CN104566730A - 一种太阳能光伏空调系统及其供电方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种太阳能光伏空调系统及其供电方法，其结构包括供电模块，该供电模块包括光伏电池阵列、市政电力，其中光伏电池阵列提供直流电输出；空调模块，内置压缩机、电机，实现制冷或采暖；太阳能光伏空调驱动器，连接上述供电模块、空调模块，且通过并网线路连接供电模块的市电模块，其结构包括压缩机驱动模块、MCU控制模块、市电控制模块和人机交互模块。该一种太阳能光伏空调系统及其供电方法与现有技术相比，对空调室内实现温度精确控制，同时提高太阳能电池的利用率，解决了现有技术中太阳能光伏空调器对光伏电池使用率较低的问题，进而达到了节能效果，投资成低廉。

Description

一种太阳能光伏空调系统及其供电方法

技术领域

本发明涉及空调领域，具体地说是实用性强、节能环保、更大限度利用光伏电力的太阳能光伏空调系统。

背景技术

太阳能光伏现象最早是于1839年法国人发现的，但在38年后研制出的硒太阳能电池因为转换效率太低（1%）而没有得到推广应用。随着科技的不断发展以及能源危机的出现，以太阳能为代表的可再生能源得到了世界的高度重视，太阳能电池材料在生产工艺上得到了很大的发展。除了单晶硅电池外，多晶浇铸电池得到迅速发展。此外以非晶硅、碲化镉和铜铟硒为代表的薄膜太阳能电池也相继进入市场。

太阳能电池的特点是应用半导体光伏效应将太阳辐射直接转换为电能。太阳能转化的电全部为直流电，为了满足平均日负荷下的用电需求可选择不同数目的组件进行串并联得到所需的直流电，或经过逆变器转换为交流电加以利用。

为了充分利用储量巨大、不受地域限制、清洁的太阳能，各国都进行了相应的规划，如美国的“百万屋顶计划”，日本的“阳光计划”，德国的“10万屋顶发电计划”以及我国的“光明工程”计划等。目前，太阳能光伏的利用主要集中在LED灯上，在家电上的应用还处在实验室研究阶段，相应的批量化生产的产品比较匮乏。实际上，随着太阳能光伏技术的成熟，在空调器、电视机、电话、冰箱、换气扇等家电上的应用前景非常广阔。

在现有技术水平下，太阳能光伏空调系统及其供电存在以下问题：接入蓄电池，投资大，不环保；光伏电池阵列与市电不能无缝切换，系统的可靠性差；多余电量无法上网，造成能源浪费。

针对现有技术中太阳能光伏空调器投资大，可靠性差，对太阳电池使用率较低等问题，目前尚未提出有效的解决方案。

基于此，本发明提供一种新的太阳能光伏空调系统及其供电方法，该系统的空调机组优先利用清洁的光伏电力，市电补充保证系统稳定性，富余电力上网使光伏组件发挥最大能力，节能效果十分显著，经济效益好。

发明内容

本发明的技术任务是针对以上不足之处，提供一种实用性强的太阳能光伏空调系统及其供电方法。

一种太阳能光伏空调系统，其结构包括：

供电模块，该供电模块包括光伏电池阵列、市电模块，其中光伏电池阵列提供直流电输出；

空调模块，内置压缩机，其电机可以为直流无刷电机、永磁同步电机或交流异步电动机等，该空调模块可采用现有技术常见的空调即可；

太阳能空调驱动器，连接上述供电模块、空调模块，且通过并网线路连接供电模块的市电模块；其结构包括压缩机驱动模块、MCU控制模块、市电控制模块和人机交互模块，其中：

压缩机驱动模块通过直流母线连接供电模块，驱动空调模块实现制冷或制热；

MCU控制模块，根据压缩机的运行状况，智能选择供电模块的使用模式；

市电控制模块，与压缩机驱动模块相连接，用于将市电整流成为直流电，然后通过MCU控制模块给出的信号实现连接或断开市电。

在上述技术方案中，太阳能空调驱动器优先利用光伏电力，并负责完成对光伏电池阵列功率和空调模块所需功率进行比对，以决定是否接入市电模块，最大限度利用光伏电力，为空调提供稳定的电源，当光伏电力不足时，由市电补充，当光伏电池阵列的电力大于负载时，富余电力逆变为交流电上网，其整体结构易于制作实现，实用性强。

作为优选，所述MCU控制模块包括处理器、功率检测装置，该MCU控制模块检测光伏电池阵列的输出功率，经过运算后实现最大功率跟踪；处理器根据不同的设置模式确定不同的运行参数，并且采用高性能的矢量控制方式输出相应的SPWM（带宽可达400HZ）信号给空调驱动器，确保空调模块最优运行；它还用于判断光伏电池阵列的输出功率与预设所需功率的大小并自动实现市电接入；它还用于判断光伏电力是否富余，当光伏电力富余时，处理器检测市电模块的相位、幅值、波动范围等特性参数，并发出SPWM信号给压缩机驱动模块实现富余电力逆变上网。该结构的MCU控制模块中的设备可采用现有技术的单片机制成，同时上述结构的MCU更容易根据压缩机运转情况发出控制信号给压缩机驱动模块和市电控制模块，更方便运算出相应的控制信号，实现光伏电力上网。在MCU控制模块上还设有人机交互模块连接接口。

进一步的，所述MCU控制模块完成下述三种使用模式选择：

当空调模块依靠光伏电池阵列的电力正常工作时，MCU控制模块控制市电控制模块关闭市电，使用光伏电池阵列的电力为空调模块供电；

当空调模块的工作功率大于光伏电池阵列的输出功率时，MCU控制模块控制市电控制模块接入市电，空调模块先使用光伏电池阵列的电力，不足部分由市电模块补充；

当空调模块依靠光伏电池阵列的电力正常工作时，MCU控制模块控制市电控制模块关闭市电，使用光伏电池阵列的电力为空调模块供电；

当光伏电池阵列输出功率无法使空调模块满足负荷时，MCU控制模块控制市电控制模块接入市电，空调模块先使用光伏电池阵列的电力，不足部分由市电模块补充；

当MCU控制模块检测到光伏阵列的发电量超出空调负荷时，MCU控制模块输出特定的SPWM信号给压缩机驱动模块，并确保光伏电池阵列发电逆变输出的交流电矢量完全与市电吻和，实现光伏电池阵列通过太阳能光伏空调驱动器直接并网发电，实现富余光伏电力逆变上网。

通过上述三种选择模式，实现太阳能光伏空调驱动器智能控制空调主机和并网，并实现电力合理切换，通过三种不同模式控制太阳能光伏空调系统。

进一步的，所述压缩机驱动模块包括开关电源、驱动器控制电源，其中直流母线连接开关电源，开关电源输出不同直流电压给MCU控制模块。

当MCU控制模块判断出光伏电池阵列提供的直流电功率大于空调主机运行功率或空调主机不运行时，MCU控制模块发出信号使并网控制开关自动闭合，实现光伏电力余量上网。

该结构的压缩机驱动模块结构简单，制作成本低廉，易于实现光伏电力的控制上网，最大限度利用光伏电力，节能环保。

进一步的，所述并网线路上设置有控制其通闭的并网控制开关，压缩机驱动模块与空调模块之间设置有空调主机控制开关。

作为优选，所述人机交互模块由触摸屏或带按键的液晶屏组成。

一种基于上述太阳能光伏空调系统的供电方法，其具体控制过程为：

将市政电力经整流滤波后转变成直流电与光伏电力同时接入太阳能空调驱动器；

太阳能空调驱动器中的MCU控制模块检测市政电力的波形、相位、幅值、波动范围；

MCU控制模块根据光伏电池阵列的发电量与空调模块的主机负荷进行对比，完成光伏电池阵列供电、光伏电池阵列与市政电力同时供电、富余光伏电力逆变上网的选择。

所述MCU控制模块的电力供应具体选择过程为：

当MCU控制模块检测到光伏电池阵列的发电量与空调主机负荷匹配时，MCU控制模块控制市电控制模块关闭市政电力的供应，空调模块仅适用光伏电池阵列供电；

当MCU控制模块检测到空调主机未能满负荷运转时，即光伏电力输出功率不能满足空调主机所需的功率时，MCU控制模块发出PWM信号，由市电控制模块接通市政电力，通过光伏电力与市电共同驱动空调模块，实现空调模块的满负荷运转；

当MCU控制模块检测到空调主机满负荷运转或不运转时，MCU控制模块再检测市政电力的波形、相位、幅值、波动范围，把信号传给压缩机驱动模块实现光伏电池阵列发电逆变输出的交流电矢量完全与市电吻合，实现光伏电池阵列通过太阳能空调驱动器直接并网发电，实现富余光伏电力逆变上网。

本发明的一种太阳能光伏空调系统及其供电方法，具有以下优点：

该发明的一种太阳能光伏空调系统及其供电方法可以实现空调的软启动，对空调室内实现温度精确控制，同时提高太阳能电池的利用率，解决了现有技术中太阳能光伏空调器对光伏电池使用率较低的问题，进而达到了节能效果，投资成本低廉；该系统及方法可实现过载保护，当电路中某处的电流过大时，该系统自动切断电源，防止主电源线路因过载导致保护器过热损坏；可实现过流保护，即电流超过设定电流时候，MCU控制模块发出信号，命令压缩机驱动模块自动断电，以保护空调主机等负载设备；可实现缺相保护，线路电源缺相时，会产生负序电流分量，三相电流不均衡或过大，引起电动机迅速烧毁，该系统可保障电动机的安全运行，使其在发生缺相运行时能及时停止电动机的运行；可实现过热保护，即当散热片无法完成降温，温度过高，为保护压缩机驱动模块，启动降温风扇，测定温度仍降不到规定值时，空调驱动器停止工作，从而达到保护太阳能光伏空调系统的目的，可靠性强，实用性强，适用范围广泛，易于推广。

附图说明

附图1为本发明的太阳能光伏空调系统示意图。

附图2为本发明的太阳能光伏空调详细结构示意图。

附图中的标记分别表示：

1、光伏电池阵列，2、市电模块，3、太阳能空调驱动器，3.1、市电控制模块，3.2、压缩机驱动模块，3.3、MCU控制模块，3.4、人机交互模块，3.5、并网控制开关，3.6、空调主机控制开关，3.7、直流母线，4、空调模块，5、并网线路。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

如附图1、图2所示，本发明的一种太阳能光伏空调系统，其结构包括：

供电模块，该供电模块包括光伏电池阵列1、市电模块2，其中光伏电池阵列1提供直流电输出；

空调模块4，内置压缩机，且通过并网线路5连接供电模块的市电模块2；

太阳能空调驱动器3，连接上述供电模块、空调模块4，其结构包括压缩机驱动模块3.2、MCU控制模块3.3、市电控制模块3.1和人机交互模块3.4，其中：

压缩机驱动模块3.2，驱动空调模块4，实现空调制冷或制热，并通过直流母线3.7连接供电模块；

MCU控制模块3.3，根据供电情况和压缩机的运行状况，智能选择供电模块的使用模式；

市电控制模块3.1与压缩机驱动模块3.2相连接，用于将市电整流成为直流电，然后通过MCU控制模块3.3给出的信号实现连接或断开市电；

人机交互模块3.4，连接MCU控制模块3.3，实现用户智能操作，实现智能化控制和保护。

所述MCU控制模块3.3包括处理器、功率检测装置，该MCU控制模块3.3检测光伏电池阵列1的输出功率，经过运算后实现最大功率跟踪；处理器用于用于判断光伏电池阵列1的输出功率与预设功率的大小，实现智能显示和控制系统最优运行；处理器还判断是否接入市电，实现市电自动接通或断开；处理器还通过检测压缩机运行状况判断光伏电力是否富有，实现富余电力逆变上网，且 MCU控制模块3.3检测市电模块2的相位、幅值、波动范围等特性参数，发出SPWM信号实现无缝并网，在MCU控制模块3.3上还设有人机交互模块3.4连接接口。

所述MCU控制模块3.3完成下述三种使用模式选择：

当空调模块4依靠光伏电池阵列1的电力正常工作时，MCU控制模块3.3控制市电控制模块3.1关闭市电，使用光伏电池阵列1的电力为空调模块4供电。

当空调模块4的所需功率大于光伏电池阵列1的输出功率时，MCU控制模块3.3控制市电控制模块3.1接入市电，空调模块4先使用光伏电池阵列1的电力，不足部分由市电模块2补充，一般的，市政电网经过防浪涌保护器后接入整流模块，经过市电使用开关接入到压缩机驱动模块3.2，在雨、雪、阴天等阳光不充足时，光伏电力不能满足需求时，市电作为补充电源。

当光伏阵列的发电量超出空调负荷时，MCU控制模块3.3把信号传给压缩机驱动模块3.2，压缩机驱动模块3.2将光伏电池阵列1发电逆变输出的交流电矢量完全与市电吻合后为空调模块4供电，实现光伏电池阵列1通过太阳能光伏空调驱动器直接并网发电，实现富余光伏电力逆变上网。

压缩机驱动模块3.2包括开关电源、驱动器控制电源，其中直流母线连接开关电源，开关电源输出不同直流电压给MCU控制模块。因为该压缩机驱动模块3.2连接直流母线3.7，当MCU控制模块3.3判断出光伏电池阵列1提供的直流电功率大于空调主机运行功率或空调主机不运行时，MCU控制模块3.3发出信号使并网开关3.5自动闭合，实现光伏电力余量上网。

所述并网线路5上设置有控制其通闭的并网控制开关3.5，压缩机驱动模块3.2与空调模块4之间设置有空调主机控制开关3.6。

一般的，所述人机交互模块3.4由触摸屏或带按键的液晶屏组成，该人机交互模块3.4包括：用户操作界面和显示界面，操作界面用于选择不同模式、设定参数，该模式包括制冷运行模式、制热运行模式和除霜；显示界面展示光伏电池阵列的电压、电流，市电的电压、电流，空调模块的功率，MCU控制模块根据设定参数和检测的温度，通过运算后给压缩机控制模块发出信号。

一种太阳能光伏空调系统的供电方法，其具体控制过程如附图1、图2所示。

实施方式一：100%使用光伏电力。

采用完全由光伏电池阵列供电方式，既不与市电连接也不用蓄电池。基于光伏电池的发电能力与建筑物所需冷负荷基本匹配，本发明太阳能光伏空调驱动，用太阳能这种清洁可再生的能源有效地为空调主机供电。太阳能空调驱动器按空调的额定频率运行，在我国一般为50Hz，有些国家为60Hz。光伏电池阵列输出的电力完全用于空调主机，当光伏电池阵列输出功率下降时，空调主机智能降低工作频率以匹配光伏阵列输出功率，达到空调主机完全使用光伏电力。

实施方式二：优先使用太阳能，不足部分由市电补充。

在雨、雪、阴天或夜间等阳光不充足时，光伏电池阵列提供的直流电无法满足负荷需求，在有些环境中，空调主机的负载较大，即使阳光充足，仍无法提供足够的电能，此时需要辅助电源来提供超出光伏电池阵列供电能力的部分电能，此时优先使用光伏电池阵列提供的直流电，不足部分由市电提供。

空调主机运转频率信号传送到MCU控制模块，当光伏电池阵列输出小于空调主机所需运转功率时，此时优先使用太阳能光伏电池阵列提提供的直流电，不足部分由市电提供。

具体实施方式为，太阳能空调驱动器中市电控制模块先将市电通过整流、滤波转化为直流电（ZJ），MCU控制模块计算太阳能的直流电（ZZ），做到太阳能的直流电（ZZ）电压略高于转化直流电（ZJ），从而可实现空调模块优先使用光伏电力。当光伏电力不足时，空调主机不能满负荷运转，MCU控制模块发出信号给市电控制模块，市电接入开关闭合，补充不足电力，实现空调主机满负荷运行。

模式三：空调主机优先使用光伏阵列的电力，发电量超出空调负荷或空调闲置季节时，富余电量逆变为交流电上网。

在太阳辐照度高时，光伏电池阵列提供的电力可使空调主机满负荷运行，甚至有富余电力；在有些季节或环境中，空调冷负荷小或不需要空调，而光照较好，此时光伏电池阵列有富余电力，可以逆变输送到市政电网。

具体上网方式，MCU控制模块通过检测光伏电池阵列的电力和空调主机运行参数并进行运算，当光伏电池阵列电力的功率大于空调主机满负荷运转所需功率时， MCU控制模块再检测市电的波形、相位、幅值、波动范围，把信号传给压缩机控制模块实现光伏电池阵列发电逆变输出的交流电矢量完全与市电吻合，从而实现光伏电池阵列通过太阳能光伏空调驱动器直接并网发电，实现富余光伏电力逆变上网。

逆变上网与空调主机同时运行时，空调的工作频率与市电频率保持一致。

从以上的描述中，可以看出，本发明专利的实施例，通过三种运行模式提高了太阳能光伏空调系统中太阳电池的利用率。需要说明的是，示意图中步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，展现出了一定逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行，同样在本专利的保护范围之内。

上述具体实施方式仅是本发明的具体个案，本发明的专利保护范围包括但不限于上述具体实施方式，任何符合本发明的一种太阳能光伏空调系统及其供电方法的权利要求书的且任何所属技术领域的普通技术人员对其所做的适当变化或替换，皆应落入本发明的专利保护范围。

Claims (9)

1.一种太阳能光伏空调系统，其特征在于，其结构包括：

供电模块，该供电模块包括市电模块、提供直流电输出的光伏电池阵列；

空调模块，内置压缩机、电机；

太阳能空调驱动器，连接上述供电模块、空调模块，且通过并网线路连接供电模块的市电模块；其结构包括压缩机驱动模块、MCU控制模块、市电控制模块和人机交互模块，其中：

压缩机驱动模块，实现空调制冷或制热并通过直流母线连接供电模块；

MCU控制模块，连接压缩机驱动模块、市电控制模块、空调模块和人机交互模块；

市电控制模块，用于将市电整流成为直流电接入直流母线且与压缩机驱动模块相连接。

2.根据权利要求1所述的一种太阳能光伏空调系统，其特征在于，所述空调内的电机为直流无刷电机、永磁同步电机或交流异步电动机。

3.根据权利要求1所述的一种太阳能光伏空调系统，其特征在于，所述MCU控制模块包括处理器、功率检测装置，该MCU控制模块检测光伏电池阵列的输出功率，经过运算后实现最大功率跟踪；处理器用于判断光伏电池阵列的输出功率与预设功率的大小，实现智能显示和控制系统最优运行，判断是否接入市电，实现市电自动接通或断开，判断光伏电力是否富有，实现富余电力逆变上网，且 MCU控制模块检测市政电力的相位、幅值、波动范围，发出SPWM信号实现无缝并网，在MCU控制模块上还设有连接人机交互模块的连接接口。

4.根据权利要求3所述的一种太阳能光伏空调系统，其特征在于，所述MCU控制模块完成下述三种使用模式选择：

当空调模块依靠光伏电池阵列的电力正常工作时，MCU控制模块控制市电控制模块关闭市电，使用光伏电池阵列的电力为空调模块供电；

当空调模块的工作功率大于光伏电池阵列的输出功率时，MCU控制模块控制市电控制模块接入市电，空调模块先使用光伏电池阵列的电力，不足部分由市政电力补充；

当光伏阵列的发电量超出空调负荷时，MCU控制模块把信号传给压缩机驱动模块，压缩机驱动模块将光伏电池阵列发电逆变输出的交流电矢量完全与市电吻合后为空调模块供电，实现光伏电池阵列通过太阳能光伏空调驱动器直接并网发电，实现富余光伏电力逆变上网。

5.根据权利要求1所述的一种太阳能光伏空调系统，其特征在于，所述压缩机驱动模块包括开关电源、驱动器控制电源，其中开关电源连接直流母线且为控制电路提供直流电源。

6.根据权利要求1所述的一种太阳能光伏空调系统，其特征在于，所述并网线路上设置有控制其通闭的并网控制开关，压缩机驱动模块与空调模块之间设置有空调主机控制开关。

7.根据权利要求1-6任一所述的一种太阳能光伏空调系统，其特征在于，所述人机交互模块由触摸屏或带按键的液晶屏组成。

8.一种权利要求1-7中任一所述的太阳能光伏空调系统的供电方法，其特征在于，其具体控制过程为：

将市政电力经整流滤波后转变成直流电与光伏电力同时接入太阳能空调驱动器；

太阳能空调驱动器中的MCU控制模块检测市政电力的波形、相位、幅值、波动范围；

MCU控制模块根据光伏电池阵列的发电量与空调模块的主机负荷进行对比，完成光伏电池阵列供电、光伏电池阵列与市政电力同时供电、富余光伏电力逆变上网的选择。

9.根据权利要求8所述的一种基于太阳能光伏空调系统的供电方法，其特征在于，所述MCU控制模块的电力供应具体选择过程为：

当MCU控制模块检测到光伏电池阵列的发电量与空调主机负荷匹配时，MCU控制模块控制市电控制模块关闭市政电力的供应，空调模块仅适用光伏电池阵列供电；

当MCU控制模块检测到空调主机未能满负荷运转时，即光伏电力输出功率不能满足空调主机所需的功率时，MCU控制模块发出SPWM信号，由市电控制模块接通市政电力，通过光伏电力与市电共同驱动空调模块，实现空调模块的满负荷运转；

当MCU控制模块检测到空调主机满负荷运转或不运转时，MCU控制模块再检测市政电力的波形、相位、幅值、波动范围，把信号传给压缩机驱动模块实现光伏电池阵列发电逆变输出的交流电矢量完全与市电吻合，实现光伏电池阵列通过太阳能空调驱动器直接并网发电，实现富余光伏电力逆变上网。