1、同时，地源热泵技术是一项环保性技术。分析和调查表明，地源热泵的应用将减轻臭氧层的破坏，对降低温室效应起了积极作用,这项技术和沼气发电技术在空调行业的联合应用将缓解城市空气污染问题,符合我国的可持续发展战略。2 设计要求系统的具体设计要求为：（1）设计出能利用太阳能转换成电能的设备来带动地温空调。（2）利用水循环把地下水中的热能收集起来,进行能量转换,进行制冷、供暖。（3）解决回灌井回灌效果不好（堵塞）问题。（4）解决水井管网排污、清洗管路中杂质问题。（5）解决回灌水从井中溢出问题。基于上述要求, 所设计的系统必须有以下结构模块：光能电能转化单元,能量收集及其转化单元,常见问题的优化单元。3 冷
2、暖地温空调工作原理及其设计与研究3.1 设计原理及其特点 3.1.1 设计原理地温中央空调采用逆卡诺循环原理, （该原理是由两个绝热过程和两个等温过程构成的循环过程。它是1824年N.L.S.卡诺在对热机的最大可能效率问题作理论研究时提出的。卡诺假设工作物质只与两个恒温热源交换热量，没有散热、漏气等损耗。为使过程是准静态过程，工作物质从高温热源吸热应是无温度差的等温膨胀过程，同样，向低温热源放热应是等温压缩过程。因限制只与两热源交换热量，脱离热源后只能是绝热过程，在相同的高温热源和相同的低温热源之间工作的一切可逆热机的效率都相等，与工作物质无关，其中T1、T2分别是高温和低温热源的绝对温度。在
3、相同的高温热源和相同的低温热源之间工作的一切不可逆热机的效率不可能大于可逆卡诺热机的效率。可逆和不可逆热机分别经历可逆和不可逆的循环过程）利用水循环把地下水中的热能收集起来,再进行能量转换。再利用热泵原理（热泵实质上是一种热量提升装置，热泵的作用是从周围环境中吸取热量，并把它传递给被加热的对象，其工作原理与制冷机相同）通过少量的电能输入,实现低位热能向高位热能转移，利用水源热泵机组代替传统的制冷机组和锅炉,以水为储存和提取能量的基本介质,借助压缩机系统,消耗少量电能,在夏季将建筑物中的热量转移到水中。冬季则从水源中提取热量,以达到调节室内温度的目的。同时设计中利用太阳能发电来提供水空调所需电能
4、,是空调行业的创新。该机组设计合理，运行稳定可靠，制冷制热效率高，运行的可靠性和稳定性强，该机组最大优点是：高效、节能、经济、环保、运输、安装、维修极为方便,更加高的取暧比。3.1.2 特点（1）高效 一般空调对着空气换热称为风冷热泵，缺点在于天气炎热或者寒冷最需要冷量或热量时效率反而下降。地温一年四季基本恒定在16左右，略高于该地区平均温度1到2度，使得热泵无论在制冷或制热工况中均处于高效率点，1kw的能量可供60-80平方米的建筑采暖、制冷。（2）耗电省 冬季运行时，COP约为4.2，即投入1KW电能，可得到4KW的热能，夏季运行时，COP可达5.3，投入1KW电能，可得到5KW的冷量，能
5、源利用效率为电采暖方式的3-4倍；并且热交换器不需要除霜，减少了结霜和除霜的用电能耗。 （3）节省占地面积 省去了冷却塔、锅炉及与之配套的煤棚和渣场，节省了土地资源，产生附加经济效益，并改善了建筑物的外部形象。（4）经济 初投入低于其它中央空调机组，运行费用仅为其它型式空调机组的50%左右。（5）可靠性高、寿命长 无故障运转时间万小时，使用寿命2030年。（6）环保 使用过程中不释放任何对环境有害的排泄物，井水回灌，不破坏水资源。（7）安全 不存在任何爆炸和燃烧的隐患，使用方便，适用面广，既可用于中草药小区域取暖制冷，又可多机组合用于建筑群体。（8）舒适 适度除室内湿度不过分干燥,而且相对湿度
6、应该始终保持在60%左右人体最舒适水平，这样就克服了井水空调过分潮湿和氟利昂空调过分干燥的缺陷。 （9）健康 空气净化能力强，不断产生负离子，室温柔和清凉爽快森林般自然环境不生空调病。 （10）高效 采用气水分离技术提高水的密度提高水温传导效率，结合特制的蒸发器充分利用天然冷气，空调出风温度接近于水温，同等水温条件下比用一般水温空调明显降低3-5。（11）一机多用 地源热泵系统可供暖，空调，还可供生活热水，一机多用，一套系统可以替换原来的锅炉加空调的两套装置或系统。（12）可再生 土壤有较好的蓄热性能冬季通过热泵将大地浅层的低位热能提高对建筑供暖，同时蓄存冷量，以备夏用；夏季通过热泵将建筑物内
7、的热量转移到地下对建筑进行降温，同时蓄存热量，以备冬用，保证大地热量的平衡。（13）可分区控制 中央空调享受的档次，又可达到单体空调局部控制的效果，不存在“大马拉小车”。3.2设计选型要求3.2.1 工程设计要求1、机房可选地下室、地面、楼层中、屋顶，但以地面为最佳。2、机组基础设计可按土建静负荷加10%考虑。3、机组组合间距螺杆为1400-1800mm，其余为600-800mm。4、机房应保证通风良好。5、机房应设排水，机组周边设置排水沟，沟上设金属篦子，地下室机房应设置集水坑和潜水泵，实现自动排水。3.2.2水系统设计要求1、机组冷冻水，冷却水入口必须设过滤器。2、机组冷冻水，冷却水出口和
8、入口中必须设置减振接头，各水泵进出口必须设减振接头。3、管道阀门设置位置应考虑操作，拆卸方便。4、管道最低处应设排水装置，最高处应设自动排气装置。5、机组接管附近应设压力表和温度计。3.2.3 电气控制要求1、机房内电气专业的设计施工，应按照国家有关规定进行。2、机组本身带控制柜，实行智能控制。3、机组及电机均应有可靠接地。注：若需提供卫生热水，应特别说明。3.3 太阳能电能转化技术研究太阳能转化为电能有2种主要途径:一种是通过光电装置将太阳光直接转化为电能,即“太阳光发电”,常称为“光伏发电”;另一种是收集太阳辐射能转化为电能, 即“太阳热发电”。本文设计中所使用的太阳能电能转化装置是光伏发
9、电与光热发电技术相结合来实现的。3.3.1 光伏发电技术（1）发电系统构成部分及工作原理太阳辐射的光子带有能量,当光子照射半导体材料时,光能便转换为电能,这个现象叫“光伏效应”。太阳能光伏发电,光伏发电是利用半导体界面的光生伏特效应而将光能直接转变为电能的一种技术。这种技术的关键元件是太阳能电池。太阳能电池经过串联后进行封装保护可形成大面积的太阳电池组件，再配合上功率控制器等部件就形成了光伏发电装置。其电路图如图1所示，图1 光伏发电系统主电路图光伏发电是根据光生伏特效应原理,利用太阳能电池将太阳光能直接转化为电能。发出的直流电采用蓄电池组储存,使用时经逆变器转化为交流电送给用户。它们主要由电
10、子元器件构成，不涉及机械部件。太阳能光伏发电的最基本元件是太阳能电池（片）。目前，单晶硅和多晶硅电池用量最大，非晶硅电池用于一些小系统和计算器辅助电源等。所以,光伏发电设备极为精炼,可靠稳定寿命长、安装维护简便。光伏发电系统是由太阳能电池方阵，蓄电池组，充放电控制器，逆变器，交流配电柜，太阳跟踪控制系统等设备组成其系统结构如下图2，图2 光伏发电系统结构1）太阳能电池是光伏发电的核心部件,能够将光能直接转化为电能,发电时常将太阳能电池组件按一定方式排列成方阵,提高太阳能利用效率。太阳电池是一对光有响应并能将光能转换成电力的器件。太阳能光伏发电的最基本元件是太阳能电池（片），有单晶硅、多晶硅、非
11、晶硅和薄膜电池等。它们的发电原理基本相同，现以晶体为例描述光发电过程。P型晶体硅经过掺杂磷可得N型硅，形成PN结。当光线照射太阳电池表面时，一部分光子被硅材料吸收；光子的能量传递给了硅原子，使电子发生了越迁，成为自由电子在P-N结两侧集聚形成了电位差，当外部接通电路时，在该电压的作用下，将会有电流流过外部电路产生一定的输出功率。这个过程的的实质是：光子能量转换成电能的过程。目前应用较广的太阳能电池有单晶硅、多晶硅和非晶硅薄膜3 种,转换效率最高达到20%左右, 具体数据见表1，表1 太阳能电池转换效率太阳能电池作为将太阳能转换成电能的主要转换器件，它的转换效率取决于诸多因素，如温度、光照情况、
12、负载参数等在一定条件下，根据负载匹配原理适当调整匹配参数，使太阳能电池出力达到最大是太阳能电池的最大功率点问题（Maximum Power Point，简称MPP）。在小型太阳能发电装置中，为了提高发电效率，这一技术受到重视。在中等规模太阳能发电系统中，还应考虑太阳跟踪技术所产生的发电效益。太阳能电池板输出伏安特性存在最大功率点，输出电压过高或过低，输出电流过高或过低，都会影响太阳能发电系统的发电效率。而负载很难为了迎合最大功率点的要求去调整它的阻抗，所以目前普遍的做法是在太阳能电池板和负载之间加入DC-DC 转换电路，使输入和输出阻抗实现匹配。其中，DC-DC 转换电路主要有Buck 电路，
13、Boost 电路和SEPIC 电路等。a. Buck 电路分析典型的Buck 电路如图3 所示，它是一种降压电路，输出电压Vo 低于或等于输入电压Vi。忽略电路的能量损失，电路的效率= 1，则输入功率等于输出功率Pi = P0 ，即：Vi Ii =Vo Io ，（1）V0/Vi =Io/Ii =Dc，（2）图3 Buck电路在太阳能发电系统中，Vo是太阳能电池板的输出电压，Io是太阳能电池板输出电流，它们随光照强度和温度发生变化为了使太阳能电池板输出最大功率，调整电子开关S的脉冲占空比，使Vi、Ii始终工作在最大功率点附近，这就是MPP的工作原理假设电路为纯电阻性负载Ro，由（2）式可知Ri=
14、Vi/Ii, Ro=Vo/Io, （3） Ro/Ri=， （4） Ro=Ri, （5）其中Ri是Buck电路的等值入口阻抗。由于Buck电路的输出电压Vo不可能高于输入电压Vi，根据（2）式得Dc1。由（5）式有RoRi。根据以上分析得出如下结论：假设太阳能电池板在一定条件下的最大功率点为Pm （Vm，Im），其等值阻抗Rm=Vm/Im, 只有在负载阻抗满足RoRm；OA代表另一种负载特性，其等值电阻Ro2Rm显然根据前面的结论，只有在后一种情况下才可能通过调整S开关的占空比实现MPP跟踪因为在太阳能电池板输出特性的DP段满足VoVi，而此段有Ro1，因此其结论为：假定太阳能电池板在一定条件下
15、的最大功率点为Pm（Vm,Im），其等值阻抗Rm=Vm/Im，只有在负载阻抗RoRM的条件下才能实现MPP跟踪。图解说明如图3所示，只有在输出特性如OB时才可能调整S的占空比，实现MPP跟踪。Boost电路如图4所示，图5 Boost电路c. SEPIC电路分析典型的SEPIC电路如图6所示，它的输入电压和输出电压可以为任意比例，其计算式为Vo/Vi=/1-，（6）其中表示S开关的占空比，即ton=T，T为S开关的周期由（6）式可知，改变既可以使VoVi，也可以使VoViSEPIC电路的这一特性显然更具灵活性，目前SEPIC电路在太阳能发电系统中被广泛采用. SEPIC电路如图6所示，图6 S
16、EPIC电路2）充放电控制器主要对蓄电池组实施监控,是能自动防止蓄电池过充电和过放电的设备。双电压比较器LM393两个反相输入端脚和脚连接在一起，并由稳压管ZD1提供6.2V的基准电压做比较电压，两个输出端脚和脚分别接反馈电阻，将部分输出信号反馈到同相输入端脚和脚，这样就把双电压比较器变成了双迟滞电压比较器，可使电路在比较电压的临界点附近不会产生振荡。R2、RP1、C1、A1、Q1、Q2和J1组成过充电压检测比较控制电路；R3、RP2、C2、A2、Q3、Q4和J2组成过放电压检测比较控制电路。电位器RP1和RP2起调节设定过充、过放电压的作用。可调三端稳压器LM371提供给LM393稳定的工作
17、电压。被充电电池为12V65Ah全密封免维护铅酸蓄电池；太阳电池用一块40W硅太阳电池组件，在标准光照下输出18V、2.3A左右的直流工作电压和电流；D1是防反充二极管，防止硅太阳电池在太阳光较弱时成为耗电器。当太阳光照射的时候，硅太阳电池组件产生的直流电流经过J1-1常闭触点和R1，使LED1发光，等待对蓄电池进行充电；闭合，三端稳压器输出电压，电路开始工作，过充电压（14.5）检测比较控制电路和过放电压（11.5）检测比较控制电路同时对蓄电池端电压进行检测比较。当蓄电池端电压小于预先设定的过充电压值时，A1的脚电位高于脚电位，脚输出低电位使Q1截止，Q2导通，LED2发光指示充电，J1动作
18、，其接点JI-1转换位置，硅太阳电池组件通过对蓄电池充电。蓄电池逐渐被充满，当其端电压大于预先设定的过充电压值时，A1的脚电位低于脚电位，脚输出高电位使1导通，Q2截止，LED熄灭，J1释放，JI-1断开充电回路，发光，指示停止充电。当蓄电池端电压大于预先设定的过放电压值时，A2的脚电位高于脚电位，脚输出高电位使Q3导通，Q4截止，LED3熄灭，J2释放。其常闭触点J2-1闭合，LED4发光，指示负载工作正常；蓄电池对负载放电时端电压会逐渐降低，当端电压降低到小于预先设定的过放电压值时，A2的脚电位低于脚电位，脚输出低电位使Q3截止，Q4导通，LED3发光指示过放电，J2动作，其接点J2-1断
19、开，正常指示灯LED4熄灭。切断负载回路，避免蓄电池继续放电。闭合，蓄电池又充电。其电路图如图7，图7 充放电电路控制3）蓄电池组其作用是贮存太阳能电池方阵受光照时发出的电能并可随时向负载供电。太阳能电池发电对所用蓄电池组的基本要求是：a.自放电率低；b.使用寿命长；c.深放电能力强；d.充电效率高；e.少维护或免维护；f.工作温度范围宽；g.价格低廉。蓄电池组是系统储能装置,在发电充足时储存电能,在夜间或日照不足时向负荷供电，因此能控制蓄电池组过充电或过放电的充放电控制器是必不可少的设备。4）逆变器是将直流电转换成交流电的设备。由于太阳能电池和蓄电池是直流电源，而负载是交流负载时，逆变器是必
20、不可少的。逆变器按运行方式，可分为独立运行逆变器和并网逆变器。独立运行逆变器用于独立运行的太阳能电池发电系统，为独立负载供电。并网逆变器用于并网运行的太阳能电池发电系统。电压型逆变器如图8所示和电路图如图9所示，图8 电压型逆变器框图图9 电压型逆变器电路图a.功率转换是逆变器的核心, 它把12V 的直流电变换成50 Hz、220 V 的交流电,其关键部件为四只大功率MOS 场效应晶体管和一只12 /220 V 高效变压器。b.稳压及过流保护电路的作用是把输出电压和输出电流的波动反馈至控制回路, 以使达到稳压和过流保护的目的。c.输出显示将输出电压用指针表显示, 电源的工作状态用指示灯指标。5
21、）太阳跟踪控制系统由于相对于某一个固定地点的太阳能光伏发电系统，一年春夏秋冬四季、每天日升日落，太阳的光照角度时时刻刻都在变化，如果太阳能电池板能够时刻正对太阳，发电效率才会达到最佳状态。目前世界上通用的太阳跟踪控制系统都需要根据安放点的经纬度等信息计算一年中的每一天的不同时刻太阳所在的角度，将一年中每个时刻的太阳位置存储到PLC、单片机或电脑软件中，也就是靠计算太阳位置以实现跟踪。采用的是电脑数据理论，需要地球经纬度地区的的数据和设定，一旦安装，就不便移动或装拆，每次移动完就必须重新设定数据和调整各个参数；原理、电路、技术、设备复杂，非专业人士不能够随便操作。本控制系统的控制器为计算机，通过
22、过程输入输出通道发送信号到直接控制部件，直接控制部件由步进电机及其驱动器组成，然后步进电机带动执行机构运动。检测部件产生反馈信号到计算机。检测部件由光电传感器和光电检测电路组成。控制系统的整体结构框图如图11所示，图10 太阳跟踪控制系统图本系统是同时采用视日运动轨迹跟踪方法和光电跟踪方法来完成一次跟踪。两种跟踪方法在系统中的关系如图12所示，图11 两种跟踪方法在系统中的关系开始跟踪时，系统首先采用视日运动轨迹跟踪的跟踪方法，在地平坐标系中根据太阳轨迹的算法求出一日内某时刻太阳的高度角s、和方位角s的理论值，再加上系统的预修正量s、s，若系统是第一次运行，那么在第一步跟踪动作里预修正量为0，
23、但第一步跟踪动作里的光电跟踪会产生一个预修正量，作为第二步的预修正量，并且第二步的光电跟踪对此预修正量进行调整，调整量、为光电跟踪调整电机再次转动的角度。调整后的预修正量作为第三步跟踪动作的预修正量，每步跟踪的预修正量s、s与上一步的预修正量so、so和调整量、的关系如下式所示: s =so+， s=so+。式中、高度角、方位角的预修正量;so、so上一步高度角、方位角的预修正量;、高度角、方位角的调整量。当调整电机正转时调整量为正，反之为负。当系统停机时，最后一步的预修正量将被程序储存，下次开机时直接调用系统储存的此预修正量。当视日理论轨迹s、s和预修正s、s，确定的跟踪误差足够小时，调整量
24、为零、，不再对预修正量进行调整。控制系统控制运动执行机构在垂直方向和水平方向转动相应的角度，角度为预修正量和视日运动轨迹理论值之和。然后采用光电跟踪的方法，传感器光敏二极管感应太阳光强度，然后由光电检测电路产生反馈信号到计算机，控制程序运行相应处理反馈信号的代码输出脉冲信号，调整电机的角度，使太阳能采光板的平面再次与入射光线垂直，此次调整电机再次转动的角度作为预修正量的调整量。并且将调整量与预修正量的和作为新的预修正量的值贮存供下步跟踪使用。至此，系统完成一步跟踪动作。因此系统控制机械执行机构所转动的实际角、由下式计算:=+s+s，=+s+s，式中、实际转动的角度;s、s高度角方位角的预修正量
25、；、高度角、方位角的调整量;s、s高度角、方位角的理论计算值。当光线强度不够时，或者视日运动轨迹理论计算值和预修正量确定的跟踪误差足够小时，由于光电检测电路不产生信号，光电跟踪方法的产生调整量为零，系统以视日运动轨迹理论计算值和既定的预修正量进行跟踪，此时的跟踪角度可以认为是最佳角度。系统在运行到日落时刻时，会根据实际转动的角度返回到系统的基准位置。系统的基准位置即采光板正面正对当地正南方，且水平的位置。 （2）光伏发电的难点及对策太阳能光伏发电不消耗燃料,清洁无污染，在实际应用中解决了世界上许多特殊地区和边远地区的用电问题。随着政府的政策扶植和投资者增加,目前光伏发电进入了一个快速发展期,但
26、总体来看, 光伏发电产业尚处于起步阶段,主要是由于太阳能发电初期投资大,控制成本高,而太阳能转化效率比较低,且容易受天气等多种因素影响。根据目前光伏发电发展状况和其技术难点,未来的光伏发电研究需要重视以下几个方面: 一是加快太阳能原材料晶体硅生产技术的研究和新型替代材料的开发, 降低材料成本并提高其转化效率; 二是提高系统控制技术, 如达到光伏电池阵列的最优化排列组合、实现太阳光最大功率跟踪等; 三是研究光伏发电的并网技术, 减少光伏电能对电网的冲击; 四是研究光伏发电与其他可再生能源发电技术的结合应用, 保证供电持续性。3.3.2 太阳热发电技术太阳能热发电是利用太阳的热能发电,利用大规模阵列抛物或碟形镜面收集太阳热能，通过换热装置提供蒸汽，结合传统汽轮发电机的工艺，从而达到发电的目的。采用太阳能热发电技术，避免了昂贵的硅晶光电转换工艺，可以大大降低太阳能发电的成本。而且，这种形式的太阳能利用还有一个其他形式的太阳能转换所无法比拟的优势，即太阳能所烧热的水可以储存在
