混合能源型智能热水器设计研究

摘 要：在农村，传统太阳能热水器的实际使用还存在很多问题，针对这些问题，我们设计出一种太阳能热水器附属的下游水温稳定设备，在水温不稳定时能够有效地稳定水温;在冬季寒冷天气影响和阴雨天光照不足导致水温不足的情况下，可以通过必要的智能加热方式使得水温提升至需要的温度值，最终可以弥补太阳能热水器弊端的产品，使更多的家庭能够放心可靠地使用和购进太阳能热水器，同时达到环保的目标。

关键词：太阳能热水器;农村;效率;性能;稳定;环保;智能控制;单片机;传感器

一、问题提出的背景

（1）农村热水来源不便

①一直以来，农村地区由于供热模式问题获取热水较于城市而言相对困难，所以太阳能热水器在农村得到广泛应用，但太阳能热水器目前依然存在些许的问题，使得农村人民在获取热水时不是十分方便与可靠。

②改革开放以来，国家经济总值和人均GDP稳步攀升，人民的生活质量随之提升。太阳能热水器因其环保性能优越，安装和运行成本较低等优势，作为一个热水来源已经走进千家万户。

（2）现有太阳能存在的问题

现有的太阳能热水器存在的问题是集热部分热效率还是不够高，保温系统性能也不是十分的优异。受水泵性能稳定度影响，热水与冷水混合时两种水的出水稳定度不足造成出水水温不恒定，使得用户体验较差。同时太阳能热水器的水温也受季节影响较大，北方冬季寒冷天气或阴雨天气光照不足时水温完全达不到使用要求。

（3）总结（补充）

由此可见，传统太阳能热水器虽然可以一定程度上成为家庭的热源，但是在实际的生活使用过程中却并不可靠，甚至在洗澡时水温的不稳定骤冷骤热的情况下还有使用者被烫伤的风险，并不能成为一个完全稳定安全的家庭热源。综合以上问题，我们将设计一种太阳能热水器附属的下游水温稳定设备。在冷水与热水配比不稳定导致的水温不稳定时能够有效地稳定水温，使之控制在一个使用较为舒适的温度变化范围内。在冬季寒冷天气影响和阴雨天光照不足导致水温不足的情况下，可以通过必要的智能加热方式使得水温提升至需要的温度值。最终设计出一款可以弥补太阳能热水器弊端的产品，使更多的家庭能够放心可靠的使用太阳能热水器，购进太阳能设备，减少农村通过燃烧柴禾来获取热水的情况，进而减少二氧化碳排放量，达到环保目标。

二、问题分析与设计目标的确立

（1）切实解决热水来源问题

针对太阳能的使用弊端与性能缺陷，此产品需要完美合理的去弥补太阳能的使用缺陷，并且要足够的稳定与安全使得使用者能够放心与安心的使用，切实真正的解决掉农村热水获取不稳定与困难的问题，同时达到节能减排的效果，为改善地球生态环境而助力。在我国的北方冬季常常有低温天气以及阴雨天气这时便会导致太阳能水温不足无法使用，这是就需要我们的产品更加的稳定可靠，更合理的结构设计带来更加稳定的使用性能与可靠度，在任何天气状况下只要下游接有此产品的太阳能均可以正常使用。虽然增加了一些电能消耗但是整体来看，太阳能它虽然是一个以环保著称的设备，但不可否认他的第一要素是要能够稳定的提供热水，如果这点不成立环保也就无从谈起。而有了此款水温平衡产品的存在，真正的是太阳能成为一个可靠的热源，让广大人民更加的放心，更加的无后顾之忧，从而使农村地区减少燃烧柴禾获取热水的情况。因此表面增加电能消耗实则对于环保问题是真正的有益产品。

（2）智能节能

产品要以智能化的形式实现，当今社会产品智能化已经成为普遍的趋势，智能编程技术的日益成熟，使得智能产品变得更加可靠与实用，也为使用者带来了极大的便利。实现功能的同时要使得产品更加的节能，要以最小的能源消耗达到产品的预期使用效果。要将产品整个系统设计的更加合理，减少不必要的能源消耗。

（3）符合农村使用方式

对于热水的使用与取水方式而言，农村与城市人有着些许的差异，有一些生活习惯上的不同。同时农村房屋结构与布局也与城市的楼房有着较大的不同。这时就需要对于农村的情况进行针对性的设计，从出水口数量与布局到高度水压等都要符合农村人的使用习惯。

（4）环保

此款产品在制造选材用料上都将秉承环保的理念，在满足功能要求与耐久度的同时，优先使用环保材料与可再生材料，以达到对于环境影响最小的制造标准。

（5）造价低廉

产品在保证质量与环保标准的情况下将使用价格成本较低的材料来符合农村的经济情况，使得价格不是阻挡产品进入千家万户的障碍与拦路虎，大范围的为环保与提升人民幸福度做贡献。

三、解决问题

（1）原理

该产品核心原理基于单片机智能控制系统，通过编程指令的输入使得单片机可以运行一些算法，从前端传感器收集来的实时数据通过单片机的处理转换成相应的指令传输给下游设备。

首先在太阳能热水器的出水口一端将会设置一个温度传感器和液体流速传感器，这样一来可以实时的采集到太阳能内热水的温度的流速流量信息传给下方单片机以备处理。冷水获取方式为水泵直连水源，同样冷水源水体入口处也将设置一个温度传感器和流速传感器用以采集冷水源端的水温与液体流速的实时状况，传回单片机以备处理。在出水开关处将会设计成旋钮式温度控制器，使用者可以通过转动旋钮对准相应的温度刻度来获得想要的恒定水温。同样旋钮控制端的实时数据也将被直接输入至单片机以备综合处理。单片机下游将会设有变压器作为单片机输出指令的直接执行者，变压器将会直接控制碳素加热管与水泵。设备使用过程中如果使用者的需要温度低于传感器实时测得的太阳能热水器温度则直接启用水泵系统，根据实时测得的热水温度流速信息与冷水源的水体温度流速信息传入单片机分析处理后传输指令给变压器，变压器通过电压的变化来变化功率转速进而控制冷水的泵入速度，如若热水温度或冷水的温度不恒定冷水的泵入速度也会相应动态变化来保持出水温度的持久恒定。如若使用者的需求温度高于热水端温度传感器实时测得的水温则会启用碳素加热管。通过热水端传感器测得的温度与流速信息传回单片机处理后同样通过直接控制变压器来控制碳素加热管的功率，使得水温在流出花洒前达到使用者需求的恒定温度。

（2）应用场景

在阴雨天与冬季寒冷天气时，如若太阳能内水温达不到使用条件使用者可以通过使用该设备来获取恒定的达到使用标准的水。

四、总结

该产品的使用者定位主体为农村地区的太阳能使用家庭，在天气或者太阳能本身原因导致的水温不达标或者温度不恒定情况下，能够有效的增加和稳定温度，使得使用者在用水时不必担心天气与水温骤冷骤热问题，使得太阳能真正的成为一种可以使用并且可以放心使用的环保产品。同时低廉的造价也可以让绝大多数家庭从容购买使用。进而使得更多的农村家庭放心的购进太阳能设备做为热源，减少焚烧柴禾取热的情况，为保护环境而尽一份微薄之力。

作者簡介：

李智，1998年1月10日，男，辽宁省锦州市，本科，学生，工业设计

辽宁省大连民族大学大学生创新创业训练计划项目（编号：201812026113）资助