CN101397153B - 混合式太阳能水淡化*** - Google Patents

Abstract

混合式太阳能水淡化设备属于太阳能应用技术领域，其特征在于，在现有的盘式太阳能水淡化装置上，增加一个根据最大功率跟踪控制方法控制的光伏发电***，以控制原有的直流水泵，光伏阵列运行在最大功率点附近，以提高太阳能的利用率。同时还利用太阳能光伏阵列的散热器来加热原水以节约能源。

Description

混合式太阳能水淡化***

技术领域

本发明属于太阳能应用技术领域，特别涉及太阳能蒸馏器淡化***与光伏发电***综合应用结构。

背景技术

随着社会的发展，工业、农业和日益增多的人口使得世界各地的淡水需求正在不断增长。缺乏淡水资源正在成为制约许多地区经济发展的主要因素。地区性的淡水缺乏目前是许多发展中国家面临的重要问题。为增大淡水供应，除了采用常规的措施，一条更有利的途径就是就近进行海水或苦咸水的淡化，海水是地球上储量最丰富的，而在许多地方，如我国的青海、西藏等高原地区，苦咸水也很丰富。因此在许多沿海地区和内陆地区就近使用海水及苦咸水淡化要比从远处运输方便且经济得多。

传统的盘式太阳能蒸馏器，虽然有结构简单、取材方便、运行费用低以及基本上无需人员管理等优点，但由于它运行温度较低，产水量低等不利因素，大大限制了其推广应用。典型的原有***如图1所示，其主要由给水箱1、盘式太阳能蒸馏器2、储热水箱3以及直流水泵4组成。

发明内容

针对传统的盘式太阳能蒸馏器的缺点，本发明的目的是结合传统的光热***与光伏***二者的优点，并弥补传统的蒸馏设备在运行时间与运行温度控制上的一些不足。因此提出了一种新型的混合式太阳能海水/苦咸水淡化***，即将盘式太阳能蒸馏器与光伏发电***相结合，如图2。待加热蒸馏的苦咸水先经过光伏阵列背面的散热器9，吸收光伏阵列运行产生的一部分热量，对水进行预热，之后经过给水箱5，进入带有电热器16的盘式太阳能蒸馏器6，一部分蒸发凝结后流出，另一部分流回储热水箱7等待循环利用。同时利用光伏***提供的电能对蒸馏器进行温度补偿，延长其工作时间，增大其日产水量。

混合式太阳能水淡化设备，含有由给水箱、盘式太阳能蒸馏器、储热水箱、直流水泵以及第一控制阀和第二控制阀组成的盘式太阳能水淡化装置，其特点在于，所述设备还有一个光伏阵列电力电子变换器，由背面贴着散热器的光伏阵列、第一DC/DC变换器、蓄电池、第二DC/DC变换器、恒温控制电热器、开关电源及最大功率跟踪控制器组成，其中：

所述散热器，设有海水或苦咸水的进水口以及出水口，该出水口与所述给水箱的进水口相通，在所述直流水泵的作用下，所述给水箱内经过所述散热器预热的水经所述第一控制阀进入所述盘式太阳能蒸馏器，冷凝后的蒸馏水由蒸馏水出水口流出，余水经过所述第二控制阀进入所述储热水箱备用，再经所述直流水泵作用下进入所述给水箱。

所述光伏阵列，在输出端分别接有用于测量输出电压的第一霍尔元件和用于测量电流的第二霍尔元件，分别输出电流信号，该光伏阵列的输出端还并联有一个互相串联的整流二极管(D)和第一储能电容(C1)，

所述第一DC/DC变换器，其输入端与所述第一储能电容(C1)并联，输出端并联有第二储能电容C2，

所述蓄电池，输入端与所述第二储能电容C2并联，该蓄电池的第一输出端给所述直流水泵供电，

所述第二DC/DC变换器，输入端与所述蓄电池的第二输出端并联，

所述恒温控制电热器是直流加热管式的，由所述第二DC/DC变换器供电，所述恒温控制电热器置于所述盘式太阳能蒸馏器内，用热传导方式对所述待淡化的海水或苦咸水加热，并通过热电偶测量加热温度，用一个CPU芯片实现恒温控制，

所述开关电源由所述蓄电池的第三输出端供电，该开关电源的输出端向所述最大功率跟踪控制器供电，

所述最大功率跟踪控制器，由信号调理电路和数字信号处理器DSP串联组成，其中：

所述信号调理电路，两个输入端分别与所述第一霍尔元件、第二霍尔元件的输出端相连，

数字信号处理器DSP，设有：

调理信号输入端，与所述信号调理电路的对应输出端相连，

所述蓄电池充电电流输入端，输入信号由设在所述蓄电池输入端的第三霍尔元件提供，蓄电池充电电流的设定值，由Ir表示，

光伏阵列输出电压参考值Vref为变量，

占空比扰动步长设定值，用ΔD表示设定值，

电压扰动步长，用ΔV表示，

该数字信号处理器DSP按如下步骤控制：

步骤(1)，计算在第k个周期所述光伏阵列的输出功率Po(k)＝Vo(k)x Io(k)，其中：

Vo(k)、Io(k)分别为周期k时所述光伏阵列的输出电压和输出电流；

步骤(2)按下式判定所述光伏阵列输出功率的变化趋势：

若ΔVo(k)xΔPo(k)＞0，表示所述光伏阵列运行在输出电压-输出功率特征曲线之最大功率点的左侧，则所述数字信号处理器DSP使第k+1个周期的光伏阵列输出电压参考值Vref(k+1)按下式增大：

Vref(k+1)＝Vref(k)+ΔVref，且ΔVref＝ΔV，

若ΔVo(k)xΔPo(k)＜0，则相应减小第k+1个周期中Vref(k+1)的值，使Vref(k+1)＝Vref(k)+ΔVref，且ΔVref＝-ΔV，

其中：ΔPo(k)＝Po(k)-Po(k-1)

ΔVo(k)＝Vo(k)-Vo(k-1)；

步骤(3)判定蓄电池充电电流Ib是否超过设定值Ir；

若Ib＜Ir，则使ΔVref＝ΔVref，

若Ib＞Ir，则使ΔVref＝ΔVref×(-1)；

步骤(4)根据所述光伏阵列输出电压参考值Vref的变化调整下一周期k+1时的占空比D(k+1)：

若ΔVref＝ΔV，则占空比D(k+1)＝D(k)-ΔD

若ΔVref＝-ΔV，则占空比D(k+1)＝D(k)+ΔD

步骤(5)所述数字信号处理器DSP按步骤(4)中所述的占空比控制所述第一DC/DC变换器和第二DC/DC变换器的输入控制信号的值。

附图说明

图1是本发明所基于的盘式太阳能蒸馏***结构示意图

图2是本发明提出的结合盘式太阳能蒸馏器与光伏发电***的混合式太阳能水淡化***结构示意图

图3是本发明中电力电子变换器控制器所采用的最大功率点跟踪控制硬件结构示意图。

图4是本发明中电力电子变换器采用的MPPT控制流程示意图。

图5是光伏阵列在一定温度，光照强度条件下的输出电压-输出功率特性曲线示意图。

具体实施方式

为实现上述目的，本发明采取如下的技术方案来实现：

如图2，光伏阵列11与第一DC/DC变换器12相连接，用以给蓄电池14充电，而第二DC/DC变换器15则连接蓄电池14与加热器16，用以提供辅助热源。变换器的控制和驱动电路18则由开关电源17供电。***的结构图如图3所示。

待蒸馏的海水或苦咸水先由入水口进入光伏阵列背面的散热器9，经散热器预热后进入给水箱，经给水箱5进入盘式太阳能蒸馏器6，在该蒸馏器中蒸发后凝结于玻璃盖板背面并流入收集水槽，经出水口流出。未蒸发的水则流入储热水箱供循环使用。

辅助加热器16为两只直流电热管并联组成，水平放置于距蒸馏器底部2cm处，并配有恒温控制器10，由置于盘式太阳能蒸馏器水中的热电偶测量温度并传输至恒温控制器，控制器控制当测量温度超过设定值时断开电热管。

本发明中的电力电子变换器是由功率MOSFET构成，其控制器基于高性能DSP为核心的平台，配合检测电路，可以实现最大功率点跟踪等复杂的控制算法，为淡化***主动循环提供动力并控制其速度，同时为淡化***提供温度补偿，提高淡化***的运行时间。

控制器结构见图3，由霍尔元件检测出光伏阵列19的输出电压，电流，由DSP控制器21快速计算跟踪其最大功率点，并根据最大功率点送出控制信号，控制变换器的工作。

该***的硬件设计包括：

1.光伏***，主要包括：主功率电路板、DSP控制板、电热器与恒温控制器

2.水淡化蒸馏***，主要包括：盘式太阳能蒸馏器、储热水箱与给水箱、直流水泵该***中应用的最大功率跟踪控制如图4所示：

1.通过霍尔传感器采集光伏阵列的输出电压、电流，蓄电池充电电流：

得到光伏阵列当前输出电压Vo(k)，电流Io(k)，电池充电电流Ib

2.计算光伏阵列的输出功率：

光伏阵列输出功率为Po(k)＝Vo(k)×Io(k)

3.判定光伏阵列功率的变化趋势：

将上一周期计算所得的输出功率与当前功率相比较：ΔPo＝Po(k)-Po(k-1)

将上一周期计算所得的输出电压与当前电压相比较：ΔVo＝Vo(k)-Vo(k-1)

将计算结果相乘得到：ΔVo(k)×ΔPo(k)

由ΔVo(k)×ΔPo(k)的符号来判定光伏阵列目前所处的工作点在光伏阵列输出特性曲线(如图5)上的位置：若ΔVo(k)×ΔPo(k)＞0则表示处于特性曲线最大功率点左侧，光伏阵列输出电压参考值应增大，即Vref(k+1)＝Vref(k)+ΔVref，且ΔVref＝ΔV(ΔV为电压扰动步长，本实施方案中为0.05V)；

若ΔVo(k)×ΔPo(k)＜0则表示处于特性曲线最大功率点右侧，光伏阵列输出电压参考值应减小即：Vref(k+1)＝Vref(k)+ΔVref，且ΔVref＝-ΔV。

4.判定蓄电池充电电流是否超过设定值：

将蓄电池充电电流Ib与设定值Ir比较，Ir根据实际电池型号设定，本实施方案中设定为Ir＝5A。

5.若充电电流超过设定值则跟踪光伏阵列功率增大的变化方向，否则跟踪功率减小的变化方向：

按照步骤4，若Ib≤5A则参考电压变化值与步骤3确定的相同，若Ib＞5A则参考电压与步骤3参考电压变化相反，即ΔVref＝ΔVref×(-1)。

6.根据参考电压变化改变占空比：

若ΔVref＝ΔV则占空比D(k+1)＝D(k)-ΔD(ΔD为占空比扰动步长，根据具体电路特性设定，本实施方案中设为1％)；若ΔVref＝-ΔV则占空比D(k+1)＝D(k)+ΔD。

本发明主要具有以下优点：

1.将传统的太阳能蒸馏器与光伏发电***相结合，提供给原蒸馏器以温度补偿，改善了其运行温度较低的问题，进而提高了日平均产水量。

2.由光伏***提供了水淡化***中循环动力，解决了其依赖电网供给动力的问题，是其可以应用于电网不易到达的偏远地区。同时，可以选择为***中的光伏阵列添加水冷散热装置，与水淡化***共用循环管线，水源和循环动力，可以降低光伏阵列的运行温度从而提高其运行效率。

3.采用最大功率点跟踪控制，并结合充电保护控制，提高了光伏阵列输出功率的同时兼顾了对蓄电池的保护。

Claims (1)

1.混合式太阳能水淡化设备，含有由给水箱、盘式太阳能蒸馏器、储热水箱、直流水泵以及第一控制阀和第二控制阀组成的盘式太阳能水淡化装置，其特点在于，所述设备还有一个光伏阵列电力电子变换器，由背面贴着散热器的光伏阵列、第一DC/DC变换器、蓄电池、第二DC/DC变换器、恒温控制电热器、开关电源及最大功率跟踪控制器组成，其中：

所述散热器，设有海水或苦咸水的进水口以及出水口，该出水口与所述给水箱的进水口相通，在所述直流水泵的作用下，所述给水箱内经过所述散热器预热的水经所述第一控制阀进入所述盘式太阳能蒸馏器，冷凝后的蒸馏水由蒸馏水出水口流出，余水经过所述第二控制阀进入所述储热水箱备用，再经所述直流水泵作用下进入所述给水箱，

所述光伏阵列，在输出端分别接有用于测量输出电压的第一霍尔元件和用于测量电流的第二霍尔元件，分别输出电流信号，该光伏阵列的输出端还并联有一个互相串联的整流二极管(D)和第一储能电容(C1)，

所述第一DC/DC变换器，其输入端与所述第一储能电容(C1)并联，输出端并联有第二储能电容(C2)，

所述蓄电池，输入端与所述第二储能电容(C2)并联，该蓄电池的第一输出端给所述直流水泵供电，

所述第二DC/DC变换器，输入端与所述蓄电池的第二输出端并联，

所述恒温控制电热器是直流加热管式的，由所述第二DC/DC变换器供电，所述恒温控制电热器置于所述盘式太阳能蒸馏器内，用热传导方式对所述待淡化的海水或苦咸水加热，并通过热电偶测量加热温度，用一个CPU芯片实现恒温控制，

所述开关电源由所述蓄电池的第三输出端供电，该开关电源的输出端向所述最大功率跟踪控制器供电，

所述最大功率跟踪控制器，由信号调理电路和数字信号处理器DSP串联组成，其中：

所述信号调理电路，两个输入端分别与所述第一霍尔元件、第二霍尔元件的输出端相连，

数字信号处理器DSP，设有：

调理信号输入端，与所述信号调理电路的对应输出端相连，

所述蓄电池充电电流输入端，输入信号由设在所述蓄电池输入端的第三霍尔元件提供，蓄电池充电电流的设定值，由Ir表示，

光伏阵列输出电压参考值Vref为变量，

占空比扰动步长设定值，用ΔD表示设定值，

电压扰动步长，用ΔV表示，

该数字信号处理器DSP按如下步骤控制：

步骤(1)，计算在第k个周期所述光伏阵列的输出功率Po(k)＝Vo(k)x Io(k)，其中：

Vo(k)、Io(k)分别为周期k时所述光伏阵列的输出电压和输出电流；

步骤(2)按下式判定所述光伏阵列输出功率的变化趋势：

若ΔVo(k)xΔPo(k)＞0，表示所述光伏阵列运行在输出电压-输出功率特征曲线之最大功率点的左侧，则所述数字信号处理器DSP使第k+1个周期的光伏阵列输出电压参考值Vref(k+1)按下式增大：

Vref(k+1)＝Vref(k)+ΔVref，且ΔVref＝ΔV，

若ΔVo(k)xΔPo(k)＜0，则相应减小第k+1个周期中Vref(k+1)的值，使Vref(k+1)＝Vref(k)+ΔVref，且ΔVref＝-ΔV，

其中：ΔPo(k)＝Po(k)-Po(k-1)

      ΔVo(k)＝Vo(k)-Vo(k-1)；

步骤(3)判定蓄电池充电电流Ib是否超过设定值Ir；

若Ib＜Ir，则使ΔVref＝ΔVref，

若Ib＞Ir，则使ΔVref＝ΔVref×(-1)；

步骤(4)根据所述光伏阵列输出电压参考值Vref的变化调整下一周期k+1时的占空比D(k+1)：

若ΔVref＝ΔV，则占空比D(k+1)＝D(k)-ΔD

若ΔVref＝-ΔV，则占空比D(k+1)＝D(k)+ΔD

步骤(5)所述数字信号处理器DSP按步骤(4)中所述的占空比控制所述第一DC/DC变换器和第二DC/DC变换器的输入控制信号的值。

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