CN113915778B - 一种太阳能导热介质自动调节循环驱动方法 - Google Patents
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Abstract
一种太阳能导热介质自动调节循环驱动方法，对在太阳能集热器至水箱之间连接管道中的导热介质施加电场和磁场，根据水箱温度调节电场和磁场强度的大小或方向，以改变导热介质获得的洛伦兹力大小或方向，使导热介质的流动方向和速度发生变化，以此加强或抑制导热介质的循环。该方法通过磁力驱动改变太阳能导热介质的循环方式，根据太阳能光照强度和太阳能热水器水箱温度判断是否需要对导热介质循环加强或抑制，过程简单，实现了自动调节，解决太阳能热利用存在的不热或过热问题。同时保护储水箱，提高太阳能热水系统寿命。
Description
本申请是名为《太阳能导热介质自动调节循环驱动方法》的专利申请的分案申请，原申请的申请日为2020年03月09日，申请号为202010159627.7。
技术领域
本发明涉及太阳能热利用技术领域，特别是涉及一种太阳能导热介质自动调节循环驱动方法。
背景技术
随着太阳能热利用技术的普及以及节能减排的需要，高层建筑的太阳能热利用项目越来越多，不少省市推广实施高层建筑强制安装太阳能热水器政策。但是由于气堵、反坡等原因导致导热介质循环不畅，引发太阳能不热问题频发。
为解决上述问题，行业内经常使用循环泵强制导热介质循环，如中国专利文献CN2308054Y公开的一种被动循环导热介质的太阳能热水器，但是机械部件长期运转，容易损坏，并且伴随有噪音和振动，影响居民日常生活，并且不能根据导热介质的温度自动调节循环过程。
此外，当日照强度过强时，易出现太阳能过热现象，危及系统安全及人身健康。
针对上述问题，需要对现有太阳能导热介质循环系统进行改进，实现对导热介质循环流动的控制。
发明内容
本发明的目的是提供一种太阳能导热介质自动调节循环驱动方法，控制过程简单、可自动调节，能够根据太阳能光照强度、太阳能热水器的水箱温度，判断是否需要对导热介质循环加强或抑制。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种太阳能导热介质自动调节循环驱动方法，所述太阳能导热介质自动调节循环驱动方法包括：
通过温度控制器检测水箱温度；
获取太阳辐照度；
通过电磁耦合装置根据水箱温度和太阳辐照度，为太阳能集热器至水箱之间连接管道中的导热介质施加电场和磁场，具体包括：
①在水箱温度Thank(单位为℃)未达到设定温度Tset(单位为℃)，且太阳辐照度Gt(单位为W/m2)大于或等于设定的辐照度阈值时，使处于自然循环的导热介质获取电磁场产生的正向洛伦兹力，产生加速流动，改善循环效果；
②在水箱温度Thank达到设定温度Tset，并且已达到设定的水箱过热保护温度Tprotect(单位为℃)时，如果太阳辐照度Gt大于或等于设定的辐照度阈值时，则使处于自然循环的导热介质获取电磁场产生的反向洛伦兹力，抑制导热介质的自然循环流动，抑制循环效果；
③如果太阳能辐照度Gt小于设定的辐照度阈值时，则电磁耦合装置停止施加电场和磁场。
可选地，所述电磁耦合装置包括导热介质通道、通过磁感线圈产生磁场的磁场发生装置以及通过正负电极产生电场的电场发生装置，正负电极加载在导热介质所在通道的两侧壁面上，磁感线圈加载在导热介质所在通道的另外两侧壁面，使得磁感线圈产生的磁场垂直于电场方向。
可选地，所述洛伦兹力的计算公式为：
其中，N：磁感线圈匝数，无量纲；
q/m：导热介质中带电粒子荷质比，可通过试验测得；
μ0：真空磁导率；
I1：磁感线圈的电流；
R：磁感线圈的当量半径；
U1：电极板两端的电势差。
可选地，所述太阳能导热介质自动调节循环驱动方法还包括：
通过光伏发电装置为所述电磁耦合装置提供电源。光伏发电装置为现有技术，直接将太阳光照转变为电能，其光伏组件放置于太阳能集热器采光面的一侧，与太阳能集热器共同接收太阳辐照。
可选地，所述获取太阳辐照度，具体包括：
采用以下公式，根据光伏发电装置产生的电能，确定太阳辐照度：
其中：
Gt：t时刻的太阳辐照度，W/m2；
Ut：t时刻系统控制器读取到的光伏发电装置的电压，V；
It：t时刻系统控制器读取到的光伏发电装置的电流，A；
S：光伏发电装置的面积，m2；
η：光伏发电装置的综合发电效率，无量纲。
所述辐照度阈值为100W/m2。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明通过磁力驱动改变太阳能导热介质的循环方式，根据太阳能光照强度和太阳能热水器水箱温度判断是否需要对导热介质循环加强或抑制，过程简单，实现了自动调节，解决太阳能热利用存在的不热或过热问题。同时保护储水箱，提高太阳能热水系统寿命。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明方法实现太阳能导热介质自动调节循环驱动的原理示意图；
图2是本发明中电磁耦合装置的结构原理示意图。
符号说明：
1-磁感线圈；2-导热介质通道；3-电极；4-温度控制器；5-水箱；6-光伏发电装置；7-太阳能集热器；8-电磁耦合装置。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种太阳能导热介质自动调节循环驱动方法，用于驱动太阳能导热介质循环、改善太阳能热水器因循环不畅导致不热或因光照过强导致过热现象，通过磁力驱动改变太阳能导热介质的循环方式，根据太阳能光照强度和太阳能热水器水箱温度判断是否需要对导热介质循环加强或抑制，过程简单，实现了自动调节，解决太阳能热利用存在的不热或过热问题。同时保护储水箱，提高太阳能热水系统寿命。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1所示，本发明的太阳能导热介质自动调节循环驱动方法包括：
通过温度控制器检测水箱温度；
获取太阳辐照度；
为太阳能集热器7至水箱5之间连接管道中的导热介质通过电磁耦合装置8施加电场和磁场，根据温度控制器4检测的水箱5内的温度，调节电场和磁场强度的大小或方向，以改变导热介质获得的洛伦兹力大小或方向，使导热介质的流动方向和速度发生变化，以此加强或抑制导热介质的循环。
电磁耦合装置8以光伏发电装置6为电源产生电场和磁场。
光伏发电装置6为现有技术，直接将太阳光照转变为电能，其光伏组件放置于太阳能集热器7采光面的一侧，与太阳能集热器7共同接收太阳辐照。光伏发电装置受太阳辐照强弱变化可改变供电量，也可实现电场和磁场的调节。
参见图2，电磁耦合装置8包括导热介质通道2、通过磁感线圈1产生磁场的磁场发生装置以及通过电极3产生电场的电场发生装置。
正负电极加载在导热介质通道两侧壁面上，磁感线圈1加载在导热介质通道另外两侧壁面，使得产生的磁场垂直于电场方向。
导热介质通道2安装于太阳能集热器7的导热介质出口至水箱5的导热介质入口之间的管路上。
光伏发电装置6通过电压或电流调节电路与磁感线圈1和电极3(正负电极)连接，用于向磁感线圈1和电极3提供正向或负向电流，以及改变输入的电流大小，调节电场、磁场强度大小或方向，改变导热介质获得的洛伦兹力大小或方向，作出加强导热介质循环或抑制导热循环的控制动作。
根据太阳能热水器运行状况分为以下工作模式。
1.加速循环模式
太阳能热水器水箱温度Thank(t时刻的的水箱内温度)未达到设定温度Tset时，依据光伏发电装置6产生的电能，判断太阳辐照度Gt的状况，Gt的计算公式为：
其中：
Gt：t时刻的太阳辐照度，W/m2；
Ut：t时刻系统控制器读取到的光伏发电装置的电压，V；
It：t时刻系统控制器读取到的光伏发电装置的电流，A；
S：光伏发电装置的面积，m2；
η：光伏发电装置的综合发电效率，无量纲。
当太阳辐照度Gt满足要求(Gt≥100)时，向磁感线圈1和电极3提供正向电流(如图2所示，左侧磁感线圈及电极接正极，右侧磁感线圈及电极接负极)，此时处于自然循环的导热介质获取电磁场产生的正向洛伦兹力，产生加速流动，改善循环效果。
即：Gt≥100且Ttank＜Tset时，电磁耦合装置8中输入电压U和电流I，电流为正向。
洛伦兹力F的计算公式是：
其中：
N：磁感线圈的匝数，无量纲；
q/m：导热介质中带电粒子荷质比，可通过试验测得；
μ0：真空磁导率；
I1：磁感线圈的电流；
R：磁感线圈的当量半径；
U1：电极板两端的电势差。
2.抑制循环模式
当水箱5的温度Thank达到设定温度Tset，并且已达到设定的水箱过热保护温度Tprotect(单位为℃)时，如果太阳辐照度满足要求Gt≥100，向磁感线圈1和电极3提供反向电流(如图2所示，左侧磁感线圈及电极接负极，右侧磁感线圈及电极接正极)，此时处于自然循环的导热介质获取电磁场产生的反向洛伦兹力，抑制导热介质的自然循环流动，抑制循环效果。此时大部分热量贮存在太阳能集热器7内，太阳能集热器7的集热效率下降，热损失加大，散热速度加快，防止水箱5出现过热现象，提高太阳能热水系统寿命。
即：Gt≥100且Ttank≥Tprotect时，电磁耦合装置8的输入电压U和电流I，电流为反向。
3.静止模式
当太阳辐照度Gt不满足要求时(Gt＜100)，停止提供电流，为静止模式。即Gt＜100时，电磁耦合装置8中无电流输入。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (6)
1.一种太阳能导热介质自动调节循环驱动方法，用于调节太阳能热水器的运行，其特征在于，所述太阳能导热介质自动调节循环驱动方法包括：
通过温度控制器检测水箱温度；
获取太阳辐照度；
通过电磁耦合装置根据所述水箱温度和太阳辐照度，为太阳能集热器与水箱之间的连接管道中的导热介质施加电场和磁场，具体包括：
在水箱温度未达到设定温度，且太阳辐照度大于或等于设定的辐照度阈值时，使处于自然循环的导热介质获取电磁场产生的正向洛伦兹力，产生加速流动；
在水箱温度达到设定的水箱过热保护温度，且太阳辐照度大于或等于设定的辐照度阈值时，使处于自然循环的导热介质获取电磁场产生的反向洛伦兹力，抑制导热介质的自然循环流动，抑制循环效果；
若太阳能辐照度小于设定的辐照度阈值，则电磁耦合装置停止施加电场和磁场；
所述电磁耦合装置包括导热介质通道、通过磁感线圈产生磁场的磁场发生装置以及通过正负电极产生电场的电场发生装置；
所述正负电极加载在导热介质所在通道的两侧壁面上；
所述磁感线圈加载在导热介质所在通道的另外两侧壁面上，使得磁感线圈产生的磁场垂直于电场方向。
2.根据权利要求1所述的太阳能导热介质自动调节循环驱动方法，其特征在于，所述洛伦兹力的计算公式为：
其中，N为磁感线圈的匝数，无量纲；q和m为导热介质中带电粒子荷质比，通过试验测得；μ0为真空磁导率；I1为磁感线圈的电流；R为磁感线圈的当量半径；U1为电极板两端的电势差。
3.根据权利要求1所述的太阳能导热介质自动调节循环驱动方法，其特征在于，所述太阳能导热介质自动调节循环驱动方法还包括：
通过光伏发电装置为所述电磁耦合装置提供电源。
4.根据权利要求3所述的太阳能导热介质自动调节循环驱动方法，其特征在于，所述光伏发电装置的光伏组件放置于太阳能集热器采光面的一侧，与太阳能集热器共同接收太阳辐照。
5.根据权利要求2所述的太阳能导热介质自动调节循环驱动方法，其特征在于，所述获取太阳辐照度，具体包括：
采用以下公式，根据光伏发电装置产生的电能，确定太阳辐照度：
其中，Gt为t时刻的太阳辐照度，W/m2；Ut为t时刻系统控制器读取到的光伏发电装置的电压，V，It为t时刻系统控制器读取到的光伏发电装置的电流，A；S为光伏发电装置的面积，m2；Η为光伏发电装置的综合发电效率，无量纲。
6.根据权利要求1所述的太阳能导热介质自动调节循环驱动方法，其特征在于，所述辐照度阈值为100W/m2。
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