CN107606740B - 一种室内空间氧气和湿度的控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种室内空间氧气和湿度的控制装置，属于新能源技术应用、空气循环技术应用领域。该装置包括，传感器模块，控制模块，系统供电模块，PEM电解池。其中传感器模块包含氧气传感器和温湿度传感器。氧气传感器的输出端与单片机连接并传输当前的氧气浓度信号，温湿度传感器用于采集环境中的温湿度信息并传输至单片机；控制模块包括PWM转电压模块和单片机，单片机接收来自氧气传感器的氧气浓度信号，计算环境所需的产氧速率，并通过PD自整定的方式来控制PWM转电压模块的输出电压。本发明通过对质子交换膜燃料电池的电解电压进行精确控制，达到控制室内或者封闭场景中氧气浓度和湿度，减少空调系统外循环的比例，从而实现节能减排的目的。

Description

一种室内空间氧气和湿度的控制装置

技术领域

本发明属于电解水技术、空气循环技术领域，涉及一种室内空间氧气和湿度的控制装置。

背景技术

为保持室内空气含氧浓度最主要的方式就是保持良好通风，但也受诸多条件制约，如：雾霾天气、下雨天等都不适宜开窗；另一方面北方寒冷和干燥，人们也很少会开窗通风。这都会导致室内氧含量下降、二氧化碳浓度急剧升高，对人类的身体健康造成极大的影响。目前市面上中高端的空调产品均带有换气功能，即通过通气管将室外的新鲜空气吸进室内使室内空气保持清新，耗电量巨大同时影响制热/制冷效果。因此有必要提出一种清洁低能耗的室内氧气浓度和湿度维持系统。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供室内空间氧气和湿度的控制装置，从而满足空气在内循环的状态下保持空气的清洁度、维持室内合理湿度和节能减排的目的。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种室内空间氧气和湿度的控制装置，该装置包括，系统供电模块，传感器模块，控制模块，电解供电模块，PEM(Proton Exchange Membrane)电解池，加湿器，储气装置和燃料电池；所述控制模块包括单片机和PWM电解电压控制模块；所述传感器模块包含氧气传感器和温湿度传感器，所述温湿度传感器用于采集环境中的温湿度信息并传输至所述单片机；当所述温湿度传感器采集到的湿度信息低于设置阀值时，所述单片机控制所述加湿器对环境的湿度进行调节，所述单片机接收来自所述氧气传感器的氧气浓度信号，计算环境所需的产氧速率，并通过PD自整定的方式来控制所述PWM电解电压控制模块的输出电压；所述PWM电解电压控制模块输出端与所述PEM电解池连接；所述储气装置用于储存所述PEM电解池电解出的氢气，收集的氢气作为所述燃料电池的燃料，所述燃料电池用于将氢能转化为电能；所述PEM电解池电解出的氧气用于调节环境中的氧气浓度；所述系统供电模块由DC/DC或AC/DC变换器构成，用于将电源电压降压后给所述单片机和整个系统供电。

进一步，还包括潜水泵和继电器构成的水循环子系统。

进一步，所述氧气传感器的数量至少为2，分别设置在环境中的不同位置。

进一步，还包括显示屏，用于显示PEM电解池的电解电压、氧浓度、温湿度、加湿器的工作状态以及潜水泵构成的水循环子系统的工作状态。

进一步，所述计算环境所需的产氧速率，并通过PD自整定的方式来控制所述PWM转电压模块的输出电压具体步骤如下：

S1：计算环境中的空气体积；

S2：设定环境中的理想氧浓度值；

S3：获取环境的氧浓度；

S4：获取环境的温湿度；

S5：通过PEM电解池电压计算电解电流；

S6：根据环境的氧浓度和理想氧浓度拟合所需产氧速率方程；

S7：根据所述产氧速率方程拟合产氧速率—电解电压拟合方程；

S8：根据所述产氧速率—电解电压拟合方程来控制所述PWM转电压模块的输出电压。

进一步，步骤S6中，所述产氧速率方程为：

其中，为经过时间t生产的氧气体积，T为环境温度，P₀为标准大气压，P为所在地区气压，I为电解电流，F＝eN为9.65×10⁴C·mol^-1。

本发明的有益效果在于：本发明通过对质子交换膜燃料电池的电解电压进行精确控制，使得在室内或者封闭场景中可以实现空气内循环的氧气浓度的控制从而实现了保持密闭空间内空气清洁的目的，大大改善了当前通过换气功能来保持空气清洁高能耗，同时影响制冷或制热效果的技术缺陷。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：

图1为本发明室内空间氧气和湿度的控制装置的系统图；

图2为本发明室内空间氧气和湿度的控制装置的程序流程图；

图3为本发明实施例的室内三维布置图；

图4为本发明实施例的单个PEM电解池电解电压与产氧速率关系图。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。

图1为本发明的系统图。本发明的室内空间氧气和湿度的控制装置，系统供电模块，传感器模块，控制模块，电解供电模块，PEM(Proton Exchange Membrane)电解池，储气装置和燃料电池；控制模块包括单片机和PWM控制的电解电压控制模块；传感器模块包含氧气传感器和温湿度传感器，温湿度传感器用于采集环境中的温湿度信息并传输至单片机；单片机接收来自氧气传感器的氧气浓度信号，计算环境所需的产氧速率，并通过PD自整定的方式来控制PWM转电压模块的输出电压；PWM转电压模块输出端与PEM电解池连接；PEM电解池电解出的氧气用于调节环境中的氧气浓度；系统供电模块由DC/DC(分布式新能源系统供电)或AC/DC(网电供电)变换器构成，用于将电源电压降压后给整个系统供电。

本发明还包括燃料电池发电系统，包含储气装置和燃料电池，储气装置用于储存PEM电解池电解出的氢气。收集的氢气作为燃料电池移动电源系统的燃料，燃料电池用于将氢能转化为电能，氢气作为一种清洁能源，在燃烧时只产生水，不会产生其他有害物质，可以实现碳的零排放。

本发明还包括继电器和潜水泵构成的水循环，继电器与潜水泵连接，继电器的分合受单片机控制。

本发明还包括加湿系统，由继电器和加湿器组成，当温湿度传感器采集到的湿度信息低于设置阀值时，单片机控制加湿器对环境的湿度进行调节。

PWM转电压模块的输出电压可由PWM控制信号来决定。本发明中的PWM信号的频率与占空比通过设定Atmega328单片机中的timer定时计数器来调节，timer控制引脚OC0A和OC0B，通过配置TCCR0x、TIMSKx、TCNTx等寄存器，如图1可从单片机上的5、6引脚得到不同频率和占空比的PWM信号。PWM转电压模块上的EN端口置高电平使能后，接收来自单片机的PWM控制信号，使P3、P4接口可以输出不同的电压，达到PEM电解池的电解电压可调节，从而调节氧气生成速率目的。

本发明中加入了反馈机制，将PEM电解池的工作电流通过串入电阻转化为电压信号反馈给单片机，同时程序中设置了一个PD控制器专门负责调整PWM信号的输出，通过增减PWM信号的占空比来使电压输出能达到所需的理想值，PD控制器也更有利于使PWM信号占空比的调整能迅速收敛并稳定，获得理想的电解电压。

如图1所示，本发明实施例的供电方案为24V直流电源通过DC/DC转换器降压至9V接到单片机的Vin引脚实现单片机外部供电，并给加湿器供电，再通过另一个DC/DC转化器降压至3.5V给潜水泵供电，PWM转电压模块与氧气传感器均直接由24V直流电源供电，电解池由PWM转电压模块供电。温湿度传感器、PWM转电压模块的控制电源、继电器模块的控制电源均由单片机提供，单片机可作为5V直流电源供电，同时传感器、控制模块必须与单片机共地。

控制与接线方案，PWM转电压模块上的ENA、ENB引脚分别接到单片机的2、3引脚，将引脚2、3置高电平，使能电解池A和B。IN1、IN2引脚分别接到单片机的5、4引脚，其中引脚4常置低电平，引脚5作为PWM控制信号的输出端口，控制接口P4的输出电压值，从而实现电解池A输入电压控制。IN3、IN4引脚分别接到单片机的6、7引脚，其中引脚7常置低电平，引脚6作为PWM控制信号的输出端口，控制接口P3的输出电压值，从而实现电解池B输入电压控制。

两个氧气传感器分别接到单片机的A0、A1引脚上。氧气传感器的输出信号为电流模拟信号，通过串入200欧的电阻，将其转化为电压模拟信号并接到单片机的模拟输入引脚，本实施例为了使测量环境氧含量值更为准确，使用了两个氧气传感器，将其测得的数值取平均值。继电器控制潜水泵的通断，潜水泵正极与继电器常开触点相接，继电器控制信号由单片机上的引脚12输出的电平决定。另一个继电器控制加湿器的启停，加湿器的正极与继电器常开触点相接，继电器信号由单片机上的引脚8输出的电平决定。

本发明实施例的程序控制流程为图2，系统开始运行时将使潜水泵先工作，ENA、ENB使能端置低电平，PWM转电压模块的P3、P4接口输出电压为零，两个PEM电解池的电解电压此时都为零不工作。若检测室内湿度不在设定的适宜温湿度范围内，则将引脚8置低电平，继电器常开触点闭合，加湿器启动，利用纯净水加湿，使室内湿度始终维持在适宜的温湿度范围。控制水泵的继电器为低电平触发，将引脚12置低电平，继电器常开触点闭合，潜水泵通电开始工作，使管路中充满纯净水，防止PEM电解池因干烧而导致损坏。一段时间后，ENA、ENB使能端置高电平，PWM转电压模块的P3、P4接口有电压输出。确定输出电压，首先通过氧传感器获取环境的氧浓度，设环境中理想的氧浓度为某值，计算可得当前所需的氧气的生成速率，如图3所示，通过室内三维模型可以求得室内空间体积，由氧传感器获取环境的氧浓度，设环境中理想的氧浓度为某值，差值乘以房屋体积即为所需的产氧速率。再由所需产氧速率——电解电压拟合方程如图4，可得应加载的电解电压，经换算得到应输出的PWM信号的占空比。同时单片机采用PD自整定的控制方式来调整PWM信号占空比，PEM电解池当前工作电流经串入1欧电阻转化为电压信号由引脚A2、A3采样，经过PD控制器调整PWM信号占空比，系统闭环控制令电解池以合适的速率生成氧气实现环境氧浓度始终处于合适范围的目的。同时两个PEM电解池的电解电压、环境的氧浓度、温湿度、加湿器工作状态以及潜水泵的工作状态都会显示在显示屏上。

O₂产生速率理论计算：

依据法拉第电解定律：电解生成物的量与输入电量成正比，在标准状态下(温度为0℃，电解池产生的氧气保持在1个大气压)，设电解电流为I，经过时间t生产的氧气体积的理论为：

式中F＝eN＝9.65×10⁴C·mol^-1为法拉第常数，e＝1.602×10^-19C为电子电量，N为阿伏伽德罗常数，为产生的氧气分子的摩尔数，22.4L为标准状态下气体的摩尔体积。

为接近实际情况，本发明实施例的温度为变量T，所在地区气压为P，根据理想气体状态方程，可对上式作修正：

其中，为经过时间t生产的氧气体积，T为环境温度，P₀为标准大气压，P为所在地区气压，自然环境中，大气压受各种因素的影响，如温度和海拔高度等，I为电解电流，F＝eN为9.65×10⁴C·mol^-1。

本发明在Simulink仿真计算中取标准大气压，温度取25℃，输出为每分钟产氧量。实施对象为单个小型PEM电解池，输入恒压，依次改变电解电压，并记录输入电流，结合理论公式由Simulink仿真计算得到输入功率与理论产氧速率。应用MATLAB曲线拟合工具，代入实验测得数据，可求得多项式拟合曲线，如图4所示，曲线方程自变量为所需产氧速率，对应于空气中的氧消耗的速率，从而计算得到应加载的电解电压。数据表明拟合曲线的拟合程度较高，可以作为所需产氧速率与电解电压关系的数学模型。

本发明是完全自动工作，根据算法实行智能控制，在设定好参数后无需外界进行干预，使用方便，故无需太高理论基础，方便普通家庭使用。并且，本发明是基于电池SOC(state of charge)和氧浓度来实现电解速率的优化控制，在保证氧气浓度适宜的情况下同时尽可能减少电能的浪费，提高系统的经济性。所以很适合大面积进行推广，不仅普通家庭可以使用，在室、电影院等大人流密度的封闭场所也能发挥效果。

该发明控制部分简单可靠，采用Arduino单片机进行对氧气的控制。由于Arduino单片机是开源的，并且易于学习，便于添加新功能和进行产品更新换代，并且成本较低，操作简单，所以未来可能会进入普通家庭，有着很大的市场前景。

本发明通过对氢能源的重复利用可做到缓解温室效应，减少碳排放，有利于国家节能减排。本发明成本低、安全性高且可靠，且产生的氢气作为一种清洁能源，可以有多种利用途径。可以广泛运用于诸如：电影院，教室，办公室等空气流通不顺的室内空间/公共场所，同时回收利用的氢能源可通过燃料电池发电，为室内小型用电设备供电；热能可以用于室内供暖，加热家庭用水等方面。同时该系统还可应用于诸如汽车/轨道列车等交通工具中，有较好的移植性和较广的应用性。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (4)

1.一种室内空间氧气和湿度的控制装置，其特征在于：该装置包括，系统供电模块，传感器模块，控制模块，电解供电模块，PEM电解池，加湿器，储气装置和燃料电池；所述控制模块包括单片机和PWM电解电压控制模块；所述传感器模块包含氧气传感器和温湿度传感器，所述温湿度传感器用于采集环境中的温湿度信息并传输至所述单片机；当所述温湿度传感器采集到的湿度信息低于设置阀值时，所述单片机控制所述加湿器对环境的湿度进行调节，所述单片机接收来自所述氧气传感器的氧气浓度信号，计算环境所需的产氧速率，并通过PD自整定的方式来控制所述PWM电解电压控制模块的输出电压；所述PWM电解电压控制模块输出端与所述PEM电解池连接；所述储气装置用于储存所述PEM电解池电解出的氢气，收集的氢气作为所述燃料电池的燃料，所述燃料电池用于将氢能转化为电能；所述PEM电解池电解出的氧气用于调节环境中的氧气浓度；所述系统供电模块由DC/DC或AC/DC变换器构成，用于将电源电压降压后，给所述单片机和整个系统供电；

所述计算环境所需的产氧速率，并通过PD自整定的方式来控制所述PWM电解电压控制模块的输出电压具体步骤如下：

S1：计算环境中的空气体积；

S2：设定环境中的理想氧浓度值；

S3：获取环境的氧浓度；

S4：获取环境的温湿度；

S5：通过PEM电解池电压计算电解电流；

S6：根据环境的氧浓度和理想氧浓度拟合所需产氧速率方程；

S7：根据所述产氧速率方程拟合产氧速率—电解电压拟合方程；

S8：根据所述产氧速率—电解电压拟合方程来控制所述PWM电解电压控制模块的输出电压；

步骤S6中，所述产氧速率方程为：

其中，为经过时间t生产的氧气体积，T为环境温度，单位为摄氏度；P₀为标准大气压，P为所在地区气压，I为电解电流，F＝eN为9.65×10⁴C·mol^-1，F为法拉第常数，e＝1.602×10^-19C为电子电量，N为阿伏伽德罗常数，为产生的氧气分子的摩尔数，22.4L为标准状态下气体的摩尔体积。

2.根据权利要求1所述的一种室内空间氧气和湿度的控制装置，其特征在于：还包括潜水泵和继电器构成的水循环子系统。

3.根据权利要求1所述的一种室内空间氧气和湿度的控制装置，其特征在于：所述氧气传感器的数量至少为2，分别设置在环境中的不同位置。

4.根据权利要求1-3任一项所述的一种室内空间氧气和湿度的控制装置，其特征在于：还包括显示屏，用于显示PEM电解池的电解电压、氧浓度、温湿度、加湿器的工作状态以及潜水泵构成的水循环子系统的工作状态。