太阳能冷暖空调设计方案

1、11 绪论绪论目前市场上的空调器种类繁多，但社会上使用的空调系统主要还是以空气源热泵作为冷热源，由于其“室外机”受环境空气季节性温度变化规律的制约，夏季供冷负荷越大时对应的冷凝温度越高而冬季供热负荷越大时对应的蒸发温度越低，为此增加了大量能耗。根据热力学原理，降低冷凝温度或提高蒸发温度都将提高制冷循环效率、节约能源。为此若能寻找到更理想的新热源形式取代或部分取代目前多采用的空气热源，无疑将有广泛的应用前景和明显的节能效果。由于太阳光的辐射和土壤的保护，地下一米半处温度常年保持在 515。我们生活的环境温度随着季节的不同，变化很大，冬季，北方最低气温零下 40，夏季，南方最高气温零上 40。实际

2、上，相对于环境温度，冬季，地温是一个巨大的热资源，夏季，地温是一个巨大的冷资源。地温中央空调的运行原理: 这项高新技术根据可逆卡诺循环原理，利用地温能源，冬天采用热泵技术原理，通过热交换将地下水或土壤中的热量提出用于室内采暖，而夏天则利用地下土壤或地下水带走热量，达到制冷效果。与地面上环境空气相比，地温中央空调利用地源热泵技术,采用逆卡诺循环原理,利用水循环把地下水中的热能收集起来,再进行能量转换,制冷时出口温度为 712 摄氏度,供热时出口温度为 4555 摄氏度。夏季室内温度控制在 1822 摄氏度以下, 在冬季可以用太阳能产生的热量使室温保持在 1620 摄氏度,是集制冷、供暖为一体的经

3、济型中央空调。太阳能冷暖空调是利用先进的超导传热贮能技术，集成了太阳能，超导地源制冷系统的优点，最新研发成功的一种高效节能的冷暖空调系统。该系统的输入端可以连接到太阳能集热板，超导地源低温制冷系统。它的输出端与室内冷暖分散系统相连接。所有的连接设备，均采用温控系统集中自动控制，是冬季采暖夏季制冷的节能环保产品。设计中采用太阳能发电来为太阳能冷暖空调提供所需的高品位电能,是空调行业的创新,随着人们对环境的重视。经过近十几年来,科学家的不断探索,太阳能发电技术已经趋于成熟, 我国太阳能资源丰富，全国总面积 2/3 以上地区年日照时数大于 2000 个小时，与同纬度的其他国家相比，与美国相近，比欧洲

4、、日本优越得多。我国太阳能资源的理论储量达每年 17000 亿吨标准煤，约等于数万个三峡工程发电量的总和。因而太阳能发电在我国很有发展潜力，用太阳能发电来满足空调所需电能,对我国能源的合理利用有着重要的意义。地源热泵技术在空调行业的应用,将大大缓解我国能源短缺问题。据统计，我国总的能源利用率约为 30，这仅相当于发达国家 50 年代的水平。我国建筑耗能约占总耗能的 25，其中供热采暖能耗约占一半。能源短缺导致中国的能源价格越来越接近发达国家的水平。要在可利用能源每年增长率仅为 35的条2件下满足国民经济持续每年增长 89，就必须重视节能技术和节能产品的开发利用，这决定了必须在窍门和取暖这一耗能

5、大项上有所改进。中国建筑科学研究院空调所指出，地源热泵技术由于热泵仅仅用来传输热量，而不是产生热量，所需要的热量有 70来自地下，夏天制冷时，用来将建筑物中的热量传入地下所消耗的电力也非常少，因此可以大大缓解我国的能源压力。同时，地源热泵技术是一项环保性技术。分析和调查表明，地源热泵的应用将减轻臭氧层的破坏，对降低温室效应起了积极作用,这项技术和沼气发电技术在空调行业的联合应用将缓解城市空气污染问题,符合我国的可持续发展战略。2 设计设计要求要求系统的具体设计要求为：（1）设计出能利用太阳能转换成电能的设备来带动地温空调。（2）利用水循环把地下水中的热能收集起来,进行能量转换,进行制冷、供暖。

6、（3）解决回灌井回灌效果不好（堵塞）问题。（4）解决水井管网排污、清洗管路中杂质问题。（5）解决回灌水从井中溢出问题。基于上述要求, 所设计的系统必须有以下结构模块：光能电能转化单元,能量收集及其转化单元,常见问题的优化单元。3 冷暖地温空冷暖地温空调调工作原理及其工作原理及其设计设计与研究与研究3.1 设计设计原理及其特点原理及其特点3.1.1 设计设计原理原理地温中央空调采用逆卡诺循环原理, （该原理是由两个绝热过程和两个等温过程构成的循环过程。它是 1824 年 N.L.S.卡诺在对热机的最大可能效率问题作理论研究时提出的。卡诺假设工作物质只与两个恒温热源交换热量，没有散热、漏气等损耗。

7、为使过程是准静态过程，工作物质从高温热源吸热应是无温度差的等温膨胀过程，同样，向低温热源放热应是等温压缩过程。因限制只与两热源交换热量，脱离热源后只能是绝热过程，在相同的高温热源和相同的低温热源之间工作的一切可逆热机的效率都相等，与工作物质无关，其中 T1、T2 分别是高温和低温热源的绝对温度。在相同的高温热源和相同的低温热源之间工作的一切不可逆热机的效率不可能大于可逆卡诺热机的效率。可逆和不可逆热机分别经历可逆和不可逆的循环过程）利用水循环把地下水中的热能收集起来,再进行能量转换。再利用热泵原理（热泵实质上是一种热量提升装置，热泵的作用是从周围环境中吸取热量，并把它传递给被加热的对象，其工作

8、原理与制冷3机相同）通过少量的电能输入,实现低位热能向高位热能转移，利用水源热泵机组代替传统的制冷机组和锅炉,以水为储存和提取能量的基本介质,借助压缩机系统,消耗少量电能,在夏季将建筑物中的热量转移到水中。冬季则从水源中提取热量,以达到调节室内温度的目的。同时设计中利用太阳能发电来提供水空调所需电能,是空调行业的创新。该机组设计合理，运行稳定可靠，制冷制热效率高，运行的可靠性和稳定性强，该机组最大优点是：高效、节能、经济、环保、运输、安装、维修极为方便,更加高的取暧比。3.1.2 特点特点（1）高效 一般空调对着空气换热称为风冷热泵，缺点在于天气炎热或者寒冷最需要冷量或热量时效率反而下降。地温

9、一年四季基本恒定在 16左右，略高于该地区平均温度 1 到 2 度，使得热泵无论在制冷或制热工况中均处于高效率点，1kw 的能量可供 60-80 平方米的建筑采暖、制冷。（2）耗电省 冬季运行时，COP 约为 4.2，即投入 1KW 电能，可得到 4KW 的热能，夏季运行时，COP 可达 5.3，投入 1KW 电能，可得到 5KW 的冷量，能源利用效率为电采暖方式的 3-4 倍；并且热交换器不需要除霜，减少了结霜和除霜的用电能耗。 （3）节省占地面积 省去了冷却塔、锅炉及与之配套的煤棚和渣场，节省了土地资源，产生附加经济效益，并改善了建筑物的外部形象。（4）经济 初投入低于其它中央空调机组，运

10、行费用仅为其它型式空调机组的 50%左右。 （5）可靠性高、寿命长 无故障运转时间万小时，使用寿命 2030 年。（6）环保 使用过程中不释放任何对环境有害的排泄物，井水回灌，不破坏水资源。 （7）安全 不存在任何爆炸和燃烧的隐患，使用方便，适用面广，既可用于中草药小区域取暖制冷，又可多机组合用于建筑群体。 （8）舒适 适度除室内湿度不过分干燥,而且相对湿度应该始终保持在 60%左右人体最舒适水平，这样就克服了井水空调过分潮湿和氟利昂空调过分干燥的缺陷。 （9）健康 空气净化能力强，不断产生负离子，室温柔和清凉爽快森林般自然环境不生空调病。 （10）高效 采用气水分离技术提高水的密度提高水温传

11、导效率，结合特制的蒸发器充分利用天然冷气，空调出风温度接近于水温，同等水温条件下比用一般水温空调明显降低 3-5。4（11）一机多用 地源热泵系统可供暖，空调，还可供生活热水，一机多用，一套系统可以替换原来的锅炉加空调的两套装置或系统。 （12）可再生 土壤有较好的蓄热性能冬季通过热泵将大地浅层的低位热能提高对建筑供暖，同时蓄存冷量，以备夏用；夏季通过热泵将建筑物内的热量转移到地下对建筑进行降温，同时蓄存热量，以备冬用，保证大地热量的平衡。（13）可分区控制 中央空调享受的档次，又可达到单体空调局部控制的效果，不存在“大马拉小车”。 3.2 设计选设计选型要求型要求3.2.1 工程工程设计设计

12、要求要求1、机房可选地下室、地面、楼层中、屋顶，但以地面为最佳。 2、机组基础设计可按土建静负荷加 10%考虑。 3、机组组合间距螺杆为 1400-1800mm，其余为 600-800mm。4、机房应保证通风良好。5、机房应设排水，机组周边设置排水沟，沟上设金属篦子，地下室机房应设置集水坑和潜水泵，实现自动排水。3.2.2 水系水系统设计统设计要求要求1、机组冷冻水，冷却水入口必须设过滤器。2、机组冷冻水，冷却水出口和入口中必须设置减振接头，各水泵进出口必须设减振接头。3、管道阀门设置位置应考虑操作，拆卸方便。 4、管道最低处应设排水装置，最高处应设自动排气装置。5、机组接管附近应设压力表和温

13、度计。3.2.3 电电气气控制要求控制要求1、机房内电气专业的设计施工，应按照国家有关规定进行。2、机组本身带控制柜，实行智能控制。3、机组及电机均应有可靠接地。注：若需提供卫生热水，应特别说明。3.3 太阳能太阳能电电能能转转化技化技术术研究研究太阳能转化为电能有2种主要途径:一种是通过光电装置将太阳光直接转化为电能,即“太阳光发电”,常称为“光伏发电”;另一种是收集太阳辐射能转化为电能, 即“太阳热发电”。本文设计中所使用的太阳能电能转化装置是光伏发电与光热513信信信信信信R1100KR23.3KVR11KGS4069UB4069C1100uFR3R41KR81KGSR510K4069F

14、112VC4100uF1A12VK220V4069123VCC78121K68uF68uF12V发电技术相结合来实现的。3.3.1 光伏光伏发电发电技技术术(1)发电系统构成部分及工作原理太阳辐射的光子带有能量,当光子照射半导体材料时,光能便转换为电能,这个现象叫“光伏效应”。太阳能光伏发电,光伏发电是利用半导体界面的光生伏特效应而将光能直接转变为电能的一种技术。这种技术的关键元件是太阳能电池。太阳能电池经过串联后进行封装保护可形成大面积的太阳电池组件，再配合上功率控制器等部件就形成了光伏发电装置。其电路图如图1所示，图1 光伏发电系统主电路图光伏发电是根据光生伏特效应原理,利用太阳能电池将太

15、阳光能直接转化为电能。发出的直流电采用蓄电池组储存,使用时经逆变器转化为交流电送给用户。它们主要由电子元器件构成，不涉及机械部件。太阳能光伏发电的最基本元件是太阳能电池（片）。目前，单晶硅和多晶硅电池用量最大，非晶硅电池用于一些小系统和计算器辅助电源等。所以,光伏发电设备极为精炼,可靠稳定寿命长、安装维护简便。光伏发电系统是由太阳能电池方阵，蓄电池组，充放电控制器，逆变器，交流配电柜，太阳跟踪控制系统等设备组成其系统结构如下图2，图2 光伏发电系统结构61)太阳能电池是光伏发电的核心部件,能够将光能直接转化为电能,发电时常将太阳能电池组件按一定方式排列成方阵,提高太阳能利用效率。太阳电池是一对

16、光有响应并能将光能转换成电力的器件。太阳能光伏发电的最基本元件是太阳能电池（片），有单晶硅、多晶硅、非晶硅和薄膜电池等。目前，单晶硅和多晶硅电池用量最大，非晶硅电池用于一些小系统和计算器辅助电源等。它们的发电原理基本相同，现以晶体为例描述光发电过程。P 型晶体硅经过掺杂磷可得 N 型硅，形成 PN 结。当光线照射太阳电池表面时，一部分光子被硅材料吸收；光子的能量传递给了硅原子，使电子发生了越迁，成为自由电子在 P-N 结两侧集聚形成了电位差，当外部接通电路时，在该电压的作用下，将会有电流流过外部电路产生一定的输出功率。这个过程的的实质是：光子能量转换成电能的过程。目前应用较广的太阳能电池有单晶

17、硅、多晶硅和非晶硅薄膜 3 种,转换效率最高达到 20%左右, 具体数据见表 1，21.011.419.814.524.720.3世界中国非晶硅薄膜多晶硅单晶硅表 1 太阳能电池转换效率太阳能电池作为将太阳能转换成电能的主要转换器件，它的转换效率取决于诸多因素，如温度、光照情况、负载参数等在一定条件下，根据负载匹配原理适当调整匹配参数，使太阳能电池出力达到最大是太阳能电池的最大功率点问题（Maximum Power Point，简称MPP）。在小型太阳能发电装置中，为了提高发电效率，这一技术受到重视。在中等规模太阳能发电系统中，还应考虑太阳跟踪技术所产生的发电效益。太阳能电池板输出伏安特性存在

18、最大功率点，输出电压过高或过低，输出电流过高或过低，都会影响太阳能发电系统的发电效率。而负载很难为了迎合最大功率点的要求去调整它的阻抗，所以目前普遍的做法是在太阳能电池板和负载之间加入DC-DC 转换电路，使输入和输出阻抗实现匹配。其中，DC-DC 转换电路主要有Buck 电路，Boost 电路和SEPIC 电路等。a. Buck 电路分析典型的Buck 电路如图3 所示，它是一种降压电路，输出电压Vo 低于或等于输入电压Vi。忽略电路的能量损失，电路的效率= 1，则输入功率等于输出功率Pi = P0 ，即：Vi Ii =Vo Io ，(1)V0/Vi =Io/Ii =Dc，(2)7图3 Bu

19、ck电路在太阳能发电系统中，Vo是太阳能电池板的输出电压，Io是太阳能电池板输出电流，它们随光照强度和温度发生变化为了使太阳能电池板输出最大功率，调整电子开关S的脉冲占空比，使Vi、Ii始终工作在最大功率点附近，这就是MPP的工作原理假设电路为纯电阻性负载Ro，由（2）式可知Ri=Vi/Ii, Ro=Vo/Io, (3) Ro/Ri=， (4)2Io/Ii）（2DcRo=Ri, (5)2Dc其中Ri是Buck电路的等值入口阻抗。由于Buck电路的输出电压Vo不可能高于输入电压Vi，根据（2）式得Dc1。由（5）式有RoRi。根据以上分析得出如下结论：假设太阳能电池板在一定条件下的最大功率点为P

20、m （Vm，Im），其等值阻抗Rm=Vm/Im, 只有在负载阻抗满足RoRm；OA代表另一种负载特性，其等值电阻Ro2Rm显然根据前面的结论，只有在后一种情况下才可能通过调整S开关的占空比实现MPP跟踪因为在太阳能电池板输出特性的DP段满足VoVi，而此段有Ro1，因此其结论为：假定太阳能电池板在一定条件下的最大功率点为Pm（Vm,Im），其等值阻抗Rm=Vm/Im，只有在负载阻抗RoRM的条件下才能实现MPP跟踪。图解说明如图3所示，只有在输出特性如OB时才可能调整S的占空比，实现MPP跟踪。Boost电路如图4所示，8图5 Boost电路c. SEPIC电路分析典型的SEPIC电路如图6所

21、示，它的输入电压和输出电压可以为任意比例，其计算式为Vo/Vi=/1-，（6）其中表示S开关的占空比，即ton=T，T为S开关的周期由（6）式可知，改变既可以使VoVi，也可以使VoViSEPIC电路的这一特性显然更具灵活性，目前SEPIC电路在太阳能发电系统中被广泛采用. SEPIC电路如图6所示，图6 SEPIC电路2)充放电控制器主要对蓄电池组实施监控,是能自动防止蓄电池过充电和过放电的设备。双电压比较器 LM393 两个反相输入端脚和脚连接在一起，并由稳压管 ZD1 提供 6.2V 的基准电压做比较电压，两个输出端脚和脚分别接反馈电阻，将部分输出信号反馈到同相输入端脚和脚，这样就把双电

22、压比较器变成了双迟滞电压比较器，可使电路在比较电压的临界点附近不会产生振荡。R2、RP1、C1、A1、Q1、Q2 和 J1 组成过充电压检测比较控制电路；R3、RP2、C2、A2、Q3、Q4 和 J2 组成过放电压检测比较控制电路。电位器 RP1和 RP2 起调节设定过充、过放电压的作用。可调三端稳压器 LM371 提供给LM393 稳定的工作电压。被充电电池为 12V65Ah 全密封免维护铅酸蓄电池；太阳电池用一块 40W 硅太阳电池组件，在标准光照下输出 18V、2.3A 左右的直流工作电压和电流；D1 是防反充二极管，防止硅太阳电池在太阳光较弱时成为耗电器。当太阳光照射的时候，硅太阳电池

23、组件产生的直流电流经过 J1-1 常闭触点和 R1，使 LED1 发光，等待对蓄电池进行充电；闭合，三端稳压器输出电压，电路开始工作，过充电压（14.5）检测比较控制电路和过放电压（11.5）检测比较控制电路同时对蓄电池端电压进行检测比较。当蓄电池端电压小于预先设定的过充电压值时，A1 的脚电位高于脚电位，脚输出低电位使 Q1 截止，Q2 导通，LED2 发光指示充电，J1 动作，其接点 JI-1 转换位置，硅太阳电池组件通过对蓄电池充电。蓄电池逐渐被充满，当其端电压大于预先设定的过充电压值时，A1 的脚电位低于脚电位，脚输出高电位使1 导通，Q2 截止，LED熄灭，J1 释放，JI-1 断开

24、充电回路，发光，指示停止充电。当蓄电池端电压大于预先设定的过放电压值时，A2 的脚电位高于脚电位，脚输出高电位使 Q3导通，Q4 截止，LED3 熄灭，J2 释放。其常闭触点 J2-1 闭合，LED4 发光，指示负载工作正常；蓄电池对负载放电时端电压会逐渐降低，当端电压降低到小于预先设定的过放电压值时，A2 的脚电位低于脚电位，脚输出低电位使 Q3 截9止，Q4 导通，LED3 发光指示过放电，J2 动作，其接点 J2-1 断开，正常指示灯LED4 熄灭。切断负载回路，避免蓄电池继续放电。闭合，蓄电池又充电。其电路图如图 7，图7 充放电电路控制3)蓄电池组其作用是贮存太阳能电池方阵受光照时发

25、出的电能并可随时向负载供电。太阳能电池发电对所用蓄电池组的基本要求是：a.自放电率低；b.使用寿命长；c.深放电能力强；d.充电效率高；e.少维护或免维护；f.工作温度范围宽；g.价格低廉。蓄电池组是系统储能装置,在发电充足时储存电能,在夜间或日照不足时向负荷供电，因此能控制蓄电池组过充电或过放电的充放电控制器是必不可少的设备。4)逆变器是将直流电转换成交流电的设备。由于太阳能电池和蓄电池是直流电源，而负载是交流负载时，逆变器是必不可少的。逆变器按运行方式，可分为独立运行逆变器和并网逆变器。独立运行逆变器用于独立运行的太阳能电池发电系统，为独立负载供电。并网逆变器用于并网运行的太阳能电池发电系

26、统。电压型逆变器如图 8 所示和电路图如图 9 所示，图8 电压型逆变器框图1丝 丝 丝D1 5AR110K丝 丝 丝 丝2.2A丝丝丝12VR2 6.2KRP110KLM 317R410uFR5290R36.2KRP210KC2C310uFC210uFZ D16.2VR62KR1010KR1110KR712KR81.3KC4100uFR910KQ1Q3R1310KR1210KJ1R1410KQ2丝丝丝丝R154KJ2丝丝丝丝R164KQ4R174K丝丝丝丝K32184U?ALM 39332184U?LM 393AJ1丝丝丝丝J2-165710图9 电压型逆变器电路图a.功率转换是逆变器的核心

27、, 它把12V 的直流电变换成50 Hz、220 V 的交流电,其关键部件为四只大功率MOS 场效应晶体管和一只12 /220 V 高效变压器。b.稳压及过流保护电路的作用是把输出电压和输出电流的波动反馈至控制回路, 以使达到稳压和过流保护的目的。c.输出显示将输出电压用指针表显示, 电源的工作状态用指示灯指标。5)太阳跟踪控制系统由于相对于某一个固定地点的太阳能光伏发电系统，一年春夏秋冬四季、每天日升日落，太阳的光照角度时时刻刻都在变化，如果太阳能电池板能够时刻正对太阳，发电效率才会达到最佳状态。目前世界上通用的太阳跟踪控制系统都需要根据安放点的经纬度等信息计算一年中的每一天的不同时刻太阳所

28、在的角度，将一年中每个时刻的太阳位置存储到 PLC、单片机或电脑软件中，也就是靠计算太阳位置以实现跟踪。采用的是电脑数据理论，需要地球经纬度地区的的数据和设定，一旦安装，就不便移动或装拆，每次移动完就必须重新设定数据和调整各个参数；原理、电路、技术、设备复杂，非专业人士不能够随便操作。本控制系统的控制器为计算机，通过过程输入输出通道发送信号到直接控制部件，直接控制部件由步进电机及其驱动器组成，然后步进电机带动执行机构运动。检测部件产生反馈信号到计算机。检测部件由光电传感器和光电检测电路组成。控制系统的整体结构框图如图 11 所示，GSR 41KR 81KGSC 4100uF1A12V220V6

29、8uF68uFR 3R 510K40691KVC C信信信信11图10 太阳跟踪控制系统图本系统是同时采用视日运动轨迹跟踪方法和光电跟踪方法来完成一次跟踪。两种跟踪方法在系统中的关系如图12所示，图11 两种跟踪方法在系统中的关系开始跟踪时，系统首先采用视日运动轨迹跟踪的跟踪方法，在地平坐标系中根据太阳轨迹的算法求出一日内某时刻太阳的高度角s、和方位角s的理论值，再加上系统的预修正量s、s，若系统是第一次运行，那么在第一步跟踪动作里预修正量为0，但第一步跟踪动作里的光电跟踪会产生一个预修正量，作为第二步的预修正量，并且第二步的光电跟踪对此预修正量进行调整，调整量、为光电跟踪调整电机再次转动的角

30、度。调整后的预修正量作为第三步跟踪动作的预修正量，每步跟踪的预修正量s、s与上一步的预修正量so、so和调整量、的关系如下式所示:s =so+，s=so+。式中、高度角、方位角的预修正量;so、so上一步高度角、方位角的预修正量;、高度角、方位角的调整量。当调整电机正转时调整量为正，反之为负。当系统停机时，最后一步的预修正量将被程序储存，下次开机时直接调用系统储存的此预修正量。当视日理论轨迹s、s和预修正s、s，确定的跟踪误差足够小时，调整量为零、，不再对预修正量进行调整。控制系统控制运动执行机构在垂直方向和水平方向转动相应的角度，角度为预修正量和视日运动轨迹理论值之和。然后采用光电跟踪的方法

31、，传感器光敏二极管感应太阳光强度，然后由光电检测电路产生反馈信号到计算机，控制程序运行相应处理反馈信号的代码输出脉冲信号，调整电机的角度，使太阳能采光板的平面再次与入射光线垂直，此次12调整电机再次转动的角度作为预修正量的调整量。并且将调整量与预修正量的和作为新的预修正量的值贮存供下步跟踪使用。至此，系统完成一步跟踪动作。因此系统控制机械执行机构所转动的实际角、由下式计算:=+s+s，=+s+s，式中、实际转动的角度;s、s高度角方位角的预修正量；、高度角、方位角的调整量;s、s高度角、方位角的理论计算值。当光线强度不够时，或者视日运动轨迹理论计算值和预修正量确定的跟踪误差足够小时，由于光电检

32、测电路不产生信号，光电跟踪方法的产生调整量为零，系统以视日运动轨迹理论计算值和既定的预修正量进行跟踪，此时的跟踪角度可以认为是最佳角度。系统在运行到日落时刻时，会根据实际转动的角度返回到系统的基准位置。系统的基准位置即采光板正面正对当地正南方，且水平的位置。 (2)光伏发电的难点及对策太阳能光伏发电不消耗燃料,清洁无污染，在实际应用中解决了世界上许多特殊地区和边远地区的用电问题。随着政府的政策扶植和投资者增加,目前光伏发电进入了一个快速发展期,但总体来看, 光伏发电产业尚处于起步阶段,主要是由于太阳能发电初期投资大,控制成本高,而太阳能转化效率比较低,且容易受天气等多种因素影响。根据目前光伏发

33、电发展状况和其技术难点,未来的光伏发电研究需要重视以下几个方面: 一是加快太阳能原材料晶体硅生产技术的研究和新型替代材料的开发, 降低材料成本并提高其转化效率; 二是提高系统控制技术, 如达到光伏电池阵列的最优化排列组合、实现太阳光最大功率跟踪等; 三是研究光伏发电的并网技术, 减少光伏电能对电网的冲击; 四是研究光伏发电与其他可再生能源发电技术的结合应用, 保证供电持续性。3.3.2 太阳太阳热发电热发电技技术术(1)发电系统构成部分及工作原理太阳能热发电是利用太阳的热能发电,利用大规模阵列抛物或碟形镜面收集太阳热能，通过换热装置提供蒸汽，结合传统汽轮发电机的工艺，从而达到发电的目的。采用太

34、阳能热发电技术，避免了昂贵的硅晶光电转换工艺，可以大大降低太阳能发电的成本。而且，这种形式的太阳能利用还有一个其他形式的太阳能转换所无法比拟的优势，即太阳能所烧热的水可以储存在13巨大的容器中，在太阳落山后几个小时仍然能够带动汽轮发电。通过集热装置将太阳辐射的热能集中, 驱动发电机发电。热发电系统一般包括集热系统、热传输系统、蓄热储能系统、热机、发电机等。集热系统聚集太阳能后, 经过热传输系统将热能传给热机, 并由热机产生动力,带动发电机发电。其系统结构如下图13所示，热传输系统蓄热储能系统集热系统热机发电机图12 热发电系统结构由于通常入射到地球表面的太阳能是广泛而分散的, 要充分收集并使之

35、发挥热能效益, 就必须采取一种能把太阳光发射并集中在一起, 变成热能的系统。(2) 太阳能热电装置工作原理a. 太阳辐射能量q=E()d (W/)式中，E()经过大气层吸收后的太阳光谱的辐照度。太阳能量分布图如图13所示，图13 太阳辐射能量分布图图中有两条曲线AM0和AM1.5，其中AM0曲线表示在地球大气层外接收到的太阳辐射能，AM1.5曲线表示通过大气层以后的太阳辐射能。在太阳辐射通过大气层后，由于空气以及尘埃的吸收，会有一定的损失，当其到达地面时，强度大小为835W/。b.太阳能热电装置太阳能热电装置的原理是将聚焦后的太阳光照射在热电装置上，并通过半导体热电材料进行发电的。它主要由聚光

36、镜和热电装置组成。其原理图如图14所示，14图14 太阳能热电装置简图聚光后的热流密度为：q0=q.A1/A2，式中，A1定日镜总面积; A2装置接收面积;聚光效率。若定义A1/A2的比值为聚光比Cg，则聚光后的热流密度可表示为q0=q. Cg。(3)目前常用的有2种方法: 一种是将太阳光发射并集中在一起, 称为聚光式; 另一种方法是直接利用太阳热能, 称为聚热式。采用前者的有塔式、槽式和盘式等太阳热发电技术; 采用后种方式的有太阳烟囱和太阳池等发电技术。太阳能热发电形式有槽式，塔式，碟式三种系统。槽式太阳能热发电系统全称为槽式抛物面反射镜太阳能热发电系统，是将多个槽型抛物面聚光集热器经过串并

37、联的排列，加热工质，产生高温蒸汽，驱动汽轮机发电机组发电。国内槽式太阳能热发电技术现状 20 世纪 70年代，在槽式太阳能热发电技术方面，中科院和中国科技大学曾做过单元性试验研究。进入 21 世纪，联合攻关队伍，在太阳能热发电领域的太阳光方位传感器、自动跟踪系统、槽式抛物面反射镜、槽式太阳能接收器方面取得了突破性进展。由于反射镜是固定在地上的，所以不仅能更有效地抵御风雨的侵蚀破坏，而且还大大降低了反射镜支架的造价。更为重要的是，该设备技术突破了以往一套控制装置只能控制一面反射镜的限制。我们采用菲涅尔凸透镜技术可以对数百面反射镜进行同时跟踪，将数百或数千平方米的阳光聚焦到光能转换部件上（聚光度约

38、 50 倍，可以产生三、四百度的高温），采用菲涅尔线焦透镜系统，改变了以往整个工程造价大部分为跟踪控制系统成本的局面，使其在整个工程造价中只占很小的一部分。同时对集热核心部件镜面反射材料，以及太阳能中高温直通管采取国产化市场化生产，降低了成本，并且在运输安装费用上降低大量费用。这两项突破彻底克服了长期15制约太阳能在中高温领域内大规模应用的技术障碍，为实现太阳能中高温设备制造标准化和产业化规模化运作开辟了广阔的道路。太阳能塔式发电是应用的塔式系统。塔式系统又称集中式系统。它是在很大面积的场地上装有许多台大型太阳能反射镜，通常称为定日镜，每台都各自配有跟踪机构准确的将太阳光反射集中到一个高塔顶部

39、的接受器上。接受器上的聚光倍率可超过 1000 倍。在这里把吸收的太阳光能转化成热能，再将热能传给工质，经过蓄热环节，再输入热动力机，膨胀做工，带动发电机，最后以电能的形式输出。主要由聚光子系统、集热子系统、蓄热子系统、发电子系统等部分组成。太阳能碟式发电也称盘式系统。主要特征是采用盘状抛物面聚光集热器，其结构从外形上看类似于大型抛物面雷达天线。由于盘状抛物面镜是一种点聚焦集热器，其聚光比可以高达数百到数千倍，因而可产生非常高的温度。三种系统目前只有槽式线聚焦系统实现了商业化，其他两种处在示范阶段，有实现商业化的可能和前景。三种系统均可单独使用太阳能运行，安装成燃料混合（如与天然气、生物质气等

40、）互补系统是其突出的优点，其性能比较如表 2 所示，表 2 三种太阳能热发电系统性能比较 槽式系统塔式系统碟式系统规模30-320 兆瓦10-20 兆瓦5-25 兆瓦运行温度（）390/734565/1049750/1382年容量因子23%-50%20%-77%25%峰值效率20%23%24%年净效率11%-16%7%-20%12%-25%可否储能有限制可以蓄电池互补系统设计可以可以可以美元/平方米6302754752003.100320美元/瓦4.02.74.42.512.61.3美元/峰瓦4.01.32.40.912.61.116(3)太阳热发电系统的问题及对策太阳热发电系统一般都属于大规

41、模发电系统,只有做成几十到几百兆瓦级的发电站, 成本才可能降下来。但要实现太阳能热发电系统低成本的投资和技术上的高可靠性运行这要求未来在技术上要进行新型集热材料的研究和开发,快速提高跟踪机构的技术并降低其实现成本。同时发电产业要努力实现规模化,建立大规模的并网系统, 既节约成本,又保证系统平稳安全运行。3.3.3 光伏光伏发电发电与光与光热发电热发电技技术结术结合合从以上光伏发电和太阳热发电技术的工作原理及系统结构，我们可以看出太阳能光伏发电原理简单, 使用灵活方便, 但是容易受到影响, 尤其在缺乏太阳光时就不能够发电。而在实际应用中, 太阳能电池转换效率比较低, 大约20% , 80% 照射

42、到电池表面上的太阳能未能转换为有用能量, 相当一部分能量转化成为热能, 使电池温度升高, 导致电池效率下降。为提高太阳能利用效率, 充分利用太阳热能并尽可能保持光伏电池的转换效率, 可以在电池背面敷设流体通道带走热量以降低电池温度, 再附设储能装置储存热能, 在夜晚或天气不好时用来发电。由此可以大胆构造出一个太阳能光伏发电和太阳能热发电相结合的联合系统。这种系统既提高了光伏发电的利用效率又有效利用了吸收的热能, 整体效率要比单一的光伏或太阳能热发电要高,同17时又可以解决太阳能发电不连续的弱点。依据上述构想, 可以设计这样一种联合的发电系统, 其原理结构图如图15所示，图15 光伏与光热联合发

43、电系统光伏发电和太阳热发电联合系统由太阳能电池板和集热器组合阵列、蓄能装置、低温涡轮发电机、蓄电池、控制器、逆变器以及负载组成。该系统采用了集光和集热相结合的方式, 收集模块上层为光伏电池板, 下部分敷设一种新型的吸热管, 它最大的特点是在温度达到一定程度时直接产生高温高压的水蒸汽, 不再需要传热介质回路, 节约了系统成本。低温涡轮发电机是一种特殊的涡轮电机, 它在低温15 左右时仍能够发电。在白天阳光充足时,光伏电池将照射在表面的太阳光能转化为电能,经逆变器将电能送给用户,对大型系统或可调度系统可加设蓄电池, 储蓄电能。同时吸热管将吸收太阳热能,将产生的水蒸汽经传输设备送到蓄能装置储存起来。

44、蓄能装置内部装设调节装置,自动或手动调节能量输出,控制低温涡轮发电机发电,在白天无光照时间或者夜间维持系统持续供电。在理想的条件下,若系统的配置足够合理，可以保证向负载24h供电,解决太阳能发电不连续的弱点。3.4 地源地源热泵热泵空空调调系系统统3.4.1 地源分地源分类类地源按照室外换热方式不同可分为三类：(1)土壤埋盘管系统；(2)地下水系统；(3)地表水系统；如下图16所示，18图16 地源三种分类根据循环水是否为密闭系统，地源又可分为闭环和开环系统。闭环系统如埋盘管方式(垂直埋管或水平埋管)，地表水安置换热器方式。开环系统如抽取地下水或地表水方式。此外，还有一种“直接膨胀式”，它不像

45、上述系统那样采用中间介质水来传递热量，而是直接将热泵的一个换热器（蒸发器）埋入地下进行换热。3.4.2 地源地源热泵热泵工作原理工作原理地源热泵是利用浅层地能进行供热制冷的新型能源利用技术，是热泵的一种,热泵是利用卡诺循环和逆卡诺循环原理转移冷量和热量的设备。地源热泵通常是指能转移地下土壤中热量或者冷量到所需要的地方。通常热泵都是用来做为空调制冷或者采暖用的。地源热泵还利用了地下土壤巨大的蓄热蓄冷能力,冬季地源把热量从地下土壤中转移到建筑物内,夏季再把地下的冷量转移到建筑物内,一个年度形成一个冷热循环。具体原理是可以分为两个工作循环，即制冷剂循环回路和水循环回路，其工作流程如图 8 所示。在制

46、冷剂的循环回路中，压缩机吸入温度较高的低压制冷剂蒸汽，将其压缩成为高温高压的气体，再将这些高温高压气体送入冷凝器中去进行热量交换。水循环回路中，冷水在水泵的作用下，进入到冷凝器，在冷凝器中与高温高压气体进行热交换，制成热水。同时，冷凝器中的高温高压气体变成了低温低压的气体或液19体，送入储液罐。制冷剂从储液罐中输出后，经过滤器、膨胀阀，进入蒸发器从空气中吸热而蒸发。然后，制冷剂蒸汽再次被压缩机吸入，开始下一个循环。通过这样反复的循环工作，从而达到对水箱中的水加热的目的。其工作原理如图 17所示，图 17 热泵工作流程图制冷模式 在制冷状态下，地源热泵机组内的压缩机对冷媒做功，使其进行汽-液转化

47、的循环。通过冷媒/空气热交换器内冷媒的蒸发将室内空气循环所需携带的热量吸收至冷媒中，在冷媒循环的同时，再通过冷媒/水热交换器内冷媒的冷凝，由水路循环将冷媒所携带的热量吸收，最终由水路循环转移至土壤里。在室内热量不断转移至地下的过程中，通过冷媒空气热交换器，以 13-7的冷风的形式为房间供冷。工艺流程如图 18 所示，图 18 地源热泵工作原理（制冷模式）供暖模式 在制热状态下，地源热泵机组内的压缩机对冷媒做功，并通过水路切换将水流动方向切换。由地下的水路循环吸收地下水或土壤的热量，通过冷媒/水热交换器内冷媒的蒸发，将水路循环中的热量吸收至冷媒中，在冷媒循环的同20时，再通过冷媒/水热交换器内冷

48、媒的冷凝，由空气循环将冷媒所携带的热量吸收。在地下热量不断转移至室内的过程中，以 35-50的热风的形式向室内供暖。工艺流程如图 19 所示，图 19 地源热泵工作原理（制热模式）3.4.3 地源地源热泵应热泵应用方式用方式地源热泵从应用的建筑物对象分可分为家用和商用两大类，从输送热量方式分可分为集中系统、分散系统和混合系统。家用系统：用户使用自己的热泵、地源和水路或风管输送系统进行冷热供应，多用于小型住宅，别墅等户式空调。集中系统：热泵布置在机房内，冷热量集中通过风道或水路分配系统送到各房间。分散系统 （又称水环路热泵系统）：用中央水泵，采用水环路方式将水送到各用户作为冷热源，用户单独使用自

49、己的热泵机组调节空气。一般用于办公楼、学校、商用建筑等，此系统可将用户使用的冷热量完全反应在用电上，便于计量，适用于目前的独立热计量要求。混合系统：将地源和冷却塔或加热锅炉联合使用作为冷热源的系统，混合系统与分散系统非常类似，只是冷热源系统增加了冷却塔或锅炉。南方地区，冷负荷大，热负荷低，夏季适合联合使用地源和冷却塔，冬季只使用地源；北方地区，21热负荷大，冷负荷低，冬季适合联合使用地源和锅炉，夏季只使用地源。这样可减少地源的容量和尺寸，节省投资。3.5 热泵热泵控制系控制系统统分析及其分析及其设计设计方案方案3.5.1 热泵热泵控制器硬件控制器硬件设计设计热泵的主要控制点有：水泵、压缩机、风

50、机、除箱电磁阀等。由于这些控制点都是开关量控制，因此可以采用继电器控制。1) 87LPC767 和简介该控制器采用PHILIPHS 公司的工业级芯片87LPC767 和87LPC762 作为系统的微控制器。该系列单片机采用80C51 加速处理器结构，指令执行速度是标准的805lCPU 的2 倍，因而最大程度地减少了电磁辐射和功耗，提高了系统的抗干扰能力。它与普通SOC51 单片机指令兼容，并提供了低系统成本、低功耗及少数的IC 引脚。它内建了许多周边电路，如电源检测、模拟功能、串口以RT 及RC 振荡看门狗电路、电源监控电路等。其中87LPC767 具有4 路8 位AD 转换器，能够满足热泵的

51、检测要求。2) 热泵控制器硬件结构该热泵控制器包含由87LPC767 构成的主系统和87LPC762 构成的从系统两大部分。其中主系统由温度采集模块、开关量采集模块、开关量控制模块、串口通信模块组成。从系统由按键模块、LED 液晶显示模块和串口通信模块组成。控制器具体的组成结构见图20 所示，图20 热泵控制器系统组成结构图a.温度采集模块温度采集模块是热泵控制器的核心部件，主要负责对热水进口温度、热水出口温度、压缩机温度和管壁温度的实时检测和AD转换。控制器的温度热敏电阻温控器，其输出信号可以直接送入87LPC767的ADC管脚，转换为数字信号供控制器做后续处理。热敏电阻式温控器有热敏电阻R

52、1与R2、R322与RP组成平衡桥。当停机工作时室内机内温度升到开机温度时，热敏电阻R1的阻值减小，使R2的电压升高，三极管将饱和导通，继电器J1得电吸合，压缩机开机工作。当温度下降到停机温度时，热敏电阻R1的阻值增大，使R2阻值减小，使三极管截止，使继电器J1掉电动作，停止工作。图21 热敏电阻温控器电路b. 开关量控制模块控制热泵热水器主要就是控制压缩机、风机的运行。根据实际情况，在设计中选用6A 250V AC 型继电器实现单片机对强电的控制。为了使控制电路能给继电器提供足够的工作电流，在继电器和单片机之间加入了光耦4N25和PNP 型三极管90 12 。光藕发光二极管的阳极接200的上

53、拉电阻，阴极接单片机的I/O 口，这样可以为发光二极管提供足够的工作电流：当单片机控制端口为高电平时，发光二极管熄灭，光耦处于断开状态，继电器弹簧片接在静触点上，被控制电路处于断开状态。当单片机控制端口为低电平时，发光二极管发光，光耦导通，继电器弹簧片接在动触点上，被控制电路处于导通状态，也就是给压缩机上电，压缩机开始运行。c. 20mA 电流环串口通信模块控制器主从系统的数据和信号交换比较频繁，由于热水器的工作环境比较恶劣，通信线路中产生的电、磁干扰及线路本身的分布电容对电压信号影响较大。但是这些干扰对线路中的电流影响却不大，因此控制器采用20mA 电流环接口实现串口通信。该通信回路由发送电

54、路和接收电路组成，电流环回路与单片机管脚之间采用光耦隔离。在通信回路发送端，发送电路将TTL 电平转换成环路20mA电流信号，在接收端又将电流信号转换成TTL 电平信号。图22为20mA 电流环接口发送端和接收端原理图。Q1+ 30uF1J1J1_112V信信R 12K1K23图22 20mA电流环接口发送端与接收端的原理图d.系统中所需电源电路系统中控制电路所需要12V和5V电路如图23所示，图23 所需电源3.5.2 热泵热泵控制器控制器软软件件设计设计热泵控制器的软件系统包括主单片机系统和从单片机系统。两者之间的数AC22 0V1234D?+C7+C1+C2C9C8C6C5C4C3GND

55、GNDVin1GND2Vout3780518V18V5VGND0.1uF0.1uF220uF0.1uF0.1uF0.1uF0.1uF470uF470uFVin1GND2Vout37912Vin1GND2Vout378121A781212V12A74LS1412A74LS14U1P521-4/4R41KQ19013Q212R14.7K1KR2R3100R52.4K500R612A74LS141274LS14U2P521-4/412V12V1K1K4.7K24据传输通过20mA 电流环通分，温度采集由单片机87LPC767 内部集成的ADC 完成。为了得到最大的A / D 转换精度，在A / D

56、转换过程中，需要把MCU 设置为掉电模式，以消除大部分片内噪声。同时，须对I / O 口进行配置，将用于A / D 转换的四个端口设置成模拟输入方式。在启动A / D 转换后，必须在2 个机器周期内激活掉电模式或空闲模式，以获得最精确的A / D 转换结果。这两个机器周期是以MCU 时钟频率来计算。在掉电模式或空闲模式下，使用A / D 信来完成。数据信号和控制信号统一用ASCH 格式在两个单片机系统中进行传输，其通讯程序与典型的RS232 通讯程序兼容。主单片机系统主要负责温度的采集和控制、4 路强电控制以及故障信号的采集。由于4 路强电控和故障信号是开关量信号，因此可以直接通过端口操作完成

57、对这些开关量的控制和采集。作为热泵控制器的核心部转换时，A / D 转换完成之前MCU 不应被其它中断唤醒。程序ADStart 使用累加器中提供的A / D 通道启动A / D 转换。ADStart : ORL ADCON ， A ；加入新的通道编号SETB ADCS ；启动A / D 转换ORL PCON ，#02h ; RET 中断处理程序ADint 读取转换值并将其存入存储器ADResult 单元，在启动转换之前，必须先开中断。ADint : PUSH ACC ；保存累加器MOV A , DACO ；得到A / D 转换结果MOV ADResult , A ；存入存储器单元CLR ADC

58、I ；清除A / D 完成标志ANL ADCON ，#0fh ；清除A / D 通道号POP ACC ；恢复累加器RETI3.6 热泵热泵中央空中央空调调机机组组的运行状况及运行曲的运行状况及运行曲线线将空调与热水器及地源有机的结合在一起，其在夏季时通过室内蒸发器实现对室内空气的降温、降湿的同时，利用冷凝器中的热量生产热水。在不需使用空调的春秋季节则可以作为热泵热水器使用。而在冬季其仍作为热泵空调器实现供暖的目的，并能够通过切换实现供应热水的目的。热泵中央空调如图24所示，25图24 地源热泵中央空调3.6.1 制冷系制冷系统统制冷剂循环过程:由压缩机、冷凝器、节流部件、蒸发器四部分组成，用管

59、道将它们连接成一个密封的系统。在蒸发器内处于低温低压的制冷剂液体与被冷却对象发生热交换，吸收被冷却对象的热量并汽化。产生的低压蒸汽被压缩机吸入，经压缩后以高温高压排除。压缩机排出的高温高压气态制冷剂进入冷凝器，被常温的冷却水冷却，凝结成高压液体。高压液体经节流装置时变为低压低温的气、液两相状态进入蒸发器，其中的液态制冷剂在蒸发器中蒸发制冷，产生的低压体再次被压缩机吸入，冷量被冷冻水带走。如此周而复始，小断循环。蒸汽压缩式制冷机中，用压缩机抽出低压气并将其提高压力后排出。气体压缩过程要消耗能量，由输入压缩机的机械能或电能提供。如图 25 所示，图25 压缩制冷示意图为了制取更低的温度必然要求降低

60、蒸发温度，蒸发温度的降低导致蒸发压力P0下降，冷凝压力Pk由冷凝温度决定，冷凝温度受冷却介质（环境）温度的限制，变化范围有限。如图26所示，信信信信信信信信信信信信26h h hp p p1 1 12 2 23 3 34 4 45 5 5PkP0图26 制冷压焓图压缩机:被称为蒸汽压缩式制冷系统的心脏，通常衡量压缩机的标准为:整机性能、可靠性、寿命、噪声。热交换设备:制冷系统的热交换设备主要是冷凝器和蒸发器，它们是制冷剂与外部热源介质之间发生热交换的设备。冷凝器:冷凝器的作用是将制冷剂从低温热源吸收的热量及压缩后增加的热焙排放到高温热源。冷凝器按冷却方式可分为:空气冷却式、水冷式、蒸发冷却式。