CN102444997B - 基于流量控制的太阳能热利用恒温控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于流量控制的太阳能热利用恒温控制系统，其中：太阳能集热装置包括：机械阀、锥式锅炉、支撑管、平面组聚光抛物面、液压缸、固定支杆、旋转轴承、旋转圆台、平板支架、导热油输出铜管、导热油输入铜管。储热装置包括：注油口、外箱体、储热箱、出口阀、循环泵、液面显示管、隔热层、导热介质、储热介质。恒温工作室包括：恒温控制装置、基于流量控制的温控仪功能面板、基于电热控制的温控仪功能面板、电源开关、调频器功能面板、鼓风扇调速旋钮、原有恒温工作室箱体、温度传感器、鼓风扇、热交换器、电热丝。本装置能够利用太阳能供热，基于流体流量控制，实现太阳能热利用的恒温控制。

Description

基于流量控制的太阳能热利用恒温控制系统

技术领域

本发明涉及基于流量控制的恒温控制系统，更具体涉及一种基于流体流量控制的太阳能热利用恒温控制设备。其适用于实验室、电子、医药、化工、食品加工、农业科研、环境保护等研究应用领域。

背景技术

在医疗和科技研究等领域，特别是在材料的研究中，很多研究工作都需要在恒温条件下对材料、物品进行加热、烘干，这就对恒温控制技术提出了更高的要求。

国内外现有的恒温控制技术主要有两种实现方式：1.在电热供能方面，主要依靠温控仪系统PID控制加热电阻实现恒温控制；2.在流体热传导供热方面，主要依靠电动调节阀或自力式调节阀实现恒温控制。但上述两种方式存在如下几点问题：对于第一种方式，其应用仅局限以电能为供能形式；对于第二种方式，电动调节阀成品价格较高，且容易产生电机热保护、减速齿轮易损坏、模块可控硅易烧毁等故障，而自力式调节阀存在调节精度低、不适用于温度变化剧烈的场合以及流体粘度不能过高等缺点。另外，随着能源的日益短缺及需求量的增大，可再生清洁能源的开发利用已成为解决能源危机和环境危机的重要手段，尤其是太阳能的开发利用。然而，由于太阳能的分散性，其能流密度很低，不便于收集；又受到昼夜、季节、地理纬度和海拔高度等自然条件的限制以及晴、阴、云、雨等随机因素的影响，太阳的辐射强度很不稳定，使太阳能热利用只局限于农业烘干和太阳能热水系统等低温利用领域。而且，要实现利用太阳能达到恒温控制的效果，理论上可以通过改变集热装置的集热面的大小、调节集热装置的仰角的大小等来实现。但是，以上这些方式不仅实现非常困难，而且会造成太阳能的巨大浪费。现有的恒温控制技术不能在保证产生较大的经济效益前提下实现利用太阳能供热达到精确的恒温控制效果。

因此，研发制作一种能够充分利用自然资源如太阳能供热的低成本，高效果的恒温控制装置是很有必要的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种太阳能热利用的中低温段恒温控制装置。本装置能够利用太阳能供热，基于流体流量控制，实现太阳能热利用的恒温控制。同时设计太阳能、电能两套供热系统，在太阳能充足时充分利用太阳能供热，降低能耗，太阳能不充足时，可自动辅以电热系统，保证全天候的恒温使用需要。

为了实现上述任务，本发明采用以下技术措施：

一种基于流量控制的太阳能热利用恒温控制系统，包括太阳能集热模块I、储热模块II、恒温工作室III，其特征在于：

太阳能集热模块I中：

机械阀安装在锥式锅炉的上表面。

锥式锅炉为圆锥形容器，材料为冷轧钢板焊接而成，上底面为半径为190mm的圆面、下底面为半径为30mm的圆面、高80mm，上底面留有机械阀的安装孔，下底面留有导热油输出铜管、输入铜管的安装口，并焊接两个用于与支撑管固定连接的8mm的螺母，锅炉内对称焊接了八片热交换片。

支撑管为长1100mm、内口径60mm、外口径70mm的圆筒形钢管，下底面开口、上底面封闭但开有与锥式锅炉下底面相对应的四个9mm的孔，其中两个为8mm螺母的工位，两个供导热油输出铜管、输入铜管穿过；上端侧壁开两个矩形开口，用于扳手紧螺丝的工位，支撑管自下而上300mm的外管壁被加工成螺口，便于调节锥式锅炉距平面组聚光抛物面的高度，调节聚焦面；支撑管上端通过螺丝与锥式锅炉相连接、下端通过支撑管的螺纹与聚光抛物面的骨架固定。

导热油输出铜管、输入铜管通过支撑管上端留出的两个孔穿入支撑管内，由下端伸出。

平面组聚光抛物面上口口径为1600mm、下口口径为150mm、焦距为800mm，

液压缸为可上下伸缩的支撑杆，液压缸上端通过螺丝与平面组聚光抛物面连接，下端焊接在旋转圆台上。

固定支杆上端通过螺丝与平面组聚光抛物面相连，下端垂直焊接在旋转圆台上。

旋转轴承焊接到平板支架上，再利用滚珠将该轴承与旋转圆台相嵌合，使得该旋转圆台通过旋转轴承能在平板支架上旋转。

导热油输出铜管，选材为外径为9mm、长度为130mm的铜管，固定在锥式锅炉的下底面，上端伸到锥式锅炉的顶端但不与锥式锅炉上底面接触，下端伸出支撑管；导热油输入铜管，选材为外径为9mm、长度为115mm的铜管，固定在锥式锅炉的下底面，上端伸到锥式锅炉的下底面、下端伸出支撑管。

储热模块II中：

注油口安装在储热箱顶面上；

外箱体为长350mm、宽350mm、高400mm的长方体容器，并由冷轧薄钢板焊接而成，盖板开有：四个5mm的螺孔、一个注油口的安放孔、一个循环泵的安放孔，侧面有一个出口阀和液面显示管的安放孔，底部有一个突出的三角安放支架。

储热箱，为长250mm、宽250mm、高300mm的长方体容器，并由冷轧薄钢板焊接而成，顶部有一个注油口安装孔、一个循环泵安装孔，侧面有一个出油阀的安装孔和一个液面显示管的安装孔，储热箱通过突出三角安放支架安放在外箱体的正中间，储热箱中放入2-3Kg的储热介质、15L的导热介质，导热介质采用320#导热油作为导热介质，最高温度可达320度；储热介质采用密度为2200kg/m3，比热容为0.88KJ/kg*k的小鹅石，其平均热容量1936kJ/k*m3。

出口阀为机械阀，通过螺帽安装在储热箱的侧面底部，且出口阀利用第一硅胶管与导热油输出铜管的下端相连。

循环泵安装在储热箱顶部。

液面显示管利用透明的L型玻璃管安装在储热箱的侧面中下部，并保证L型透明玻璃管的最高液面比储热箱的最高储油液面更高。

隔热层为石棉材料，填充在储热箱与外箱体之间。

恒温工作室III中：

基于流量控制的温控仪功能面板、基于电热控制的温控仪功能面板、电源开关、调频器功能面板和鼓风扇调速旋钮，都安装在恒温工作室箱体的左侧面板上。

恒温工作室箱体采用08F优质钢板烘漆而成，超细玻璃棉填充中间隔热层。中间开口处箱门采用双层全玻璃门，内层为12mm以上的钢化玻璃、外层为5mm的防弹玻璃；恒温工作室箱体与玻璃门之间装有模压成形的耐热硅橡胶密封圈，以保证箱门与工作室的密封；搁板采用不锈钢丝制造的网板。

加热器采用电热丝配置鼓风扇，安装在恒温工作室箱体的后表面；温度传感器采用Pt100铂电阻采集恒温工作室的实时温度，并输出与温度相对应的4-20mA范围的电流信号。

鼓风扇安装在恒温工作室箱体的最里面。

热交换器形状为“L”型，材料为外穿插薄铝片的“U”型铜管，安装在恒温工作室箱体内，并利用铜管将热交换器的输入输出口延伸出来，入口利用第二硅胶管与循环泵的出口相连接，出口利用第三硅胶管与导热油输入铜管的下端相连接。

电热丝采用镍铬电热合金，形状为一圆圈形，也安放在恒温工作室箱体的最里面但在风扇的前面。

本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果：

(1)利用循环泵，将高温度的导热介质泵入恒温工作室内的热交换器中，再利用温度传感器(Pt100)采集恒温工作室内的温度变化量，传给温控仪，温控仪再将采集到的实时温度信号与设定的温度的偏差经过多重PID运算后，输出对应的参数控制调频器的输出频率，调节循环泵的输出流量，进而调节热交换器的热交换量，使太阳能供热系统实现自动精确恒温控制。较之于利用自力式调节阀有更高的恒温精确度和更好的智能控制，且成本相差无几；较之于利用电动调节阀有更低的成本和智能控制优势，另外，利用电动调节阀和自力式调节阀实现恒温控制的装置，在与电能供热系统相互动的过程中不可能实现自动切换。

(2)利用该恒温控制装置，顺利地将太阳能应用于恒温控制系统中，为太阳能的热利用提供了一个新的市场，可在一定程度上减少传统能源的消耗，产生显著的节能效益和经济效益。这属于开发新能源、发展低碳经济的一种新形势。

(3)利用单片机、A\D装换装置等将太阳能供热恒温控制分体与电能供热恒温控制分体有机的结合起来，达到自动切换的目的，实现电能供热自动辅助太阳能供热。太阳能充足时可充分利用太阳能供热，降低能耗、节能环保；太阳能不充足时有可自动辅助电能供热，保证恒温工作室的全天候使用。

(4)基于太阳辐射能的光热转换原理。一方面，利用反光效果较好的反光面组成的平面组聚光抛物面聚光，对置于该聚光抛物面“长焦点”处的锅炉内的导热油进行加热，使导热油达到较高的温度(＜＝220℃)；另一方面，为平面组聚光抛物面设置了一个三维旋转支架，保证太阳光的聚焦效果。从而克服其他太阳能热利用装置使用温度低的问题，并借助太阳能供热恒温控制分体将太阳能的热利用扩展至中温恒温控制领域。

(5)太阳能加热所用锅炉的设计，一方面外观采用与反光抛物面弧度相似的锥形设计，使得反光面反射的太阳光尽可能地垂直射在锅炉的表面，同时在锅炉下表面涂黑，以降低反射耗散率、提高光热装换效率；另一方面在锅炉内设置多片垂直于锥面的热交换片，以加快热能的传递速率，同时在锅炉的上部包裹石棉保温层，以减少锅炉的散热。

(6)储热箱采用夹层样式并在夹层内填充足够的石棉等保温材料，保证储热箱的保温效果，减少热损耗；并利用高温导热油作为导热储热介质、而鹅卵石作为储能介质，通过采用固、液两种介质导热、储热，传热效果好、性价比高。

(7)主要技术参数

太阳能供热分体技术参数：

控温范围：(Rt+10)℃-150℃

温度分辨率：0.1℃

恒温波动度：±0.5℃

集热面积：2

日均辐射量：22.34——27.97MJ

日产油量：150℃热油50L

循环泵最大功率：120W

锅炉容积：3.5L

储热箱容积：13L

导热介质总量：16L

恒温工作室尺寸：300*295*275

导热介质最高工作温度：320℃

电能供热分体技术参数：

电源电压：220V

频率：50Hz

定时范围：1-9999min

输入功率：850W

恒温波动度：±1℃

温度分辨率：0.1℃

控温范围：(Rt+10)℃-250℃。

附图说明

图1为一种太阳能电能恒温控制装置结构示意图

图2为一种恒温控制装置的电路图

其中：I-太阳能集热装置，II-储热装置，III-恒温工作室，1-机械阀，2-锥式锅炉，3-支撑管，4-平面组聚光抛物面，5-液压缸，6-固定支杆，7-旋转轴承，8-旋转圆台，9-平板支架，10-导热油输出铜管，11-导热油输入铜管，12-注油口，13-外箱体，14-储热箱，15-出口阀，16-循环泵，17-液面显示管，18-隔热层，19-导热介质，20-储热介质，21-恒温控制装置，22-基于流量控制的温控仪功能面板，23-基于电热控制的温控仪功能面板，24-电源开关，25-调频器功能面板，26-鼓风扇调速旋钮，27-原有恒温工作室箱体，28-温度传感器，29-鼓风扇，30-热交换器，31-电热丝，41-第一硅胶管，42-第二硅胶管，43-第三硅胶管。

211-接口、212-温度传感器、213-接口、214-接口、215-温度传感器、216-接口、217-放大电路、218-放大电路、219-A/D数模装换装置、2110-A/D数模装换装置、2111-单片机、2112-外电源、2113-输出端口、2114-继电器、2115-输出端口、2116-继电器的输出端口、2117-继电器、2118-继电器的输出端口、2119-温控仪、2120-温控仪、2121-调频器、2122-温度传感器Pt100。

具体实施方式

根据图1可知：本发明包括太阳能集热装置I、储热装置II、恒温工作室III，三个分体装置，再加上集成在恒温工作室III上的恒温控制装置IV，共四个功能部分构成。

图1所示为太阳能电能恒温控制装置结构的示意图。包括太阳能集热装置I、储热装置II、恒温工作室III。太阳能集热装置I包括：机械阀1、锥式锅炉2、支撑管3、平面组聚光抛物面4、液压缸5、固定支杆6、旋转轴承7、旋转圆台8、平板支架9、导热油输出铜管10、导热油输入铜管11。机械阀1安装在锥式锅炉2的上表面，保证锅炉内压强，以及往锅炉内注油时起到排空气的作用。锥式锅炉2，为圆锥形容器，材料为冷轧钢板焊接而成，吸收面发黑。锥形弧度与平面组聚光抛物面的弧度相近，上底面为半径为190mm的圆面、下底面为半径为30mm的圆面、高80mm，以保证平面组聚光抛物面4反射上来的光线与锥面垂直，以增大光的吸收率。上底面留有机械阀1的安装孔，下底面留有导热油输出铜管10、输入铜管11的安装口，并焊接两个用于与支撑管3固定连接的8mm的螺母，锅炉内对称焊接了八片热交换片，以加快热能的传递速度。支撑管3为长1100mm、内口径60mm、外口径70mm的圆筒形钢管，下底面开口、上底面封闭但开有与锥式锅炉2下底面相对应的四个9mm的孔，其中两个为8mm螺母的工位，两个供导热油输出铜管10、输入铜管11穿过；上端侧壁开两个矩形开口，用于扳手紧螺丝的工位，而且支撑管3自下而上300mm的外管壁被加工成螺口，便于调节锥式锅炉2距平面组聚光抛物面4的高度，调节聚焦面。支撑管3上端通过螺丝与锥式锅炉2相连接、下端通过支撑管3的螺纹与聚光抛物面4的骨架固定，导热油输出铜管10、输入铜管11通过支撑管2上端留出的两个孔穿入支撑管3内，由下端伸出。平面组聚光抛物面4，先利用扁铁、钢筋等材料焊接出一个上口口径为1600mm、下口口径为150mm、焦距为800mm的旋转抛物面骨架，骨架下口中心处焊接一个与支撑管3下端螺口相对应的大螺母；再将裁剪合适的铁丝网，通过扎丝固定在旋转抛物面骨架上；然后再在铺好铁丝网的旋转抛物面上铺设96块梯形平面银镜塑料板，组成聚光反射面。具体设计为：聚焦反光面由4种不同尺寸的平面等腰梯形银镜板分别排成4圈组合而成，其尺寸如下表所示

利用强度合适的槽钢，焊接出一个方形的支架，将其焊接在旋转抛物面4的骨架下，使之成为一个整体，保证旋转抛物面骨架不变形；在抛物面左侧偏中心位置200mm处的槽钢上横向焊接两个粗口径螺母，两圆管间距刚好更好够卡住液压缸5上端焊接的螺母；在旋转抛物面骨架上左侧400mm处的槽钢上横向焊接两个对称的粗口径螺母，两螺母间距刚好更好够卡住固定支杆6上端焊接的两个螺母。液压缸5做为一个可上下伸缩的支撑杆，本例选用最大升高高度为400mm的液压缸，将液压缸5的上端横向焊接一个粗口径螺母，卡在抛物面左侧偏中心位置200mm处槽钢上焊接的两个螺母中间，通过一根粗口径螺丝横向穿过圆管与平面组聚光抛物面4连接，下端焊接在旋转圆台8上。固定支杆6，两块一样的选材足够厚的槽钢，每块槽钢上端同一高度都开一个垂直地面的圆孔，通过穿过两圆孔和焊接在旋转抛物面骨架上左侧400mm处的槽钢上两个对称横向粗口径螺母的一根粗口径螺丝与平面组聚光抛物面4相连，下端垂直焊接在旋转圆台8上。旋转轴承7，将轴承焊接到合适大小的平板支架9上，再利用滚珠将该轴承与旋转圆台8相嵌合，使得该旋转圆台8通过旋转轴承7能在平板支架9上旋转。导热油输出铜管10，选材为外径为9mm、长度为130mm的铜管，固定在锥式锅炉2的下底面，上端伸到锥式锅炉2的顶端但不与锥式锅炉2上底面接触、下端伸出支撑管3的部位较长。导热油输入铜管11，选材为外径为9mm、长度为115mm的铜管，固定在锥式锅炉2的下底面，上端伸到锥式锅炉的下底面、下端伸出支撑管3的部位较短。

储热装置II包括：注油口12、外箱体13、储热箱14、出口阀15、循环泵16、液面显示管17、隔热层18、导热介质19、储热介质20。注油口12，本例选用市场上常用类型的最小注油口，安装在储热箱顶面上。外箱体13，为长350mm、宽350mm、高400mm的长方体容器，并由冷轧薄钢板焊接而成，盖板开有：四个5mm的螺孔、一个注油口12的安放孔、一个循环泵17的安放孔，侧面有一个出口阀15和液面显示管17的安放孔，底部有一个突出的三角安放支架。储热箱14，为长250mm、宽250mm、高300mm的长方体容器，并由冷轧薄钢板焊接而成，该方形体容器的顶部有一个注油口12安装孔、一个循环泵16安装孔，侧面有一个出油阀15的安装孔和一个液面显示管17的安装孔，储热箱就通过突出三角安放支架安放在外箱体的正中间，并在储热箱中放入适量的储热、导热介质，以达到储热和导热的效果。出口阀15，采用市场上常用的机械阀，通过螺帽安装在储热箱的侧面底部，保证导热介质的能全部流出，且出口阀15利用硅胶管①与导热油输出铜管10的下端相连。循环泵16，本例选用型号规格为：额定功率40W，额定电压380V，最高扬程3.5m，最大流量6升/分钟，是市场可购买的功率较小的循环泵，以减少电能消耗，提高节能效率。液面显示管17，利用透明的L型玻璃管，将其安装在储热箱14的侧面中下部，并保证L型透明玻璃管的最高液面比储热箱14的最高储油液面更高。隔热层18，在储热箱14与外箱体13之间存在的夹层内填充适量的石棉组成隔热层，起到保温效果、减少热损耗。导热介质19，采用320#导热油作为导热介质，最高温度可达320度。储热介质20，考虑到320#导热油在高温时比热值较小(200℃时约为0.5KJ/kg*K)，不是良好的储热物质，而且其价格高，所以采用高性价比的，密度为2200kg/m3，比热容为0.88KJ/kg*k的小鹅石作为主要的储热介质，其平均热容量1936kJ/k*m3。

恒温工作室III包括：恒温控制装置21、基于流量控制的温控仪功能面板22、基于电热控制的温控仪功能面板23、电源开关24、调频器功能面板25、鼓风扇调速旋钮26、原有恒温工作室箱体27、温度传感器28(属于恒温控制装置21)、鼓风扇29、热交换器30、电热丝31。恒温控制装置21，包括安装在恒温工作室箱体27内部的两个A/D数模装换装置、单片机、两个继电器、温控仪、调频器、热交换器30内的温度传感器、恒温工作室内的温度传感器28，以及安装在储热装置II上的循环泵16；而恒温控制装置21的显示/控制面板，包括基于流量控制的温控仪功能面板22、基于电热控制的温控仪功能面板23、电源开关24、调频器功能面板25和鼓风扇调速旋钮26，都安装在恒温工作室箱体27的左侧面板上，方便操作。恒温工作室27，外型为卧式，形状为方型，主要包括箱体、箱门、搁板、门拉手。其中箱体采用08F优质钢板烘漆而成，超细玻璃棉填充中间隔热层；中间开口处箱门采用双层全玻璃门，内层为12mm以上的钢化玻璃、外层为5mm的防弹玻璃；工作室与玻璃门之间装有模压成形的耐热硅橡胶密封圈，以保证箱门与工作室的密封；搁板采用不锈钢丝制造的网板；加热器采用电热丝31配置鼓风扇29，安装在恒温工作室的后表面。温度传感器28，采用市场上常用的温度传感器Pt100铂电阻采集恒温工作室的实时温度，并输出与温度相对应的4-20mA范围的电流信号。鼓风扇29，采用优质钢制造的一个简单扇叶，安装在恒温工作室的最里面。热交换器30，采用废旧空调中热交换板，切割成合适的尺寸，形状为“L”型，材料为外穿插适宜密度薄铝片的“U”型铜管，安装在恒温工作室内，并利用铜管将热交换器的输入输出口延伸出来，入口利用硅胶管②与循环泵16的出口相连接，出口利用硅胶管③与导热油输入铜管11的下端相连接。电热丝31，采用镍铬电热合金系列，形状为一圆圈形，也安放在恒温工作室的最里面但在风扇的前面，一保证风扇工作时能将热量能更好的向恒温工作室传导。

如图2所示，为恒温控制装置IV即恒温工作室箱体III中的装置21的结构示意图。而恒温控制装置IV由太阳供热恒温控制分体、电能供热恒温控制分体和双向供能自动切换电路三部分构成。其中自动控制装置包括：温度传感器212、温度传感器215、放大电路217、放大电路218、A/D数模装换装置219、A/D数模装换装置2110、单片机2111、外电源2112、继电器2114、继电器2117。温度传感器212和215，采用的都是一种铂材料的温度传感器Pt100，其在0℃时其电阻为100欧，呈正温度系数，温度变化范围可达-50℃～600℃；温度传感器212通过恒温控制装置21的两接口211和213连接到恒温控制装置中的放大电路217上，安放在恒温工作室27内，感应恒温工作室27内的实时温度；温度传感器215通过恒温控制装置21的两接口214和216连接到恒温控制装置中的放大电路218上并安放在热交换器30的输入口内，感应输入热交换器30内导热介质的实时温度。放大电路217和218，采用差分放大电路、放大倍数为10，当恒温工作室27内的温度或输入热交换器30内的导热介质的温度变化时，PT100的电阻随之变化，进而引起输入电压的相应变化、即PT100分压，最终会使电路217和放大电路218的输出电压值随恒温工作室温度的不同而不同，实现了以电信号代表温度信号的转换；并将温度传感器212采集到的恒温工作室27内的实时温度T1经放大电路217转换后的电信号输给A/D数模装换装置219，将温度传感器215采集到的高温导热介质的实时温度T2经放大电路218转换后的电信号输给A/D数模装换装置2110。A/D数模装换装置219和A/D数模装换装置2110，选用的型号为ADC0809，A/D数模装换装置219和A/D数模装换装置2110分别通过各自的IN0输入端口：ADDA、ADDB、ADDC这3位地址输入线，首先输入3位地址，并使ALE＝1，将地址存入地址锁存器中；此地址经译码选通8路模拟输入之一到比较器，START上升沿将逐次逼近寄存器复位，下降沿启动A/D转换，之后EOC输出信号变低，指示转换正在进行，直到A/D转换完成，EOC变为高电平，指示A/D转换结束，结果数据已存入锁存器，这个信号可用作中断申请，当OE输入高电平时，输出三态门打开，转换结果的数字量输出到数据总线上，并将处理后的两信号利用信号线输给单片机2111。单片机2111，本例选用的单片机的型号为STC89C52，其是一种带8K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的低电压、高性能COMOS8放入微处理器，该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容，具体有主电源引脚2根：电源输入VCC和接地线GND，外接晶振引脚2根：片内振荡电路的输入端XTAL1与片内振荡电路的输出端XTAL2；控制引脚4根：复位引脚RST/VPP、地址锁存允许信号ALE/PROG、外部存储器读选通信号PSEN、程序存储器的内外部选通FA/VPP，可编程输入/输出引脚32根：STC89C52单片机有4组8位的可编程I/O口，分别位P0、P1、P2、P3口，每个口有8位、8根引脚共32根，热交换器27内的导热油的实时温度T1和恒温工作室30内的实时温度T2在经过电压信号的转换、差分放大、数模转换这三步以后，分别以八位二进制数的形式从A/D数模装换装置219输入/输出模块D0～D7和A/D数模装换装置2110的输入/输出模块D0～D7中的八个端口，输入单片机2111的输入/输出模块P0.0～P 0.7和P1.0～P1.7中的八个端口；通过预先编辑的程序，单片机2111对从P0和P1模块接收到的恒温工作室27和热交换器30中的导热介质的实时温度信号T2和T1进行比较处理，并将控制信号从单片机2111的输入/输出模块P2.0～P2.7中的端口P2.0和P2.1输给继电器2114和继电器2117，以实现如下功能：当T2-T1＜＝0时，P2.0输出低电平，P2.1输出高电平；当0＜T2-T1＜10时，P2.0和P2.1均输出高电平；当T2-T1＞10时，P2.0输出高电平，P2.1输出高低电平，以此来控制继电器2114和继电器2117的开闭。继电器2114和继电器2117，都选用最大过载直流电流为5A的固态继电器，分别用于控制调频器2121和加热器31的交流输入电源的开闭；单片机2111从输入/输出模块P2.0～P2.7中的端口P2.0和P2.1输出的电平很小，要经过晶体三极管放大后才能输入到继电器；经一放大倍数约为100倍的三极管放大信号后，基极接一个1K的电阻，此时送到继电器的电流可达到继电器的吸合电流值；再通过继电器2114的输出端口2113、2115和继电器2117的输出端口2116、2118将继电器2114和继电器2117分别串联在调频器2121和加热器31的电源输入线的火线上，当单片机2111对应的端口输出高电平时才会使交流回路接通，从而实现控制的功能；其中P2.0的输出信号经三极管放大后接继电器2111的直流输入4脚，P2.1的输出信号经三极管放大后接继电器2114的直流输入4脚，则对应的功能如下：

当T2-T1＜＝0时，P2.0输出低电平，P2.1输出高电平，此时继电器2114断开而继电器2117接通；当0＜T2-T1＜10时，P2.0和P2.1均输出高电平，此时继电器2114、2117都接通；当T2-T1＞10时，P2.0输出高电平，P2.1输出低电平，此时继电器2114接通而继电器2117断开。以此方式来实现太阳能供热恒温控制和电能供热恒温控制的自动切换。其中太阳能供热恒温控制分体包括：温控仪2119、调频器2121和安装在储热装置II上的循环泵16。温控仪2119，选用基于流量控制的温控仪，安放在恒温工作室箱体内，而其对应的功能面板安装在恒温工作室箱体的左侧面板上，其中本例使用到的功能模块有：交流电源输入接线口、多功能输入输出模块、报警等，具体为温控仪2119通过交流电源输入接线口R和T利用电源线分别与外电源2112的火线和零线相连，而温度传感器Pt 100通过接口I4和COM将采集到热交换器30内的导热介质的实时温度信号输给温控仪2119，该温控仪经过多重PID运算调节后，通过多功能输入输出模块中的可控硅触发输出K1的G1和G2端口利用信号线分别与调频器2121信号接收端口F1和COM相连，将控制信号输给调频器2121。调频器2121，选用系列为FSCM03.1-0K40-1P220的调频器，安放在恒温工作室箱体27内、功能面板安装在恒温工作室箱体的左侧面板上，其中本例使用到的功能模块有：输入单相交流电源接线口、输出三相交流电动机接线口、接地端子、多功能输入端子等，具体为调频器2121通过输入单相交流电源接线口L1和L2分别与继电器2114的输出端口2115和外电源的2112的零线相连，多功能输入端子F1和COM利用信号线分别与温控仪2119的可控硅触发输出K1端子G1和G2相连，输出三相交流电动机接线端U、V、W和接地端子E利用电缆线分别与循环泵16的四个对应的接线柱相连，以通过控制调频器2121的输出电源的频率而调节循环泵16的转速，实现根据需求控制输入热交换器30内的高温导热介质的流量达到恒温控制的目的。其中电能供热恒温控制分体包括：温控仪2120、加热器31、鼓风扇29和温度传感器Pt100。温控仪2120。选用基于电能供热的AI-518型温控仪，其中本例使用到的功能模块有：电源输入模块、可控硅触发输出K1、可控硅触发输出K2、多功能信号输入模块等，具体为，该温控仪2120通过电源输入模块的两接口L和N通过电源线分别与外电源2112连接，温度传感器Pt100通过温控仪2120内的两接线口I4和COM利用信号将采集到恒温工作室27内的实时温度信号T2传给该温控仪，温控仪2120通过多重PID运算调节，作出相应的反应，并通过可控硅触发输出K1的两端口G1和G2与加热器31相连，同时为了达到自动切换的目的，将继电器2117通过接线端口2116和2118接在可控硅触发输出K1的G1端口与加热器31的连线上，而可控硅触发输出K2的两接线端口G1和G2通过电源线连接鼓风扇29。鼓风扇29，采用优质钢制造的一个简单的扇叶，安装在恒温工作室的最里面。加热器31，采用镍铬电热合金系列、形状为一圆圈形，也安放在恒温工作室的最里面但在风扇的前面，一保证风扇工作时能将热量能更好地向恒温工作室传导，并与继电器2117的两输出端2116和2118相连接，从而通过温控仪2120的调节控制，再联合自动控制部分中继电器2117的调节，双重控制实现电能供热的恒温控制的目的。

Claims (1)

1.一种基于流量控制的太阳能热利用恒温控制系统，包括太阳能集热模块Ⅰ、储热模块Ⅱ、恒温工作室Ⅲ，其特征在于：

太阳能集热模块Ⅰ中：

机械阀（1）安装在锥式锅炉（2）的上表面；

锥式锅炉（2）为圆锥形容器，材料为冷轧钢板焊接而成，上底面为半径为190mm的圆面、下底面为半径为30mm的圆面、高80mm，上底面留有机械阀（1）的安装孔，下底面留有导热油输出铜管（10）、输入铜管（11）的安装口，并焊接两个用于与支撑管（3）固定连接的8mm的螺母，锅炉内对称焊接了八片热交换片；

支撑管（3）为长1100mm、内口径60mm、外口径70mm的圆筒形钢管，下底面开口、上底面封闭但开有与锥式锅炉（2）下底面相对应的四个9mm的孔，其中两个为8mm螺母的工位，两个供导热油输出铜管（10）、输入铜管（11）穿过；上端侧壁开两个矩形开口，用于扳手紧螺丝的工位，支撑管（3）自下而上300mm的外管壁被加工成螺口，便于调节锥式锅炉（2）距平面组聚光抛物面（4）的高度，调节聚焦面；支撑管（3）上端通过螺丝与锥式锅炉（2）相连接、下端通过支撑管（3）的螺纹与平面组聚光抛物面（4）的骨架固定；

导热油输出铜管（10）、输入铜管（11）通过支撑管（3）上端留出的两个孔穿入支撑管（3）内，由下端伸出；

平面组聚光抛物面（4）上口口径为1600mm、下口口径为150mm、焦距为800mm， 

液压缸（5）为可上下伸缩的支撑杆，液压缸（5）上端通过螺丝与平面组聚光抛物面（4）连接，下端焊接在旋转圆台（8）上；

固定支杆（6）上端通过螺丝与平面组聚光抛物面（4）相连，下端垂直焊接在旋转圆台（8）上；

旋转轴承（7）焊接到平板支架（9）上，再利用滚珠将该轴承与旋转圆台（8）相嵌合，使得该旋转圆台（8）通过旋转轴承（7）能在平板支架（9）上旋转；

导热油输出铜管（10），选材为外径为9mm、长度为130mm的铜管，固定在锥式锅炉（2）的下底面，上端伸到锥式锅炉（2）的顶端但不与锥式锅炉（2）上底面接触，下端伸出支撑管（3）；导热油输入铜管（11），选材为外径为9mm、长度为115mm的铜管，固定在锥式锅炉（2）的下底面，上端伸到锥式锅炉的下底面、下端伸出支撑管（3）；

储热模块Ⅱ中：

注油口（12）安装在储热箱（14）顶面上；

外箱体（13）为长350mm、宽350mm、高400mm的长方体容器，并由冷轧薄钢板焊接而成，盖板开有：四个5mm的螺孔、一个注油口（12）的安放孔、一个循环泵（16）的安放孔，侧面有一个出口阀（15）的安放孔和一个液面显示管（17）的安放孔，底部有一个突出的三角安放支架；

储热箱（14），为长250mm、宽250mm、高300mm的长方体容器，并由冷轧薄钢板焊接而成，顶部有一个注油口（12）安装孔、一个循环泵（16）安装孔，侧面有一个出口阀（15）的安装孔和一个液面显示管（17）的安装孔，储热箱（14）通过突出三角安放支架安放在外箱体（13）的正中间，储热箱（14）中放入2-3kg的储热介质（20）、15L的导热介质（19），导热介质（19）采用320#导热油，最高温度可达320度；储热介质（20）采用密度为2200 kg/m³，比热容为0.88 kJ/（kg·K）的小鹅石,其平均热容量1936kJ/(K·m³)；

出口阀（15）为机械阀，通过螺帽安装在储热箱的侧面底部，且出口阀（15）利用第一硅胶管（41）与导热油输出铜管（10）的下端相连；

循环泵（16）安装在储热箱（14）顶部；

液面显示管（17）利用透明的L型玻璃管安装在储热箱（14）的侧面中下部，并保证L型透明玻璃管的最高液面比储热箱（14）的最高储油液面更高；

隔热层（18）为石棉材料，填充在储热箱（14）与外箱体（13）之间；

恒温工作室Ⅲ中：

基于流量控制的温控仪功能面板（22）、基于电热控制的温控仪功能面板（23）、电源开关（24）、调频器功能面板（25）和鼓风扇调速旋钮（26），都安装在恒温工作室箱体（27）的左侧面板上；

恒温工作室箱体（27）采用08F优质钢板烘漆而成，超细玻璃棉填充中间隔热层；中间开口处箱门采用双层全玻璃门，内层为12mm以上的钢化玻璃、外层为5mm的防弹玻璃；恒温工作室箱体（27）与玻璃门之间装有模压成形的耐热硅橡胶密封圈，以保证箱门与工作室的密封；搁板采用不锈钢丝制造的网板；

加热器采用电热丝（31）配置鼓风扇（29），安装在恒温工作室箱体（27）的后表面；温度传感器（28）采用Pt100铂电阻采集恒温工作室的实时温度，并输出与温度相对应的4—20mA范围的电流信号；

鼓风扇（29）安装在恒温工作室箱体（27）的最里面；

热交换器（30）形状为“L”型，材料为外穿插薄铝片的“U”型铜管，安装在恒温工作室箱体（27）内，并利用铜管将热交换器的输入输出口延伸出来，入口利用第二硅胶管（42）与循环泵（16）的出口相连接，出口利用第三硅胶管（43）与导热油输入铜管（11）的下端相连接；

电热丝（31）采用镍铬电热合金，形状为一圆圈形，也安放在恒温工作室箱体（27）的最里面但在鼓风扇的前面。

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