太阳能控制系统

太阳能控制系统（精选12篇）

太阳能控制系统 篇1

我国北方地区冬季必须进行采暖。目前国内取暖主要使用煤或天然气, 取暖费用高, 成为家庭与企业的沉重负担。开发环保可再生, 且节能省钱的新能源采暖方式势在必行。太阳能具有储量的“无限性”、存在的普遍性、开发利用的清洁性等特点, 是一种非常好供暖的能源[1]。本系统充分利用太阳能源实现冬季供暖, 降低供暖成本, 克服了用煤取暖的高费用和煤供暖时室内温度的不稳定性。同时本系统还可以实现夏季制冷, 实现了双重功能。

1 系统总体设计

该系统采由两套供暖系统构成, 一套为供暖管道供暖方式, 另一套为热泵空调构成的太阳能供暖控制系统。供暖时, 太阳能集热器内的水由水泵直接送入供取暖管道后, 经散热片向室内提供热量。当温度传感器检测到保温储水箱内的水温不满足直接为室内供暖时, 此时起动热泵空调供暖系统, 使二者同时工作;若集热器内温度低于室内温度则由热泵空调单独供热;当保温储水箱内温度低于地下水温度时采用地下水进行换热供暖。热泵空调系统主要由太阳能集热器、保温储水箱、蒸发器、压缩机、冷凝器、显示控制单元组成等组成。保温储水箱内的热水进入蒸发器、四通换向器、压缩机、冷凝器后向室内提供热量, 以满足室内供暖的要求。经冷凝器冷凝出来的水再送入太阳能集热器内, 达到水的循环利用。气温高制冷时, 太阳能集热器内的水由于温度过高不宜为室内制冷, 此时, 使用地下井水为室内制冷, 地下水可以直接送入取暖管道内循环, 由于地下井水的温度很低, 在取暖管道循环时换走了室内的热量, 降低了室内的温度。当采用地下井水不能达到室内要求温度时, 启动热泵空调的制冷功能, 使二者同时运行制冷。压缩机将吸热端吸入的低温低压制冷剂气体经压缩后变成高温高压制冷剂气体排入冷凝器后, 被接在冷凝器侧地下水系统冷却变成中温中压制冷剂液体, 制冷剂液体再进入蒸发器进一步膨胀蒸发吸热。同时整个系统还可以对室内的温度进行控制, 这样不仅保证了整个系统的完整性, 更考虑到际应用价值 (图1) 。

2 硬件电路的设计

硬件电路主要由温度检测模块、键盘显示模块和驱动模块等组成, CPU采用AT89S52单片机。室内温度检测部分要对室内温度进行多点检测, 然后将各点检测温度送入单片机处理, 求出室内平均温度, 并通过显示单元显示, 单片机根据检测到的温度去控制压缩机的工作。储水箱温度检测是对由集热器加热后的冷水进行温度检测, 把检测到的模拟量送入A/D转换器, 然后经模/数转换后再送入单片机进行数据处理, 最后由显示单元显示出储水箱内的温度。系统可以通过键盘对室内的温度进行设定, 满足室内温度的要求。

系统中温度检测主要由两部分组成, 一部分为Pt100对储水箱温度的检测, 为用户提供经太阳能加热后的水的温度, 看看是否适合供暖和生活用水。另一部分是用DS18B20对室内温度的检测。对室内温度的检测, 而去控制压缩机工作, 以便为用户提供舒适的室内温度 (图2) 。

如图2所示, 为Pt100的测温原理图, 由Rt (Pt100) 和R1、R2、R3组成传感器电桥电路, 其输出经三运放高共模抑制比放大电路进行信号放大。然后接采样保持器输送到A/D转换芯片中进行A/D转换。r为铂电阻的补偿导线。三个运算放大器采用OP37组成高共模抑制比放大电路。铂电阻采用Pt100, 测量精度为0.01℃。已知铂热电阻随温度变化的公式

式中, Rt是温度为t时的铂电阻值;A=3.908 02×10-3;B=-5.80195×10-7;t为温度;R0是0℃时的铂电阻值, 得到公式

按公式 (7) 可以计算出温度为t时的电阻值。但由铂电阻的阻值很难直接求解出温度值, 使用表格线性插值法进行温度的标度变换[2], 把步长为1℃的Pt100所对应的电阻值表用三次插值法细化成步长为0.1℃。将测得的电阻值与表中电阻值进行比较, 直到Rn

3 系统软件设计

系统程序住主要包括主程序、DS18B20温度检测子程序、Pt100温度检测子程序、压缩机驱动子程序、四通换向器驱动子程序、循环泵驱动子程序等。

主程序主要完成系统数据的初始化, 进行程序自检并判断仪器是否能正常工作, 以及设置中断响应及一些功能的判别等。系统投入运行的最初时刻, 应该对系统进行自检和初始化。开机自检在系统初始化前执行, 如果自检无误, 则对系统进行正常初始化, 通常包括硬件初始化和软件初始化两个方面。硬件初始化工作是指对系统中的各种硬件资源设定明确的初始状态, 如对各种可编程芯片进行编程, 对各I/O端口设定初始状态和为单片机的硬件资源分配任务等。

4 系统应用效果

本系统在一平房住宅实际应用 (住宅房顶和墙壁加了保温板) , 效果较好。

当户外温度低于30℃时, 只采用地下水制冷可使室内温度低于24℃;当温度达到35℃时, 要开启热泵空调时二者同时工作可使室内温度低于24℃。冬季供暖时, 如果阳光充足, 当户外温度高于-10℃时, 户内温度可达18℃;当户外温度高于-20℃时, 只采用太阳能热水供暖, 户内温度可达14℃;当温度在降低时, 需开启热泵空调供暖。

该住宅每年用煤取暖, 大约需要2 000～2 500元钱;夏天采用空调制冷大约需电费1 000～2 000元。而冬天供暖基本上保证室内温度14℃左右;夏天制冷时也只是开部分空调, 或偶尔开空调。如果要想使冬天和夏天室内温度达到理想情况, 那么煤和电的成本将会是原来的3倍左右。采用本系统后。是室内温度达到理想效果时的成本仅为2 000～2500元钱。

5 结语

目前, 冬季供暖成本高, 污染严重, 是人们一直亟待解决的实际问题。针对此问题设计了清洁、低成本的太阳能供暖系统。本系统应用到生产生活中后, 将对现在的供暖带来巨大的变革。

系统使用时要做好储水箱的保温和房屋的保温工作[3];同时采用地下水制冷时还要注意一个问题:供暖管道和暖气片会结露, 露水使室内潮湿, 同时会腐蚀管道。所以管道尽量不采用钢铁类材质;而暖气片采用碳钢类或铜铝等材质。但结露情况目前还没有解决办法, 今后会进一步研究探讨。

摘要：该供暖系统由双系统构成, 一种是常规的供暖管道供暖系统, 另一种是热泵构成的供暖系统。供暖时, 太阳能集热器内的热水直接经供暖管道循环向室内供暖;当储水箱内的水温较低不适合直接使用时, 启动热泵供暖系统供暖;需要制冷时, 直接使用井水在暖气管道内循环制冷。控制部分以单片机为核心, 可通过键盘对室内的温度进行设定, 由温度传感器对室内的温度进行检测, 与设定值比较, 进而控制压缩机工作;根据检测到的温度值, 实现地下水和太阳能热水之间的转换, 从而实现制冷与制热之间的切换。本系统使用后可以充分利用了太阳能供暖和夏天制冷, 同时又节省电能。

关键词：太阳能集热器,四通换向控制,供暖控制,制冷控制

参考文献

[1]马东华, 杨庆.太阳能预加热热水系统方案设计研究[J].给水排水.2009, 35 (2)

[2]尹伦海, 梁清华.电热带电热特性的实验探讨[J].科技信息, 2008, (1) :11～12

[3]苏文佳, 左然.太阳能平板集热与储热系统[J].太阳能学报, 2008, 29 (4)

太阳能控制系统 篇2

太阳能发电系统

太阳能发电系统由太阳能电池组、太阳能控制器、蓄电池（组）组成。如输出电源为交流220V或110V，还需要配置逆变器。

系统分类

太阳能发电系统分为离网发电系统与并网发电系统：

1、离网发电系统：主要由太阳能电池组件、控制器、蓄电池组成，如输出电源为交流220V或110V，还需要配置逆变器。

2、并网发电系统就是太阳能组件产生的直流电经过并网逆变器转换成符合市电电网要求的交流电这后直接接入公共电网。并网发电系统有集中式大型并网电站一般都是国家级电站，主要特点是将所发电能直接输送到电网，由电网统一调配向用户供电。但这种电站投资大、建设周期长、占地面积大，还没有太大发展。而分散式小型并网发电系统，特别是光伏建筑一体化发电系统，由于投资小、建设快、占地面积小、政策支持力度大等优点，是并网发电的主流。

折叠系统

可移动的折叠式太阳能发电系统，主要由箱体（1）、太阳能电池板（2）、U型槽边框（3）、滑轮组

（4）、箱体内滑轨（5）、箱体内滑轨支架（6）、箱体车轮支座（7）、箱体车轮（8）、隔离保护垫（9）、箱体外滑轨（10）、箱体外滑轨支架（11）和三相链接件（12）组成，其特征在于：太阳能电池板（2）、U型槽边框（3）、滑轮组（4）、箱体内滑轨（5）、箱体内滑轨支架（6）、隔离保护垫（9）、箱体外滑轨（10）、箱体外滑轨支架（11）和三相链接件（12）设置在箱体（1）内，箱体车轮支座（7）和箱体车轮（8）设置在箱体（1）底板（11）外底面，呈一体式的箱体结构，结构紧凑，供电量大，能够快速完成安装使用和快速撤离现场.太阳能电池板

分类 晶体硅电池板：多晶硅太阳能电池、单晶硅太阳能电池。

[1]

太阳能电池板

非晶硅电池板：薄膜太阳能电池、有机太阳能电池。化学染料电池板：染料敏化太阳能电池。（1）单晶硅太阳能电池

单晶硅太阳能电池的光电转换效率为15%左右，最高的达到24%，这是所有种类的太阳能电池中光电转换效率最高的，但制作成本很大，以致于它还不能被普遍地使用。由于单晶硅一般采用钢化玻璃以及防水树脂进行封装，因此其坚固耐用，使用寿命一般可达15年，最高可达25年。

（2）多晶硅太阳能电池

多晶硅太阳电池的制作工艺与单晶硅太阳电池差不多，但是多晶硅太阳能电池的光电转换效率则要降低不少，其光电转换效率约12%左右(2004年7月1日日本夏普上市效率为14.8%的世界最高效率多晶硅太阳能电池)。从制作成本上来讲，比单晶硅太阳能电池要便宜一些，材料制造简便，节约电耗，总的生产成本较低，因此得到大量发展。此外，多晶硅太阳能电池的使用寿命也要比单晶硅太阳能电池短。从性能价格比来讲，单晶硅太阳能电池还略好。（3）非晶硅太阳能电池

非晶硅太阳电池是1976年出现的新型薄膜式太阳电池，它与单晶硅和多晶硅太阳电池的制作方法完全不同，工艺过程大大简化，硅材料消耗很少，电耗更低，它的主要优点是在弱光条件也能发电。但非晶硅太阳电池存在的主要问题是光电转换效率偏低，国际先进水平为10%左右，且不够稳定，随着时间的延长，其转换效率衰减。（4）多元化合物太阳电池

多元化合物太阳电池指不是用单一元素半导体材料制成的太阳电池。各国研究的品种繁多，大多数尚未工业化生产，主要有以下几种：a)硫化镉太阳能电池b)砷化镓太阳能电池c)铜铟硒太阳能电池(新型多元带隙梯度Cu(In, Ga)Se2薄膜太阳能电池)Cu(In, Ga)Se2是一种性能优良太阳光吸收材料，具有梯度能带间隙（导带与价带之间的能级差）多元的半导体材料，可以扩大太阳能吸收光谱范围，进而提高光电转化效率。以它为基础可以设计出光电转换效率比硅薄膜太阳能电池明显提高的薄膜太阳能电池。可以达到的光电转化率为18%，而且，此类薄膜太阳能电池到目前为止，未发现有光辐射引致性能衰退效应（SWE），其光电转化效率比商用的薄膜太阳能电池板提高约50~75%，在薄膜太阳能电池中属于世界的最高水平的光电转化效率。

控制器

太阳能控制器是由专用处理器CPU、电子元器件、显示器、开关功率管等组成。

太阳能控制器

■ 主要特点：

1、使用了单片机和专用软件，实现了智能控制；

2、利用蓄电池放电率特性修正的准确放电控制。放电终止电压是由放电率曲线修正的控制点，消除了单纯的电压控制过放的不准确性，符合蓄电池固有的特性，即不同的放电率具有不同的终止电压。

3、具有过充、过放、电子短路、过载保护、独特的防反接保护等全自动控制；以上保护均不损坏任何部件，不烧保险；

4、采用了串联式PWM充电主电路，使充电回路的电压损失较使用二极管的充电电路降低近一半，充电效率较非PWM高3%-6%，增加了用电时间；过放恢复的提升充电，正常的直充，浮充自动控制方式使系统由更长的使用寿命；同时具有高精度温度补偿；

5、直观的LED发光管指示当前蓄电池状态，让用户了解使用状况；

6、所有控制全部采用工业级芯片（仅对带I工业级控制器），能在寒冷、高温、潮湿环境运行自如。同时使用了晶振定时控制，定时控制精确。

7、取消了电位器调整控制设定点，而利用了E方存储器记录各工作控制点，使设置数字化，消除了因电位器震动偏位、温漂等使控制点出现误差降低准确性、可靠性的因素；

8、使用了数字LED显示及设置，一键式操作即可完成所有设置，使用极其方便直观的作用是控制整个系统的工作状态，并对蓄电池起到过充电保护、过放电保护的作用。在温差较大的地方，合格的控制器还应具备温度补偿的功能。其他附加功能如光控开关、时控开关都应当是控制器的可选项；

蓄电池

蓄电池的作用是在有光照时将太阳能电池板所发出的电能储存起来，到需要的时候再释放出来。太阳能蓄电池是‘蓄电池’在太阳能光伏发电中的应用，采用的有铅酸免维护蓄电池、普通铅酸蓄电池,胶体蓄电池和碱性镍镉蓄电池四种。国内被广泛使用的太阳能蓄电池主要是：铅酸免维护蓄电池和胶体蓄电池,这两类蓄电池，因为其固有的“免”维护特性及对环境较少污染的特点,很适合用于性能可靠的太阳能电源系统,特别是无人值守的工作站。

逆变器

为能向220VAC的电器提供电能，需要将太阳能发电系统所发出的直流电能转换成交流电能，因此需要使用DC-AC逆变器。逆变器又分为离网逆变器和并网逆变器。

设计因素

太阳能发电系统的设计需要考虑的因素：

吉光光电

1、太阳能发电系统在哪里使用？该地日光辐射情况如何？

2、系统的负载功率多大？

3、系统的输出电压是多少，直流还是交流？

4、系统每天需要工作多少小时？

5、如遇到没有日光照射的阴雨天气，系统需连续供电多少天？

6、负载的情况，纯电阻性、电容性还是电感性，启动电流多大？

7、系统需求的数量。

创世纪

太阳能发电有更加激动人心的计划。一是日本提出的创世纪计划。准备利用地面上沙漠和海洋面积进行发电，并通过超导电缆将全球太阳能发电站联成统一电网以便向全球供电。据测算，到2000年、2050年、2100年，即使全用太阳能发电供给全球能源，占地也不过为 65.11万平方公里、186.79万平方公里、829.19万平方公里。829.19万平方公里才占全部海洋面积 2.3%或全部沙漠的 51.4%，甚至才是撒哈拉沙漠的 91.5%。因此这一方案是有可能实现的。

天上发电

早在1980年美国宇航局和能源部就提出在空间建设太阳能发电站设想，准备在同步轨道上放一个长10公里、宽5公里的大平板，上面布满太阳电池，这样便可提供500万千瓦电力。但这需要解决向地面无线输电问题。现已提出用微波束、激光束等各种方案。虽已用模型飞机实现了短距离、短时间、小功率的微波无线输电，但离真正实用还有漫长的路程。

科技中心

随着我国技术的发展，在2006年，中国有三家企业进入了全球前十名，标志着中国将成为全球新能源科技的中心之一，世界上太阳能光伏的广泛应用，导致了缺乏的是原材料的供应和价格的上涨，我们需要将技术推广的同时，必须采用新的技术，以便大幅度降低成本，为这一新能源的长远发展提供原动力！

太阳能

太阳能的使用主要分为几个方面：家庭用小型太阳能电站、大型并网电站、建筑一体化光伏玻璃幕墙、宇翔太阳能路灯、风光互补路灯、风光互补供电系统等，主要的应用方式为建筑一体化和风光互补系统。电池生产

世界已有近200家公司生产太阳能电池，但生产设备厂主要在日企之手。

韩国三星、LG都表示了积极参与的愿望，中国海峡两岸同样十分热心。据报道，我国台湾2008年结晶硅太阳能电池生产能力达2．2GW，以后将以每年1Gw生产能力扩大，当年并开始生产薄膜太阳能电池，将大力增强，台湾期待向欧洲“太阳能电池大国”看齐。2010年各国及地区有1GW以上生产计划的太阳能电池厂商有日本Sharp，德国Q—Cells，Scho~Solar，挪威RWESolar，中国SuntechPower等5家公司，其余7家500MW以上生产能力的公司。

电池市场

世界太阳能电池市场高歌猛进，一片大好，但百年不遇的金融风暴带来的经济危机，同样是压在太阳能电池市场头上的一片乌云，主要企业如德国Q—Cells的业绩应声下调，世界太阳电地市场也会因需求疲软、石油价格下降而竞争力反提升等不利因素而下挫。但与此同时，人们也看到美国．奥巴马上台后即将施行GreenNewDeal政策，包括其内的绿色能源计划可有1500亿美元的补助资金，日本也将推行补助金制度来继续普及太阳能电池的应用。

当前，中国太阳能电池企业之前约90%的产量供应海外市场，主要面向欧洲国家及美国，但随着欧债危机持续发酵，美国商务部也于2012年3月份作出了对华太阳能电池产品反补贴调查的初裁，认定中国涉案企业存在2.9%-4.73%不等的补贴幅度，并追溯90天征税。这些因素直接影响到了这些企业的业绩，因此相关企业及时做出了经营战略调整，转投中国本土市场。2011年7月，中国政府公布了太阳能光伏发电上网电价，受此影响，多家企业开始计划在国内兴建大规模太阳能发电站，中国太阳能电池企业将重点转向开拓本土市场。中国有800多家太阳能电池企业，预计今后在本土市场的竞争将十分激烈。

应用领域

一、用户太阳能电源：（1）小型电源10-100W不等，用于边远无电地区如高原、海岛、牧区、边防哨所等军民生活用电，如照明、电视、收录机等；（2）3-5KW家庭屋顶并网发电系统；（3）光伏水泵：解决无电地区的深水井饮用、灌溉。

二、交通领域如航标灯、交通/铁路信号灯、交通警示/标志灯、宇翔路灯、高空障碍灯、高速公路/铁路无线电话亭、无人值守道班供电等。

三、通讯/通信领域：太阳能无人值守微波中继站、光缆维护站、广播/通讯/寻呼电源系统；农村载波电话光伏系统、小型通信机、士兵GPS供电等。

四、石油、海洋、气象领域：石油管道和水库闸门阴极保护太阳能电源系统、石油钻井平台生活及应急电源、海洋检测设备、气象/水文观测设备等。

五、家庭灯具电源：如庭院灯、路灯、手提灯、野营灯、登山灯、垂钓灯、黑光灯、割胶灯、节能灯等。

六、光伏电站：10KW-50MW独立光伏电站、风光（柴）互补电站、各种大型停车厂充电站等。

七、太阳能建筑将太阳能发电与建筑材料相结合，使得未来的大型建筑实现电力自给，是未来一大发展方向。

八、其他领域包括：（1）与汽车配套：太阳能汽车/电动车、电池充电设备、汽车空调、换气扇、冷饮箱等；（2）太阳能制氢加燃料电池的再生发电系统；（3）海水淡化设备供电；（4）卫星、航天器、空间太阳能电站等。特点

太阳能取之不尽，用之不竭。据估算，一年之中投射到地球的太阳能，其能量相当于137万亿吨标准煤所产生的热量，大约为全球一年内利用各种能源所产生能量的两万倍。

二、太阳能在转换过程中不会产生危及环境的污染。

三、太阳能资源遍及全球，可以分散地、区域性地开采。我国约有2/3的地区可以较好利用太阳能资源。

四、光伏发电是间歇性的，有阳光时才发电，且发电量与阳光的强弱成正比关系。

五、光伏发电是静态运行，没有运动部件，寿命长，无需或极少需要维护。

六、光伏系统模块化，可以安装在靠近电力消耗的地方，在远离电网的地区，可以降低输电和配电成本，增加供电设施的可靠性。

优缺点

优点

1、太阳能取之不尽，用之不竭，地球表面接受的太阳辐射能，能够满足全球能源需求的1万倍。只要在全球4%沙漠上安装太阳能光伏系统，所发电力就可以满足全球的需要。太阳能发电安全可靠，不会遭受能源危机或燃料市场不稳定的冲击；

2、太阳能随处可处，可就近供电，不必长距离输送，避免了长距离输电线路的损失；

3、太阳能不用燃料，运行成本很低；

4、太阳能发电没有运动部件，不易用损坏，维护简单，特别适合于无人值守情况下使用；

5、太阳能发电不会产生任何废弃物，没有污染、噪声等公害，对环境无不良影响，是理想的清洁能源；

6、太阳能发电系统建设周期短，方便灵活，而且可以根据负荷的增减，任意添加或减少太阳能方阵容量，避免浪费。

缺点

1、地面应用时有间歇性和随机性，发电量与气候条件有关，在晚上或阴雨天就不能或很少发电；

2、能量密度较低，标准条件下，地面上接收到的太阳辐射强度为1000W/M^2。大规格使用时，需要占用较大面积；

3、价格仍比较贵，为常规发电的3~15倍，初始投资高。

控制板

结合太阳能发电系统控制板的研发案例，针对并联多个太阳能电池板的系统进行调整的问题，以下就降低成本和增设并联个数的方法进行介绍。1 系统概要

图1为大规模太阳能发电系统的原理框图。

该系统的特点是，太阳能电池板和单元逆变器分组与系统相连(AC连接)，将系统保护等信息汇总后作为信号发送到主控制器，并由此控制器控制各单元逆变器(通过RS485通信连接到菊花链连接)。

每个单元逆变器的控制部分如图2所示。

通过使用本公司的标准DSP基板(PE—PR0/C32)，可实现以上规格的MPPT控制及系统联合。在该基板的基础上添加通信等功能后形成图2所示的控制板部分。电源部分由终端用户设计制作。主电路如图3所示。2 研发案例

当日寸进行设计时，是在本公司的标准产品DSP基板的基础上进行研发的，因此研发试样机器只用了3个月，大大缩短了研发时间，并很快进入测试阶段(PE—PR0/C32：DSP使用TI公司的高速浮动小数点型DSP TMS320C32)。

图3为主电路

同时，为了降低销售成本，我们又设计开发了使用瑞萨公司的RISC CPU SH7065(固定小数点型)的新控制基板。通过使用RISC CPU，在配置上可以削减A/D变换器等昂贵的部件，使切换更流畅。

基于本公司的开发系统，核心芯片由DSP(TMS320C32)变为RISC CPU(SH7065)的过程中，无需因考虑电脉冲计数等因素而大幅修改程序。这是因为其采用了特有的模拟浮动小数点，使固定小数点和浮动小数点之间的程序转移变得简单。而这些都可以通过本公司的标准库(PEOS)来实现。3 结束语

太阳能控制系统 篇3

关键词： 塔式太阳能发电； 定日镜； 遗传算法； 控制系统结构； 电路设计

中图分类号： TP 27文献标志码： A

文章编号： 1008-8857（2016）03-0125-06

Abstract： With the problems of low tracking accuracy and high construction cost of the heliostat tracker in the solar thermal power tower，the combination of the selection mechanism of genetic algorithm and the feedback mechanism of energy changes in the heat absorption tower was proposed to improve the tracking controller.Optoelectronic sensors were equipped in a few of heliostats.Based on these heliostat control angles，the angles of the other heliostats were adjusted.The communication framework and the circuit of tracking controller were designed using DSP as the control core.Experimental results showed that the proposed solar tracking controller could reduce the number of optoelectronic sensor and the construction cost of solar thermal power plant without reducing the overall control precision of the solar thermal power tower.At the same time，the control system had the ability of automatic adjustment when its tracking control depended on the trajectory of the sun.

Keywords： solar power tower； heliostat； genetic algorithm； structure of control system； circuit design

在光热发电领域中采用太阳能跟踪控制方式是提高定日镜接收率的最有效途径之一[1].目前采用的太阳能跟踪控制有多种控制方式，如气动式、压差式、电控式等[2].在如何提高单个定日镜跟踪精度方面已取得很多成果[3]，但是对于大规模光热电站中数目众多的定日镜的整体控制还没有成熟的方案[4].若仅采用光电检测式跟踪控制，虽然具有较高的精度，但高昂的成本使其离商业化运行还有差距[5]；而属于开环控制的视日轨迹跟踪控制虽然有着很好的跟踪稳定性[6]，但其缺乏自动调整能力[7]，使得其整体跟踪精度不高，导致太阳能的整体利用率较低.

为了不增加定日镜数目并保证光热电站定日镜的整体控制精度，采用遗传算法对太阳能跟踪控制策略进行改进.文献[8-9]基于单片机技术，研究了满足复合控制功能要求的太阳能跟踪控制装置.在此基础上，本文对控制系统的结构进行了优化设计，并完成了高精度控制器的硬件电路设计.在保证光热电站整体发电效率的同时，大大减少了光电检测元件的安装数量，使复合控制与大规模光热电站定日镜跟踪控制能更好地结合.

1 控制系统结构设计

本文采用基于遗传算法改进的复合控制方案[10].光热电站中设置光电基准型和受控型两种类型定日镜.光电基准型定日镜通过光电检测跟踪和视日轨迹跟踪确定定日镜最佳接收角度，受控型定日镜根据光电基准型定日镜的最佳角度形成域值范围，并在此范围内采用遗传算法进行调整.光热电站中光热基准型定日镜数量记为n，受控型定日镜数量记为m.在控制系统的通信框架中，以n台光电基准型定日镜为主站，在分站1、2、3内设置多台PC机从站，光电基准型定日镜与分站通信方式为多主对多从，采用CAN总线的通信模式完成数据交换.分站1、2、3负责将光电基准型定日镜调整的最佳角度实时传递给总站，总站根据光电基准型定日镜最佳角度形成的域值并经遗传算法运算形成随机角度，并将其传递给分站4、5、6、7，分站再将角度分配给每一个受控型定日镜.控制系统的通信框架图如图1所示.

2 光电基准型定日镜控制器电路框架设计

光电基准型定日镜控制系统主要包括5个模块：电源电路、检测电路、主控电路、通信电路、伺服电机及其驱动器.电源电路主要为系统提供稳定的工作电压.检测电路中配备有四象限光电检测装置及信号处理电路，通过四象限光强变化采集太阳方位信息，并将其转化为电信号传递给主控电路.主控电路是整个控制系统的核心模块，负责计算太阳方位、接收采集信息、控制伺服电机运转等重要功能，主要由DSP控制电路、AD采样电路、PWM输出电路、复位电路、JTAG电路、时钟电路、EEPROM构成.通信电路负责PC机与光电检测元件的数据传递，本文采用CAN总线通信电路和RS232串口通信电路.采用直流无刷伺服电机及其配套的直流伺服驱动器.光电基准型定日镜控制系统示意图如图2所示.

3 电源电路设计概要

硬件电路系统均需电源电路.在光电基准型定日镜跟踪控制系统电路中，各模块所需的额定电压不同，对电压稳定性的要求也不同.因此，需要针对特定的模块设计相应的电源电路.

3.1 开关电源选型220 V24 V

系统采用供电电压为24 V的直流电.考虑到各个模块工作时额定功率、电压、电流等的要求，尤其要保证伺服电机能够正常驱动，本文选择型号为YXW24 V10 A240 W的220 V24 V、AC转DC开关电源，其各项参数满足硬件系统的性能要求.

3.2 24 V电源抗干扰电路

为保证硬件系统正常工作，需要电源电压工作稳定，并具有较强的抗干扰能力.因此，需对电源电压进行滤波、稳压处理，据此在抗干扰电路设计中增加防反接二极管、稳压二极管稳定电压，增加双向共模电感，以消除共模电磁干扰，增加电容起到滤波作用.

3.3 24 V10 V DCDC降压电路设计

本文选择以LM5008A型降压开关稳压芯片为核心处理单元来设计24 V10 V DCDC降压开关稳压器.该方案可确保短路控制，同时提供最低的折返，具有热关断、VCC欠压锁定、栅极驱动欠压锁定、最大占空比限制器和预充电开关等功能.

3.4 5 V、3.3 V、1.8 V电压电路设计

根据不同电路对电压的要求，可在获得10 V电压后经芯片进行转换.TLV70450DBV、TLV70436DBV芯片可以将10 V电压转换为5 V和3.3 V电压，而1.8 V电压可由5 V电压通过TI公司的PS767D301芯片进行转换.

4 检测电路设计

检测电路系统共有5个模块：四象限传感器模块、信号放大电路模块、精密有源绝对值电路模块、比较电路模块、有源滤波电路模块.其工作原理为四象限传感器模块将光信号转化为电信号，再通过信号放大模块将电压信号进行差动放大及去干扰，精密有源绝对值电路负责获取电信号的大小，比较电路模块则用来判断电压方向，最后通过有源滤波电路模块传给主控单元.

4.1 四象限传感器模块

光电检测四象限法中采用的核心元件为四象限光电传感器[11]，其原理为利用各象限光照不均产生压差来工作.四象限检测法就是将光电检测区域分为四部分，将四象限传感器安放其中，并根据传感器中的电流大小和方向判断各象限接收到的光照情况，从而做出相应的调整.

当太阳垂直对准定日镜时，太阳入射光斑位于光电检测元件的正中心，这样四个象限内光照一致，不会产生电压差.当太阳入射方向发生偏移时，入射光斑在四个象限中的位置会产生偏移，四象限因光照不均产生电压差形成电流回路，经计算可得出当前定日镜与最佳方位偏离的角度，从而对定日镜的转角位置重新进行调整，使其达到与太阳光照方向垂直的效果.

4.2 信号放大电路设计

四象限光电传感器的电压差是因太阳光在各象限内光强不均产生的，由光强信号改变而引起的电压差不足以为主控芯片提供变化的电压信号，而且微弱的信号易受到外界信号的干扰，需要对其进行放大、抗干扰处理.双端输入、单端输出的差动放大电路具有共模抑制比高、不易受外界信号干扰等优点.信号放大电路的前级采用同向放大电路，通过电路的高阻抗特性放大输入信号的电压差，然后在后级使用差分放大器消除前级同向电路采入信号的共模偏差，增强电路的抗干扰能力.

信号放大电路如图3所示，其中R1=R3，R4=R5，R6=R7；U1为输入电压；U2为输出电压；输入信号的放大倍数Ud可由式（1）得出，即

4.3 精密有源绝对值电路设计

为方便DSP（digital signal processing）的信号处理，在AD采样电路中加入可将负电压转化为正电压，并保持外界电压信号大小的精密有源绝对值电路.其工作原理为：当输入电压U3>0时，运算放大器oc1的输入小于0，运算放大器oc2的输入大于0，二极管D2导通，D1两端施加了方向电压而被强制关断，oc2则为电压跟随器，输出电压U4=U3；当U3<0时，运算放大器oc1的输出大于0，运算放大器oc2的输出小于0，二极管D1导通，D2两端施加了反向电压而被关断，oc2作为反向电路，使得U4=-U3.精密有源绝对值电路原理图如图4所示.

4.4 比较电路设计

精密有源放大电路只能传递信号的大小，需经比较电路判断输入信号的方向.传感器信号经过差动放大电路后从比较电路的3脚输入.若输入信号大于0，则3脚电压低于2脚接地电压0 V，6脚输出高电平3.3 V；若输入信号小于0，3脚电压高于2脚接地电压0 V，6脚输出电压为低电平0 V.通过比较电路可知四象限传感器产生的电流方向，从而得出光信号更强的传感器象限的相关信息，进而推断出太阳方位的变化.比较电路原理图如图5所示.

4.5 有源滤波电路设计

滤波电路的设计就是求解出通带放大系数Aup、截止频率fp和过渡带的斜率.有缘滤波器与无源滤波器相比，无源滤波器是由电阻、电容组成的滤波器，其截止频率受负载的变化而变化，较不稳定.而有源滤波器是在无源滤波器后接电压跟随器，由于电压跟随器的输入电压无穷大，即可以将负载与无源滤波器隔离，使负载对滤波器截止频率无影响.有源滤波器只适用于信号的处理，不适合高电压、大电流负载.而无源滤波器常用于整流后的滤波，高电压、大电流的滤波常采用LC电路.本文中传感器的传递频率为10～15 Hz，属于低频，所以设计为低通滤波器（LPF）.

5 主控电路设计

主控电路以DSP为核心处理芯片，设置相关外设组成核心电路板，主要由DSP控制芯片、AD采样电路、PWM输出电路、复位电路、JTAG程序下载电路、时钟电路、EEPROM电路模块组成.以DSP为控制核心的跟踪系统具有可靠性强、跟踪反应速度快、稳定性好等特点，为装置实时准确地跟踪太阳光提供了平台[12].

5.1 DSP选型

为满足硬件系统对数据快速、高效的处理要求，本文选择TMS320F2812型DSP作为主控电路的核心处理芯片[13].其最高时钟频率达150 MHz，运行速度快，且本身自带SRAM、flash等储存空间，可方便地进行在线仿真.此外，本型号DSP还配备诸多外设，包含3路SCI、1路SPI、2套EV时间处理器、2路8位的ADC、1路eCAN总线通道，功能齐全.

5.2 AD采样电路

TMS320F2812型DSP的A/D端口是GPIO多路复用的形式，共有16路12位的A/D转换器.A/D端口的输入电压控制在0～3.3 V.为保证实际输入电压在输入信号范围内，在A/D采样端口处必须设置保护电路[14].

5.3 PWM输出电路及程序下载接口电路

DSP采用PWM输出波形控制伺服电机的转动方向和速率.TMS320F2812型DSP有12路PWM脉冲输出端口.为保证输出波形的真实性，采用74HC245型锁存器进行PWM输出波形的保持，以防止传递出的PWM波形衰减[15].

DSP进行程序调试时，需经JTAG程序下载接口将仿真器与DSP连接，并将PC机上的程序下载到DSP中才能让DSP运行.

5.4 时钟电路设计及EEPROM电路模块

对定日镜进行时钟控制时，要保证时钟不受系统失效的影响，采取单独时钟芯片构成时钟模块最为安全.本文采用Intersil公司生产的ISL1208型时钟芯片.该时钟芯片具有低功耗、高精度等优点，在系统电源失效时，可以通过后备电源供电，提供可靠的时钟信息.

为防止在主控电路发生故障突然掉电时数据丢失，添加EEPROM电路模块.

6 通信电路

定日镜需要与分站进行通信，以完成数据交换.定日镜与分站进行数据交换时属于多主多从模式.本文用eCAN总线通信模式完成定日镜与分站的数据交换.在硬件电路系统设计中，采用两种通信方式：eCAN总线通信方式和RS232串口通信方式.eCAN总线通信方式主要用于定日镜与分站的数据交换；RS232串口通信方式用于调试时主控模块与PC机的数据交换.

6.1 eCAN总线通信电路

选用SN65HVD232芯片作为eCAN总线通信电路的设计芯片.该芯片的应用扩展性好，功能强大，若要增加节点个数，只需在CAN总线上挂载有CAN模块的控制器即可[16].

6.2 RS232串口通信电路

在进行DSP主控板的通信程序调试时，采用PC机与主控板串口调试方式更为方便.由于DSP采用的是TTL电平，与PC机的电平不一致，所以需要借助Max232完成TTL电平与PC机电平之间的转换.

7 伺服电机及其驱动器选择

为满足定日镜调整特性，采用直流无刷伺服电机作为驱动电机，通过模糊PID控制对电机系统进行闭环控制调整，减小其误差，使其能达到定日镜转角精度的要求.主控电路根据所要调整的位置及伺服电机反馈情况向控制器提供相应PWM脉冲来调整定日镜转动.

因为定日镜需要根据太阳方位的变化进行实时调整，所以要求所采用的电机具有频繁启动、快速响应等特性.根据定日镜支架结构、重量、所需驱动转矩等实际情况，选择雷赛公司的DCM 50205型永磁直流无刷电机作为定日镜转动的驱动电机.根据DCM50205型直流电机特性，选择DCS810数字直流电机控制器作为该系统的伺服电机驱动器.

8 结 论

本文提出了基于遗传算法改进的复合控制方案，设计了太阳能光热电站控制系统的总体结构，采用以CAN总线协议为基础通讯协议的总站、分站相结合的结构模式.这种模式既减轻了总站控制多台定日镜的负担，又方便每台定日镜各项参数的实时采集和存储.设计完成了光电基准型定日镜跟踪控制装置的硬件电路，包括电源电路、检测电路、主控电路、通信电路和伺服电机及其驱动器模块.本方案在保证光热电站整体控制精度的基础上，减少了光电检测元件的安装数量，降低了电站的构建成本.本研究将促进太阳能光热发电的发展.

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大型太阳能热水工程控制系统设计 篇4

太阳能工程热利用是新兴的产业,是现代控制技术和最新太阳能热利用技术相结合的产物。与家用太阳能热水器相比,大型太阳能热水工程能够在更大规模和应用领域中发挥绿色能源的突出特点。随着太阳热水器系统的不断发展,超大采光面积、大吨位储水箱的大型太阳能热水工程有着越来越多的使用[1]。目前市场上大型太阳能热水工程的控制系统大部分只具有温度和水位显示功能,而且分段显示,对温度的控制即使具有辅助加热功能。由于加热时间不能控制而产生过烧,从而浪费大量的电能。以单片机为核心的控制器,对水位实现连续测量。采用DS12C887实时时钟,根据用水时段和天气状况,实现自动上水控制和自动电辅助加热,不仅实现了时间、温度和水位三种参数实时显示,而且具有时间设定、温度设定与控制功能。

1 系统总体设计

系统以AT89C51单片机为核心,辅以水位水温采集控制系统,充分利用太阳能进行加热,同时考虑到太阳能的间歇性自动不给进行能源转换,有效地启动一种辅助能源进行加热,通过智能控制达到全天候不间断地提供热水。控制系统主要完成温度测量与显示、水位测量与显示、自动电辅助加热、自动进水等功能。上位机对整个系统的运行状态进行监测。系统总体框图如图1所示[2,3,4,5,6,7]。

2 系统硬件设计

2.1 水位检测电路

测量水位有很多种方法,例如电容式、浮球式和静压式等。目前浮球式液位检测应用较多,分段显示水位有一定的局限性。根据水位与压力的关系,采用测量压力间接测量水位的方法,可以实现水位的连续测量。

系统选择DX100T系列传感器中的陶瓷芯体传感器,测温范围0~120 ℃,基本满足太阳能热水器水温测量的要求。电源电压为9 V,输出值为27 mV。由于采样值是模拟量,需经过放大和A/D转换后才能输入单片机,放大倍数约为185倍。放大电路如图3所示[8]。

2.2 水温检测检测电路

水温传感器选择美国Dallas半导体公司推出的一种改进型智能温度传感器DS18B20,与传统的热敏电阻等测温元件相比,能直接读出被测温度,并且可根据实际要求通过简单的编程实现9~12位的数字值读数方式。该传感器直接输出数字量,可以直接与单片机的I/O口相连。

DS18B20传感器与单片机的连线如图3所示。

2.3 自动上水控制电路

系统采用交流电磁阀控制上水。当传感器检测到水位低于设定值时,单片机发出控制信号,驱动继电器得电,电磁阀打开,水箱开始进水;当压力传感器检测到液位达到设定液位时,单片机关闭控制信号,继电器失电,电磁阀关闭。水位控制电路如图4所示[9,10]。

单片机输出经过光控晶闸管MOC3061进行隔离,又经一级双向晶闸管KS驱动后,加在双向晶闸管的控制级上,控制双向晶闸管的导通,进而控制上水。

2.4 辅助加热控制电路

当热水用量较大或天气不好时,可以启用辅助加热来提供热水。在太阳能系统中,继电器输出是实现蓄水箱辅助加热的手段。对继电器控制的安全有效是能安全地对蓄水箱进行辅助加热的保证。辅助加热控制电路如图5所示[9,10]。

通过IIL117光电隔离器,使晶体管9013导通,控制继电器工作,从而控制电加热。

2.5 时钟与显示控制

为了实现清晨上水以及热水器24 h供应热水的目的,控制系统必须有一个实时时钟来为系统提供准确的基准时间。在软件设计上则要实时的读出当前时间,同设定时间比较,以决定系统的工作状态。该系统采用美国Dallas半导体公司的时钟芯片DS12C887。该系统需要显示水位水温以及时间,因此系统采用4位的LED显示,静态工作方式。

3 系统软件设计

控制系统的软件设计使用C高级语言编写的,采用模块化结构设计,整个软件设计共有5部分,分别是:主程序、数据采集A/D转换程序、控制子程序、键盘判断子程序及显示子程序。主程序流程图如图6所示。

4 结 语

以单片机为核心的太阳能热水工程控制系统,结构简单,成本低,功能实用,使用方便,实现了对水温、水温的连续测量与显示,上水与电辅热的自动控制。根据系统时钟分时段上水与电辅热,大大提高了太阳能的利用率,节约了电能。随着国家节能减排措施力度不断加大,使得太阳能热水的开发利用在社会经济发展中具有美好、广阔的前景。

参考文献

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太阳能系统清洗和除垢方法 篇5

1、集热器的维护与保养

1.1尽量避免太阳能集热系统在运行中发生空晒和闷晒现象

太阳能集热器运行管理的要点是避免集热器的空晒运行，尤其是真空管型集热器，同时，也要避免因集热工质不流动而引起的闷晒。

1.2集热器防冻问题

对于使用防冻液为传热工质的系统，要在每年冬季到来前检查防冻液的成分是否发生变化，从而决定是否影响防冻性能及更换防冻液。

对采用水作为传热工质的系统，可以采用排空、回流、循环、伴热带等防冻措施防冻。

1.3集热器防过热问题

当系统停止使用或夏季水箱内的水温过高，可用防晒网或其它物品将集热器罩住，降低太阳的照射，避免集热器过热。

1.4集热器的清洗和除垢

对平板型集热器，要保持透明盖板的清洁，经常清除积灰，保证有较高的透明度，一般半年至一年擦洗一次。

对于真空管型集热器，条件允许的话最好定期清扫或者冲洗集热器表面的灰尘，因为灰尘会附着在真空管上，时间久了会影响光的透射率及反光板的反射率。所以可半年至一年擦洗一下真空管外表面，擦洗时先用肥皂水或洗衣粉水擦洗真空管，然后用清水冲刷真空管表面即可。

集热系统内水温较高，容易形成水垢，严重影响集热器的吸热效率，需要定期除垢，一般半年至一年清理一次。

2、储热系统的维护和保养

储热系统主要是指水箱及附件，其维护主要包括：

1.定期检查贮水箱的密封性和保温层，如果发现密封性遭到破坏，应及时修补。

2.定期检查贮水箱的补水阀、安全阀、液位控制器和排气装置工作是否正常，防止空气进入系统。

3.定期检查是否有异物进入贮水箱，防止循环管道被堵塞。

4.定期清除贮水箱内的水垢。有些地区水质硬，易结水垢，长时间使用后会影响水质和系统运行，可根据具体情况，每半年至一年清理一次。

3、管路系统的维护与保养

由于太阳能热水系统管路的温度较高，管路的日常维护保养尤其重要。管道的日常维护保养主要有下列几个方面：

1.保证管道保温层和表面防潮层不能有破损或者脱落，防止产生热桥和结露滴水现象；

2.保证管道内没有空气，防止热水因为气堵而无法输送到各个配水点；

3.保证系统管道通畅，定期冲洗整个系统，防止沉积锈垢堵塞管道。

4、太阳能系统的清洗与除垢方法

4.1清除水垢的方法

清除水垢的方法有物理刮除法和化学清洗法。一般情况下，能用物理刮除方法祛除的地方应首选物理刮除法。但是，在太阳能系统内部各设备及管道之间附着的水垢，物理方法无法清除，必须采用化学清洗方法祛除。在太阳能系统设备内部沉结的`水垢，质地比较疏松，用化学清洗的方法比较容易清除。

4.2太阳能清洗剂种类

太阳能清洗剂种类很多，分别是有机酸、无机酸和磷酸盐类清洗剂等，但是从饮用水安全及保护太阳能系统不锈钢内桶中的铬、镍不被腐蚀的角度选择，优选酸性相对适中的食品酸，如白醋（醋精）、柠檬酸等，其次可选用添加缓蚀剂（属咪唑啉类）的盐酸清洗。

太阳能清洗剂分成两类，一种是固体的，一种是液体，由于状态的不一样，清洗的过程也有所区别，液体太阳能清洗剂无需兑水，方便使用，而固体则需要兑水使用，兑水的比例是固体分量的5倍左右。

4.3太阳能系统的清洗与除垢步骤

太阳能系统的清洗与除垢步骤具体如下：

1.打开太阳能热水器进水口；

2.添加太阳能清洗剂到储热水箱；

3.自动热循环20~30分钟，使清洗剂溶液充分接触各部位；

4.打开排水口，排干清洗液；

5.将水箱加满水后再循环两分钟；

6.排干循环水，清洗除垢工作完成。

4.4太阳能系统的清洗与除垢注意事项

1.不同太阳能热水器结构有所不同，请根据说明书调整使用方法（建议由专业维修人士操作）。

2.将水加热到40℃左右除垢，效果更佳。水温越高，清洗速度越快，效果越好，但不能超过70℃。

太阳能烟囱制冷系统的研究 篇6

摘要：

通过分析制冷系统和太阳能烟囱热气流发电系统的技术和特点，提出了太阳能烟囱制冷系统.将太阳能烟囱系统与制冷系统相结合进行制冷，可实现制冷不用电.该系统由烟囱、集热棚、蓄热层、涡轮机、开启式制冷压缩机、冷凝器和变速器等组成.介绍了太阳能烟囱制冷系统的结构特点、工作原理以及系统相关参数的计算方法.分析结果表明，太阳能烟囱制冷系统结构简单，运行维护方便，制冷不用电，无污染，具有良好的环境效应，可根据环境温度改变压缩机运行转速调节供冷负荷，能有效解决热带及沙漠地区的供冷及供电问题.

关键词：

太阳能烟囱系统； 制冷系统； 系统参数

中图分类号： TB 61+5； TK 514文献标志码： A

Abstract：

By analyzing the technical features of solar hot air chimney generating electricity and refrigeration system，a solar chimney refrigeration system combining with them to provide cooling water without electricity was proposed.It is made up of chimney，heat collector，heat storage layer，turbine，opentype compressor，condenser，and transmission.The operation principles，structure characteristics and geometric theory of this refrigeration system were formulated and analyzed，and the calculation formulae for refrigeration performance parameters and size of chimney and heat collector were deduced preliminarily basing on rated cooling capacity.The analysis results show that this mechanism is of simple structure，easy operation and maintenance，refrigerating without electricity，no pollution and has good environmental effect.It can change the speed of the compressor to regulate cooling load according to the ambient temperature，besides，it can effectively solve the problem of cooling and power supply in tropical and desert regions.

Keywords：

solar chimney； refrigeration system； system parameters

在压缩式制冷系统中，压缩机依靠电源供电，使制冷剂在系统内循环.为使系统热量能够在冷凝器内有效释放，在冷凝器侧安装了电机和叶片.电机供电后，叶片强制环境空气流过冷凝器进行换热，空气带走制冷系统的热量，实现制冷.制冷系统耗电量大，在炎热的夏季易产生用电高峰，造成供电紧张.因此，研究各类低耗电量或不用电的制冷系统，具有重大现实意义.

由于具有不依赖电力、不使用氟利昂作制冷剂、季节适应性好、无运动部件、可利用余热废热等优点，吸收式制冷系统在中央空调中得到广泛应用.但该系统节电不节能，能效低，能耗大，机组笨重且价格无优势，所以，吸收式制冷系统的发展也受到了一定的限制[1-3].相对于太阳能吸收式制冷系统，太阳能光伏制冷系统具有制冷效果好、能量利用率高及自身损失低等优点，尤其是近年来随着光伏电池产业的蓬勃发展以及光电转换效率的不断提高，太阳能光伏制冷显示出了强劲的发展势头.但光伏电池板和电能储存装置铅酸蓄电池在制造过程中耗能及污染都很大，且工作寿命短，不易维护，光伏转化效率仍然不高，光伏电池板也容易受自然因素的影响，同时成本的居高不下也大大限制了太阳能光伏制冷系统的发展[4-5].

为此，提出了太阳能烟囱制冷系统，利用流过制冷系统冷凝器的高速太阳能烟囱热气流带走冷凝热，并驱动制冷系统压缩机进行制冷.该系统利用可再生的太阳能作为驱动能源，可不使用电能.

1结构特点

太阳能烟囱制冷系统结构示意图如图1所示.它由烟囱系统、涡轮机系统和制冷系统组成.

烟囱系统主要包括烟囱、集热棚、支架及蓄热层等.烟囱通常采用玻璃纤维材质包覆木质竖直框架制成；集热棚用金属支架支撑，其上铺盖玻璃、薄膜等透明或半透明材料；蓄热层一般采用砂石或土壤制成.涡轮机系统包括涡轮机、传动轴及变速器等.涡轮机安装在烟囱底部入口处，主要作用是将热气流动能转化为机械能，并通过变速器驱动压缩机运转；变速器安装在涡轮机和压缩机之间，用以调节压缩机运转速度.制冷系统主要包括压缩机、冷凝器、膨胀阀、蒸发器、储液罐、气液分离器及连接管等.压缩机为开启式制冷压缩机，安装在涡轮机下方；冷凝器按平铺方式安装在压缩机下方；蒸发器采用管壳式换热器，通过该蒸发器向外界提供冷媒水.

2工作原理

太阳能烟囱制冷系统的基本原理是利用温室效应、烟囱效应、风力涡轮机技术和制冷技术.太阳辐射透过集热棚透明材料使蓄热层和空气的温度升高，同时蓄热层也参与加热集热棚中的空气，使其密度小于集热棚外相同高度处的大气密度，从而和环境形成密度差.棚中央的烟囱起负压管的作用，加大了系统内外的压力差，形成强烈的上升气流.当系统内部空气以一定的速度进入烟囱入口时，热气流驱动设置在烟囱底部的涡轮机转动，从而推动压缩机运转进行制冷[6].热气流一方面驱动涡轮机转动，另一方面也通过流经冷凝器带走制冷系统的冷凝热.反过来，冷凝器加热了热气流，对驱动涡轮机转动起到促进作用.

2.1烟囱系统

太阳能烟囱系统主要是将太阳能转化为空气内能，再转化为动能.其运行原理为集热棚构成了一个巨大的温室，空气在其内部受热产生密度差，在重力和烟囱负压的作用下产生上升的热气流.此外，蓄热层在白天存储的太阳能，可用于夜间加热空气，以保证烟囱系统在夜间也能产生上升气流驱动制冷系统进行制冷.

2.2涡轮机系统

涡轮机安装在烟囱底部压力梯度变化最大处，由系统内部空气进入烟囱时形成的强烈上升气流推动，将空气流的动能部分转变为涡轮机的转动机械能，通过变速器调节转速最终驱动压缩机运转进行制冷.

当太阳辐射较低、环境温度低时，所需冷量较少，此时，涡轮机入口空气流速度也低.为保证涡轮机能正常驱动压缩机，变速器需同步降低压缩机转速，减小压缩机输入功率，减小冷量输出.反之，当太阳辐射较强时，所需冷量较多，此时涡轮机能提供压缩机较多功率，通过变速器提高压缩机转速，增大冷量输出.

2.3制冷系统

在涡轮机的驱动下，制冷系统在蒸发器处吸收热量，在冷凝器处释放热量，从而通过蒸发器向外提供冷媒水，实现制冷.所采用的开启式制冷压缩机直接由涡轮机通过变速器进行驱动.由于原动机与制冷剂和润滑油不直接接触，原动机不必满足耐制冷剂和耐油的要求，因而该系统可采用氨制冷剂.该系统易拆卸，方便维修，但由于其密封性能较差，制冷剂易通过支承轴承向外泄漏，因此必须有轴封装置[7].冷凝器为风冷式换热器，由于只作冷凝器使用，更适合采用结构紧凑、换热效率高的微通道换热器.为保证系统的正常运行，在压缩机进、出口处加装气液分离器和油分离器.此外，在冷凝器出口加装储液器.

3系统相关参数计算

对太阳能烟囱制冷系统进行设计时，首先要确定供冷负荷（额定制冷量），并由此计算涡轮机输入制冷系统的功率，再根据涡轮机输出功率对集热棚和烟囱进行设计，从而评估经济效益，确定设计方案.计算中假设：① 烟囱内不存在涡轮机；② 不考虑烟囱内空气在流动过程中产生的摩擦且烟囱壁面绝热；③ 系统内的气体近似为不可压缩流体.

3.1制冷系统性能参数[8]

假设制冷系统额定制冷量为Q0，制冷剂采用R134a.制冷循环的压焓图如图2所示，其中：h为焓；p为压力；点1、2分别对应压缩机吸气口、排气口状态；点3对应冷凝器出口状态；点4对应蒸发器进口状态；点2s为等熵压缩过程的终点.

由采光面积Acoll即可计算集热棚直径.根据陈伟华[11]的研究，在特定规模下，烟囱高度决定了系统的最大抽力.集热棚高度有一个最佳值，当离地高度大于该最佳值时，系统不能提供足够的内外压力差，多余的空气受热后形成不规则旋流，从入口处流出，带走部分热量，使系统效率降低.

4优势与不足分析

太阳能烟囱制冷系统无需消耗电能但可实现制冷.相比于传统的电驱动式、吸收式和太阳能光伏制冷系统，具有明显的优势.不过，该制冷系统也存在一些本质上的不足.

4.1优势

（1） 设备简单，制冷不用电，运行成本低.太阳能烟囱制冷系统制冷不用电，其冷凝器也是采用高速热气流进行换热，所以运行成本较低.

（2） 转化效率高.制冷系统直接利用涡轮机机械能驱动压缩机进行制冷，减少了涡轮机机械能转换为电能，输送后转换为机械能，再驱动压缩机进行制冷等中间环节，所以系统转换效率高.

（3） 太阳能存储方便，夜间可制冷.蓄热层在白天存储了太阳能，在夜间加热集热棚内的空气，保证了系统持续稳定供冷，降低了对太阳光照变化的依赖性.

（4） 可有效解决热带及沙漠地区的供冷及供电问题，如中东地区、非洲的赤道地区等.将系统进行改进后，利用涡轮机一部分机械能驱动发电机，则该系统既能供冷，又能供电.

（5） 该制冷系统以太阳辐射为动力源，空气为驱动工质，不会产生氮、硫氧化物等化石能源所带来的污染气体，也不会产生二氧化碳、甲烷等温室效应气体，无任何环境污染，具有良好的环境效应.

4.2不足之处

（1） 规模大，前期投资成本高.由于太阳能转换为机械能的效率不高，使得所需的土地面积相当大，对应的集热棚和烟囱规模也要很大，所以导致投资成本很高；

（2） 冷凝温度高，对制冷效果影响大.冷凝器安装在烟囱底部入口处，所处环境温度很高，导致制冷系统的冷凝温度高，所以冷凝器的安装位置有待进一步研究.

5结论

提出了太阳能烟囱制冷系统，将太阳能烟囱与制冷系统相结合进行制冷，实现制冷不用电.介绍了该制冷系统的结构特点、工作原理以及系统相关参数的计算方法.分析结果表明，太阳能烟囱制冷系统结构简单，制冷不用电，运行成本低，能有效解决热带及沙漠地区的供冷及供电问题，无污染，具有良好的环境效应.总体上看，太阳能烟囱制冷系统在解决能源短缺和环境问题等方面，具有良好的应用前景，但其商业化尚需在今后的实践中进一步探索和研究.

参考文献：

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[10]葛新石，叶宏.太阳烟囱发电系统及其固有的热力学不完善性分析[J].太阳能学报，2004，25（2）：263-268.

太阳能控制系统 篇7

由于当今能源短缺,太阳能光伏照明设备凭借着节能、环保、无需布线、自动控制、安装方便简单等优点,在照明行业中树立起重要的地位。近年来,随着太阳能光伏器件、大功率LED器件技术的成熟,太阳能LED照明系统得到了广泛应用。目前市场上已经有多家公司生产太阳能路灯控制器,但是这些控制器一般没有充分考虑到如何使太阳能电池的能量转换最大,蓄电池的能量转换效率最大和使用寿命等问题[1]。

本文分析了现在市面上流行的控制器没有充分考虑的一些问题,在此基础上设计出一套节能的控制系统。

2 系统总体设计

2.1 系统组成

太阳能LED路灯系统是由太阳能电池板、铅酸蓄电池、LED灯、驱动电路和控制器等部分组成。太阳能电池板是将太阳能转化为电能;蓄电池将太阳能电池的电能储存起来用来在夜间给LED灯供电;蓄电池输出的电压经过驱动电路升压后作为LED灯的输入;控制器控制太阳能电池给蓄电池充电的方式,以及蓄电池给负载放电的时间和亮度,并完成过充保护,过放保护,防反充保护等功能。

本系统主要从以下几点来完成节能的目的。

(1)充电采用MPPT的方式,这样可以最大限度地将太阳能电池的能量输出,并且采用的是脉冲充电,在很大程度上减弱了极化现象,可以延长蓄电池的使用寿命。

(2)放电时根据蓄电池的电压来决定其全功率放电和半功率放电所占用的时间,这样可以实现能量充分合理的利用。

(3)控制器选用PIC16F876来实现,这款芯片功耗很低,实现系统节能的目的。

(4)路灯采用LED灯,其具有电压低、电流小、亮度高的特性。一个10~12W的LED光源发出的光能与一个35~150W的白炽灯发出的光能相当。同样照明效果LED比传统光源节能80%~90%。

2.2 系统框图

图1为太阳能LED灯控制系统的系统框图,充电电路由T1和T2组合起来控制,其中T1为充电控制场效应管;T2为防反冲控制场效应管;T3为放电控制场效应管。充放电电路的通断均由场效应管的通断来控制,场效应管的栅极和控制电路相连,单片机的输出的信号通过控制电路来决定场效应管的通断[2]。

2.3 控制系统的硬件设计

2.3.1 电源模块的设计

本系统所有的正极连在一起,电路中的其它节点相对于整个电路的参考点的电压均为负值,所以电路中采用的是LM7905作为稳压芯片,本控制系统采用了PIC16F876为主控芯片,对太阳能电池电压、蓄电池电压进行采集;蓄电池电压采集和太阳能电池电压采集均用电阻分压来实现,充电电流采集用霍尔电流传感器实现[3]。

2.3.2 充电电路的设计

T1为充电控制场效应管,T2为防反充控制场效应管,两个场效应管串联在一起控制充电电路。T1是通过一个三极管来驱动的;T2的通断由光耦来控制,这样可以使控制回路和主回路隔离。充电时,T1、T2同时通,电流从太阳能电池正极向蓄电池充电,经过T2和T1流到太阳能电池负极形成回路。充电时PWM的占空比从0%到100%持续可调。

2.3.3 放电电路的设计

T3为放电控制场效应管,其控制方法和T1是一样的,利用光耦也可以使主回路和控制回路隔离。到了晚上且蓄电池的电压大于过放电压,则T3就会导通,电流从蓄电池向LED灯放电,经过T3流回蓄电池形成回路。若负载短路,导致采集到的电压值超过了安全值,那么过流保护电路将直接切断T3,保证系统不会因为负载短路而损坏[4]。

2.4 软件设计

本系统主要实现的功能有12V,24V识别,识别完后进入相应的服务程序;进白天或者黑夜服务程序由蓄电池的电压来判断;若采集五次的电压平均值小于4V,则进入黑夜服务程序,若大于4V,则进入白天服务程序;在白天服务程序中实现过放保护功能,根据蓄电池的电压来决定何种占空比的PWM波充电功能以及防反充功能;在黑夜服务程序中实现过放保护功能和根据不同季节所需亮灯时间不同来定时,LED灯的亮度也可以根据需要进行调节。白天黑夜识别程序流程图如图2所示。

3 充放电控制及测试

3.1 蓄电池充电控制

对蓄电池充电过程中选择合适的充电方法对于提高蓄电池的转换效率和使用时间都是非常重要的。蓄电池若选择的充电方式不当,则会大大缩短使用寿命,降低能量转换效率。有的控制器用直充的方式给蓄电池充电,容易造成蓄电池电解质的分层和极板上沉淀活性物质,从而增加内阻,使得蓄电池平均只能达到55%~60%的荷电状态;本控制器采用的是PWM波来给蓄电池充电,在充电时停充一会,这样电阻极化消失,浓差极化和电化学极化也渐渐减弱。因此,在蓄电池充电过程中,适时地暂停充电,可以迅速而有效地消除各种极化电压,从而提高充电速度[5]。

在蓄电池的充电电路里,串联两个场效应管,其中T1是充电控制场效应管,T2是防反充控制场效应管,两个组合起来控制充电回路。充电电路要完成过放保护、防反充保护、太阳能电池反接保护等功能。

若蓄电池是12V,则充电过程具体的过程是:若蓄电池的电压小于13.7V,则用MPPT方式给蓄电池充电;若大于等于13.7V,则用占空比为接近100%的PWM波来进行浮充。若蓄电池是24V,则若蓄电池的电压小于27.4V,则用MPPT方式给蓄电池充电;若大于等于27.4V,则用占空比为接近100%的PWM波来进行浮充。最大功率跟踪用扰动观察法实现,PIC16F876来采样当前太阳能电池板的电压,霍尔电流传感器来采样充电电路的当前电流,相乘得到当前功率,与前一个时刻的功率进行比较,若小于则减小占空比,若大于则增大占空比。程序流程图如图3所示。

3.2 LED灯放电控制

照明控制流程图如图4所示,本设计采用的照明LED额定照明用的LED额定功率为1W,额定电流为350m A,24个串联为一组,然后11组并联在一起。通过按键触发外部中断来设定灯亮的时间;放电时根据选电池的电压来决定其全功率放电和半功率放电所占用的时间,这样可以实现能量充分合理的利用。若通过A/D口检测到的蓄电池电压小于11V,则断开放电电路,实现过放保护。

3.3 系统测试

系统可以根据采样到的蓄电池的电压正确地判断12V或24V系统,根据AD采样到的太阳能电池的电压正确转换到白天或黑夜服务程序。在白天服务程序里,可以根据蓄电池的状态来判断该MPPT充电还是涓流充电;夜晚服务程序里,由外部中断次数来决定夜晚放电时间;在放电过程中,根据蓄电池电压来决定是全功率放电,还是全功率和半功率组合放电。整个控制过程中电压的采样是否准确直接影响到判断的准确性,程序中用到多次采样求平均值以确保采样值更接近真实值。系统实物如图5所示。

4 结束语

本文设计了一种用PIC16F876为主控芯片的太阳能路灯控制器,该控制器已经安装到太阳能路灯中进行了观察,控制器可以根据蓄电池的状态切换到不同的工作状态,满足了设计要求,该控制器调试简单,成本较低,具有一定的市场竞争力。

摘要：太阳能路灯系统中蓄电池的使用寿命直接影响了整个控制器的寿命,针对此情况,就如何延长蓄电池的使用寿命和增加蓄电池的能量转换率,确定了一种基于PIC16F876的太阳能充放电控制器的方案。从控制器要实现的功能,太阳能对蓄电池的充放电方式和实际的应用需求等方面做了分析,完成了整个系统的硬件电路的设计和软件的编写,实现了对蓄电池的科学管理,将整个控制系统应用于太阳能LED路灯控制系统,实现了控制器的节能控制功能。

关键词：太阳能电池,蓄电池,PIC16F876,充电控制器

参考文献

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[4]华坤,李彦.太阳能LED路灯控制器的设计[J].单片机开发与应用,2009,10(2):88-92.

太阳能LED路灯控制系统的设计 篇8

当前,由于全球性能源危机,世界主要发达国家都开始重视可再生能源的利用研究。在所有可再生能源利用中,太阳能作为一种取之不尽、用之不竭的无污染的洁净能源,已被公认为未来解决能源危机的最有效能源[1];LED灯具有寿命长、高效节能、环保等优势。因此,把太阳能与LED路灯有机地结合起来,开发出一套太阳能LED路灯控制系统非常重要[2]。

目前,在所有的太阳能利用中,光伏发电无疑是其中一项重要的解决方案。但是,太阳能电池具有非常明显的非线性特性,造成太阳能电池与负载之间的不匹配,从而降低了太阳能电池的输出效率;同时光伏发电成本居高不下,制约了光伏产业的发展。因此为了充分利用太阳能,降低发电成本,提高发电效率的需要,急需研制一种能实时跟踪太阳能最大功率点(MPPT)[3]的控制系统。

为此,设计了的基于STC12单片机的太阳能LED路灯控制系统,系统采用变步长的导电增量法跟踪太阳能电池板的最大功率点,充分利用太阳能电池板的能量,对铅酸蓄电池充电,同时实时监测铅酸蓄电池的电压防止蓄电池过充、过放等现象;对LED路灯采用多段式的恒流控制,通过环境照度的监测控制LED路灯在不同电流强度下工作,以增强LED路灯的使用寿命,实现节约用电的目的。

二、系统原理

基于STC12单片机的太阳能LED路灯控制系统原理图如图1所示。系统主要由太阳能光伏板、太阳能电流电压采集、Buck充电电路、铅酸蓄电池、Boost放电电路、蓄电池电压采集、放电电路电流采集、LED路灯及STC12单片机等部分组成。通过采集太阳能光伏板的电压来判定充电和分段式恒流负载输出。当检测到太阳能板电压高于蓄电池电压一定值时开始MPPT充电模式,这时STC单片机通过采样到的太阳能板电压和电流值通过变步长的电导增量法计算最大功率点,通过PWM信号的占空比调节太阳能板充电电压大小达到最佳充电功率点,充电同时实时监测蓄电池电压防止过充电;当检测到太阳能板电压低于一定值时,停止充电进入分段式恒流负载输出控制模式,此时主要根据不同的太阳能板电压值,通过Boost放电电路控制PWM信号的占空比方式控制负载输出电路输出不同的电流值。

三、系统硬件设计

1. Buck MPPT充电控制主电路

太阳能最大功率点跟踪控制电路主要采用如图2所示的Buck斩波降压电路。其中,Q1、Q2就是通过PWM信号的占空比来调节太阳能板的充电电压大小,Q3、Q4主要起防反充的作用(当蓄电池电压高于太阳能板时要及时关闭),压敏电阻TVS管防雷击和浪涌电压,U1(ACS712)是霍尔电流传感器,通过它来检测太阳能板的输出电流。

2. 负载开关控制电路

负载开关控制电路主要有MOS管Q7、Q8和自恢复保险丝F1、F2、F3组成,可以和后级的负载Boost电路构成简单的恒流分段式控制电路控制LED路灯工作在不同的恒流电流值下。

3. STC单片机采样控制电路

STC单片机采样控制电路如图4所示,主要完成对太阳能板的电流电压的采样、蓄电池电压的采样以及负载输出电流的采样等。通过采样的信号完成MPPT控制信号和负载多段式恒流输出控制信号的产生及各个指示灯控制信号的产生。

4. MPPT充电控制电路

MPPT充电控制电路如图5所示,主要把STC单片机产生的MPPT充电控制PWM信号通过高速光耦U4(P521)转换成MOS的控制信号,来实现控制信号之间的隔离,减少电路噪声干扰等作用,同时也有助于增加驱动MOS的能力。

四、系统软件设计

系统软件流程图如图6所示。此次设计采用的STC12单片机有2路8位PWM发生器和8路10位AD转换器,可直接实现PWM输出和AD转换。系统实时采集太阳能板电压和蓄电池的电压,当检测到的太阳能板电压大于蓄电池电压加上0.4V时,系统进入充电模式,通过判断当蓄电池电压低于14.5V时进入最大功率点充电子程序,否则关闭充电;而当检测到太阳能板电压低于6V时,系统进入放电模式,通过判断当蓄电池电压低于10.5V时停止放电,否则进入分段式放电子程序。

最大功率点充电子程序流程图如图7所示。相比于光照的突变,光伏太阳能板表面温度的变化是非常的缓慢的,因此,在研究最大功率点跟踪时,可以近似的认为光伏板表面的温度是不变的。当d U=0时,光照的变化必然引起功率P的变化;当d U<0时,若d I<=0,则光照降低;当d U>0时,若d I>=0,则光照增强。对于其他情况,可以设定一个阈值δ,当|d I|>δ时,认为光照发生了较大变化。

基于以上原理设计了一种变步长的电导增量法,未检测到光照发生变化时,若d U≠0,系统没有工作在最大功率点。在最大功率点的左侧(d P/d U>0)时,应该提高工作点的电压,即减小占空比(增大Duty值d D>0)。该区域远离最大功率点,d P/d U变化速度小,为了加快逼近速度可取,其中M1、N设置为适当的常数,当N>1时,可以放大d P/d U>1时的步长,并缩小d P/d U<1时的步长。在最大功率点的右侧(d P/d U<0)时,应当降低工作点电压,即增加占空比(减小Duty值d D<0)。该区域内d P/d U变化速率较大,取d D=M2*d P/d U。检测到光照发生变化时,出于电流的变化方向和最大功率点电压变化方向一致,因此可以取d D=M3*d I作为步长数据,可以快速追踪由辐照度变化引起的最大功率点电压变化。

五、总结

设计了一套基于STC12单片机的太阳能LED路灯控制系统,系统采用变步长的电导增量法跟踪太阳能电池板最大功率点,并可实时监测铅酸蓄电池的电压防止蓄电池过充、过放等的现象;对LED路灯采用多段式的恒流控制,通过环境照度的监测使LED路灯在不同电流强度下工作,以增强LED路灯的使用寿命,实现节约用电。

摘要：设计了一套基于STC12单片机的太阳能LED路灯控制系统,系统采用变步长的电导增量法跟踪太阳能电池板最大功率点,充分利用太阳能电池板的能量,对铅酸蓄电池充电。同时实时监测铅酸蓄电池的电压防止蓄电池过充、过放等现象;对LED路灯采用多段式的恒流控制,通过环境照度的监测控制LED路灯在不同电流强度下工作,以增强LED路灯的使用寿命,实现节约用电的目的。

关键词：太阳能,LED,最大功率跟踪

参考文献

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太阳能控制系统 篇9

针对上述问题, 在深入研究与分析太阳能空气采暖运行过程及影响因素的基础上, 本文通过对影响太阳能空气采暖建筑及太阳能空气系统的参数与控制量进行监测、分析和控制, 形成最佳的太阳能空气采暖系统变流量运行策略。在保证建筑室内温度同时, 进一步提高室内环境舒适度与空气集热模块集热效率, 为实现大规模集热模块的应用与普及奠定基础。

1 采暖系统的总体方案

1.1 采暖系统的结构方案

太阳能空气采暖系统是一种采用空气作为传热介质的太阳能光热转换系统, 主要由太阳能空气集热模块、风机、管道、散流器等构成, 如图1所示。

随着太阳辐射强度的增加, 太阳能空气模块温度不断上升, 在风机作用下, 模块内空气间层形成负压, 外部空气通过模块上孔缝被吸入空气间层并被加热, 加热后的热空气通过送风口输至建筑内, 为建筑室内提供采暖。

1.2 采暖系统的控制方案

智能控制系统主要由微处理器控制单元、液晶显示与操作单元、温度传感器、太阳辐射照度传感器和室内PM10传感器等组成, 如图2所示。系统将多种传感器采集的环境参数输送至微处理器控制单元, 经过计算与分析, 实时调整风机速度、加热单元等, 实现太阳能空气智能采暖。

2 控制系统设计

2.1 硬件设计

微处理器控制单元是太阳能空气采暖智能控制系统的核心部分, 由单片机、存储芯片、光电隔离电路、模数与数模转换电路以及电源转换电路等组成。其中, 单片机采用Silicon Laboratories公司设计的C8051F340混合信号片上系统单片机, 内有4个16位计数器/定时器、2个具有扩展波特率配置的全双工UART、1个增强型SPI端口、多达4352字节的内部RAM, 128字节特殊功能寄存器 (SFR) 地址空间及多达40个I/O引脚, 并且同MCS-51指令集完全兼容, 与标准的8051结构相比, 指令执行速度有很大的提高, 其复位和写入程序电路如图3所示。

液晶显示与操作单元采用串口智能显示模块Ez UIV10_070K, 模块显示器为7.0英寸彩色TFT显示屏, 800×480点阵, 内置有256M资源存储器。其供给电源为5V直流, 与微处理器控制单元通过串行UAR T (TTL电平) 接口进行通讯。人机显示界面由Ez UITool_V30软件设计, 包括触摸区域、位图触摸按钮、数值和字符等控件素材, 方便编辑与生成资源文件。

2.2 软件设计

智能控制系统软件程序以C语言设计为主, 它既拥有高级编程语言的优点, 又具有汇编语言的空间小、运行速度快等特点, 表达运算能力、可读性和可移植性也比较突出, 拥有较高的指令执行效率[5]。程序开发环境采用C8051F官方开发环境Silicon Laboratories IDE, 为设计者提供了用于开发和测试项目的所有工具。

程序设计采用模块化设计, 通过主程序、子程序和子过程等框架描述出智能控制系统软件的主要结构与流程, 并且定义各个框架间的联系, 简化程序的开发、调试和维护。首先分配RAM区的资源, 然后系统 (包括C8051F340单片机、串口智能显示模块等元件) 进行初始化, 之后依据系统各单元工作顺序与状态依次调用相应的子程序, 完成触摸屏的显示与输入, 传感数据的采集、分析与判断, 模拟量的输出控制和故障判断等功能, 主程序流程如图4所示。此外, 上位机软件可以通过USB接口将微处理器控制单元存储的运行数据导入SQL Server数据库, 方便统计与维护。

2.3 抗干扰设计

为了确保智能控制系统各模块间软硬件资源无冲突、高效与稳定运行, 避免电磁环境以及其他方面干扰的出现。本文在详细分析了控制系统干扰源及干扰途径的基础上, 采用了以下几种抗干扰设计:

第一, 系统内部重要元件统一采用贴片封装形式, 减少周围环境的电磁干扰, 同时降低器件本身的杂散特性。

第二, 弱电信号与交流电源线等分开布线, 保持一定的安全距离, 防止由浪涌电流产生的错误信号输入或强电辐射对弱电信号传输过程的干扰。

第三, 所有布线应该有效接地, 以防止触电与干扰, 并且分离工作接地与保护接地。

第四, 传感器信号传输应用同轴屏蔽电缆连接, 增强对外界的抗干扰能力。

第五, 数字集成电路芯片电源引脚并入去耦电路, 有效减少电源的杂波干扰。

3 结语

本文设计了以微处理器为核心的, 集多传感数据采集、分析与显示、风机与加热单元控制为一体的太阳能空气采暖智能控制系统, 引入了影响太阳能空气采暖建筑室内环境影响因素的分析与计算, 有效改善了室内空气品质, 提高了人体感受的舒适度, 解决了室温波动大及采暖效果不理想等问题, 促进了太阳能空气采暖系统产业的进一步发展。

摘要：近年来, 随着太阳能空气采暖系统研究与应用的不断深入, 其运行过程对室内空气环境带来的影响引起了人们越来越多的关注, 为了解决出现的问题, 本文提出了以微处理器为控制核心, 建立多传感器信息融合的太阳能空气采暖智能控制系统, 依据室内外环境变化实时调整风机、加热单元等运行状态。通过实际应用, 表明该智能控制系统既能保证室内舒适环境, 又能提高系统热效率。

关键词：太阳能空气采暖,智能控制,传感器

参考文献

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基于PLC的太阳能干燥控制系统 篇10

关键词：太阳能干燥,模糊控制,可编程控制器

0 引言

干燥作业涉及国民经济的众多领域,干燥过程中消耗的能量占国民经济总能耗的12%左右[1]。此外,干燥过程造成的污染十分严重,因此干燥技术的节能与环保十分重要。

利用太阳能干燥可以减少能源损耗和环境污染,提高产品质量,缩短干燥周期,具有良好的经效益济和社会效益[2]。影响太阳能干燥过程的因素很多,多数因素不可控制且相互间存在着交互影响,给干燥过程的控制带来了诸多问题。

本文综合考虑现有太阳能干燥控制方面存在的问题,在原有试验研究基础上,设计了集干燥箱内参量控制、监测和数据采集于一体的计算机控制系统,提出了以PLC为控制核心的模糊控制方法,以满足太阳能干燥系统对参量控制的要求。

1 控制原理

控制系统主要由计算机、带模拟量的PLC、变频器、风机、测量元件和控制软件组成,如图1所示。

工作过程由上位机(计算机)给定温度,通过串行通讯接口RS485实现与下位机(PLC)之间的连接和通讯。PLC接收到控制温度的电压值信号后,通过内部的D/A转换器将信号送到变频器,由程序控制变频器频率的输出,调节风机的转速,从而达到对干燥箱内介质温度的控制,保证被干燥物料的质量。上位机作为监控设备实时显示干燥箱内温度情况。测量装置将采集到的温度信号送到控制器,在控制器内部将信号与设定值进行模糊比较,求出误差和误差变化,根据模糊控制算法规则进行调整,重新给定被控量。

控制过程中给定值(参考输入)为干燥箱所需温度;控制器是可编程控制器(PLC);受控对象有变频器、风机;被控量是风机的转速。

2 试验系统及其热特性

2.1 太阳能干燥装置

本设计的太阳能干燥装置由太阳能空气集热器、干燥箱、鼓风机和控制系统组成,适用于中低温和不能接受阳光曝晒的物料干燥,如玉米、鹿茸、啤酒花、木材、橡胶和茶叶等[3]。其工作原理为:冷空气经过太阳能空气集热器时与吸热板发生热量传递,使其温度升高;在鼓风机作用下,热空气经过通风管道进入干燥箱,在这里与湿物料产生热质交换。由于介质与物料存在温差及压差,使物料水分被汽化,温度升高,湿度降低,而降温增湿的介质以废气形式从干燥箱排除。这种没有辅助加热装置的干燥设备内空气温度调节是被动的。热空气温度的升降主要由集热器材料、形状尺寸、安装方式及气象条件决定。对于干燥温度范围要求较高的物料,可以通过改变空气流量来调节热风温度,主要由调节鼓引风机转速来实现。

干燥控制系统的设计指标:一是干燥物料的含水率;二是介质温度。其中,物料含水率通过热空气温湿度、物料表面温度与废气温湿度来预测。

2.2 干燥箱内温度与风机转速关系

对太阳能集热器进行热特性试验,获得数据如表1所示。当辐射变化范围为700~1000W/m2、风速变化范围为0~4.2m/s时,温度变化范围为30~83.4℃。只有当风机停止运行、风速为0时,温度会有超过80℃的情况。

由表1可知,在太阳辐射范围基本一致的情况下,风速对温度的影响很明显。试验中,通过调整变频器频率来改变风机转速,用传感器测量环境温度与风机的出口温度,绘制出不同转速下风机出口温度曲线,如图2所示。

从图2可以看出,不同时刻的风机出口温度与风机转速间存在一定规律。转速较高时,风机出口温度相对较低;转速较低时,风机出口温度相对较高。由于1d中不同时刻太阳辐射、环境温湿度和风速不同,导致集热器温度变化也不同,所以不能用图2显示集热器出口温度与风机转速间关系作为控制关系。

图3(a)给出了干燥过程中不同转速下风机出口平均温度与环境平均温度之间的温差变化曲线。由图3可知,不同转速下温差变化在前一段时间趋于平稳,后面波动较大,难以找到彼此间对应关系。

图3(b)为集热器温度增量(风机出口温度和环境温度之差)相对值与风机转速间关系图。对其进行拟合分析,得到下列函数:

y1=0.4894e-0.0575x, R2=0.9831;

y2=0.5021e-0.0825x, R2=0.9890;

y3=0.5069e-0.0955x, R2=0.9992;

y4=0.4838e-0.0716x, R2=0.9996。

由此可知,不同风机转速下温差相对增量间存在指数关系,由此得到风机出口温度与环境温度间的关系,从而找到与干燥箱温度的对应关系。

3 模糊控制

3.1 模糊控制原理

模糊控制是把检测到的模糊输入与模糊关系相结合进行判断,给出控制对象应得到的控制。在模糊控制过程中,需要把输入的精确量转换为模糊量,利用输入与输出间的模糊关系进行模糊推理,得到模糊的控制量,并将其转换为精确的控制量进行控制。因此,模糊控制就是根据系统输出的误差和误差变化情况来决定控制量的[4]。模糊控制的基本原理如图4所示。

3.2 控制器的设计

3.2.1 控制器的结构

系统采用可编程控制器进行模糊控制,以干燥室内温度偏差e和温度变化ec作为输入,用模糊推理的方法对比例系数Kp、积分系数Ki和微分系数Kd进行控制校正,实现参数Kp,Ki,Kd的在线自整定,满足不同的温度偏差和温度变化对PID参数自整定的要求。系统结构如图5所示。其中,r(t)为系统给定输入,e(t)为误差,u(t)为控制输出,n(t)为干扰,c(t)为系统输出。

3.2.2 参数自整定原则

比例系数Kp可以加快系统的响应速度,提高系统的稳态精度,但过强将导致系统不稳定;积分系数Kp能消除余差,但容易降低系统稳定性;微分系数Kd能全面改善系统的动态特性[5]。在综合考虑不同时刻上述各参数的作用及相互关系的基础上,给出PID参数自整定原则如下:

1) 当|e|较大时,为加快系统响应速度,并防止起始偏差e瞬间变大,应取较大的Kp和较小的Kd;同时,为避免系统出现较大的超调,应对积分作用加以限制,通常取Kj =0。

2) 当|e|和|ec|为中等大小时,为使系统响应的超调减小,并保证系统的响应速度,Kp和Ki的值取得小些,Kd的值要大小适中。

3) 当|e|较小时,为使系统具有良好的稳态性能,应增加Kp和Ki的值;同时,为了避免系统在设定值附近振荡,应调节Kd的值,使之大小适中[6]。

3.3 模糊变量赋值表

控制系统采用单变量输入二维控制模糊算法,以干燥室温度偏差和温度变化作为输入,用户根据不同的温度偏差和温度变化,查模糊变量赋值表获得增量△U,与控制量进行运算得到控制输出量U。

模糊控制系统将温度的控制范围分为模糊控制区和确定控制区[7]。温度偏差在设定值的±1℃以内为模糊控制区,以外为确定控制区。在模糊控制区,模糊控制系统按模糊控制规则自动调节温度;在确定控制区,系统进行强制冷却或加热。

设温度偏差e(t)=c(t)-r(t),语言变量为E;温度变化ec=c(t1)-c(t2),语言变量为EC,相应地将E和EC模糊子集划分为7个模糊状态[7],模糊子集的语言值为{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}。温度偏差和温度变化划分为7个等级{-3,-2,,1,0,1,2,3},对应模糊子集隶属度值如表2所示[8]。

输出控制量的语言变量为U,其输出模糊子状态为{N,NB,NM,NS,Z0,PS ,PM,PB,P},对应风机运行时不同的变频器频率f={10,15,20,25,30,35,40,45,50}。根据语言变量E和EC的划分,可以得到一个模糊变量赋值,如表3所示。太阳能干燥系统中模糊控制器的在线控制作用,就是根据E和EC的模糊化等级,查询表3进行控制。

控制过程为:首先将表2和表3的数据编号送到控制器的数据区,当测量装置采集到温度信号后,将信号进行滤波处理后送到控制器中。在控制器内部对测量值与给定值进行比较,求出温度偏差与温度变化,并根据模糊控制规则查模糊变量赋值表获得增量,对被控量进行调整后输出,以满足不同误差和误差变化率对控制器的要求。

4 结论

1) 对于没有辅助加热装置的太阳能干燥系统,介质温度受诸多因素的影响,且这些因素间存在耦合作用,介质温度与风机转速间关系无法用精确的数学模型表述。将模糊控制理论应用于太阳能干燥控制过程具有良好的前景,可以实现对太阳能干燥过程中温、湿度的自动控制与在线监控等操作。

2) 太阳能干燥过程受外界因素影响较大,温度控制带有一定的滞后性。以环境温度相对增量作为控制对象,能及时调整系统变化,实效性好。

3) 本设计只考虑了温度因素,若能够将环境湿度及风速对集热器温度影响考虑进来,可以进一步提高控制精度。

参考文献

[1]石定寰.中国可再生能源座谈会纪要[J].太阳能,2006(2):4-6.

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[3]罗运俊,何梓年,王长贵.太阳能利用技术[M].北京:化学工业出版社,2005.

[4]宋伯生.PLC编程理论.算法及技巧[M].北京:机械工业出版社,2005:354-362.

[5]孙丽萍,赵真非.模糊自适应PID控制在木材干燥窑中的应用[J].东北林业大学学报,2005(3):91-92.

[6]孙虎章.自动控制原理[M].北京:中央广播电视大学出版社,2004:160-166.

[7]钟应善,杨家强,邓劲莲.温室温度和湿度的多变量模糊控制技术[J].农业机械学报,2001(5):75-78.

太阳能光伏电站系统接入方法研究 篇11

关键词：太阳能光伏电站；系统接入；可持续发展应用

中图分类号：TM615 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2016）12-0074-01

太阳能发电是目前市场上最具潜力且是利用再生能源进行发电的方式之一，对太阳能多年的具体研究和应用表明太阳能是未来极具应用潜力的能源。当下太阳能光伏电站的建立可以通过把太阳能转换成电能进行储存输送得以实现其应用。随着能源的日渐消耗短缺和环境污染的加剧对清洁能源的需求呼声渐高的现状下，通过对太阳能光伏发电站系统目前主要的接入方法的研究来探索在现存的技术条件下光伏电站系统中存在的缺陷以及今后的改进方向是较为迫切的现实问题。

1 太阳能光伏发电系统的组成及概述

根据太阳能发电系统中接入方式的差异可以将光伏发电系统分成三种不同的系统：独立、并网和分布式的太阳能发电系统，在讨论太阳能光伏电站系统接入方法的研究中涉及的是并网太阳能发电系统。就目前太阳能光伏发电系统的设计而言，构成太阳能光伏发电系统的部件主要有三个主要部分。

电池组是组成光伏发电系统较为中心的元件，主要是太阳能电池组和蓄电池。太阳能光伏发电站中存在利用蓄电池对转换的电能进行收集储存，随着光伏电站系统的系统接入方法的应用和大型光伏发电站的建立，目前的市场上这种采用蓄电池的独立发电进行收集的方式应用开始逐渐缩减，适用于较为小型的发电站的应用。太阳能电池主要有单晶硅和多晶硅两种类型的太阳能电池，单晶硅太阳能电池相比较多晶硅太阳能电池而言光电转换效率高1%～3%，但由于其制作成本和性价比而言，市场上较为通用的还是多晶硅太阳能电池。

逆变器在光伏发电系统的组成中占据核心地位，太阳能转换成电能随着太阳入射角度逐渐发生变化，这个变化呈现出明显的正态和负态分布，这个过程也导致电压也随之改变，逆变器在并网的光伏发电系统中能够减少电路中的冲击，实现电压与电网高度稳定，起到非常重要的保护和转换作用。

太阳能控制器是整个系统的控制中心，它通过对蓄电池进行蓄电保护、对温差变化较大的地方对系统进行适当的温度调节补偿实现其功能，近年来，太阳能控制器的功为满足不同要求能增加了很多选项，如光控、时间控制开关等，控制器的改进逐步实现了全自动智能控制。

光伏电站系统由于需要接入公共电网还需要配备直流和交流配电柜以及直流汇流箱，今年建造的比较大的光伏发电站中，大容量的变压器以及与之配备的高压电网也是必要的组成。

2 光伏发电站系统的工作原理及接入方法

2.1 光伏发电站系统工作原理

首先，太阳能光伏发电站系统利用多晶硅等转换效率较高的半导体界面进行发电，在发电的过程利用界面上产生的光生伏特效应工作。这种效应实际上利用太阳光照到多晶硅等半导体表面将光能转化成电能，产生光致电变现象。数量较大的太阳能电池通过串联实现较大规模的光伏效应从而产生数量较为客观的电量。

其次，利用蓄电池将太阳能电池所通过光伏效应转换出的电能进行存储和释放。

然后，逆变器将转换生成的直流电转换成交流电，使之初步能够进入电网中实现电流输送。在并网过程中逆变器通过控制以输出符合电网要求的波形，通过输出侧接入电网。

2.2 光伏发电站系统接入方法研究

光伏发电站系统在接入的过程中，按照市场较为普遍工程设计来说一般设定为一期完成，在这种情况下，接入系统需要考虑到以下几个方面以防止后期使用过程中出现问题。在发电系统接入中，设计初期和施工过程中需要前期需要利用GIS对施工的地形、人口密度、电网分布、主要交通线路以及施工期内的气象情况进行综合的分析和必要的实地考察，能够最大程度上就近接入电网并且尽量避免在输出过程中不必要的工程建设，以减少后期因地形和铺设远距离的电流输出工程的建设施工难题。与此同时，利用GIS进行分析评估，估算出一定的范围内电量消耗的上限进行电网的接入，在特定的范圍内将电站输送的电量进行消纳，避免在电网中因为长距离的传输而导致的损耗。

在光伏发电站系统中，各个子系统首先通过太阳能电池的光伏效应发出电能，经由逆变器将产生的直流电逆变经输出端为交流电，对未能符合电压要求的交流电进行升压达到标准后进行并网。在发电站的系统接入中需要解决的问题是电能的质量以及在并网的过程中进行的保护措施。依据《光伏系统并网技术要求》中的要求，接入时需要设置必要的保护装置并且与公共电网之间要有足够明显的节点分界。

依据上述并网接接入的具体情况，光伏发电站在接入的过程中，需要根据电压等级的差异进行分级。在电站系统并网接入中进行电离平衡，考虑到电能的去向随时间而产生的差异，日常的电能可能在某些情况下会出现无法消纳或不足的情况，不排除突发情况而产生的电能不稳定，需要考虑补偿装置和电能

储蓄装置。

3 当前光伏发电站系统接入方法的优势及建议

3.1 优 势

当前光伏发电站系统接入的方法能够基本上使电站产生的电能稳定地进入公共电网，保证整个电网的安全，减少了较大不稳定电流进入电网的威胁。

3.2 不 足

但是由于太阳能自身的性质，和水能、核能等差异较大，它变化的周期比较短，人为不可控。因此在并网接入中与公共电网实现同步需要系统中需要利用控制器和逆变器等进行多重保护。

3.3 建 议

近年来光伏电站产生的电能对公共电网的影响有逐渐加大的趋势，一旦在并网接入的环节出现故障还是存在较大的问题，因此在与公共电网进行电压平衡保护的问题是关系整个电网安全的至关重要的问题。对系统并网接入过程中需要进行多重的保护和稳定装置的控制，在光伏电站系统接入中常见的短路问题、设备过热隐患、组件的承压能力问题，以及设备检修施工人员在进行作业时的人身安全问题都可以通过在系统中逆变器的自动控制的保护以及控制器的设置进行二重保护，将光伏发电系统的安全与电网整体的安全设置节点进行保护。

4 结 语

随着近来对太阳能的优势认识的逐渐加深，未来对太阳能的开发会逐渐呈现出快速增长的趋势，大型的太阳能光伏电站会逐年建立，在并网接入的过程中如何维持公共电网的稳定与安全成为当下亟待解决的难题，需要在不断积累并网接入经验的基础不断总结和思考，这也是关系到太阳能否得到大规模应用的重要问题。

参考文献：

[1] 赵玉文.太阳能光伏产业发展的新思考[J].高科技与产业化，2009，（7）

[2] 李立伟，王英，包书哲.光伏电站智能监控系统的研制[J].电源技术，2007，（1）.

基于单片机的太阳能热水控制系统 篇12

本系统选用真空热管式集热器, 采用定温控制上水与温差控制循环相结合的运行方式。系统工作原理如图1

1 系统工作原理

本系统的工作原理可以从以下几方面来说明。

1.1 定温上水与温差循环

当集热器出口温度高于设定温度值A 5℃时, 上水电磁阀自动开启, 开始上冷水。当集热器出口温度低于设定温度A时, 电磁阀自动关闭, 停止上水。系统吸收太阳热量储存于集热器内的水中, 使温度继续升高, 然后再开启, 再关闭。通过这样一个不断重复的过程, 把太阳的能量转化为热能, 直到把热水箱的水加满。同时利用温差循环, 只要有阳光辐射, 当集热器出口的水温比储热水箱底部温度高8℃时, 温差循环泵启动, 系统开始循环, 水箱继续增温, 直到集热器与水箱的水温接近时, 循环泵停止工作。保证了太阳能可以得到最充分的利用。

系统工作方式如下: (1) 定温上水。集热器出口温度T1高于设定温度值A 5℃时, 上水电磁阀自动开启, 自来水通过集热下循环管将热水顶入储热水箱内, 集热器出口温度T1降至低于设定温度A时, 电磁阀关闭, 如此循环, 直到把热水箱的水加满为止。 (2) 温差循环。集热器出口水温T1比储热水箱底部温度T2高8℃时, 温差循环泵启动, 系统开始循环, 直至T1高于T2 2℃[2]时, 温差循环泵停止工作, 系统完成温差循环集热。

1.2 水箱上水

当水箱水位下降到下限水位H1 (15%~25%) 时, 上水电磁阀D1或D4开启 (在防冻状态时D4开启, 否则D1开启) , 如果是处于用水时段内, 则进行恒温上水, 否则进行低温上水, 直到水位达到某一特定值H2 (40%~60%) 为止。水箱上水根据是否在用水时段内分为恒温上水和低温上水。

(1) 恒温上水:1) 作用:确保水箱水位不低于下限水位H1, 具有一定的用水量, 且保证水箱水温不低于设定温度A。2) 条件:控制器产生水箱上水命令且处于用水时段内。3) 过程:当产生恒温上水命令后, 水箱开始通过电磁阀D1或D4上冷水, 水箱水温T2开始下将, 直到T2下降到设定水温A时, 关闭电磁阀D1或D4, 停止上水, 等待T2上升, 当T2高于设定温度A 5℃时, 继续上水, 如此循环, 直到水位达到特定水位H2 (40%~60%) 为止, 并闭锁水箱上水。

(2) 低温上水:1) 作用:确保水箱水位高于下限水位H1, 且具有一定的水量。2) 条件:控制器产生水箱上水命令且处于用水时段外。3) 过程:当产生低温上水命令后, 电磁阀D1或D4打开, 水箱上水, 直到水位达到特定值H2为止, 闭锁水箱上水。

1.3 时段温控辅助加热

当储热水箱水温T2低于设定值A 2℃时, 且处于用水时段内时, 则打开辅助加热电磁阀D3, 启动辅助循环水泵P2, 然后给锅炉发点火信号, 启动燃气锅炉, 开始加热, 直到T2高于设定温度8℃时, 锅炉停止工作, 水泵P2停止, 电磁阀D3关闭, 完成辅助加热。

1.4 防冻保护

冬季当管路温度达到防冻临近温度4℃时[4], 回水电磁阀D2和排空阀D5开启, 使集热系统内存水回流至储热水箱防冻。

2 系统硬件设计

控制系统主要由数据输入输出接口电路、A/D转换电路 (由传感器及变送器提供0-5V标准电压) 、时钟电路、键盘显示电路、报警电路、51单片机及电源七部分组成。系统硬件框图如图3.1所示:

系统主要技术指标如下:

(1) 集热器出口上限温度85℃; (2) 防冻临近温度4℃; (3) 集热器循环温差为8℃ (△T=T1-T2=8℃) ; (4) 定温上水温度高于设定温度5~8℃; (5) 集热水箱下限水位H1为水箱水位的20%; (6) 集热水箱特定水位H2为水箱水位的50%; (7) 集热水箱上限水位H3为水箱水位的95%; (8) 辅助加热启动温度高于设定温度2℃; (9) 辅助加热停止温度高于设定温度8℃; (10) A/D转换分辨率为8位; (11) 时间芯片月时间误差<1分钟。

3 结论

本系统采用单片机为核心, 设计了太阳能供热水系统的控制系统, 并以燃气锅炉为补充, 较好地实现了系统的智能控制, 具有了节能和四季不间断供应热水的特点。

摘要：本文选用热管真空管式集热器太阳热水系统, 提出采用定温上水与温差循环相结合的运行方式, 在此基础上对热管真空管太阳热水系统的工作过程做了具体的设计, 并对控制系统硬件做了设计。