热能动力论文热能动力工程论文

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太阳能领域中的机械自动化研究
摘要：能源作为未来三大支柱产业之一，在保障国家安全及人民日常生活具有高度的战略意义，利用太阳能光热的太阳能热水器，越来越广的走进千家万户，竞争日趋激烈。

想在未来激烈的产业竞争中取得优势，必须降低生产成本，降低成本的关键就是要提升生产流程的机械自动化程度，机械设备要具备数据采集系统，设备原料远程跟踪系统等。

关键词：热能性机械自动化智能化技术太阳能住宅
太阳能热水器是太阳能成果应用中的一大产业，它以环保、安全、节能、卫生等优点，迅速赢得了广大消费者的青睐，中国，是一个能源消耗大国，每年全国能耗约占全世界能耗总量的13，而全国总能耗中，有13是来自建筑能耗。

“向屋顶要能源”，太阳能热水器就是吸收太阳的辐射热能，加热冷水提供给人们在生活、生产中使用的节能设备。

太阳能热水器把太阳光能转化为热能，将水从低温度加热到高温度，以满足人们在生活、生产中的热水使用。

一．太阳能原理概述
太阳辐射透过玻璃盖板，被集热板吸收后沿肋片和管壁传递到吸热管内的水。

吸热管内的水吸热后温度升高，比重减小而上升，形成一个向上的动力，构成一个热虹吸系统。

随着热水的不断上移并储存在储水箱上部，同时通过下循环管不断补充温度较低的水，如此循环往复，最终整箱水都升高至一定的温度。

控制系统把自来水通过控制阀，控制仪等送至太阳能以达到自动化控制。

辅助电加热安置在水箱里，已备阴、雨、雪天使用，节电90%，并自动化运行。

影响平板式集热器板芯性能的主要因素，一是结构设计，二是表面吸收涂层。

设计良好的集热器的板芯肋片效率应该在93%以上。

集热器的板芯肋片效率与板芯结构、表面处理以及集热器整体结构有关。

集热器整体结构的影响可以用总传热系数来描述，其影响程度与自身的几何尺寸（肋片厚度、材质）是一样。

也就是说，在同等效率的情况下，集热器热损小时板芯可以薄一些。

选择性吸收表面可以提高集热效率，但是市面上这类产品为了提高经济效益，往往肋片较薄。

保温材料的好坏直接关系着热效率和晚间清晨的使用，在寒冷的东北尤其重要。

目前较好的保温方式是进口聚氨脂保温，若配料、工艺、环境、温度不适，也会造成发泡不均或泡孔过大、工质缓慢漏失保温性逐渐下降的后果，这就需要厂家有专门的发泡机械、标准化模具和较高的工艺技术水平。

水循环管路管径及管路分布的合理性直接
影响到集热器的热交换效率。

家用太阳能热水器通常按自然循环方式工作，没有外在的动力，多数情况下，自然循环家用热水器系统管路中的流态都可以视为层流。

集热器内管路系统的阻力主要来自沿程阻力，局部阻力的影响要小得多，其中支管的沿程阻力又比主管要大得多。

当水温升高后，由于运动粘度减小，沿程阻力变小，局部阻力的影响变大。

二．太阳热水器从“制造”走向“智造”
数字化一体机系统，是将传感器和水箱从根本上做了技术和结构的革新，实现了与水箱的一体原装，使其不受高温、水垢的影响，让传感器的使用寿命达到与太阳能热水器相同，即便是万一有损坏，也可即时更换，非常方便，从而做到真正意义上的“原装数字化”。

在发展太阳能的同时,应看到机械设备自动化程度普遍偏低,没有掌握相应的核心技术,因而如何更好、更低成本的利用太阳能,也是现代机械自动化技术面临的挑战之一。

目前中国市场上普及的是全玻璃太阳能集热真空管。

而国外成熟的集热器都是平板集热器，平板集热器具有寿命长、稳定性高、可回收的优点，但由于较真空管集热器成本稍高，国内生产的很多价格低廉的平板集热器性能确实不好，因此被国内主流太阳能厂家歪曲了平
板集热器的性能。

水箱内胆是储存热水的重要部分，其用材料强度和耐腐蚀性至关重要。

市场上有不锈钢、搪瓷等材质。

太阳能热水器的优点是安全、节能、环保、经济，尤其是带辅助电加热功能的太阳能热水器，它以太阳能为主、电能为辅的能源利用方式，可全年全天候使用。

普通式太阳能热水器：就是将真空玻璃管直接插入水箱中，利用加热水的循环，使得水箱中的水温升高，这是目前厂家都采用的。

也是一只流行到现在的最常规的热水器。

分体式热水器：分体式热水器是为了解决不是顶层用户也能使用太阳能热水器而诞生的。

分体式的循环有2种，一种是靠水的自然循环，这种热水器热交换效率很低，远远不能满足用水要求；另一种是靠泵循环热交换，这也是为了解决自然循环效率低的问题，使用泵循环，可以明显改善水的热交换。

太阳能热水器是由全玻璃真空集热管、储水箱、支架及相关附件组成，把太阳能转换成热能主要依靠玻璃真空集热管。

集热管受阳光照射面温度高，集热管背阳面温度低，而管内水便产生温差反应，利用热水上浮冷水下沉的原理，使水产生微循环而达到所需热水。

三．机械自动化之路探索研究
当前，水位传染器多数采用金属部件，而金属部件的重要特征是热胀冷缩，热胀冷缩是物质的宏观变化，体积变大，而它的微观变化
是：分子在获得热能的同时，增大了分子动能，同时增大了分子的势能。

由于分子增加了势能，两分子间就会发生位移，当两分子间的距离大于水垢离子（钙、镁离子）的直径时，水垢离子就会乘虚而入，这样多个水垢离子分别至于多组分子之间，从而形成了水垢晶核，当水垢晶核形成之后，水垢离子就会聚合到水垢晶核上，水垢急速形成。

在宏观上，水温在63℃以上可达到水垢为晶核[fu2]的培养基。

由此可见，金属、塑料、玻璃、石头等均不能成为理想的水位传感器材料。

辅助加热器的功率是否够大？原则上在阴雨天启动电辅助加热应在3-5小时内就完全满足用水要求，启动热泵辅助加热应在8-16小时内就完全满足用水要求；
胶类材料由于分子之间与上述物质是截然不同的排列顺序，收购晶核很难形成，因此就不容易结水垢，可以成为较理想的水位传感器。

如果胶类材料再添加防垢高微分子材料，即可达到理想的防结垢目的。

整个传感器采用实心硅胶加高微分子，一次成型而不含金属件（众所周知，金属件易结水垢），从而使传感器达到了长寿命的目的。

工业热水用量大，需要很大面积的太阳能集热器，要求集热器不易损坏、易维护、可承压，平板集热器在此方面具有显著的优越性。

真空管、热管、U型管集热器都不能用于大工程，例如，真空管集热器平均每年有8‰的破损率，而一根管的破裂将导致整个系统瘫痪。

在电磁水阀的进、出水口端加滤水网，过滤水中泥、沙、铁屑等杂质，另外还改善了胶垫材料；电器性能也大大提高，寿命可以达到10万次（即10年以上）。

由此提高了自动上水器的执行元件的可靠性和安全性。

在各种天气状况下，在各种用水时间、用水量变化的情况下，该系统是否达到了最大限度地利用了太阳能、最少地消耗常规能源，即是否最大程度地节能？
自动上水器能使人们的生活方便、节水、节能、省心，意义是很大的。

而自动上水器的使用寿命一般由传感器的寿命决定。

传感器一般采用接触式和非接触式，接触式通用性好，容易与热水器配套，价格适合普及推广。

由于太阳热水器的水温很高，水中的钙、镁离子很容易达到水垢晶核形成的条件，这样，接触式金属传感器极易结垢，传感器失灵，上水器失去自动化的意义。

有的太阳能经销商为此曾付出过代价，尽管用户要求配自动上水器，经销商也不愿意给用户安装自动上水器。

如果能解决水中传感器结水垢及腐蚀的问题，自动上水器的正常使用寿命会几十倍的增加，经销商就可大胆地满足用户的要求，既节水又方便。

因此，普及是迟早的事。

太阳热水器智能化是与时俱进的要求，在势所趋。

有效措施是：不使用易结垢的金属和塑料传感器，而使用难结垢的胶类传感器，采用对称交流信号的防电腐蚀控制电器。