戶用光伏冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)

武 桐 林湃煜 陳 凱 馮寶剛 鄭新明

（華南理工大學(xué)電力學(xué)院，廣東 廣州 510640）

0 引言

能源短缺、環(huán)境極度惡化已成為影響世界各國發(fā)展的重要因素。科學(xué)家預(yù)測，到2030年左右，全世界的化石燃料將消耗殆盡；我國目前建筑耗能約占全國能源消耗量的27%，[2]建筑節(jié)能在整個(gè)節(jié)能工作中占有重要地位。因而尋找、發(fā)展新能源以及提高能源的利用效率已經(jīng)成為世界各國發(fā)展的關(guān)鍵問題。

建筑冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)(BCHP)是一種建立在能源的梯級利用概念基礎(chǔ)之上，將制冷、供熱(采暖和供熱水)及發(fā)電過程一體化的多連產(chǎn)總能系統(tǒng)。對于傳統(tǒng)的獨(dú)立能量供應(yīng)系統(tǒng)來說，能源的利用效率一般不超過50%，而BCHP對能源的利用效率則可達(dá)80%；若現(xiàn)有建筑的8%使用BCHP的、新建建筑的50%使用BCHP的話，到2020年，CO2的排放量將減少20%[1]。可見，冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)在大幅度提高能源使用效率及降低碳和污染空氣的排放物方面具有很大的潛力。美國、日本、英國等的建筑冷熱電聯(lián)供技術(shù)已相當(dāng)成熟，冷熱電聯(lián)產(chǎn)技術(shù)廣泛用于學(xué)校、超市、大型寫字樓等的采暖、制冷、生活熱水供應(yīng)和部分電力供應(yīng)。然而，這些系統(tǒng)的一次能源絕大部分為天然氣，屬于傳統(tǒng)能源。若將光伏發(fā)電技術(shù)與冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)合二為一，形成以太陽能為主要能源的獨(dú)立建筑冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)，則可以有效減少化石燃料的使用、溫室氣體的排放和能源的消耗。因此，本課題提出以太陽能為主要能源，研究戶用光伏冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)介紹

圖1 戶用光伏冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)結(jié)構(gòu)概圖

本系統(tǒng)的基本組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)的主要硬件組成是光伏電池板、Buck降壓電路、半導(dǎo)體制冷器、加熱器、冷熱水箱、LED電燈、直流水泵、蓄電池、余熱回收裝置以及單片機(jī)自動控制器。電力供應(yīng)端，由具有MPPT最大功率點(diǎn)跟蹤功能的充電控制器實(shí)現(xiàn)太陽能電池板向蓄電池最大效率充電；蓄電池通過二級降壓Buck電路對各個(gè)負(fù)載供電 ；冷熱聯(lián)供主要通過水循環(huán)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)在光伏電池板下設(shè)計(jì)有水箱，不僅可以有效利用光伏電池板的余熱，而且可以為光伏電池版降溫從而使電池板工作在最適宜溫度環(huán)境下。采用半導(dǎo)體制冷器，應(yīng)用“熱電效應(yīng)”，實(shí)現(xiàn)冷熱水聯(lián)供。系統(tǒng)基于單片機(jī)設(shè)計(jì)了溫度測控系統(tǒng)，分別測量熱水箱水溫以及光伏電池板集熱水箱溫度，當(dāng)熱水箱水溫低于設(shè)定值時(shí)，加熱器自動啟動加熱，當(dāng)電池板集熱器溫度高于設(shè)定值時(shí)，水泵啟動實(shí)現(xiàn)強(qiáng)制水循環(huán)。系統(tǒng)能量流及控制流如圖2所示。

圖2 戶用光伏冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)原理概圖

2 關(guān)鍵技術(shù)以及解決方案

系統(tǒng)中關(guān)鍵技術(shù)在于：

（1）太陽能的高效利用：隨著光照強(qiáng)度、溫度以及負(fù)載特性的變化，光伏電池的輸出功率隨之變化，輸出功率不穩(wěn)定。研究最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT），以獲取光伏電池的最大功率輸出，從而最大限度的利用太陽能。

（2）由于太陽能的不穩(wěn)定性、間斷性和不可控性，系統(tǒng)配入蓄電池作為儲能元件，如何給給蓄電池充電，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)充電，亦是本課題的另一重點(diǎn)

（3）冷熱聯(lián)供：本課題采用半導(dǎo)體制冷器實(shí)現(xiàn)冷熱聯(lián)供。應(yīng)用其冷端對水制冷，并收集其熱端熱量，用于水的加熱。

（4）余熱利用。通過基于單片機(jī)的自動水循環(huán)系統(tǒng)以及光伏電池板集熱器、半導(dǎo)體制冷器散熱裝置，以水為介質(zhì)充分吸收系統(tǒng)產(chǎn)生的余熱，達(dá)到能源梯級利用的目的。

基于上述分析，具體設(shè)計(jì)如下：

2.1 光伏電池的最大功率跟蹤

光伏電池與其負(fù)載有一個(gè)最佳的匹配點(diǎn)，當(dāng)二者匹配時(shí)，光伏電池將工作在最大功率點(diǎn)上，既能夠輸出的最大功率。光伏電池隨著外界環(huán)境的改變，其輸出的特性發(fā)生改變，如果光伏電池沒有工作在與之匹配的工作點(diǎn)上，將會造成能量的損失。解決這一問題的途徑就是最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）。它是能夠?qū)崟r(shí)檢測光伏陣的輸出功率，采用一定的算法預(yù)測當(dāng)前工況下陣列可能的最大功率輸出，通過改變當(dāng)前的阻抗情況來使太陽能電池板輸出工作在最大功率點(diǎn)上。

本系統(tǒng)采用擾動觀察法實(shí)現(xiàn)了MPPT控制。[3]擾動觀察法(P＆O，Perturbation and observation)擾動觀測法通過選定一定的D初值以及適當(dāng)?shù)恼伎毡日{(diào)整值D達(dá)到逐步逼近最大功率點(diǎn)的目的。檢測當(dāng)前時(shí)刻的電壓、電流值Un、In，計(jì)算此時(shí)的輸出功率Pn=Un*In，先通過增加PWM占空比來增加一個(gè)電壓擾動值，再次檢測電壓、電流值Un+1、In+1。計(jì)算Pn+1=Un+1*In+1，然后與前一功率值Pn進(jìn)行比較。本方法中占空比的變化與功率值變化的關(guān)系為：①D增加時(shí)，P增加，則應(yīng)讓D進(jìn)一步增加 D；②D增加時(shí)，P減小，則應(yīng)讓D減小 D；③D減小時(shí)，P增加，則應(yīng)讓D進(jìn)一步減小 D；④D減小時(shí)，P減小，則應(yīng)讓D增加D。算法流程圖如圖3所示：

圖3 擾動觀測法算法流程

2.2 基于TL494的Buck電路設(shè)計(jì)

圖4 基于TL494的Buck電路原理圖

在本課題中，光伏電池板輸出電壓等級為24v，而冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)各負(fù)載的電壓等級均為12v及以下，電壓等級不合；另外各個(gè)負(fù)載的運(yùn)行狀態(tài)根據(jù)具體需求而定，并不一定時(shí)刻工作在額定電壓下。故必須設(shè)計(jì)Buck（降壓可調(diào)電路）電路來實(shí)現(xiàn)光伏電池板與冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的連接。

我們設(shè)計(jì)的基于TL494芯片PWM調(diào)制式的Buck電路原理圖如圖4所示：

1腳為反饋電壓輸入端，通過5.1K電阻接入電壓輸出端，反饋電壓由R10和R11調(diào)節(jié)；

3腳所接的0.1u電容及47K、1.0M 電阻是斜率補(bǔ)償為了增加電路的穩(wěn)定性。震蕩頻率由C2和R2決定，fosc=2.34×10^2Hz；

8腳輸出PWM波通過R1和R3加于MOS管GS兩端，從而控制MOS的通斷。

C1和C5均為濾波電容；

TL494是一個(gè)固定頻率的脈沖寬度調(diào)制電路，內(nèi)置了線性鋸齒波振蕩器，振蕩頻率可通過外部的一個(gè)電阻和一個(gè)電容進(jìn)行調(diào)節(jié)，其振蕩頻率如下：

fosc=1.1/(CT*RT)

整個(gè)電路的原理是：開關(guān)元件MOS由TL494芯片的輸出脈沖控制，假設(shè)在t=時(shí)，驅(qū)動MOS導(dǎo)通，電源E向負(fù)載供電，二極管截止，電容C5處于充電狀態(tài)，電感L處于儲能狀態(tài)，負(fù)載電流I0成指數(shù)上升。當(dāng)t=t1時(shí)，控制MOS關(guān)斷，由于電感電流IL無法瞬時(shí)變化，故電感將釋放儲能，使負(fù)載電流緩慢下降，二極管起到續(xù)流作用，電容處于放電狀態(tài)，負(fù)載電流緩慢下降。至一個(gè)周期T結(jié)束，再驅(qū)動MOS導(dǎo)通，重復(fù)上述過程，當(dāng)電路工作于穩(wěn)態(tài)時(shí)，

U0=ton/（ton+toff）E=αE

式中，ton是導(dǎo)通時(shí)間，toff是斷開時(shí)間，α為導(dǎo)通占空比。

2.3 余熱回收系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案

本課題所設(shè)計(jì)的余熱回收系統(tǒng)主要由光伏電池板集熱器，半導(dǎo)體制冷器散熱裝置，水箱，直流水泵組成，整個(gè)系統(tǒng)以水作為冷卻介質(zhì)，利用直流水泵通過水循環(huán)系統(tǒng)將冷水箱的水注入光伏電池板和半導(dǎo)體制冷器的散熱裝置中，將光伏電池板和半導(dǎo)體制冷器所排放的多余熱量通過水收集，最后流回?zé)崴淅锛右岳谩?/p>

光伏電池板集熱器采用以水為介質(zhì)的封閉強(qiáng)制循環(huán)冷卻方式，在光伏電池板背面加裝集熱管、通道等結(jié)構(gòu)，通過直流水泵把水箱中的水透過連接閥門泵入封閉管道中，太陽能電池板中的熱量經(jīng)集熱管傳導(dǎo)到水中，多余熱量得到充分利用。結(jié)構(gòu)如圖5[4]所示：

圖5 太陽能電池板集熱器

半導(dǎo)體制冷器散熱裝置采用水冷散熱系統(tǒng)進(jìn)行余熱回收，如圖6所示，[5]在半導(dǎo)體的熱端安裝吸熱片、肋片和通道等結(jié)構(gòu)，然后利用直流水泵將冷水箱的水泵入通道中，最后再流回?zé)崴渲校褂酂岢浞掷谩Ｖ岳盟鳛樯峤橘|(zhì)，是因?yàn)樵摻橘|(zhì)容易獲得可循環(huán)利用且對環(huán)境無污染。可以通過增加水道數(shù)量的方式 提高散熱能力，是一種較為實(shí)用的散熱方式。

圖6 水冷散熱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.4 基于51單片機(jī)的冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)智能控制電路設(shè)計(jì)

控制思想：冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)中，各個(gè)負(fù)載需要根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測狀態(tài)改變自身工作狀態(tài)，以滿足用戶需求并使系統(tǒng)的工作效率最大化。本課題以水溫作為系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測對象，設(shè)定上下限溫度TH和TL，當(dāng)水箱中的熱水區(qū)的水溫低于下限溫度TL時(shí)，通過繼電器啟動加熱棒電路，加熱水箱中的水，以滿足用戶需求，當(dāng)高于設(shè)定溫度TH時(shí)，斷開加熱棒回路。另一方面，以相同原理設(shè)計(jì)另一個(gè)電路，區(qū)別在于：當(dāng)光伏板下的的水溫高于上限溫度TH時(shí)，通過繼電器啟動直流水泵，將水箱冷水區(qū)中的水泵入到水循環(huán)系統(tǒng)中，余熱回收系統(tǒng)開始工作，系統(tǒng)的多余熱量被回收，當(dāng)水溫下降到TL以下時(shí)，斷開直流水泵。

本課題所研究的基于51單片機(jī)的冷熱電聯(lián)供智能控制電路硬件組成部分為：主控電路、液晶顯示電路、溫度采集電路、報(bào)警電路，繼電器控制電路。

采用STC89C52RC單片機(jī)做為本課題的單片機(jī)使用，它是由ATMEL公司生產(chǎn)的高性能、低功耗的CMOS 8位單片機(jī)。STC89C52RC單片機(jī)具有以下幾個(gè)性能特點(diǎn)：4 k字節(jié)的閃存片內(nèi)程序存儲器，128字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲器，32個(gè)外部輸入和輸出口，2個(gè)全雙工串行通信口，看門狗電路，5個(gè)中斷源，2個(gè)16位可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器，片內(nèi)震蕩和時(shí)鐘電路且全靜態(tài)工作并由低功耗的閑置和掉電模式。

系統(tǒng)流程圖如圖7所示：

圖7 基于單機(jī)的智能控制電路算法流程圖

3 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

本課題搭建了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀?shí)驗(yàn)各部分工作參數(shù)如下：

①光伏電池板

組件尺寸 1650×992×50mm

額定輸出電壓 24V

允許工作溫度 -40℃~85℃

②蓄電池

容量 40AH

額定電壓 24V

③一級穩(wěn)壓電路

額定輸入電壓 24v

額定輸出電壓 12V

二級穩(wěn)壓電路

額定輸入電壓 12v

額定輸出電壓 5~12V

④加熱棒

額定功率 5W

額定電壓 12V

⑤直流無刷水泵

型號 ZC-A40

額定電壓 DC 12V

負(fù)載電流 1.05A

⑥LED節(jié)能燈

額定電壓 12V

額定功率 3W

⑦半導(dǎo)體制冷器

額定電壓 12V

額定功率 30W

圖8 系統(tǒng)實(shí)物結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)上述的原理以及參數(shù)，我們制作了基于TL494芯片的Buck電路，基于51單片機(jī)的智能控制電路，并購買其他相應(yīng)器件搭建整個(gè)系統(tǒng)，如圖8所示。系統(tǒng)搭建完成后，我們先后對光伏電池板輸出電壓、MPPT充電控制器輸出功率、Buck電路驅(qū)動波形以及輸出電壓，分別進(jìn)行了測量與分析。

圖9 電池板輸入電壓

從測試結(jié)果可以看出，光伏電池在正常工作時(shí)的輸出電壓為20.4-21.0V，經(jīng)MPPT調(diào)整后為20.4-21.6V，蓄電池處于充電狀態(tài)，光伏電池端電流值為5.28A。輸出功率接近額定輸出功率，

考慮天氣以及日照因素等造成誤差，MPPT控制器的工作情況良好。

圖10 Buck電路驅(qū)動波形

圖10所示的Buck電路驅(qū)動波形是通過測量TL494芯片的8腳輸出波形而得的，Buck電路兩端的輸出電壓大小為9.2-10.4v。另外輸出電壓可以通過Buck電路上的兩個(gè)可調(diào)電阻之比來調(diào)節(jié)，滿足設(shè)計(jì)要求。

實(shí)驗(yàn)分析與結(jié)論結(jié)論：

1）在負(fù)載總功率不變且陽光充足氣溫31℃左右的環(huán)境條件下，通過溫度傳感器測量到的加入余熱回收裝置后的光伏電池板以及半導(dǎo)體制冷器熱端的溫度分別在40℃～53℃和35℃～38.5℃之間，沒有加入余熱回收裝置的光伏電池板和半導(dǎo) 體制冷器熱端溫度在45℃～50℃和38℃～42℃之間，比較試驗(yàn)表明系統(tǒng)發(fā)出的多余熱量得到了一定程度的利用。

2）在不同的日照條件下，光伏電池板的輸出功率變化較大，但在MPPT控制器的作用下，始終控制在最大功率點(diǎn)上。當(dāng)光伏電池板輸出功率不足時(shí)，由蓄電池進(jìn)行供電，當(dāng)光伏電池板輸出功率過量時(shí)，對蓄電池進(jìn)行充電。

3）整個(gè)系統(tǒng)還有待優(yōu)化，由于實(shí)驗(yàn)設(shè)備不夠精確，測量儀器也有所誤差，無法對系統(tǒng)各個(gè)部分的性能進(jìn)行完整的測試分析，半導(dǎo)體制冷器的余熱回收效果不明顯。

［1］李華文.樓宇冷熱電聯(lián)產(chǎn)(BCHP)系統(tǒng)的特點(diǎn)及設(shè)計(jì)概要[J].沈陽工程學(xué)院學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版,2007,04：313-318.

［2］王斯成.我國光伏發(fā)電有關(guān)問題研究[J].中國能源,2007,02：07-11.

［3］鄧仙玉.基于MPPT技術(shù)的光伏充電控制器研究[D].北京交通大學(xué),2011.

［4］楊晶晶,劉永生,谷民安,彭麟,張玉鳳,高湉.太陽能光伏電池冷卻技術(shù)研究[J].華東電力,2011,01：81-85.

［5］張海濤,王子龍,張華.聚光型光伏電池的冷卻方式[J].能源工程,2010,05：37-41.

［6］蔡德坡.半導(dǎo)體制冷熱端的分析與實(shí)驗(yàn)研究[D].南昌大學(xué),2010.

［7］徐鵬威,劉飛,劉邦銀,等.幾種光伏系統(tǒng)MPPT方法的分析比較與改進(jìn)[J].電力電子技術(shù),2007,05(41)：15.

［8］黃克亞.光伏發(fā)電系統(tǒng)最大功率跟蹤算法研究及實(shí)現(xiàn)[D].蘇州：蘇州大學(xué),2010.

［9］周任軍,冉曉洪,毛發(fā)龍,等.分布式冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)節(jié)能協(xié)調(diào)優(yōu)化調(diào)度[J].電網(wǎng)技術(shù),2012,36(06)：08-14.

［10］荊有印,白鶴,張建良.太陽能冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)與運(yùn)行策略分析[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào),2012,32(20)：82-87.