CN114923306A - 一种太阳能热阻丝除霜器及除霜方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种太阳能热阻丝除霜器，太阳能热阻丝除霜器设置于空气源热泵设置换热器的一侧，包括窗体结构、环境监测装置、蓄电系统和除霜系统；窗体结构包括设置于空气源热泵表面的窗框，窗框内嵌有太阳能百叶窗，用于给蓄电系统供电，环境监测装置用于调节窗体结构完成蓄电过程，蓄电系统给除霜系统进行供电，完成除霜工作；本发明还公开了一种太阳能热阻丝除霜器的除霜方法，利用本发明的除霜器进行空气热源泵的除霜过程中热损失显著减小，提高综合运行效率，充分利用可再生能源，提高能源利用效率。

Description

一种太阳能热阻丝除霜器及除霜方法
技术领域
本发明属于电阻丝除霜技术领域，涉及一种太阳能热阻丝除霜器。
本发明还涉及一种太阳能热阻丝除霜器的除霜方法。
背景技术
空气品质不仅影响着人体的热舒适度、健康以及工作效率，而且直接影响着众类型产品在生产和贮存过程中的产品质量。暖通空调行业的快速发展正反应出空气品质在生产生活中的重要作用。然而在暖通空调行业快速发展的同时，其耗能问题也随之凸显。目前全球建筑能源消耗占全球交付能源总量的21％以上，而其中暖通空调能耗尤其巨大，据统计，中国、美国、英国、新加坡等许多国家暖通空调能耗在建筑能耗中的占比均已超过了40％。因此，发展高效、节能的空气调节技术，降低空调系统能耗已成为全球可持续发展的重大目标。
空气源热泵作为一种技术成熟、高效环保型供冷供热空气调节设备在建筑节能工程中已被广泛应用。然而空气源热泵蒸发器在寒冷地区冬季制热运行时的结霜现象会降低系统制热量、影响舒适性体验，结霜严重时甚至造成系统宕机或对热泵系统产生不可逆损伤。对于空气源热泵在实际工程应用中的除霜过程，目前主要以研究热气旁通除霜法、逆循环除霜法、蓄热除霜法的除霜效果为主。但此类除霜方法并不适合所有环境工况下的除霜或不同结霜状况下的除霜。而且这些除霜方式存在一系列的弊端，如在除霜的过程中需要控制四通阀频繁换向或者执气旁通方式来化霜因而会导致室温温度下降、影响四通阀使用寿命,同时存在除霜速度慢以及能耗大等一系列问题。现在除霜方式会通电或使用设备内的热能或热量，这样不仅结构复杂，不易操作，而且除霜效率会受影响。
太阳能是一种清洁、无污染的可再生能源，其热利用有多种形式，其中，太阳能的热利用主要有太阳能热水器、太阳能供热取暖等淋浴或供暖需求。设备构成和布置方式相对固定，结构较为复杂，用热形式较为单一。目前的研究中，太阳能很少被利用于设备的用热需求。
发明内容
本发明的目的是提供一种太阳能热阻丝除霜器，解决了背景技术中存在的问题，使得热损失显著减小，提高综合运行效率，充分利用可再生能源，提高能源利用效率。
本发明的另一个目的是提供一种太阳能热阻丝除霜器的除霜方法。
本发明所采用的第一个技术方案是，一种太阳能热阻丝除霜器，太阳能热阻丝除霜器设置于空气源热泵设置换热器的一侧，包括窗体结构、环境监测装置、蓄电系统和除霜系统；
所述窗体结构包括设置于空气源热泵表面的窗框，窗框内嵌有太阳能百叶窗，太阳能百叶窗通过微型电机驱动；
所述环境监测装置设置于窗框顶部一侧，环境监测装置包括依次连接的光电传感器、单片机控制器和高度角方位角驱动单元，高度角方位角驱动单元的输出端连接微型电机；
所述蓄电系统包括蓄电池、电线、控制器和逆变器，太阳能百叶窗通过电线连接控制器，控制器连接逆变器，逆变器连接蓄电池，蓄电池用于供电；
所述除霜系统包括电阻丝、温度传感器和电量调节控制器，温度传感器位于空气源热泵内的换热器板片一侧，温度传感器连接电量调节控制器，电量调节控制器连接蓄电池，蓄电池通过逆变器连接电阻丝，电阻丝横向分布于换热器板片之间。
本发明的第一个技术方案的特点还在于：
其中窗框两侧分别内嵌有多个均匀分布的滚珠轴承，太阳能百叶窗包括多个平行设置的太阳能电池百叶板，太阳能电池百叶板两端分别通过同步带百叶转轴嵌入滚珠轴承内，位于窗框的顶部设置有与太阳能电池百叶板平行的同步带主转轴，同步带主转轴两端分别套接有与窗框两侧平行的同步带，同步带百叶转轴伸入同步带内，且同步带分别与同步带主转轴和同步带百叶转轴啮合，同步带主转轴一端连接微型电机；
其中太阳能电池百叶板两侧面分别为太阳能电池和防水保护壳，所述太阳能电池为弧面；
其中同步带主转轴通过微型电机驱动杆连接微型电机。
本发明的第二个技术方案是，一种太阳能热阻丝除霜器的除霜方法，具体按以下步骤实施：
步骤1，通过太阳能百叶窗给蓄电系统进行供电；
步骤2，蓄电系统给电阻丝供电，完成除霜过程。
本发明第二个技术方案的特点还在于：
其中步骤1中通过太阳能百叶窗给蓄电系统进行供电的具体过程为：
光电传感器将太阳的高度角和方位角等信息传递给单片机控制器，单片机控制器进而驱动高度角方位角驱动单元驱动微型电机；微型电机驱动横向的同步带主转轴，同步带主转轴通过与同步带啮合的齿轮带动纵向布置的同步带转动，而同步带也通过与同步带百叶转轴的齿轮带动多行同步带百叶转轴转动，调节太阳能电池的角度；调节太阳能电池通过控制器和逆变器给蓄电池充电。
其中单片机控制器的控制方法具体为：首先光电传感器接受来自太阳光在不同方位角和高度角的光照，其相应实际光照强度G，通过光电传感器将实际光照强度G转化为光电流信号；其次将光电流经过单片机系统的共射极放大电路，放大相应的电流和电压值，经过A/D转换器产生数字的电压和电流信号，并将转换出数字的电压和电流信号给单片机，而后在经过单片机的译码，编译，再经过单片机的D/A模块处理产生连续模拟的电压和电流信号，其相应连续模拟的电压信号U2＝Uout，Uout为输出电压，其相应连续模拟的电流信号
Figure BDA0003576223730000041
将单片机输出的电压和电流信号作为高度角方位角驱动单元的输入信号，经过驱动电机负载产生电机驱动功率，驱动微型电机，最终调节太阳能电池的开合和转动角度；
其中步骤2具体按以下步骤实施：
除霜系统开启，温度传感器、电量调节控制器、蓄电池、逆变器、电阻丝开启；温度传感器检测换热器板片之间的温度Ts，并开始计算除霜时长t；温度传感器将换热器板片之间的温度信息传递给电量调节控制器；接通电路，电量调节控制器调节蓄电池的电量供应；温度传感器预设除霜温度为T1～T2具体为：
当除霜时长t＝nt0时，(n＝1,2,3,4.......)，温度传感器检测换热器板间的温度为Ts；
当Ts≤T1时，蓄电池为电阻丝提供2Q电量；
当T1＜Ts≤T2时，蓄电池为电阻丝提供Q电量；
当T2＜Ts时，蓄电池不为电阻丝提供电量；
式中，t0、T1、T2、Q均为系统可变参数；
电量从蓄电池流出，经过逆变器，最后提供给电阻丝，电阻丝获得相应电量，进行发热除霜。
本发明的有益效果是：
本发明的一种太阳能热阻丝除霜器，带太阳能电池百叶板发电、电阻丝除霜的空气源热泵机组，运行电阻丝除霜时，化霜过程不启动压缩机和风机，几乎无耗能，热量几乎完全来自太阳能电池板发电，充分利用可再生能源，提高能源利用效率；
除霜过程无高低压切换，消除了传统除霜方式的冲击和流体换向，有效保护各部件的运行安全，延长寿命，杜绝了除霜噪音；
除霜系统是一个反馈调节系统，它能更具换热器内部的温度自动调节；
太阳能电池板发电可根据太阳高度角调节开合角度，夜间还能保护太阳能电池板，延长其寿命；
本发明结合了啮合转动系统将环境监测装置和太阳能电池百叶板调控装置有效结合起来，使得整个系统调节方便灵活，其使用的是机械的巧妙性，节能环保。
附图说明
图1为本发明的一种太阳能热阻丝除霜器的整体结构示意图；
图2为本发明的一种太阳能热阻丝除霜器中窗体示意图；
图3为本发明的一种太阳能热阻丝除霜器的侧面示意图；
图4为本发明的一种太阳能热阻丝除霜器的啮合转动系统示意图；
图5为本发明的一种太阳能热阻丝除霜器中图2中2-2截面示意图；
图6为本发明的一种太阳能热阻丝除霜器中太阳能电池百叶板横截面构成示意图；
图7为本发明的一种太阳能热阻丝除霜器中监测装置示意图；
图8为本发明的一种太阳能热阻丝除霜器中的控制系统图；
图中，1.窗框；2.微型电机；3.同步带转轴；4.同步带；5.同步带百叶转轴；6.太阳能电池百叶板；7.滚珠轴承；8.蓄电池；9.电路；10.控制器；11.逆变器；12.太阳能电池；13.防水保护壳；14.光电传感器；15.单片机控制器；16.电阻丝；17.温度传感器；18.微型电机驱动杆；19.换热器板片；20.隔档，21.电源模块，22.高度角方位角驱动单元，23.电量调节控制器。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明提供了一种太阳能热阻丝除霜器，如图1和图8所示，包括窗体结构、环境监测装置、太阳能电池百叶板调控装置、蓄电系统和除霜系统；
如图2、图4和图5所示，窗体结构包括窗框1、微型电机2、啮合系统、太阳能电池百叶板6和滚珠轴承7；所述太阳能电池百叶板6两端有同步带百叶转轴5，同步带百叶转轴5两端放于位于窗框1内的滚珠轴承7内；啮合转动系统由同步带主转轴3、同步带4和同步带百叶转轴5构成，同步带主转轴3与同步带4大小匹配、转动配合，同步带4与同步带百叶转轴5大小匹配、转动配合同位于窗框1内；窗框1位于空气源热泵的外表面，换热器的正前面；
环境监测装置包括光电传感器14、单片机控制器15、高度角方位角驱动单元22且位于窗框1的左上端；微型电机2按于窗框1的左上角并左端连接环境检测装置、右端连接同步带主转轴3；同步带4上端连接同步带主转轴3、下端依次连接多行同步带百叶转轴5；
如图1所示，蓄电系统包括蓄电池8、电线9、控制器10和逆变器11构成，控制器10(其数量是和同步带百叶转轴5一样多)位于窗框1内的并与每行同步带百叶转轴5处于统一水平线上，如图1所示，蓄电池8和逆变器11同位于蒸发器内窗体与隔档20之间，电量从太阳能电池板12经电线9先流入逆变器11再流入蓄电池8；除霜系统由电阻丝16、温度传感器17、蓄电池8和电量调节控制器23构成，温度传感器17位于换热器板片19之间，电量调节控制器23位于温度传感器17与蓄电池8之间。
实施例
如图7所示，环境监测装置光电传感器14将太阳的高度角和方位角等信息传递给单片机控制器15进而驱动高度角方位角驱动单元22，最后驱动微型电机2；而窗体结构内的啮合转动系统由微型电机2驱动，具体步骤为：微型电机2驱动横向的同步带主转轴3，同步带主转轴3通过与同步带4啮合的齿轮带动纵向布置的同步带4转动，而同步带4也通过与同步带百叶转轴5的齿轮带动多行同步带百叶转轴5转动，从而完成整个啮合转动系统；
如图6所示，在晴朗的白天太阳能电池百叶板6由太阳能电池12的一面从0°开始根据太阳照射角度开始转动，在夜间时，太阳能电池百叶板6的防水保护壳13的一面向外，微型电机2停止驱动，完成一个周期的工作，再到晴朗的白天时，重复上述工作步骤；若是在无太阳的白天时根据整个风冷热泵系统的需求，微型电机2将太阳能电池百叶板调控到一定合适的位置时，微型电机2停止驱动，太阳能电池板6在啮合系统的支撑下保持该角度不变；在整个工作的过程中，通过控制控制系统控制，微型电机2驱动啮合系统，啮合系统带动太阳能电池百叶板6转动；具体为同步带百叶转轴5在窗体内的转动由位于窗框1侧面的滚珠轴承7支撑和配合转动。
此外，蓄电系统是由太阳能电池百叶板6的太阳能电池12在晴朗的白天进行发电，通过电线9流经控制器10，汇入逆变器11中，最终储存于蓄电池8内；
本方案中，光电传感器以及单片机控制器15的工作原理如下：
光电传感器是根据感光元件的特性来设计的，基于光电传感器的特性包括以下步骤：
步骤1：首先太阳光会从不同方位角和高度角持续不断的照射光电传感器的感光元件，感光元件会得到相应实际光照强度，它会产生三种电流，分别是光生电流IL,正向电流IF,以及外电路电流。在正向电压V的条件下，可得正向电流方程为：
Figure BDA0003576223730000081
其中，V表示的是光生电压，IS代表的是反向的饱和电流；
步骤2：其次在光照强度恒定情况下，随着光照射光电池的不断深入，在光电传感器产生的光生载流子浓度反而会变小；光生电流IL的公式如下：
Figure BDA0003576223730000082
其中A指的是光电池的受光面积，q指的是电荷量，LP和LN指的是光电传感器中载流子分别在p区和N区扩散的深度。其流过负载的电流：I＝IL-IF，即：
Figure BDA0003576223730000083
步骤3：根据上述的情况我们可以构建出光电传感器的电流模型：
Figure BDA0003576223730000084
其中：ISC是短路电流，Isc,s是标准测试下的短路电流(25℃,1000w/m2)，Kl是温度系数，Δr是实际情况与标准条件下的温度差，Gn是标准光照强度，G是实际光照强度，其中令
Figure BDA0003576223730000085
而G＝Aφcosβ，A是光电传感器的受光面积，φ是光通量，β是光线相对于光电传感器表面上法线的照射角度；
控制器为单片机控制器15，输入单片机的电流信号为光电传感器传输进来光电流信号，而光电流信号电流值较低，经过单片机共射极放大电路模块
Figure BDA0003576223730000091
且满足Uin＝IinRin，Iin＝Isc，Rin>>Rf，Rf为反馈电阻，Rin为输入电阻；Uin为输入电压，Uout为输出电压。经过单片机的A/D模块产生数字的电压和电流信号，并将转换出数字的电压和电流信号给单片机，而后在经过单片机的译码，编译，再经过单片机的D/A模块处理产生连续模拟的电压和电流信号，其相应连续模拟的电压信号为U2＝Uout，其相应连续模拟的电流信号
Figure BDA0003576223730000092
其驱动单元为驱动电机模块，驱动电机输入电压相应连续模拟的电压信号U2和输入电流为相应连续模拟的电流信号I2，得到相应的电机驱动功率
Figure BDA0003576223730000093
(
Figure BDA0003576223730000094
为功率因数)；
本方案的控制过程环节为：首先光电传感器接受来自太阳光在不同方位角和高度角的光照，其相应实际光照强度G(A是光电池的受光面积，φ是光通量，β是光线相对于光电池表面上法线的照射角度。)，通过光电传感器将实际光照强度G转化为光电流信号；其次将光电流经过单片机系统的共射极放大电路，放大相应的电流和电压值，经过A/D转换器产生数字的电压和电流信号，并将转换出数字的电压和电流信号给单片机，而后在经过单片机的译码，编译，再经过单片机的D/A模块处理产生连续模拟的电压和电流信号，其相应连续模拟的电压信号为U2＝Uout，其相应连续模拟的电流信号
Figure BDA0003576223730000095
将单片机输出的电压和电流信号作为驱动电机的输入信号，经过驱动电机负载产生电机驱动功率，驱动啮合转动系统，最终调节太阳能电池板的开合和转动角度；
蓄电池8和逆变器11之间的双向流动，窗体结构中的微型电机2所需电量可由蓄电池8流入逆变器11内，然后传递给微型电机2内；电阻丝16所需电量可由蓄电池8流入逆变器11内，然后传递给电阻丝16。
当蓄电池8储存电量不够时，控制系统将此信息传递给电网，电网将供给不足电量，当蓄电池8内电量满足微型电机2和电阻丝16的用电量之后还要富余电量时，可以汇入总供电路供给其它设备使用；
蓄电池8的电量只有在冬天蒸发器内换热器板片19表面结霜时电路开启，然后流入逆变器11内，最后传递给电阻丝16，其余时候，电阻丝16不通电；
再进一步的除霜系统由电阻丝16和温度传感器17构成，温度传感器17位于换热器19之间，在冬天，蒸发器内换热器19表面会结霜，此时，电量由蓄电池8流入逆变器11内，然后传递给电阻丝16，电阻丝16开始产热，最后融化换热器板19表面的结霜；
具体的，在换热器19之间的温度传感器17的设置范围是通过实验反复测试，提前设置一个合适的除霜温度T1～T2之间，温度传感器17感受温度，当超出变化范围值时，温度传感器17将温度变化信息反馈给电量调节控制器23，电量调节控制器23调控蓄电池8增加或减少电量提供给电阻丝16，使得电阻丝16产生相应热量进行除霜，使得除霜温度在一个正常范围内。
具体步骤如下：
除霜系统开启，温度传感器17、电量调节控制器23、蓄电池8、逆变器11、电阻丝16开启；温度传感器17检测换热器板片19之间的温度Ts，并开始计算除霜时长t；温度传感器17将换热器板片19之间的温度信息传递给电量调节控制器23；接通电路，电量调节控制器23调节蓄电池8的电量供应具体为：
当除霜时长t＝nt0时，(n＝1,2,3,4.......)，温度传感器17检测换热器板19间的温度为Ts；
当Ts≤T1时，蓄电池8为电阻丝16提供2Q电量；
当T1＜Ts≤T2时，蓄电池8为电阻丝16提供Q电量；
当T2＜Ts时，蓄电池8不为电阻丝16提供电量；
式中，t0、T1、T2、Q均为系统可变参数；
除霜结束，电路断开，电量调节控制器23不再调节蓄电池8，电阻丝16停止工作。

Claims (8)

1.一种太阳能热阻丝除霜器，其特征在于，太阳能热阻丝除霜器设置于空气源热泵设置换热器的一侧，包括窗体结构、环境监测装置、蓄电系统和除霜系统；
所述窗体结构包括设置于空气源热泵表面的窗框(1)，窗框(1)内嵌有太阳能百叶窗，太阳能百叶窗通过微型电机(2)驱动；
所述环境监测装置设置于窗框(1)顶部一侧，环境监测装置包括依次连接的光电传感器(14)、单片机控制器(15)和高度角方位角驱动单元(22)，高度角方位角驱动单元(22)的输出端连接微型电机(2)；
所述蓄电系统包括蓄电池(8)、电线(9)、控制器(10)和逆变器(11)构成，太阳能百叶窗通过电线(9)连接控制器(10)，控制器(10)连接逆变器(11)，逆变器(11)连接蓄电池(8)，蓄电池(8)用于供电；
所述除霜系统包括电阻丝(16)、温度传感器(17)和电量调节控制器(23)，温度传感器(17)位于空气源热泵内的换热器板片(19)一侧，温度传感器(17)连接电量调节控制器(23)，电量调节控制器(23)连接蓄电池(8)，蓄电池(8)通过逆变器(11)连接电阻丝(16)，电阻丝(16)横向分布于换热器板片(19)之间。
2.根据权利要求1所述一种太阳能热阻丝除霜器，其特征在于，所述窗框(1)两侧分别内嵌有多个均匀分布的滚珠轴承(7)，太阳能百叶窗包括多个平行设置的太阳能电池百叶板(6)，太阳能电池百叶板(6)两端分别通过同步带百叶转轴(5)嵌入滚珠轴承(7)内，位于窗框(1)的顶部设置有与太阳能电池百叶板(6)平行的同步带主转轴(3)，同步带主转轴(3)两端分别套接有与窗框(1)两侧平行的同步带(4)，同步带百叶转轴(5)伸入同步带(4)内，且同步带(4)分别与同步带主转轴(3)和同步带百叶转轴(5)啮合，同步带主转轴(3)一端连接微型电机(2)。
3.根据权利要求2所述一种太阳能热阻丝除霜器，其特征在于，所述太阳能电池百叶板(6)两侧面分别为太阳能电池(12)和防水保护壳(13)，所述太阳能电池(12)为弧面。
4.根据权利要求2所述一种太阳能热阻丝除霜器，其特征在于，所述同步带主转轴(3)通过微型电机驱动杆(18)连接微型电机(2)。
5.一种太阳能热阻丝除霜器的除霜方法，其特征在于，具体按以下步骤实施：
步骤1，通过太阳能百叶窗给蓄电系统进行供电；
步骤2，蓄电系统给电阻丝(16)供电，完成除霜过程。
6.根据权利要求5所述的一种太阳能热阻丝除霜器的除霜方法，其特征在于，所述步骤1中通过太阳能百叶窗给蓄电系统进行供电的具体过程为：
光电传感器(14)将太阳的高度角和方位角等信息传递给单片机控制器(15)，单片机控制器(15)进而驱动高度角方位角驱动单元(22)驱动微型电机(2)；微型电机(2)驱动横向的同步带主转轴(3)，同步带主转轴(3)通过与同步带(4)啮合的齿轮带动纵向布置的同步带(4)转动，而同步带(4)也通过与同步带百叶转轴(5)的齿轮带动多行同步带百叶转轴(5)转动，调节太阳能电池(16)的角度；调节太阳能电池(16)通过控制器(10)和逆变器(11)给蓄电池(8)充电。
7.根据权利要求6所述的一种太阳能热阻丝除霜器的除霜方法，其特征在于，所述单片机控制器(15)的控制方法具体为：首先光电传感器(14)接受来自太阳光在不同方位角和高度角的光照，其相应实际光照强度G，通过光电传感器(14)将实际光照强度G转化为光电流信号；其次将光电流经过单片机系统的共射极放大电路，放大相应的电流和电压值，经过A/D转换器产生数字的电压和电流信号，并将转换出数字的电压和电流信号给单片机，而后在经过单片机的译码，编译，再经过单片机的D/A模块处理产生连续模拟的电压和电流信号，其相应连续模拟的电压信号U2＝Uout，Uout为输出电压，其相应连续模拟的电流信号
Figure FDA0003576223720000031
将单片机输出的电压和电流信号作为高度角方位角驱动单元(22)的输入信号，经过驱动电机负载产生电机驱动功率，驱动微型电机(2)，最终调节太阳能电池(13)的开合和转动角度。
8.根据权利要求5所述的一种太阳能热阻丝除霜器的除霜方法，其特征在于，所述步骤2具体按以下步骤实施：
除霜系统开启，温度传感器(17)、电量调节控制器(23)、蓄电池(8)、逆变器(11)、电阻丝(16)开启；温度传感器(17)检测换热器板片(19)之间的温度Ts，并开始计算除霜时长t；温度传感器(17)将换热器板片(19)之间的温度信息传递给电量调节控制器(23)；接通电路，电量调节控制器(23)调节蓄电池(8)的电量供应；温度传感器(17)预设除霜温度为T1～T2，具体为：
当除霜时长t＝nt0时，(n＝1,2,3,4.......)，温度传感器(17)检测换热器板(19)间的温度为Ts；
当Ts≤T1时，蓄电池(8)为电阻丝(16)提供2Q电量；
当T1＜Ts≤T2时，蓄电池(8)为电阻丝(16)提供Q电量；
当T2＜Ts时，蓄电池(8)不为电阻丝(16)提供电量；
式中，t0、T1、T2、Q均为系统可变参数；
电量从蓄电池(8)流出，经过逆变器(11)，最后提供给电阻丝(16)，电阻丝(16)获得相应电量，进行发热除霜。
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