基于单片机的太阳能热水控制系统

李子剑

（内蒙古科技大学信息工程学院 内蒙古包头 014010）

基于单片机的太阳能热水控制系统

李子剑

（内蒙古科技大学信息工程学院 内蒙古包头 014010）

本文选用热管真空管式集热器太阳热水系统，提出采用定温上水与温差循环相结合的运行方式，在此基础上对热管真空管太阳热水系统的工作过程做了具体的设计，并对控制系统硬件做了设计。

单片机；太阳能；热水控制系统

近年来随着人民生活水平的不断提高,对生活热水需求日益增长,太阳能热水系统已成为我国太阳能热利用技术最成熟、应用最广泛、产业化发展最快的领域。但是太阳能存在能量密度低、加热时间长、每天的太阳辐照量不确定等因素,如何使太阳能热水系统达到既能充分利用太阳能产生的热水,又能确保热水供应的可靠性、系统运行的合理性,智能全自动控制是关键问题。为此本文提出以燃气锅炉作为辅助加热手段的热管太阳能集中供热水控制系统的设想,利用单片机作为控制核心来实现太阳能热水智能全自动控制。

本系统选用真空热管式集热器，采用定温控制上水与温差控制循环相结合的运行方式。系统工作原理如图1

图1 太阳能热水系统工作原理图

1 系统工作原理

本系统的工作原理可以从以下几方面来说明。

1.1 定温上水与温差循环

当集热器出口温度高于设定温度值A 5℃时，上水电磁阀自动开启，开始上冷水。当集热器出口温度低于设定温度A时，电磁阀自动关闭，停止上水。系统吸收太阳热量储存于集热器内的水中，使温度继续升高，然后再开启，再关闭。通过这样一个不断重复的过程，把太阳的能量转化为热能，直到把热水箱的水加满。同时利用温差循环，只要有阳光辐射，当集热器出口的水温比储热水箱底部温度高8℃时,温差循环泵启动，系统开始循环，水箱继续增温，直到集热器与水箱的水温接近时，循环泵停止工作。保证了太阳能可以得到最充分的利用。

系统工作方式如下：(1)定温上水。集热器出口温度T1高于设定温度值A 5℃时,上水电磁阀自动开启,自来水通过集热下循环管将热水顶入储热水箱内,集热器出口温度T1降至低于设定温度A时,电磁阀关闭，如此循环，直到把热水箱的水加满为止。(2)温差循环。集热器出口水温T1比储热水箱底部温度T2高8℃时,温差循环泵启动,系统开始循环,直至T1高于T2 2℃[2]时,温差循环泵停止工作,系统完成温差循环集热。

1.2 水箱上水

当水箱水位下降到下限水位H1（15%～25%）时，上水电磁阀D1或D4开启(在防冻状态时D4开启,否则D1开启)，如果是处于用水时段内，则进行恒温上水，否则进行低温上水，直到水位达到某一特定值H2（40%～60%）为止。水箱上水根据是否在用水时段内分为恒温上水和低温上水。

(1)恒温上水：1)作用:确保水箱水位不低于下限水位H1，具有一定的用水量，且保证水箱水温不低于设定温度A。2)条件：控制器产生水箱上水命令且处于用水时段内。3)过程：当产生恒温上水命令后，水箱开始通过电磁阀D1或D4上冷水，水箱水温T2开始下将，直到T2下降到设定水温A时，关闭电磁阀D1或D4，停止上水，等待T2上升，当T2高于设定温度A 5℃时，继续上水，如此循环，直到水位达到特定水位H2（40%～60%）为止，并闭锁水箱上水。

(2)低温上水：1)作用:确保水箱水位高于下限水位H1,且具有一定的水量。2)条件：控制器产生水箱上水命令且处于用水时段外。3)过程：当产生低温上水命令后，电磁阀D1或D4打开，水箱上水，直到水位达到特定值H2为止，闭锁水箱上水。

1.3 时段温控辅助加热

当储热水箱水温T2低于设定值A 2℃时，且处于用水时段内时，则打开辅助加热电磁阀D3，启动辅助循环水泵P2，然后给锅炉发点火信号，启动燃气锅炉，开始加热，直到T2高于设定温度8℃时，锅炉停止工作，水泵P2停止，电磁阀D3关闭，完成辅助加热。

1.4 防冻保护

冬季当管路温度达到防冻临近温度4℃时[4]，回水电磁阀D2和排空阀D5开启，使集热系统内存水回流至储热水箱防冻。

2 系统硬件设计

控制系统主要由数据输入输出接口电路、A/D转换电路 (由传感器及变送器提供0－5V标准电压)、时钟电路、键盘显示电路、报警电路、51单片机及电源七部分组成。系统硬件框图如图3.1所示：

系统主要技术指标如下：

（1）集热器出口上限温度85℃；（2）防冻临近温度 4℃；（3）集热器循环温差为8℃(△T=T1-T2=8℃)；（4） 定温上水温度高于设定温度5～8℃；（5）集热水箱下限水位H1为水箱水位的20%；（6）集热水箱特定水位H2为水箱水位的50%；（7）集热水箱上限水位H3为水箱水位的95%；（8）辅助加热启动温度高于设定温度2℃；（9）辅助加热停止温度高于设定温度8℃；（10）A/D转换分辨率为8位；（11）时间芯片月时间误差＜1分钟。

图2 系统硬件框图

3 结论

本系统采用单片机为核心，设计了太阳能供热水系统的控制系统，并以燃气锅炉为补充，较好地实现了系统的智能控制，具有了节能和四季不间断供应热水的特点。