專利名稱：混合式太陽能水淡化系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于太陽能應用技術領域，特別涉及太陽能蒸餾器淡化系統(tǒng)與光伏發(fā)電系統(tǒng)綜 合應用結構。
技術背景隨著社會的發(fā)展，工業(yè)、農(nóng)業(yè)和日益增多的人口使得世界各地的淡水需求正在不斷增 長。缺乏淡水資源正在成為制約許多地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展的主要因素。地區(qū)性的淡水缺乏目前是 許多發(fā)展中國家面臨的重要問題。為增大淡水供應，除了采用常規(guī)的措施， 一條更有利的 途徑就是就近進行海水或苦咸水的淡化，海水是地球上儲量最豐富的，而在許多地方，如 我國的青海、西藏等高原地區(qū)，苦咸水也很豐富。因此在許多沿海地區(qū)和內(nèi)陸地區(qū)就近使 用海水及苦咸水淡化要比從遠處運輸方便且經(jīng)濟得多。傳統(tǒng)的盤式太陽能蒸餾器，雖然有結構簡單、取材方便、運行費用低以及基本上無需 人員管理等優(yōu)點，但由于它運行溫度較低，產(chǎn)水量低等不利因素，大大限制了其推廣應用。 典型的原有系統(tǒng)如圖1所示，其主要由給水箱(1)、太陽能蒸餾器(2)、儲熱水箱(3) 以及循環(huán)用水泵(4)組成。. 發(fā)明內(nèi)容針對傳統(tǒng)的盤式太陽能蒸餾器的缺點，本發(fā)明的目的是結合傳統(tǒng)的光熱系統(tǒng)與光伏系 統(tǒng)二者的優(yōu)點，并彌補傳統(tǒng)的蒸餾設備在運行時間與運行溫度控制上的一些不足。因此提 出了一種新型的混合式太陽能海水/苦咸水淡化系統(tǒng)，即將盤式太陽能蒸餾器與光伏發(fā)電系 統(tǒng)相結合，如圖2。待加熱蒸餾的苦咸水先經(jīng)過光伏陣列背面的散熱器(9)，吸收光伏陣 列運行產(chǎn)生的一部分熱量，對水進行預熱，之后經(jīng)過給水箱(5)，進入帶有電熱器(16) 的太陽能蒸餾器(6)， 一部分蒸發(fā)凝結后流出，另一部分流回儲熱水桶(7)等待循環(huán)利 用。同時利用光伏系統(tǒng)提供的電能對蒸餾器進行溫度補償，延長其工作時間，增大其日產(chǎn)混合式太陽能水淡化設備，含有由給水箱、盤式太陽能蒸餾器、儲熱水箱、直流水泵 以及控制閥組成的盤式太陽能水淡化裝置，其特點在于，所述設備還有一個光伏陣列電力 電子變換器，由背面貼著散熱器的光伏陣列、第一DC/DC變換器、蓄電池、第二DC/DC 變換器、恒溫控制電熱器、開關電源及最大功率跟蹤控制器組成，其中
所述散熱器，設有海水或苦咸水的進水口以及出水口，該出水口與所述給水箱的進水 口相通，在所述直流水泵的作用下，所述給水箱內(nèi)經(jīng)過所述散熱器預熱的水經(jīng)所述第一控 制閥門進入所述盤式太陽能蒸餾器，冷凝后的蒸餾水由蒸餾水出水口流出，余水經(jīng)過所述 控制閥進入所述儲熱水箱備用，再經(jīng)所述直流水泵作用下進入所述給水箱。所述光伏陣列，在輸出端分別接有用于測量輸出電壓的第一霍爾元件和用于測量電流 的第二霍爾元件，分別輸出電流信號，該光伏陣列的輸出端還并聯(lián)有一個互相串聯(lián)的整流 二極管(D)和第一儲能電容(Cl)，所述第一 DC/DC變換器，其輸入端與所述第一儲能電容(Cl)并聯(lián)，輸出端并聯(lián)有 第二儲能電容C2，所述電池，輸入端與所述第二儲能電容C2并聯(lián)，該蓄電池的第一輸出端的所述直流 水泵供電，所述第二 DC/DC變換器，輸入端與所述蓄電池的第二輸出端并聯(lián)， 所述恒溫控制電熱器是直流加熱管式的，由所述第二 DC/DC變換器供電，所述恒溫控制電熱器置于所述盤式太陽能蒸餾器內(nèi)，用熱傳導方法對所述待淡化的海水或苦咸水加熱，并通過熱電偶測量加熱溫度，用一個CPU芯片實現(xiàn)恒溫控制，所述開關電源由所述蓄電池的第三輸出端供電，該開關電源的輸出端向所述最大功率跟蹤控制器供電，所述最大功率控制器，由信號調(diào)理電路和數(shù)字信號處理器DSP串聯(lián)組成，其中 所述信號調(diào)理電路，兩個輸入端與所述第一霍爾元件、第二霍爾元件的輸出端相連， 數(shù)字信號處理器DSP,設有調(diào)理信號輸入端，與所述信號調(diào)理電路的對應輸出端相連，所述蓄電池充電電流輸入端，輸入信號由設在所述蓄電池輸入端的第三霍爾元件提 供，蓄電池充電電流的設定值，由Ir表示， 光伏陣列輸出電壓參考值Vref為變量， 占空比擾動步長設定值，用AD表示設定值， 電壓擾動步長，用AV表示， 該數(shù)字信號處理器DSP按如下步驟控制步驟(1)，計算在第k個周期所述光伏陣列的輸出功率Po(k)-Vo(k)xIo(k)，其中 Vo(k)、 Io(k)分別為周期k時所述光伏陣列的輸出電壓和輸出電流； 步驟(2)按下式判定所述光伏陣列輸出功率的變化趨勢
若AVo(k)xAPo(k) > 0，表示所述光伏陣列運行在輸出電壓-輸出功率特征曲線之最大功 率點的左側，則所述數(shù)字信號處理器DSP使第k+l個周期的光伏陣列輸出電壓參考值 Vref(k+1)按下式增大Vref(k+l)=Vref(k)+AVref，且AVref=AV，若AVo(k)xAPo(k) < 0,則相應減小第k+l個周期中Vref(k+1)的值，使 Vref(k+l)=Vref(k)+AVref，且AVref=-AV， 其中APo(k)=Po(k)-Po(k-1) △Vo(k)=Vo(k)-Vo(k-l); 步驟(3)判定蓄電池充電電流Ib是否超過設定值Ir; 若lb〈Ir，則使AVref-AVref, 若Ib>Ir，則使AVref^AVref x -1;步驟(4)根據(jù)所述光伏陣列輸出電壓參考值Vref的變化調(diào)整下一周期k+l時的占空 比D(k+1):若AVref^AV，則占空比D(k+l)=D(k) - AD 若AVre卜-AV，則占空比D(k+l)=D(k) + AD步驟(5)所述數(shù)字信號處理器DSP按步驟(4)中所述的占空比控制所述第一 DC/DC 變換器和第二 DC/DC變換器的輸入控制信號的值。


圖1是本發(fā)明所基于的盤式太陽能蒸餾系統(tǒng)結構示意2是本發(fā)明提出的結合盤式太陽能蒸餾器與光伏發(fā)電系統(tǒng)的混合式太陽能水淡化系 統(tǒng)結構示意3是本發(fā)明中電力電子變換器控制器所采用的最大功率點跟蹤控制硬件結構示意圖。圖4是本發(fā)明中電力電子變換器采用的MPPT控制流程示意圖。 圖5是光伏陣列在一定溫度，光照強度條件下的輸出電壓-輸出功率特性曲線示意圖。
具體實施方式
為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取如下的技術方案來實現(xiàn)如圖(2)，光伏陣列(11)與第一變換器(12)相連接，用以給蓄電池(14)充電， 而第二變換器(15)則連接蓄電池(14)與加熱器(16)，用以提供輔助熱源。變換器的 控制和驅動電路(18)則由開關電源(17)供電。系統(tǒng)的結構圖如圖3所示。待蒸餾的海水或苦咸水先由入水口進入光伏陣列背面的散熱器(9)，經(jīng)散熱器預熱后 進入給水箱，經(jīng)給水箱(5)進入太陽能蒸餾器(6)，在蒸餾器中蒸發(fā)后凝結于玻璃蓋板 背面并流入收集水槽，經(jīng)出水口流出。未蒸發(fā)的水則流入熱水桶供循環(huán)使用。加熱器(16)為兩只直流電熱管并聯(lián)組成，水平放置于距蒸餾器底部2cm處，并配有 恒溫控制器(17)，由置于盤式太陽能蒸餾器水中的熱電偶測量溫度并傳輸至恒溫J空制器， 控制器控制當測量溫度超過設定值時斷開電熱管。本發(fā)明中的電力電子變換器是由功率MOSFET構成，其控制器基于高性能DSP為核 心的平臺，配合檢測電路，可以實現(xiàn)最大功率點跟蹤等復雜的控制算法，為淡化系統(tǒng)主動 循環(huán)提供動力并控制其速度，同時為淡化系統(tǒng)提供溫度補償，提高淡化系統(tǒng)的運fi^時間?？刂破鹘Y構見圖3，由霍爾元件(20)檢測出光伏陣列(19)的輸出電壓，電流，由 DSP控制器(21)快速計算跟蹤其最大功率點，并根據(jù)最大功率點送出控制信號，控制變 換器的工作。該系統(tǒng)的硬件設計包括1. 光伏系統(tǒng)，主要包括主功率電路板、DSP控制板、電熱器與恒溫控制器2. 水淡化蒸餾系統(tǒng)，主要包括盤式太陽能蒸餾器、儲熱水箱與給水箱、直流水泵 該系統(tǒng)中應用的最大功率跟蹤控制如圖5所示1. 通過霍爾傳感器采集光伏陣列的輸出電壓、電流，蓄電池充電電流得到光伏陣列當前輸出電壓Vo(k),電流Io(k)，電池充電電流Ib2. 計算光伏陣列的輸出功率 光伏陣列輸出功率為Po(k)-Vo(k)xlo(k)3. 判定光伏陣列功率的變化趨勢將上一周期計算所得的輸出功率與當前功率相比較AP0=P0(k)-P0(k-l)將上一周期計算所得的輸出電壓與當前電壓相比較AVo-Vo(k)-Vo(k-l) 將計算結果相乘得到AVo(k)xAPo(k)由AVo(k)xAPo(k)的符號來判定光伏陣列目前所處的工作點在光伏陣列輸出特性曲線 (如圖(6))上的位置若AVo(k)xAPo(k)X)則表示處于特性曲線最大功率點左側，光伏 陣列輸出電壓參考值應增大，即Vref (k+l) =Vref(k)+AVref，且AVref=AV (AV為電壓擾 動步長，本實施方案中為0.05V);若AVo(k)xAPo(k)O則表示處于特性曲線最大功率點右側，光伏陣列輸出電壓參考值 應減小即Vref (k+l) =Vref(k)+AVref，且AVref=-AV。4. 判定蓄電池充電電流是否超過設定值-將蓄電池充電電流Ib與設定值Ir比較，Ir根據(jù)實際電池型號設定，本實施方案中設定 為I產(chǎn)5A。5. 若充電電流超過設定值則跟蹤光伏陣列功率增大的變化方向，否則跟蹤功率減小 的變化方向按照步驟4，若lbS5A則參考電壓變化值與步驟3確定的相同，若lb〉5A則參考電壓 與步驟3參考電壓變化相反，即AVref=AVrefx(-l)。6. 根據(jù)參考電壓變化改變占空比若AVref AV則占空比D(k+l)=D(k)-AD(AD為占空比擾動步長，根據(jù)具體電路特性設 定，本實施方案中設為1%);若AVref;AV則占空比D(k+l"D(k)+AD。 本發(fā)明主要具有以下優(yōu)點1. 將傳統(tǒng)的太陽能蒸餾器與光伏發(fā)電系統(tǒng)相結合，提供給原蒸餾器以溫度補償，改 善了其運行溫度較低的問題，進而提高了日平均產(chǎn)水量。2. 由光伏系統(tǒng)提供了水淡化系統(tǒng)中循環(huán)動力，解決了其依賴電網(wǎng)供給動力的問題， 是其可以應用于電網(wǎng)不易到達的偏遠地區(qū)。同時，可以選擇為系統(tǒng)中的光伏陣列添加水冷 散熱裝置，與水淡化系統(tǒng)共用循環(huán)管線，水源和循環(huán)動力，可以降低光伏陣列的運行溫度 從而提高其運行效率。3. 采用最大功率點跟蹤控制，并結合充電保護控制，提高了光伏陣列輸出功率的同 時兼顧了對蓄電池的保護。
權利要求
1. 混合式太陽能水淡化設備，含有由給水箱、盤式太陽能蒸餾器、儲熱水箱、直流水泵以及控制閥組成的盤式太陽能水淡化裝置，其特點在于，所述設備還有一個光伏陣列電力電子變換器，由背面貼著散熱器的光伏陣列、第一DC/DC變換器、蓄電池、第二DC/DC變換器、恒溫控制電熱器、開關電源及最大功率跟蹤控制器組成，其中所述散熱器，設有海水或苦咸水的進水口以及出水口，該出水口與所述給水箱的進水口相通，在所述直流水泵的作用下，所述給水箱內(nèi)經(jīng)過所述散熱器預熱的水經(jīng)所述第一控制閥門進入所述盤式太陽能蒸餾器，冷凝后的蒸餾水由蒸餾水出水口流出，余水經(jīng)過所述控制閥進入所述儲熱水箱備用，再經(jīng)所述直流水泵作用下進入所述給水箱。所述光伏陣列，在輸出端分別接有用于測量輸出電壓的第一霍爾元件和用于測量電流的第二霍爾元件，分別輸出電流信號，該光伏陣列的輸出端還并聯(lián)有一個互相串聯(lián)的整流二極管(D)和第一儲能電容(C1)，所述第一DC/DC變換器，其輸入端與所述第一儲能電容(C1)并聯(lián)，輸出端并聯(lián)有第二儲能電容(C2)，所述電池，輸入端與所述第二儲能電容(C2)并聯(lián)，該蓄電池的第一輸出端的所述直流水泵供電，所述第二DC/DC變換器，輸入端與所述蓄電池的第二輸出端并聯(lián)，所述恒溫控制電熱器是直流加熱管式的，由所述第二DC/DC變換器供電，所述恒溫控制電熱器置于所述盤式太陽能蒸餾器內(nèi)，用熱傳導方式對所述待淡化的海水或苦咸水加熱，并通過熱電偶測量加熱溫度，用一個CPU芯片實現(xiàn)恒溫控制，所述開關電源由所述蓄電池的第三輸出端供電，該開關電源的輸出端向所述最大功率跟蹤控制器供電，所述最大功率控制器，由信號調(diào)理電路和數(shù)字信號處理器DSP串聯(lián)組成，其中所述信號調(diào)理電路，兩個輸入端與所述第一霍爾元件、第二霍爾元件的輸出端相連，數(shù)字信號處理器DSP，設有調(diào)理信號輸入端，與所述信號調(diào)理電路的對應輸出端相連，所述蓄電池充電電流輸入端，輸入信號由設在所述蓄電池輸入端的第三霍爾元件提供，蓄電池充電電流的設定值，由Ir表示，光伏陣列輸出電壓參考值Vref為變量，占空比擾動步長設定值，用ΔD表示設定值，電壓擾動步長，用ΔV表示，該數(shù)字信號處理器DSP按如下步驟控制步驟(1)，計算在第k個周期所述光伏陣列的輸出功率Po(k)＝Vo(k)x Io(k)，其中Vo(k)、Io(k)分別為周期k時所述光伏陣列的輸出電壓和輸出電流；步驟(2)按下式判定所述光伏陣列輸出功率的變化趨勢若ΔVo(k)xΔPo(k)>0，表示所述光伏陣列運行在輸出電壓-輸出功率特征曲線之最大功率點的左側，則所述數(shù)字信號處理器DSP使第k+1個周期的光伏陣列輸出電壓參考值Vref(k+1)按下式增大Vref(k+1)＝Vref(k)+ΔVref，且ΔVref＝ΔV，若ΔVo(k)xΔPo(k)<0，則相應減小第k+1個周期中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)；步驟(3)判定蓄電池充電電流Ib是否超過設定值Ir；若Ib<Ir，則使ΔVref＝ΔVref，若Ib>Ir，則使ΔVref＝ΔVrefx-1；步驟(4)根據(jù)所述光伏陣列輸出電壓參考值Vref的變化調(diào)整下一周期k+1時的占空比D(k+1)若ΔVref＝ΔV，則占空比D(k+1)＝D(k)-ΔD若ΔVref＝-ΔV，則占空比D(k+1)＝D(k)+ΔD步驟(5)所述數(shù)字信號處理器DSP按步驟(4)中所述的占空比控制所述第一DC/DC變換器和第二DC/DC變換器的輸入控制信號的值。
全文摘要
混合式太陽能水淡化設備屬于太陽能應用技術領域，其特征在于，在現(xiàn)有的盤式太陽能水淡化裝置上，增加一個根據(jù)最大功率跟蹤控制方法控制的光伏發(fā)電系統(tǒng)，以控制原有的直流水泵，光伏陣列運行在最大功率點附近，以提高太陽能的利用率。同時還利用太陽能光伏陣列的散熱器來加熱原水以節(jié)約能源。
文檔編號C02F1/14GK101397153SQ200810226488
公開日2009年4月1日 申請日期2008年11月12日 優(yōu)先權日2008年11月12日
發(fā)明者孫曉瑛, 袁立強, 趙爭鳴, 路遙東, 馬哈德 申請人:清華大學