便攜式太陽(yáng)能供電供暖裝置的設計*

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

隨著(zhù)“碳達峰、碳中和”戰略，我國太陽(yáng)能供熱采暖技術(shù)已在開(kāi)發(fā)試點(diǎn)、系統規模、技術(shù)方法進(jìn)行了實(shí)踐與探索。西藏、北京等地的太陽(yáng)能供熱采暖示范工程以村鎮分布式太陽(yáng)能供熱為特色，取得了一定的節能效益，但存在冬、夏季采暖集熱不平衡、供暖系統保證率低^[3]、恒溫控制難度高的問(wèn)題，為改善該情況，提高太陽(yáng)能供暖技術(shù)的穩定性能，常需要搭配輔助能源互補供熱系統，便攜式太陽(yáng)能供暖及供電系統的開(kāi)發(fā)是基于實(shí)際生活開(kāi)發(fā)，以改善可遷移式小型住所供暖及供電條件為目標，開(kāi)發(fā)搭建出一套包含集熱、蓄熱、傳熱和補償熱量的太陽(yáng)能供暖及供電便攜式裝置，滿(mǎn)足可拆裝性強、便攜遷移、供熱效果良好等應用要求。

1   總體設計

太陽(yáng)能供暖系統是由集熱器、蓄熱器、傳熱設備、輔助加熱裝置和控制系統組成，水以其良好熱傳導和經(jīng)濟性配為傳熱媒介，考慮到本課題對便攜式的核心要求，各環(huán)節設計過(guò)程中要充分滿(mǎn)足良好的可拆裝性和高效的熱轉換性。

總體設計如圖1 所示。

2   技術(shù)路線(xiàn)

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

根據《太陽(yáng)能供熱采暖應用技術(shù)手冊》^[4]的規定，直接式太陽(yáng)能集熱器面積公式如1 所示，具體參數見(jiàn)表1。

（2）蓄熱器水箱的計算

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

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

（3）輔助電加熱器功率的計算^[4]

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

3   硬件設計

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

外觀(guān)設計圖如圖2 所示。

圖2 外觀(guān)設計

4   軟件仿真

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

通過(guò)在Proteus 軟件上進(jìn)行仿真設計，選擇能夠實(shí)現當檢測水溫為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 軟件仿真設計

5   結論

本設計以改善可遷移式小型住所供暖及供電條件為目標，通過(guò)容量計算、硬件設計與軟件仿真，驗證了便攜式太陽(yáng)能供暖及供電系統的可行性，該系統滿(mǎn)足可拆裝性強、便攜遷移、供熱效果良好等應用要求，為臨時(shí)性住所的節能減排和能源轉換，提供理論依據。

參考文獻：

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

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

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

（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品是》雜志2022年5月期）