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(jī)的太陽(yáng)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(yáng)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(yùn)行方式，在此基礎(chǔ)上對(duì)熱管真空管太陽(yáng)熱水系統(tǒng)的工作過(guò)程做了具體的設(shè)計(jì)，并對(duì)控制系統(tǒng)硬件做了設(shè)計(jì)。

單片機(jī)；太陽(yáng)能；熱水控制系統(tǒng)

近年來(lái)隨著人民生活水平的不斷提高,對(duì)生活熱水需求日益增長(zhǎng),太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)已成為我國(guó)太陽(yáng)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(yáng)能存在能量密度低、加熱時(shí)間長(zhǎng)、每天的太陽(yáng)輻照量不確定等因素,如何使太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)達(dá)到既能充分利用太陽(yáng)能產(chǎn)生的熱水,又能確保熱水供應(yīng)的可靠性、系統(tǒng)運(yùn)行的合理性,智能全自動(dòng)控制是關(guān)鍵問(wèn)題。為此本文提出以燃?xì)忮仩t作為輔助加熱手段的熱管太陽(yáng)能集中供熱水控制系統(tǒng)的設(shè)想,利用單片機(jī)作為控制核心來(lái)實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能熱水智能全自動(dòng)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(yùn)行方式。系統(tǒng)工作原理如圖1

圖1 太陽(yáng)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(lái)說(shuō)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(shí)，上水電磁閥自動(dòng)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(shí)，電磁閥自動(dòng)關(guān)閉，停止上水。系統(tǒng)吸收太陽(yáng)熱量?jī)?chǔ)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(guò)這樣一個(gè)不斷重復(fù)的過(guò)程，把太陽(yáng)的能量轉(zhuǎn)化為熱能，直到把熱水箱的水加滿。同時(shí)利用溫差循環(huán)，只要有陽(yáng)光輻射，當(dāng)集熱器出口的水溫比儲(chǔ)熱水箱底部溫度高8℃時(shí),溫差循環(huán)泵啟動(dòng)，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(shí)，循環(huán)泵停止工作。保證了太陽(yáng)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(shí),上水電磁閥自動(dòng)開啟,自來(lái)水通過(guò)集熱下循環(huán)管將熱水頂入儲(chǔ)熱水箱內(nèi),集熱器出口溫度T1降至低于設(shè)定溫度A時(shí),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(chǔ)熱水箱底部溫度T2高8℃時(shí),溫差循環(huán)泵啟動(dòng),系統(tǒng)開始循環(huán),直至T1高于T2 2℃[2]時(shí),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(shí)，上水電磁閥D1或D4開啟(在防凍狀態(tài)時(shí)D4開啟,否則D1開啟)，如果是處于用水時(shí)段內(nèi)，則進(jìn)行恒溫上水，否則進(jìn)行低溫上水，直到水位達(dá)到某一特定值H2（40%～60%）為止。水箱上水根據(jù)是否在用水時(shí)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(shí)段內(nèi)。3)過(guò)程：當(dāng)產(chǎn)生恒溫上水命令后，水箱開始通過(guò)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(shí)，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(shí)，繼續(xù)上水，如此循環(huán)，直到水位達(dá)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(shí)段外。3)過(guò)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(dá)到特定值H2為止，閉鎖水箱上水。

1.3 時(shí)段溫控輔助加熱

當(dāng)儲(chǔ)熱水箱水溫T2低于設(shè)定值A(chǔ) 2℃時(shí)，且處于用水時(shí)段內(nèi)時(shí)，則打開輔助加熱電磁閥D3，啟動(dòng)輔助循環(huán)水泵P2，然后給鍋爐發(fā)點(diǎn)火信號(hào)，啟動(dòng)燃?xì)忮仩t，開始加熱，直到T2高于設(shè)定溫度8℃時(shí)，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(hù)

冬季當(dāng)管路溫度達(dá)到防凍臨近溫度4℃時(shí)[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(chǔ)熱水箱防凍。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

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(shí)鐘電路、鍵盤顯示電路、報(bào)警電路、51單片機(jī)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(dòng)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(shí)間芯片月時(shí)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(jī)為核心，設(shè)計(jì)了太陽(yáng)能供熱水系統(tǒng)的控制系統(tǒng)，并以燃?xì)忮仩t為補(bǔ)充，較好地實(shí)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(diǎn)。