太阳能冷暖空调设计方案

1、1 1 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

2、温零上 40。实际上，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

3、 摄氏度,是集制冷、供暖为一体的经济 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

4、个小时，与同纬度的其他国 家相比，与美国相近，比欧洲、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 2 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的条件下满足国民经济持续每年增长 89，就必

5、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 设计要求设计要求 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

6、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。 （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 冷暖地温空调工作原理及其设计与研究冷暖地温空调工作原理及其设计与研究 3.1 设计原理及其特点设计原理及其特点 3.1.1 设计原理设计原理 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

7、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。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 3 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

8、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， 其工作原理与制冷机相同 ）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

9、 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。

10、 （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

11、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 4 一般水温空调明显降低 3-5。 （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

12、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 设计选型要求设计选型要求 3.2.1 工程设计工程设计要求要求 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 水系统设计水系统设计要求要求 1、机组冷冻水，冷却水入口必须

13、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度计。 3.2.3 电气电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 太阳能电能转化技术研究太阳能电能转化技术研究 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”;

14、另一种是收集太阳辐射能转化为电能, 5 1 3 信信信信信信 R1 100K R2 3.3K VR1 1K G S 4069UB4069 C1 100uF R3 R4 1K R8 1K G S R5 10K 4069 F112V C4 100uF 1A 12V K 220V 4069 1 2 3VCC 7812 1K 68uF 68uF 12V 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 热发电技术相结合来实现的。 3.3.1 光伏发电技术光伏发电技术 (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

15、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

16、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 6 1)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

17、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， 21.0 11.4 19.8 14.5 24.7 20.3 世界 中国 非晶硅薄膜多晶硅单晶硅 表 1

18、 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

19、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 Buck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

20、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) 2 Io/Ii）（ 2 Dc Ro=Ri, (5) 2 Dc 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Pm （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

21、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 8 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， 图5 Boost电路 c. SEPIC电路分析 典型的SEPIC电路如图6所示，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）

22、 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 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

23、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，硅太阳电池组件产生的直流电流经过 J1-1 常闭触点

24、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 9 使1 导通，Q2 截止，LED熄灭，J1 释放，JI-1 断开充电回路，发光，指示 停

25、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出的

26、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

27、网运行的太阳能电池 发电系统。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 5A R1 10K 丝 丝 丝 丝 2.2A 丝丝丝 12V R2 6.2K RP1 10K LM 317 R4 10uF R5 290 R3 6.2K RP2 10KC2 C3 10uF C2 10uF Z D1 6.2V R6 2K R10 10K R11 10K R7 12K R8 1.3K C4 100uF R9 10K Q1 Q3 R13 10K R12 10K J1 R14 10K Q2 丝丝丝丝 R15 4K J2丝丝丝丝 R16 4K Q4 R17

28、4K 丝丝丝丝 K 3 2 1 84 U?A LM 393 3 2 1 84 U? LM 393A J1 丝丝丝丝 J2-1 6 5 7 10 图9 电压型逆变器电路图 a.功率转换是逆变器的核心, 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

29、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

30、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， G S R 4 1K R 8 1K G S C 4 100uF 1A 12V 220V 68uF 68uF R 3 R 5 10K 4069 1K VC 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

31、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

32、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，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， 12 此次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

33、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

34、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

35、、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 太阳热发电技术太阳热发电技术 (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 13 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 巨大的容器中，在

36、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

37、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 14 体热电材料进行发电的。它主要由聚光镜和热电装置组成。其原理图如图14所 示， 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

38、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

39、，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

40、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 15 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

41、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）互补系统是其突出的优点，其性能 比较如表 2 所示

42、， 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4.01.32.40.912.61.1 16 (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模发电系统,只有做成几

43、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 光伏发电与光热发电技术结合光伏发电与光热发电技术结合 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% 照射到电池

44、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, 17 同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

45、伏与光热联合发电系统 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

46、传输设备送到蓄能装置储存起来。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 地源热泵空调系统地源热泵空调系统 3.4.1 地源分类地源分类 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

47、下水或地表水方式。 此外，还有一种“直接膨胀式”，它不像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 地源热泵工作原理地源热泵工作原理 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

48、 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 19 气体或液体，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

49、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

50、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 环的同时，再通过冷媒/水热交换器内冷媒的冷凝，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， 20 图 19 地源热泵工作原理（制热模式） 3.4.3 地源热泵应用方式地源热泵应用方式 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

51、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，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

52、量和尺寸，节省投资。 3.5 热泵控制系统分析及其设计方案热泵控制系统分析及其设计方案 3.5.1 热泵控制器硬件设计热泵控制器硬件设计 21 热泵的主要控制点有：水泵、压缩机、风机、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

53、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

54、 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 R1与 R2、R3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。 22 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

55、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.

56、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。 12V 12 A 74LS14 12 A 74LS14 U1 P521-4/4 R4 1K Q1

57、 9013 Q2 12 R1 4.7K 1K R2 R3 100 R5 2.4K 500 R6 12 A 74LS14 12 74LS14 U2 P521-4/4 12V 12V 1K1K 4.7K Q1 + 30uF 1 J1 J1_1 12V 信信R 1 2K 1K 23 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 热泵控制器软件设计热泵控制器软件设计 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 据传输通过20mA 电流环通分，温度采集由单片机87LPC76

58、7 内部集成的ADC 完成。为了得到最大的A / D 转换精度，在A / D 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

59、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 完成对这些开关量的控制和采集。 AC22 0V 1 2 3 4 D? + C7 + C1 +C2 C9 C8 C6 C5 C4 C3 GND GND Vin 1 GND 2 Vout 3 7805 18V 18V 5V GND 0.1uF0.1uF220uF 0.1uF 0.1uF 0.1uF 0.1uF470uF 470uF Vin 1 GND 2 Vout 3 7912 Vin 1 GND 2 Vout 3 7812 1A 7812 24 作为热泵控制器的核心部转换时，A / D 转换完成之前MC

60、U 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 ADCI ；清除A / D 完成标 志 ANL ADCON ，#0fh