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(jì)及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(guò)將室內(nèi)微弱光源進(jìn)行采集和存儲(chǔ)，采用低功耗的器件和設(shè)計(jì)電路，應(yīng)用低功耗的控制策略，并對(duì)控制裝置的功耗進(jìn)行分析控制，合理地利用存儲(chǔ)能源和實(shí)時(shí)能源，從而實(shí)現(xiàn)一種無(wú)源無(wú)線的室內(nèi)空調(diào)溫度控制裝置溫控器。經(jīng)測(cè)試驗(yàn)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(wú)源；存儲(chǔ)；溫控器

0　引言

“十二五”節(jié)能工作的重點(diǎn)將進(jìn)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(gè)大型商業(yè)的辦公場(chǎng)所，其暖通系統(tǒng)由主機(jī)和空調(diào)末端機(jī)組設(shè)備組成?？照{(diào)末端機(jī)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(duì)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(jī)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(huì)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(cè)室內(nèi)環(huán)境溫度，此溫控器通常是由末端機(jī)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(yùn)轉(zhuǎn)或停止都在工作，一直在損耗能源［1-2］。

本文就是通過(guò)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(shí)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(duì)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(jī)組的限制，根據(jù)用戶需要，實(shí)時(shí)檢測(cè)環(huán)境溫度對(duì)機(jī)組進(jìn)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(lái)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(lái)看，在室內(nèi)頻譜的區(qū)間適合使用非晶硅的太陽(yáng)能電池片進(jìn)行光能采集轉(zhuǎn)換。根據(jù)太陽(yáng)能電池板的性能特點(diǎn)，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(duì)太陽(yáng)持續(xù)照射時(shí)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(duì)溫控器的器件、電路、控制策略重新設(shè)計(jì)，采用低功耗器件、低功耗電路以及節(jié)能策略的設(shè)計(jì)。通過(guò)低功耗的理論計(jì)算和分析，對(duì)帶有液晶顯示、按鍵、無(wú)線發(fā)射功能的溫控器進(jìn)行功耗分配（見(jiàn)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(yáng)能片提供電源是可行的。

表1　功耗分配

2　方案設(shè)計(jì)

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(jiàn)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(guò)對(duì)比選擇了適用于室內(nèi)弱光型光能電池板。光能電池板對(duì)光強(qiáng)度很敏感，在室外太陽(yáng)光下，電流可達(dá)毫安級(jí)；在室內(nèi)則只有室內(nèi)微安級(jí)。對(duì)光能電池板的光強(qiáng)度敏感性進(jìn)行測(cè)試：在室外太陽(yáng)光下，電壓可以達(dá)到3.3 V以上，電流可達(dá)毫安級(jí)；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(jí)［5］。

帶負(fù)載能力見(jiàn)表2，負(fù)載能力圖見(jiàn)圖2。分析室內(nèi)弱光電池的負(fù)載能力：在負(fù)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(dá)到56 mA，輸出功率較好。

表2　帶負(fù)載能力

圖2　負(fù)載能力圖

2.2能量存儲(chǔ)方案設(shè)計(jì)

采用小電容直接供電、大電容存儲(chǔ)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(dòng)，多余的電量就存儲(chǔ)在大電容中，用來(lái)度過(guò)沒(méi)有能源供應(yīng)的時(shí)間段，見(jiàn)圖3儲(chǔ)能原理圖所示［6］。

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

使用470 μF鉭電容進(jìn)行充放電測(cè)試，充電：光能充電（內(nèi)阻97 kΩ），從0 V開(kāi)始充電，充到3.3 V的時(shí)間：t=56.6 s；從2.4 V開(kāi)始充電，充到3.3 V的時(shí)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(fù)載電阻80 Ω，放電時(shí)間T=12 ms。計(jì)算結(jié)論：如果用470μF電容情況下放電時(shí)間太短，必須用儲(chǔ)能電池。

使用0.22 F超級(jí)電容進(jìn)行充放電測(cè)試，充電：光能充電（內(nèi)阻97 kΩ），從0 V開(kāi)始充電，充到3.3 V的時(shí)間：t=7.36 h；從2.4 V開(kāi)始充電，充到3.3 V的時(shí)間：t=3 h。放電：初始電壓3.3 V，放電到2.4 V，估算負(fù)載電阻80 Ω，放電時(shí)間T=5.6 s。計(jì)算結(jié)論：每天按充電時(shí)間10 h計(jì)算，可供放電時(shí)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(guò)對(duì)比470 μF鉭電容、0.22 F和0.33 F超級(jí)電容，最終選用容量0.33 F的超級(jí)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(chǔ)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(diǎn)，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(jí)休眠，休眠功耗低，能夠帶有低功耗的液晶驅(qū)動(dòng)模塊。

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

場(chǎng)效應(yīng)管：具有極低的啟動(dòng)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(shí)際選用BSS84。

2.4低功耗電路設(shè)計(jì)

針對(duì)選取的低功耗器件，對(duì)電源電路、儲(chǔ)能電路、主芯片電路、通訊電路等進(jìn)行設(shè)計(jì)［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(shí)間段里面，直接切斷其電源供給，節(jié)省能源。

2.5無(wú)線網(wǎng)絡(luò)

采用低頻段、短幀的低能耗無(wú)線通訊網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)。

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(wú)線通訊的功耗最大，所以針對(duì)控制系統(tǒng)需要進(jìn)行無(wú)線通訊的各種狀態(tài)進(jìn)行節(jié)能優(yōu)化處理。充分利用現(xiàn)有控制系統(tǒng)中的無(wú)線通訊網(wǎng)絡(luò)的無(wú)源節(jié)點(diǎn)和有源節(jié)點(diǎn)的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)信息的最低功耗交互［8］。

無(wú)線通訊網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)按能源方式分為兩種。

1）無(wú)源節(jié)點(diǎn)：能源來(lái)自微型能源的采集利用，在網(wǎng)絡(luò)上處于間隔時(shí)間周期的主動(dòng)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(yùn)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(diǎn)：能源來(lái)自常規(guī)線性電源，在網(wǎng)絡(luò)上處于實(shí)時(shí)接收數(shù)據(jù)狀態(tài)，即風(fēng)機(jī)盤(pán)管主板控制器。

圖4為通訊機(jī)制處理示意圖。通訊處理方案：由于無(wú)線通訊發(fā)送和接收消耗電量大（可達(dá)毫安級(jí)），如果一直連續(xù)進(jìn)行發(fā)送，儲(chǔ)能和太陽(yáng)能電池?zé)o法滿足，所以對(duì)通訊處理機(jī)制進(jìn)行了節(jié)能控制策略。初次上電工作后溫控器與機(jī)組控制器之間的網(wǎng)絡(luò)發(fā)送同步確認(rèn)指令；接收到網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)發(fā)送的確認(rèn)響應(yīng)指令后，確認(rèn)實(shí)現(xiàn)同步通信；如果溫控器檢測(cè)到?jīng)]有任何操作，溫控器進(jìn)入通信休眠狀態(tài)；如果溫控器檢測(cè)到用戶有操作指令，并確認(rèn)操作指令已結(jié)束，啟動(dòng)無(wú)線發(fā)送指令；如果溫控器檢測(cè)到當(dāng)前的環(huán)境溫度超過(guò)用戶設(shè)定的溫度范圍時(shí)，啟動(dòng)無(wú)線發(fā)送指令；如果機(jī)組控制器故障時(shí)，溫控器進(jìn)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(cè)速率變慢。

圖4　通訊機(jī)制

軟件程序節(jié)能運(yùn)行方案：根據(jù)環(huán)境溫度變化的特性，溫控器定時(shí)檢測(cè)溫度傳感器，并隨著環(huán)境溫度變化的速率調(diào)整定時(shí)檢測(cè)的時(shí)間；針對(duì)程序中多任務(wù)的執(zhí)行需求，任務(wù)處理根據(jù)需求進(jìn)行，不使用時(shí)進(jìn)入掛起狀態(tài)；針對(duì)程序中需要檢測(cè)的參數(shù)，根據(jù)用戶使用的要求分優(yōu)先級(jí)來(lái)進(jìn)行調(diào)度計(jì)算處理［9-10］。

3　實(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(jìn)行了2個(gè)小時(shí)的充電，測(cè)得超級(jí)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(guò)操作按鍵喚醒后開(kāi)始工作，液晶顯示當(dāng)前機(jī)組狀態(tài)。通過(guò)按鍵設(shè)定溫度20 ℃、模式供冷、風(fēng)速高風(fēng)速，設(shè)定信息確認(rèn)后，溫控器通過(guò)無(wú)線模塊發(fā)送設(shè)定信息給室內(nèi)空調(diào)末端控制器開(kāi)啟機(jī)組，機(jī)組進(jìn)入運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)。溫控器在沒(méi)有任何操作持續(xù)10 s后，進(jìn)行睡眠狀態(tài)［9，11］。

溫控器運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中的工作電流測(cè)量見(jiàn)表5。

在有按鍵、顯示、通訊發(fā)生的情況下，超級(jí)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(yáng)能電池供電給溫控器液晶顯示屏，同時(shí)給超級(jí)電容充電。如果在室內(nèi)沒(méi)有光線的情況下，溫控器放置24 h后超級(jí)電容的電量基本釋放完，溫控器需要在光線下放置半小時(shí)后才能開(kāi)啟。

表5　工作電流

4　結(jié)論

從測(cè)試的數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)情況看，完全滿足用戶和現(xiàn)有末端機(jī)組控制的需要。通過(guò)此設(shè)計(jì)方式，使溫控器實(shí)現(xiàn)無(wú)源無(wú)線應(yīng)用，可以滿足室內(nèi)末端機(jī)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(dú)提供電源，而且要進(jìn)行固定位置的安裝問(wèn)題。用戶在使用此溫控器時(shí)，可以放置在任何位置，根據(jù)用戶需要隨時(shí)拿在手上設(shè)置，并且實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)到用戶周?chē)沫h(huán)境溫度信息，準(zhǔn)確的對(duì)末端機(jī)組進(jìn)行控制，在減少機(jī)組能源消耗的同時(shí)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(jí)工程師，學(xué)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。