一種自然循環式窗式太陽能熱水器裝置及其控制方法與流程
2023-06-07 15:18:31
本發明涉及太陽能熱水器技術領域，尤其是一種自然循環式窗式太陽能熱水器裝置及其控制方法。
背景技術：
為了節約安裝空間，窗式太陽能熱水器得到了越來越廣泛的應用。窗式太陽能熱水器分為兩種，自然循環式和強制循環式。其中自然循環式由於其結構簡單，在普通家庭用戶中較為常見。但是，這種結構的太陽能熱水器的外接集熱板在吸收太陽能後，其內部的水流會在集熱板內部膨脹，形成「氣阻效果」，導致整個太陽能熱水器的水流循環發生衰減甚至中斷，降低了太陽能熱水器的效率。
技術實現要素：
本發明要解決的技術問題是提供一種機自然循環式窗式太陽能熱水器裝置及其控制方法，能夠解決現有技術的不足，提高太陽能熱水器的效率。為解決上述技術問題，本發明所採取的技術方案如下。一種自然循環式窗式太陽能熱水器裝置，包括儲水箱(1)，儲水箱(1)連接有集熱器(2)，所述集熱器(2)內平行設置有第一旋轉軸(3)和第二旋轉軸(4)，第一旋轉軸(3)位於第二旋轉軸(4)的外側，第一旋轉軸(3)上通過第三旋轉軸(7)連接有第一真空集熱板(8)，第三旋轉軸(7)與第二旋轉軸(4)垂直設置，第一旋轉軸(3)、第二旋轉軸(4)和第三旋轉軸(7)上分別設置有驅動電機(5)，第二旋轉軸(4)上設置有第二真空集熱板(9)，第一真空集熱板(8)的進水端在儲水箱(1)的頂部設置有第一進水口(10)，第一真空集熱板(8)的進水端在儲水箱(1)的底部設置有第二進水口(11)，第二真空集熱板(9)的進水端在儲水箱(1)的頂部設置有第三進水口(12)，第二真空集熱板(9)的進水端在儲水箱(1)的底部設置有第四進水口(13)，第一真空集熱板(8)的出水端在儲水箱(1)的頂部置有第一出水口(14)，第一真空集熱板(8)的出水端在儲水箱(1)的底部設置有第二出水口(15)，第二真空集熱板(9)的出水端在儲水箱(1)的頂部設置有第三出水口(16)，第二真空集熱板(9)的出水端在儲水箱(1)的底部設置有第四出水口(17)，第一進水口(10)、第二進水口(11)、第三進水口(12)、第四進水口(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)上分別設置有電磁閥(18)和流量計(19)，第一真空集熱板(8)和第二真空集熱板(9)內分別設置有溫度傳感器(20)，此裝置中還包括一個控制器(6)，控制器(6)分別與驅動電機(5)、電磁閥(18)、流量計(19)和溫度傳感器(20)通訊連接。一種用於上述的自然循環式窗式太陽能熱水器裝置的控制方法，包括以下步驟：A、通過控制器控制驅動電機，使所有第一真空集熱板處於同一平面，且這個平面的垂線與第二真空集熱板所處平面的垂線共線；控制器根據安裝位置的緯度計算出太陽光入射角度，調整第一真空集熱板所處平面與太陽光入射方向相互垂直，第二真空集熱板與第一真空集熱板之間的初始夾角為15°；第一進水口關閉，第二進水口打開，第一出水口打開，第二出水口關閉，第三進水口打開，第四進水口關閉，第三出水口關閉，第四出水口打開；B、隨著集熱板對太陽光的吸收，儲水箱底部的水進入第一真空集熱板加熱後，從儲水箱頂部流出，然後進入第二真空集熱板加熱，最後流至儲水箱底部，並依次進行循環，在此過程中對第一真空集熱板和第二真空集熱板內的水溫以及第一真空集熱板和第二真空集熱板的水流流速進行監測；C、當第一真空集熱板的水溫超過第二真空集熱板的水溫且其差值大於第一閾值時，通過第三旋轉軸使第一真空集熱板旋轉，進行角度的調節；D、當第一真空集熱板的水溫超過第二真空集熱板的水溫且其差值小於第一閾值，同時第一真空集熱板的流速小於第二真空集熱板的流速時，第一進水口打開，第二進水口關閉，第一出水口關閉，第二出水口打開，第三進水口打開，第四進水口關閉，第三出水口關閉，第四出水口打開，改變第一真空集熱板內的水流流向；E、當第二真空集熱板的水溫超過第一真空集熱板時，通過第二旋轉軸調整第二真空集熱板與第一真空集熱板的夾角。作為本發明的一種優選技術方案，步驟C中，第一真空集熱板向背向太陽光的方向旋轉。作為本發明的一種優選技術方案，步驟D中，當改變第一真空集熱板內的水流流向30分鐘後，若第一真空集熱板的流速沒有超過第二真空集熱板的流速，則同時打開第一進水口和第二進水口。作為本發明的一種優選技術方案，步驟E中，在調整第二真空集熱板與第一真空集熱板的夾角的同時，打開第三出水口。採用上述技術方案所帶來的有益效果在於：本發明通過改進集熱板的結構，將兩部分集熱板與儲水箱串聯連接，改變了水流的循環流動路徑，提高水流受熱的均勻性，從而減小了整個水流熱脹冷縮的差異，減小「氣阻效果」發生的概率。進一步地，通過合理調節集熱板的吸熱量和水流的流動方向和速度，可以在監測到發生「氣阻效果」的可能性時，進行及時的調節，從而徹底避免「氣阻效果」的發生，提高了太陽能熱水器的效率。附圖說明圖1是本發明的一個具體實施例的結構圖圖2是本發明的一個具體實施例中第一真空集熱板和第二真空集熱板的連接結構圖。圖3是使用本發明提供的太陽能熱水器和有技術的太陽能熱水器進行試驗的水溫變化曲線。圖中：1、儲水箱；2、集熱器；3、第一旋轉軸；4、第二旋轉軸；5、驅動電機；6、控制器；7、第三旋轉軸；8、第一真空集熱板；9、第二真空集熱板；10、第一進水口；11、第二進水口；12、第三進水口；13、第四進水口；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、電磁閥；19、流量計；20、溫度傳感器；21、凸起部；22、通孔；23、第一管路；24、第二管路；25、波紋管；26、開關閥。具體實施方式參照圖1-2，一種自然循環式窗式太陽能熱水器裝置，包括儲水箱1,，儲水箱1連接有集熱器2，所述集熱器2內平行設置有第一旋轉軸3和第二旋轉軸4，第一旋轉軸3位於第二旋轉軸4的外側，第一旋轉軸3上通過第三旋轉軸7連接有第一真空集熱板8，第三旋轉軸7與第二旋轉軸4垂直設置，第一旋轉軸3、第二旋轉軸4和第三旋轉軸7上分別設置有驅動電機5，第二旋轉軸4上設置有第二真空集熱板9，第一真空集熱板8的進水端在儲水箱1的頂部設置有第一進水口10，第一真空集熱板8的進水端在儲水箱1的底部設置有第二進水口11，第二真空集熱板9的進水端在儲水箱1的頂部設置有第三進水口12，第二真空集熱板9的進水端在儲水箱1的底部設置有第四進水口13，第一真空集熱板8的出水端在儲水箱1的頂部設置有第一出水口14，第一真空集熱板8的出水端在儲水箱1的底部設置有第二出水口15，第二真空集熱板9的出水端在儲水箱1的頂部設置有第三出水口16，第二真空集熱板9的出水端在儲水箱1的底部設置有第四出水口17，第一進水口10、第二進水口11、第三進水口12、第四進水口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上分別設置有電磁閥18和流量計19，第一真空集熱板8和第二真空集熱板9內分別設置有溫度傳感器20，此裝置中還包括一個控制器6，控制器6分別與驅動電機5、電磁閥18、流量計19和溫度傳感器20通訊連接。第一真空集熱板8的兩側設置有凸起部21，凸起部21上設置有通孔22，凸起部21可以在第三旋轉軸7帶動第一真空集熱板8旋轉時，有效地減少太陽光的直接射入，從而提高第一真空集熱板8角度調節對於太陽能在第一真空集熱板8和第二真空集熱板9之間的分配，通孔22可以在第一真空集熱板8保持初始狀態時保證太陽光穿過凸起部21的射入量。位於第一真空集熱板8內部用於水流流動的第一管路23的內徑由中見到兩端逐漸增加，在第一管路23的中點處與位於第二真空集熱板9內部的第二管路24之間連接有波紋管25，波紋管25上設置有開關閥26。當第一管路23內部出現由於熱膨脹而產生的壓力差之後，兩端較大的內徑便於壓力差的快速釋放，當第一管路23內部出現壓力差的劇烈波動，打開開關閥26將第一真空集熱板8和第二真空集熱板9臨時導通，實現快速洩壓，從而保證整個太陽能系統的爭產運行。一種用於上述的自然循環式窗式太陽能熱水器裝置的控制方法，其特徵在於包括以下步驟：A、通過控制器6控制驅動電機5，使所有第一真空集熱板8處於同一平面，且這個平面的垂線與第二真空集熱板9所處平面的垂線共線；控制器6根據安裝位置的緯度計算出太陽光入射角度，調整第一真空集熱板8所處平面與太陽光入射方向相互垂直，第二真空集熱板9與第一真空集熱板8之間的初始夾角為15°；第一進水口10關閉，第二進水口11打開，第一出水口14打開，第二出水口15關閉，第三進水口12打開，第四進水口13關閉，第三出水口16關閉，第四出水口17打開；B、隨著集熱板對太陽光的吸收，儲水箱1底部的水進入第一真空集熱板8加熱後，從儲水箱1頂部流出，然後進入第二真空集熱板9加熱，最後流至儲水箱1底部，並依次進行循環，在此過程中對第一真空集熱板8和第二真空集熱板9內的水溫以及第一真空集熱板8和第二真空集熱板9的水流流速進行監測；C、當第一真空集熱板8的水溫超過第二真空集熱板9的水溫且其差值大於第一閾值時，通過第三旋轉軸7使第一真空集熱板8旋轉，進行角度的調節；第一真空集熱板8向背向太陽光的方向旋轉；第一閾值K1的計算公式為：其中，T1為戶外溫度，L為儲水箱1容積，α為第一真空集熱板8與水平面的夾角。(本公式不適用於赤道地區，在此地區可將α進行適當修正，加大5°～10°後再使用此公式)；第一真空集熱板8調整角度β的計算公式為β＝tan-1a，其中a為第一真空集熱板8和第二真空集熱板9水位差值的變化率；當β的計算值小於10°時保持10°的開度。D、當第一真空集熱板8的水溫超過第二真空集熱板9的水溫且其差值小於第一閾值，同時第一真空集熱板8的流速小於第二真空集熱板9的流速時，第一進水口10打開，第二進水口11關閉，第一出水口14關閉，第二出水口15打開，第三進水口12打開，第四進水口13關閉，第三出水口16關閉，第四出水口17打開，改變第一真空集熱板8內的水流流向；當改變第一真空集熱板8內的水流流向30分鐘後，若第一真空集熱板8的流速沒有超過第二真空集熱板9的流速，則同時打開第一進水口10和第二進水口11；E、當第二真空集熱板9的水溫超過第一真空集熱板8時，通過第二旋轉軸4調整第二真空集熱板9與第一真空集熱板8的夾角；在調整第二真空集熱板9與第一真空集熱板8的夾角的同時，打開第三出水口16。開始調整時，將第二真空集熱板9與第一真空集熱板8的夾角直接調整至第二真空集熱板9與第一真空集熱板8的最大開度(約為65°～75°)，然後監控第二真空集熱板9與第一真空集熱板8水溫差值的變化曲線，當第二真空集熱板9與第一真空集熱板8水溫差值開始逐漸縮小時，關閉第三出水口16；當第二真空集熱板9的水溫降至低於第一真空集熱板8的水溫時，將第二真空集熱板9與第一真空集熱板8的夾角調回至初始夾角。通過使用本發明提供的技術方案，可以有效地避免自然循環式窗式太陽能熱水器發生「氣阻效果」的問題，使得管道內的水流順暢流動，提高了太陽能的利用率。而且在去掉了現有技術中使用光線追蹤裝置後依然可以利用兩個集熱板的結構達到對太陽光的充分利用。參照圖3，使用兩個容積和壽光面積相同的太陽能熱水器進行為期一個月的監測對比試驗，本發明所提供的太陽能熱水器達到的平均水溫比現有技術的太陽能熱水器提高了11.8℃。上述描述僅作為本發明可實施的技術方案提出，不作為對其技術方案本身的單一限制條件。