太阳能供热系统毕业设计.doc

太阳能供热系统内容摘要随着社会的进步和发展，工业化自动化程度加深，在进步的同时能源矛盾也随之加剧，各种新能源应运而生针对目前我国能源短缺和环境问题,本文提出了利用太阳能和其他辅助能源,既能为家庭提供生活热水又能用于采暖的太阳能采暖。本文以“北京安润通电子技术开发有限公司”三河分厂太阳能拱热系统为例，详细论述了大中型工厂太阳能拱热系统的设计。由于储能问题，在小型工厂和家庭中采用该方案时必须添加辅助供热装置。本系统以单片机为控制核心，以工控机辅助调试和记录。控制理论简单，系统运行稳定可靠。关键字：太阳能、拱热、储能、单片机、工控机目录一、绪论1、课题研究背景及意义2、本文主要研究内容二、 供热系统概况3、系统控制原理4、厂房概况三、供暖系统各部分设计5、积热板6、管道7、储能池8、温度传感器四、控制系统设置（1）、温度信号采集（2）、电机及电磁阀驱动（3）、单片机选择及软件设计（4）、工控机软件设计五、设计总结正文一、绪论1、课题研究背景及意义先让我们一起来看一组数据来了解一下我国能源现状：我们形容祖国经常会用到“地大物博”一词，但事实表明我们的能源和资源总量并不丰富，由于我国人口众多，人均资源能源的占有量从世界整体水平看存在着明显的差距。严峻的形势让人触目惊心。从能源总量来看，我国是世界第二大能源生产国和第二能源消费国。据资料显示，截止到2004年底，我国石油剩余可采储量23亿吨，占世界总量的1.4%；天然气剩余可采储量2.23万亿立方米，占世界天然气可采储量总量的1.2%；煤炭剩余可采储量1145亿吨，占世界总量的12.6%等。就可采储量而言，有关专家估计，若按目前的开采水平，我国石油资源和东部的煤炭资源将在2030年耗尽，水力资源的开发也将达到极致。就质量而言，我国能源资源以煤炭为主，按各种燃料的热值计算，在目前的探明储量下，世界能源资源中，固体燃料和液体、气体燃料的比例为4：1，而我国则远远落后于这一比值。目前，在世界能源产量中，高质量的液、气体能源所占比例为60.8%，而我国仅为19.1%。2004年，中国一次能源消费总量19.7亿吨标准煤，比上年增长15.2%。其中，煤炭消费量18.7亿吨，原油2.9亿吨，天然气415亿立方米。从人均水平来看，2004年中国人均一次能源消费量1.08吨油当量，为世界平均水平1.63吨油当量的66%，是美国人均8.02吨油当量的13.4%，日本人均3.82吨油当量的28.1%。从能源结构来看，2004年一次能源消费中，煤炭占67.7%，石油占22.7%，天然气占2.6%，水电等占7.0%。这些只是部分能源消费情况，其形势不容乐观。另外，做为一个公司，利润是其生存的根本。随着煤炭、石油等不可再生能源的日趋枯竭，供暖费用也居高不下，并且有逐年上长的趋执。因此开发和使用绿色能源成为了当今世界必然选择。但就利用太阳能供暖而言，虽然已提出多年，但理想的太阳能供热系统和可行方案并不多。有些系统材料价格昂贵，并且后期维护费用高。而另一此设备则因期效率低，集热效果不理想而无法被采用。本系统吸取教训，完全克服了以上不足之处。本文主要论述了安润通三河分厂太阳能集热系统，其中以自动控制部分和集热结构为主。因其供水管路部分和传统的供暖设计没有明显区别，因此不再重点论述。2、经济效益、环境效益、社会效益分析：龙创太阳能+热泵、热水、夏季制冷的设计并施工，是国内唯一太阳能采暖方案成熟可靠的提供者，单体建筑从几十平到几万平都可方便的实行供暖，便于在国内城市、县区、牧区、山区推广，按照目前国内企业向国外企业出口的的“碳排放交易”每吨二氧化碳减排约810欧元以上计算，每1平方米太阳能热水器每年节约150公斤标准煤，减少339公斤二氧化碳排放，龙创太阳能供暖在同等造价下，相当于其他太阳能采暖产品节煤或节电减排效率的3倍左右，也就是10万平米的建筑如果采用1万平龙创太阳能进行供暖，则每年可以为用户创造可交易的碳排放减排效益915300元，15年累计1372万元，即使按照太阳能热水器的效率计算，15年累计也有457万元。按照中国建设部与财政部2009年305、306号文件，中国从2009年开始在国内所有省份大面积推广太阳能供暖，每个省全年不少于400万平以上，所以使用太阳能供暖符合国家节能减排的大政方针，也是人类与自然和谐相处，延缓地球温室效应、气候暖化的最优选择。3、大面积使用太阳能供暖的意义：采暖是我国的能耗大户。自1991年起平均每年新建建筑10亿，至1996年底，共有各类建筑约310亿。每年城镇建筑仅采暖一项需要的耗能占全国能耗总量的11.5。化石能源的大量消耗，使我国的能源供应面临巨大的挑战，而且造成了严重的环境污染。因此研究使用清洁的可再生能源太阳能进行采暖具有重要意义。太阳能供暖系统适用于中国北方南方国外的气候情况，对于家庭用户、别墅、厂房、住宅楼、办公楼等需要较大面积供暖的单位尤其适用。因为性价比的优势，会成为太阳能热水器之后第二个太阳能大面积应用的领域。总体市场容量在每年1千亿元以上。太阳能供暖系统目前每年在欧洲新装10多万套，其技术也停留在太阳能热水简单循环或太阳能四季蓄热阶段，太阳能热水简单循环其经济效益比较差，太阳能利用率低，太阳能四季蓄热造价比房屋的价格还高，在国内十年内没有推广的可行性；而太阳能供暖系统，造价低于太阳能热水简单循环，太阳能利用率可达太阳能热水循环的3倍，如果大型太阳能采暖项目能够将碳排放的减少量销售出去，则太阳能供暖项目不只保护了环境，而且还创造了可观的经济效益。 太阳能采暖系统不光可应用于只在白天使用的建筑，如办公楼或教学楼时，也可应用于需要全天采暖的住宅等建筑。4、太阳能采暖与其它供暖方式初始投资与后期费用比较： 北京2005年取暖费用说明（摘自北京市政府门户网站） 问：北京2005年供暖的收费政策是怎样的？ 答：供暖收费标准与往年比没有变化，民用市热力集团统一供暖价格是24元/建筑平方米、采暖季；民用燃油、燃气、电锅炉供暖价格是30元/建筑平方米、采暖季；燃煤锅炉直供民用供暖价格为16.5元/建筑平方米、采暖季；燃煤锅炉间供民用供暖价格为19元/建筑平方米、采暖季。 问：对不同的采暖单位室内的温度有哪些规定？ 答：北京市使用天然气锅炉(含直燃机)采暖的商场、写字楼等共建用户的室内温度要控制在18摄氏度，宾馆、饭店的室内温度要控制在20至22摄氏度。居民家中的室内温度不能低于16摄氏度。各种供暖方式运行费用比较：（以某户100平方米计算）初始投资 采暖季运行费用燃气壁挂炉 1500020000元 5000元/采暖季集中供暖 25000元 2600元/采暖季空调取暖 500010000元 5500元/采暖季地热采暖 1000015000元，另需热源 根据热源计算太阳能供暖 2400030000元/100 10001500元/采暖季 燃气壁挂炉：供暖系统有关人员测算，采用分户燃气壁挂炉平均5个月一套两居室需要5000元左右，2温差费用差千元。集中供暖：但集中供暖的温度、时间都不能自行调节，空置房间照常收费。空调取暖：巨额电费成为最大负担，如果使用冷暖空调取暖，一个采暖季下来大约要花费5500元左右的电费。 地热采暖：重铺管道成本需万元，地热管道的采暖方式初期投资比较高昂，据介绍，将100平方米房子的暖气改成地热管道系统需要15000元，此外，如果是接市政暖气出水口还要同时交纳每年的市政暖气费2400元，如果接壁挂炉，100平方米的房子一个采暖季则需要耗费大约1500多个字的气，4个月大概费用为3800元左右，与普通小区供暖费用相当。太阳能供暖：在住宅小区、学校、办公楼房大面积应用初始投资合100平方米约2400030000元。，后期使用费用大部分是用太阳能，用电补充一部分，一个采暖季4个月电费是12001500元左右。 结论：全国各地供暖条件不同，初始投资和运行费用也不相同。而太阳能供暖自身不需费用，其它供暖方式费用都逐渐提高。一般在同样取暖效果下，对于个人用户根据取暖面积和热水用量，对比其他供暖方式36年太阳能供暖可回收其他供暖方式投资及费用，在之后的10年左右时间，使用太阳能供暖费用大大低于其他供暖方式投资与费用（因为锅炉与空调的寿命在58年，太阳能供暖系统寿命在15年以上）太阳能供暖系统适用于中国北方南方的气候情况，对于家庭用户、别墅、厂房、住宅楼、办公楼等需要较大面积供暖的单位尤其适用。因为性价比的优势，会成为太阳能热水器之后第二个太阳能大面积应用的领域。总体市场容量在每年1千亿元以上。 5、太阳能采暖特点介绍：1太阳能供暖适用性国内第一：经过山东、北京、山西、陕西、河北、辽宁、黑龙江、河南等几百个家庭单位的应用实践，冬天环境温度在10度零下40度之间，包括平房、楼房、别墅、幼儿园、厂房、办公室、几十万平方的小区都可以适用，根据用户情况进行合理设计、安装，使投资最低，效果最好。 2太阳能供暖舒适性第一：人性化界面，操作简单，可根据用户情况分时分流分室控制，集中了锅炉供暖和空调采暖的优点，使用者的舒适程度大大提高。3、太阳能几大优点： 能够实现冬季太阳能供暖气（也可全年使用）和全年洗浴使用。这是太阳能热水器的革命性进步，也是太阳能应用的重大技术突破。太阳能供暖系统的一次性投资明显低于集中供热、燃油燃煤锅炉等的初始投资，不需要审批，在同等供热情况下日常运行费用大大低于集中供热、燃油燃煤气电锅炉，甚至比土暖气、空调还便宜很多，还可以实现全年的洗浴功能，解决了本系统春夏秋设备闲置，设备折旧加速的问题。 每天24小时应用，每年根据气温想用多少天就用多少天，不用象使用燃气锅炉或空调等担心费用高而只能一天开上2个小时，其它时间硬撑着了。 太阳能与电的完美结合，动态智能运行方式，日常费用降到最低。太阳能供暖洗浴系统由楼顶高温太阳能加热系统和室内计算机智能控制系统组成。运行设定简单，在很多地区晴朗天气下，一天工作24小时全用太阳能供热即可。如果阴雨天或夜间感觉室内需要更高温度，则用电补充即可。太阳能宽频技术与电补变频技术的应用，使太阳能在整套系统能源使用最高能够达到60-95的比例。二、 供热系统概况1、系统控制原理本系统控制原理为开关式控制，通过带变送器的温度传感器对集热板、储能池、供暖区等地进行温度采集，并以4到20ma电流送回。经过采集电路的处进后由高档AVR单片机ATmega16进行AD转换。经CPU分析处理后，通过光耦隔离，推动大功率三极管TIP41，再由41驱动继电器，继电器使接触器导通。再由接触器驱动电机和电磁阀来控制系统。控制算法为：当集热板温度和储能池中水温差到达设定值时集热板和储能池之间开始循环，当温差达到关断值时循环停止。当供暖区和设定温差大于设定值并且储能池中水温高于供暖区时，供暖开始循环，当供暖区室温达到设定值时，系统停止。控制方框图如下：2、厂房概况厂房平面图如下图中A、B、C为钢结构厂房，总面积约3600平米，其中A区设集热器6排，每排16组，共96组；B区各C区各18排，每排3组，共108组，总计204组。别外还设有二个储能池，每个储能池长25米，宽5米高3米。三、供暖系统各部分设计1、积热板集热板每块长1.5米，宽1米，采用铝合金型材并涂有下正丁烷和碳粉配制而成的涂料。每五块集热板组成一个组，每排组数不一。2、储能池经过调查发现现在比热大，阶格低的材料没有，相比之下水是比较理想的储能材料。所以本系统采用两个，每个储能池长25米，宽5米高3米的储水池储储能。3、温度传感器若采用DS18B20做温度传感器可以使系统更加减化，但是由于其稳定性不够，并且所有传感器在一个网络上，当由于雷电等造成高压侵入时，会造成整下网络大部分器件被打坏，所以最终未被采用。本系统的温度传感器采用带变送器的由24付电压直接供电的传感器做为本系统的传感器。温度采集电路图该电路中TVS为高压防护，当发生雷击等事故造成高压侵入时首先由该管击穿导通放电来起到保护电路中其它器件的作用。R2为滤波电阻，和C2组成高通滤波，使电采集的温度平缓，便于处理。R3为采集电阻，将4到20毫安电流传化为0.512V到2.56V电压。R1和C1再次组成RC滤波，W1为最后一级限压保护。4、 驱动为了使继电器产生的电磁干扰不影响单片机的运算，接触器和控制部分不设在一个控制柜中，继电器和单片机也不设在一块PCB上。驱动电路图中R2、R3为防误动作电阻，D1为续流二级管。四、 单片机选择及软件设计1、单片机的选择AVR单片机是 Atmel 公司 1997 年推出的 RISC 单片机。ATMEL公司新推出的90系列单片机内含高速闪存FLASH，是基于增强精简指令RISC （Reduced Instruction Set CPU)结构的单片机，简称AVR单片机，该系列单片机在吸收PIC及8051单片机的优点的基础上，做出了重大的改进。RISC精简指令系统计算机）是相对于CISC（复杂指令系统计算机）而言的。RISC 并非只是简单地去减少指令，而是通过使计算机的结构更加简单合理而提高运算速度的。RISC 优先选取使用频率最高的简单指令，避免复杂指令：并固定指令宽度，减少指令格式和寻址方式的种类，从而缩短指令周期，提高运行速度。由于 AVR 采用了 RESC 的这种结构，使AVR系列单片机都具备了1MIPS/MHz（百万条指令每秒/兆赫兹）的高速处理能力。AVR单片机吸收了 DSP 双总线的特点，采用 Harvard 总线结构，因此单片机的程序存储器和数据存储器是分离的，并且可对具有相同地址的程序存储器和数据存储器进行独立的寻址。在 AVR单片机中，CPU 执行当前指令时取出将要执行的下一条指令放入寄存器中，从而可以避免传统 MCS51 系列单片机中多指令周期的出现。传统的 MCS51 系列单片机所有的数据处理都是基于一个累加器的，因此累加器与程序存储器、数据存储器之间的数据转换就成了单睛机的瓶颈；在 AVR 单片机中，寄存器由32个通用工作寄存器组成，并且任何一个寄存器都可以充当累加器，从而有效地避免了累加器的瓶颈效应，提高了系统的性能。AVR单片机具有良好的集成性能。AVR 系列的单片机都具备在线编程接口，其中的 Mega 系列还具备JTAG仿真和下载功能；都含有片内看门狗电路、片内程序 Flash、同步串行接口 SPI；多数 AVR 单片机还内嵌了 AD 转换器、EEPROM、摸拟比较器、PWM 定时计数器等多种功能；AVR 片机的 I/O 接口具有很强的驱动能力，灌电流可直接驱动继电器、LED等器件，从而省去驱动电路，节约系统成本。AVR单片机采用低功率、非挥发的 CMOS 工艺制造，除具有低功耗、高密度的特点外，还支持低电压的联机 Flash，EEPROM 写入功能。AVR单片机还支持 Basic、C 等高级语言编程。采用高级语言对单片机系统进行开发是单片机应用的发展趋势。对单片机用高级语言编程可很容易地实现系统移植，并加快软件的开发过程。AVR 单片机具有多个系列，包括 ATtiny、AT90、ATmega。每个系列又包括多个产品，它们在功能和存储器容量等方面有很大的不同，但基本结构和原理都类似，而且编程方也相同。选择AVR单片机的原因、速度快AVR单片机在单一时钟周期内执行功能强大的指令，每MHz可实现阶段MIPS的处理能力，是具有最高MIPS/mW能力的确良8位单片机。 AVR单片机采用了大型快速存取寄存器文件和快速单周期指令。其快速存取RISC寄存器文件由32个通用工作寄存器组成。AVR用32个通用寄存器代替累加器，避免了传统的累加器与存储器之间的数据传送，可在一个时钟周期内执行一条指令来访问两个独立的寄存器，代码效率比常规CISC微控制器快十倍。AVR单片机是用一个时钟周期执行一条指令的，即在执行前一条指令时就取出下一条指令，然后以一个周期执行指令（与DSP类似），是8位单片机中第一种真的RISC单片机。 （2）、性能价格比高 AVR单片机中既有引脚少的器件（8脚），也有存储容量较大、引脚较多的器件，给用户以充分的选择佘地。 AVR单片机采用Harvard结构，程序存储器和数据存储器是分开的，可以直接访问8M字节程序存储器和8M的数据存储器。 AVR单片机片内资源丰富。包括：1K-128K字节可下载的Flash存储器、64-4K字节EEPROM、128-4K字节RAM、5-32条通用的I/O线，32个通用工作寄存器、摸拟比较器、定时器/计数、可编程异步串行口、内部及外部中断、带内部晶振的可编程看门狗定时器、为下载程序而设计的SPI串行口、10位AD转换器、以及闲置摸式和掉电摸式2个可选择的省电摸式等。 AVR单片机具有高度保密性。程序存储器FLASH具有多重密码保护锁死（LOCK）功能，绝不可能解密。 （3）、系统内从新编程（ISP In-System Programming) 功能 AVR单片机片内可下载FLASH存储器，可以通过SPI串行接口或一般的编程器进行系统内重新编程（ISP In-System Programming)，给新产品的开发、老产品的 级和维护带来极大的方便。 4、工作电压范围宽（2.7-6V）、抗干扰能力强 总之，AVR单片机在一个芯片内将增强性能的RISC 8位CPU与可下载的FLASH相结合使其成为适合于许多要求、具有高度灵活性和低成本的嵌入式高效微控制器。2、 软件设计为了使得开发周其短，经济合理，稳定性好，本系统的工控机软件采用VB6.0设计开发。由于VB自身的特点（串口通信速度相对VC而言要慢很多，并且访问Mscomm控件要占用很多时间）使得通信不得不采用询问式。当工控机处理数据空闲时向单片机发送询问口令“0Xa5”，单片机收到后向工控机发送一组数据来拱工控机处理使用。程序其它部分和一般单片机程序没有明显区别，因此不再详述。五、 工控机软件设计开发平台选择本系统采用绿环保节能设置，工控机在系统稳定并无特殊监控和设置要求时可以停机，但是系统循环控制不能一次而停止，因此中心运算单元不是工控机而是上位单片机。经过需求分析和查询资料最后决定采用VC、VB、或者组态王中的一个做工控机界面。这三种软件特点如下：VC+6.0是Microsoft公司推出的一个基于Windows系统平台、可视化的集成开发环境，它的源程序按C+语言的要求编写，并加入了微软提供的功能强大的MFC(Microsoft Foundation Class)类库。MFC中封装了大部分Windows API函数和Windows控件，它包含的功能涉及到整个Windows操作系统。MFC不仅给用户提供了Windows图形环境下应用程序的框架，而且还提供了创建应用程序的组件，这样，开发人员不必从头设计创建和管理一个标准Windows应用程序所需的程序，而是从一个比较高的起点编程，故节省了大量的时间。另外，它提供了大量的代码，指导用户编程时实现某些技术和功能。因此，使用VC+提供的高度可视化的应用程序开发工具和MFC类库，可使应用程序开发变得简单。采用VC或者C+都能开发出实用高效的软件，但是我虽然有C语言基础，但是经过一段时间的摸索发现用VC写软件和用C语言写单片机程序根本不是一回事。而FMC的入门对于我来说在短时间内难以做到，因此最终未采用。“组态王”是在PC机上建立工业控制对象人机接口的一种智能软件包，它以Windows 98/Windows 2000/ Windows NT4.0中文操作系统作为其操作平台，具有图形功能完备，界面一致友好，易学易用的特点。该软件包由工程管理器(ProjManager)、工程浏览器(TouchExplorer)、画面运行系统(TouchVew)三部分组成。ProjManager用于新建工程、工程管理，并能对已有工程进行搜索、备份及有效恢复，实现数据字典的导入和导出。TouchExplorer是“组态王”软件的核心部分和管理开发系统，是应用工程的开发环境，内嵌画面开发系统，可完成对画面的设计、动画的连接等工作。TouchVew是“组态王”软件的实时运行环境，用于显示画面开发系统中建立的动画图形画面，并负责数据库与I/O服务程序的数据交换,通过实时数据库管理从一组工业控制对象采集到的各种数据，并把数据的变化用动画的方式形象地表示出来，同时完成报警、历史记录、趋势曲线等监视功能，并可生成历史数据文件。在TouchExplorer的画面开发系统中设计开发的画面应用程序必须在TouchVew运行环境中才能运行。由于组态王拥有以上特点，所以我最初决定采用此方案。但是遗憾的是组态并不是一款免费软件，处于经济原则，最终未采用该软件。Visual Basic,简称VB，是Microsoft公司推出的一种Windows应用程序开发工具。是当今世界上使用最广泛的编程语言之一，它也被公认为是编程效率最高的一种编程方法。无论是开发功能强大、性能可靠的商务软件