太阳能辅助加热系统

太阳能辅助加热系统（精选八篇）

太阳能辅助加热系统 篇1

近年来, 随着中国经济建设的快速发展, 能源紧缺问题愈发明显, 在夏季用电高峰时拉闸限电或分时供电现象时有发生, 同时随着油价、煤价的大幅攀升, 空气质量的进一步下降, 全社会对绿色环保可再生能源的利用愈发关注。而太阳能作为一种绿色可再生能源, 其开发利用的空间、范围及应用领域越来愈广。作为最为传统的在生活热水供应方面的应用早已是家喻户晓, 并已从单一的家庭使用方式, 逐渐的发展到浴室、宾馆、游泳池等公共场所, 其经济效益、社会效益均十分明显。然而众所周知由于太阳辐射的日夜变化以及受天气状况影响很大, 因此要确保太阳能热水系统的正常供水温度, 其辅助加热装置 (备用热源) 是必不可少的部件。不同的辅助加热方式对太阳能热水系统的初期建设成本和投入使用后的运行维护费用有很大的影响。因此本文从全寿命周期成本的角度, 结合工程案例谈谈太阳能辅助加热方式的选择[1]。

1 全生命周期成本、全寿命周期成本分析的含义及重要性

全生命周期成本 (Life Cycle Cost) 简称LCC。它的基本涵义就是在满足可靠性要求的基础上, 整个设备和系统在全寿命周期内拥有的全部成本 (Owning Cost) 。

工程项目的全寿命周期包括项目开始阶段、设计阶段、采购阶段、施工阶段、使用阶段以及拆除更新阶段等。从全寿命周期分析的角度出发, 工程项目的各个阶段都存在成本分析的任务。全寿命周期成本分析不仅要分析成本的大小, 而且要衡量效益的好坏以及绩效的高低。全寿命周期成本分析的目的是全面控制成本, 为工程项目提高价值。有关部门的统计数据表明, 以一般现存30 a的建筑为例, 施工建设成本、维护成本、运行成本之间的比例关系是1∶5∶200, 这就说明施工建设成本只是项目全寿命周期成本中的很小的部分, 使用阶段和维护阶段的成本远远大于施工成本[2]。

2 太阳能辅助加热方式的种类

目前, 常用的太阳能辅助加热方式有5种:a) 电加热, 很多太阳能热水系统都采用这种方式;b) 空气源热泵加热;c) 锅炉蒸汽配套加热;d) 燃油或燃气炉配套加热;e) 采用电磁感应加热[3]。

2.1 电加热器配套加热

在许多实际工程中, 由于实际条件的限制, 往往采用电作为辅助热源。电阻式电加热是目前太阳能热水系统使用最普遍的一种辅助加热方式。电加热方式的优点是在建筑物电源功率能够保证的前提下, 建设期加热设备投资较小、性能可靠。但其缺点是运行费用很高, 而且由于需要的电加热功率很大, 电加热系统运行会对其它用电设备形成较大影响, 根据电功率的大小, 有些热水使用量较大的热水系统, 可能需要增设新的变压器, 敷设专用供电线路, 使得额外投资增加。采用电加热作为辅助热源, 不但会消耗大量的电能, 而且对电网的高峰负荷也形成很大压力。

2.2 空气源热泵配套加热

是近年来新发展起来的一种太阳能热水系统辅助加热方式。实质上热泵技术是一种新型的节能制冷供热技术, 长期以来主要应用于建筑物的采暖空调领域。因热泵制热在节能降耗及环保方面的良好表现, 从而在热水供应系统中也越来越多的采用热泵设备作为热源。其中以室外空气为热源的空气源热泵, 结构简单, 不需要专用机房, 安装使用方便, 在热水供应系统方面具有不可替代的优势。空气源热泵的工作原理是采用逆卡诺原理 (与空调相反的原理) , 从低温空气中吸收热量, 并把热量转移到高温的水中, 实现加热的过程。具体流程如下:压缩机把低压气态冷媒吸入, 转化成为高温高压的气体, 并推入冷凝器 (即水箱换热盘管) , 在节流阀的作用之下, 高温高压的气体在冷凝器中由气态冷却成液态, 同时释放大量能量。释放的能量进入水箱中, 把水加热起来了。释放掉能量并变成液态的冷媒经节流阀流入蒸发器 (即空气换热器) , 压力瞬间降低, 液态的冷媒在低压环境下又蒸发成气态, 此时吸收大量的热量。吸收热量变成气态的低压冷媒被吸入压缩机, 进入下一循环过程。空气源热泵的一个主要缺点就是供热能力和供热性能系数随着室外气温的降低而降低, 所以它的使用受到环境温度的限制, 一般适用于最低温度-10℃以上的地区。

2.3 锅炉蒸汽配套加热

该方式是传统的获得热水的方式, 十分方便。缺点是必须配备锅炉, 投资较大。如果附近有热电厂的蒸汽可以引入, 必须和其它工程同步配套进行, 否则, 一次性建设投资较大, 且可靠性较差, 受制于人, 汽源的稳定性难以保证。

2.4 燃油或燃气炉配套加热

该方式对烟尘排放要求较高的城市, 是供应热水常用的方式。缺点是建设初期建设投资较大, 且随着油价、燃气价格的不断飘升, 使用成本太高。而且要有专门的锅炉房。

2.5 电磁感应加热

电磁感应加热技术就是利用电磁感应原理, 在螺线管中通入交变的电流, 从而产生交变磁场, 通过工件切割磁场产生涡流, 再利用工件自身的电阻发热, 来达到加热效果的。 (铜线圈通电后会产磁场, 磁场对钢体材质发生, 从而产生涡流导致发热) 即:电能转化为磁能, 再转化为热能。这种方式它从根本上解决了电热片、电热圈等电阻式通过热传导方式加热的效率低下的问题, 节电效率高达40%~80%以上。并且电路与水等介质完全不接触, 不会发生漏电或着火的危险。缺点是价格太高, 对大容量的产品还没有, 其次由于属于新产品, 还未有国家对其制定标准, 电磁波加热时产生的电磁辐射强度没有通过检验。因此不知道其电磁辐射强度有多大, 长期使用是否对人体有害。

由此可见, 较常用的、较可行、较为独立、较环保的辅助加热方式是:电加热、空气源热泵加热、燃油锅炉加热这三种。对于电加热, 其前提是该建筑附近必须有足够的电源功率能够取得, 按照热水系统通常的需求值, 应按照每吨水5 k W准备, 因此对于热水使用量较大的场所, 就难以保证电源功率。而对于空气源热泵加热, 由于采用了专门的机组, 因此耗电较少, 效率较高, 通常情况下, 1 t水需要空气源热泵机组的电功率约1 k W, 但是对使用地区的室外环境温度有不低于-10℃的要求。燃油锅炉加热, 是一种在取得电源功率有限制且热水使用量较大, 需要确保有稳定热水供应的场所而采用的一种较好的辅助加热方式。

3 工程案例

有一建筑面积约3 000 m2, 拥有50个床位的小型宾馆, 24 h热水供应, 用水量为10 t, 年最低温度在-10℃以上。为节约能源, 减少总投资, 采用太阳能热水系统作为热水来源, 整个太阳能系统集热管、水箱、管道、水泵等初期建设投资为25×104元, 合同运行年限为15 a, 每年的11月份至来年的3月份, 共计5个月需要辅助加热, 那么采用何种辅助加热方式, 比较经济呢?

3.1 采用电加热

建设成本25×104元, 电加热设备成本0.6×104元, 每年运行成本是:电加热功率50 k W×6 h/d×150 d×0.581 3元 (当地电价) , 即2.66×104元, 电加热器更换费用0.2×104元/a。那么15 a的全寿命成本是68.50×104元。

3.2 采用空气源热泵

建设成本25×104元, 空气能设备成本4.5×104元, 每年运行成本是:空气能用电费12 k W×6h/d×150 d×0.581 3元 (当地电价) , 即0.63×104元。那么15 a的全寿命成本是38.95×104元。

3.3 采用燃油锅炉

建设成本25×104元, 每年运行成本是:锅炉折旧2×104元/a, 依据周边有一类似工程测定的燃油费用70 m3/d×150 d×6.5元 (当地柴油价) , 即6.83×104元。那么15 a的全寿命成本是157.45×104元。

4 结语

由此可见, 按照全寿命周期成本分析可以得出:对于初期投资一样的太阳能热水系统, 其使用运行阶段采用不同的辅助加热方式, 其运行费用差异较大。空气源热泵辅助加热方式, 对于环境温度高于-10℃的地区比较节能, 运行费用较低, 优势十分明显。

参考文献

[1]中国建设工程造价管理协会编.建设项目全寿命周期成本控制理论与方法[M].北京:中国计划出版社, 2007.

[2]齐宝库.工程项目管理[M].大连:大连理工大学出版社, 2007.

太阳能辅助加热系统 篇2

关键词：太阳能发电；辅助加热；智能恒温控制；沼气发酵；室外发酵装置 文献标识码：A

中图分类号：TK514 文章编号：1009-2374（2015）18-0022-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.18.012

1 研制背景及意义

目前，中国沼气池的推广应用规模居世界首位。虽然沼气的发展对缓解我国农村能源利用问题起到了巨大的推动作用，但是仍具有自身的局限性，只应用于家庭自产自用的方面，并没有发展成为一种产品，也受到了地域季节和气候的多方面影响，难以进行大范围的推广普及。与国外的一些先进沼气制备技术相比，我们在对有机物进行厌氧处理方面的研究还有很大欠缺。

基于上述背景，我们将新能源技术——太阳能利用技术应用到沼气生产技术中，利用便于得到且储量巨大环保无污染的太阳热能来生产沼气能。这样可以有效解决冬季寒冷地区沼气池不产气或产气低的问题，保证了冬季寒冷地区农村的正常用气，满足农户全年对沼气的需要。

本装置能够充分利用太阳能和生物质能产生沼气，沼气属于绿色能源，具有高燃烧效率且无污染的特点。

2 设计方案

本装置由太阳能发电系统、恒温控制系统、喷灌系统和发酵系统四大系统组成。其中太阳能发电系统由位于装置表层的太阳能电池板、位于装置侧面的稳压设备和蓄电池组成；恒温控制系统由位于罐体内部的温度传感器、单片机和电热板组成；喷灌系统由位于装置内部的水回收设备、位于装置顶部的储水罐和喷灌设备组成；发酵系统的主体是改良成半圆型的通用发酵罐。下面将具体介绍各个系统的工作过程：

2.1 发酵系统

由于本装置的发酵系统的工作原理与通用的发酵原理相同，不是本装置重点创新部分，因此在此不加以详细说明。

2.2 太阳能发电系统

本装置的发酵罐体设计成半圆形，在传统的发酵罐体外加装太阳能电池板表层，太阳能电池板采用可弯曲薄膜式，覆盖整个装置表面，全方位、多角度充分吸收太阳能，将丰富的太阳能转化为电能，以供应整个系统的使用。太阳能经表层的太阳能电池转化成的电能电压较不稳定，为了达到供给整个装置使用的条件，这部分电能将先通过电路输送给设置在发酵罐体侧面的稳压设备，转化为适合电器使用的稳定持续电流，再输出给装置供电。同时多余的电能被输送给设置在稳压设备旁边的蓄电池储存起来，当遇到光照不足或夜晚时，太阳能电池即时转化的电能不足以供给整个系统用电，蓄电池可以起到辅助供电的作用。

2.3 恒温控制系统

发酵过程对温度控制有着严格的要求，将发酵温度控制在适宜的范围内有利于提高发酵效率，保证充分发酵。受到环境温度的影响，传统的发酵装置不能很好地控制温度，因此我们设计了恒温控制系统。在发酵罐内部，我们改变了传统的结构，进行了分层设计，使发酵物得到充分利用。发酵物分层放置在分隔板上，在分隔板中安装有电热板，电能经处理后供给电热板用电，电热板给位于其上的发酵物加热。为了防止加热温度过高，我们特别设置了闭环控制的温度控制装置，在罐体侧壁安装的温度传感器可以实时检测罐内发酵的环境温度，并将相关数据信息发送给单片机（微处理器），单片机中的温度控制程序根据传感器发来的数据信息决定电热板采取恒温或是加热模式，并向电热板发出控制信息，电热板执行指令后，对发酵环境产生的影响又由温度传感器实时反馈给单片机。

2.4 喷灌系统

发酵过程中产生的水分由位于分隔板上的水回收利用装置收集，位于罐体顶部的水泵将收集装置中的水通过相关管道泵入到位于罐体顶部的储水罐，储水罐顶部设置有小型喷灌设备，利用电能驱动将储水罐中的水喷洒出去。

具体设备介绍如下：

2.4.1 温度传感器：我们选用与被测对象有良好接触的接触式温度传感器，它在工作時通过传导或对流达到热平衡，从而温度计指示值可以直接显示被测对象的温度，优点则是测量精度较高，利用此温度传感器测发酵装置内部温度，在非运动体、大目标和热容量很大的情况下工作会有很小的测量误差，利于发酵装置在工作过程中及时监测到温度变化，以便更准确的控制适宜的恒温环境。

2.4.2 小型喷灌设备：在发酵装置的内部，设置有一个利用发酵生成水的设备即连接一个可移动的小型喷灌设备，选用锌合金水鸟地插，可达到0.2～0.55MPa的水压，可以很好地灌溉农田，将发酵废水再次加以利用达到节能减排的目的。

2.4.3 太阳能电池板：选用美国进口UNISOLAR非晶硅柔性电池，薄膜式可弯曲的电池板，单片电池0.5W 2V 400MA，可以做在任何需要弯曲的载体上，可以贴合我们发酵装置表面的半球型设计，功率大、尺寸小、电流足，而且对太阳能的转化率相对很高。

2.4.4 电热板：利用电锅的焦耳效应将电能转变成电能以加热物体，我们选用的电热板是用直接电阻加热的形式，热量直接作用于被加热物体本身，属于内部加热，热效率很高，工作电压及电流由太阳能电池板产生的电压和电流确定，加热制沼气原料，电热板的工作面积根据总体大小可确定。

3 理论设计计算

笔者初探了三维空间的体积利用与分配。在三维空间内，如果无法增加长和宽，就只有考虑它的高了。但其高也不能无限扩大，还需结合实际情况保障其稳定性，注意采光、防漏排水、防雷击、抗压等问题。综上，本文设计了这种新型室外发酵装置。

如果设其底面半径为R，则其表面积为S=1/2S球=1/2×4πR2=2πR2，体积V=1/2V球=2/3πr3，三个支撑板的总面积根据勾股定理和投影面积公式可解得为22/9πR2，相比于无加层时的πR2，它有着绝对的优势。此外，其他的设计也提升了它的实用价值。

4 创新点及应用

4.1 创新点

我们在这种新型装置中外部装有太阳能电池板，更有利于利用太阳能，利用这种清洁可再生能源有利于节约能源、零排放，又能满足发酵工程所适宜的温度，可以产生最好的发酵效果。

我们的半球型设计增加了灵活性，有利于从各个角度吸收光能，也使电热板上发酵物在需要时可受太阳照射（如用正方体则无法做到），在不需要时则完全可以避免光照，同时半球设计也利用了半球特有的几何性质：稳定性，也增强了排水能力，防止上面积水；上凸曲面设计提升了抗压性能；保证了此装置各个方面的性能，在工作同时杜绝一系列被水浸泡，被压坏等隐患。

4.2 应用

我们将新能源技术——太阳能利用技术应用到沼气生产技术中，利用便于得到且储量巨大，环保无污染的太阳热能来生产沼气能。这样可以有效解决冬季寒冷地区沼气池不产气或产气低的问题，保证了冬季寒冷地区农村的正常用气，满足农户全年对沼气的需要。

参考文献

[1] 颜丽，刘膺虎.我国大中型沼气工程现状及发展前景探讨[J].中国沼气，1996，14（1）.

[2] 高云超，邝哲师，潘木水，等.我国农村户用型沼气的发展历程及现状分析[J].广东农业科学，2006，（11）.

[3] 屠云璋.中国沼气发展现状[A].国际农业工程学会.第五届农村能源与生物质能资源会议论文集[C].中国农业大学可再生能源实验室，2004.

作者简介：孙悦（1994-），女，山东蓬莱人，山东大学能源与动力工程学院学生，研究方向：交通运输。

太阳能辅助加热系统 篇3

沼气是利用生活、工业有机废弃物生产的清洁能源,厌氧消化生产沼气的技术,因其具有良好的能源、环境效益近年来逐渐被人们关注[1]。根据温度的不同厌氧消化可被分为4种类型,即常温发酵10～27℃、近中温发酵(30±3)℃、中温发酵(30±3)℃和高温发酵(55±3)℃。据研究,温度对厌氧消化的效果具有决定性作用,冬天或者高纬度寒冷地区如取得得良好的厌氧消化效果,则必须对厌氧消化装置采取保温和增温等措施,这样可以保证厌氧消化高效运行。目前,厌氧消化装置保温和加热措施的研究已经成热点,设备也较多,但自动化控制仍不多见,故提出了一个太阳能辅助加热沼气池自动控制系统设计方案。

太阳能近年来作为清洁的可再生能源被广泛应用于光电转换、产品烘干、生活采暖等诸多领域[2,3,4]。本次将太阳能与厌氧消化技术相结合,不仅可以解决厌氧消化的供暖问题,同时也具有良好的能源、经济以及环境等综合效益。

1 总体设计方案

基于太阳能沼气池的辅助加热系统如图1所示。

太阳能集热板可以采用串联形式,每5块串联在一起,每块集热板为2m2。根据实际的需要,可放置多组。将太阳能集热板放置在屋顶,这样即可以节省空间,又使集热效果更好。

1.电磁阀 2.太阳能集热板 3.供水箱温度传感器 4.供水箱 5.电磁阀1 6.沼气池温度传感器 7.换热器 8.搅拌器

当沼气池中温度符合发酵温度时,电磁阀1和电磁阀2均处于关闭状态,此时只是收集太阳能存于供水箱中。当沼气发酵池中的温度低于发酵所需的温度时,同时开启电磁阀1和电磁阀2,这样热水经过电磁阀1到沼气池的换热器中,经过热交换后,再经过电磁阀2,进入太阳能集热板,形成一个供热回路。此时为了受热均匀,沼气池中的搅拌器也同时开启。当沼气池中的温度达到规定温度时,关闭电磁阀1和电磁阀2,池中搅拌器继续工作5min后也停止工作。

2 温度采集

温度采集使用数字温度传感器DS18B20[5],该传感器为数字型输出,与以往的模拟器件相比较,不需要信号调理电路,也不需要模拟数字器件转换,可以直接读出温度值,故在电路设计上较为简单,且与单片机控制器连接方便。DS18B20是单总线即1-Wire器件,故占用端口少。其体积比较小,可以在多种场合使用,如高炉水循环测温、电缆沟测温、机房测温、锅炉测温、洁净室测温、农业大棚测温和弹药库测温等诸多领域。为了适应不同的测量场合,DS18B20工作电压为直流3～5V,温度测量范围为-55～+125℃,具有可编程9～12位分辨率,故对应的分辨温度为±0.5,±0.25,±0.125,±0.062 5℃。其转换速度快:9位精度时,转换速度为93.75ms;12为精度也能达到750ms,精度和速度完全可以满足沼气池和太阳能供热的温度测量需求。同时,DS18B20也支持多点组网功能,即可以多只并联,最多可以同时接8个,这样可以同时测量8路温度。

DS18B20与单片机的电路连接如图2所示。在引脚DQ上加一个4.7kΩ的上拉电阻,直接与单片机的某个IO口连接即可。

根据1-Wire总线协议方式,该协议规定了复位方式时序、读数据时序、写数据时序。DS18B20的所有操作均以复位脉冲组成的初始化序列开始,即单片机将DQ信号线至少拉低480μs。 该初始化序列由主机发出并释放DQ信号线后, DS18B20则发出的相应脉冲,即将DQ信号线拉低15到60μs;之后DS18B20即可以完成读时序和写时序等操作。

DS18B20的读时序分为读0时隙和读1时隙两种操作。在主机产生读时隙后,DS18B20开始将0或1发送到总线上。DS18B20让DQ信号线保持高电平的方式发送1,以拉低DQ信号线的方式表示发送0。每个时隙均保持60μs。

DS18B20的写时序仍分为读0时隙和读1时隙两种操作。当要写0时序时,DQ信号线要被拉低至少60μs,保证DS18B20能够在15～45μs之间能够正确地采样DQ信号线上的“0”电平;当要写1时序时, DQ信号线被拉低之后,在15μs之内就得释放DQ信号线。

3 控制器设计

3.1 控制器硬件设计

单片机[6,7]是单片微型计算机的简称,具有系统结构简单、使用方便、体积小、处理能力强、速度快、控制能力强等特点,目前已经渗透到生活的各个领域,目前被广泛的应用于各种仪表的控制、网络通讯、工控自动化中。

该控制系统的主机使用STC89C51单片机。该单片机是精简指令集机构8051单片机,工作电压在4.5～5.5V,工作频率范围在0～35MHz,可以在线编程,具有两个16位定时器/计数器,5个中断源。根据系统要求,该单片机的资源完全可以满足设计要求。

温度采集与显示电路如图3所示,并联使用两个DS18B20,一个用来测试沼气池内的环境温度,另一个则用来测试太阳能水箱的实际温度。这里连接4个数码管,前面两个显示太阳能水箱的温度,另外一个显示沼气池中的环境温度。

单片机通过继电器控制电磁阀的启动与停止,单片机的IO控制三极管,高电平时三极管导通,继电器吸合,电磁阀工作,并且LED指示灯点亮,指示电磁阀已经启动。当需要关闭电磁阀时,单片机发出低电平,三极管关断,继电器失去磁性使电磁阀关闭,同时LED熄灭,表明电磁阀停止工作。电磁阀与单片机连接原理图如图4所示。

3.2 控制器程序设计

整个系统程序使用C语言进行编写,流程图如图5所示。

系统上电后首先进行初始化,然后读取沼气池中DS18B20采集的温度和太阳能供水池中DS18B20采集的温度,并通过数码管进行显示。当检测到沼气池中温度达不到要求时,则开启电磁阀对沼气池供热,同时开启池中搅拌器。检测到温度达到规定要求,关闭电磁阀,延时5min后,关闭搅拌器;当检测到太阳能供水池中温度也低于规定温度时,则不开启电磁阀,同时进行温度报警。

4 结论

沼气是良好的、洁净的新能源,目前在我国应用较为广泛,沼气发酵池中的发酵温度对沼气的产生有重大影响。为了提高沼气的发酵效率,需要对发酵进行恒温控制,故设计了一个太阳能辅助加热沼气池自动控制系统。该系统通过STC51单片机控制DS18B20采集沼气池和太阳能蓄水池的温度,如果沼气池中温度低于合理发酵温度,则开启热交换器对沼气池供热;如果太阳能蓄水池温度也低于需求温度,则该系统将会报警。该系统具有结构简单、易于实现、价格低廉、方便操作等特点,在我国大部分地区的冬天或者高纬度寒冷地区可以保证沼气池中的温度达到最优,实现全年供气。系统具有很好的推广价值,且同时具有良好环保效应。

参考文献

[1]张铎,邱凌,邓媛方.用于沼气发酵系统的聚光型太阳能加热装置研究[J].西北农林科技大学学报:自然科学版,2011,39(5):85-90.

[2]王思莹,谭羽非.寒区太阳能和沼气锅炉联合增温系统及试验研究[J].节能技术,2011,29(4):364-371.

[3]陈志浦,蒙国睿.太阳能辅助加热户用沼气池系统设计[J].节能技术,2011,167(3):241-344.

[4]李丽丽,施伟.太阳能联合电加热沼气控制器的设计与应用[J].湖北农业科学,2011,19:4051-4054.

[5]曾为民,元协民.DS18B20在通用多点温度测系统控中的应用[J].农机化研究,2004(3):233-234.

[6]刘绿山,刘建群,李仕勇,等.基于AT89S52单片机的温度控制系统[J].微计算机信息,2007,23(17):98-100.

太阳能辅助加热系统 篇4

1、太阳能辅助电加热系统设计理念

以人为本,贯彻落实科学发展观,坚持“开发与节约并举,节约优先”的方针,以提高资源利用效率为核心,以节能、节水、环保、资源综合利用和发展循环经济为重点的指导思想。依靠技术进步,以节能、环保、自动化、高效为设计理念;把握“先进、适用、集成、配套”原则,在地面工程、采油工艺等方面投用了太阳能辅助电加热系统。

2、太阳能辅助电加热系统新技术、新工艺的应用

①热管式真空管太阳能集热器工作原理

热管式真空管集热器具有耐冰冻、工作温度高、承压大、启动快、保温好、耐冷热冲击、运行安全可靠、易于安装维修等许多优点。热管式真空管主要由热管、吸热板、玻璃管、金属端盖和消气剂等部件组成。

当太阳辐射穿过玻璃管,投射在吸热板上,被吸热板吸收并转换成热。此热量加热热管蒸发段内的工质,使其汽化。工质蒸汽上升到冷凝段,在冷凝段内表面凝结,释放出蒸发潜热。液态工质依靠其自身的重力流回蒸发段。然后重复上述过程。

②李堡集油站应用太阳能加热技术:安装了262 m2太阳能集热板,在南通地区正常太阳辐射条件下,折算功率相当于6万大卡,年节电达18万千瓦时。应用太阳能集热技术,摒弃了高能耗高排放的锅炉(加热炉)房。这项技术实用有效,特点是流程简单自动化程度高,方便管理;无污水、烟尘排放,实现绿色生产;生产运行费用低,节能环保。

系统内循环水经过热水泵增压后,到达站内各供热点进行热交换,回水通过太阳能集热器吸收热量后进入热水罐。当太阳能提供热量不满足生产时,智能加热控制系统启动电加热器对热水罐内热水进行加温。

3、新工艺与传统工艺对比分析

(1)、投资比较

新工艺

名称

a.计量站模式投资:计量方式60万元,集油干线50万元,单井流程63.2万元

b.三管流程模式投资:集油干线50万元,DN76夹克管线1153米,41.9万元

c.真空相变炉供热+三管流程生产系统投资:供热部分107.8万元,站外部分(管网、计量房)173.2万元

(a.b.c.合计为546.1万元)

传统工艺

名称:

a.功图计量模式投资:计量方式56.5万元,集油干线50万元,单井流程41.9万元

b.单管流程模式投资:集油干线20万元,DN76夹克管线1153米,16.1万元

c.太阳能辅助电加热+中频单管流程生产系统投资:太阳能辅助电加热系统93万元,站外部分(管网、中频部分)158.45万元(a.b.c合计435.95万元)

新工艺的投资比传统模式的投资降低20.17%。少投资110.15万元。

(2)、能耗比较

新工艺

a.名称:真空相变炉供热+三管流程生产系统相变炉日消耗量千克标煤476.24,鼓风机日消耗量千克标煤5.86,热水泵日消耗量千克标煤21.48,齿轮泵日消耗量千克标煤4.30,合计日消耗量千克标煤507.88;

b.太阳能辅助电加热+中频单管流程生产系统站内电加热器日消耗量千克标煤143.78,热水泵日消耗量

千克标煤7.81,电加热杆日消耗量千克标煤51.94,站外电加热器日消耗量千克标煤39.06,合计:日消耗量千克标煤242.59。

经测试,在室外温度20℃时,开启2根40kW电加热棒,实测耗电78.4kW.h,当量热量282290.8kJ/h,有效热量269629.9 kJ/h。在9月份阳光充足时,太阳能集热装置水进出口温差6.5℃,产生有效热量250370.6 kJ/h,可停用2根电加热棒。

(3)传统工艺

*以原油作为燃料,烟尘排放,造成环境污染;

*供热系统设备多,流程复杂、跑冒滴漏严重、自动化程度低,日常管理操作任务多;

*站外管网复杂、热损失大、管线使用寿命短、维护工作量大;

*量油操作复杂、精确度低;

征地面积大;

新工艺

*利用太阳能资源和电能,系统实现绿色生产,无污水、烟尘排放

*供热系统设备少、流程简单、自动化程度高,管理方便;

*站外管网简单,热损失少,管线使用寿命长,方便生产管理;

*油井量油简单、准确;

*征地面积减少;

(4)、经济效益分析:

太阳能辅助电加热集输,总投资93万元。经过测试,热水循环泵流量9.2m3/h,太阳能集热装置进出口温差7.0℃,有效热量269629.9kJ/h,热水罐电加热器效率为95.5%。夏季是太阳能使用效果最佳时间,年节电能力为15万千瓦时,2010年6月-2011年4月累计节电10.47万千瓦时,折人民币9.87万元。节约设备维护费、人工费、环境保护等费用35万元,实现了生产污水、烟尘等污染物的零排放,取得了明显的经济效益和社会效益;

太阳能辅助加热系统 篇5

为此, 在没有其它辅助加热方式的情况下, 仅利用太阳能给反应系统加热并配以相应的保温系统, 可以消除高寒气候条件对发酵的影响, 有效提高沼气的产量。从节能、环保、节约等角度为解决沼气池在北方地区发酵温度低的问题开创一个新思路。

1 新型太阳能沼气发生系统的构成

1.1 装置简介

研究装置为自行设计制作的太阳能沼气发生系统, 主要由罐体、加热系统、保温系统、循环系统、监测系统5部分组成, 地点在黑龙江省农业科学院农村能源研究所实验基地院内。

该系统的主罐体由不锈钢板焊接制作, 总容积5 m3, 上方设入孔及取样口, 但不单独设进出料口。罐体外侧采用18 cm厚苯板及珍珠岩保温, 以发泡剂填缝。循环系统主体为循环污水泵, 其兼具循环搅拌和进出料的功能, 也是该装置的一个关键技术。

系统的加热装置主要由太阳能加热管及加热水箱构成, 利用了太阳能热水器的构造原理, 并实现冷热水的自动循环。为保证加热水箱与料液之间的换热效率, 将水箱制作为六边环形, 内置在发酵主罐体内, 水箱容积0.26 m3。系统内设3个温度监测点, 分别为加热水箱内 (测点1) 、罐体中心 (测点2) 、罐体边缘 (测点3) 。

1.2 发酵原料

发酵原料是冬季冻牛粪, 经室内储存融化后使用, 取自哈尔滨市松花江奶牛场, 接种物为以牛粪为原料自行培养的厌氧污泥。为验证太阳能加热系统及保温系统在寒冷季节的应用效果, 试验选在哈尔滨冬季最冷的1、2月份进行。试验开始时一次性加入牛粪 (干物质含量20%) 1 580 kg, 加入自来水约2.3 t, 使料液的浓度在8%左右。

2 太阳能加热效果及分析

试验实际观察监测期为60 d, 由于太阳能管束对太阳光的吸收有效时间为白天日出时间, 所以试验观测为8∶00～16∶00, 每隔1 h记录3个探头温度情况。另外, 试验受天气阴晴等状况影响, 分析数据采用试验过程中相对稳定、典型的时间来进行, 具有一定代表性。

2.1 系统1日内温度变化情况

表1数据取自2009年1月2日8∶00～3日8∶00, 期间天气晴, 室外气温最高-9℃、最低-22℃。从表1中可以看出, 加热水箱中温度变化情况与气温每日的变化规律基本一致, 只是时间稍有错后。在清晨8∶00后水箱温度逐渐上升, 11∶00过后温度上升加快, 直至13∶00～14∶00时达到最高, 之后缓慢下降。而罐体温度相对较稳定, 均随着水箱温度的升高缓慢上升, 但测点2温度白天上升稍快, 测点3温度上升时间主要为夜间。

2.2 系统加热周期内温度变化情况

试验开始后, 首先不采取任何加热措施, 观察了罐体内10 d的温度变化情况。结果发现, 装料封盖后罐内温度为12℃, 随后温度逐日下降, 5 d后罐内温度逐渐稳定在5～6℃。说明系统内热量达到平衡, 保温措施效果良好。

随后连接太阳能加热装置, 对系统进行升温, 数据采集自2009年1月7日8∶00～16日8∶00。因为在此期间室外气温较稳定, 始终维持在-11℃ (白天最高) ～-23℃ (夜间最低气温) , 期间有2～3 d为阴转多云天气, 但整体影响不大。

由表2可知, 加热水箱、罐体中心及边缘平均日升温分别为0.8、0.7和0.5℃, 且是连续稳定的过程, 其中第4天温度有所下降是受阴天影响。另外监测3点间存在较明显温差是由于为准确观察沼气发酵罐内温度的变化情况, 在升温期间未开启循环搅拌系统。

3 结论

研究历时2个月, 采用0.26 m3太阳能加热水箱为容积5 m3的沼气发酵装置进行升温试验取得了明显的效果: (1) 证明了即使在哈尔滨地区冬季最冷的10 d时间, 该加热系统仍可使沼气发酵装置内温度持续稳定上升; (2) 通过整个试验周期的观察, 该系统冬季可每日升温1～2℃。 (3) 达到以上试验结果的前提必须是该沼气发生系统的保温措施效果良好。

沼气发酵的温度控制是黑龙江省沼气事业发展的关键环节, 利用可再生能源, 尤其是资源量巨大的太阳能为沼气发酵提供温度保障的前景广阔, 同时也是一种必然的选择, 该研究验证了这种选择的可行性, 可进行深入研究。

摘要：从太阳能加温装置与小型沼气发酵系统相结合入手, 验证了哈尔滨地区仅利用太阳能在冬季为沼气发酵增温的可行性, 旨在完成2种可再生能源的合理搭配、综合利用, 克服北方沼气传统生产法的不足。

关键词：沼气发酵,太阳能加温,保温措施

参考文献

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[7]吴创之, 马隆龙.生物质能现代化利用技术[M].北京:化学工业出版社, 2003:80-81.

太阳能光伏电加热沼气池系统的设计 篇6

一、系统简介

太阳能光伏电加热沼气池系统组成如图1所示。系统由太阳能电池板、蓄电池、电加热—换热器、沼气池、控制系统等组成。采用太阳能发电, 蓄电池储能, 电加热器作为热源, 用水作为换热热媒进行流动换热, 利用温度传感器对沼气池内温度进行监控, 对加热系统和循环系统进行控制。

二、解决方案

㈠影响沼气池发酵温度的因素

料液自身的热量Q1, 升温所需的热量Q2, 散失的热量Q3 (包括升温转换损失、系统散热损失) , 料液排放带走的热量Q4。只有当Q1+Q2=Q3+Q4时, 系统才能达到热平衡, 保持温度不变;当Q1+Q2>Q3+Q4时, 系统才能升温。系统热量平衡是一个动态平衡, 当散失热量增大时, 就必须给系统增加热量, 以保持热量平衡, 达到使沼气池保温、增温、持续发酵的目的。

㈡应对措施

综合现有工程的调查情况, 在工程设计时可以考虑如下给沼气池保温、增温的措施。

1. 保温措施。

冬季北方寒区冻土层一般约为1.5米~1.9米左右, 沼气池大多采用卧于地下的结构, 沼气池体围护结构外表面用100毫米~150毫米厚的聚苯板或聚氨酯泡沫板对池体进行保温。

2. 增温措施。

为保证沼气池具有稳定的产气率, 一般工程设计运行温度为35℃左右 (中温发酵) 。一般沼气池的保温、加热采用池内设置加热盘管, 以热水作为热媒进行换热, 对沼气池保温、加热。但因盘管表面遇沼渣易结垢, 会降低换热效率, 维修时需清空沼气池, 造成停产。从实际工程看, 外部换热更易于维护, 使用方便, 可以使料液在进入沼气池前被加热, 也可以用于沼气池内的料液保持恒温。即用泵把料液抽出经过换热器, 再回到沼气池, 同时对沼气池起到搅拌作用。牛粪含纤维多, 为防止堵塞, 螺旋板式换热器效果较好。为防止换热器结垢, 热媒循环水水温须保持在65℃以下。原料加热时应把进料温度加热到比设计运行温度高2℃~3℃。

保温、加热热源来自两个方面:一是如果沼气用于发电, 可以利用发电产生的余热加温;二是如果沼气用于其他用途, 且项目所在地在缺电的农牧区 (如甘南州的部分地区) , 则采用太阳能光伏发电, 用电对热媒进行加热, 同时给换热循环系统的水泵提供能源保障。太阳能所发的电可通过蓄电池储存起来, 在夜晚和阴雨雪天依然可提供可靠的热源, 比太阳能热水集热器更胜一筹, 且不再增设其他辅助加热设施 (如燃煤锅炉等) 。由于采用光伏发电的电能加热, 所以很容易实现对供热、换热系统的自动控制。

三、沼气池保温、增温设计步骤

太阳能光伏电加热沼气池系统在设计过程中, 需要计算沼气池的热负荷, 根据沼气池的热负荷计算电加热器的出力大小, 再根据电加热器的功率和其他用电设备的功率确定太阳能光伏发电系统的容量。其设计计算步骤分如下三步。

㈠计算沼气池的热负荷

沼气池的散热损失:

式中:Q1为沼气池进出料的散热量, Q2为沼气池池壁与外界的散热量。

其中:Q1=Cm (t2-t1) ;Q2=Aql

式中:C为沼气原料比热, 取4.2千焦/千克·℃, m为进料质量, t1为进料温度, t2为池内料液温度, A为池壁面积, ql为池壁传热系数, 由暖通专业提供或通过实验确定。

㈡计算电加热器的功率

根据所需的热负荷Q, 计算电加热器的功率:

式中:η1为电加热器的效率, 取0.9;η2为换热器的效率, 取0.8。

㈢计算太阳能光伏发电系统的容量

太阳能电池板设计的主要原则是满足负载的每日用电需求, 在独立光伏系统中没有备用电源在天气较差的情况下给蓄电池进行再充电, 所以在计算系统容量过程中要以该地方光照最恶劣季节里的负载需求来计算, 保证系统可靠运行。

计算太阳能电池板数量的基本方法是用负载平均每天所需要的能量 (按时数) 除以一块太阳能电池板在一天中可以产生的能量, 即太阳能电池板日输出 (按时数) , 这样就可以算出系统需要并联的太阳能电池板的数量,

1. 太阳能电池板数量的计算。

一块太阳能电池板日输出 (Ah) =一块太阳能电池板最大工作点电流 (A) ×太阳日辐射最小时数 (h)

在计算太阳能电池板数量时, 系统工作电压一般取负载工作电压的1.4倍, 系统日输出量一般取负载日耗电量的1.25倍。

2. 蓄电池容量。蓄电池容量的计算公式为:

式中:C为蓄电池容量计算值, 千瓦时;Eo为平均每天用电量, 千瓦时;D为保障期, 取为3天;Dd为蓄电池放电深度, 取0.7;η为逆变器效率, 取0.85。

蓄电池数量的计算:

3. 控制器选择。

控制器全称为太阳能充放电控制器, 是控制太阳能电池方阵对蓄电池充电以及蓄电池给负载供电的自动控制设备, 能自动防止蓄电池过充电和过放电。它对蓄电池的充、放电条件加以规定和控制, 并按照负载的电源需求控制太阳电池组件和蓄电池对负载的电能输出, 是整个系统的核心控制部分。选择智能型太阳能控制器, 其采用工业级芯片, 具有过充、过放、过载保护、短路反接控制、交直流输出等功能。

4. 逆变器容量。

根据负载的类型确定逆变器的功率和相数, 根据负载的冲击性决定逆变器的功率余量。对于独立光伏发电系统, 当负载的种类不可能完全预知时, 选用逆变器的时候要有适当的余量, 以保证系统的耐冲击性和可靠性。

逆变器功率容量计算公式:

式中:CN为逆变器功率容量;K为安全系数, 取1.2;m为考虑感性或容性负载启动引起冲击电流而附加的因子, 取1.2;P为负载功率。

四、结论

通过对沼气池保温、增温的措施分析, 得出以下结论:一是应尽量建池较深 (超过冻土层深度) , 减少热量散失;二是沼气池要采取必要的保温措施, 减少热量散失;三是在工艺设计时要考虑进料时的热量交换, 设置原料预处理池。在预处理池内不仅对原料进行预处理, 而且同时对原料进行预加热, 降低原料与沼气池内的温差;四是利用绿色能源对热媒进行加热, 控制方便, 并优化换热方式, 提高换热效率, 达到沼气池在寒区冬季持续稳定的运行。

本系统中采用太阳能光伏发电, 利用蓄电池进行储能, 克服太阳能集热器的不足, 可满足夜间对沼气池加热、保温需求, 在高寒、缺电的农牧区是可行的。此外, 能保证沼气池高产、高效运行, 有效处理养殖粪污, 改善生产环境, 具有绿色、环保、生态、节能、减排等多重优点, 有着良好的发展前景。

摘要：针对甘肃省甘南地区冬季气温低而产生的沼气池产气率低, 甚至出现沼气池池体冻裂等问题, 提出采用太阳能光伏发电—电加热为沼气池供暖加热, 保持池体温度处于较好的发酵温度, 解决寒区冬季沼气无法正常使用的问题。

太阳能辅助加热系统 篇7

关键词：住宅,太阳能,半集中式,热水系统

随着环境污染的日益加剧和能源紧缺问题的日益凸显, 在国家的大力提倡和政策支持下, 人们对绿色、清洁、可再生能源的需求越来越强烈。太阳能被认为是一种取之不尽、用之不竭的绿色能源, 用太阳能加热低温热水的太阳能热水系统, 是当前太阳能利用中技术最成熟、经济上最有竞争力、应用最广泛、产业发展最快的领域, 也是利用效率最高、节能效益最明显的系统。

近几年, 中国太阳能热利用产业高速发展, 太阳能热水器的产量和应用比例不断增加。但是面对城市建筑物尤其是太阳能热水器应用最普及的高层住宅的不断增多, 在太阳能利用中出现了一系列的问题。目前住宅中应用较多的阳台壁挂式太阳能热水器, 是太阳能与高层建筑一体化的一个方向, 但在目前高层住宅的建设开发中, 即便是一些低能耗绿色建筑示范小区, 开发商和建筑设计单位都容易忽视太阳能热水器的先期规划施工, 为高层建筑太阳能热水器的推广使用, 留下了一个难题。壁挂式太阳能热水器虽然存在一定的优点, 但是高层住宅日照时间普遍不足, 安装太阳能热水器影响建筑外立面造型效果, 阳台壁挂式安装存在高空坠物的安全隐患;传统集中式太阳能系统对使用率要求过严, 而且热水成本普遍过高。

太阳能间接加热半集中式热水系统, 太阳能集热器设置于住宅楼屋顶, 不影响住宅外立面, 便于后期维护。热水系统采用强制循环, 热水管道主供水管、回水管加压循环。半集中式太阳能热水系统采用集中集热与分户储水相结合, 储热水箱分户安装, 提供生活用热水。保证热水水质, 杜绝非循环管道过长造成的水资源浪费。储热水箱内置辅助电加热, 由用户控制, 满足不同用户对热水使用的舒适性要求。

1 太阳能间接加热半集中式热水系统的组成

(1) 集热器:太阳能集热器是太阳能热水器的关键部位, 是吸收太阳能辐射热并向载热质传递的装置, 设置于住宅楼屋顶。通常选用管板式的集热器, 集热器之间可以并联、串联或混联, 但必须保证循环流量的均匀分布。

(2) 集热水箱:集热水箱是储存热水或其它载热质的蓄热设备, 以保证热水供应的稳定性。集热水箱较大, 设置于住宅楼屋顶太阳能设备间内, 水箱内设电加热器, 作为太阳能主要辅助热源。

(3) 储热水箱:小型储热水箱安装于各户卫生间或厨房内, 水箱内设电加热器, 用户可自己根据实际情况设定温度, 当储水箱温度达不到设定温度时电加热自动启动, 到达设定温度电加热自动停止。

(4) 热水循环泵:为热水系统冷热水循环提供动力。

(5) 连接管道:使集热器、集热水箱、储热水箱和循环水泵形成一共完整的循环系统。

(6) 辅助部件:包括控制柜、水位计、温控装置、仪表、电磁阀等保证热水系统控制、运行的部件。

2 太阳能间接加热半集中式热水系统的特点

太阳能集热系统收集到的热量后通过循环系统将热量集中存储于集热水箱, 待需要时将热水通过载热质输送到用户, 通过设于户内卫生间或厨房内的储热水箱二次换热, 将热量传递给分户储热水箱内的自来水, 供用户使用, 保证供水水质安全。

热水系统采用强制循环、间接加热方式加热, 系统采用集中采热、分户供热的方式, 有效降低总体使用成本低廉;储热水箱出水温度可调, 保证用水舒适性。集热器、集热水箱及循环控制设备集中安装在屋顶, 便于物业统一管理和维护。

3 太阳能间接加热半集中式热水系统的运行原理

热水系统是太阳能加热系统和辅助热源加热系统相结合而成。系统可以实现全年全天候热水供应, 满足住宅的热水用水需求。典型的住宅楼太阳能间接加热半集中式热水系统的原理图如图1。

(1) 系统的运行控制

常见的运行控制方式有定温控制、温差控制、光电控制、定时器控制四种, 本系统采用温差强制循环加热控制方式。以图1为例, 温度传感器将集热器出口温度T1、集热水箱温度T2、供水管道温度T3传递给微电脑控制器。当T1-T3>8℃时, 控制器发出控制信号, 启动热水循环泵, 系统开始循环, 不断地将集热器产生的热量置换到集热水箱、储热水箱, 这是一个反复循环的过程, 随着水箱内热水温度不断提高, T1与T3之间温差越来越小, 直至T1-T3<2℃时, 微电脑控制器发出控制信号, 关闭热水循环泵。当阳光照射不足时, 太阳能集热水箱5℃

(2) 管路防冻控制

太阳能热水系统在冬季温度可能低于0°C的低区使用时, 需要考虑防冻控制。本系统主要采用的方式是循环式防冻。以图1为例, 太阳能部分采用温差强制循环的加热方式, 在热媒回水管上设置有温度传感器, 即当T1的值小于10℃时, 防冻功能开启, 太阳能集热水箱内置电加热器启动加热, 同时集热系统循环泵开启。在太阳能热水系统非使用时段, 通过泄水阀排空防冻。

(3) 过热保护

当太阳能系统长时间不用时, 集热水箱内的热水或载热质温度会发生过热, 容易产生烫伤甚至沸腾;过热保护分为水箱过热保护和集热器过热保护。以图1为例, 在天气情况良好的情况下, 集热水箱、储热水箱内热水能在较短的时间内升至要求温度, 若此时用水量很少, 水箱内水仍会通过热水循环泵循环并加热持续升温, 当集热水箱温度T2>75℃时, 微电脑控制器停止循环加热, 使太阳能系统不再实行温差循环集热。当水箱水温T2<70℃时, 温差循环重新启动运行。

集热器过热保护:当集热器上的温度T1>180℃时, 循环泵开启, 通过水箱中的水给集热器降温, 防止干烧降低集热器寿命。

4 太阳能间接加热半集中式热水系统的注意事项

(1) 太阳能热水系统应安全可靠, 系统中所使用电器设备应有剩余电流保护、接地和断电等安全措施, 并应采取防冻、防结露、防过热、防雷、抗雹、抗风、抗震等技术措施。

(2) 太阳能集热器应有防止热水渗透的安全保障设施;集热器支架应与建筑物预埋件牢固连接, 并应设置防止太阳能集水器损坏后部件坠落伤人的安全防护设施。

(3) 系统初次运行前应先冲洗集热水箱、集热器及系统管路内部, 再向系统内充填载热质。

(4) 集热水箱内液压水位控制阀中浮球采用金属或耐温高于100%%d C的其他材质浮球。

(5) 储热水箱内置加热系统必须带有保证使用安全的装置。

(6) 集热水箱优先选用食品级不锈钢内胆制作, 水箱及连接管道应做好保温措施。

5 结语

太阳能的利用是能源发展的战略性课题。本文所述的强制循环太阳能间接加热半集中式热水系统已经进过实践证明切实可行, 解决了当下高层住宅太阳能热水系统中出现的一些突出问题, 满足现在高层住宅对太阳能热水系统的要求。

参考文献

太阳能辅助加热系统 篇8

主动式太阳房采暖系统通过太阳能集热器收集太阳能, 通过散热器释放热量。目前, 水被视为是最有效的介质。太阳能集热器安放在屋顶, 由循环泵, 储热器, 变频加热泵, 辅助加热系统和散热器等构成。热水由变频泵输送至散热器, 加热整个房屋后, 然后返回到储热器底部实现再利用。在阳光不足的阴雨天或者晚上, 辅助加热系统会启动, 并入主动式太阳房供暖系统, 保证供暖和生活用水。房屋内部温度会保持在最适宜的状态, 不仅使人们感到舒适, 而且也能有效地利用太阳能。经测算, 100m2的房屋面积, 温度升高1℃, 大概需要73760KJ的热量, 所以保持温度恒定对于节省能源是非常重要的。

2 模糊自整定PID串级控制 (FS-PIDC) 算法的设计

2.1 FS-PIDC的结构设计

串级控制系统的设计主要是参数的选择, 副回路设计和主、副回路之间的关系[4]。主回路的参数有较长的时间延迟, 主控制器根据设定加热温度计算子回路的给定值。子回路具有较小的时间延迟, 它可以在水压或者加热温度影响主回路的设定加热温度前克服干扰, 从而提高控制精度。模糊控制器能够自动实时调整控制参数。FS-PIDC的系统结构图如图1所示。

2.2 数学模型

2.2.1 房屋加热模型

主动式太阳房供暖系统是一项利用太阳能和可持续发展的新技术。房屋的温度控制可以说是一个热传导问题, 无论是辐射, 传导还是对流。对加热房屋进行适当地假设:因为管状散热器的相位没有发生改变, 所以对象参数是一般分布的。由于这是一个关于时间和空间的函数, 因此它的变化规律是由差分方程描述。如公式 (1) 所示。

其中, l=z/L表示散热器的总长度;A表示内圆的周长;Adl表示表面面积微元;M1单位长度的流体流量。公式 (1) 是散热器的动力学方程, 很难精确分析。根据散热器的动力学方程和经验公式, 我们得到了如下的数学模型:

K表示静态放大常数

W1、G1和C分别表示加热液体的储存、流体和空气比热容。

2.2.2 变频泵模型

散热器的入口流量与管道横截面积 (不变) 和离心泵的速度有关。据Pan定理, 对管道流动速度的控制可以转化为对离心泵速度的控制, 实际上是对变频器输出频率的控制。根据流量控制系统得原理和特征, 我们得到该动态过程近似符合一阶时滞系统的模型, 传递函数如公式 (4) 所示。

2.3 FS-PIDC控制器设计

通过使用阶跃响应处理和工程经验, 我们确定了如下的模型参数。

等式 (5) 是主回路的传递函数, 等式 (6) 是子回路的传递函数。主回路的时滞常数是73.519s, 同时子回路的时滞常数是13.15s, 满足串联控制的设计原则。由于传递函数的放大增益Kp1>0, Kp2>0, 相应的Kc1, Kc2、应该满足Kp1Kp2Kc1Kc2>0。根据对控制系统的分析, 当供、回水水温上升时, 主控制器的输出量应该增加。二级控制器设有更高的水流值, 所以二级控制器的输出量也要增加, 同时, 输出频率的增加提高泵的速度。所以, 主回路和子回路均为正, 同时构成负反馈系统。

2.3.1 F S-P I D C子控制系统设计

在模糊串联控制系统中, 子控制器能够迅速消除水在加温过程中水温和电压的振动。但是, 它不能做到零错误, 所以, 还应选用比例控制。

2.3.2 F S-P I D C主控制系统设计

主控制系统根据需要维持房屋气温, 不允许出现偏差。同时, 要求更高的适应性。

(1) 模糊设计

FS-PIDC主控制系统的输入量是偏差和偏差变化率, T (k) 表示设定温度, t (k) 表示实际温度。

偏差:e (k) =T (k) -t (k) (7)

e (k) 的取值范围是[-emax, -emax]=[-, 2]2, 单位:C°;e& (k) 的取值范围是[-e&max, -e&max]=[-, 1]1, 单位:C°。偏差的量化因子:Kec=3。模糊控制的量化等级为:{e (k) , e& (k) }={-, 3-, 2-, 1, 0, 1, 2}3, 有七个子集, 分别是N B, N M, N S, Z O, P S, P M, P B。输入量的隶属度函数是三角形函数。

(2) 模糊控制规则设计

根据选择PID控制系统的参数KP、KI、KD的工程经验, e (k) 和e& (k) 的模糊规则如下:

规则1:为了提高系统的反应速度, 当e (k) 较大时, 应该让KP较大, 让KD较小, 同时让来KI=0降低超调量。

规则2:为了保持系统较小的超调量, 当e (k) 是中等大时, 应该让KP较小, 同时让KD和KI保持适中。特别是KD, 因为对系统的影响更强。一般的经验是, 当很大时, 让KD较大;当KD较小时, 让KD较大。

规则3:为了使系统有较好的稳定性, 当较小时, 应该让KP和KI较大, 从而避免在稳态的振荡。

在模糊推理过程中, 规则条件和蕴含算子均采用最小原则, 如式 (9) 所示。

(3) 清晰化设计

清晰化是将模糊控制规则库中的参数等效为清晰值。模糊输出量是KP、KI、KD, KP和KD的模糊集合是{-3, -2, -1, 0, 1, 2, 3}, KI的模糊集合是{-0.06, -0.04, -0.02, 0, 0.02, 0.04, 0.06}, 共有七个模糊子集, 分别是N B, N M, N S, Z O, PS, PM, PB, 输出数据如式 (10) 所示。

其中, {e (k) , e& (k) }P、{e (k) , e& (k) }I和{e (k) , e& (k) }D是模糊推理的结果, 而KP*、KI*和KD*则是常规PID的设定值。

3 FS-PIDC的Simulink仿真

3.1 建立控制系统仿真模型

通过M A T L A B和S I M U L I N K建立仿真模型, 输入、输出量的模糊变量子集和隶属度函数。模糊规则、推理过程和清晰化过程见上述推导。FS-PIDC输出参数封装为模糊PID输出, 如图2所示。常规PID封装为PID控制, 如图3所示。上述模型其内部的设定值分别为Kp=1.5、KI=0.1、Kp=0.03、Ke=1.5=3=

3.2 SIMULINK仿真模型分析

在自主式太阳能房屋的模糊自整定PID串行控制中, 对于超调量、抗干扰和适应性都进行了分析。串行PID如上述设定, 当模型参数不变, 阶跃信号按照给定温度设定为18, 仿真响应曲线如图4所示。可以看到, 串行PID的振动明显比模糊自整定PID控制系统要高, 从而使得太阳能房屋不稳定。

由于太阳的周期性变化, 主动式太阳能房屋会受到干扰, 热环境和控制对象的变化使得参数变化, 而主动式太阳能房屋的控制参数能够适应这种变化。S W I C H的设置可以简化分析。当到达指定时间, 仿真模型会加入高斯白噪声或者改变模型参数。仿真响应曲线如图5所示。可以看到, 串行PID控制的振动和超调量明显高于模糊自整定PID控制系统。

4 结语

从仿真的结果可以看出主动式太阳能房屋的温度得到了很好的恒定。模糊自整定PID串行控制能够很好地克服时变特性并降低大惯性造成的振动。当加入干扰后, 具有很强的抗干扰能力和更好的适应性。所以, 这种算法提高了主动式太阳能房屋的加热效率并达到节能效果, 具有很好的应用价值。

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