基于單片機的太陽能熱水控制系統

李子劍

（內蒙古科技大學信息工程學院 內蒙古包頭 014010）

基于單片機的太陽能熱水控制系統

李子劍

（內蒙古科技大學信息工程學院 內蒙古包頭 014010）

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

單片機；太陽能；熱水控制系統

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,太陽能熱水系統已成為我國太陽能熱利用技術最成熟、應用最廣泛、產業化發展最快的領域。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達到既能充分利用太陽能產生的熱水,又能確保熱水供應的可靠性、系統運行的合理性,智能全自動控制是關鍵問題。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的設想,利用單片機作為控制核心來實現太陽能熱水智能全自動控制。

本系統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相結合的運行方式。系統工作原理如圖1

圖1 太陽能熱水系統工作原理圖

1 系統工作原理

本系統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

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

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

1.2 水箱上水

當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(在防凍狀態時D4開啟,否則D1開啟)，如果是處于用水時段內，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。水箱上水根據是否在用水時段內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定溫度A。2)條件：控制器產生水箱上水命令且處于用水時段內。3)過程：當產生恒溫上水命令后，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下降到設定水溫A時，關閉電磁閥D1或D4，停止上水，等待T2上升，當T2高于設定溫度A 5℃時，繼續上水，如此循環，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：控制器產生水箱上水命令且處于用水時段外。3)過程：當產生低溫上水命令后，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

當儲熱水箱水溫T2低于設定值A 2℃時，且處于用水時段內時，則打開輔助加熱電磁閥D3，啟動輔助循環水泵P2，然后給鍋爐發點火信號，啟動燃氣鍋爐，開始加熱，直到T2高于設定溫度8℃時，鍋爐停止工作，水泵P2停止，電磁閥D3關閉，完成輔助加熱。

1.4 防凍保護

冬季當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，使集熱系統內存水回流至儲熱水箱防凍。

2 系統硬件設計

控制系統主要由數據輸入輸出接口電路、A/D轉換電路 (由傳感器及變送器提供0－5V標準電壓)、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。系統硬件框圖如圖3.1所示：

系統主要技術指標如下：

（1）集熱器出口上限溫度85℃；（2）防凍臨近溫度 4℃；（3）集熱器循環溫差為8℃(△T=T1-T2=8℃)；（4） 定溫上水溫度高于設定溫度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定溫度2℃；（9）輔助加熱停止溫度高于設定溫度8℃；（10）A/D轉換分辨率為8位；（11）時間芯片月時間誤差＜1分鐘。

圖2 系統硬件框圖

3 結論

本系統采用單片機為核心，設計了太陽能供熱水系統的控制系統，并以燃氣鍋爐為補充，較好地實現了系統的智能控制，具有了節能和四季不間斷供應熱水的特點。