基于微型能源技術(shù)的空調(diào)溫度控制器設(shè)計及實驗驗證

任鵬，文武

（珠海格力電器股份有限公司，廣東　珠?！?19070）

基于微型能源技術(shù)的空調(diào)溫度控制器設(shè)計及實驗驗證

任鵬*，文武

（珠海格力電器股份有限公司，廣東珠海519070）

隨著微型能源采集技術(shù)的逐漸成熟和應(yīng)用，通過將室內(nèi)微弱光源進行采集和存儲，采用低功耗的器件和設(shè)計電路，應(yīng)用低功耗的控制策略，并對控制裝置的功耗進行分析控制，合理地利用存儲能源和實時能源，從而實現(xiàn)一種無源無線的室內(nèi)空調(diào)溫度控制裝置溫控器。經(jīng)測試驗證，溫控器在不需要任何外接電源的情況下完全可以滿足其工作要求。

微型能源；光能；無源；存儲；溫控器

0　引言

“十二五”節(jié)能工作的重點將進一步轉(zhuǎn)向建筑能耗，而降低建筑能耗的關(guān)鍵則是降低暖通系統(tǒng)能耗。通常在一個大型商業(yè)的辦公場所，其暖通系統(tǒng)由主機和空調(diào)末端機組設(shè)備組成?？照{(diào)末端機組是用戶根據(jù)需要操作的末端設(shè)備，末端設(shè)備使用的方式如何，對暖通系統(tǒng)的能耗有很大影響。作為辦公室內(nèi)部的空調(diào)末端機組，是用戶根據(jù)辦公環(huán)境需要直接操作的設(shè)備，通常都會提供給用戶操作的溫控器，可以顯示用戶關(guān)心的信息，提供給用戶操作的按鍵和檢測室內(nèi)環(huán)境溫度，此溫控器通常是由末端機組供電，雖然溫控器控制系統(tǒng)或傳感器的功耗較小，但是不論設(shè)備運轉(zhuǎn)或停止都在工作，一直在損耗能源［1-2］。

本文就是通過采集室內(nèi)日光燈（或室外提供的光線）產(chǎn)生的室內(nèi)微弱光能，利用光電轉(zhuǎn)換效應(yīng)產(chǎn)生電能，在消耗能源的同時產(chǎn)生能源。但此部分產(chǎn)生的能源是非常有限的，適用于一些功耗較低的設(shè)備。對此加以充分利用，用此能源為溫控器提供電源，從而使溫控器脫離末端機組的限制，根據(jù)用戶需要，實時檢測環(huán)境溫度對機組進行控制，為用戶提供舒適的環(huán)境溫度［3］。

1　理論分析

室內(nèi)光線的來源有兩種途徑：引入室外光線和室內(nèi)燈光提供合適的光照。據(jù)介紹，一般室內(nèi)的照度為窗前1，000 lux，桌上400 lux，桌下100 lux。不論是室外光線還是室內(nèi)的燈光，都可作為我們收集的光能，從光譜響應(yīng)來看，在室內(nèi)頻譜的區(qū)間適合使用非晶硅的太陽能電池片進行光能采集轉(zhuǎn)換。根據(jù)太陽能電池板的性能特點，每100 mm2光伏電池可以產(chǎn)生大約1 mW的電能，一般的能源效率為10%，容量比（平均所產(chǎn)生的電能對太陽持續(xù)照射時產(chǎn)生電能的比率）約為15%～20%。

常規(guī)的溫控器功耗在30 mA左右，如果要使用室內(nèi)光源提供能源就必須對溫控器的器件、電路、控制策略重新設(shè)計，采用低功耗器件、低功耗電路以及節(jié)能策略的設(shè)計。通過低功耗的理論計算和分析，對帶有液晶顯示、按鍵、無線發(fā)射功能的溫控器進行功耗分配（見表1）。

根據(jù)溫控器的功耗需求我們選用小尺寸的非晶硅太陽能片提供電源是可行的。

表1　功耗分配

2　方案設(shè)計

根據(jù)溫控器裝置的需要，我們搭建的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如見圖1［4］。

圖1　控制系統(tǒng)原理圖

2.1光能電池的選型

根據(jù)主芯片，液晶、射頻模塊等主要器件的工作電壓要求，選擇3.3 V的光能電池比較合適，通過對比選擇了適用于室內(nèi)弱光型光能電池板。光能電池板對光強度很敏感，在室外太陽光下，電流可達毫安級；在室內(nèi)則只有室內(nèi)微安級。對光能電池板的光強度敏感性進行測試：在室外太陽光下，電壓可以達到3.3 V以上，電流可達毫安級；在室內(nèi)弱光環(huán)境下，電壓只有2.2 V，電流只有室內(nèi)微安級［5］。

帶負載能力見表2，負載能力圖見圖2。分析室內(nèi)弱光電池的負載能力：在負載在50 kΩ～100 kΩ之間的情況下能夠得到的工作電壓在2.8 V以上，電流可以達到56 mA，輸出功率較好。

表2　帶負載能力

圖2　負載能力圖

2.2能量存儲方案設(shè)計

采用小電容直接供電、大電容存儲電能的方式。由于小電容充電速度快，可以迅速升壓至工作電壓，讓芯片得以迅速啟動，多余的電量就存儲在大電容中，用來度過沒有能源供應(yīng)的時間段，見圖3儲能原理圖所示［6］。

快充電儲能電容：滿足快速投入工作，充電時間短，低內(nèi)阻，低泄漏電流，確?？焖俪潆姾头烹婋娏髯銐虼蟆?/p>

使用470 μF鉭電容進行充放電測試，充電：光能充電（內(nèi)阻97 kΩ），從0 V開始充電，充到3.3 V的時間：t=56.6 s；從2.4 V開始充電，充到3.3 V的時間：t=23.4 s。放電：30 mA放電，初始電壓3.3 V，放電到2.4 V，估算負載電阻80 Ω，放電時間T=12 ms。計算結(jié)論：如果用470μF電容情況下放電時間太短，必須用儲能電池。

使用0.22 F超級電容進行充放電測試，充電：光能充電（內(nèi)阻97 kΩ），從0 V開始充電，充到3.3 V的時間：t=7.36 h；從2.4 V開始充電，充到3.3 V的時間：t=3 h。放電：初始電壓3.3 V，放電到2.4 V，估算負載電阻80 Ω，放電時間T=5.6 s。計算結(jié)論：每天按充電時間10 h計算，可供放電時間11.2 s，可以滿足白天7.82 s放電，即可以滿足通訊工作約15次/h。

通過對比470 μF鉭電容、0.22 F和0.33 F超級電容，最終選用容量0.33 F的超級電容，電壓5.5 V，最大等效內(nèi)阻1.2 Ω，超低的泄漏電流。

圖3　儲能原理圖

2.3低功耗器件選型

根據(jù)產(chǎn)品的應(yīng)用特點，選取超低功耗的器件。

主芯片：低電壓，執(zhí)行效率高，工作功耗低，有多級休眠，休眠功耗低，能夠帶有低功耗的液晶驅(qū)動模塊。

三極管：飽和壓降小，確保能夠控制場效應(yīng)管的工作，消耗電流足夠小，控制自身功耗。實際選用BC847B。

場效應(yīng)管：具有極低的啟動電壓，柵極漏電流和飽和漏極電流小，均低于1 μA。滿足低電壓條件下的充電控制，內(nèi)部具有續(xù)流二極管。實際選用BSS84。

2.4低功耗電路設(shè)計

針對選取的低功耗器件，對電源電路、儲能電路、主芯片電路、通訊電路等進行設(shè)計［7］。

晶振：26 M高速晶振和32.768 K低速晶振的配合使用降低能耗；

外圍電路：采用較高的限流電阻，降低能耗；

功耗較大器件：在器件不使用的時間段里面，直接切斷其電源供給，節(jié)省能源。

2.5無線網(wǎng)絡(luò)

采用低頻段、短幀的低能耗無線通訊網(wǎng)絡(luò)設(shè)計。

2.6節(jié)能控制策略

從使用方式和能源管理的要求出發(fā)，建立控制算法，形成節(jié)能控制策略。由于在功耗分析中無線通訊的功耗最大，所以針對控制系統(tǒng)需要進行無線通訊的各種狀態(tài)進行節(jié)能優(yōu)化處理。充分利用現(xiàn)有控制系統(tǒng)中的無線通訊網(wǎng)絡(luò)的無源節(jié)點和有源節(jié)點的特點，實現(xiàn)信息的最低功耗交互［8］。

無線通訊網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點按能源方式分為兩種。

1）無源節(jié)點：能源來自微型能源的采集利用，在網(wǎng)絡(luò)上處于間隔時間周期的主動發(fā)送數(shù)據(jù)，包括溫控器、溫度采集單元、按鍵單元，僅在發(fā)送數(shù)據(jù)期間運行，不發(fā)送數(shù)據(jù)期間該單元處于休眠狀態(tài)降低能耗。

2）有源節(jié)點：能源來自常規(guī)線性電源，在網(wǎng)絡(luò)上處于實時接收數(shù)據(jù)狀態(tài)，即風機盤管主板控制器。

圖4為通訊機制處理示意圖。通訊處理方案：由于無線通訊發(fā)送和接收消耗電量大（可達毫安級），如果一直連續(xù)進行發(fā)送，儲能和太陽能電池無法滿足，所以對通訊處理機制進行了節(jié)能控制策略。初次上電工作后溫控器與機組控制器之間的網(wǎng)絡(luò)發(fā)送同步確認指令；接收到網(wǎng)絡(luò)節(jié)點發(fā)送的確認響應(yīng)指令后，確認實現(xiàn)同步通信；如果溫控器檢測到?jīng)]有任何操作，溫控器進入通信休眠狀態(tài)；如果溫控器檢測到用戶有操作指令，并確認操作指令已結(jié)束，啟動無線發(fā)送指令；如果溫控器檢測到當前的環(huán)境溫度超過用戶設(shè)定的溫度范圍時，啟動無線發(fā)送指令；如果機組控制器故障時，溫控器進入間隙性睡眠模式，并且通訊交互速率變慢，環(huán)境溫度檢測速率變慢。

圖4　通訊機制

軟件程序節(jié)能運行方案：根據(jù)環(huán)境溫度變化的特性，溫控器定時檢測溫度傳感器，并隨著環(huán)境溫度變化的速率調(diào)整定時檢測的時間；針對程序中多任務(wù)的執(zhí)行需求，任務(wù)處理根據(jù)需求進行，不使用時進入掛起狀態(tài)；針對程序中需要檢測的參數(shù)，根據(jù)用戶使用的要求分優(yōu)先級來進行調(diào)度計算處理［9-10］。

3　實驗驗證

首先將溫控器放置在室內(nèi)光照度大約在400 lux左右的環(huán)境中進行了2個小時的充電，測得超級電容的電壓在5 V左右。如果放置在室內(nèi)光照度大約在1，000 lux左右的環(huán)境中，20 min可以充電完成。環(huán)境溫度為28 ℃，溫控器通過操作按鍵喚醒后開始工作，液晶顯示當前機組狀態(tài)。通過按鍵設(shè)定溫度20 ℃、模式供冷、風速高風速，設(shè)定信息確認后，溫控器通過無線模塊發(fā)送設(shè)定信息給室內(nèi)空調(diào)末端控制器開啟機組，機組進入運轉(zhuǎn)狀態(tài)。溫控器在沒有任何操作持續(xù)10 s后，進行睡眠狀態(tài)［9，11］。

溫控器運轉(zhuǎn)過程中的工作電流測量見表5。

在有按鍵、顯示、通訊發(fā)生的情況下，超級電容可以在大約15 min后充電到5 V；在正常的顯示情況下，太陽能電池供電給溫控器液晶顯示屏，同時給超級電容充電。如果在室內(nèi)沒有光線的情況下，溫控器放置24 h后超級電容的電量基本釋放完，溫控器需要在光線下放置半小時后才能開啟。

表5　工作電流

4　結(jié)論

從測試的數(shù)據(jù)和實驗情況看，完全滿足用戶和現(xiàn)有末端機組控制的需要。通過此設(shè)計方式，使溫控器實現(xiàn)無源無線應(yīng)用，可以滿足室內(nèi)末端機組在日常使用的所有操作，并解決了常規(guī)溫控器需要單獨提供電源，而且要進行固定位置的安裝問題。用戶在使用此溫控器時，可以放置在任何位置，根據(jù)用戶需要隨時拿在手上設(shè)置，并且實時監(jiān)測到用戶周圍的環(huán)境溫度信息，準確的對末端機組進行控制，在減少機組能源消耗的同時也為用戶提供了舒適的工作環(huán)境。

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Design and Experimental Verification for the Temperature Controller Based on Micro Power Technology

REN Peng*，WEN Wu
（GREE Electric Appliances Inc，Zhuhai，Guangdong 519070，China）

Along with the maturation and application of collection technology of micro power through collection and storage of the energy of the faint light inside the room，a kind of passive and wireless thermostat for controlling the indoor air temperature can be realized by adopting low power consumption parts and design circuit，applying low power consumption control strategy，and analyzing and controlling the power consumption of control devices and then utilizing the storage energy and on-line power reasonably.The experiment proved that the temperature controller can completely satisfy the working demand without connecting any external power supply.

Micro power；Energy of light；Passive；Storage；Thermostat

10.3969/j.issn.2095-4468.2015.03.205

*任鵬（1978-），男，中級工程師，學士。研究方向：新能源技術(shù)。聯(lián)系地址：廣東珠海格力電器股份有限公司，郵編：519070。聯(lián)系電話：0756-8668764。E-mail：gree_renpeng.com.sina。