户用光伏冷热电联供系统

武 桐 林湃煜 陈 凯 冯宝刚 郑新明

（华南理工大学电力学院，广东 广州 510640）

0 引言

能源短缺、环境极度恶化已成为影响世界各国发展的重要因素。科学家预测，到2030年左右，全世界的化石燃料将消耗殆尽；我国目前建筑耗能约占全国能源消耗量的27%，[2]建筑节能在整个节能工作中占有重要地位。因而寻找、发展新能源以及提高能源的利用效率已经成为世界各国发展的关键问题。

建筑冷热电联供系统(BCHP)是一种建立在能源的梯级利用概念基础之上，将制冷、供热(采暖和供热水)及发电过程一体化的多连产总能系统。对于传统的独立能量供应系统来说，能源的利用效率一般不超过50%，而BCHP对能源的利用效率则可达80%；若现有建筑的8%使用BCHP的、新建建筑的50%使用BCHP的话，到2020年，CO2的排放量将减少20%[1]。可见，冷热电联产系统在大幅度提高能源使用效率及降低碳和污染空气的排放物方面具有很大的潜力。美国、日本、英国等的建筑冷热电联供技术已相当成熟，冷热电联产技术广泛用于学校、超市、大型写字楼等的采暖、制冷、生活热水供应和部分电力供应。然而，这些系统的一次能源绝大部分为天然气，属于传统能源。若将光伏发电技术与冷热电联供系统合二为一，形成以太阳能为主要能源的独立建筑冷热电联供系统，则可以有效减少化石燃料的使用、温室气体的排放和能源的消耗。因此，本课题提出以太阳能为主要能源，研究户用光伏冷热电联供系统。

1 系统介绍

图1 户用光伏冷热电联供系统结构概图

本系统的基本组成结构如图1所示。系统的主要硬件组成是光伏电池板、Buck降压电路、半导体制冷器、加热器、冷热水箱、LED电灯、直流水泵、蓄电池、余热回收装置以及单片机自动控制器。电力供应端，由具有MPPT最大功率点跟踪功能的充电控制器实现太阳能电池板向蓄电池最大效率充电；蓄电池通过二级降压Buck电路对各个负载供电 ；冷热联供主要通过水循环系统实现，系统在光伏电池板下设计有水箱，不仅可以有效利用光伏电池板的余热，而且可以为光伏电池版降温从而使电池板工作在最适宜温度环境下。采用半导体制冷器，应用“热电效应”，实现冷热水联供。系统基于单片机设计了温度测控系统，分别测量热水箱水温以及光伏电池板集热水箱温度，当热水箱水温低于设定值时，加热器自动启动加热，当电池板集热器温度高于设定值时，水泵启动实现强制水循环。系统能量流及控制流如图2所示。

图2 户用光伏冷热电联供系统原理概图

2 关键技术以及解决方案

系统中关键技术在于：

（1）太阳能的高效利用：随着光照强度、温度以及负载特性的变化，光伏电池的输出功率随之变化，输出功率不稳定。研究最大功率点跟踪（MPPT），以获取光伏电池的最大功率输出，从而最大限度的利用太阳能。

（2）由于太阳能的不稳定性、间断性和不可控性，系统配入蓄电池作为储能元件，如何给给蓄电池充电，实现最优充电，亦是本课题的另一重点

（3）冷热联供：本课题采用半导体制冷器实现冷热联供。应用其冷端对水制冷，并收集其热端热量，用于水的加热。

（4）余热利用。通过基于单片机的自动水循环系统以及光伏电池板集热器、半导体制冷器散热装置，以水为介质充分吸收系统产生的余热，达到能源梯级利用的目的。

基于上述分析，具体设计如下：

2.1 光伏电池的最大功率跟踪

光伏电池与其负载有一个最佳的匹配点，当二者匹配时，光伏电池将工作在最大功率点上，既能够输出的最大功率。光伏电池随着外界环境的改变，其输出的特性发生改变，如果光伏电池没有工作在与之匹配的工作点上，将会造成能量的损失。解决这一问题的途径就是最大功率点跟踪（MPPT）。它是能够实时检测光伏阵的输出功率，采用一定的算法预测当前工况下阵列可能的最大功率输出，通过改变当前的阻抗情况来使太阳能电池板输出工作在最大功率点上。

本系统采用扰动观察法实现了MPPT控制。[3]扰动观察法(P＆O，Perturbation and observation)扰动观测法通过选定一定的D初值以及适当的占空比调整值D达到逐步逼近最大功率点的目的。检测当前时刻的电压、电流值Un、In，计算此时的输出功率Pn=Un*In，先通过增加PWM占空比来增加一个电压扰动值，再次检测电压、电流值Un+1、In+1。计算Pn+1=Un+1*In+1，然后与前一功率值Pn进行比较。本方法中占空比的变化与功率值变化的关系为：①D增加时，P增加，则应让D进一步增加 D；②D增加时，P减小，则应让D减小 D；③D减小时，P增加，则应让D进一步减小 D；④D减小时，P减小，则应让D增加D。算法流程图如图3所示：

图3 扰动观测法算法流程

2.2 基于TL494的Buck电路设计

图4 基于TL494的Buck电路原理图

在本课题中，光伏电池板输出电压等级为24v，而冷热电联供系统各负载的电压等级均为12v及以下，电压等级不合；另外各个负载的运行状态根据具体需求而定，并不一定时刻工作在额定电压下。故必须设计Buck（降压可调电路）电路来实现光伏电池板与冷热电联供系统的连接。

我们设计的基于TL494芯片PWM调制式的Buck电路原理图如图4所示：

1脚为反馈电压输入端，通过5.1K电阻接入电压输出端，反馈电压由R10和R11调节；

3脚所接的0.1u电容及47K、1.0M 电阻是斜率补偿为了增加电路的稳定性。震荡频率由C2和R2决定，fosc=2.34×10^2Hz；

8脚输出PWM波通过R1和R3加于MOS管GS两端，从而控制MOS的通断。

C1和C5均为滤波电容；

TL494是一个固定频率的脉冲宽度调制电路，内置了线性锯齿波振荡器，振荡频率可通过外部的一个电阻和一个电容进行调节，其振荡频率如下：

fosc=1.1/(CT*RT)

整个电路的原理是：开关元件MOS由TL494芯片的输出脉冲控制，假设在t=时，驱动MOS导通，电源E向负载供电，二极管截止，电容C5处于充电状态，电感L处于储能状态，负载电流I0成指数上升。当t=t1时，控制MOS关断，由于电感电流IL无法瞬时变化，故电感将释放储能，使负载电流缓慢下降，二极管起到续流作用，电容处于放电状态，负载电流缓慢下降。至一个周期T结束，再驱动MOS导通，重复上述过程，当电路工作于稳态时，

U0=ton/（ton+toff）E=αE

式中，ton是导通时间，toff是断开时间，α为导通占空比。

2.3 余热回收系统的设计方案

本课题所设计的余热回收系统主要由光伏电池板集热器，半导体制冷器散热装置，水箱，直流水泵组成，整个系统以水作为冷却介质，利用直流水泵通过水循环系统将冷水箱的水注入光伏电池板和半导体制冷器的散热装置中，将光伏电池板和半导体制冷器所排放的多余热量通过水收集，最后流回热水箱里加以利用。

光伏电池板集热器采用以水为介质的封闭强制循环冷却方式，在光伏电池板背面加装集热管、通道等结构，通过直流水泵把水箱中的水透过连接阀门泵入封闭管道中，太阳能电池板中的热量经集热管传导到水中，多余热量得到充分利用。结构如图5[4]所示：

图5 太阳能电池板集热器

半导体制冷器散热装置采用水冷散热系统进行余热回收，如图6所示，[5]在半导体的热端安装吸热片、肋片和通道等结构，然后利用直流水泵将冷水箱的水泵入通道中，最后再流回热水箱中，使余热充分利用。之所以利用水作为散热介质，是因为该介质容易获得可循环利用且对环境无污染。可以通过增加水道数量的方式 提高散热能力，是一种较为实用的散热方式。

图6 水冷散热系统结构图

2.4 基于51单片机的冷热电联供系统智能控制电路设计

控制思想：冷热电联供系统中，各个负载需要根据系统的实时监测状态改变自身工作状态，以满足用户需求并使系统的工作效率最大化。本课题以水温作为系统实时监测对象，设定上下限温度TH和TL，当水箱中的热水区的水温低于下限温度TL时，通过继电器启动加热棒电路，加热水箱中的水，以满足用户需求，当高于设定温度TH时，断开加热棒回路。另一方面，以相同原理设计另一个电路，区别在于：当光伏板下的的水温高于上限温度TH时，通过继电器启动直流水泵，将水箱冷水区中的水泵入到水循环系统中，余热回收系统开始工作，系统的多余热量被回收，当水温下降到TL以下时，断开直流水泵。

本课题所研究的基于51单片机的冷热电联供智能控制电路硬件组成部分为：主控电路、液晶显示电路、温度采集电路、报警电路，继电器控制电路。

采用STC89C52RC单片机做为本课题的单片机使用，它是由ATMEL公司生产的高性能、低功耗的CMOS 8位单片机。STC89C52RC单片机具有以下几个性能特点：4 k字节的闪存片内程序存储器，128字节的数据存储器，32个外部输入和输出口，2个全双工串行通信口，看门狗电路，5个中断源，2个16位可编程定时计数器，片内震荡和时钟电路且全静态工作并由低功耗的闲置和掉电模式。

系统流程图如图7所示：

图7 基于单机的智能控制电路算法流程图

3 实验与结果分析

本课题搭建了相应的实验模型。实验各部分工作参数如下：

①光伏电池板

组件尺寸 1650×992×50mm

额定输出电压 24V

允许工作温度 -40℃~85℃

②蓄电池

容量 40AH

额定电压 24V

③一级稳压电路

额定输入电压 24v

额定输出电压 12V

二级稳压电路

额定输入电压 12v

额定输出电压 5~12V

④加热棒

额定功率 5W

额定电压 12V

⑤直流无刷水泵

型号 ZC-A40

额定电压 DC 12V

负载电流 1.05A

⑥LED节能灯

额定电压 12V

额定功率 3W

⑦半导体制冷器

额定电压 12V

额定功率 30W

图8 系统实物结构图

根据上述的原理以及参数，我们制作了基于TL494芯片的Buck电路，基于51单片机的智能控制电路，并购买其他相应器件搭建整个系统，如图8所示。系统搭建完成后，我们先后对光伏电池板输出电压、MPPT充电控制器输出功率、Buck电路驱动波形以及输出电压，分别进行了测量与分析。

图9 电池板输入电压

从测试结果可以看出，光伏电池在正常工作时的输出电压为20.4-21.0V，经MPPT调整后为20.4-21.6V，蓄电池处于充电状态，光伏电池端电流值为5.28A。输出功率接近额定输出功率，

考虑天气以及日照因素等造成误差，MPPT控制器的工作情况良好。

图10 Buck电路驱动波形

图10所示的Buck电路驱动波形是通过测量TL494芯片的8脚输出波形而得的，Buck电路两端的输出电压大小为9.2-10.4v。另外输出电压可以通过Buck电路上的两个可调电阻之比来调节，满足设计要求。

实验分析与结论结论：

1）在负载总功率不变且阳光充足气温31℃左右的环境条件下，通过温度传感器测量到的加入余热回收装置后的光伏电池板以及半导体制冷器热端的温度分别在40℃～53℃和35℃～38.5℃之间，没有加入余热回收装置的光伏电池板和半导 体制冷器热端温度在45℃～50℃和38℃～42℃之间，比较试验表明系统发出的多余热量得到了一定程度的利用。

2）在不同的日照条件下，光伏电池板的输出功率变化较大，但在MPPT控制器的作用下，始终控制在最大功率点上。当光伏电池板输出功率不足时，由蓄电池进行供电，当光伏电池板输出功率过量时，对蓄电池进行充电。

3）整个系统还有待优化，由于实验设备不够精确，测量仪器也有所误差，无法对系统各个部分的性能进行完整的测试分析，半导体制冷器的余热回收效果不明显。

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