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太阳能热水器以其节能环保的优势,在人们的生活中迅速普及。通过对我们的小区实地调查,我们发现有些小区物业为了保持美观,规定住户不能在屋顶安装太阳能热水器,尽管住顶楼的住户由于有阁楼的优势而偷偷安装,但其他住户仍享受不到清洁能源,另外有的小区即使可以在屋顶安装,但屋顶面积有限,有些住户不便安装。
虽然厂家已经研制生产出壁挂式太阳能热水器,但是我们发现,目前市场上的壁挂式太阳能热水器价格非常昂贵。
我们设想,可不可利用阳台装太阳能热水器呢?几位同学围绕着这个话题提出了一个设想:制作一个成本低廉环保实用的可壁挂于阳台外的小型太阳能热水器。
一、研究过程
我们对太阳能的了解仅限于生活中的使用,如何设计?如何制作?应该从何下手?我们带着疑问找到了指导老师汪文峰,希望他能提供一些意见。汪老师肯定了我们的想法,并鼓励我们,先要了解,才能有创新。
(1)收集资料
我们对太阳能热水器的工作原理、安装结构、小区住户使用情况,以及目前存在的缺点等方面,进行了调查。
调查兵分两路,一路是较熟悉互联网的王伊尔与陈依然同学,通过上网查阅文字资料,整理太阳能热水器结构、分类及原理等材料;汪孟丁和汪健明同学则去图书馆查阅相关专业知识的书籍,查找对研究制作能提供启发、帮助的有效信息。
另一路由其余四名同学组成,他们直奔各大住宅区实地调查,询问专业人员,向住户征集想法……可谓收获颇丰。
几周时间过去了,两路人马聚齐后互相交流,大家对太阳能热水器的工作原理、结构、种类等方面的知识都已经从无到有,形成初步认识。
(2)设计思路
我们对资料进行了研究和分析,很快太阳能热水器在小组成员的热烈讨论中初具雏形。
我们了解到,传统的太阳能热水器主要由水箱外壳、保温层、水箱内胆、排气溢流孔、密封胶圈、外水箱端盖、防尘圈、电加热器预留孔、真空集热管、进出水孔、漫发射板、护罩尾托、支架等部件组成。太阳能热水器主要有真空玻璃管热水器、平板太阳能热水器、分体式热水器等种类。
比较各个结构种类、热效率高低等方面,我们决定制作真空玻璃管热水器。
目前的真空玻璃管太阳能热水器是由全玻璃真空集热管、保温水箱、支架三大部件组成。其核心集热元件是全玻璃真空集热管,它由两根为同心圆的高硼硅特硬玻璃管组成,内层玻璃外壁采用磁控溅射真空镀膜工艺镀膜,该涂层对太阳光有选择性吸收,其吸收比≥0.92,发射比≤0.09(80℃),具有高吸收率和低发射率。
真空集热管将吸收的太阳辐射转换成热能,利用冷水比热水密度大,冷水下沉、热水上升的特点,在真空管内形成冷水自上而下、热水自下而上的自然循环,使整个水箱中的水温逐步升高,达到一定温度。
而在我们提出制作真空玻璃管热水器的构想后,指导老师也给我们找来真空玻璃管,有了核心集热元件,制作也有了头绪。
我们在讨论中基本确定了新型太阳能热水器的设计方案,主要包括以下几个关键点:
1.壁挂式:可以挂在阳台,以及室外任何有阳光的安全地点。
2.集热元件:真空玻璃管。
3.电加热装置:阴天可启动,突破天气局限。
在理论知识基本完备后,正赶上汪老师买回来一个小型的真空玻璃管太阳能模型,为我们提供一个“热身”的机会!
(3)收集材料
大家分头行动,收集材料,除核心元件外,主要利用废旧物品,材料如下:
1.废旧的空饮水桶(18.9L,2个)——储水桶;
2.各规格水管、弯头、 三通、塑料管等——连接水路;
3.木板——制作安装真空玻璃管的架子;
4.核心元件——购来的真空玻璃管;
5.角铁钢材——做储水桶架;
6.钉子、螺丝和螺母等——连接铁架、木架子;
7.零食包装袋——真空集热管架外包装兼反光材料;
8.废旧硬纸板、塑料泡沫、旧衣物——保温材料;
9.加热器件——解决阴雨天无阳光的问题;
10.水温水位显示仪——网上购得,用于指示水箱水温和水位。
用到的物品有台钻、手电钻、曲线锯、打孔机、热熔胶、钢锯、木锯、榔头、起子、锉刀、剪刀、透明胶带等。
二、制作过程
(1)制作部件
1.木框结构——支撑元件
太阳能的核心元件是真空玻璃集热管,这就需要一个能够把集热管固定在一起的架子。我们在拆小太阳能热水器模型的时候对架子已经有所了解,现在只需要按照正确尺寸将木板拼装起来即可。
真空玻璃管十分脆弱,因此制作木架并不容易。汪阳海和汪健明主动请缨,尝试做一回“木匠”。先画好记号,再用台钻钻出一圈小孔,再锉开圆孔,便于玻璃管套入,木板连接,固定成框(如图1)。
2.铁架——支撑元件
太阳能热水器的另一个支撑元件铁架,是用来安放保温水箱的,放置在阳台内侧。采用角铁材料做铁架,需要耐心与细心。孔间的距离需要非常精准,失之毫厘,螺钉就不能穿过,不能将两者完全连接。为了精确钻孔,我们想到先在角铁上涂粉笔,便于用铅笔作醒目的记号,钻孔也顺利多了。接着,我们用螺栓螺母将铁架组装成型(如图2)。
3.保温水箱——附加电加热装置
接下来就是太阳能的另一“三大件”——保温水箱。我们采用废旧物品,即饮水机上的水桶,它的容量约18.9L ,两桶合计可装入自来水近38L,能满足一人洗浴。
怎么连接呢?我们在老师的指点和帮助下,在保温水箱的水桶顶部,用锉刀锉薄一点,使之能与50厘米直径的弯管连接(如图3)。
底部需要打两个正圆的小孔,分别为加热器安装孔与排气孔。排气孔与溢流孔均位于底部正中心,加热器安装口在偏离中间的一侧。
当自来水进入水箱时,水位逐渐升高,水箱上方的气体从排气口排出,水位升高到最高处时,如未能及时关闭进水阀,多余的水可以从溢流口排出,是水温水位仪之外的另一道安全防线。 先划线再用电钻打开一个小口,然后用锉刀把孔修整成正圆,不断测试口径大小是否合适,经过一番与锉刀和塑料桶的“较量”,水箱的孔总算完成了(如图4)。
针对太阳能的利用受天气限制的问题,汪老师买来了加热装置——220V的“热得快”。接下来,要将“热得快”加热器固定在水桶底,用热熔胶固定在其中一个水箱上。
用什么来涂热熔胶呢?陈依然同学环顾四周,突然一个激灵,目光锁定在了桌上的一支画笔(如图5)!之后,我们进行了是否漏水的测验,很幸运,水箱顺利通过了测试(如图6)。
4.管道
各个部件的制作整体完成了,接下来的工作就是用PVC材料的管道来连接,最关键的是真空玻璃管如何连接起来。
我们对很多规格的水管、接头和弯头、三通进行了尝试,还自制或网购了密封圈,测试它们连接的效果。先用直径40毫米的PVC三通相连并套上密封圈,再与7根玻璃管相连,结果加水后漏水。
通过改进,我们又想出直径20毫米的三通与玻璃管连接,由于密封圈做得好,加水后,已不再漏水(如图7)。
(2)组装
1.真空玻璃管与木框结构的组装
由于前面对玻璃管与管道的连接做了很多工作,使得后续比较顺利,将玻璃管小心翼翼地依次伸入木框圆孔即可。
为了特别保护玻璃管底部的抽气凸起点,我们在木框孔与玻璃管之间增设了管托,让玻璃管底部悬空。为了增加阳光利用率,我们将同学们的零食包装袋收集起来,剪开洗净并晾干,作为反光材料包装在木框上(如图8)。
2.水箱的组装和保温
水箱是利用饮水机上的两个废旧水桶改造而成的,通过男生们的共同努力,开好了小孔,锉好了圆孔,我们就可以通过PVC管材的Φ50弯头、Φ50三通和Φ20弯头、Φ20三通来连接两水桶,通过并联得到一个容量是18.9L×2的水箱,基本能满足一个人洗浴。
两个水桶连接好后,并不能立即投入使用,还需进行保温包装。我们用废旧硬纸板、塑料泡沫和旧衣作为保温材料,一层层包裹。大家齐心协力,很快水箱就裹成了一个“大家伙”(如图9)。
3.管道连接
我们在实验室有自来水接口并朝阳的一角,架起了自制的铁架,放上保温水箱,并把集热器安放在窗台上。混水阀将自来水和两大件连接起来(如图10)后,一个自制壁挂太阳能热水器就大功告成了(如图11)。
三、工作原理
冷水比热水密度大,我们利用冷水下沉、热水上升的特点,在真空管内形成冷水自上而下,热水自下而上的自然循环,使整个水箱中的水温逐步升高,达到一定温度(如图12)。
我们设计的实用型壁挂式太阳能热水器就是利用这个原理,通过水箱与集热的分离,将集热的真空玻璃管挂于室外,收集太阳能,而保温水箱安放于室内,两者通过水管灵活连接,并做好保温措施,让热量不流失。工作示意图如图13所示。
中午时分,我们来到实验室,满心期待地打开水温水位仪,“滴滴”开机声仿佛告诉我们一切正常,10℃、20℃、30℃……水温呈上升走势,我们的心情也不断升温,看到水温停留在43度,怎么不热啊?仔细想想,此时并没有烈日当头,而是时阴时晴的,气温不过十几度啊,而且是中午时分,壁挂的集热器对直射的阳光还不能反射……怎样提高水温,这将是我们今后继续努力的方向。
(指导老师:汪文峰 陆 勤 王小雷)
虽然厂家已经研制生产出壁挂式太阳能热水器,但是我们发现,目前市场上的壁挂式太阳能热水器价格非常昂贵。
我们设想,可不可利用阳台装太阳能热水器呢?几位同学围绕着这个话题提出了一个设想:制作一个成本低廉环保实用的可壁挂于阳台外的小型太阳能热水器。
一、研究过程
我们对太阳能的了解仅限于生活中的使用,如何设计?如何制作?应该从何下手?我们带着疑问找到了指导老师汪文峰,希望他能提供一些意见。汪老师肯定了我们的想法,并鼓励我们,先要了解,才能有创新。
(1)收集资料
我们对太阳能热水器的工作原理、安装结构、小区住户使用情况,以及目前存在的缺点等方面,进行了调查。
调查兵分两路,一路是较熟悉互联网的王伊尔与陈依然同学,通过上网查阅文字资料,整理太阳能热水器结构、分类及原理等材料;汪孟丁和汪健明同学则去图书馆查阅相关专业知识的书籍,查找对研究制作能提供启发、帮助的有效信息。
另一路由其余四名同学组成,他们直奔各大住宅区实地调查,询问专业人员,向住户征集想法……可谓收获颇丰。
几周时间过去了,两路人马聚齐后互相交流,大家对太阳能热水器的工作原理、结构、种类等方面的知识都已经从无到有,形成初步认识。
(2)设计思路
我们对资料进行了研究和分析,很快太阳能热水器在小组成员的热烈讨论中初具雏形。
我们了解到,传统的太阳能热水器主要由水箱外壳、保温层、水箱内胆、排气溢流孔、密封胶圈、外水箱端盖、防尘圈、电加热器预留孔、真空集热管、进出水孔、漫发射板、护罩尾托、支架等部件组成。太阳能热水器主要有真空玻璃管热水器、平板太阳能热水器、分体式热水器等种类。
比较各个结构种类、热效率高低等方面,我们决定制作真空玻璃管热水器。
目前的真空玻璃管太阳能热水器是由全玻璃真空集热管、保温水箱、支架三大部件组成。其核心集热元件是全玻璃真空集热管,它由两根为同心圆的高硼硅特硬玻璃管组成,内层玻璃外壁采用磁控溅射真空镀膜工艺镀膜,该涂层对太阳光有选择性吸收,其吸收比≥0.92,发射比≤0.09(80℃),具有高吸收率和低发射率。
真空集热管将吸收的太阳辐射转换成热能,利用冷水比热水密度大,冷水下沉、热水上升的特点,在真空管内形成冷水自上而下、热水自下而上的自然循环,使整个水箱中的水温逐步升高,达到一定温度。
而在我们提出制作真空玻璃管热水器的构想后,指导老师也给我们找来真空玻璃管,有了核心集热元件,制作也有了头绪。
我们在讨论中基本确定了新型太阳能热水器的设计方案,主要包括以下几个关键点:
1.壁挂式:可以挂在阳台,以及室外任何有阳光的安全地点。
2.集热元件:真空玻璃管。
3.电加热装置:阴天可启动,突破天气局限。
在理论知识基本完备后,正赶上汪老师买回来一个小型的真空玻璃管太阳能模型,为我们提供一个“热身”的机会!
(3)收集材料
大家分头行动,收集材料,除核心元件外,主要利用废旧物品,材料如下:
1.废旧的空饮水桶(18.9L,2个)——储水桶;
2.各规格水管、弯头、 三通、塑料管等——连接水路;
3.木板——制作安装真空玻璃管的架子;
4.核心元件——购来的真空玻璃管;
5.角铁钢材——做储水桶架;
6.钉子、螺丝和螺母等——连接铁架、木架子;
7.零食包装袋——真空集热管架外包装兼反光材料;
8.废旧硬纸板、塑料泡沫、旧衣物——保温材料;
9.加热器件——解决阴雨天无阳光的问题;
10.水温水位显示仪——网上购得,用于指示水箱水温和水位。
用到的物品有台钻、手电钻、曲线锯、打孔机、热熔胶、钢锯、木锯、榔头、起子、锉刀、剪刀、透明胶带等。
二、制作过程
(1)制作部件
1.木框结构——支撑元件
太阳能的核心元件是真空玻璃集热管,这就需要一个能够把集热管固定在一起的架子。我们在拆小太阳能热水器模型的时候对架子已经有所了解,现在只需要按照正确尺寸将木板拼装起来即可。
真空玻璃管十分脆弱,因此制作木架并不容易。汪阳海和汪健明主动请缨,尝试做一回“木匠”。先画好记号,再用台钻钻出一圈小孔,再锉开圆孔,便于玻璃管套入,木板连接,固定成框(如图1)。
2.铁架——支撑元件
太阳能热水器的另一个支撑元件铁架,是用来安放保温水箱的,放置在阳台内侧。采用角铁材料做铁架,需要耐心与细心。孔间的距离需要非常精准,失之毫厘,螺钉就不能穿过,不能将两者完全连接。为了精确钻孔,我们想到先在角铁上涂粉笔,便于用铅笔作醒目的记号,钻孔也顺利多了。接着,我们用螺栓螺母将铁架组装成型(如图2)。
3.保温水箱——附加电加热装置
接下来就是太阳能的另一“三大件”——保温水箱。我们采用废旧物品,即饮水机上的水桶,它的容量约18.9L ,两桶合计可装入自来水近38L,能满足一人洗浴。
怎么连接呢?我们在老师的指点和帮助下,在保温水箱的水桶顶部,用锉刀锉薄一点,使之能与50厘米直径的弯管连接(如图3)。
底部需要打两个正圆的小孔,分别为加热器安装孔与排气孔。排气孔与溢流孔均位于底部正中心,加热器安装口在偏离中间的一侧。
当自来水进入水箱时,水位逐渐升高,水箱上方的气体从排气口排出,水位升高到最高处时,如未能及时关闭进水阀,多余的水可以从溢流口排出,是水温水位仪之外的另一道安全防线。 先划线再用电钻打开一个小口,然后用锉刀把孔修整成正圆,不断测试口径大小是否合适,经过一番与锉刀和塑料桶的“较量”,水箱的孔总算完成了(如图4)。
针对太阳能的利用受天气限制的问题,汪老师买来了加热装置——220V的“热得快”。接下来,要将“热得快”加热器固定在水桶底,用热熔胶固定在其中一个水箱上。
用什么来涂热熔胶呢?陈依然同学环顾四周,突然一个激灵,目光锁定在了桌上的一支画笔(如图5)!之后,我们进行了是否漏水的测验,很幸运,水箱顺利通过了测试(如图6)。
4.管道
各个部件的制作整体完成了,接下来的工作就是用PVC材料的管道来连接,最关键的是真空玻璃管如何连接起来。
我们对很多规格的水管、接头和弯头、三通进行了尝试,还自制或网购了密封圈,测试它们连接的效果。先用直径40毫米的PVC三通相连并套上密封圈,再与7根玻璃管相连,结果加水后漏水。
通过改进,我们又想出直径20毫米的三通与玻璃管连接,由于密封圈做得好,加水后,已不再漏水(如图7)。
(2)组装
1.真空玻璃管与木框结构的组装
由于前面对玻璃管与管道的连接做了很多工作,使得后续比较顺利,将玻璃管小心翼翼地依次伸入木框圆孔即可。
为了特别保护玻璃管底部的抽气凸起点,我们在木框孔与玻璃管之间增设了管托,让玻璃管底部悬空。为了增加阳光利用率,我们将同学们的零食包装袋收集起来,剪开洗净并晾干,作为反光材料包装在木框上(如图8)。
2.水箱的组装和保温
水箱是利用饮水机上的两个废旧水桶改造而成的,通过男生们的共同努力,开好了小孔,锉好了圆孔,我们就可以通过PVC管材的Φ50弯头、Φ50三通和Φ20弯头、Φ20三通来连接两水桶,通过并联得到一个容量是18.9L×2的水箱,基本能满足一个人洗浴。
两个水桶连接好后,并不能立即投入使用,还需进行保温包装。我们用废旧硬纸板、塑料泡沫和旧衣作为保温材料,一层层包裹。大家齐心协力,很快水箱就裹成了一个“大家伙”(如图9)。
3.管道连接
我们在实验室有自来水接口并朝阳的一角,架起了自制的铁架,放上保温水箱,并把集热器安放在窗台上。混水阀将自来水和两大件连接起来(如图10)后,一个自制壁挂太阳能热水器就大功告成了(如图11)。
三、工作原理
冷水比热水密度大,我们利用冷水下沉、热水上升的特点,在真空管内形成冷水自上而下,热水自下而上的自然循环,使整个水箱中的水温逐步升高,达到一定温度(如图12)。
我们设计的实用型壁挂式太阳能热水器就是利用这个原理,通过水箱与集热的分离,将集热的真空玻璃管挂于室外,收集太阳能,而保温水箱安放于室内,两者通过水管灵活连接,并做好保温措施,让热量不流失。工作示意图如图13所示。
中午时分,我们来到实验室,满心期待地打开水温水位仪,“滴滴”开机声仿佛告诉我们一切正常,10℃、20℃、30℃……水温呈上升走势,我们的心情也不断升温,看到水温停留在43度,怎么不热啊?仔细想想,此时并没有烈日当头,而是时阴时晴的,气温不过十几度啊,而且是中午时分,壁挂的集热器对直射的阳光还不能反射……怎样提高水温,这将是我们今后继续努力的方向。
(指导老师:汪文峰 陆 勤 王小雷)