太阳能集热器防干晒系统设计（全套含CAD图纸）
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太阳能
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摘 要 进入 21世纪以来，能源枯竭和环境恶化问 题严重 制约 着 全世界各国经济社会 的可持续发展 。由于 太阳能具有清洁、可再 生、量大分布广等特点，因此成为 世界各国发展新能源与可再生能源的重要内容，太阳能热利用是可再生能源利用的重要途径之一。 在太阳能的热利用中，关键是将太阳的辐射能转化为热能，而实现这种转化的器件是太 阳能集热器， 太阳能集热器按集热器内是否有真空空间进行分类， 可 分为平板型太阳能集热器和真空管太阳能集热器两类 。在科学技术日益发达的今天，集热器的集热能力也越来越高，随之而来的问题则是如何防 止太阳能集热器干晒的问题，而眼前对于太阳能集热器防干晒系统的研究则相对要少一些，在网上这方面可参考的资源也很少，所以对于其中的 度检测、传感器以及机械遮盖的设计也只能是走在摸索的道路上。 最后，希望太阳能集热器防干晒系统的设计能够引起更多有识之士的注意，能够在这方面创造出更多更好的设计来。 关键字 ： 防干晒； 自动控制； 机械遮盖； 传感器 In 1 of it is a of of of is of In is s to of is to is a in be is a is to in of of is on So of LC of be to go on of to in do of to s be in to 目 录 1 前 言 . 1 究背景 . 1 究现状 . 2 国太阳能热水器的发展前景 . 2 . 2 . 2 设计的内容及意义 . 2 阳能集热器的定义 . 2 . 3 . 4 2 总体方案设计 . 5 计任务及目标 . 5 体方案对比 论证 . 5 度传感器的种类 . 5 编程控制器的分类 . 6 服电机的选择 . 8 动的方式及特点 . 9 设计确定的方案 . 10 3 温度检测及程序控制 . 11 度检测模块 . 11 块概括 . 11 本单元连接 . 11 动控制部分 . 12 主要特点 . 12 系统框图 . 12 制电路及程序 . 13 制电路 . 13 序图 . 14 序语言 . 17 4 机械遮盖设计 . 18 丝绳的选择 . 18 丝绳的选用规格 . 18 丝绳的选用长度 . 18 轨的设计 . 18 轨的类型 . 18 轨的截面形状 . 18 轨的结构尺寸 . 19 轨受力分析及压强计算 . 19 轨的材料及热处理 . 20 杆的设计 . 20 杆的尺寸及规格 . 20 杆与滑块的连接 . 20 杆与钢丝绳的连接 . 21 杆的设计 . 21 杆与滑块的结构设计图 . 21 向杆的设计 . 22 向杆的规格及尺寸 . 22 向杆的受力分析及强度 . 22 阳网的选择 . 23 服电机的选择 . 23 择伺服电机的原因 . 23 服电机的型号 . 23 服电机的安装尺寸 . 24 服电机的安装注意事项 . 24 服电机的安装环境条件 . 24 服电机与钢丝绳的连接 . 25 服电机与套筒的连接 . 25 筒与钢丝绳的连接 . 25 出轴、套筒与钢丝绳的连接示意图 . 25 五 . 26 参考文献 . 27 致 谢 . 28 中国地质大学长城学院 2012 届毕业设计 1 1 前 言 究背景 太阳能是一种取之不尽、用之不竭的洁净能源 , 分布范围广且相对均匀。在当今世界中 , 常规能源日益紧缺 , 太阳能得到了人们广泛的关注。太阳能热水器是目前太阳能利用中技术最成熟、使用最广泛、实际经济效益最好的一种。 从全球范围看 , 平板型太阳能热水器和真空管太阳能热水器是世界 太阳能热水器市场中的主要产品。但是这两种太阳能热水器在全球的分布情况却有较大的差别 : 平板型太阳能热水器分布较广 , 在世界各地都有分布 ; 而空管太阳能热水器却主要分布在中国 , 据统计 , 中国真空管太阳能热水器的使用总量占世界真空管太阳能热水器使用总量的 97%。平板型太阳能热水器和真空管太阳能热水器在国内外的市场占有率有较大的差别。 两种太阳能热水器在国内外的市场占有率有较大的不同 : 国外主要以平板型太阳能热水器为主 ; 而国内真空管太阳能热水器的市场占有率达到了90%以上 , 平板型太阳能热水器的市场份额不到 10%。 在许多工业化国家中 ,。太阳能热水器早已列为与建筑配套的卫生设备的一部分。国际上太阳能热水器应用较发达的欧洲、美国、澳大利亚、加拿大等国已逐渐从小型家用系统发展到大型集中式长期储热系统 , 这有利于降低单位热量的投资。大面积集中供热成为节能降耗的新途径。我国太阳能热水器近年来发展迅速 , 产量已经跃居世界首位。集热器有平板式、全玻璃真空管式和热管真空管式等 , 主要以小型家用太阳能热水器为主 , 大多只能安装在平屋顶上 , 许多已建成的太阳能热水系统以未能发挥其应有的使用效能 , 主要原因是我国目前在结合多层建 筑设计方面的太阳能热水系统的研究不够。特别是随着城市造型别致的人字型住房的产生和各具特色的居家环境的改变 , 研究结合建筑、适于平屋顶和坡顶安装的太阳能热水系统已成为当务之急。同时考虑到当前一些热水系统的问题 , 如承压低、易结垢、抗冷热冲击性差、易冻 , 一根集热管破碎整台热水器不能使用等。本课题组根据前人提出的将热管应用于太阳能的概念 , 设计制造了一种集中供热热管式集热器 , 并将其应用于热水系统。 中国地质大学长城学院 2012 届毕业设计 2 究现状 国太阳能热水器的发展前景 我国人口众多，资源相对不足，环境污染严重，已成 为经济和社会发展的重要制约因素。大力开发利用新能源和可再生能源，对于改善以煤炭为主的能源结构、缓解能源生产和使用造成的环境污染问题、促进经济社会可持续发展具有十分重要的意义。 国太阳能热水器 产业发展存在的主要问题 我国太阳能热水器产业，生产能力之大，拥有数量之多，发展速度之快，已经引起国际社会的广泛关注。但是，我国太阳能热水器产业发展，还存在一些亟需解决的问题。 国太阳能热水器产业发展的战略目标 目前，国家正在着手制定 年能源发展战略和规划，太阳能热利用是可再生能源技术中最具 活力的产业。在今后一定时期内，我们发展太阳能的战略目标是：稳定和扩展现有国内市场，开拓和扩大国际市场，通过开发具有市场前景的先进技术和高质量产品以及制定符合市场发展要求的产业政策和标准规范，建立起符合国际市场惯例要求的家用太阳能热利用装备生产体系，引导和形成 10 家左右具有国际竞争力的大型太阳热水器骨干企业，促进我国太阳热水器产业化的进一步发展，满足日益增长的国内市场的需求，并着眼国际市场的开拓，把我国太阳能热水器的技术优势变为产业优势和市场优势。 设计的内容及意义 阳能集热器的定义 太阳能集热器是指吸收太阳辐射并将产生的热能传递到传热介质的装置。这短短的定义却包含了丰富的含义 : a) 太阳能集热器是 1 种装置 ; b) 太阳能集热器可以吸收太阳辐射 ; c) 太阳能能集热器可以产生热能 ; d) 太阳能集热器可以将热能传递到传热介质。在太阳能的热利用中，关键是将太阳的辐射能转换为热能。由于太阳能比较分散，必须设法把它集中起来，所以，集热器是各种利用太阳能装置的关键部分。太阳能集热器虽然不是直接面向消费者的终端产品，但是太阳能集热器是组成各种太阳能热利用系统的关键中国地质大学长城学院 2012 届毕业设计 3 部件。无论是太阳能热水器、太阳 灶、主动式太阳房、太阳能温室还是太阳能干燥、太阳能工业加热、太阳能热发电等都离不开太阳能集热器，都是以太阳能集热器作为系统的动力或者核心部件的。效率比较高的集热器由收集和吸收装置组成。集热器一般可分为平板集热器、聚光集热器和平面反射镜等几种类型。 图 2 所示是我们研究的集中供热热管式太阳能集热器系统。它在原有的铜铝复合板的基础上制作而成 , 以热管取代普通平板集热器中的排管 ,选用特殊配方的不冻工质。热管的蒸发器端设有肋片 , 肋片上涂有选择性涂料 , 以吸收更多的太阳辐射能。将蒸发器设计成平面排管型式置于平板集热 器的平板中 , 同时采用大面积冷凝段。如图 2 所示 , 几片集热器联合组成一个集热系统 , 热管均采用重力式热管。其特点是采用两级热管结构 , 集热板吸收热量后经第一级热管传入中间的大直径的管子 , 该管中充有工质 , 然后第二级热管从中间的管子吸收热量传入水箱。这样 , 当一片集热器或一根热管发生泄露时 , 不会导致整个集热系统的失效 , 解决了真空管一支损坏而导致整个集热器无法使用的弊端。同时 , 这种结构很好体现了集中供热的功能。如图 2 所示 , 整个集热器做成一体 , 热量可以互为补充 , 从而满足不同用户的用水要求。 热器的类型及其特点 按照热交换方式的分类 集热器与储水箱中的水进行热交换主要以 2 种形式进行， a) 直接加热，即储水箱中的水流经集热器不断地吸收热量直至整个系统温度升高 ; b) 间接加热，即储水箱中的水和流经集热器的集热介质在水箱中进行热交换，最终达到水箱内水温升高的目的。尽管直接加热可以在短时间内使水温达到较高温度，但是系统的热量损失尤其在夜间损失颇为严重，间接式加热采用的集中国地质大学长城学院 2012 届毕业设计 4 热介质一般为乙二醇防冻液，优点是集热速度快、油性介质热量损失速度慢，但换热速度相对也较慢。 按照导热介质的分类 平板 型集热器使用的集热介质以水、油、气及纳米流体材料为主。 按照吸热材料的分类 集热器吸热体上把太阳能转化为热能的涂层材料主要分为非选择性吸收涂层和选择性吸收涂层。非选择性吸收涂层，如，黑板漆和炭黑，其太阳吸收比高达 0. 95，发射率也在 0. 90 左右，热利用率低。太阳辐射主要集中在 0. 3 m 2. 5 m 波长范围内，吸热板的热辐射主要集中在 2. 0 m 20. 0 m 波长范围内，要增强吸热板对太阳辐射的吸收能力，减小热损失，降低吸热板的热辐射，就需要采用选择性涂层。选择性吸收涂层包括金属氧化物、硫化物、碳化物、氮化物以及近年来出现的金属陶瓷等复合材料。其发展是从 属氧化物涂料、黑镍、黑铬到铝阳极化涂层再到“超级蓝膜”涂层的更新换代过程。除了 上述无机材料外，近年来有机聚合物吸热材料也得到了广泛的发展。 按照集热管与吸热片连接方式的分类 主要分为管板式、翼管式、扁盒式和蛇管式。管板式类型的集热器具有连接方式简单、制作成本比其他几种类型低、热效率高等优点而成为现在产品的主要方式。 此次设计任务是太阳能集热器防干晒系统设计。需要运用所学知识对太阳能集热器各个系统进行合理设置以达到防止 干晒的效果。学习正确的调查研究方法，收集国内外有关材料，掌握正确的防干晒系统设计的思想方法和手段，学习正确使用有关手册及其它技术资料。 计意义 进入 21 世纪以来，能源枯竭和环境恶化问题成为制约全世界各国经济社会可持续性发展的一个越来越突出的问题，寻找化石燃料的替代能源成为当务之急。太阳能具有清洁、可再生、量大分布广等特点，是世界各国发展新能源与可再生能源的重要内容，太阳能热利用是可再生能源利用的重要途径之一。在太阳能的热利用中，关键是将太阳的辐射能转化为热能，而实现这种转化的器件是太阳能集热器 ！因此，太阳能集热器的研究、开发与应用对太阳能资源的高效利用至关重要。 中国地质大学长城学院 2012 届毕业设计 5 2 总体方案设计 计任务及目标 本设计的任务主要是通过对太阳能集热器结构、太阳能集热器整体结构优化以及对太阳能集热器进行机械遮盖设计的研究，以达到使整个系统的防干晒问题能够得到改善和提高。其中包括了对可编程控制器和温度传感模块的应用以及对机械各方面知识在实际应用中的融合。通过完成对太阳能集热器防干晒整个系统的设计，把温度传感部分、 动控制部分以及机械遮盖有机的结合在一起，使其能够达到预期的功能和目标。具体的内容涉 及到温度传感部分的电路图，自动控制的程序图和机械遮盖部分的图纸等。 本设计的目标是通过对整个系统的设计及优化，从而使整个系统能够实现自动化、无人管理的目标。绘制总体装配图及主要零部件图、程序及电路图。撰写毕业设计说明书等内容。其中涉及到的一部分书目有机械原理、机械设计、机械设计手册、 编程控制器、机电传动控制、 B 伺服驱动器应用技术手册、理论力学、机械设计制图手册 体方案对比论证 度传感器的种类 接触式温度传感器 接触式温度传感器的特点：传感器直接与被测物体接触进 行温度测量，由于被测物体的热量传递给传感器，降低了被测物体温度，特别是被测物体热容量较小时，测量精度较低。因此采用这种方式要测得物体的真实温度的前提条件是被测物体的热容量要足够大。 常用热电阻 范围： 850；精度： 改进后可连续工作 2000h，失效率小于 1，使用期为 10 年。 管缆热电阻 测温范围为 500，最高上限为 1000，精度为 。 陶瓷热电阻 测量范围为 200 +500，精度为 。 超低温热电阻 两种碳电阻 ，可分别测量 253 温度。 中国地质大学长城学院 2012 届毕业设计 6 热敏电阻器 适于在高灵敏度的微小温度测量场合使用。经济性好、价格便宜。 热电偶传感器 具有良好的线性关系，一般热电偶测温范围较宽。 非接触式温度传感 非接触式温度传感器主要是利用被测物体热辐射而发出红外线，从而测量物体的温度，可进行遥测。其制造成本较高，测量精度却较低。优点是：不从被测物体上吸收热量；不会干扰被测对象的温度场；连续测量不会产生消耗；反应快等。 l辐射高温计 用来测量 1000以上高温。分四种：光学高 温计、比色高温计、辐射高温计和光电高温计。 2光谱高温计 前苏联研制的 I 型自动测温通用光谱高温计 ,其测量范围为 400 6000 ,它是采用电子化自动跟踪系统 ,保证有足够准确的精度进行自动测量。 3超声波温度传感器 特点是响应快 (约为 10右 )，方向性强。目前国外有可测到 5000的产品。 4激光温度传感器 适用于远程和特殊环境下的温度测量。如 司用氦氖激光源的激光做光反射计可测很高的温度，精度为 1。美国麻省理工学院正在研制一种激光温度计，最高温度可达 8000，专门用于 核聚变研究。瑞士 究中心用激光温度传感器可测几千开 (K)的高温。 此外，还有微波测温温度传感器、噪声测温温度传感器、温度图测温温度传感器、热流计、射流测温计、核磁共振测温计、穆斯保尔效应测温计、约瑟夫逊效应测温计、低温超导转换测温计、光纤温度传感器等。这些温度传感器有的已获得应用，有的尚在研制中。 编程控制器的分类 品种类繁多，其规格和性能也各不相同。对 分类，通常根据其结构形式的不同、功能的差异和 I/O 点数的多少等进行大致分类。 按结构形式分 类 根据 结构形式，可将 为整体式和模块式两类。 （ 1）整体式 整体式 将电源、 I/O 接口等部件都集中装在一个机箱内，具有结构紧凑、体积小、价格低的特点。小型 般采用这种整体式结构。整体式 不同 I/O 点数的基本单元（又称主机）和扩展单元组成。基本单元内有 I/O 接口、与 I/O 扩展单元相连的扩展口，以及与编程器或 入器相连的接口等。扩展单元内只有 I/O 和电源等，中国地质大学长城学院 2012 届毕业设计 7 没有 本单元和扩展单元之间一般用扁平电缆连接。整体式 般还可配备特 殊功能单元，如模拟量单元、位置控制单元等，使其功能得以扩展。 （ 2）模块式 模块式 将 组成部分，分别作成若干个单独的模块，如 块、 I/O 模块、电源模块（有的含在 块中）以及各种功能模块。模块式 框架或基板和各种模块组成。模块装在框架或基板的插座上。这种模块式 特点是配置灵活，可根据需要选配不同规模的系统，而且装配方便，便于扩展和维修。大、中型 般采用模块式结构。 还有一些 整体式和模块式的特点结合起来，构成所谓叠装式 装式 源、 I/O 接口等也是各自独立的模块，但它们之间是靠电缆进行联接，并且各模块可以一层层地叠装。这样，不但系统可以灵活配置，还可做得体积小巧。 按功能分类 根据 具有的功能不同，可将 为低档、中档、高档三类。 （ 1）低档 具有逻辑运算、定时、计数、移位以及自诊断、监控等基本功能，还可有少量模拟量输入输出、算术运算、数据传送和比较、通信等功能。主要用于逻辑控制、顺序控制或少量模拟量控制的单机控制系统。 （ 2）中档 除具有低档 功能外，还具有较强的模拟量输入输出、算术运算 、数据传送和比较、数制转换、远程 I/O、子程序、通信联网等功能。有些还可增设中断控制、 制等功能，适用于复杂控制系统。 （ 3）高档 除具有中档机的功能外，还增加了带符号算术运算、矩阵运算、位逻辑运算、平方根运算及其它特殊功能函数的运算、制表及表格传送功能等。高档 具有更强的通信联网功能，可用于大规模过程控制或构成分布式网络控制系统，实现工厂自动化。 按 I/O 点数分类 根据 I/O 点数的多少，可将 为小型、中型和大型三类。 (1) I/O 点数 2048 点；多 16 位、 32 位处理器，用户存储器容 量 8 16K 如： 德国西门子公司 司 立石公司 三菱公司等 服 电机的选择 伺服电机的介绍 本设计中 根据实际使用情况采用伺服电机。 伺服电机（ 是指在伺服系统中控制机械元件运转的发动机，是一种补助马达间接变速装置。伺服电机可使控制速度，位置精度非常准确，可以将电压信号转化为转矩和转速以驱动控制对象。伺服电机转子转速受输入信号控制，并能快速反应，在自动控制系统中，用作执行元件，且具有机电时间常数小、线性度高、始动电压等特性，可把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。分为直流和交流伺服电动机两大类，其主要特点是，当信号电压为零时无自转现象，转速随着转矩的增加而匀速下降。 伺服电机的分类 异步型交流伺服电动机 异步型交流伺服电机指的是交流感应电动机。它有三相和单相之分，也有鼠笼式和线绕式，通常多用鼠笼式三相感应电动机。其结构简单，与同容量的直流电动机相比，质量轻 1/2，价格仅为直流电动机的 1/3。缺点是不能经济地实现范围很广的平滑调速，必须从电网吸收滞后的励磁电流。因而令电网功率因数变坏。这种鼠笼转子的异步型交流伺服电动机简称为异步型交流伺服电动机，用 示。 同步型交流伺服电动机 同步型交流伺服电动机虽较感应电动机复 杂，但比直流电动机简单。它的定子与感应电动机一样，都在定子上装有对称三相绕组。而转子却不同，按不同的转子结构又分电磁式及非电磁式两大类。非电磁式又分为磁滞式、中国地质大学长城学院 2012 届毕业设计 9 永磁式和反应式多种。其中磁滞式和反应式同步电动机存在效率低、功率因数较差、制造容量不大等缺点。数控机床中多用永磁式同步电动机。与电磁式相比，永磁式优点是结构简单、运行可靠、效率较高；缺点是体积大、启动特性欠佳。但永磁式同步电动机采用高剩磁感应，高矫顽力的稀土类磁铁后，可比直流电动外形尺寸约小 1/2，质量减轻 60，转子惯量减到直流电动机的 1/5。它与异 步电动机相比，由于采用了永磁铁励磁，消除了励磁损耗及有关的杂散损耗，所以效率高。又因为没有电磁式同步电动机所需的集电环和电刷等，其机械可靠性与感应（异步）电动机相同，而功率因数却大大高于异步电动机，从而使永磁同步电动机的体积比异步电动机小些。这是因为在低速时，感应（异步）电动机由于功率因数低，输出同样的有功功率时，它的视在功率却要大得多，而电动机主要尺寸是据视在功率而定的。 动的 方式及特点 传动方式： 绳索传动、 皮带传动 、 链传动 、 齿轮传动 、 蜗杆传动 、 螺纹 (丝杆 )传动 、 齿轮齿条传动 、其他传动机构： 平面连杆机构，凸轮机构，间隙运动机构 传动 特点： 皮带传动： 1) 平皮带传动： a) 结构简单，可以传动的中心距较大，传动中不产生震动 b) 滑动系数大，传递功率较小 2) 三角皮带传动： a) 滑动系数比平皮带传动小，传递功率大 (多根皮带组合使用 )，传动中不产生震动 b) 摩擦较大，皮带轮加工比平皮带轮困难 * 三角皮带传动时，由于皮带截面上各点的直径不同 (D, 因此各点的回转速度不同，而皮带本身是一个整体，由此皮带上部和下部相对皮带轮的槽作相反方向的滑移，产生较大摩擦，也易因摩擦产生 热。 * 由于三角皮带的周长是标准固定的，对于非标中心距的皮带传动不能采用标准的三角皮带，这时可以选用 “活络三角皮带 ”，该类皮带与标准皮带具有相同的截面，但它是由小块连接件用螺钉紧固的，因此在使用中可以按所需的长度任意增加或减少连接件。这类皮带传动的功率要比同类规格的标准三角皮带小。 链传动： 1) 能保证准确的平均速比 2) 可以作中心距较大的两轮轴间传递动力和运动 3) 链条较容易磨损，磨损后的链条节距加大，链条易脱落 4) 链条传动的速度较低，运行时有噪声 齿轮传动： 1）传动的运动速度比套筒链快，运 行时的噪声比套筒链的低，是高速链传动的形式。 2）对链轮材料和热处理的要求较高，因为齿形链对链轮圆周面的压力和摩擦较大，易引起磨损。 中国地质大学长城学院 2012 届毕业设计 1
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