CN105805957B - 一种自然循环式窗式太阳能热水器装置及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种自然循环式窗式太阳能热水器装置及其控制方法，设置两个相互串联的集热板，并分别在储水箱的顶部和底部设置两个集热板的进出水口，然后根据热水器内部水流流速及水温的变化对集热板的角度以及进出水口的开闭进行相应的调整。本发明能够解决现有技术的不足，提高太阳能热水器的效率。

Description

一种自然循环式窗式太阳能热水器装置及其控制方法
技术领域
本发明涉及太阳能热水器技术领域，尤其是一种自然循环式窗式太阳能热水器装置及其控制方法。
背景技术
为了节约安装空间，窗式太阳能热水器得到了越来越广泛的应用。窗式太阳能热水器分为两种，自然循环式和强制循环式。其中自然循环式由于其结构简单，在普通家庭用户中较为常见。但是，这种结构的太阳能热水器的外接集热板在吸收太阳能后，其内部的水流会在集热板内部膨胀，形成“气阻效果”，导致整个太阳能热水器的水流循环发生衰减甚至中断，降低了太阳能热水器的效率。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种机自然循环式窗式太阳能热水器装置及其控制方法，能够解决现有技术的不足，提高太阳能热水器的效率。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案如下。
一种自然循环式窗式太阳能热水器装置，包括储水箱(1)，储水箱(1)连接有集热器(2)，所述集热器(2)内平行设置有第一旋转轴(3)和第二旋转轴(4)，第一旋转轴(3)位于第二旋转轴(4)的外侧，第一旋转轴(3)上通过第三旋转轴(7)连接有第一真空集热板(8)，第三旋转轴(7)与第二旋转轴(4)垂直设置，第一旋转轴(3)、第二旋转轴(4)和第三旋转轴(7)上分别设置有驱动电机(5)，第二旋转轴(4)上设置有第二真空集热板(9)，第一真空集热板(8)的进水端在储水箱(1)的顶部设置有第一进水口(10)，第一真空集热板(8)的进水端在储水箱(1)的底部设置有第二进水口(11)，第二真空集热板(9)的进水端在储水箱(1)的顶部设置有第三进水口(12)，第二真空集热板(9)的进水端在储水箱(1)的底部设置有第四进水口(13)，第一真空集热板(8)的出水端在储水箱(1)的顶部置有第一出水口(14)，第一真空集热板(8)的出水端在储水箱(1)的底部设置有第二出水口(15)，第二真空集热板(9)的出水端在储水箱(1)的顶部设置有第三出水口(16)，第二真空集热板(9)的出水端在储水箱(1)的底部设置有第四出水口(17)，第一进水口(10)、第二进水口(11)、第三进水口(12)、第四进水口(13)、第一出水口(14)、第二出水口(15)、第三出水口(16)和第四出水口(17)上分别设置有电磁阀(18)和流量计(19)，第一真空集热板(8)和第二真空集热板(9)内分别设置有温度传感器(20)，此装置中还包括一个控制器(6)，控制器(6)分别与驱动电机(5)、电磁阀(18)、流量计(19)和温度传感器(20)通讯连接。
一种用于上述的自然循环式窗式太阳能热水器装置的控制方法，包括以下步骤：
A、通过控制器控制驱动电机，使所有第一真空集热板处于同一平面，且这个平面的垂线与第二真空集热板所处平面的垂线共线；控制器根据安装位置的纬度计算出太阳光入射角度，调整第一真空集热板所处平面与太阳光入射方向相互垂直，第二真空集热板与第一真空集热板之间的初始夹角为15°；第一进水口关闭，第二进水口打开，第一出水口打开，第二出水口关闭，第三进水口打开，第四进水口关闭，第三出水口关闭，第四出水口打开；
B、随着集热板对太阳光的吸收，储水箱底部的水进入第一真空集热板加热后，从储水箱顶部流出，然后进入第二真空集热板加热，最后流至储水箱底部，并依次进行循环，在此过程中对第一真空集热板和第二真空集热板内的水温以及第一真空集热板和第二真空集热板的水流流速进行监测；
C、当第一真空集热板的水温超过第二真空集热板的水温且其差值大于第一阈值时，通过第三旋转轴使第一真空集热板旋转，进行角度的调节；
D、当第一真空集热板的水温超过第二真空集热板的水温且其差值小于第一阈值，同时第一真空集热板的流速小于第二真空集热板的流速时，第一进水口打开，第二进水口关闭，第一出水口关闭，第二出水口打开，第三进水口打开，第四进水口关闭，第三出水口关闭，第四出水口打开，改变第一真空集热板内的水流流向；
E、当第二真空集热板的水温超过第一真空集热板时，通过第二旋转轴调整第二真空集热板与第一真空集热板的夹角。
作为本发明的一种优选技术方案，步骤C中，第一真空集热板向背向太阳光的方向旋转。
作为本发明的一种优选技术方案，步骤D中，当改变第一真空集热板内的水流流向30分钟后，若第一真空集热板的流速没有超过第二真空集热板的流速，则同时打开第一进水口和第二进水口。
作为本发明的一种优选技术方案，步骤E中，在调整第二真空集热板与第一真空集热板的夹角的同时，打开第三出水口。
采用上述技术方案所带来的有益效果在于：本发明通过改进集热板的结构，将两部分集热板与储水箱串联连接，改变了水流的循环流动路径，提高水流受热的均匀性，从而减小了整个水流热胀冷缩的差异，减小“气阻效果”发生的概率。进一步地，通过合理调节集热板的吸热量和水流的流动方向和速度，可以在监测到发生“气阻效果”的可能性时，进行及时的调节，从而彻底避免“气阻效果”的发生，提高了太阳能热水器的效率。
附图说明
图1是本发明的一个具体实施例的结构图
图2是本发明的一个具体实施例中第一真空集热板和第二真空集热板的连接结构图。
图3是使用本发明提供的太阳能热水器和有技术的太阳能热水器进行试验的水温变化曲线。
图中：1、储水箱；2、集热器；3、第一旋转轴；4、第二旋转轴；5、驱动电机；6、控制器；7、第三旋转轴；8、第一真空集热板；9、第二真空集热板；10、第一进水口；11、第二进水口；12、第三进水口；13、第四进水口；14、第一出水口；15、第二出水口；16、第三出水口；17、第四出水口；18、电磁阀；19、流量计；20、温度传感器；21、凸起部；22、通孔；23、第一管路；24、第二管路；25、波纹管；26、开关阀。
具体实施方式
参照图1-2，一种自然循环式窗式太阳能热水器装置，包括储水箱1,，储水箱1连接有集热器2，所述集热器2内平行设置有第一旋转轴3和第二旋转轴4，第一旋转轴3位于第二旋转轴4的外侧，第一旋转轴3上通过第三旋转轴7连接有第一真空集热板8，第三旋转轴7与第二旋转轴4垂直设置，第一旋转轴3、第二旋转轴4和第三旋转轴7上分别设置有驱动电机5，第二旋转轴4上设置有第二真空集热板9，第一真空集热板8的进水端在储水箱1的顶部设置有第一进水口10，第一真空集热板8的进水端在储水箱1的底部设置有第二进水口11，第二真空集热板9的进水端在储水箱1的顶部设置有第三进水口12，第二真空集热板9的进水端在储水箱1的底部设置有第四进水口13，第一真空集热板8的出水端在储水箱1的顶部设置有第一出水口14，第一真空集热板8的出水端在储水箱1的底部设置有第二出水口15，第二真空集热板9的出水端在储水箱1的顶部设置有第三出水口16，第二真空集热板9的出水端在储水箱1的底部设置有第四出水口17，第一进水口10、第二进水口11、第三进水口12、第四进水口13、第一出水口14、第二出水口15、第三出水口16和第四出水口17上分别设置有电磁阀18和流量计19，第一真空集热板8和第二真空集热板9内分别设置有温度传感器20，此装置中还包括一个控制器6，控制器6分别与驱动电机5、电磁阀18、流量计19和温度传感器20通讯连接。第一真空集热板8的两侧设置有凸起部21，凸起部21上设置有通孔22，凸起部21可以在第三旋转轴7带动第一真空集热板8旋转时，有效地减少太阳光的直接射入，从而提高第一真空集热板8角度调节对于太阳能在第一真空集热板8和第二真空集热板9之间的分配，通孔22可以在第一真空集热板8保持初始状态时保证太阳光穿过凸起部21的射入量。位于第一真空集热板8内部用于水流流动的第一管路23的内径由中见到两端逐渐增加，在第一管路23的中点处与位于第二真空集热板9内部的第二管路24之间连接有波纹管25，波纹管25上设置有开关阀26。当第一管路23内部出现由于热膨胀而产生的压力差之后，两端较大的内径便于压力差的快速释放，当第一管路23内部出现压力差的剧烈波动，打开开关阀26将第一真空集热板8和第二真空集热板9临时导通，实现快速泄压，从而保证整个太阳能系统的争产运行。
一种用于上述的自然循环式窗式太阳能热水器装置的控制方法，其特征在于包括以下步骤：
A、通过控制器6控制驱动电机5，使所有第一真空集热板8处于同一平面，且这个平面的垂线与第二真空集热板9所处平面的垂线共线；控制器6根据安装位置的纬度计算出太阳光入射角度，调整第一真空集热板8所处平面与太阳光入射方向相互垂直，第二真空集热板9与第一真空集热板8之间的初始夹角为15°；第一进水口10关闭，第二进水口11打开，第一出水口14打开，第二出水口15关闭，第三进水口12打开，第四进水口13关闭，第三出水口16关闭，第四出水口17打开；
B、随着集热板对太阳光的吸收，储水箱1底部的水进入第一真空集热板8加热后，从储水箱1顶部流出，然后进入第二真空集热板9加热，最后流至储水箱1底部，并依次进行循环，在此过程中对第一真空集热板8和第二真空集热板9内的水温以及第一真空集热板8和第二真空集热板9的水流流速进行监测；
C、当第一真空集热板8的水温超过第二真空集热板9的水温且其差值大于第一阈值时，通过第三旋转轴7使第一真空集热板8旋转，进行角度的调节；第一真空集热板8向背向太阳光的方向旋转；第一阈值K1的计算公式为：
其中，T1为户外温度，L为储水箱1容积，α为第一真空集热板8与水平面的夹角。(本公式不适用于赤道地区，在此地区可将α进行适当修正，加大5°～10°后再使用此公式)；
第一真空集热板8调整角度β的计算公式为β＝tan-1a，其中a为第一真空集热板8和第二真空集热板9水位差值的变化率；当β的计算值小于10°时保持10°的开度。
D、当第一真空集热板8的水温超过第二真空集热板9的水温且其差值小于第一阈值，同时第一真空集热板8的流速小于第二真空集热板9的流速时，第一进水口10打开，第二进水口11关闭，第一出水口14关闭，第二出水口15打开，第三进水口12打开，第四进水口13关闭，第三出水口16关闭，第四出水口17打开，改变第一真空集热板8内的水流流向；当改变第一真空集热板8内的水流流向30分钟后，若第一真空集热板8的流速没有超过第二真空集热板9的流速，则同时打开第一进水口10和第二进水口11；
E、当第二真空集热板9的水温超过第一真空集热板8时，通过第二旋转轴4调整第二真空集热板9与第一真空集热板8的夹角；在调整第二真空集热板9与第一真空集热板8的夹角的同时，打开第三出水口16。开始调整时，将第二真空集热板9与第一真空集热板8的夹角直接调整至第二真空集热板9与第一真空集热板8的最大开度(约为65°～75°)，然后监控第二真空集热板9与第一真空集热板8水温差值的变化曲线，当第二真空集热板9与第一真空集热板8水温差值开始逐渐缩小时，关闭第三出水口16；当第二真空集热板9的水温降至低于第一真空集热板8的水温时，将第二真空集热板9与第一真空集热板8的夹角调回至初始夹角。
通过使用本发明提供的技术方案，可以有效地避免自然循环式窗式太阳能热水器发生“气阻效果”的问题，使得管道内的水流顺畅流动，提高了太阳能的利用率。而且在去掉了现有技术中使用光线追踪装置后依然可以利用两个集热板的结构达到对太阳光的充分利用。
参照图3，使用两个容积和寿光面积相同的太阳能热水器进行为期一个月的监测对比试验，本发明所提供的太阳能热水器达到的平均水温比现有技术的太阳能热水器提高了11.8℃。
上述描述仅作为本发明可实施的技术方案提出，不作为对其技术方案本身的单一限制条件。

Claims (5)

1.一种自然循环式窗式太阳能热水器装置，包括储水箱(1)，储水箱(1)连接有集热器(2)，其特征在于：所述集热器(2)内平行设置有第一旋转轴(3)和第二旋转轴(4)，第一旋转轴(3)位于第二旋转轴(4)的外侧，第一旋转轴(3)上通过第三旋转轴(7)连接有第一真空集热板(8)，第三旋转轴(7)与第二旋转轴(4)垂直设置，第一旋转轴(3)、第二旋转轴(4)和第三旋转轴(7)上分别设置有驱动电机(5)，第二旋转轴(4)上设置有第二真空集热板(9)，第一真空集热板(8)的进水端在储水箱(1)的顶部设置有第一进水口(10)，第一真空集热板(8)的进水端在储水箱(1)的底部设置有第二进水口(11)，第二真空集热板(9)的进水端在储水箱(1)的顶部设置有第三进水口(12)，第二真空集热板(9)的进水端在储水箱(1)的底部设置有第四进水口(13)，第一真空集热板(8)的出水端在储水箱(1)的顶部置有第一出水口(14)，第一真空集热板(8)的出水端在储水箱(1)的底部设置有第二出水口(15)，第二真空集热板(9)的出水端在储水箱(1)的顶部设置有第三出水口(16)，第二真空集热板(9)的出水端在储水箱(1)的底部设置有第四出水口(17)，第一进水口(10)、第二进水口(11)、第三进水口(12)、第四进水口(13)、第一出水口(14)、第二出水口(15)、第三出水口(16)和第四出水口(17)上分别设置有电磁阀(18)和流量计(19)，第一真空集热板(8)和第二真空集热板(9)内分别设置有温度传感器(20)，此装置中还包括一个控制器(6)，控制器(6)分别与驱动电机(5)、电磁阀(18)、流量计(19)和温度传感器(20)通讯连接。
2.一种用于权利要求1所述的自然循环式窗式太阳能热水器装置的控制方法，其特征在于包括以下步骤：
A、通过控制器(6)控制驱动电机(5)，使所有第一真空集热板(8)处于同一平面，且这个平面的垂线与第二真空集热板(9)所处平面的垂线共线；控制器(6)根据安装位置的纬度计算出太阳光入射角度，调整第一真空集热板(8)所处平面与太阳光入射方向相互垂直，第二真空集热板(9)与第一真空集热板(8)之间的初始夹角为15°；第一进水口(10)关闭，第二进水口(11)打开，第一出水口(14)打开，第二出水口(15)关闭，第三进水口(12)打开，第四进水口(13)关闭，第三出水口(16)关闭，第四出水口(17)打开；
B、随着集热板对太阳光的吸收，储水箱(1)底部的水进入第一真空集热板(8)加热后，从储水箱(1)顶部流出，然后进入第二真空集热板(9)加热，最后流至储水箱(1)底部，并依次进行循环，在此过程中对第一真空集热板(8)和第二真空集热板(9)内的水温以及第一真空集热板(8)和第二真空集热板(9)的水流流速进行监测；
C、当第一真空集热板(8)的水温超过第二真空集热板(9)的水温且其差值大于第一阈值时，通过第三旋转轴(7)使第一真空集热板(8)旋转，进行角度的调节；
D、当第一真空集热板(8)的水温超过第二真空集热板(9)的水温且其差值小于第一阈值，同时第一真空集热板(8)的流速小于第二真空集热板(9)的流速时，第一进水口(10)打开，第二进水口(11)关闭，第一出水口(14)关闭，第二出水口(15)打开，第三进水口(12)打开，第四进水口(13)关闭，第三出水口(16)关闭，第四出水口(17)打开，改变第一真空集热板(8)内的水流流向；
E、当第二真空集热板(9)的水温超过第一真空集热板(8)时，通过第二旋转轴(4)调整第二真空集热板(9)与第一真空集热板(8)的夹角。
3.根据权利要求2所述的自然循环式窗式太阳能热水器装置的控制方法，其特征在于：步骤C中，第一真空集热板(8)向背向太阳光的方向旋转。
4.根据权利要求2所述的自然循环式窗式太阳能热水器装置的控制方法，其特征在于：步骤D中，当改变第一真空集热板(8)内的水流流向30分钟后，若第一真空集热板(8)的流速没有超过第二真空集热板(9)的流速，则同时打开第一进水口(10)和第二进水口(11)。
5.根据权利要求2所述的自然循环式窗式太阳能热水器装置的控制方法：步骤E中，在调整第二真空集热板(9)与第一真空集热板(8)的夹角的同时，打开第三出水口(16)。
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