新型壁挂太阳能换热循环系统设计与试验

王海亮 孙海权 李秀华

摘要：针对目前壁挂太阳能热水器存在的弊端，设计了小型太阳能光伏板作为电源，稳压电路控制直流循环泵的新型壁挂太阳能换热循环。该设计的特点：可根据太阳辐照度自动控制循环泵运行;及时带走集热器内热量，提高换热效率;减少市电耗能，成本低，且无须蓄电。通过运行测试，结果发现：新型换热系统的每日水箱温升比自然循环的水箱温提高了约10℃，集热器联箱温度降低了35℃。

關键词：太阳能热水器;循环系统;光伏板;稳压电路

中图分类号：TK6  文献标识码：A  文章编号：1672-9129（2020）02-0032-01

Abstract： in view of the disadvantages of the current wall-mounted solar water heater， a new type of wall-mounted solar energy heat transfer cycle was designed with a small solar photovoltaic panel as the power supply and a voltage stabilizing circuit to control the dc circulating pump. The features of the design are as follows：the operation of the circulating pump can be controlled automatically according to the solar irradiance; Take away the heat in the collector in time to improve the heat exchange efficiency; Reduce the consumption of electricity， low cost， and no need to store electricity. Through running tests， it was found that：the daily temperature rise of the water tank of the new heat exchange system was about 10℃ higher than that of the natural circulation water tank， and the temperature of the collector header was 35℃ lower.

Key words：solar water heater; Circulatory system; Photovoltaic panels; Regulating circuit

引言：目前壁挂式热水器存在一些弊端，影响了它的推广使用。主要有以下方面：一、多采用自然循环换热，换热效率低，水箱温度达不到理想使用效果。集热器内热量不能及时被带走，致使集热器联箱温度较高，热量损失大。二、市电作为能源，采用强制换热循环，换热效率提高，但同时消耗电能，不利于节能减排。且需要将交流市电转换成直流电再使用，系统结构复杂。三、采用光伏板发电作为能源，加温差控制器驱动泵的强化换热循环，成本较高。针对以上问题，该文设计了光电光热自适应强化壁挂太阳能换热循环系统。该系统可解决壁挂式太阳能对安装条件和安装要求的限制，提高壁挂式太阳能热水器的适用性，突破其推广瓶颈。

1  系统设计原理

1.1系统流程。新型壁挂式太阳能热水器强化系统，在原有自然循环换热系统上，增加太阳能光伏板，稳压电路和直流循环泵。采用太阳能电池板发电，驱动直流微型循环泵，增强换热介质的循环速度，提高换热效率。同时及时带走集热器内热量，降低了集热器温度，减少了集热器因持续高温而产生的辐射热损失。光伏板提供电能，通过稳压电路控制直流循环泵的运转，可达到稳定电压和电流的作用。

1.2稳压电路。系统设计稳压电路，可根据太阳能辐射强弱自动控制循环泵的启动与停止。光照强时，集热器收集热量多，同时光电流大，可自动开启循环泵换热，及时带走集热器内的热量;光照弱时，集热器收集内热量少，光电流小，泵自动停止运行。因此，该系统的设计具有光电光热自适应的特点。同时，稳压电路可稳压限流，防止光伏板发电的不稳定性，减少对循环泵的损坏。

电路采用LM317T稳压器来稳定电压和控制电流[1]，稳压器上安装钢片散热。200欧电阻与滑动变阻器构成分压电路，调节滑动变阻器的阻值，确定所需电压值，并固定该阻值，使循环泵电压控制在12V。电路并联电容器起到滤波作用，改善水泵的工作环境。

1.3强化系统关键部件选型。太阳能光伏板采用功率为20W的多晶硅板，其转换效率高达17%[2]，功率输出稳定持久，使用寿命最高可达25年。

系统选用直流微型循环泵。其技术参数为：直流电压12V，扬程4-5米，流量3.5l/min。考虑到噪音问题，将微型直流循环泵安装在室外，减少噪音对室内生活环境的影响。经测量，泵运转时产生的声音为32dB，远远低于国家60dB标准，不会对居民生活产生不良影响。

2  试验结果

2.1试验平台。光电光热强化换热循环壁挂式太阳能热水器与自然循环换热壁挂热水器进行运行对比测试。均采用80L水箱，集热面积均为1.04m2。

2.2试验结果。对两套壁挂式太阳能系统进行了8天的运行测试。根据对6天晴朗天气的记录来看，强化循环水箱每日温升约35℃，自然循环水箱约25℃。强化换热水箱温升高出约10℃。即使阴天多云天气，强化换热水箱温度也能达到45℃左右，可满足洗浴水温要求。

在8天的运行测试中，选取了光照条件良好的一天，每隔一小时记录一次集热器联箱和水箱温度。两套热水系统的集热联箱和水箱温度数据对比如图1所示。

由图1可见，8：00-16：00，自然循环的集热联箱温度比强化循环集热联箱高约30℃;自然循环集热联箱温度与水箱温度高约35℃;强化换热循环系统的集热联箱温度与水箱温度仅差约2℃。由此可见，新型强化换热循环系统有效降低了集热器联箱的温度，减少了集热器的热损失。日照辐射较好的时间段，太阳能光伏板的发电量能够持续为循环泵提供电能，使泵一直处于运行状态，从而可以不断将集热器内收集的热量及时带走，输送至水箱，有效提高了换热效率。

3  结论

采用小型光伏板、微型直流泵和简易稳压电路构成的光电光热自适应壁挂太阳能强化换热系统，其集热器温度比自然循环系统集热器温度降低了35℃，有效减少了热损失。换热循环水箱温升比自然循环平均高出约10℃，提高了换热效率。

该光电光热自适应强化换热系统，可在原有自然循环系统的管道上直接改造使用，投入成本低，降低市电能耗。且安装不受空间限制，可提高壁挂式太阳能热水器的普适性，并可突破壁挂式太阳能的市场推广瓶颈。

参考文献：

[1]何道清，何涛，丁宏林.太阳能光伏发电系统原理与应用技术[M].化学工业出版社.2012.

[2]杨世铭，陶文铨.传热学[M].高等教育出版社. 2006

[3]王淑娟.可再生能源及其利用技术[M].清华大学出版社.2012.

[4]罗运俊，何梓年，王长贵.太能利用技术[M].化学工业出版社.2005.

作者简介：王海亮（1980-），男，高级技师，主要从事新能源利用技术的研究。