厲 濤，李傳祥，史善冉，尹鵬程，胡曉花

(德州學(xué)院，山東 德州 253000)

1 研制背景及意義

太陽能熱水器把太陽光能轉(zhuǎn)化為熱能，將水從低溫度加熱到高溫度，以滿足人們在生活、生產(chǎn)中的熱水使用。太陽能熱水器按結(jié)構(gòu)形式分為真空管式太陽能熱水器和平板式太陽能熱水器，真空管式太陽能熱水器為主，占據(jù)國內(nèi)95%的市場份額。真空管式家用太陽能熱水器是由集熱管、儲水箱及支架等相關(guān)附件組成，把太陽能轉(zhuǎn)換成熱能主要依靠集熱管。集熱管利用熱水上浮冷水下沉的原理，使水產(chǎn)生微循環(huán)而達(dá)到所需熱水。

1.1 太陽能熱水器優(yōu)缺點

熱水器為人們提供了很大的便利，可是還存在一些不完善、不方便的地方:

1)熱水器水箱內(nèi)溫度應(yīng)控制在40 ℃～65 ℃為好，而在炎熱的夏天水箱內(nèi)溫度會達(dá)到90 ℃以上，使系統(tǒng)產(chǎn)生水垢，嚴(yán)重?fù)p害水箱壽命。

2)在寒冷的冬天，大多數(shù)的熱水器水管會凍住，使熱水器失去其功能。

3)無法實現(xiàn)人機(jī)交互，體現(xiàn)太陽能熱水器的智能性和方便性。

1.2 問題解決方法及意義

1)利用溫度傳感器DS18B20 感應(yīng)水箱內(nèi)溫度，當(dāng)水溫達(dá)到65 ℃時，電機(jī)驅(qū)動薄膜電池板平移到熱水器真空管上方，阻擋太陽光直射真空管，控制水溫上升。當(dāng)水溫低于45 ℃時，再驅(qū)動電池板移回真空管一側(cè)。

2)利用溫度傳感器DS18B20 感應(yīng)水箱內(nèi)溫度，當(dāng)水溫低于0 ℃時，利用薄膜電池產(chǎn)生的電來為纏繞在水管的電熱絲加熱，為水管解凍，使熱水器在冬天也可以發(fā)揮其功能。

3)利用GSM 模塊，實現(xiàn)人機(jī)交互。在冬天，用戶在回家前可以向GSM 模塊發(fā)送短信，短信處理后控制繼電器為太陽能電加熱裝置供電，溫度傳感器感應(yīng)溫度控制繼電器使水達(dá)到理想的溫度，使用戶一回家就可以享受熱水浴的方便。當(dāng)用戶長期離家時，可向GSM 模塊發(fā)送特定指令，使電池板遮擋真空管，且不再工作，使熱水器進(jìn)入休眠狀態(tài)。

4)薄膜電池一直工作產(chǎn)生電能，不但可以實現(xiàn)為電機(jī)、電熱絲供電，還可以儲存到蓄電池中為浴室內(nèi)節(jié)能燈等電器供電。

2 設(shè)計方案

2.1 電器控制

◆DS18B20 溫度傳感器:DS18B20 是DALLAS 公司生產(chǎn)的一線式數(shù)字溫度傳感器，具有3 引腳TO－92 小體積封裝形式;溫度測量范圍為－55 ℃～+125 ℃可編程為9 位～12 位A/D 轉(zhuǎn)換精度，測溫分辨率可達(dá)0.062 5 ℃，被測溫度用符號擴(kuò)展的16 位數(shù)字量方式串行輸出;其工作電源既可在遠(yuǎn)端引入，也可采用寄生電源方式產(chǎn)生;由51 單片機(jī)控制DS18B20 溫度傳感器，可精準(zhǔn)感應(yīng)水箱內(nèi)水溫，從而實現(xiàn)對水溫的控制。

◆L298N 驅(qū)動:采用L298N 驅(qū)動。L298N 是一個具有高電壓大電流的全橋驅(qū)動芯片，它相應(yīng)頻率高，一片L298N 可以分別控制兩個直流電機(jī)，而且還帶有控制使能端。用該芯片作為電機(jī)驅(qū)動，操作方便，穩(wěn)定性好，性能優(yōu)良。且由L298N 結(jié)合單片機(jī)可實現(xiàn)對小車速度的精確控制。這種調(diào)速方式有調(diào)速特性優(yōu)良、調(diào)整平滑、調(diào)速范圍廣、過載能力大，能承受頻繁的負(fù)載沖擊，還可以實現(xiàn)頻繁的無級快速啟動、制動和反轉(zhuǎn)等優(yōu)點。

◆TC35 模塊:GSMTC35 是Siemens 公司推出的新一代無線通信GSM 模塊，可以快速安全可靠地實現(xiàn)系統(tǒng)方案中的數(shù)據(jù)、語音傳輸、短消息服務(wù)(Short Message Service)和傳真。模塊的工作電壓為3.3 V～5.5 V，可以工作在900 MHz和1 800 MHz 兩個頻段，所在頻段功耗分別為2 W(900 M)和1 W(1 800 M)。模塊有AT 命令集接口，支持文本和PDU模式的短消息、第三組的二類傳真、以及2.4 k，4.8 k，9.6 k的非透明模式。此外，該模塊還具有電話簿功能、多方通話，漫游檢測功能，常用工作模式有省電模式、IDLE、TALK 等模式。通過獨特的40 引腳的ZIF 連接器，實現(xiàn)電源連接、指令、數(shù)據(jù)、語音信號及控制信號的雙向傳輸。通過ZIF 連接器及50 Ω 天線連接器，可分別連接SIM 卡支架和天線。

◆5110 液晶顯示模塊:利用5110 來動態(tài)顯示溫度值，及加熱中或停止加熱狀態(tài)。

2.2 機(jī)械部分

絲杠:滾珠絲桿由螺桿、螺母和滾珠組成。它的功能是將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化成直線運動，由于具有很小的摩擦阻力，滾珠絲杠被廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)設(shè)備和精密儀器。

3 理論設(shè)計計算

裝置薄膜電池功率為100 W，光電轉(zhuǎn)換效率為17%左右，平均每天可產(chǎn)生1 度電，可供15 W 的節(jié)能燈工作68 小時，可供65 W 步進(jìn)電機(jī)工作15 小時左右，完全可以實現(xiàn)薄膜電池為步進(jìn)電機(jī)、節(jié)能燈以及電熱絲供電，實現(xiàn)裝置的全自動供電。

4 工作原理及性能分析

裝置原理圖如下:

圖1 原理圖

發(fā)電模塊由薄膜太陽能電池板、穩(wěn)壓模塊、升壓模塊以及蓄電池構(gòu)成，發(fā)電模塊在太陽光的照射下一直不停的工作，產(chǎn)生的電能不但可以為裝置電機(jī)供電，還可以為室內(nèi)小型用電器供電，達(dá)到節(jié)能減排的目的。

溫度感應(yīng)及控制模塊由DS18B20 溫度傳感器、L298N驅(qū)動、電機(jī)以及單片機(jī)最小系統(tǒng)組成，通過DS18B20 溫度傳感器感應(yīng)水箱內(nèi)水溫來傳遞電子信號給單片機(jī)，使單片機(jī)做出判斷，當(dāng)水溫達(dá)到65 ℃時，電機(jī)驅(qū)動薄膜電池板平移到熱水器真空管上方，阻擋太陽光直射真空管，控制水溫上升。當(dāng)水溫低于45 ℃時，再驅(qū)動電池板移回真空管一側(cè)。

GSM 控制模塊由GSMTC35 模塊、繼電器、單片機(jī)最小系統(tǒng)構(gòu)成，用戶通過給GSMTC35 模塊發(fā)送指令來傳遞電子信號給單片機(jī)，從而實現(xiàn)控制繼電器為水箱內(nèi)電加熱裝置供電，使用戶一回家就可以享受熱水浴的方便。當(dāng)用戶長期離家時，可向GSM 模塊發(fā)送特定指令，使電池板遮擋真空管，且不再工作，使熱水器進(jìn)入休眠狀態(tài)。

液晶顯示模塊由5110 液晶顯示模塊及單片機(jī)最小系統(tǒng)組成，利用5110 來動態(tài)顯示溫度值，及加熱中或停止加熱狀態(tài)。

5 創(chuàng)新點及應(yīng)用

本設(shè)計將同為太陽能利用的產(chǎn)品結(jié)合在一起，薄膜電池板在為熱水器阻擋陽光的同時，利用薄膜電池發(fā)電，為步進(jìn)電機(jī)、電熱絲以及其他用電器供電，充分體現(xiàn)了節(jié)能減排的思想。

如今雖有將光伏與熱水器結(jié)合在一起的產(chǎn)品，可無法控制水溫。此設(shè)計不僅可以有效地將水溫控制在40 ℃～65 ℃，延長水箱壽命，還可以為浴室內(nèi)電器供電，為水管解凍，更能實現(xiàn)人機(jī)交互，利用短信實現(xiàn)控制水溫的目的。運用此裝置，可以使熱水器使用壽命延長，使用戶的生活方便化，智能化。

隨著太陽能熱水器走入千家萬戶，保護(hù)太陽能，使太陽能實現(xiàn)智能化顯得異常重要。此裝置具有智能、方便、易組裝等特點，可廣泛應(yīng)用于家用太陽能的保護(hù)中。此裝置價格低，性能高，可延長熱水器壽命十年左右，市場潛力巨大，值得廣泛推廣。

［1］王磐.太陽能熱水器在既有住宅中的應(yīng)用研究［D］.天津:天津大學(xué)，2003.

［2］龔嬋媛.基于步進(jìn)電機(jī)的太陽能熱水器智能控制的研究［D］.南昌:南昌大學(xué)，2012.

［3］劉宏偉.基于單片機(jī)的模糊控制方法及應(yīng)用研究［D］.武漢:武漢理工大學(xué)，2007.

［4］王大偉.太陽能熱水器性能分析與參數(shù)化設(shè)計方法研究及其軟件開發(fā)［D］.濟(jì)南:山東大學(xué)，2008.

［5］王曉瑩.溫差式太陽能布水系統(tǒng)研究［D］.長春:吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)，2014.