便攜式太陽能供電供暖裝置的設(shè)計(jì)*

*基金項(xiàng)目：新疆工程學(xué)院科研育人項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：2019xgy622112）。

隨著“碳達(dá)峰、碳中和”戰(zhàn)略，我國(guó)太陽能供熱采暖技術(shù)已在開發(fā)試點(diǎn)、系統(tǒng)規(guī)模、技術(shù)方法進(jìn)行了實(shí)踐與探索。西藏、北京等地的太陽能供熱采暖示范工程以村鎮(zhèn)分布式太陽能供熱為特色，取得了一定的節(jié)能效益，但存在冬、夏季采暖集熱不平衡、供暖系統(tǒng)保證率低^[3]、恒溫控制難度高的問題，為改善該情況，提高太陽能供暖技術(shù)的穩(wěn)定性能，常需要搭配輔助能源互補(bǔ)供熱系統(tǒng)，便攜式太陽能供暖及供電系統(tǒng)的開發(fā)是基于實(shí)際生活開發(fā)，以改善可遷移式小型住所供暖及供電條件為目標(biāo)，開發(fā)搭建出一套包含集熱、蓄熱、傳熱和補(bǔ)償熱量的太陽能供暖及供電便攜式裝置，滿足可拆裝性強(qiáng)、便攜遷移、供熱效果良好等應(yīng)用要求。

1   總體設(shè)計(jì)

太陽能供暖系統(tǒng)是由集熱器、蓄熱器、傳熱設(shè)備、輔助加熱裝置和控制系統(tǒng)組成，水以其良好熱傳導(dǎo)和經(jīng)濟(jì)性配為傳熱媒介，考慮到本課題對(duì)便攜式的核心要求，各環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)過程中要充分滿足良好的可拆裝性和高效的熱轉(zhuǎn)換性。

總體設(shè)計(jì)如圖1 所示。

2   技術(shù)路線

基于上述理論，本節(jié)將圍繞集熱器面積、蓄熱器水箱體積及輔助加熱功率進(jìn)行測(cè)算，從而驗(yàn)證本項(xiàng)目的實(shí)際可行性。

根據(jù)《太陽能供熱采暖應(yīng)用技術(shù)手冊(cè)》^[4]的規(guī)定，直接式太陽能集熱器面積公式如1 所示，具體參數(shù)見表1。

（2）蓄熱器水箱的計(jì)算

選擇水作為儲(chǔ)熱的介質(zhì)，主要利用其顯熱值儲(chǔ)熱。水箱的儲(chǔ)熱量為非供暖季太陽能集熱器集得的有效能，儲(chǔ)熱量計(jì)算公式^[4]如2所示。

式中， I_s是非供暖季太陽能輻射量為3923.1 MJ / m² ，太陽能的集熱效率ηcd 按50%，管道及儲(chǔ)熱水箱散熱損失η₁ ，計(jì)算得儲(chǔ)熱水箱所需儲(chǔ)熱量為Q_w 為367.8 MJ，通過綜合考慮預(yù)留空間和熱損失，取水箱為1L。

（3）輔助電加熱器功率的計(jì)算^[4]

Q_d是每日所需熱水負(fù)荷，取50W ，η_a為輔助加熱設(shè)備的熱效率取95%，T為輔助熱源的每日加熱時(shí)間，取21小時(shí)，計(jì)算得出需要輔助電加熱器的功率近似為80w，因此配置太陽能光伏板。同時(shí)，為考慮蓄能的持續(xù)性，還配有50 AH 蓄電池，容量合適且能耗低，在實(shí)際過程中還可進(jìn)一步提高供熱效率，降低相應(yīng)參數(shù)，滿足便攜式太陽能供暖及供電的總要求。

3   硬件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)硬件部分包括太陽能光伏板、太陽能集熱器、旋轉(zhuǎn)平臺(tái)、電加熱器、水箱、控制閥、蓄電池、伸縮桿、傳熱板等，控制系統(tǒng)的硬件部分主要采用AT89C51 單片機(jī)、PCF8591 模塊、W172DIP-37 模塊和LCD12864A 顯示模塊等。

外觀設(shè)計(jì)圖如圖2 所示。

圖2 外觀設(shè)計(jì)

4   軟件仿真

本設(shè)計(jì)軟件部分主要包括溫度的檢測(cè)、加熱器的啟停、蓄電池的實(shí)時(shí)電壓電流測(cè)量、LED 顯示等。具體控制流程如圖3 所示。

通過在Proteus 軟件上進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)，選擇能夠?qū)崿F(xiàn)當(dāng)檢測(cè)水溫為35 ℃時(shí)，啟動(dòng)加熱電磁閥，且采集實(shí)時(shí)電壓并在LCD12864A 顯示屏上顯示，如圖4 所示。

圖4 軟件仿真設(shè)計(jì)

5   結(jié)論

本設(shè)計(jì)以改善可遷移式小型住所供暖及供電條件為目標(biāo)，通過容量計(jì)算、硬件設(shè)計(jì)與軟件仿真，驗(yàn)證了便攜式太陽能供暖及供電系統(tǒng)的可行性，該系統(tǒng)滿足可拆裝性強(qiáng)、便攜遷移、供熱效果良好等應(yīng)用要求，為臨時(shí)性住所的節(jié)能減排和能源轉(zhuǎn)換，提供理論依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 王磊,程建國(guó),許志浩,等.西藏太陽能與水源熱泵聯(lián)合供暖系統(tǒng)優(yōu)化[J].暖通空調(diào),2007(11):90-94.

[2] 徐俊芳,李越銘,王皆騰,趙耀華.太陽能集中供熱水系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性分析[J].建筑技術(shù),2015,46(11):983-986.

[3] 鄭瑞澄,民用建筑太陽能熱水系統(tǒng)工程技術(shù)手冊(cè)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2011.

（本文來源于《電子產(chǎn)品是》雜志2022年5月期）