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Construire un régulateur de chauffe-eau solaire thermique


Le temps dans ma partie de la Floride sur la côte de l’espace est généralement très agréable en hiver. Comme il a été dit, il n’est pas rare que la température pénètre au milieu des années 30 une nuit d’hiver occasionnelle. Ce fut l’un des rares cas qui m’a poussé à créer ce projet.

Mon capteur solaire est un bon absorbeur de chaleur et malheureusement tout aussi bon pour renvoyer cette même chaleur vers le ciel. Cela signifie que le collecteur peut descendre en dessous de la température ambiante pendant les nuits claires et froides. Une telle nuit, l’eau dans le collecteur a gelé et les tuyaux ont éclaté. Mon ancien régulateur solaire n’a pas fait son travail, et c’est de pomper l’eau chaude du réservoir de stockage dans le réservoir de protection contre le gel – le circuit est évidemment devenu peu fiable. Mon plan est donc de construire un autre contrôleur!

Bases du collecteur

Le collecteur se compose de tubes en cuivre et de flashs en cuivre, assemblés dans une boîte en aluminium avec un couvercle en verre. Ses dimensions sont de 10 pieds sur quatre mètres et d’environ trois pouces d’épaisseur. Pour démarrer ce projet, j’ai installé des capteurs LM35DT à l’entrée et à la sortie du collecteur. J’ai également ouvert l’ouverture d’accès au centre exact du collecteur et y ai installé un autre capteur.

Une bonne façon de monter le LM35DT (disponible dans le boîtier TO-220) consiste à souder des vis en laiton à tête plate de 322 têtes directement sur le tuyau en cuivre que vous souhaitez ressentir. J’ai utilisé des écrous en laiton et un joint thermique pour améliorer.

La pompe du système pompe environ 100 watts pendant le fonctionnement, ce qui est bien mieux que les 1 500 watts utilisés pour l’élément chauffant. J’ai trouvé qu’avec ce système, cet élément chauffant fonctionne après environ deux jours sans soleil. Son thermostat est réglé à 120 ° F, cependant, il ne faut que deux heures environ de plein soleil pour atteindre cette température, et même au milieu de l’hiver, la température de l’eau est généralement bien au-dessus.

La température typique en hiver est quelque part au-dessus de 160 ° F, et plus élevée en été. Avec l’installation d’origine, la soupape de surpression / tempo (195 ° F) en haut du collecteur se détachait parfois, j’ai donc installé une version haute température (210 ° F) pendant les réparations du collecteur. Cela vous permet de savoir à quelles températures vous pouvez vous attendre en été ici (si vous êtes un absorbeur de chaleur en cuivre).

Le ballon d’eau chaude est un « chauffe-eau solaire standard » qui a quatre tuyaux de différentes longueurs alimentés en haut du boîtier du ballon. L’approvisionnement en eau pour l’alimentation en eau apporte de l’eau chaude par le haut du réservoir, et l’alimentation en eau du réservoir va à peu près à mi-chemin du réservoir. L’eau est pompée dans le collecteur à environ six centimètres au-dessus du fond et la sortie du collecteur est insérée à partir du bas à environ 18 centimètres. L’eau chaude migre vers le haut du réservoir par un processus de convection.

Ces réservoirs sont disponibles auprès de la plupart des entreprises de services solaires ici en Floride. Ils peuvent également être obtenus en ligne ou sur commande spéciale auprès d’une entreprise de plomberie. Mon réservoir mesure environ cinq pieds de haut, 24 pouces de diamètre et contient 80 gallons. Un capteur thermique est installé sur la surface extérieure au fond du réservoir. La sortie de ce capteur est incluse dans mon code en tant que variable « Tbot ».

Approche de conception

L’ancien contrôleur est l’une de ces versions transistorisées à l’ancienne qui ont un interrupteur à glissière qui devenait constamment poussiéreux. Il utilise une horloge flip flop et plusieurs autres transistors pour contrôler le relais. Il dispose également d’un ampli-op 741 avancé utilisé comme comparateur et de commutateurs à semi-conducteurs 4066 DIP. J’ai décidé d’utiliser un appareil programmable, plutôt que de passer par la routine de sélection des composants nécessaire pour correspondre à la conception du contrôleur d’origine. Je voulais également éliminer le relais mécanique, l’interrupteur à glissière ouvert et les thermistances non linéaires. J’avais besoin de quelque chose dans un petit boîtier et j’ai finalement opté pour le DIP PIC16F684 à 14 broches. Cette puce a été choisie car elle possède huit canaux A / N avec une résolution de 10 bits, ce qui fonctionnera bien avec les capteurs de température linéaires LM35DT.

Conception de voitures

Mon idée originale était de fabriquer un régulateur juste pour la pompe, mais plus tard j’ai ajouté une lecture numérique de la température. C’est pourquoi ma conception utilise deux packages PIC16F684. La carte de circuit imprimé et schématique (PCB) a été conçue à l’aide du logiciel ExpressPCB Ressources). J’ai trouvé leur logiciel de conception très facile à utiliser, mais gardez à l’esprit que vous devez vérifier en ligne votre conception, car il n’y a pas de fonctionnalités de débogage qui pourraient vérifier votre apparence pour les erreurs.

Vos données PCB créées dans leur logiciel y sont chargées et la commande est passée pour les cartes (des images du PCB et des schémas de pièces, ainsi qu’une liste de codes, sont disponibles dans les téléchargements à la fin de l’article).

L’assemblage de la carte est assez simple grâce aux appareils et composants DIP à travers le trou. Les SMD ne sont pas utilisés. Les composants du circuit de commande (Q5, C1, C2 et C3) sont situés sur la face inférieure du panneau afin que le panneau puisse être monté à 1/4 de pouce de la surface du couvercle avant du boîtier. Le TB1 est également monté en bas pour un meilleur accès à ses terminaux. Voir Figures 1 je 2 pour les photographies.

FIGURE 1. Rassemblé et travaillant.


FIGURE 2. Prêt à installer.


Détails schématiques

Chaque capteur LM35DT a une alimentation 5V séparément avec des condensateurs 0,1 µF et un condensateur 1,0 µF en série avec une résistance de 10 ohms pour calculer les effets capacitifs des fils longs. Dans mon cas, une compensation n’est probablement pas nécessaire, car les fils ne mesurent que 30 pieds de long.

Chaque sortie de capteur est envoyée au canal A / D sur le premier PIC16F684 (U1). Là, les signaux sont convertis en données numériques, en utilisant 2,5 V comme référence. La tension de référence est dérivée des diviseurs de tension R14 et R15 sur une alimentation de 5 V. Les données numériques sont comparées dans le logiciel pour décider s’il faut « allumer » ou « pomper ».

La pompe est commandée à partir de la borne RC2 en envoyant un signal au relais à semi-conducteurs (U10) et à la pompe qui pilote la LED (DS2) pour indiquer l’état. Une autre LED (DS3) contrôle le port RC3 pour indiquer si la pompe fonctionne pour la protection contre le gel.

Les autres tâches effectuées incluent l’envoi de chaque lecture de température à un autre PIC16F684 (U2) pour l’affichage et le réglage de l’horloge (U3) pour allumer les indicateurs LED qui indiquent la température affichée. Les données reçues de U2 contrôlent l’affichage à quatre segments. La moitié du décodeur U3 est également utilisée dans ce processus, ainsi que les transistors associés pour l’écran d’affichage.

L’alimentation se compose d’un bloc mural 9V régulé à 5V à l’aide d’un régulateur LM7805. Le condensateur de filtrage plutôt lourd (C2) est de 1000 µF qui protège contre les chutes de tension plus importantes, permettant au système de fonctionner correctement lors du passage de S1 de la pompe automatique au « mode de fonctionnement ». Voir figure 3 pour le schéma.

FIGURE 3.


Logiciels et tests

Pour écrire le logiciel, j’ai utilisé MPLAB IDE de Microchip avec le compilateur PICC de Hi-Tech. L’un des avantages de l’utilitaire MPLAB est sa capacité à effectuer des simulations sur du code. J’ai fait beaucoup d’itérations de l’éditeur au traducteur puis au simulateur avant de créer quelque chose que je voulais. J’ai utilisé une unité Microchip PICStart Plus pour programmer le PIC. Notez que le PICStart nécessite un port RS-232, et certains ordinateurs portables (comme le mien) n’en ont qu’un sur le bloc de ports correspondant.

Deux listes de programmes sont utilisées ici, une pour chacun des PIC16F684. Le contrôle réel se produit dans « Thermal.c », le code pour (U1). C’est là que les décisions sont prises pour allumer et éteindre la pompe. Ce programme allumera la pompe lorsque la sortie du collecteur supérieur a une température supérieure à cinq degrés au-dessus du fond du réservoir d’eau chaude et est entraînée par la pompe jusqu’à ce que la température supérieure ne soit que de deux degrés au-dessus du fond du réservoir.

Pour se protéger contre le gel, la pompe se met en marche lorsque le centre du collecteur tombe à 37 degrés et la fait fonctionner jusqu’à ce que la température au milieu dépasse 42 degrés. Ça marche vraiment, parce que je me tenais là à regarder une de nos froides nuits de février. J’ai été surpris de constater qu’il ne faut qu’une ou deux minutes à la pompe pour atteindre l’unité de protection à temps.

Le système d’origine ne ressentait que le haut et le bas du collecteur, mais ma pensée disait que le centre du collecteur devrait être la partie de la température qui est la température la plus variable. La première installation du nouveau système s’est avérée être vraie, j’ai donc modifié le logiciel pour ressentir la température centrale pour la protection contre le gel.

Le code « Thermal.c » convertit également chaque lecture de capteur de Celsius en Fahrenheit, puis crée un flux de données de chaque lecture qui est envoyé au code « Display.c » (U2). « Display.c » prend les données de température et les affiche sur l’affichage LED à quatre segments. Quatre LED de différentes couleurs indiquent la température affichée. Les trois autres LED indiquent « pompe active », « puissance » et « pompe antigel ». Encore une fois, toutes les listes de programmes sont disponibles dans le programme de téléchargement.

Emballage matériel

Pour avoir un régulateur qui peut être facilement installé, j’ai opté pour une boîte de jonction en PVC dans un magasin local de rénovation. Voir Figure 2 pour le placement de gros composants. Le bloc d’alimentation 9 V est légèrement modifié en soudant des fils sur les dents alternées et en utilisant des tubes rétractables. Le bloc est ensuite collé à la boîte à l’aide de ciment caoutchouc RTV (GOOP). Le relais à semi-conducteurs est fixé au bas de la boîte à l’aide du matériel 6-32. Le porte-fusible F1 est monté dans la boîte, et F2 est sur la queue de cochon et inséré dans la boîte.

Soyez prudent lors de l’installation du panneau avant avec le PCB connecté car il n’y a pas beaucoup d’espace libre. La boîte mesure seulement 4 ”x 4” x 2 ”, et en arrière, une planche de 5” x 5 ”serait plus légère. Les porte-fusibles et l’alimentation (PS1) sont fournis par RadioShack. Tous les autres composants proviennent de Digi-Key. Le relais à semi-conducteurs (Q10) provient de All Electronics.

FIGURE 4. Projet terminé.


Améliorations futures

Pour l’avenir, je voudrais ajouter un enregistreur de données qui mettra la lecture de la température sur le lecteur Flash. Ensuite, je pouvais charger les données dans Excel et faire un graphique des résultats. Je lis actuellement ces données manuellement, avec quatre heures de lecture et un presse-papier. Je veux utiliser le PIC16F877 pour cette mise à niveau, mais je ne suis pas sûr d’avoir besoin de quelque chose d’aussi puissant.

Peut-être que je peux penser à autre chose pour cela, comme surveiller l’intensité solaire pour calculer sur un système photovoltaïque pour démarrer la pompe. De cette façon, j’aurai de l’eau chaude complètement gratuite. NV


Ressources

Toute l’électronique – allelectronics.com
RadioShack – radioshack.com
Home Depot – homedepot.com
Puce électronique – microchip.com
Logiciel Hi-Tech – htsoft.com
ExpressPCB – expresspcb.com
Digi-Key – digikey.com


LISTE DES PIÈCES

ARTICLE LA DESCRIPTION RÉFÉRENCE / FOURNISSEUR
C1 .22 µF 250V ECQ-E2224KB / Panasonic
C2 1000 µF 25V UVR1E102MPD / Nichicon
C3 10,0 µF 50V UVR1C100MDD / Nichicon
C4-C11 0,1 µF 50V ECQ-V1H104JL / Panasonic
C12-15 1,0 µF 63V 2222 021 38108 / BC Composants
DS1, DS5 LED rouge SSL-LX3044LID / Lumex
DS2 LED verte SSL-LX3044GD / Lumex
DS3, DS6 LED jaune SSL-LX3044TD / Lumex
DS5 LED orange SSL-LX3044SOC / Lumex
DS7 LED bleue SSL-LX3044USBD / Lumex
DS8 Quad sept seg LDQ-M514RI / Lumex
F1.2 Porte-fusibles 1/4 A et 2 A / RadioShack
PS1 115 VAC à 9 VDC RadioShack
Q1-4 Transistor PNP 2N2907 / STMicroelectronics
Q5 Régulateur 5V LM7805CT / Fairchild
Q6-9 Capteur de température LM35DT / NOPB / National Semi
Q10 Relais opto SRLY-18 / Toute l’électronique
R1-2 5.11K 1/4 W MFR-25FBF-5K11 / Yageo
R3-9 475 ohm 1/4 W MFR-25FBF-475R / Yageo
R10-13 1,0 K 1/4 W MFR-25FBF-1K00 / Yageo
R14-15 10.0K 1/4 W MFR-25FBF-10K0 / Yageo
R16-19 10 ohm 1/4 W MFR-25FBF-10R0 / Yageo
S1 DPDT ctr off 100DP3T1B1M1QEH / E-Switch
TB1 Six postes 1725698 / Phoenix Contact
U1.2 PIC16F684 Puce électronique
U3 Double 2 à 4 déc SN74HC139N / Texas Inst
Z1 RDIP-470 4116R-1-471LF / Bourns, Inc.

Téléchargements

200708-Aidt-SolarThermal-Water-Heater.zip

Contrôleur de chauffe-eau – Détails et codes PCB



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