摘 要：在農(nóng)村，傳統(tǒng)太陽能熱水器的實(shí)際使用還存在很多問題，針對(duì)這些問題，我們?cè)O(shè)計(jì)出一種太陽能熱水器附屬的下游水溫穩(wěn)定設(shè)備，在水溫不穩(wěn)定時(shí)能夠有效地穩(wěn)定水溫;在冬季寒冷天氣影響和陰雨天光照不足導(dǎo)致水溫不足的情況下，可以通過必要的智能加熱方式使得水溫提升至需要的溫度值，最終可以彌補(bǔ)太陽能熱水器弊端的產(chǎn)品，使更多的家庭能夠放心可靠地使用和購進(jìn)太陽能熱水器，同時(shí)達(dá)到環(huán)保的目標(biāo)。

關(guān)鍵詞：太陽能熱水器;農(nóng)村;效率;性能;穩(wěn)定;環(huán)保;智能控制;單片機(jī);傳感器

一、問題提出的背景

（1）農(nóng)村熱水來源不便

①一直以來，農(nóng)村地區(qū)由于供熱模式問題獲取熱水較于城市而言相對(duì)困難，所以太陽能熱水器在農(nóng)村得到廣泛應(yīng)用，但太陽能熱水器目前依然存在些許的問題，使得農(nóng)村人民在獲取熱水時(shí)不是十分方便與可靠。

②改革開放以來，國家經(jīng)濟(jì)總值和人均GDP穩(wěn)步攀升，人民的生活質(zhì)量隨之提升。太陽能熱水器因其環(huán)保性能優(yōu)越，安裝和運(yùn)行成本較低等優(yōu)勢，作為一個(gè)熱水來源已經(jīng)走進(jìn)千家萬戶。

（2）現(xiàn)有太陽能存在的問題

現(xiàn)有的太陽能熱水器存在的問題是集熱部分熱效率還是不夠高，保溫系統(tǒng)性能也不是十分的優(yōu)異。受水泵性能穩(wěn)定度影響，熱水與冷水混合時(shí)兩種水的出水穩(wěn)定度不足造成出水水溫不恒定，使得用戶體驗(yàn)較差。同時(shí)太陽能熱水器的水溫也受季節(jié)影響較大，北方冬季寒冷天氣或陰雨天氣光照不足時(shí)水溫完全達(dá)不到使用要求。

（3）總結(jié)（補(bǔ)充）

由此可見，傳統(tǒng)太陽能熱水器雖然可以一定程度上成為家庭的熱源，但是在實(shí)際的生活使用過程中卻并不可靠，甚至在洗澡時(shí)水溫的不穩(wěn)定驟冷驟熱的情況下還有使用者被燙傷的風(fēng)險(xiǎn)，并不能成為一個(gè)完全穩(wěn)定安全的家庭熱源。綜合以上問題，我們將設(shè)計(jì)一種太陽能熱水器附屬的下游水溫穩(wěn)定設(shè)備。在冷水與熱水配比不穩(wěn)定導(dǎo)致的水溫不穩(wěn)定時(shí)能夠有效地穩(wěn)定水溫，使之控制在一個(gè)使用較為舒適的溫度變化范圍內(nèi)。在冬季寒冷天氣影響和陰雨天光照不足導(dǎo)致水溫不足的情況下，可以通過必要的智能加熱方式使得水溫提升至需要的溫度值。最終設(shè)計(jì)出一款可以彌補(bǔ)太陽能熱水器弊端的產(chǎn)品，使更多的家庭能夠放心可靠的使用太陽能熱水器，購進(jìn)太陽能設(shè)備，減少農(nóng)村通過燃燒柴禾來獲取熱水的情況，進(jìn)而減少二氧化碳排放量，達(dá)到環(huán)保目標(biāo)。

二、問題分析與設(shè)計(jì)目標(biāo)的確立

（1）切實(shí)解決熱水來源問題

針對(duì)太陽能的使用弊端與性能缺陷，此產(chǎn)品需要完美合理的去彌補(bǔ)太陽能的使用缺陷，并且要足夠的穩(wěn)定與安全使得使用者能夠放心與安心的使用，切實(shí)真正的解決掉農(nóng)村熱水獲取不穩(wěn)定與困難的問題，同時(shí)達(dá)到節(jié)能減排的效果，為改善地球生態(tài)環(huán)境而助力。在我國的北方冬季常常有低溫天氣以及陰雨天氣這時(shí)便會(huì)導(dǎo)致太陽能水溫不足無法使用，這是就需要我們的產(chǎn)品更加的穩(wěn)定可靠，更合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)帶來更加穩(wěn)定的使用性能與可靠度，在任何天氣狀況下只要下游接有此產(chǎn)品的太陽能均可以正常使用。雖然增加了一些電能消耗但是整體來看，太陽能它雖然是一個(gè)以環(huán)保著稱的設(shè)備，但不可否認(rèn)他的第一要素是要能夠穩(wěn)定的提供熱水，如果這點(diǎn)不成立環(huán)保也就無從談起。而有了此款水溫平衡產(chǎn)品的存在，真正的是太陽能成為一個(gè)可靠的熱源，讓廣大人民更加的放心，更加的無后顧之憂，從而使農(nóng)村地區(qū)減少燃燒柴禾獲取熱水的情況。因此表面增加電能消耗實(shí)則對(duì)于環(huán)保問題是真正的有益產(chǎn)品。

（2）智能節(jié)能

產(chǎn)品要以智能化的形式實(shí)現(xiàn)，當(dāng)今社會(huì)產(chǎn)品智能化已經(jīng)成為普遍的趨勢，智能編程技術(shù)的日益成熟，使得智能產(chǎn)品變得更加可靠與實(shí)用，也為使用者帶來了極大的便利。實(shí)現(xiàn)功能的同時(shí)要使得產(chǎn)品更加的節(jié)能，要以最小的能源消耗達(dá)到產(chǎn)品的預(yù)期使用效果。要將產(chǎn)品整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的更加合理，減少不必要的能源消耗。

（3）符合農(nóng)村使用方式

對(duì)于熱水的使用與取水方式而言，農(nóng)村與城市人有著些許的差異，有一些生活習(xí)慣上的不同。同時(shí)農(nóng)村房屋結(jié)構(gòu)與布局也與城市的樓房有著較大的不同。這時(shí)就需要對(duì)于農(nóng)村的情況進(jìn)行針對(duì)性的設(shè)計(jì)，從出水口數(shù)量與布局到高度水壓等都要符合農(nóng)村人的使用習(xí)慣。

（4）環(huán)保

此款產(chǎn)品在制造選材用料上都將秉承環(huán)保的理念，在滿足功能要求與耐久度的同時(shí)，優(yōu)先使用環(huán)保材料與可再生材料，以達(dá)到對(duì)于環(huán)境影響最小的制造標(biāo)準(zhǔn)。

（5）造價(jià)低廉

產(chǎn)品在保證質(zhì)量與環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)的情況下將使用價(jià)格成本較低的材料來符合農(nóng)村的經(jīng)濟(jì)情況，使得價(jià)格不是阻擋產(chǎn)品進(jìn)入千家萬戶的障礙與攔路虎，大范圍的為環(huán)保與提升人民幸福度做貢獻(xiàn)。

三、解決問題

（1）原理

該產(chǎn)品核心原理基于單片機(jī)智能控制系統(tǒng)，通過編程指令的輸入使得單片機(jī)可以運(yùn)行一些算法，從前端傳感器收集來的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通過單片機(jī)的處理轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的指令傳輸給下游設(shè)備。

首先在太陽能熱水器的出水口一端將會(huì)設(shè)置一個(gè)溫度傳感器和液體流速傳感器，這樣一來可以實(shí)時(shí)的采集到太陽能內(nèi)熱水的溫度的流速流量信息傳給下方單片機(jī)以備處理。冷水獲取方式為水泵直連水源，同樣冷水源水體入口處也將設(shè)置一個(gè)溫度傳感器和流速傳感器用以采集冷水源端的水溫與液體流速的實(shí)時(shí)狀況，傳回單片機(jī)以備處理。在出水開關(guān)處將會(huì)設(shè)計(jì)成旋鈕式溫度控制器，使用者可以通過轉(zhuǎn)動(dòng)旋鈕對(duì)準(zhǔn)相應(yīng)的溫度刻度來獲得想要的恒定水溫。同樣旋鈕控制端的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)也將被直接輸入至單片機(jī)以備綜合處理。單片機(jī)下游將會(huì)設(shè)有變壓器作為單片機(jī)輸出指令的直接執(zhí)行者，變壓器將會(huì)直接控制碳素加熱管與水泵。設(shè)備使用過程中如果使用者的需要溫度低于傳感器實(shí)時(shí)測得的太陽能熱水器溫度則直接啟用水泵系統(tǒng)，根據(jù)實(shí)時(shí)測得的熱水溫度流速信息與冷水源的水體溫度流速信息傳入單片機(jī)分析處理后傳輸指令給變壓器，變壓器通過電壓的變化來變化功率轉(zhuǎn)速進(jìn)而控制冷水的泵入速度，如若熱水溫度或冷水的溫度不恒定冷水的泵入速度也會(huì)相應(yīng)動(dòng)態(tài)變化來保持出水溫度的持久恒定。如若使用者的需求溫度高于熱水端溫度傳感器實(shí)時(shí)測得的水溫則會(huì)啟用碳素加熱管。通過熱水端傳感器測得的溫度與流速信息傳回單片機(jī)處理后同樣通過直接控制變壓器來控制碳素加熱管的功率，使得水溫在流出花灑前達(dá)到使用者需求的恒定溫度。

（2）應(yīng)用場景

在陰雨天與冬季寒冷天氣時(shí)，如若太陽能內(nèi)水溫達(dá)不到使用條件使用者可以通過使用該設(shè)備來獲取恒定的達(dá)到使用標(biāo)準(zhǔn)的水。

四、總結(jié)

該產(chǎn)品的使用者定位主體為農(nóng)村地區(qū)的太陽能使用家庭，在天氣或者太陽能本身原因?qū)е碌乃疁夭贿_(dá)標(biāo)或者溫度不恒定情況下，能夠有效的增加和穩(wěn)定溫度，使得使用者在用水時(shí)不必?fù)?dān)心天氣與水溫驟冷驟熱問題，使得太陽能真正的成為一種可以使用并且可以放心使用的環(huán)保產(chǎn)品。同時(shí)低廉的造價(jià)也可以讓絕大多數(shù)家庭從容購買使用。進(jìn)而使得更多的農(nóng)村家庭放心的購進(jìn)太陽能設(shè)備做為熱源，減少焚燒柴禾取熱的情況，為保護(hù)環(huán)境而盡一份微薄之力。

作者簡介：

李智，1998年1月10日，男，遼寧省錦州市，本科，學(xué)生，工業(yè)設(shè)計(jì)

遼寧省大連民族大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（編號(hào)：201812026113）資助