其中AV為管道內(nèi)流體單位時(shí)間的流量值，R為太陽輻射值，A為集熱器有效吸熱面積，Η為熱損失系數(shù),取值范圍為0.95-0.98之間，P為管道內(nèi)水的密度，Τ3是集熱器需要達(dá)到的水溫，T集熱器的平均水溫，即T = (Τ1+Τ2)/2，Τ1、Τ2分別為集熱器出口和集熱器入口的溫度，CL為管道內(nèi)水平均溫度的比熱。
所述集熱器內(nèi)設(shè)置電加熱裝置；所述集熱器包括三層結(jié)構(gòu)，從內(nèi)向外的每層熱膨脹系數(shù)逐漸降低。
所述熱水器還包括太陽能跟蹤系統(tǒng)。
所述的每個(gè)側(cè)壁上的電加熱器沿?zé)崴鲀?nèi)膽的高度呈直線分布，所述直線與側(cè)壁的中線的夾角為30-45°。
集熱器中，根據(jù)時(shí)間段來調(diào)整流量，包括設(shè)定時(shí)間段，測(cè)得每個(gè)所述時(shí)間段平均太陽輻照值；測(cè)得每個(gè)所述時(shí)間段平均集熱器的出口溫度Tl ;測(cè)得每個(gè)所述時(shí)間段的平均所述集熱器出口溫度Τ2 ;根據(jù)設(shè)定集熱器終端溫度Τ3以及測(cè)量的數(shù)值計(jì)算集熱器的水的流量。
與現(xiàn)有技術(shù)相比 較，本發(fā)明太陽能熱水器具有如下的優(yōu)點(diǎn):
I)通過水箱的輔助加熱，來實(shí)現(xiàn)出水的溫度恒定，例如當(dāng)集熱器的水溫偏低的時(shí)候，通過啟動(dòng)水箱的電熱裝置進(jìn)行加熱。
2)可以通過測(cè)量溫度和光照強(qiáng)度，通過控制流量來實(shí)現(xiàn)熱水器溫度的恒定；
3)通過設(shè)置電加熱裝置，可以實(shí)現(xiàn)在天氣不好的情況下對(duì)熱水器獨(dú)立進(jìn)行加熱控制，也可以同溫度傳感器、光照傳感器、流量計(jì)和中央控制器一起實(shí)現(xiàn)對(duì)熱水器溫度的共同控制。
4)可以按照時(shí)間段對(duì)熱水器溫度進(jìn)行控制。
5)通過設(shè)置多個(gè)電加熱器，在熱水器剛開始加熱的時(shí)候，只啟動(dòng)其中一個(gè)電加熱器，從而慢慢的提升水的溫度，從而避免了水的溫度快速提高，避免了水箱內(nèi)膽的快速熱脹；當(dāng)達(dá)到一定水溫后，此時(shí)的熱水器內(nèi)壁已經(jīng)慢慢的熱漲到一定程度，因此此時(shí)在加大加熱功率，并不會(huì)產(chǎn)生加熱初期的熱水器的熱漲的速度，因此提高了熱水器的使用壽命。
6)通過在四個(gè)側(cè)壁和底壁都設(shè)置電加熱器，可以保證加熱的水溫均勻；
7)將電加熱器設(shè)置在水箱內(nèi)膽的高度方向上，而且將首先啟動(dòng)加熱的電加熱器放置在三個(gè)電加熱器的中間，從而降低首先啟動(dòng)的電加熱器對(duì)內(nèi)膽底壁的熱漲現(xiàn)象。
8)通過水位控制器、流量控制器、流量傳感器，實(shí)現(xiàn)對(duì)進(jìn)入熱水器的流速的控制。
9)通過設(shè)置多個(gè)溫度傳感器，以保證測(cè)量的水溫的準(zhǔn)確。
10)通過電加熱器間距和加熱功率的設(shè)置，實(shí)現(xiàn)對(duì)水的均勻加熱。
11)通過對(duì)鋁合金層的鋁合金的組分的質(zhì)量百分比的合理分配，提高內(nèi)膽的合金層的高耐熱性和高溫抗拉強(qiáng)度。
12)通過對(duì)電熱合金的組分的設(shè)置，使得電熱合金具有高的抗氧化性和抗腐蝕能力。


圖1是本發(fā)明集熱器的工作示意圖2是水箱內(nèi)膽的結(jié)構(gòu)3是水箱內(nèi)膽的外觀整體4是本發(fā)明水箱內(nèi)膽工作的示意5是水箱內(nèi)膽側(cè)壁上的電加熱器其中一種分布6是水箱內(nèi)膽側(cè)壁上的電加熱器其中另一種分布圖附圖標(biāo)記如下:I中央控制器水箱的附圖標(biāo)記如下:2第一側(cè)壁的第一電加熱器，3第一側(cè)壁的第二電加熱器，4第一側(cè)壁的第三電加熱器，5第一側(cè)壁的第四電加熱器，6水入口管，7熱水出口管，8溫度傳感器，9溫度傳感器，10溫度傳感器，11流量傳感器，12流量控制器，13水箱內(nèi)膽，14底壁的第三電加熱器，15底壁的第一電加熱器，16底壁的第二電加熱器，17底壁的第四電加熱器，18第二側(cè)壁的第一電加熱器，19第二側(cè)壁的第二電加熱器，20第二側(cè)壁的第三電加熱器，21第二側(cè)壁的第四電加熱器，22內(nèi)膽的第一層，23內(nèi)膽的第二層，24內(nèi)膽的第三層，25內(nèi)膽的第四層，26內(nèi)膽的外殼；集熱器的部分的附圖標(biāo)記如下:27集熱器，28集熱器出口的溫度傳感器的位置，29集熱器入口的溫度傳感器的位置，30流量計(jì)的位置，31電加熱裝置，32流量控制器的位置
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式
做詳細(xì)的說明。下面先介紹集熱器的相關(guān)部件。首先，請(qǐng)參考圖1，一種太陽能熱水器，包括集熱器27，集熱器27的進(jìn)水口通過管道與外部水源連通，熱水器還包括溫度傳感器、光照傳感器、流量計(jì)、流量控制器和中央控制器；所述溫度傳感器為兩個(gè)，分別設(shè)置在集熱器的進(jìn)水口的位置29和出水口位置28上，用于測(cè)量集熱器的進(jìn)水口和出水口的水的溫度；光照傳感器設(shè)置在集熱器的吸熱部(圖1沒有示出)，用于檢測(cè)太陽光的強(qiáng)度；流量計(jì)設(shè)置在進(jìn)水口與外部水源的連接管道上，如圖1所示的附圖標(biāo)記30的位置，用于測(cè)量進(jìn)入集熱器的水的流量；流量控制器設(shè)置在進(jìn)水口與外部水源的連接管道上，如圖1所示的附圖標(biāo)記32的位置，用于控制進(jìn)入集熱器的水的流量；所述溫度傳感器、光照傳感器、流量計(jì)、流量控制器與所述中央控制器I之間通訊連接；所述中央控制器包括第一調(diào)節(jié)單元，所述第一調(diào)節(jié)單元根據(jù)溫度傳感器和光照傳感器測(cè)量值，產(chǎn)生控制所述流量計(jì)的調(diào)節(jié)信號(hào)，以改變流入相應(yīng)的所述集熱器的水的流量，使得所述集熱器內(nèi)的流體溫度保持不變。集熱器27的出水口與水箱的進(jìn)水口相連。所述集熱器27包括三層結(jié)構(gòu)，從內(nèi)向外每層的熱膨脹系數(shù)逐漸降低。這是因?yàn)樵诩療岬倪^程中，集熱器的外部先受熱，先膨脹，然后依次向內(nèi)是第二層、第三層受熱膨脹，因此從內(nèi)向外三層膨脹次數(shù)依次降低可以保證膨脹率基本保持一致，保證各層連接的緊密性和穩(wěn)定性。所述太陽輻射值計(jì)算管道 內(nèi)水的單位時(shí)間的流量值的公式為:AV =(RXAX n)/(p XCLX (T3-T))，其中ΛV為管道內(nèi)流體單位時(shí)間的流量值，R為太陽輻射值，A為集熱器有效吸熱面積，η為熱損失系數(shù)，取值范圍為0.95-0.98之間，P為管道內(nèi)水的密度，CL為管道內(nèi)水所在溫度區(qū)間的平均比熱，Τ3是集熱器需要達(dá)到的水溫，T集熱器的平均水溫，即T = (Tl+T2)/2, Τ1、Τ2分別為集熱器出口和集熱器入口的溫度。
當(dāng)然，集熱器的平均溫度還有許多其他的測(cè)量方式，例如在集熱器的多個(gè)位置處設(shè)置溫度傳感器，通過計(jì)算多個(gè)位置處的水的平均溫度來測(cè)量集熱器的水溫。如果采取此種方式，則不需要在集熱器進(jìn)出口設(shè)置溫度傳感器，而需要在集熱器內(nèi)部設(shè)置溫度傳感器。
中央控制器I還包括數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元、邏輯控制器，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元用于存儲(chǔ)溫度傳感器、光照傳感器、流量計(jì)測(cè)量的數(shù)值以及流量值的公式，所述邏輯控制器根據(jù)所述測(cè)量的數(shù)值以及流量值的公式計(jì)算單位時(shí)間的流量值，使得所述管道內(nèi)的流體溫度保持不變。
所述集熱器內(nèi)設(shè)置電加熱裝置31，所述電加熱裝置可以在沒有陽光(例如晚上或者陰天)的情況下獨(dú)立工作，也可以在陽光無法滿足正常的熱水使用的情況下，在中央控制器的控制下，配合溫度傳感器、光照傳感器、流量計(jì)和中央控制器一起實(shí)現(xiàn)對(duì)熱水器溫度的共同控制。
此外，中央控制器I可以獨(dú)立控制電加熱裝置3來實(shí)現(xiàn)集熱器需要達(dá)到的水溫，例如可以在集熱器箱體中設(shè)置至少一個(gè)溫度傳感器，根據(jù)溫度傳感器測(cè)量的水溫來控制電加熱裝置31進(jìn)行加熱。也可以根據(jù)集熱器進(jìn)水口和出水口測(cè)量的水溫的平均值來控制電加熱裝置31進(jìn)行加熱。
所述集熱器還包括太陽能跟蹤系統(tǒng)，通過太陽能跟蹤系統(tǒng)，可以使集熱器實(shí)時(shí)的跟蹤太陽，已達(dá)到最大的利用太陽能。
集熱器27的溫度控制可以實(shí)時(shí)進(jìn)行控制，也可以根據(jù)時(shí)間段進(jìn)行控制。根據(jù)時(shí)間段控制得情況下，需要設(shè)定時(shí)間段，測(cè)得每個(gè)所述時(shí)間段平均太陽輻照值；測(cè)得每個(gè)所述時(shí)間段平均集熱器的出口溫度Tl ;測(cè)得每個(gè)所述時(shí)間段的平均所述集熱器出口溫度Τ2 ;根據(jù)設(shè)定集熱器終端溫度Τ3以及測(cè)量的數(shù)值計(jì)算集熱器的水的流量。
調(diào)節(jié)單元通過調(diào)整閥門的開度大小改變流入相應(yīng)的所述集熱器27的水的流量。當(dāng)然調(diào)整流量的大小還有其他方法，例如通過控制泵等。
與集熱器相連的水箱的結(jié)構(gòu)如下:
首先，請(qǐng)參考圖2，所述水箱包括水箱內(nèi)膽13和外殼26，熱水器下部設(shè)置水入口管6，上部的一側(cè)設(shè)置有熱水出口管7，集熱器的加熱的水通過水入口管6進(jìn)入水箱內(nèi)膽13，然后在水箱內(nèi)膽13內(nèi)進(jìn)行加熱,然后通過熱水出口管7流出。
當(dāng)然，水入口管還可以同時(shí)連接外部冷水，當(dāng)天氣不好的時(shí)候，可以關(guān)閉與集熱器相連的水入口，打開外部冷水的連接，從而實(shí)現(xiàn)水箱的獨(dú)立加熱。當(dāng)然，也可以集熱器加熱的熱水和外部冷水同時(shí)連接，已達(dá)到集熱器的水和外部冷水混合，達(dá)到迅速實(shí)現(xiàn)合適的水溫的需求。
圖3展示了水箱內(nèi)膽13的示意圖。水箱內(nèi)膽13分為四層，每相鄰的兩層緊密貼合，從內(nèi)向外分別是內(nèi)涂料層22、合金層23、不銹鋼層24和外涂料層25，水箱內(nèi)膽13由于采用了上述結(jié)構(gòu)，第一層是內(nèi)涂料層，可以避免出現(xiàn)腐蝕，第二層是鋁合金層，使得傳熱均勻烹飪效果好，第三層是不銹鋼層，使內(nèi)膽的外表面不僅美觀，還能使得內(nèi)膽的傳熱更快，第四層是外涂料層，可以保護(hù)銅層避免產(chǎn)生銹蝕。
優(yōu)選的，所述合金層為鋁合金層。圖3展示的內(nèi)膽13的側(cè)壁和底壁呈大于90°的鈍角，當(dāng)然，內(nèi)膽的側(cè)壁和底壁不局限于附圖的形式，內(nèi)膽和側(cè)壁可以呈90°的角，內(nèi)膽可以呈立方體形狀，有四個(gè)互相垂直的側(cè)壁和底壁組成。對(duì)于內(nèi)膽13中的材料不局限于上述描述的材料，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以進(jìn)行合理的選擇，但是對(duì)于內(nèi)膽的四層結(jié)構(gòu)的材料的選擇，要求是由內(nèi)向外的四層結(jié)構(gòu)的熱膨脹系數(shù)逐漸增大，也就是說，最內(nèi)層的熱膨脹系數(shù)最低，第二層其次，第三層大于第二層但小于第四層，第四層最大。之所以這樣的設(shè)置，因?yàn)樵诩訜岬倪^程中，第一層先受熱，先膨脹，然后依次是第二層、第三層、第四層受熱膨脹，因此四層膨脹系數(shù)依次增大可以保證膨脹率基本保持一致，保證各層連接的緊密性和穩(wěn)定性。所述水箱包括保溫層，保溫層具有三層，從內(nèi)向外保溫層的每層的熱膨脹系數(shù)逐漸升高。更優(yōu)選的是，水箱從內(nèi)向外，從內(nèi)膽到保溫層，每層的熱膨脹系數(shù)逐漸升高。從而實(shí)現(xiàn)保證膨脹率基本保持一致，保證各層連接的緊密性和穩(wěn)定性如圖4所示，所述水箱包括電加熱器、溫度傳感器，其中熱水出口管7和水入口管6與水箱內(nèi)膽13連接，所述的溫度傳感器8-10、電加熱器2-5，14-17，18-21與所述中央控制器I之間通訊連接，所述內(nèi)膽13包括四個(gè)側(cè)壁(圖3中只展示了兩個(gè)側(cè)壁)和一個(gè)底壁，在底壁和每個(gè)側(cè)壁上分別設(shè)置有四個(gè)電加熱器。如圖3所示，在圖3的水箱內(nèi)膽的第一側(cè)壁上分別是第一電加熱器2、第二電加熱器3、第三電加 熱器4和第四電加熱器5，同理在圖3的水箱內(nèi)膽的第二側(cè)壁上分別是第一電加熱器18、第二電加熱器19、第三電加熱器20和第四電加熱器21，同時(shí)水箱內(nèi)膽的兩外兩個(gè)側(cè)壁的電加熱器的設(shè)置與第一側(cè)壁和第二側(cè)壁的設(shè)置相同，分別設(shè)置有四個(gè)電加熱器；在內(nèi)膽13的底壁設(shè)置有四個(gè)電加熱器，分別是第三電加熱器14、第一電加熱器15、第二電加熱器16和第四電加熱器17，上述設(shè)置的電加熱器用于對(duì)熱水器中的水進(jìn)行加熱，；當(dāng)開始加熱時(shí)，底壁和每個(gè)側(cè)壁上的所述的第一電加熱器2、18、15(包括未不出的兩個(gè)側(cè)壁上的第一電加熱器)啟動(dòng)加熱，第二電加熱器、第三電加熱器和第四電加熱器不啟動(dòng)加熱；當(dāng)水的溫度達(dá)到第一溫度時(shí)，底壁和每個(gè)側(cè)壁上的所述的第二電加熱器開始啟動(dòng)加熱，底壁和每個(gè)側(cè)壁上的所述的第一電加熱器、第二電加熱器一起加熱，底壁和每個(gè)側(cè)壁上的第三電加熱器和第四電加熱器不啟動(dòng)加熱；當(dāng)溫度達(dá)到第二溫度時(shí)，底壁和每個(gè)側(cè)壁上的所述的第三電加熱器開始啟動(dòng)，底壁和每個(gè)側(cè)壁上的所述的第一電加熱器、第二電加熱器、第三電加熱器一起對(duì)水進(jìn)行加熱，底壁和每個(gè)側(cè)壁上的第四電加熱器不啟動(dòng)加熱；當(dāng)溫度達(dá)到第三溫度時(shí)，底壁和每個(gè)側(cè)壁上的所述的第四電加熱器開始啟動(dòng)，底壁和每個(gè)側(cè)壁上的所述的所有電加熱器一起對(duì)水進(jìn)行加熱；所述中央控制器I包括第二調(diào)節(jié)單元，所述第二調(diào)節(jié)單元根據(jù)所述溫度傳感器測(cè)量的水的溫度，產(chǎn)生控制所述水箱的調(diào)節(jié)信號(hào)。在實(shí)際加熱的過程中，只要水的溫度低于第一溫度，則只啟動(dòng)底壁和四個(gè)側(cè)壁的第一電加熱器，如果水的溫度在第一溫度和第二溫度之間時(shí)，則同時(shí)啟動(dòng)底壁和四個(gè)側(cè)壁的第一電加熱器和第二電加熱器，如果水的溫度在第二溫度和第三溫度之間時(shí)，則同時(shí)啟動(dòng)底壁和四個(gè)側(cè)壁的第一電加熱器、第二電加熱器和第三電加熱器，當(dāng)水的溫度達(dá)到或者超過第三溫度時(shí)，則所有的電加熱器同時(shí)啟動(dòng)進(jìn)行加熱。當(dāng)然，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以根據(jù)需要設(shè)定需要加熱的最高溫度，例如設(shè)置溫度輸入控制板控制加熱的溫度。如果需要加熱到第二溫度，則第三加熱器和第四加熱器不需要啟動(dòng)，只需要根據(jù)溫度啟動(dòng)第一電加熱器和第二電加熱器即可。
通過設(shè)置水箱內(nèi)的電加熱器，可以實(shí)現(xiàn)水箱的獨(dú)立加熱，也可以實(shí)現(xiàn)水箱輔助加熱。即當(dāng)集熱器輸入的水溫偏低，水箱電加熱器啟動(dòng)加熱，已達(dá)到所需的水溫。
所述溫度傳感器為多個(gè)，都設(shè)置在內(nèi)膽5內(nèi)。如圖3所示，其中一個(gè)溫度傳感器8設(shè)置在內(nèi)膽的熱水出口位置，用來測(cè)量出口熱水的熱水溫度，其中一個(gè)溫度傳感器9設(shè)置在內(nèi)膽的冷水入口位置，用來測(cè)量入口冷水的水溫，其中至少一個(gè)溫度傳感器10設(shè)置在水箱內(nèi)膽的其他位置，用來測(cè)量水箱內(nèi)膽10內(nèi)水的溫度，例如如圖3所示的設(shè)置在內(nèi)膽5的底部。所述調(diào)節(jié)單元通過多個(gè)溫度傳感器測(cè)量的溫度的平均值來產(chǎn)生控制所述電加熱器的調(diào)節(jié)信號(hào)。
雖然圖4中的溫度傳感器的數(shù)量為3個(gè)，實(shí)際上，溫度傳感器的數(shù)量不局限于3個(gè)，例如熱水器熱水出口位置、冷水入口位置以及其他位置處的傳感器的數(shù)量都可以是兩個(gè)以上。通過設(shè)置多個(gè)溫度傳感器可以增加水溫的測(cè)量準(zhǔn)確性。
當(dāng)然，本領(lǐng)域技術(shù)人員也可以根據(jù)需要選擇將溫度傳感器設(shè)置在熱水入口管和/或冷水出口管上，與 設(shè)置在內(nèi)膽的溫度傳感器一起來計(jì)算測(cè)量溫度的平均值。
為了保證內(nèi)膽的水的溫度達(dá)到預(yù)定溫度，中央控制器能夠根據(jù)內(nèi)膽水溫、集熱器出水口的水溫和流入內(nèi)膽的流量控制第二流量控制器的流速。例如，當(dāng)內(nèi)膽中的水溫溫度偏低而集熱器的水溫溫度偏高，則可以提高集熱器的出口熱水流入內(nèi)膽的速度，反之，則可以適當(dāng)降低從集熱器流入內(nèi)膽的水的流量。因?yàn)樗涞娜肟谶€可以連接外部水源(如自來水水源)，如果集熱器水溫偏高，則還可以通過加大外部水源的流入速度來降低水箱中的水溫。
如果集熱器水溫也偏低，則可以啟動(dòng)集熱器和/或水箱中的電加熱系統(tǒng)，通過電加熱系統(tǒng)輔助加熱，提高水溫，如果加熱器水溫偏高，則可以通過加大加熱器的入水口的流速來降低溫度，也可以通過加大外部冷水源的流速來降低水箱的水溫，或者可以采取集熱器和水箱同時(shí)入口冷水的流速來降低水箱和集熱器中的水溫。
此外，為了控制外部冷水源的流速，可以在外部冷水源的管道上設(shè)置流量控制器、流量傳感器，用于檢測(cè)外部冷水源的管道上的流速和控制流量，以便控制進(jìn)入內(nèi)膽的外部水源的流量。
如圖4所示，所述的第一側(cè)壁的電加熱器沿水箱內(nèi)膽的高度方向分布，其中從水箱內(nèi)膽下部往上依次是第四電加熱器5、第二電加熱器3、第一電加熱器2、第三電加熱器4。其他側(cè)壁的電加熱器的設(shè)置與第一側(cè)壁的設(shè)置相同。
所述的每個(gè)側(cè)壁上的電加熱器沿水箱內(nèi)膽的高度呈直線分布，在高度方向上，第二電加熱器3與第一電加熱器2是第一電加熱器2與第三電加熱器4距離的0.8-0.9倍，第四電加熱器5與第二電加熱器3的距離是第二電加熱器3與第一電加熱器2距離的0.7-0.75倍。其他側(cè)壁的電加熱器的設(shè)置與第一側(cè)壁的設(shè)置相同。
第四電加熱器5的功率大于第三電加熱器4的功率,第三電加熱器4的功率大于第二電加熱器3的功率，第二電加熱器3的功率大于第一電加熱器2的功率。其他側(cè)壁的電加熱器的設(shè)置與第一側(cè)壁的設(shè)置相同。
所述冷水入口 6設(shè)置在底壁上的底壁與側(cè)壁連接的位置附近，底壁的電加熱器距離水入口管6距離由近及遠(yuǎn)的分布為:第四電加熱器17、第二電加熱器16、第一電加熱器15和第三電加熱器14。底壁上中，第四電加熱器17的功率大于第三電加熱器14的功率，第三電加熱器14的功率大于第二電加熱器16的功率，第二電加熱器16的功率大于第一電加熱器15的功率。通過上述的位置和功率的設(shè)置，可以提高水的加熱的均衡性，保證各壁面溫度提升的一致性。所述的水箱還包括水位控制器(圖3未示出)、流量控制器12、流量傳感器11，水位控制器、流量控制器12、流量傳感器11與中央控制器I通訊連接，流量傳感器11和流量控制器12設(shè)置在熱水器入口管6上，所述流量傳感器11用于測(cè)量流入水箱內(nèi)膽5的水的流量；所述的流量控制器12用來控制熱水器入口管6上的水的流速，所述水位控制器用于測(cè)量水箱內(nèi)膽的水位，并將測(cè)量結(jié)果傳遞給中央控制器1，中央控制器I根據(jù)測(cè)量的水位和流量來控制流量控制器12的流速，中央控制器I還可以根據(jù)水溫和流量控制流量控制器12的流速。例如，如果水箱內(nèi)的水溫超過了用戶的需求，則通過設(shè)置增加水的流量在降低水溫，同理，如果水箱內(nèi)的水溫低于用戶的需求，則可以通過減少水的流量來保證水的快速加熱。用戶的需求可以通過用戶界面(未示出)進(jìn)行設(shè)置。如果水位下降，則通過控制增加流速來增加進(jìn)入內(nèi)膽的水的流量，如果水位過高，則通過降低或者停止水的流速來減少或者避免進(jìn)入內(nèi)道的水流量。如圖5展示了第一側(cè)壁的電加熱器沿水箱內(nèi)膽的高度錯(cuò)列分布。當(dāng)然每一個(gè)側(cè)壁和底壁上的電加熱器都可以采用如圖4所示的錯(cuò)列分布，所述的每個(gè)側(cè)壁上的電加熱器沿水箱內(nèi)膽的高度呈直線分布，如圖5所示，所述直線與側(cè)壁的中線 的夾角為30-45° (圖5所示的兩條虛線所成的角度)。當(dāng)然底壁上的電加熱器都可以采用如圖5所示的錯(cuò)列分布。通過上述的電加熱器位置設(shè)置，可以提高水的加熱的均衡性，保證各壁面溫度提升的一致性。在實(shí)際應(yīng)用中，還可以設(shè)置防燒干裝置，以保證進(jìn)行加熱的電加熱器都浸泡在水中。如果電加熱器沒有浸泡在水中，則電加熱器自動(dòng)停止加熱，防止干燒。等水位上升淹沒電加熱器時(shí)再進(jìn)行加熱。鋁合金層的鋁合金的組分的質(zhì)量百分比如下:6.0% Cu，0.9%Mg，0.6%Ag，0.8%Mn,0.13% Zr,0.1% Ce,0.10% Ti,0.15% Si，其余為 Al。鋁合金的制造方法為采用真空冶金熔煉，氬氣保護(hù)澆注成圓坯經(jīng)過600°C均勻化處理，在400°C，采用熱擠壓成棒材，然后再經(jīng)過580°C固溶淬火后，在200°C進(jìn)行人工時(shí)效處理。合金的抗拉強(qiáng)度。b:室溫彡550MPa，200°C彡440MPa，300°C彡_230MPa。電加熱器由電熱合金組成，所述電熱合金的質(zhì)量百分比如下Ni34 % ；Crl8% ；A15% ；C0.05% ；B0.006% ；Co2% ；W4% ；Mo4% ；Ti2% ；Nb0.1% ；La0.2% ；Ce0.2% ;Fe 余量。電熱合金的制造方法為:通過在真空感應(yīng)爐中按照電熱合金的成分熔煉澆注成錠，然后在1200°C _90(TC將合金錠熱鍛成棒材，在1200°C -900°C熱軋成盤材，再在室溫冷拔成不同規(guī)格的絲材。
為了代替廣泛使用的NiCr系Cr20Ni80合金，而制造了低成本的電熱合金，合金的抗氧化性與Cr20Ni80對(duì)比如下:
權(quán)利要求
1.一種具有輔助加熱功能的智能控制太陽能熱水器，包括中央控制器、集熱器和與集熱器連接的水箱，集熱器的進(jìn)水口通過管道與外部水源連通，其特征在于， 所述集熱器包括:溫度傳感器、光照傳感器、流量計(jì)、第一流量控制器；所述溫度傳感器為兩個(gè)，分別設(shè)置在集熱器的進(jìn)水口和出水口，用于測(cè)量集熱器的進(jìn)水口和出水口的水的溫度；光照傳感器設(shè)置在集熱器的吸熱部，用于檢測(cè)太陽光的強(qiáng)度；流量計(jì)設(shè)置在進(jìn)水口與外部水源的連接管道上，用于測(cè)量進(jìn)入集熱器的水的流量；第一流量控制器設(shè)置在進(jìn)水口與外部水源的連接管道上，用于控制進(jìn)入集熱器的水的流量；所述溫度傳感器、光照傳感器、流量計(jì)、第一流量控制器與所述中央控制器之間通訊連接；所述中央控制器包括第一調(diào)節(jié)單元，所述第一調(diào)節(jié)單元根據(jù)溫度傳感器、光照傳感器和流量計(jì)的測(cè)量值，產(chǎn)生控制所述第一流量控制器的調(diào)節(jié)信號(hào)，以改變流入所述集熱器的水的流量，使得所述集熱器內(nèi)的流體溫度保持不變； 所述水箱包括:水箱內(nèi)膽、電加熱器、水入口管、熱水出口管、溫度傳感器、水位控制器、第二流量控制器、流量傳感器；所述內(nèi)膽包括有四層結(jié)構(gòu)，每相鄰的兩層緊密貼合，由內(nèi)至外的第一層是內(nèi)涂料層，第二層是合金層，第三層是不銹鋼層，第四層是外涂料層；所述水箱內(nèi)膽從內(nèi)向外，每層的熱膨脹系數(shù)依次變大；熱水出口管和水入口管的一端與水箱內(nèi)膽連接，水入口管的另一端與集熱器的出水口連接，所述的溫度傳感器、水位控制器、第二流量控制器、流量傳感器、電加熱器與所述中央控制器之間通訊連接，所述內(nèi)膽包括四個(gè)側(cè)壁和一個(gè)底壁，在底壁和每個(gè)側(cè)壁上分別設(shè)置有四個(gè)電加熱器，分別是第一電加熱器、第二電加熱器、第三電加熱器和第四電加熱器，用于對(duì)熱水器中的水進(jìn)行加熱；當(dāng)開始加熱時(shí)，底壁和每個(gè)側(cè)壁上的所述的第一電加熱器啟動(dòng)加熱，第二電加熱器、第三電加熱器和第四電加熱器不啟動(dòng)加熱；當(dāng)水的溫度達(dá)到第一溫度時(shí)，底壁和每個(gè)側(cè)壁上的所述的第二電加熱器開始啟動(dòng)加熱，底壁和每個(gè)側(cè)壁上的所述的第一電加熱器、第二電加熱器一起加熱，底壁和每個(gè)側(cè)壁上的第三電加熱器和第四電加熱器不啟動(dòng)加熱；當(dāng)溫度達(dá)到第二溫度時(shí)，底壁和每個(gè)側(cè)壁上的所述的第三電加熱器開始啟動(dòng)，底壁和每個(gè)側(cè)壁上的所述的第一電加熱器、第二電加熱器、第三電加熱器一起對(duì)水進(jìn)行加熱，底壁和每個(gè)側(cè)壁上的第四電加熱器不啟動(dòng)加熱；當(dāng)溫度達(dá)到第四 溫度時(shí)，底壁和每個(gè)側(cè)壁上的所述的第四電加熱器開始啟動(dòng)，底壁和每個(gè)側(cè)壁上的所述的所有電加熱器一起對(duì)水進(jìn)行加熱；所述溫度傳感器設(shè)置在內(nèi)膽內(nèi)，用于測(cè)量水的溫度，所述流量傳感器和流第二量控制器設(shè)置在熱水器入口管上，所述流量傳感器用于測(cè)量流入水箱內(nèi)膽的水的流量；所述的第二流量控制器用來控制水入口管上的水的流速，所述水位控制器用于測(cè)量水箱內(nèi)膽的水位，所述中央控制器包括第二調(diào)節(jié)單元，所述第二調(diào)節(jié)單元根據(jù)所述溫度傳感器測(cè)量的水的溫度，產(chǎn)生控制所述電加熱器的調(diào)節(jié)信號(hào)；為了保證內(nèi)膽的水位保持一定的高度，中央控制器根據(jù)測(cè)量的內(nèi)膽水位和流量來控制第二流量控制器的流速；為了保證內(nèi)膽的水的溫度達(dá)到預(yù)定溫度，中央控制器能夠根據(jù)內(nèi)膽水溫、集熱器出水口的水溫和流入內(nèi)膽的流量控制第二流量控制器的流速； 所述水箱的每個(gè)側(cè)壁和/或底壁上的第四電加熱器的功率大于第三電加熱器的功率，第三電加熱器的功率大于第二電加熱器的功率，第二電加熱器的功率大于第一電加熱器的功率。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的太陽能熱水器，其特征在于，所述水箱進(jìn)一步包括保溫層，保溫層具有三層，從內(nèi)向外保溫層的每層的熱膨脹系數(shù)逐漸升高。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的所述的太陽能熱水器，其特征在于，所述的水箱每個(gè)側(cè)壁上的電加熱器沿水箱內(nèi)膽的高度方向分布，其中從水箱內(nèi)膽下部往上依次是第四電加熱器、第二電加熱器、第一電加熱器、第三電加熱器；所述的每個(gè)側(cè)壁和/或底壁上的電加熱器沿水箱內(nèi)膽的高度錯(cuò)列分布。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2的所述的太陽能熱水器，其特征在于，所述的水箱的每個(gè)側(cè)壁上的電加熱器沿水箱內(nèi)膽的高度呈直線分布，在高度方向上，第二電加熱器與第一電加熱器是第一電加熱器與第三電加熱器距離的0.8-0.9倍，第四電加熱器與第二電加熱器的距離是第二電加熱器與第一電加熱器距離的0.7-0.75倍。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2的所述的太陽能熱水器，其特征在于，水箱的第二層為鋁合金層，所述鋁合金層的鋁合金的組分的質(zhì)量百分比如下:6.0% Cu,0.9% Mg,0.6% Ag,0.8%Mn,0.13% Zr,0.1% Ce,0.10% Ti,0.15% Si，其余為 Al。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2的太陽能熱水器，其中電加熱器由電熱合金組成，所述電熱合金的質(zhì)量百分比如下 Ni34% ；Crl8% ；A15% ；C0.05% ；B0.006% ；Co2% ；W4% ；Mo4% ；Ti2% ；Nb0.1% ；La0.2% ；Ce0.2% ；Fe 余量。
7.根據(jù)權(quán) 利要求1或2的電熱水器，其特征在于，所述的每個(gè)側(cè)壁上的電加熱器沿?zé)崴鲀?nèi)膽的高度呈直線分布，所述直線與側(cè)壁的中線的夾角為30-45°。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的太陽能熱水器，其特征在于:進(jìn)入集熱器的水的單位時(shí)間的流量值的公式為:AV= (RXAX η)/(Ρ XCLX (T3-T))，其中AV為管道內(nèi)流體單位時(shí)間的流量值，R為太陽輻射值，A為集熱器有效吸熱面積，η為熱損失系數(shù)，取值范圍為0.95-0.98之間，P為管道內(nèi)水的密度，Τ3是集熱器需要達(dá)到的水溫，T集熱器的平均水溫，即T = (Τ1+Τ2)/2，Τ1、Τ2分別為集熱器出口和集熱器入口的溫度，CL為管道內(nèi)水平均溫度的比熱。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的太陽能熱水器，其特征在于:在集熱器中，根據(jù)時(shí)間段來調(diào)整流量，包括設(shè)定時(shí)間段，測(cè)得每個(gè)所述時(shí)間段平均太陽輻照值；測(cè)得每個(gè)所述時(shí)間段平均集熱器的出口溫度Tl ;測(cè)得每個(gè)所述時(shí)間段的平均所述集熱器出口溫度Τ2 ;根據(jù)設(shè)定集熱器終端溫度Τ3以及測(cè)量的數(shù)值計(jì)算集熱器的水的流量。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種具有輔助加熱功能的智能控制太陽能熱水器，所述太陽能熱水器包括集熱器和與集熱器連接的水箱，水箱包括多層結(jié)構(gòu)的內(nèi)膽，內(nèi)膽中設(shè)置電加熱器，內(nèi)膽包括四個(gè)側(cè)壁和一個(gè)底壁，所述底壁和每個(gè)側(cè)壁的電加熱器為四個(gè)，隨著加熱溫度的升高，所述的電加熱器不斷的陸續(xù)的啟動(dòng)加熱。本發(fā)明可以根據(jù)水溫來控制加熱功率，避免內(nèi)膽的快速受熱膨脹，同時(shí)在側(cè)壁和底壁都設(shè)置加熱器，保證加熱溫度的均勻。
文檔編號(hào)F24J2/40GK103216957SQ20131015996
公開日2013年7月24日 申請(qǐng)日期2013年5月3日 優(yōu)先權(quán)日2013年5月3日
發(fā)明者張麗, 郝身剛, 王興, 梁晶晶, 程寧, 孫福振 申請(qǐng)人:南陽師范學(xué)院