太陽熱温水器を修理する(1)

新型コロナで外出を自粛してます。家でうだうだしているのも性に合いませんので、仕事にかまけて放置していた家の課題に少しずつとりくんでいこうと思いました。その第一段、しばらく前に故障してそのまま放置していた太陽熱温水器をまた動かせるようにしようということで、

まず、どのような故障が起こったか、ですが、2013年夏に自作し、稼働開始、2014年夏に、中華バルブがイカレたのを交換して直したわけですが、そのあと、まず2017年5月にPC上のlinux で動かしていたデータ収録可視化が動かなくなったと思います。そのあと、1年ぐらいは動いていたと思うんですが(だいぶ前で忘れた)、ある時、温水器のコントローラーのArduinoが動いていないのに気が付いて、チェックしてみるとコントローラーのレギュレーターが壊れてArduinoが死んでました。そのあと、とりあえずコントローラーをシステムから切り離してそのまま、という電気周りはそんな感じでした。

また、ある時、温水タンクの配管から水漏れがあるのに気が付いて、忙しかったのでとりあえず温水タンクへの水道配管の弁を閉じて漏れたままにはならないように処置。

コントローラーが働かないと温水器の集熱器が水で冷やされないのでかなりの高温(100℃以上)になります。ということで、集熱の配管系の水圧が高くなったタイミングで配管の接手からリークが起こって、集熱配管系の不凍液が漏れて、それも忙しくてそのまま。

ということで、この2年ほどは、太陽熱温水器は稼働せず、故障を放置したまま今に至る、という感じでした。

それを稼働させるには、まず、ハードウェア周りの課題をなくします。

1)コントローラーを作り直す

前のArduinoベースのコントローラーをそのまま動かすのでもいいのですが、当時と今と世の中が違います。ということで、IoT時代に合わせて(というか、周回遅れでしょうけど)、Wifiでネットにつながり、Webから制御でき、クラウドに温水器のデータを上げるコントローラーにしようと思いました。

ということで、コントローラーにeps32を採用、でamazonをポチポチ。相変わらずネットのリソースを最大限活用(というかコピペ)でプログラムを書いて、温水器の各部温度、バッテリー温度、その他BME280で取れる情報などを取り込み、手持ちのMOSFETでポンプなどをスイッチングできるものを作りました。

各部温度はサーミスターで見ていて、そのためのAD変換はesp32のADで十分かと思ったのですが、バッテリー電圧の監視をするにはesp32のADはリニアリティが悪く、ちょっと精度に問題あり、ということで、I2CバスにつなげられるADS1115のモジュールを一部のADチャンネルに使いました。数年前と比べて、こういうI2Cバスにつながる機能モジュールがたくさんあるので便利ですね。

また、コントローラー系がかなり単純になり、必要な電力も小さくなりました。今まではWebにつないでデータ可視化・解析をするのにPCを必要としていたり、いろいろなシステムが複合して動く必要がありましたが、それが今は1チップ。すごいな。

2) コントローラーがおおむねできたら、配線をしてテストをします。温度を読むサーミスターがそれぞれどれか対応を確認し、プログラムを修正しながら、まずサーミスターがどれも生きていることを確認しました。

その次に、ポンプ(12Vポンプを2個パラで動かしている)に配線をして動かすために、温水循環系を復活させます。温水タンクのカバーを外して、ポンプの配管に外部から水を入れたり強制循環させたりするための治具を倉庫の奥から引っ張り出してきてつなぎます。水を入れつつ循環させたところ、数年もの間循環をさせずに放置していたためか、非常に汚い不凍液のなれの果てが出てきました。この際、清水で一度配管を清掃することにして、何度か循環をしつつ清水が循環するようになるまで清水と入れ替えをしていきました。また、この時、不凍液が漏れた場所の確認をするため、太陽熱の集熱板のカバーを外して漏れたところを点検。ちょうど接手で漏れていたので、締めなおしたところ漏れがなくなりましたので、とりあえずこれで修理できたことにします。

この状態で、コントローラーをポンプにつないでポンプを動かしたところ、ポンプが少し動いたら止まり、を繰り返していました。ポンプ故障か?と思い、倉庫の奥にこれまたAliexpressで買って放置しておいた24Vポンプに取り換えたところ、新しいのは問題なく動きました。が、またしばらく動くと止まる、ことがわかって調べたところ、コントローラーで24V電池から12Vを作っていたDCDCの容量不足のためらしい・・(ちょっと煙も出ていたような・・・)、DCDCは秋月の大きめのヒートシンクがついているものを前使っていたので、そちらに交換してとりあえずOKとしました。

そしたら、今度は、スイッチングしているMOSFETがちょっと熱め・・のため、やっぱりリレーを使うように変更しようかな、と思いつつ、とりあえず動くので、動作試験はこれでやることに。

ひょっとしたら交換して外したポンプは全くOKの可能性があるので、大事にとっておきます。

3) この後、温水タンクからの水漏れ場所をチェック。接手からの漏れだったので、締めなおしで直るかなと思ったら直らない。接手を外して確認したら、ガスケットが入ってない!

ホームセンター行きたくない一心で倉庫からガスケットを探し出し、直しましたが、温水部分なので断熱材をはがしてまた取り付け、テープ巻き、で結構疲れた。作業としてはこれが一番大変だったような。それになんでガスケット入ってなかったんだろう。と、よく見たら千切れたガスケットが地面に落ちてた。どうもガスケットの千切れで漏れてたようで、接手を外した時に落ちたのね。

4) とりあえず、動作をさせるのに問題があるところは直ったのでこれでお湯を沸かしてみます。今日は天気が良かったので、昼の時間の間に300リットルの水の温度を20℃程度上昇させることができました。ポンプの流量を増すともう少し集熱できたと思いますが、このあたりは、スイッチングの仕組みを変更してチューニングすることにします。

また、並行してクラウドにデータをアップロードする仕組みを検討して実装しました。というか、google spread sheet にデータをアップロードする仕組みをそのままwebから頂き、1分ごとに各部の温度やバッテリー電圧をupload するようにしました。google spread sheetはよくできていて、データをアップロードしたら、リアルタイムでグラフが更新される。すごい。

こんな感じで、自作のシステムは壊れたのを修理するのが前提で運用をするため、状態監視が重要なのですが、簡単に様子がわかるようになりました。図でFloor heaterはサーミスターが壊れてるっぽい?沸かしたお湯を湯船に張った後のデータなので、Tank の底は水道水の温度+αになり、Topはお湯になって、温度の成層がタンクの中で起こっていることがわかります。

あとは、コントローラーのプログラムをアップデートしたりとソフト周りを直すのと、MOSFETのスイッチをリレーを使うように変更したりぐらいかな。今日は、久々に太陽の熱で沸かした風呂でリラックスすることにします。

近況

コメントをいただいて気が付いたんですがかなーり長い間投稿をしていませんでした。

ちょっと仕事が立て込んでいたこともあり、3Dプリンターのこととかその他何も家のことをやっていなかったわけではないのですが、成果が見える形でなかなか出ていなかったので、仕事もひと段落ついていないし、落ち着いてからと思っていたらずいぶん時間が経ってしまいました。

というわけで、現在取り組み中のことの近況だけ。

1.3Dプリンター

こちらは、安定稼働はしていますが、ABSプリントをやる前にRAMPS1.4の基板をフレームにちゃんと取り付けて配線もきれいにしよう、と思ったところで歩みが止まっています。最近は、安いRAMPS用LCD付きコントローラーを買ったので、GコードをPCで生成したら、SDメモリーに書き込み、SDメモリから直接読みだしてプリントという手順を取ることが多いです。こちらの方が、特に複雑なGコードになった時のプリント安定度が高いです(複雑なGコードだとなぜかプリント途中で止まってしまうことがあります)。

2.CNCルーター

こちらは基板づくりに主に活躍してもらっていましたが、ある時から突然Z軸が逆に動き出したりおかしな動きをするようになってしまっていました。PlanetCNCのコントローラーがおかしな動きをするということがわかって、どうしようかなと思っていたのですが、このコントローラーは買い替えるとしてもそれなりの値段がするということで、コントローラーをlinuxcncに変更をしました。

新しい環境に切り替えて今はそれなりに動くようになってはいるのですが、デスクトップPCを久しぶりに作ったり、作ったPCがうまく動作しなかったり、linuxcncの使い方がよくわからず苦労したりと、素直にplanetcncのコントローラーを買い替えた方が安上がりだったような気が・・・。かなり迷走していますが、中華な安物「手パ」を取り付けたりそれなりに拡張しながら楽しんでいます。

3. 新規工作機械の導入。

完全にこれは暴走ですが、卓上旋盤卓上フライス盤をこれまた安物買いのなんとやらで導入しているところです。これらの工作機械を倉庫の中に設置するために、工作台を作ったり、倉庫の電気配線をしたり、倉庫内のレイアウトを変更(模様替え)といろいろやって実家に帰省もしたり、帰省のついでに家族旅行もしてみたりしていたらもう夏も終わりだ。。。

フライスの方は、まだ一回も切削をしていないのに、CNC化したくなり、いじくっているところです。

4.自動水やりシステムの製作

昨年夏に帰省して、帰ってきたら庭木がぐったりとしていたので、反省して、今回の帰省では、自動水やりシステムを作って仕掛けてから帰省してみました。VPNで家のLANに接続し、ソレノイドバルブをArduinoで制御して水道の水を庭に撒けるようにしただけですが、基板には一応地温や地中水分量の測定をできるようにしようと思って設計をしてありますが、測定のソフトの作りこみまで帰省前に終わらせられなかったのでまだ中途半端品です。帰省出発の1時間前に現場初テストというひどいものでしたが、一応帰省中自動で水やりをしてくれていたようです。よかった。

とはいえ、帰省中水道出しっぱなしの恐怖で気が気ではありませんでしたので、このままではダメっぽい。

5.太陽熱温水システム修理

突然お湯が沸かなくなったので、調べてみたら安さに負けて購入して使っていた中華なバルブが使用1年でリークするようになって、温水が循環しなくなってました。やはり信頼性の低い部品をクリティカルな部分に使っちゃだめだな。ということで、今日これはもうちょっとまともそうな部品を使って直したばかりです。

こんなところで、明日からまた仕事に頑張らなければ。

 

 

太陽熱温水器 不凍液変更後の様子

今朝からよく晴れていますので、不凍液変更後の太陽熱温水器の性能を確認します。

朝、不凍液の配管のポンプによる流速を測ると2.7リットル/分と流れが悪いです。不凍液の粘性が水よりかなり高いためか、ポンプの力が足りなさげな感じです。温度が上がると多少粘性が下がって流れやすくはなりそうな気がしますがそれにしても流量が足りない。

今日は一日晴れでしたが、水の温度20℃からはじめて、最終的に300リットルの湯の温度は47℃までは到達しました。

temperature

それなりに太陽の射す角度が下がってきたようで、太陽光の強度を測っている天頂を向いているセンサーの出力は12mAで夏よりは低下していますが、もう少し頑張ってほしいところ。

水媒体の時ともう少しよく比べて検討をしてみようと思います。

太陽熱温水器 配管エア抜き

先日太陽熱温水器の熱媒体を不凍液に換えたんですが、昨日天候はそれなりだったのですがお湯が思うようにできませんでした。データを見ると、集熱板の温度と、熱交換器への入力のお湯の温度があまり違いません。これまでは、どんどん温水タンクに熱を移動させていますので、集熱板の温度と熱交換器への入力のお湯の温度はそれなりに違っていたのですが、熱媒体の交換後は異常です。

temperature

時刻7038 から7050が昨日の様子ですが、集熱板の温度(赤)と熱交換器の入力のお湯の温度(紫)がほとんど一緒です。そして、昨日は日照があったにもかかわらず、タンクのお湯の温度(茶色と黄色)は30℃までにしか上昇しませんでした。

おそらく、熱媒体の循環が十分でなく、集熱板が受けた熱をうまく熱交換器で温水タンクに移動できていなかったのではないかと想像します。一番可能性があるのは、熱媒体を不凍液に交換したときに配管内に空気が溜まっていてうまくポンプが作動できていないことかなと思い、配管のエア抜きをしてみました。

エア抜きは、熱媒体の交換に使った配管とほぼ同じですが、戻ってきた媒体をペットボトルに溜めて媒体に混じっている空気をパージします、そこから、バスポンプを使って、配管に熱媒体(不凍液)を加圧しつつ戻すようにしました。

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バスポンプは最初動かすときに呼び水が必要だったようで、苦労しましたが、循環がうまく始まると、戻り配管からたくさんの空気混じりの不凍液が戻ってきました。やっぱりね。

しばらく循環させていると、ポンプの運転音も非常に静かになり、空気抜きがうまくいったようです。
空気混じりの不凍液がでてこないことをしばらく確かめて終了。

ついでに、これまでちゃんと測れていないようだった熱交換器の交換後の熱媒体の温度(グラフの緑)を測れるようにセンサーの取り付けを改良しました。改良後は、温水タンクの底部の温度とほぼ同じ温度になったので、OKそう。

明日以降しばらく天気が悪そうなので、改善を確かめるのは週明けになりそうですが、とりあえず作業記録として書いておきます。

太陽熱温水器 不凍液に交換

太陽熱温水器は夏に稼働させたので、当初は循環の熱媒体に水を使っていました。これは故障などがあるかもしれないので、いきなり不凍液で動かすのは何かあったら不凍液がもったいないということからでした。

調子よく4か月程度稼働したのですが、これから季節は冬に向かっていきます。温水器は、太陽から熱をもらうわけですが、夜間は、逆に宇宙空間に熱を集熱板が放射することもあり、気温よりも晴天の場合集熱配管が冷えます。そうすると、水だと凍結して銅管が破裂したりしてトラブルとなりますので、最近急に朝晩が冷え込むようになりましたので、忘れる前に熱媒体を不凍液に交換しておくことにしました。

使用した不凍液はこれ。
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プロピレングリコール37%+防錆材とのことで、-20℃までOKとのことです。

これを集熱系の配管に循環させてやるわけですが、あらかじめ温水器に組み込んである熱媒体交換用の配管を使って、温水器のポンプを使って入れ替えてやります。
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じょうごが見当たらなかったので、ペットボトルと散水ホースをビニテでつなげて大容量のじょうごを作りました。これがないと、不凍液がポンプを回すと吸い込まれていきますが、空気を配管に混ぜる結果になったりしてよろしくないです。

不凍液は真っ赤に着色されているので、これが排水側のバケツに出てくるまでじっくり待ちます。
15分もかからず交換終了。7~8リットル程度配管には入っているようです。10リットル不凍液買ったので半端に余ってしまった。

これで冬も安心かな。