CN102645045A - 紧凑式太阳能热水器智能旋转台 - Google Patents

紧凑式太阳能热水器智能旋转台 Download PDF

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肖耘亚
刘壮耀
林贵源
黄经岸
黄立强
林润棉
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Abstract

本发明涉及一种紧凑式太阳能热水器智能旋转台，在底座下方装有1个承载热水器部分压力并驱动旋转台实现对光运动的驱动轮，该驱动轮连接着能使旋转台旋转的电机，电机采用减速马达，减速马达通过电机驱动电路与芯片MCU的输出端连接，芯片MCU的输入端分别连接有光照强度检测电路、方向识别电路、行程开关电路和电压检测电路；支架采用条幅式支架结构，该条幅式支架结构有支架高度的调整和支杆排布的调整，将受力较小的条幅调整到受力较大的位置；还单独设置出水管支架，太阳能热水器的出水管架在出水管支架上。优化构架，降低成本，提高控制系统可靠性和耐用性，保证低重心，提高安全性，提高了紧凑式太阳能热水器的热能转化效率。

Description

紧凑式太阳能热水器智能旋转台
技术领域
本发明属于旋转装置技术领域，涉及一种能方便、简单、可靠地使紧凑式太阳能热水器旋转起来的紧凑式太阳能热水器智能旋转台。
背景技术
太阳能热水器市场前景非常广阔，传统固定式安装的太阳能热水器对太阳能的利用率仍存在很大的提升空间。据统计，目前太阳能热水器占整个热水器市场的11.2％，到2015年，我国太阳能热水器普及率将达到30％，将能创造出约为438亿元的年产值。其中紧凑式太阳能热水器独占65%以上的市场份额。
   紧凑式太阳能热水器从其诞生至今，已有20多年的时间了。然而多年来其结构形式几乎没有什么重大改变，因此太阳能热水器还存在不少问题尚未真正得到解决，如光照利用率不高，电加热耗能严重，冬天热水供应不足等等。
冬季光照倾角的增大和光照时间的减少，使得冬季对太阳能热量的吸收仅为夏季的1/3到1/2倍，这导致太阳能热水器在冬天整箱水温度很难超过40℃。而医学专家研究表明，冬天进浴较为舒适的水温是40℃左右。这时热水器就需要采用电加热补充热水了。这是一个制约太阳能热水器推广应用的重要问题。
经过计算我们发现，如果太阳能热水器采用可旋转对光的结构，将可以提高日均热量转换能力约35%，将能很大程度的提高太阳能热水器的太阳能转化能力。
现有的太阳能热水器基本都是固定安装。为了达到太阳能热水器的使用要求，通常太阳能热水器都需占用较大的面积；提高热水器热能转换效率通常都是采用较好的采光材料，当然制造成本也较高。据保守估算，如果采用可旋转的对光结构，将可以把日均热能转换效率提高35%。
现有紧凑式太阳能热水器成本高、太阳能利用率低。现有的太阳能热水器旋转台有二种结构：其一是典型的分体式的太阳能热水器旋转台结构，已投产，它工作原理是：利用单片机进行信号采集和运算，驱动两台电机调节热水器的角度，这种结构虽然可实现全方位的对光，但是造价较高；而且很难承受紧凑式太阳能热水器动辄200kg的重量；其工作功耗较大，需要外配电源。其二是典型的紧凑式的太阳能热水器旋转台的结构，尚未投产，它工作原理是：通过模拟电路对光照进行强弱对比，驱动电机通过传动机构，使热水器底座带动热水器实现平面对光，这中结构虽然可以解决太阳能热水器的对光问题，但是在结构上存在较大的安全隐患，而且它采用的驱动装置耗能较大，也需要外配电源。
发明内容
为了克服现有技术的上述缺点，本发明提供一种能方便、简单、可靠地使紧凑式太阳能热水器旋转起来，从而提高太阳能热水器效率的的紧凑式太阳能热水器智能旋转台。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种紧凑式太阳能热水器智能旋转台，包括底座以及通过支杆固定在底座上的支架，在底座下方的四角分别装有2个防止旋转台重心失控而倾翻的辅助后轮、1个承载热水器部分压力并保持旋转台平衡性前轮和1个承载热水器部分压力并驱动旋转台实现对光运动的驱动轮，该驱动轮连接着能使旋转台旋转的电机，电机采用减速马达，电源由蓄电池提供，并通过固定在太阳能热水器正面下方的太阳能板补充蓄电池能量，减速马达通过电机驱动电路与芯片MCU的输出端连接，芯片MCU的输入端分别连接有光照强度检测电路、方向识别电路、行程开关电路和电压检测电路；支架采用条幅式支架结构，该条幅式支架结构有支架高度的调整和支杆排布的调整，将受力较小的条幅调整到受力较大的位置，使得支架安全性达到2.0；还单独设置出水管支架，太阳能热水器的出水管架在出水管支架上。
所述芯片MCU为avr电路，通过avr单片机开发的智能电路对光线方向进行采样、分析和运算，然后控制驱动电路驱动电机正反转，从而带动旋转台实现经度方向的对光，在芯片MCU的输出端还连接有指示电路和充电电路，安装在太阳能热水器正上方中部的能辨别光线方向之用的感光元件与光照强度检测电路相连，利用感光元件进行信号采集以及芯片MCU进行运算，利用电机驱动电路驱动电机达到调节热水器的角度的目的。
所述芯片MCU的工作程序流程是从开始进行初始化处理，通过电源电压检测电路和方向识别电路，进入电机驱动电路，带动底座旋转。
支架分为上支架和下支架，在太阳能热水器背面的支撑中心装有支撑杆，支撑杆的一端固定在太阳能热水器背部，支撑杆的另一端的端部通过杆端轴承安装在上支架的旋转中心，杆端轴承采用关节轴承，使杆端轴承承载上支架的大部分压力。
所述水管支架固定在太阳能热水器后面的地面上。
在支架的正面安装有限制旋转台行程的行程开关。
所述电机采用多级减速器。
本发明的有益效果是：采用有限元法，优化构架，降低成本；采用单片机智能电路和外置的看门狗电路，提高控制系统可靠性；在耐用性前提下，采用直流电机作为驱动，提高效率、降低成本；采用多级减速使旋转台运行平稳，不扰乱热水器的微循环；保证低重心，提高安全性；只做经度方向的旋转对光，旋转台闭环控制系统通过识别电路对光线方向进行采样、分析、运算，通过驱动电路驱动电机正反转，带动旋转台实现经度方向的对光，从而大大提高了紧凑式太阳能热水器的热能转化效率。
附图说明
图1是本发明的安装结构示意图。
图2 是本发明所述上支架结构示意图。
图3是本发明的电路结构框图。
图4是本发明的程序流程图。
图中：1-感光元件，2-出水管，3-出水管支架，4-辅助后轮，5-杆端轴承，6-限位块，7-行程开关，8-前轮，9-太阳能板，10-上支架，11-减速马达，12-驱动轮，13-太阳能热水器。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
参见图1至图4，一种紧凑式太阳能热水器智能旋转台，包括底座以及通过支杆固定在底座上的支架，为了保证支架的安全性能，支架采用条幅式支架结构，
该条幅式支架结构有支架高度的调整和支杆排布的调整，支架分为上支架10和下支架，采用有限元对上支架进行安全性分析，具体步骤如下：算例模型分割→网格划分→材料设置→约束设置→载荷设置→计算→输出结果；在底座下方的四角分别装有2个防止旋转台重心失控而倾翻的辅助后轮4、1个承载热水器部分压力并保持旋转台平衡性前轮8和1个承载热水器部分压力并驱动旋转台实现对光运动的驱动轮12，该驱动轮12连接着能使旋转台旋转的电机，电机采用减速马达11，电源由蓄电池提供，并通过固定在太阳能热水器13正面下方的太阳能板9补充蓄电池能量，减速马达11通过电机驱动电路与芯片MCU的输出端连接，芯片MCU的输入端分别连接有光照强度检测电路、方向识别电路、行程开关电路和电压检测电路，在芯片MCU的输出端还连接有指示电路和充电电路，安装在太阳能热水器13正上方中部的能辨别光线方向之用的感光元件1与光照强度检测电路相连，利用感光元件1进行信号采集以及芯片MCU进行运算，利用电机驱动电路驱动电机达到调节热水器的角度的目的，芯片MCU为avr电路，通过avr单片机开发的智能电路对光线方向进行采样、分析和运算，然后控制驱动电路驱动电机正反转，从而带动旋转台实现经度方向的对光，使得控制电路更为可靠、价格更低，芯片MCU的工作程序流程是从开始进行初始化处理，通过电源电压检测电路和方向识别电路，进入电机驱动电路，带动底座旋转；在太阳能热水器13背面的支撑中心装有支撑杆，支撑杆的一端固定在太阳能热水器13背部，支撑杆的另一端的端部通过杆端轴承5安装在上支架10的旋转中心，杆端轴承5采用关节轴承，使杆端轴承5承载上支架10的大部分压力；同时，让热水器旋转起来，首先得解决热水器出水管的扭动问题，为防止出水管2因旋转而干涉支架，太阳能热水器13的出水管2架在出水管支架3上，出水管支架单独设置，固定在太阳能热水器13后面的地面上，这种结构既解决了出水管的扭动问题，同时在制造工艺上又较为简单；限制旋转台行程的行程开关安装在支架的正面；电机采用多级减速器，提高了紧凑式太阳能热水器智能旋转台的安全性、可靠性、耐用性和工艺性。
本发明的性能参数是：
最大负载：150kg；
铅蓄电池参数：  6.6V 4.0Ah ；
太阳能板参数：9V 2.0W；
电机额定功耗：2.0W  （PWM调速）；
整机待机功耗：0.02W；
整机运行功耗：2.0W；
追踪角度：    预设3°（程序控制）；
转台最大旋角：小于180°（限位块控制）。
根据电路特点和安装要求以及前期功耗估算，可选择直流电机与减速器搭配的方式。
电机试选择 30转大扭距减速电机，旋转台转动一周折合驱动轮转动圈数：N=b/r=16
根据MmaxA，得37.5 ÷0.6 ÷0.8=78
即所选减速器最大减速比i不得大于78
减速箱传动比i
假设G是热水器的重心，x是0A上0与G的距离。
启动时旋转台驱动轮的驱动力                                                
Figure 2012101579826100002DEST_PATH_IMAGE001
由
Figure 927105DEST_PATH_IMAGE002
  （i<78）
分析：
   如i取30，则x=249.6mm，即热水器重心需配在线段OA上距离0点（轴承中心）249.6mm以上，旋转台启动时驱动轮才不会发生打滑。担实际中我们可以采用PWM调速方式对电机进行调节，所以x的距离可适当减小。
本发明以轴承作为主要承压点，实现大承压、低能耗：热水器的重量大部分由轴承承担，大大减少了驱动热水器旋转所需能量，理论上在电机提供转矩大于6N·m情况下，只需0.5W·h就能提供一天的支架旋转对光。辐条式的支架结构，使钢材性能得到更充分的发挥：采用以轴承座为中心的辐条式分布的支架结构，在满足力学性能要求情况下，减少了上支架的重量和造价。双运放光强平衡逻辑电路，采样迅速可靠：通过光敏电阻与双运放比较电路的巧妙组合，设计出了一种能判别光照强度的逻辑电路，抗干扰性强，采样迅速。采用间断性指示，使待机能耗大大降低：由于采用了间断性指示，电路指示信号的能耗几乎可以忽略不计，于是能为电路减少约10mA的电流，每天节省约1.5W·h的能量。
本发明的优点是：功耗低、太阳能充电，无需外接电源；支架紧凑，承载性能好、安全性高；采用闭环智能控制系统，运行可靠；精度可调，追光旋角大小可调。
本发明的使用对象是：紧凑式太阳能热水器、分体式太阳能热水器、大型太阳能电池板。
它的使用环境：能承载一定压力的平坦地面或楼板；利于光线方向采样，周围无遮光挡光物和反光物。
目前太阳能热水器占整个热水器市场的11.2％，到2015年，我国太阳能热水器普及率将达到30％，将能创造出约为438亿元的年产值。其中紧凑式太阳能热水器独占65%以上的市场份额。
经计算，紧凑式太阳能热水器若应用这种旋转台，可把太阳能转化效率提高35%左右。今市场中的紧凑式太阳能热水器的集热管每根约50元，不计其他做工费用，一台30管的热水器单集热管就能节省500元左右。而本发明材料价格约为350元，若批量生产，成本将更低。对于体积更大的热水器，只需相应增大旋转台的支架就能满足工作要求，这样就能在满足同一使用要求的情况下，降低热水器的生产成本。

Claims (7)

1.一种紧凑式太阳能热水器智能旋转台，其特征是：包括底座以及通过支杆固定在底座上的支架，在底座下方的四角分别装有2个防止旋转台重心失控而倾翻的辅助后轮、1个承载热水器部分压力并保持旋转台平衡性前轮和1个承载热水器部分压力并驱动旋转台实现对光运动的驱动轮，该驱动轮连接着能使旋转台旋转的电机，电机采用减速马达，电源由蓄电池提供，并通过固定在太阳能热水器正面下方的太阳能板补充蓄电池能量，减速马达通过电机驱动电路与芯片MCU的输出端连接，芯片MCU的输入端分别连接有光照强度检测电路、方向识别电路、行程开关电路和电压检测电路；支架采用条幅式支架结构，该条幅式支架结构有支架高度的调整和支杆排布的调整，将受力较小的条幅调整到受力较大的位置，使得支架安全性达到2.0；还单独设置出水管支架，太阳能热水器的出水管架在出水管支架上。
2.如权利要求1所述紧凑式太阳能热水器智能旋转台，其特征是：所述芯片MCU为avr电路，通过avr单片机开发的智能电路对光线方向进行采样、分析和运算，然后控制驱动电路驱动电机正反转，从而带动旋转台实现经度方向的对光，在芯片MCU的输出端还连接有指示电路和充电电路，安装在太阳能热水器正上方中部的能辨别光线方向之用的感光元件与光照强度检测电路相连，利用感光元件进行信号采集以及芯片MCU进行运算，利用电机驱动电路驱动电机达到调节热水器的角度的目的。
3.如权利要求1或2所述紧凑式太阳能热水器智能旋转台，其特征是：所述芯片MCU的工作程序流程是从开始进行初始化处理，通过电源电压检测电路和方向识别电路，进入电机驱动电路，带动底座旋转。
4.如权利要求1所述紧凑式太阳能热水器智能旋转台，其特征是：支架分为上支架和下支架，在太阳能热水器背面的支撑中心装有支撑杆，支撑杆的一端固定在太阳能热水器背部，支撑杆的另一端的端部通过杆端轴承安装在上支架的旋转中心，杆端轴承采用关节轴承，使杆端轴承承载上支架的大部分压力。
5.如权利要求1所述紧凑式太阳能热水器智能旋转台，其特征是：所述水管支架固定在太阳能热水器后面的地面上。
6.如权利要求1或4所述紧凑式太阳能热水器智能旋转台，其特征是：在支架的正面安装有限制旋转台行程的行程开关。
7.如权利要求1所述紧凑式太阳能热水器智能旋转台，其特征是：所述电机采用多级减速器。
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