电辅助太阳能相变蓄热供热控制系统研究

刘春蕾 孙 勇 王汝鑫

(河北建筑工程学院,河北 张家口 075000)

电辅助太阳能相变蓄热供热控制系统研究

刘春蕾 孙 勇 王汝鑫

(河北建筑工程学院,河北 张家口 075000)

研究了独立民居太阳能供热的控制系统，为了克服太阳能白天采集与用户晚上使用的矛盾如何采用相变蓄热材料进行蓄热，如何为了弥补阴天太阳能获取的不可及性采用电辅助加热，从而对系统中的水泵、电动调节阀、辅助电热器等设备的运行过程进行自动控制，以达到室内温度的要求.

太阳能;相变蓄热;控制系统

0 引 言

新能源的开发利用及各种节能技术的发展是解决能源紧缺的主要途径.太阳能具有其他任何一种能源无法比及的优点.目前，太阳能已广泛应用于许多领域：供应热水、取暖、空调制冷和发电等.太阳能光-热转换利用已经有了很大的发展，特别是在解决生活需要方面，如生活热水、供热、太阳房等.但这些应用在需求上与太阳辐射能量规律存在着矛盾：当天气越冷、人们越需要热量的时候，太阳能量的供给往往不足.解决这一矛盾的有效办法就是蓄热技术.对于太阳辐射能量固有的间歇性，可以通过辅助电加热来弥补.而且通过蓄热装置能够实现电力消峰填谷的目的，充分利用低价电.控制系统可以保证电辅助太阳能供暖系统的正常运行.

1 系统及运行说明

电辅助——相变蓄热供热系统见图1：系统由热管真空管太阳能集热器、蓄热器、电加热器、末端散热装置、高位定压水箱、阀门、过滤器、水泵、温度计、流量计以及压力表等组成.

图1 电辅助—相变蓄热供热系统图

调节阀用于调节流量，以合理分配蓄热器和房间的热量.球阀起关断作用，当设备出现问题或需要更换时关闭其两侧球阀，球阀13位于系统的最低点，用于系统放水.温度计用于测量工质温度便于系统检测及超温报警.压力表用以测量系统压力防止系统超压.电加热器用于弥补阴天采光不足或蓄热器蓄热不足造成的太阳能供暖热量的不足.过滤器用于过滤水系统中的杂质，防止堵塞采暖管道.补水箱用于系统定压和容纳水膨胀量.水泵出口处的单流阀保证水泵启动时是空负荷.

系统分白天和晚上两个阶段运行，白天系统运行方式：经过太阳能集热器加热后热水分成两路，一路经电加热器、过滤器后再经过散热器放热，放热后的冷水经过供暖侧水泵2、调节阀3(调节白天经过散热器的流量以调节供热量).另一路经过蓄热器放热(内部相变材料吸收并储存热量)，然后两路工质混合后再通过集热器侧水泵1完成循环.夜间系统运行方式：关闭集热器侧水泵1和球阀4，供暖侧水泵2将房间回水供到蓄热器，途径调节阀3以调节流量，然后经过蓄热器换热(内部相变材料放热)后热水经过电加热器和过滤器后进入散热器供暖，最后流经供暖侧水泵2完成循环.

如果集热器没有防冻功能，在夜间运行方式中当集热器温度小于一定值后(一般为6 ℃)开启集热器侧水泵1和调节阀6使其具有微小的流量.如果遇到阴天或白天蓄热量不足则开启电加热器以弥补供热量的不足.

2 电辅助太阳能相变蓄热控制系统

太阳能相变蓄热供热控制系统如图2所示：

图2 太阳能相变蓄热供热控制系统

控制系统可以实现以下控制功能：1)太阳能集热循环控制；2)加热控制：根据需求端的供暖情况，采用室内进水温度控制的方式控制电加热器的启停.当白天太阳辐射不足，储水箱温度达不到设定值时，控制器自动启动电加热器加热，否则加热停止.3)管道防冻保护：在集热器的供水管上设置温度传感器，当温度小于4 ℃时，循环泵启动，当温度大于8 ℃时，防冻循环停止；4)管道流量控制：当管道内的水流量小于设定值时，将加热器、变频器、两个循环泵断电，并发出报警信号；5)供水管网的压力控制；6)液位控制：蓄水箱的液位低于设定值时报警.

本系统主要基于单片机AT89S51进行控制器的设计，并利用各种传感器采集现场信号，通过光耦和A/D转换电路输入单片机(数字信号直接输入单片机)，经单片机的计算处理，输出信号于显示电路、报警电路及驱动电路.显示电路显示三路温度值.当有报警信号时，报警电路报警，提示相关人员做出相关操作.驱动电路用于驱动两个电机及加热器工作.

2.1 控制系统硬件设计

硬件电路分为6大块，分别是主控制器、直流稳压电源部分，EEPROM存储部分，温度检测采样部分，设备驱动部分，故障检测部分，显示部分.结构如图3所示：

图3 太阳能相变蓄热供热控制系统硬件结构

其中显示面板无按键选择功能，只显示集热器、蓄热器以及房间温度，且按一定周期循环显示.当水泵和加热器工作时，对应的指示灯显示；当有故障时，蜂鸣器鸣响，且对应不同的故障，不同的指示灯显示.控制面板布局图4所示，弱电与强电分别位于不同的两脚，各端子具体定义如下所示：

(1)输出端定义

JD1端子为强电，其中PE接大地，N、L接220 V交流电，OP1～OP4为继电器输出，OP1(P0.0)接水泵1，OP2(P0.1)接水泵2，OP3(P0.2)接加热器，OP4(P0.4)接蜂鸣器.

(2)输入端定义

开关量输入JD2：COM端为+12 V地，设备工作状态信号经继电器常闭点，由COM引入输入端ID1和ID2，其中ID1检测水流(D0位)，ID2检测水位(D1位)

模拟量输入JD3：IA1接集热器处温度传感器，IA2接蓄热器处温度传感器，IA3接入口温度处温度传感器，IA4接房间温度传感器.

图4 控制面板布局

2.2 控制系统软件设计

主控制系统按功能大体可分称七个子模块，分别为系统初始化、自检、温度数据采集、显示输出、控制输出、系统保护和报警.子模块温度数据采集、显示输出、控制输出、系统保护和报警合在一起构成主循环系统，主程序循环调用不同功能子模块，以达到实现全部的功能.其流程图如图5所示.

3 结论(Conclusion)

相变蓄热装置弥补了太阳能利用过程中的缺点，结合电辅助加热用于供热系统符合国家的能源政策，而且通过蓄热可以利用低价电，对实现能源多样化，使电力移峰填谷，节省运行费用和燃煤、油等带来的环境污染，解决生产生活热水供应及采暖问题，对节约我国每年因供暖而消耗的大量战略资源-煤资源、石油资源、电力资源具有深远的积极意义.本成果针对小型建筑——别墅、农村的独立供热，在我国三北地区有广阔的推广前景.

借助自动控制相变蓄热供热装置可提供稳定流量、稳定温度的供回水，适于采暖工程的要求，这是采用水蓄热的供热系统所无法比及的.既利用了可再生的太阳能，又利用了低谷电，起到移峰填谷的作用，电辅助—太阳能相变蓄热供热系统可用于生态建筑系统，其市场容量之大不可估量.

图5 主程序流程图

[1]张志刚，赵树兴，吕建．电热蓄热系统的经济性分析．煤气与热力，2005年第2期：36～38

[2]陈立．相变蓄热式太阳能热水系统及其应用．能源技术，2002年10月第5期

[3]史葆华．使用蓄热电锅炉供暖移峰填谷降成本．电力需求侧管理，2004(11)，PP53～54

Research on the Control System of Phase Change Thermal Storage of Solar Energy

LIUChun-lei,SUNYong,WANGRu-xin

(Hebei Institute of Architecture and Civil Engineering,Zhangjiakou,Hebei 075000)

In this paper,the control system of independent residential heating using solar energy is studied.In order to overcome the contradiction between solar energy collection in the daytime and using in the evening,the phase-change heat storage materials are used to store heat,so as to make up for the unavailability of solar acquisition on cloudy days by using electric auxiliary heating.As a result,the system automatically controls the operation process of pump,electronic valve,auxiliary electric heater and other equipments to meet the requirement of indoor temperature.

solar energy;phase change thermal storage;control system

2015-01-13

河北建筑工程学院2014年度基金项目,项目编号：ZD201406

刘春蕾(1966-)，女,教授，主要从事测控技术研究.

TU 892；TP 273

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