基于單片機的太陽能熱水控制系統(tǒng)

李子劍

（內(nèi)蒙古科技大學(xué)信息工程學(xué)院 內(nèi)蒙古包頭 014010）

基于單片機的太陽能熱水控制系統(tǒng)

李子劍

（內(nèi)蒙古科技大學(xué)信息工程學(xué)院 內(nèi)蒙古包頭 014010）

本文選用熱管真空管式集熱器太陽熱水系統(tǒng)，提出采用定溫上水與溫差循環(huán)相結(jié)合的運行方式，在此基礎(chǔ)上對熱管真空管太陽熱水系統(tǒng)的工作過程做了具體的設(shè)計，并對控制系統(tǒng)硬件做了設(shè)計。

單片機；太陽能；熱水控制系統(tǒng)

近年來隨著人民生活水平的不斷提高,對生活熱水需求日益增長,太陽能熱水系統(tǒng)已成為我國太陽能熱利用技術(shù)最成熟、應(yīng)用最廣泛、產(chǎn)業(yè)化發(fā)展最快的領(lǐng)域。但是太陽能存在能量密度低、加熱時間長、每天的太陽輻照量不確定等因素,如何使太陽能熱水系統(tǒng)達到既能充分利用太陽能產(chǎn)生的熱水,又能確保熱水供應(yīng)的可靠性、系統(tǒng)運行的合理性,智能全自動控制是關(guān)鍵問題。為此本文提出以燃氣鍋爐作為輔助加熱手段的熱管太陽能集中供熱水控制系統(tǒng)的設(shè)想,利用單片機作為控制核心來實現(xiàn)太陽能熱水智能全自動控制。

本系統(tǒng)選用真空熱管式集熱器，采用定溫控制上水與溫差控制循環(huán)相結(jié)合的運行方式。系統(tǒng)工作原理如圖1

圖1 太陽能熱水系統(tǒng)工作原理圖

1 系統(tǒng)工作原理

本系統(tǒng)的工作原理可以從以下幾方面來說明。

1.1 定溫上水與溫差循環(huán)

當(dāng)集熱器出口溫度高于設(shè)定溫度值A(chǔ) 5℃時，上水電磁閥自動開啟，開始上冷水。當(dāng)集熱器出口溫度低于設(shè)定溫度A時，電磁閥自動關(guān)閉，停止上水。系統(tǒng)吸收太陽熱量儲存于集熱器內(nèi)的水中，使溫度繼續(xù)升高，然后再開啟，再關(guān)閉。通過這樣一個不斷重復(fù)的過程，把太陽的能量轉(zhuǎn)化為熱能，直到把熱水箱的水加滿。同時利用溫差循環(huán)，只要有陽光輻射，當(dāng)集熱器出口的水溫比儲熱水箱底部溫度高8℃時,溫差循環(huán)泵啟動，系統(tǒng)開始循環(huán)，水箱繼續(xù)增溫，直到集熱器與水箱的水溫接近時，循環(huán)泵停止工作。保證了太陽能可以得到最充分的利用。

系統(tǒng)工作方式如下：(1)定溫上水。集熱器出口溫度T1高于設(shè)定溫度值A(chǔ) 5℃時,上水電磁閥自動開啟,自來水通過集熱下循環(huán)管將熱水頂入儲熱水箱內(nèi),集熱器出口溫度T1降至低于設(shè)定溫度A時,電磁閥關(guān)閉，如此循環(huán)，直到把熱水箱的水加滿為止。(2)溫差循環(huán)。集熱器出口水溫T1比儲熱水箱底部溫度T2高8℃時,溫差循環(huán)泵啟動,系統(tǒng)開始循環(huán),直至T1高于T2 2℃[2]時,溫差循環(huán)泵停止工作,系統(tǒng)完成溫差循環(huán)集熱。

1.2 水箱上水

當(dāng)水箱水位下降到下限水位H1（15%～25%）時，上水電磁閥D1或D4開啟(在防凍狀態(tài)時D4開啟,否則D1開啟)，如果是處于用水時段內(nèi)，則進行恒溫上水，否則進行低溫上水，直到水位達到某一特定值H2（40%～60%）為止。水箱上水根據(jù)是否在用水時段內(nèi)分為恒溫上水和低溫上水。

(1)恒溫上水：1)作用:確保水箱水位不低于下限水位H1，具有一定的用水量，且保證水箱水溫不低于設(shè)定溫度A。2)條件：控制器產(chǎn)生水箱上水命令且處于用水時段內(nèi)。3)過程：當(dāng)產(chǎn)生恒溫上水命令后，水箱開始通過電磁閥D1或D4上冷水，水箱水溫T2開始下將，直到T2下降到設(shè)定水溫A時，關(guān)閉電磁閥D1或D4，停止上水，等待T2上升，當(dāng)T2高于設(shè)定溫度A 5℃時，繼續(xù)上水，如此循環(huán)，直到水位達到特定水位H2（40%～60%）為止，并閉鎖水箱上水。

(2)低溫上水：1)作用:確保水箱水位高于下限水位H1,且具有一定的水量。2)條件：控制器產(chǎn)生水箱上水命令且處于用水時段外。3)過程：當(dāng)產(chǎn)生低溫上水命令后，電磁閥D1或D4打開，水箱上水，直到水位達到特定值H2為止，閉鎖水箱上水。

1.3 時段溫控輔助加熱

當(dāng)儲熱水箱水溫T2低于設(shè)定值A(chǔ) 2℃時，且處于用水時段內(nèi)時，則打開輔助加熱電磁閥D3，啟動輔助循環(huán)水泵P2，然后給鍋爐發(fā)點火信號，啟動燃氣鍋爐，開始加熱，直到T2高于設(shè)定溫度8℃時，鍋爐停止工作，水泵P2停止，電磁閥D3關(guān)閉，完成輔助加熱。

1.4 防凍保護

冬季當(dāng)管路溫度達到防凍臨近溫度4℃時[4]，回水電磁閥D2和排空閥D5開啟，使集熱系統(tǒng)內(nèi)存水回流至儲熱水箱防凍。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

控制系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)輸入輸出接口電路、A/D轉(zhuǎn)換電路 (由傳感器及變送器提供0－5V標(biāo)準(zhǔn)電壓)、時鐘電路、鍵盤顯示電路、報警電路、51單片機及電源七部分組成。系統(tǒng)硬件框圖如圖3.1所示：

系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo)如下：

（1）集熱器出口上限溫度85℃；（2）防凍臨近溫度 4℃；（3）集熱器循環(huán)溫差為8℃(△T=T1-T2=8℃)；（4） 定溫上水溫度高于設(shè)定溫度5～8℃；（5）集熱水箱下限水位H1為水箱水位的20%；（6）集熱水箱特定水位H2為水箱水位的50%；（7）集熱水箱上限水位H3為水箱水位的95%；（8）輔助加熱啟動溫度高于設(shè)定溫度2℃；（9）輔助加熱停止溫度高于設(shè)定溫度8℃；（10）A/D轉(zhuǎn)換分辨率為8位；（11）時間芯片月時間誤差＜1分鐘。

圖2 系統(tǒng)硬件框圖

3 結(jié)論

本系統(tǒng)采用單片機為核心，設(shè)計了太陽能供熱水系統(tǒng)的控制系統(tǒng)，并以燃氣鍋爐為補充，較好地實現(xiàn)了系統(tǒng)的智能控制，具有了節(jié)能和四季不間斷供應(yīng)熱水的特點。